基于有限元的矿用液压支架底座强度分析及结构优化.pdf

154/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言煤炭开采中，安全问题是重中之重，液压支架作为煤炭行业中必不可少的机械设备，在煤炭开采方面具有举足轻重的地位。对于地下煤炭开采来说，液压支架的安全可靠性尤为重要，这不仅决定着煤炭能否顺利开采，更关乎着地下作业人群的生命安全。对于液压支架的结构件来说，机械强度是主要的问题，而底座对于液压支架来说是关键性的结构，顶板承受的作用力都会通过机械结构传递到底座，因此底座工作时承受的作用力非常大，因而对其性能要求更高。在这个科技高速发展的时代，二维三维建模技术和有限元仿真技术已经在液压支架中应用广泛，特别是在结构优化的应用中已经非常成熟，能显著提高其结构轻度及性能。针对液压支架的强度分析和结构优化，使用Ansa 软件进行前处理能起到提高效率和精度的作用。目前，通过有限元软件对液压支架的优化措施主要是补强和加厚1-2。本文将以液压支架为研究对象，通过有限元软件对原始底座进行受力分析，并通过结构优化的方式进行改进，对比发现优化后的模型能显著提升机械工作效率，使机械运行更安全平稳。1 液压支架底座模型建立1.1 液压支架底座三维几何模型的建立通过 Solidworks 软件对液压支架的底座进行三维模型的构建。对底座进行分析后发现，实际的液压支架结构较为复杂，有包括倒角、圆孔在内的很多细小结构，且结构间大多通过焊接方式进行固定。对于这种复杂的结构模型，如果完全按照实际结构进行建模，不仅会消耗大量的时间，而且在进行有限元分析时会大量报错。因此，为了提升网格的质量、提高工作效率需要进行简化处理，将结构中的倒角圆孔等删除后再进行后续处理，这样能够避免计算结果的不收敛，从而得到较为理想的实验数据。1.2 液压支架底座有限元模型的建立将建立好的底座模型导入 Ansa 前处理软件中。首先，进行网格的划分。液压支架基本是由钢板焊接而成，并且钢板处通过轴销进行连接固定，通过对比可以得出液压支架最适合的单元类型为六面体。因此为了相对增快计算时的收敛速度、简化网格模型，在进行网格划分时主要选择六面体单元，在复杂处选取四面体单元，最小单元尺寸设置为 5mm，最大不超过 20mm。另外，网格厚度设置不低于三层，确保了网格的精密度，基于有限元的矿用液压支架底座强度分析及结构优化张相昱 吴承格*闫海(山东交通学院工程机械学院，山东济南 250357)摘要：液压支架作为井下支护装备，在采煤过程中发挥了重要作用。以液压支架为研究对象，借助 Ansa 软件对底座进行前处理，利用 Abaqus 软件进行受力分析，发现最大应力值超过了材料的屈服强度。改进结构后对两种工况进行有限元计算，分析结果发现集中加载工况下底座应力值降低到1213MPa，左后扭转工况下底座应力值降到1194MPa，使结构的最大应力值达到材料要求。将优化后的液压支架底座结构应用到煤矿工程实践中，发现整体运行良好，稳定性提高，从而获得更好的经济收益。关键词：液压支架；底座；结构优化；有限元省级基金项目：超高强韧汽车用钢的关键制造技术及产业化应用 项目编号：2019TSLH01032023.10 矿业装备/155分布云图，由图 2 可知，当添加载荷后，底座结构的应力分布主要集中在中部立板区域内和柱窝处，其他结构处受力相对较小，受力最大的部位在底座两块中部立板的侧上方，应力最大为 1754MPa。2.2 液压支架底座左后扭转分析通过改变垫块位置，确立底座左后扭转工况。利用Abaqus 有限元分析软件对模型进行计算后，经过后处理模块分析计算结果。如图 3 所示为支架底座左后扭转工况应力分布云图。由图 3 可以看到，底座在此工况下最大应力值为 1623MPa，最大应力值位于底座中部立板的侧方位置上。应力主要集中在中部两侧立板范围内，其余结构的应力以中部立板为中心逐渐减小。2.3 存在的问题基于以上两种工况析结果可以看出，液压支架底座结构最大应力值达到了 1623MPa，该结构是利用材料30CrMnTi 加工制作而成，材料的屈服强度为 1470MPa，最大应力值超过了材料的屈服强度。因此可以得出，当液压支架底座结构实际进行工作时将会出现恶劣的受力情况，长时间进行工作受力较大的部位会出现损害导致液压支架无法正常工作，更严重的将会威胁煤矿开采安全。基于此有必要对底座结构进行优化改进，改善结构受力情况，降低液压支架的最大应力值，确保在采煤过程中即使遇到突发状况也能最大限度保持正常运作。3 液压支架底座结构改进分析3.1 结构改进方案通过上述分析可以得到底座结构中部立板部位出现了应力集中现象，是容易出现故障问题的部位，因此需要对附近结构进行优化改进。基于此，采用的主要改进思路为在与前连杆接触的两钢板处增加三块小钢板以提升薄弱部位的刚度和强度，钢板的厚度为 30mm。