ZFY18000/28/53D型两柱放顶煤支架连杆强度分析

马端志

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013;2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

前后连杆是液压支架稳定运动机构的关键部件，传统力学计算时前后连杆按二力杆计算，仅两端连接销轴的耳板受力；强度分析时，前后连杆按经验承受掩护梁传递的扭矩。国内外科研工作人员对前后连杆受力特点进行了大量的研究工作，我国早期计算时利用英国伽利克公司前后连杆按1∶4分配扭矩理论，近年来科研工作者分析了与连杆刚度、长度和倾角相关的计算公式，成为目前传统力学强度计算时的主要计算依据，计算结果经受住了支架型式实验的考验，但上述计算方法未能够充分考虑到支架连杆的具体结构和双连杆之间受力不均匀性，计算结果和连杆实际承载特点存在一定的差距，本文以ZFY18000/28/53D型两柱放顶煤支架顶梁偏心加载为例，通过传统力学公式和整架非线性有限元法分别计算连杆所承受的应力，分析该支架前后连杆应力分布特点。

1 液压支架前后连杆结构类型

液压支架根据架型和使用功能的需要，前后连杆结构形式主要有3种：单前连杆整体后连杆(双后连杆)结构；整体前连杆(双前连杆)单后连杆结构；双前连杆双后连杆结构(整体后连杆)结构。

1.1 单前连杆整体后连杆(双后连杆)结构

单前连杆整体后连杆支架如图1所示(简称单前整后)，整体后连杆通过腔体将2个连杆设计成一个整体，双后连杆去掉中间腔体，该类结构前连杆布置在支架中间位置，立柱布置在前连杆两侧，位置可以与前连杆重叠，支架具有结构紧凑、整体长度短和重量轻等特点。该结构前连杆刚度明显小于后连杆，根据实验验证，强度分析时前后连杆承担扭矩按1∶4估算分配能够满足支架型式实验的要求。

图1 单前整后结构

1.2 整体前连杆(双前连杆)单后连杆结构

1.5m中心距放顶煤液压支架受支架功能和空间限制，大部分采用了如图2所示的整体大前连杆(双前连杆)单后连杆结构(简称整前单后)，整体前连杆结构通过腔体将连杆设计成一个整体，该类结构前后连杆扭矩估算若采用1∶4分配，后连杆强度从结构上无法满足计算要求，也和实际承载情况不符，从宏观上分析该类支架前连杆应该承受扭矩更大一些。

图2 整前单后结构

1.3 双前连杆双后连杆结构(整体后连杆)结构

随着液压支架重型化发展，支架支撑能力、高度、宽度和重量都在不断提高，支架横向稳定性、纵向稳定性和结构件可靠性等问题变得更加重要，如图3所示双前双后(整体后连杆)结构连杆刚度大、强度高、稳定性好、可靠性高，已成为大工作阻力液压支架连杆的主要结构。

图3 双前双后结构

ZFY18000/28/53D型两柱放顶煤支架根据大唐龙王沟煤矿平均21m厚煤层条件而设计，支架放煤适应高度变化范围、最大放煤高度、重量和支护能力等参数均为国内外该类型支架之最，四连杆稳定机构采用了双前双后结构，液压支架设计时即要降低支架重量，又要保证可靠性，设计中对关键部件以传统力学计算为主，利用有限元分析法进行校核，总结关键部件承载特点，为传统力学计算方法修正提供思路和参考。

2 传统力学方法计算连杆强度

2.1 液压支架顶梁偏心加载型式试验要求

液压支架前后连杆主要功能是维持支架横向和纵向稳定，纵向稳定主要指支架四连杆运动机构具有抵抗外载水平力的能力，横向稳定主要是承受支架承受偏置时产生的扭矩，经验表明，双前连杆双后连杆结构的液压支架横向稳定性能好，连杆强度高，强度校核对应型式试验加载方式为顶梁偏心加载。

GB25974.1-2010《煤矿用液压支架第1部分：通用技术条件》中顶梁偏心加载要求，加载垫块方式为：支架实验高度3100mm；顶梁一侧放置垫块，垫块宽度200mm；立柱载荷为21600kN；平衡千斤顶载荷2461.76kN推力。

2.2 连杆强度计算

2.2.1 连杆扭矩计算公式

ZFY18000/28/53D型两柱放顶煤支架力学关系如图4所示，利用白为璠高工推导的连杆扭矩计算公式计算支架前后连杆扭矩，具体如下：

图4 支架力学关系

T=PB

(1)

