基于Workbench的ZY4000型液压支架结构强度分析

卫晋鹏

(晋能控股晋城煤炭事业部 宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048000)

我国的煤炭资源储量相对丰富，现已探明的煤炭资源储量约为6万亿t，占世界煤炭资源总储量的11.8%左右。我国每年煤炭资源的开采与消耗都较大，据相关资料统计，我国2016年煤炭资源消费量在作用一次性能源中占比约为75%，因此可以说国家社会经济的发展对煤炭资源的依赖程度较高，所以保障煤炭资源的开采即是保障国家经济的发展。

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，对保障煤炭开采的安全生产具有重要作用。液压支架在实际使用过程中常发生的结构类故障主要包括顶板结构失效、立柱的结构破坏、底座破坏，其结构破坏的主要原因是结构在使用过程中承受冲击载荷作用。因此在液压支架结构的设计过程中，需要对其关键结构部件的强度进行分析，有针对性地提高设备的抗冲击能力[1]。

1 ZY4000型液压支架

液压支架的主体结构为钢制焊接结构，在实际工作中常发生结构失效。液压支架的关键部件包括顶梁、底座、支撑立柱、掩护梁结构、液压系统等。顶梁在液压支架工作过程中与顶板接触，主要对巷道顶板提供支护；掩护梁的作用则是防止侧面的落石对设备造成损坏；底座是与底面相接触的部件，是液压支架的基座，并与立柱、顶梁相连；立柱是顶梁与底座之间的支撑结构，具有调节液压支架支撑角度的能力[2]。

ZY4000型液压支架作业煤层厚度范围为6～16 m；适应煤层倾角要求≤15°；工作阻力4 000 kN，支护强度0.7 MPa；液压支架中心距1.5 m，是一种应用广泛的液压支架，图1为ZY4000型液压支架结构示意。

图1 ZY4000液压支架结构示意

2 有限元分析理论

有限元分析理论是计算复杂工程力学问题的重要研究手段之一，近年来取得了较大的发展，理论进一步完善，计算结果也更合理可靠。有限元分析方法是将复杂的连续体问题离散为单元和节点之间联系的关系，整体结构各单元之间的关系可以用一个刚度矩阵来表示，载荷施加在单元与节点之上，单元被赋予一定的属性即可模拟真实结构的受载荷情况。有限元分析计算可以了解整个结构的受载情况，也可以直观地了解结构应力、应变分布，对于结构设计具有重要参考意义[3]。

有限元计算分析发展出来许多有限元计算软件，本研究采用了美国ANSYS公司的ANSYS Workbench。该软件具有操作流程简单、易上手、分析结果可靠等优点，相较于经典版的APDL具有更好的非线性收敛能力。软件分析的操作流程大致可以分为三维模型建立、有限元分析模型建立、计算求解、查看分析计算结果等步骤，其分析流程可以简化为图2所示步骤。

图2 有限元静态分析流程

3 三维建模

三维模型的建立对结果影响较大，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。由于有限元分析中对模型单元划分质量有一定要求，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[4]：

1) 非关键结构、非承载结构可以简化，如液压支架上辅助设备安装连接位置、连接板之类。

2) 在保证液压支架关键结构尺寸的基础上，对于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。

3) 液压支架为大型焊接结构，可以认为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。

在建模时应注意，保留液压支架各部件之间的连接销轴，在有限元分析时应将其设置为接触约束。立柱为液压油缸，主要实现对液压支架不同部位进行调节，在有限元计算分析中可以将立柱视为二力杆，不考虑其长度的变化[5]。

4 有限元分析模型建立

1) 材料属性。ZY4000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，且Q690材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量2.04×105MPa，泊松比为0.3。由于液压支架结构中使用Q460结构较少，在分析时可以统一设置为Q690。在模型导入ANSYS Workbench时需对液压支架各相对独立的部件之间设置接触，选择“contact”设置各部件之间的相互接触关系，模拟液压支架的实际受载情况。

2) 网格划分。对模型网格的处理会影响到模型计算的结果，理论上讲网格划分越密计算的结果也越可靠，但网格过小会导致模型求解时间大幅增加，所以应控制网格划分数量。根据液压支架结构的实际尺寸，在Workbench中设置网格划分参考尺寸为50 mm。为提高网格划分质量，将网格畸变系数设置为0.9，设置单元类型为SOLID45实体单元。最后根据软件的自适应网格划分法，计算得到共269 081个单元，379 238个节点[6]。

3) 载荷工况。对液压支架载荷的研究工作是相对成熟的，关于液压支架结构分析工况已经形成了通用技术标准，主要用于模拟液压支架在不同情况下的受力情况，以验证液压支架结构设计的合理性，为液压支架的结构设计提供了有力参考。

在此参照国标《液压技术通用技术条件》，结构液压支架实际受载情况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。

5 计算结果

基于到四强度理论对液压支架整机结构强度进行分析，根据计算结果可以直观得到液压支架的受力特征、应力分布情况，为液压支架的结构设计提供重要的理论参考，下面分别对液压支架在两种工况下的计算结果进行描述。

5.1 顶梁偏载工况

在顶梁偏载工况加载下，计算得到液压支架的应力与应变云图如图3所示。根据计算结果可知，液压支架各部件的应力大小差异较大，其最大应力值为553.89 MPa，最大应力位于顶梁左侧；最大位移值为18.812 mm，位于顶梁的右侧顶端，由此可见液压在偏载工况作用下产生了比较明显的扭转。

图3 顶梁偏载工况计算结果

5.2 顶梁、底座承受扭转载荷

液压支架在顶梁、底座承受扭转载荷工况下，根据Workbench计算分析结果，如图4所示，可对液压支架整体结构进行分析。

图4 扭转工况计算结果

从图4中可知，液压支架在扭转载荷工况下最小应力为0.016 MPa，最大应力值为909 MPa，最大应力值已超过材料的屈服强度，最大应力值点位于顶梁左后侧，液压支架其他部件如掩护梁、连杆等的应力较小。根据液压位移云图4(b)所示，其最大位移为20 mm，发生在顶梁左前边缘位置，其余区域位移量均较小。此工况下最大应力超过了材料的屈服强度，表明实际结构在此最大应力值点容易产生破坏。

5.3 优化改进意见

根据对ZY4000型液压支架应力应变分析结果，结构中有可能造成应力比较集中的区域，因此该后续的设计中应对其进行改进，针对液压支架结构提出两条改进意见：①避免应力集中。液压支架整体应力较小，但应力集中区域最大应力已超过材料屈服强度，应增加立柱与顶梁之间连接耳板。②可以提高顶梁顶板材料承载能力，可将顶板材料改为Q890。

6 结 语

以ZY4000型液压支架为研究对象，首先根据其工程设计图建立三维实体模型，并对模型做了相应的简化，列出了模型简化的原则。建立了液压支架的有限元分析模型，并依据液压支架结构校核载荷标准选择了两种载荷工况对液压支架进行了分析，计算得到在顶梁偏载工况下最大应力值为553.89 MPa，顶梁与底座受扭转工况下最大应力值为909 MPa，超过了材料的屈服强度。基于分析结果提出了两条该型液压支架设计改进的意见，该研究对于此类型液压支架结构设计与优化提供了重要的理论参考。