某型液压支架顶梁不同工况强度分析

李海军

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿， 山西 方山 033100）

引言

液压支架作为煤炭开采中的重要设备，是实现采矿安全生产、保障生产效率的重要设备[1-2]。液压支架一般结构部件包括：承载部件（顶粱结构、掩护梁结构和底座结构）、液压支撑系统（立柱、液压支撑杆）、辅助控制系统等[3]。其中顶梁结构为工作作业中直接承载部件，受到载荷冲击作用大，同时由于该结构主要由各种规格钢板焊接而成，结构中也包含大量焊缝。焊缝作为焊接结构的薄弱区域，对于液压支架结构使用寿命具有决定性影响。

1 模型建立及网格划分

1.1 模型建立

本文研究对象为某型号液压支架，由于液压支架结构复杂，在建模时严格按照其工程图建模，同时具有一些不影响分析结果的细小特征，例如孔、小的凸台、次要的倒角结构等。结构的主要承载部件为顶板结构，所以依据这些原则建立了顶板的三维模型。

顶板主要由不同规格的钢板拼焊而成，顶板结构材料的参数见表1。将在三维软件Croe中创建的模型导入ANSYSWorkbench，依据表1对模型材料进行设置。已知Q235B材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3，弹性模量E=2.5×105MPa。

为了尽可能真实地模拟出顶板承受不同载荷下的应力分布，需在ANSYS Workbench中设置各个板之间的关系，将各个部件连接位置设置为焊缝，在Simulation Contact选项中，选择“contact”可以进行设置，具体操作在此不再赘述。

1.2 网格划分

模型结构设置好后，需对其进行网格划分，由于模型中包含了焊缝特征，所以在划分网格时采用“quads”六面体网格进行划分。首先对不规则的几何体进行切割，以适应六面体网格的划分。采用solid45为有限元分析单元类型。模型一共划分为72 216个单元，包括352 743个节点。如图1所示为顶板网格划分示意图。

表1 主体结构材质

图1 顶梁网格划分

图2 顶梁受最大弯曲载荷时垫块位置

图3 顶梁受最大偏向载荷时垫块位置

2 计算工况及加载

根据液压支架实际使用的载荷情况，选择两种典型的载荷工况模拟分析顶梁应力分布。顶梁的两种计算工况分别为：最大弯曲、顶梁最大偏载荷工况。载荷的大小以及载荷作用位置图2、图3所示，每个接触面上施加的力为706.5 kN。在垫块位置设置相应的约束，两种工况下垫块不同位置由虚线表示出。

对液压支架整体进行受力分析，可以得到顶梁所受载荷可以分为三部分：立柱对顶梁的摩擦阻力；千斤顶对顶梁的支撑力；掩护梁对顶梁的作用力。顶梁所有外载荷的位置面如图4所示高亮区域，根据载荷作用的面，编号1—6面。

图4 顶板外载荷作用面

两种工况下立柱对顶梁的作用力是相同的，额定工作时立柱对顶梁的作用力合力为9 000 k N，将该值乘上1.3的安全系数（F=1.3×9 000=11 700 kN），将合力分解到两个作用面（面5、面6），方向为竖直方向偏右18°。

根据仿真计算结果提取千斤顶对顶梁底部的支撑力，力作用的位置在顶梁与千斤顶支撑位置的销轴处的两个接触面上（命名面1、面2），大小见表2。同理可以得到掩护梁与顶梁之间的相互作用力，可将作用力施加在筋板的两特征孔上（命名面3、面4），大小见表 2。

表2 顶梁所受外载荷情况

3 强度分析结果

本文基于有限元第四强度理论对液压支架顶梁的静态强度进行分析，分别求解各个工况下顶梁的等效应力（Von Mises应力），根据应力计算的结果可以判定结构的危险部位，以及是否超过材料本身的许用应力值[4]。

顶梁板材结构组成部分包括：主筋板、横隔板、上顶板、下支撑板、加强腹板等结构，根据顶梁在两种工况下的应力云图可以直观得到结构的危险区域，以及各个部位应力分布趋势、应力最大和最小值点等信息。为了便于分析结构应力的分布情况，在可视化后处理先将最大应力值设置为460 MPa，显示云图中应力大于460 MPa时显示为红色，如图5、图6所示，分别为弯曲工况、偏载工况下顶梁应力分布情况[5]。

图5 弯曲工况应力分布

图6 偏载工况应力分布

为了尽可能考虑焊缝对应结构的影响，本文中对焊缝的最大应力与对应板材的最大应力值进行比较，如表3、表4中所示，分别为顶梁的各个部件在两种工况载荷下的等效应力最大值。并根据各个板材以及焊缝的应力计算结果，来推算焊缝的平均应力值。焊缝平均应力是指母板离开焊趾位置一定距离处的等效应力，距离焊趾的距离d可以按公式d=（h1h2）1/2计算求得。式中：h1为两块板材中厚度较薄的板材厚度；h2为焊缝的焊角尺寸[6]。

本文中按顶梁的主筋板和各部件对应的焊缝，分为三个部分给出应力计算最大值，表中列出了在两种不同工况下应力的最大值，分别包括母材应力值、焊缝的应力值，以及根据d值提取到的焊缝的平均应力值，如表3、表4所示。

表3 弯曲工况应力值 MPa

表4 偏载工况应力值 MPa

两种工况下，计算得到顶梁母材应力小于450 MPa，如果选择顶梁材料为Q460，则顶梁的总体强度有更多的富余量。两种工况下，计算得到焊缝的应力最大达到了1 100 MPa的应力，该位置均处于顶梁尾部的下盖板与主隔板的焊接接口处，接口区域狭小，且计算模型中接口处并未设置焊缝造成的偏差，在此可以看作是虚应力。两种工况下，焊缝的最大平均应力分别为481 MPa、412 MPa。根据焊缝应力计算结果，应力较高的区域均出现在垫块位置，且两种工况下均产生于主加强筋与横隔板所形成的焊缝上。

焊缝上的应力梯度较大，在弯曲、偏载两种工况下，应力较大的区域较为相似。根据应力来看，主要在横隔板与侧护板之间所形成的焊缝区域，这些区域容易产生局部开裂、裂纹。但在顶梁中部的焊缝其应力值较小，结构仍具备一定承载余量。

4 结论

1）根据计算的应力结果，结构总体强度有富余，但是局部容易产生裂纹、局部塑性变形等。顶梁中部应力计算的结果显示，其富余量大，主筋板结构仍未达到承载极限，但在使用中应注意排查侧护板与横隔板所形成的焊缝区域。

2）应力云图显示大部分筋板未达到承载极限，且在两种工况下母材应力值最大值分别为418 MPa、428 MPa，小于460 MPa。焊缝平均应力最大值达到481 MPa，高于460 MPa，所以焊缝作为结构的易破坏点，应该引起重视。

3）焊接结构的破坏常常受焊缝的影响，焊缝在承载过程中产生裂纹的结构的使用寿命具有重要影响，从计算的结果中也可以看到焊缝相对于主体结构的应力较大，在设计中应尽量采取措施避免在狭小空间中的焊缝，同时在生产活动中应随时对关键点焊缝进行排查。