TA+TB=T

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 连杆扭截面特性

前后连杆截面为单腔截面，板厚全部为25mm，如图5所示，扭转刚度计算公式为：

图5 前后连杆断面

式中，C为截面扭转刚度；A为截面板厚中心包含面积；t为板厚，25mm；G为材料剪切弹性模数，MPa。

3 支架整架非线性有限元分析

3.1 边界条件的处理

液压支架整架非线性静态结构分析能够全面、准确地为液压支架各部件设置外载边界条件，能够真实模拟加载工况。如图6所示： 沿立柱方向模拟立柱给顶梁柱帽和底座柱窝施加21600kN力；沿平衡千斤顶受力方向为耳座施加2461.76kN推力；顶梁上垫块设置为固定约束；底座底板与试验平台直接接触，将底座底板设置为固定约束；顶梁垫块和顶梁之间定义为可以相互移动但始终接触的接触面对，摩擦系数设定为0.1；支架结构件间耳板和销轴之间设置为没有运动的粘连网格。

图6 顶梁偏心加载边界条件

3.2 有限元分析结果

图7是前后连杆应力分布色谱图，应力值范围为0～1348.31MPa，较大应力值在前后连杆销轴孔位置，属局部受压范畴， 前后连杆中部截面分析结果存在以下特点：

图7 前后连杆应力分布色谱

(1)左右连杆应力差距比较大：在顶梁偏载工况下，左右两侧连杆受力先后顺序不同，变形量差距比较大，与实际承载状态规律相符。

(2)连杆不仅承受扭矩作用：前后连杆中部截面均为等壁厚单腔截面，若承受的载荷仅为扭转时，筋板应力应该是相同的，连杆应力颜色变化比较大，说明连杆承受载荷中扭矩只是部分载荷。

(3)连杆承受不均匀的拉力作用：同一连杆两侧主筋应力差距比较大，面对支架，右侧主筋应力大于左侧主筋，上下腹板应力也是由右侧向左侧变小，说明连杆两侧主筋承受了不同的拉力(推力)。

(4)右侧前连杆中部截面应力约400MPa,右侧后连杆中部截面应力约505MPa，局部结构变化造成应力集中处约890MPa。

图8是连杆位移色谱图，位移图能够清楚地看出连杆受力后位移变化量，从图中可以看出：面对支架右连杆位移量明显大于左侧连杆；前连杆变形量略大于后连杆。

图8 前后连杆位移分布色谱

图9是掩护梁位移色谱图，该图更加清楚地反映了给连杆传递载荷掩护梁部件的位移变化规律：以左侧后连杆附近为固定点，掩护梁右侧与顶梁相铰接耳板处位移变化量最大，掩护梁和前后连杆作为一个宏观整体部件分析时，位移量变化显现规律符合掩护梁位移变化规律。

图9 掩护梁位移分布色谱

4 前后连杆受力特点分析探索

传统力学法计算连杆强度忽略了具体结构对受力的影响，简化了连杆的受力状态，将立体结构简化成了平面力系，计算时以扭矩计算为主，无法准确考虑双前双后连杆受力的不均匀性，计算方法简单、快速，计算依据和支架连杆实际承载规律出入较大，计算结果缺陷一般用安全系数来弥补，传统力学计算前连杆断面应力结果中左右连杆承受相同的扭矩，左右连杆筋板应力都为779MPa，后连杆应力都为929MPa，而有限元分析法分析结果与其差距较大，不仅左右连杆应力差距大，且同一连杆

不同位置应力也不同，其中前连杆除耳板应力集中处外最大应力约400MPa，后连杆最大应力约为890MPa，传统力学计算应力值大于有限元分析的极限值。

有限元分析能弥补传统力学计算的不足，计算结果能充分反映具体结构对受力的影响，宏观上体现不同部件不同位置的应力和应变规律情况，微观上能够分析结构件危险断面的位置和应力值，能够更加有效地指导设计。但该方法前期工作较多，计算周期较长，鉴于液压支架产品设计周期短、种类多的特点，结合有限元分析结果，在有实验条件的情况下，结合实测结果，对传统力学计算公式进一步修正，使其能够更加真实地反映支架连杆应力，能够为液压支架产品强度精确化计算提供强有力的技术支撑，意义重大。