基于SolidWorks的垂直导柱式充填液压支架有限元分析

张恩显

(河北工程大学机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

薄煤层煤炭储量占我国已探明比例20%左右[1]，近年来中厚煤层储量的减少，使得开采的深度和难度加大，薄煤层开采受到的关注逐步加深。目前薄煤层开采主要采用掩护式液压支架[2]，充填液压支架的应用较少，主要原因是薄煤层空间狭小，工人视线受到四连杆机构影响无法有效判断充填效果，容易发生机构干涉，采充过程效率低[3]。

为解决中薄煤层充填空间可视面积不足无法有效判断充填效果的问题，根据某矿需求研发了ZC14400-16-31型充填液压支架。其承载结构由双铰接顶梁、前后立柱、平衡千斤顶和垂直导柱组成，主要设计特点在于采用垂直导柱式设计，前后顶梁及导向柱三点合一铰接在一起，导向柱分布在两侧，使中间完全解放，提供足够大的可视空间，并且该垂直导柱具有承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力的作用，进一步增加了薄煤层充填开采的效率。

计算机辅助设计软件的快速发展为机械结构的设计提供了巨大的便捷，目前针对液压支架的有限元仿真主要从强度分析、结构优化等方面进行检验与优化。我国常常采用液压支架加载试验台的方式进行典型工况的强度检验[4]，在设计阶段利用实物加载会产生严重的成本浪费，于是利用计算机辅助软件实现加载试验台的工作是设计阶段的最便利方法[5-6]。本文基于国家标准《煤矿用液压支架》通用技术中涉及到的校核方案，结合充填开采液压支架特点，检验在4种不同工况下支架的应力位移分布状态，以确保该新型充填液压支架的工作可靠性并为进一步优化提供数据参考。

1 充填液压支架有限元分析

1.1 液压支架三维模型建立

根据ZC8000-16-31型固体充填液压支架性能参数，利用SolidWorks 2021三维建模软件对液压支架主体零件进行建模，分析各零部件特征，利用拉伸、切除等特征命令进行绘制。在SolidWorks装配体界面进行液压支架主体结构的组装，利用重合、等宽、同轴心等约束配合，实现对零部件的自由度控制，使装配体可满足设计功能。零件之间应准确配合，反复进行静态干涉检查，检查装配体是否重叠，为有限元分析结果提供可靠性。液压支架三维实体模型如图1所示。

图1 液压支架三维实体模型

1.2 模型简化

为了提高有限元分析的效率，降低因模型太过复杂而要求过高配置的计算机需求，因此需要对已完成的液压支架实体模型进行合理的简化，对于在分析中不承受加载力的伸缩梁、推移杆、护帮板等附件或配件从模型中删除。同时起连接作用的销轴、阀座也全部去除。对于双铰接顶梁、垂直导柱、平衡千斤顶、前后立柱、底座、推实机构进行机构优化，去除或简化倒角、焊件坡口等工艺机构，从而降低有限元网格划分的个数，减少有限元分析难度，提高运算效率，保证有限元分析的可靠性。

1.3 液压支架主体结构件加载方案

根据国家标准《煤矿用液压支架》通用技术条件中的主体结构件强度校核初始条件与文献[5]提出充填液压支架加载方案，结合液压支架的参数可得，检验强度的初始条件为：顶梁偏载时，支架高度为1.9 m；除顶梁偏载，其他检测时支架高度为2.5 m；顶梁实施1.2倍额定工作压力载荷，即17 280 kN，即每个立柱4 320 kN。

根据国家标准《煤矿用液压支架》通用技术条件中的主体结构件强度校核的加载方法，确定4种加载工况，即前后顶梁两端加载、底座扭转；前后顶梁扭转、底座对称加载；前后顶梁偏载、底座偏载；前后顶梁纵向、底座横向中间加载。为模拟实际试验台对支架的限制作用，利用0自由度垫铁安置在上述4种工况的位置。

2 预处理

1)充填液压支架的主要零部件采用了屈服强度为460 MPa的Q460，垂直导柱采用屈服强度为835 MPa的27SiMn合金钢。

2)利用“固定几何体”限制垫块的6个自由度。

3)利用“销钉”替换双顶梁铰接处、导向柱与底座铰接处的销轴。

4)为模拟真实接触情况，面—面之间为“本地交互”中所有的接触面特征“接触”，摩擦系数为0.15。

5)液压支架的加载方式为“内加载”，选择“远程承载/质量”载荷布置方式。在前、后立柱与顶梁、底座铰接处利用“远程承载/质量”施加支撑力。

6)模型采用自由网格划分，单独对底座进行网格划分，其余主体间采用基于曲率的网格划分。最大单元40 mm，最小单元20 mm；网格品质：高；雅各比点：16点；4次网格划分节总数均在14 0000左右，单位总数75 000左右。

