ZZ6200/20/42支架整机有限元分析

于连强

（唐山开滦铁拓重型机械制造有限责任公司，河北 唐山 063100）

在综采工作面回采过程中，液压支架为采煤机、刮板输送机以及人员作业提供一个安全的作业空间，因此，液压支架在综采工作面发挥着极为重要的作用。受直接顶与老顶来压的影响，支架可能长期处于高压下工作。同时，随着工作面回采，需要人员不断地井下操作支架进行推溜、移架工作，人员与设备的安全问题显得异常重要，液压支架的结构件必须具备足够的强度，因此，液压支架的安全性就是液压支架优化设计中的重中之重。

该文引入ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架，在构建有限元模型的基础上，围绕其展开分析。基于井下作业的恶劣条件，先以有限元分析软件对ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架展开静力学分析，然后立足于分析结果进行现场试验。最后，根据结构件上的高应力分布区域给出了板材选用的建议以及结构优化设计时的注意事项。

1 ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架概况

ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架是该公司为蔚州单侯矿所生产的四柱支撑掩护式支架，由于支架强度理论计算时只能得到支架结构件某些特殊截面处的应力数据，无法获取支架整机任意处的应力数据，因此，该文拟采用较为先进的有限元分析手段来恢复整个支架的应力场，为支架的强度校核提供有力的参考。

2 ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架有限元模型的构建

在构建ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架有限元模型时，对支架整体受力影响微乎其微的部件和结构需进行一定程度的简化，将载荷直接加载到上、下柱窝处[1]。

当对ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架顶梁、底座两端进行集中加载时，因载荷关于支架的对称面对称，同时，支架结构、约束、材料都关于支架的对称面对称，因此可以采用对称约束，即只分析支架结构的一半来替代整个支架，这样可以大大减少计算量、提高计算效率。

此外，支架在进行加载前须在顶梁、底座的两端按最新标准GB25974.1-2010 煤矿用液压支架 第一部分：通用技术条件的规定中的位置放置垫块，同时，为防止加载时底座的前后移动，还须在底座的前后端放置垫块卡住底座，以便加载时底座能够正常承载，垫块放置完毕后通过4 个立柱进行内加载。

该次分析采用Creo Simulate 进行分析，其使用P 单元，传统有限元软件如Ansys/Abaqus 均采用H 单元，即需要反复不断地加密网格来达到收敛，因此计算结果的精度过度依赖单元的精细程度。而P 单元则不同，其采用高阶单元（最低3 阶，最高9 阶），通过不断提高单元阶次来达到收敛的目的，因此不需要特别细化的网格就可以达到较高的应力精度。

3 ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架受力分析

在煤矿井下实际作业中，液压支架的载荷主要来自直接顶与基本顶，从理论上来讲，支架在受外力作用影响时，立柱上的安全阀会在过载时溢流以保持内外载荷的平衡，因此，通常选择以标准规定的载荷作为边界条件来进行支架的受力分析[2]。

4 有限元分析结果

在该阶段对ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架主体结构进行静态大变形接触分析，将摩擦因数设置为0.15，材料设为结构钢，弹性模量210GPa，泊松比0.3，支架高度为最大高度减去支架行程的1/3，立柱载荷按1.2 倍的额定工作压力加载，得到支架整机的位移云图与应力云图（如图1、图2所示）、顶梁和底座在两端集中加载工况下的应力云图（如图3、图4 所示）。

图1 支架位移云图

图2 支架应力云图

图3 支架顶梁应力云图

图4 支架底座应力云图

观察图1、图2 可知，支架顶梁、底座两端集中加载时顶梁、底座的变形最大，应力也最大。由图3、图4 可知，顶梁的高应力区域出现在顶板与盖板上，底座高应力区域出现在柱窝两侧的主筋、盖板处。由图2 可知，掩护梁与前、后连杆受力较小，应力相对较低，高应力区域出现在掩护梁与前、后连杆铰接孔处。这些应力数值的量级和应力场分布规律与理论计算结果十分吻合，因此分析结果的准确度与可信度很高。

5 ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架整机应力试验

在井下回采作业中，工作面的地质条件比较复杂，导致液压支架的顶梁和底座经常存在2 点或3 点接触的恶劣条件。因此，在进行液压支架整机试验时，要遵循煤炭行业的最新标准GB25974.1—2010 煤矿用液压支架 第一部分：通用技术条件的要求，来模拟等效的恶劣工况，即将支架移动至试验平台内，在顶梁上和底座下规定的位置各放置两块窄长垫块，当立柱加载时，顶梁慢慢上升并托起垫块与试验台上顶面相接触，在两端集中加载的工况下，顶梁、底座发生较大的弯曲形变，进而等效于实际工况。

压架时采用1 500 t 的压架试验台来对液压支架的整体强度进行试验，具体有3 个实验步骤。1）将支架放置于试验台内，打磨贴片点位并贴片。2）通过立柱下腔为支架打压，压力达到31.5 MPa 后保压5 min，待应变片输出数据稳定后进行数据记录，为保证实验数据的准确性和科学性，可以选取被测点的3 个方向，使用静态应变仪和应变片对各点应力进行采集。3）将试验所得的应变数据转换为应力数据。

6 ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架应力特点

经过以上各项研究后，可以总结出ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架在顶梁、底座两端集中加载工况下有3 个应力特点。1）顶梁、底座的变形较大，应力较高，高应力区域具体出现在顶梁、底座上柱窝处的主筋、盖板处。2）掩护梁与前、后连杆的变形较小、应力较低，高应力区域具体表现在掩护梁与前、后连杆的铰接处。3）顶梁、底座的最大应力出现在其与垫块接触的区域附近。

针对以上应力场特点，设计人员在进行优化设计时应采取3 个解决办法。1）对于变形较大部件须采用塑性较好的板材，对于应力较大部件须采用屈服强度较高的板材，例如Q690、Q890 等。2）对于铰接处，需要尽量增加铰接处的接触面积以降低接触压力，例如增加贴板或贴环来增加接触面积。3）对于与垫块接触的高应力区域，顶梁、底座的顶板与底板，可以适当增加板材的厚度，避免因材料局部的屈服而导致的失效。

7 结语

在进行整架有限元分析时，为了提升计算效率，可以针对支架模型作一系列的简化处理，简化后，求解结果数据的准确性也是可以保证的。通过有限元分析的计算方法，可以更加准确地将结构内部的应力场全部展现出来，突破了理论计算只能获得某些特定截面上的应力的局限性，使支架强度校核结果更直观、更加贴合实际、更为可靠。

总而言之，通过有限元分析，得出了ZZ6200/20/42 支撑掩护式液压支架的变形与应力特点，可以为支架材料的合理布置以及材料性能等级的选取提供科学依据，为后续的支架优化设计工作提供了可靠的理论参考，达到了对支架进行整机有限元分析的目的。