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液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計(jì)

文檔作者：裴志毅周玉乾李書臣文檔來源： 1．平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 2．河南紅旗煤業(yè)股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月20日
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2012年第6期 中州煤炭 總第198期
液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計(jì)
裴志毅 ，周玉乾 ，李書臣
(1．平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河南平頂山467001；2．河南紅旗煤業(yè)股份有限公司，河南，鞏義451271)
摘要：采用非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)支架在頂梁彎曲、底座對(duì)角線加載工況進(jìn)行有限元分析，根據(jù)底座
各部位的應(yīng)力分布情況，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保滿足使用要求的基礎(chǔ)上，顯著降低了底座的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：液壓支架；底座；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)
中國分類號(hào)：TH140 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003—0506【2012)06—0024—02
Optimation Design on the Base of Hydraulic Supports
Pei Zhiyi ，Zhou Yuqian ，Li Shuchen
(1．Pingdingshan Coal Mine Machinery Co．，Ltd．，Pingdingshan 46700 1，China；
2．Henan Hongqi Coal Industry Limited Liability Company，Gongyi 45 1 27 1，China)
Abstract：By using the nonlinear finite element analysis software ABAQUS，the stress status of the hydraulic suppo~ on the working
condition that canopy bending combined with base diagonal loading was simulated．The optimization design was carried out according to
stress distribution of base．The application of this design obviously reduced the weight of the base，and satisfied the demand of usage．
Keywords：hydraulic suppo~；base；finite element analysis；optical design
液壓支架由多個(gè)部件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)輒十多
噸，甚至幾十噸，支護(hù)高度為7．2 m的支架質(zhì)量已經(jīng)
達(dá)到70 t，其受力狀況十分復(fù)雜，極易引起局部應(yīng)力
增高，影響支架整體的使用性能。為此，需對(duì)液壓支
架結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。為保證支架各部件分析結(jié)果
的準(zhǔn)確性，確定運(yùn)用有限元隱式分析法對(duì)各部件逐
個(gè)進(jìn)行分析。
本文以ZY17000／32／72D型支架的底座為例，
運(yùn)用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)
行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其受力狀況，減小質(zhì)量。雖然只對(duì)
底座進(jìn)行優(yōu)化處理，但為了保證載荷和邊界條件傳
遞的準(zhǔn)確性，仍采用整架分析方法，底座采用精確網(wǎng)
格，其他部件網(wǎng)格粗化¨ 。
l 有限元分析
1．1 分析依據(jù)
由于井下工作條件比較復(fù)雜，故難以準(zhǔn)確模擬
液壓支架在井下的真實(shí)工作狀況。因此，對(duì)其進(jìn)行
收稿日期：2012—02—14
作者簡介：裴志毅(198O一)，男，河南舞陽人，助理工程師，現(xiàn)從事液
壓支架的設(shè)計(jì)、研究及技術(shù)中心管理工作。
· 24 ·