3 后处理分析

3.1 前后顶梁两端加载、底座扭转

按照工况一的条件进行加载运算，由图2可知，在底座前垫块上出现一定范围的应力集中问题，最大应力达到665.7 MPa，从工程时间的角度分析，该部位很少发生类似的破坏，因此可推算出现此现象的原因是由于垫块与顶梁的接触面积较小导致的。因此不作为参考数据。除此之外，前后顶梁铰接处，底座过桥位置，均具有较大的应力集中。其中前、后顶梁的最大应力达到441 MPa和436 MPa，过桥处的最大应力为431 MPa，均未超过材料的屈服极限；加载后液压支架的最大位移变形量发生在后顶梁中部主筋处，最大值为7.5 mm，其他零件最大应力值均低于最大屈服强度460 MPa，由此可知工况一下液压支架满足设计与使用要求。

(a)前后顶梁两端加载、底座扭转应力云图 (b)前后顶梁两端加载、底座扭转位移云图

3.2 前后顶梁扭转、底座对称加载

按照工况二的条件进行加载运算。由图3可知底部垫块与顶梁垫块边角出现应力集中的现象，最大应力达到1 632 MPa，在实际应用中并不会出现这种问题。忽略垫块的影响，液压支架前后顶梁的最大应力分别为432 MPa、405 MPa，分别出现在双顶梁铰接处；加载后液压支架的最大位移变形量发生在后顶梁中部主筋处，最大值为7.892 mm。其他零件最大应力值均低于最大屈服强度460 MPa，由此可知工况二下液压支架满足设计和使用要求。

(a)后顶梁扭转、底座对称加载应力云图 (b)后顶梁扭转、底座对称加载位移云图

3.3 前后顶梁偏载、底座偏载

按照工况三的条件进行加载运算。由图4可知最大应力出现在出自垂直导柱与底座铰接处，最大应力值达到792 MPa。垂直导柱采用的材料为27SiMn合金钢，屈服强度达到835 MPa，满足不发生破坏最大应力值的需求。前后顶梁的最大应力发生在与垂直导柱的铰接处，最大值分别为436 MPa、416 MPa。前后顶梁采用Q460，屈服强度460 MPa，满足前后顶梁不发生失效的极限强度条件，其他零件最大应力值均低于最大屈服强度460 MPa。最大形变量10 mm发生在后顶梁末端。

(a)前后顶梁偏载、底座偏载应力云图 (b)前后顶梁偏载、底座偏载位移云图

3.4 前后顶梁纵向、底座横向中间加载

按照工况四的条件进行加载运算。由图5可知顶梁垫块与底座垫块发生应力集中的现象，最大应力发生在底座垫块处，为288 MPa，前后顶梁、底座的最大应力分别为182 MPa、187 MPa和168 MPa，都小于Q460的屈服强度460 MPa；发生明显位移的位置出现在前顶梁末端、顶梁柱窝和底座前端。分析原因是垫块的空间限制产生的，最大位移1.034 mm。综上分析，液压支架在该工况下可以完成支护工作。

(a)前后顶梁纵向、底座横向中间加载应力云图 (b)前后顶梁纵向、底座横向中间加载位移云图

经过对上述4种工况下的有限元分析。如果排除了垫块因素，该液压支架所有部分的最大应力值均在材料的屈服强度内，且最大变形值也均在合理范围内。顶梁应力最大的部位出现在中心铰合与梁窝段，垂直导梁应力最大的部位出现在底座耳板部，底座内部应力最大为部位出现在穿越桥梁处。根据上述问题可考虑选用高强度材料及助板加厚处理，增加总体安全系数。

4 结语

本文使用了SolidWorks对垂直导柱型固体充填式液压支架的整体进行了三维实体模型设计，并使用Simulation有限元插件，对液压支架进行了4种工况下的静力学模拟。4个工况下分别是前后顶梁二端的加载、底座扭转；前后顶梁扭转、底座对称加载;前后顶梁偏载、底座偏载。

经过仿真得到的结果，可知4种工况下，顶梁最大应力值为441 MPa，垂直导柱最大应力值为792 MPa，均在材料的许用范围内，说明液压支架的强度符合设计要求，各部件应力位移分布情况也为各部件的进一步优化提供了科学的参考与依据。