基于FEA的煤矿液压支架典型工况分析

代立明

（山西天地煤机装备有限公司，太原030006）

0 引 言

在液压支架的最初设计和制造过程中，都需对设计进行测试和验证。以前的测试和验证是在试验场地进行，液压支架的试验对象，测试费用大约需要10万～20万元，过程大约需1～2个月时间，而且这种测试是破坏性测试。本文以ZT6500/19.5/34型支架研究对象，通过SolidWorks软件建立三维模型，然后通过简化计算模型并导入ANSYS软件，最后得出4种工况下的液压支架强度有限元分析结论，这种仿真计算解决了传统测试验证方法费用高、用时长、存在破坏性的问题。

1 三维模型建模

本文以ZT6500/19.5/34型支架为例进行三维建模。在建模过程中，一些不重要的部分(如盖板、耳子等)被简化。但是这种简化是在不影响强度分析结果基础上的简化。简化后建模如图1所示。简化后的模型进行相关来压测验高度为2850 mm，该模型为后续的有限元分析提供了动态模型，提高了模型有限元分析的效率。

2 有限元分析

图1所示模型可以通过介于SolidWorks和ANSYS之间的通用文件格式SAT导入有限元分析软件ANSYS中进行分析，这种方法可以大大减少直接在ANSYS有限元分析软件中直接建模所花费的时间。首先本文以四面体结构为划分依据对模型进行网格划分，划分结果为56 884个单元和109 445个节点，测试高度为2850 mm，网格划分结果如图2所示。

图1 ZT6500/19.5/34型液压支架三维模型

在液压支架的强度测试中，在煤矿井下的实际工况中，液压支架的不同部位在不同负载下受力不一样。根据《液压支架通用技术条件》（中国煤炭行业标准MT 312-2000）要求，在进行液压支架强度试验时，在对主体结构件进行加载试验时，试验方法为立柱内加载，试验压力为额定工作压力的1.2倍，即7800 kN。本文针对顶梁在4种工况下的负载进行有限元分析：状态一为顶梁两端集中载荷工作状态；状态二为顶梁扭转工作状态：状态三为顶梁偏载工作状态；状态四为顶梁中部集中载荷工作状态。这4种工作状态下的加载简图如图3～图6所示。

图2 液压支架的网格划分

图3 状态一加载简图

图4 状态二加载简图

图5 状态三加载简图

图6 状态四加载简图

3 分析计算结果

在《液压支架通用技术条件》（MT 312-2000）中已对强度加载试验在不同工作状态的加载强度进行了规定，本文严格按照规定施加载荷，图7～图14为4种工作状态的位移变量和等效应力图。

图7 状态1位移变量图

图8 状态1等效应力图

图9 状态2位移变量图

图10 状态2等效应力图

从图7中可以看出，在顶梁两端集中载荷工作状态（状态一）下，最大位移变量集中在顶梁中部（为1.285 mm）。位移变量从中部往两端逐渐降低。斜梁变形较小，其他部位变形也较小，整体变形量呈现拱形。顶梁垫块的位移量为0，所以液压支架满足安全使用要求。

从图8中可以看出，在顶梁两端集中载荷工作状态（状态一） 下，左右两侧应力值较高，最大值为430 MPa，低于铰接销轴极限（785 MPa），顶梁两端垫块应力值较大，其余部分应力值较小，所以液压支架满足安全使用要求。

从图9中可以看出，在顶梁扭转工作状态（状态二）下，顶梁最大位移偏转位置在顶梁左中部，最大位移量为1.916 mm。位移量从左边中部往外部逐渐下降。顶梁位移量整体偏小，整体变形量为拱形，左中部有明显翘起部位，顶梁垫块的位移量为0，所以液压支架满足安全使用要求。

图11 状态3位移变量图

图12 状态3等效应力图

图13 状态4位移变量图

图14 状态4等效应力图

从图10中可以看出，在顶梁扭转工作状态（状态二）下，在顶梁左侧铰接处应力值最大（为427 MPa），低于铰接销轴极限（785 MPa），顶梁两端垫块应力值较大，其余部分应力值较小，所以液压支架满足安全使用要求。

从图11中可以看出，在顶梁偏载工作状态（状态三）下，位移变量最大值出现在左侧顶梁前段，最大值为2.367 mm，位移变量值从左侧顶梁前段往右往外降低，前后铰接部位位移变量值较小，顶梁翘起部位位移变量逐渐增大，其他部位位移变形量较小，顶梁垫块的位移量为0，所以液压支架满足安全使用要求。

从图12可以看出，在顶梁偏载工作状态（状态三）下，右侧顶梁应力值最大（为440 MPa），低于铰接销轴极限（785 MPa），铰接销孔应力值为417 MPa，顶梁两端垫块应力值较大，其余部分应力值较小，所以液压支架满足安全使用要求。

从图13可以看出，在顶梁中部集中载荷工作状态（状态四）下，位移量最大值出现在顶梁右前端（为2.876 mm），位移量值从右前端往外逐渐降低，前后铰接销轴孔位移量较小，其他部位的位移量较小，整体形变量为反拱形。翘起部位变形量从内往外逐渐增大，顶梁垫块的位移量为0，所以液压支架满足安全使用要求。

从图14可以看出，在顶梁中部集中载荷工作状态（状态四）下，应力值在顶梁右铰接销轴处为最大值（为279 MPa），低于铰接销轴极限（785 MPa），铰接销孔应力值为271 MPa，顶梁两端垫块应力值较大，其余部分应力值较小，所以液压支架满足安全使用要求。

4 结 论

通过三维建模软件，对ZT6500/19.5/34型液压支架进行建模并简化，建模效率大幅提高，并为后续动态有限元分析提供了模型。通过ANSYS进行了该型号液压支架的4种工况下的位移变量和等效应力分析。该分析可以有效提高液压支架优化设计和结构设计强度分析效率。通过建模和仿真分析可以更加符合工程实际工况，从而便捷、高效、节约地完成液压支架设计和研究。