有限元分析時(shí)，主要參照GB25974．1—2010《煤礦用
液壓支架通用技術(shù)條件》中的液壓支架壓架試驗(yàn)，
通過在支架不同位置放置墊塊來模擬其在井下不同
的工作狀況。
壓架試驗(yàn)形式比較多，涉及底座的有底座兩端
加載、底座扭轉(zhuǎn)加載、底座對(duì)角線加載、底座橫向中
間加載等幾種工況。其中，對(duì)底座影響最大的是底
座對(duì)角線加載工況，此工況涵蓋了底座彎曲、扭轉(zhuǎn)、
偏載等工作狀態(tài)，可以綜合考察前后過橋、內(nèi)外主筋
及貼板等底座的主要承力部位。
在分析過程中，底座和墊塊之間是接觸關(guān)系
(圖1)，把墊塊對(duì)支架的作用力當(dāng)作約束條件來處
理，墊塊上的3個(gè)平移自由度被約束；頂梁頂板上端
面約束3個(gè)平移自由度。采用立柱內(nèi)加載的方式，
用等效載荷取代立柱，載荷方向取立柱軸線方向，載
荷取工作阻力的1．2倍。
圖1 底座彎曲工況墊塊位置
2012年第6期 裴志毅。等：液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計(jì) 總第198期
1．2 材料及屬性
支架設(shè)計(jì)中主要使用的Q690和Q550鋼板屬
于典型的各向異性材料，由于在加工過程中，需要校
平、加熱爐消除應(yīng)力等工序，鋼板的縱向剛度要大于
橫向剛度。因此，在支架的生成過程中要嚴(yán)格執(zhí)行
下料工序，保證主筋、頂板、蓋板等主要受力部件縱
向切割。
根據(jù)試驗(yàn)，雖然鋼板的縱、橫向剛度不一樣，但
相差并不大。因此，假定材料均勻、各向同性、線彈
性，另外不考慮材料屈服。其應(yīng)力狀況：E=206
GPa， =0．288，P =7 850 kg／m E 2 3
。
1．3 網(wǎng)格劃分
由于只校核底座的應(yīng)力狀況，可以放寬其他部
件的網(wǎng)格要求，而不會(huì)影響分析效果。底座采用修
正的10節(jié)點(diǎn)四面體二次單元C3D10M分網(wǎng)，此單元
分析精度比較高，而且適用于接觸分析，但是分析的
速度要慢一些；其他部件采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元
c3D4分網(wǎng)，此單元分析精度較低，主要加快分析速
度 ]。網(wǎng)格大小設(shè)置為50 mm，并進(jìn)行局部細(xì)化。
2 底座優(yōu)化方案
將支架底座內(nèi)、外主筋厚度由40 mm改為30
mm；底板厚度由30 mm改為25 mm；其余部分適當(dāng)
加強(qiáng)。改進(jìn)后，底座質(zhì)量由l2．56 t變?yōu)?1．42 t，減
小9．2％ 。
所減小，但仍能夠滿足使用要求。
圖2 改進(jìn)前底座Von Mises應(yīng)力云圖
圖3 改進(jìn)后底座Von Mises應(yīng)力云圖
(3)可以采用類似的方法來分析頂梁、掩護(hù)梁
和前后連桿等部件。
綜上所述，對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化后，減小了
整臺(tái)支架的質(zhì)量，不但有利于支架的井下運(yùn)輸，也可
以降低支架的生產(chǎn)成本。
3 安全系數(shù)比較 參考文獻(xiàn)
：
支架底座和墊塊接觸部位應(yīng)力均比較大，屬于
擠壓應(yīng)力，一般許用擠壓應(yīng)力是許用應(yīng)力的1．5～
2．0倍，所以此處不予考慮；前過橋在改進(jìn)前后應(yīng)力
變化很小(圖2和圖3)，安全系數(shù)為1．35，由于在其
他工況下其應(yīng)力都比較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在此工況下安
全系數(shù)在1．1倍即可滿足使用要求；外主筋在柱窩
附近應(yīng)力最大，改進(jìn)后安全系數(shù)為1．78，滿足使用
要求；內(nèi)主筋在前端墊板上端處應(yīng)力最大，改進(jìn)后安
全系數(shù)為1．59；柱窩附近應(yīng)力也比較大，為394
MPa，基本和外主筋一樣，保持內(nèi)外主筋相同材質(zhì)即
可；底板改進(jìn)后安全系數(shù)為2．5，滿足使用要求。
4 結(jié)語
(1)改進(jìn)后，底座質(zhì)量由12．56 t變?yōu)?1．42 t，
減小9．2％ 。
(2)改進(jìn)后，主筋、底板和過橋的安全系數(shù)均有
[1] 莊茁．ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M]．北京：科學(xué)出
版社，2005．
[2] 王國法，徐亞軍，任懷偉，等．高端液壓支架及先進(jìn)制造技術(shù)
[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．
[3] 呂根帥，周玉乾，李雪偉．顯式動(dòng)態(tài)分析在液壓支架強(qiáng)度分析
中的應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)械，2011，32(1)：28-30．
(責(zé)任編輯：許久峰)

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