基于Workbench的ZC10000型液压支架底座结构强度分析

宋 亮

（阳泉煤业（集团）有限责任公司大阳泉分公司，山西 阳泉 045000）

引言

液压支架主要被用于井下煤炭开采过程中对巷道的支撑，方便采煤机的移动或煤炭资源的运输，对保障煤炭的安全生产具有重要作用。但液压支架在实际使用中也常出现各类故障，常见的故障包括底座塌陷、顶梁结构破坏、液压撑杆破坏等故障。现基于已有的ZC10000型液压支架，分析其底座在两种工况下应力分布情况，可为液压支架底座的结构优化设计提供有力参考[1]。

1 ZC10000型液压支架底座结构

ZC10000型液压支架底为钢制焊接结构，在工作状态主要承受来自顶板所传递的载荷，底座承受的载荷较大，因此要求底座应具有较高的强度和刚度。底座除了对结构进行支撑外，还作为液压支架的走行机构，为了减小其运行过程中的助力和适应底部高低不平的地形，底座前端设计为滑撬形。

同时液压支架底座还设置有安装立柱、液压装置等设备空间，ZC10000型液压支架底座采用分式底座结构形式，底座长度为3 400 mm，宽为1 610 mm，底座结构均采用厚钢板板材焊接而成。该型液压支架底座分为左右两个坐箱，两坐箱的前端采用弹簧钢连接，底座的柔性增加，同时整体性降低，其结构、外形如图1所示[2]。

图1 底座机构与外形图（单位：mm）

2 Workbench简介

自ANSYS7.0及之后的ANSYS版本开始，ANSYS公司推出了简化通用版ANSYS Workbench，并且目前均已发展至2020 R1版本。ANSYS Workbench是为了适应现在仿真分析行业激烈的产品竞争开发出来的，该软件具有操作简单、易于学习等特点。ANSYS Workbench仿真平台可实现对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、热力学耦合场等进行分析，计算结果可靠。

基于Workbench的仿真环境与传统仿真软件比较有如下优势：用户化操作界面，可操作性强，用户可以根据需要添加已经设置好的模块；集成度高，Workbench不仅仅是一个求解器，其还可以进行较为复杂的前处理；可与部分CAD软件实现参数化共享，直接在三维软件中更改模型参数即可实现对有限元模型的更改[3]。

3 三维建模

目前三维建模软件发展较为迅速，出现了多种常用的软件如UG、SolidWorks、PRO/E、CATIA，这些软件均各有优势，采用SolidWorks建立ZC10000型液压支架三维模型，该软件具有操作简单，易于使用等特点，同时自身还具备参数化设计、基于特征建模、单一数据库等优点。参数化设计可以通过改变设计参数修改产品的尺寸，达到快速完成产品设计的目的，对结构的设计与改进具有重要意义[4]。

为了得到可靠的计算结果，首先根据液压支架的工程图创建三维模型，为避免产生不收敛或计算耗时过大等情况，需要对模型做简化处理。对模型的简化处理应不影响对液压支架结构强度计算结果，因此模型简化遵循如下准则：液压支架上辅助设备安装连接位置、连接板之类；非承载式筋板可以简化，对于一般的小开孔、耳板等结构可以做简化处理；焊接处焊缝强度与原材料一致，焊缝处强度未减弱，因此可以将模型视为一个整体进行建模，如图2所示为底座三维模型[5]。

图2 底座三维模型

4 有限元分析模型建立

4.1 材料属性

ZC10000型液压支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服强度为690 MPa，材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量2.04×105MPa，泊松比为0.3，各接触部件之间设置接触。

4.2 网格划分

模型网格的处理对有限元分析计算结果影响较大，控制网格大小的同时需注意软件的求解计算能力，所以应适当控制单元格大小。采用软件自主网格划分方法，设置网格参考尺寸为30 mm，设置网格网格畸变系数为0.9，并将单元类型设置为SOLID45实体单元。

4.3 载荷工况

液压支架载荷结构强度分析载荷工况并形成了相关的标准，在此参照《液压技术通用技术条件》标准，选择顶梁偏载工况和顶梁扭转工况两种工况进行分析，按照标准进行加载，在此不再对其载荷加载位置做过多说明[6]。

5 计算结果

基于有限元第四强度理论对ZC10000型液压支架底座结构进行强度分析，并根据计算结果对结构提出优化改进意见，为液压支架的结构设计提供重要的理论参考，下面分别对两种工况下计算结果进行分析。

5.1 偏载工况

顶梁在偏载工况下应力与应变计算结果如图3所示，根据其应力计算结果可知应力比较大的区域主要出现在底座与四根立柱相接触的区域。应力最大值为553.89 MPa，最大应力值点位于底座右侧板与垫块接触的位置。

根据底座的形变计算结果可知，底座的整体变形较小，如图3-1所示，但底座与立柱连接耳板位置变形较大，最大位移值为18.812 mm，由此可见液压在偏载工况作用下产生了比较明显的偏载荷扭转，在结构优化中应对此进行结构优化。

图3 偏载工况计算结果

5.2 扭转工况

如图4所示为底座在扭转工况下应力与应变计算结果，底座在此工况下最大应力值为509.9 MPa，最大应力值位于立柱与底座连接销孔的连接耳板上。而底座其他位置应力均较小，说明结构在此位置存在应力集中的情况。

图4 扭转工况计算结果

根据4-1所示，应变计算结果可知，底座结构产生了明显的扭转，底座左侧位移值明显大于右侧，最大位移值为20.252 mm，其余位置的位移均较小，在结构优化设计应考虑底座的抗扭转载荷作用的能力。

6 底座结构优化改进措施

根据液压支架的有限元计算分析结果，在两种较恶劣的载荷工况下，底座的过桥应力集中明显，最大应力达到553.89 MPa，同时在扭转工况下底座的变形较大，达到了20.252 mm。因此根据计算结提出底座的结构优化改进意见：将底座过桥加厚到50 mm，但底座侧板和筋板受载较小，可将其厚度适当减小，可增加底座侧板的厚度或者采用强度更高的钢材，提高底座的抗扭转作用。改进后底座如图5所示。

图5 底座优化改进位置