这样在理论上不仅能加固底座部位的稳定性，并且能够为后续使分析结果更加精确。如图 1 所示，底座模型共包含 55万单元。其次，对连接关系进行定义。为了最大程度提升网格质量，在部分结构包括底座柱窝处选择 tie 粘接。大尺寸的平板沿边缘进行的区域采用粘接方式进行处理。再次，对材料设置参数，如表 1 所示。最后，对边界条件以及载荷进行设置。载荷大小为1.2 倍额定载荷（156t），作用在柱窝处。由于本文为静力学分析，只需要对结构件自身结构强度进行研究。为了计算方便，将底座下方两个长垫块的作用力当作边界条件进行处理，约束 1356 方向的自由度。基于有限元第四强度理论对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3。2 原始液压支架底座受力分析及问题2.1 液压支架底座两端集中加载分析通过添加两个对称的长垫块，确立底座两端集中加载工况。通过 Abaqus 有限元软件进行后处理，分析得到结果。如图 2 所示为液压支架底座集中加载工况应力表1 材料力学性能参数表材料型号弹性模量/MPa泊松比密度/(kg m-3)屈服强度/MPa延伸率30CrMnTi2.1E50.37.85E31470 9图1 底座网格分布示意图图2 底座集中加载工况应力分布云图图3 底座左后扭转工况应力分布云图156/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备低了出现机械故障的风险。对于底座集中加载工况下，应力集中最大值由优化前的 1754MPa 降低到了改进后的 1213MPa，降低幅度为 30.84%；对于底座左后扭转工况下，应力集中最大值由优化前的 1623MPa 降低到了改进后的 1194MPa，降低幅度为 26.43%。通过降低应力最大值，能够使设备使用时间更长，运行更稳定，最大程度减少设备的受损，提高设备的工作效率。3.3 应用情况分析将上述改进后的液压支架底座进行实际应用，目前底座已经安全运行三个月，期间按时对底座进行安全质量检查并进行记录。结果显示，液压支架及其底座能够在实际工作过程中正常运行，并在定期检查时达到相应指标，满足结构部件正常运行条件。对底座的优化改进不仅能提高工作效率，节省不必要的人力物力，还能提高防护性，确保煤炭开采安全顺利进行。由此可得，本文的优化改进方案符合理论和实际情况，能够投入现实应用中，并能获得较大收益4。4 结束语 通过对液压支架底座的研究，并通过 Ansa 软件和Abaqus 软件对底座结构的受力情况进行分析及优化处理。所得结论为：底座的应力呈现不均匀性，在液压支架底座中部立板处出现应力集中且最大应力值超过了材料的屈服强度，容易造成机械损伤，影响整个设备机器的正常工作，因此增加三块小钢板能将应力降低到合理区间。优化结构后的液压支架底座应用在实际场景中发现设备能良好的运行，安全性能和使用寿命大幅度提高，实现了价值最大化。研究液压支架其他部位奠定基础。图 4 所示，为液压支架底座结构的优化改进示意图。修改内容如图 4 所示：3.2 改进后液压支架底座结果分析根据优化改进后的底座结构尺寸，再次利用 Solid-works 和 Ansa 软件建立对应的受力分析模型，并通过Abaqus 软件进行后处理分析，得到两种工况下相应的结果。如图 5 和图 6 分别为液压支架底座优化后集中加载工况和左后扭转工况的应力分布云图。通过结果看到，在两种工况下最大应力依然出现在了底座中部立板区域，并且在其他结构处的应力较小，与结构改进前的应力分布云图趋势吻合，说明进行有限元处理后计算结果较为准确，进而证明改进结构后的支架底座没有出现明显的差异，出现应力集中是正常现象。进一步对优化前后的数据进行分析后发现，两种工况下优化后的最大应力值相比优化前的最大应力值有明显的降低。而且柱窝位置所受到的最大应力值也有了一定程度的下降，当液压支架顶端受到更大的作用力通过立柱传导给底座时，确保了底座不会受到机械损害，降参考文献1 栾丽君,张斯淇.ZZC8800/20/38 型支架顶梁有限元分析及优化 J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2017,36(4):412-415.2 南宁.ZY4800/06/16.5D 型薄煤层液压支架群组支护力学特性研究 J.矿山机械,2020,48(8):7-11.3 宋亮.基于 Workbench 的 ZC10000 型液压支架底座结构强度分析 J.机械管理开发,2021,36(9):90-92.4 刘杰.ZY7800/15/30D 液压支架底座受力分析与改进研究 J.矿业装备,2022(6):286-288.图4 底座部位修改前后对比图图5 优化后底座集中加载工况应力分布云图图6 优化后底座左后扭转工况应力分布云图