ZFY18000/28/53D型兩柱放頂煤支架連桿強度分析

馬端志

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013;2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

前后連桿是液壓支架穩(wěn)定運動機構的關鍵部件，傳統(tǒng)力學計算時前后連桿按二力桿計算，僅兩端連接銷軸的耳板受力；強度分析時，前后連桿按經(jīng)驗承受掩護梁傳遞的扭矩。國內外科研工作人員對前后連桿受力特點進行了大量的研究工作，我國早期計算時利用英國伽利克公司前后連桿按1∶4分配扭矩理論，近年來科研工作者分析了與連桿剛度、長度和傾角相關的計算公式，成為目前傳統(tǒng)力學強度計算時的主要計算依據(jù)，計算結果經(jīng)受住了支架型式實驗的考驗，但上述計算方法未能夠充分考慮到支架連桿的具體結構和雙連桿之間受力不均勻性，計算結果和連桿實際承載特點存在一定的差距，本文以ZFY18000/28/53D型兩柱放頂煤支架頂梁偏心加載為例，通過傳統(tǒng)力學公式和整架非線性有限元法分別計算連桿所承受的應力，分析該支架前后連桿應力分布特點。

1 液壓支架前后連桿結構類型

液壓支架根據(jù)架型和使用功能的需要，前后連桿結構形式主要有3種：單前連桿整體后連桿(雙后連桿)結構；整體前連桿(雙前連桿)單后連桿結構；雙前連桿雙后連桿結構(整體后連桿)結構。

1.1 單前連桿整體后連桿(雙后連桿)結構

單前連桿整體后連桿支架如圖1所示(簡稱單前整后)，整體后連桿通過腔體將2個連桿設計成一個整體，雙后連桿去掉中間腔體，該類結構前連桿布置在支架中間位置，立柱布置在前連桿兩側，位置可以與前連桿重疊，支架具有結構緊湊、整體長度短和重量輕等特點。該結構前連桿剛度明顯小于后連桿，根據(jù)實驗驗證，強度分析時前后連桿承擔扭矩按1∶4估算分配能夠滿足支架型式實驗的要求。

圖1 單前整后結構

1.2 整體前連桿(雙前連桿)單后連桿結構

1.5m中心距放頂煤液壓支架受支架功能和空間限制，大部分采用了如圖2所示的整體大前連桿(雙前連桿)單后連桿結構(簡稱整前單后)，整體前連桿結構通過腔體將連桿設計成一個整體，該類結構前后連桿扭矩估算若采用1∶4分配，后連桿強度從結構上無法滿足計算要求，也和實際承載情況不符，從宏觀上分析該類支架前連桿應該承受扭矩更大一些。

圖2 整前單后結構

1.3 雙前連桿雙后連桿結構(整體后連桿)結構

隨著液壓支架重型化發(fā)展，支架支撐能力、高度、寬度和重量都在不斷提高，支架橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性和結構件可靠性等問題變得更加重要，如圖3所示雙前雙后(整體后連桿)結構連桿剛度大、強度高、穩(wěn)定性好、可靠性高，已成為大工作阻力液壓支架連桿的主要結構。

圖3 雙前雙后結構

ZFY18000/28/53D型兩柱放頂煤支架根據(jù)大唐龍王溝煤礦平均21m厚煤層條件而設計，支架放煤適應高度變化范圍、最大放煤高度、重量和支護能力等參數(shù)均為國內外該類型支架之最，四連桿穩(wěn)定機構采用了雙前雙后結構，液壓支架設計時即要降低支架重量，又要保證可靠性，設計中對關鍵部件以傳統(tǒng)力學計算為主，利用有限元分析法進行校核，總結關鍵部件承載特點，為傳統(tǒng)力學計算方法修正提供思路和參考。

2 傳統(tǒng)力學方法計算連桿強度

2.1 液壓支架頂梁偏心加載型式試驗要求

液壓支架前后連桿主要功能是維持支架橫向和縱向穩(wěn)定，縱向穩(wěn)定主要指支架四連桿運動機構具有抵抗外載水平力的能力，橫向穩(wěn)定主要是承受支架承受偏置時產(chǎn)生的扭矩，經(jīng)驗表明，雙前連桿雙后連桿結構的液壓支架橫向穩(wěn)定性能好，連桿強度高，強度校核對應型式試驗加載方式為頂梁偏心加載。

GB25974.1-2010《煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件》中頂梁偏心加載要求，加載墊塊方式為：支架實驗高度3100mm；頂梁一側放置墊塊，墊塊寬度200mm；立柱載荷為21600kN；平衡千斤頂載荷2461.76kN推力。

2.2 連桿強度計算

2.2.1 連桿扭矩計算公式

ZFY18000/28/53D型兩柱放頂煤支架力學關系如圖4所示，利用白為璠高工推導的連桿扭矩計算公式計算支架前后連桿扭矩，具體如下：

圖4 支架力學關系

T=PB

(1)

TA+TB=T

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2.2 連桿扭截面特性

前后連桿截面為單腔截面，板厚全部為25mm，如圖5所示，扭轉剛度計算公式為：

圖5 前后連桿斷面

式中，C為截面扭轉剛度；A為截面板厚中心包含面積；t為板厚，25mm；G為材料剪切彈性模數(shù)，MPa。

3 支架整架非線性有限元分析

3.1 邊界條件的處理

液壓支架整架非線性靜態(tài)結構分析能夠全面、準確地為液壓支架各部件設置外載邊界條件，能夠真實模擬加載工況。如圖6所示： 沿立柱方向模擬立柱給頂梁柱帽和底座柱窩施加21600kN力；沿平衡千斤頂受力方向為耳座施加2461.76kN推力；頂梁上墊塊設置為固定約束；底座底板與試驗平臺直接接觸，將底座底板設置為固定約束；頂梁墊塊和頂梁之間定義為可以相互移動但始終接觸的接觸面對，摩擦系數(shù)設定為0.1；支架結構件間耳板和銷軸之間設置為沒有運動的粘連網(wǎng)格。

圖6 頂梁偏心加載邊界條件

3.2 有限元分析結果

圖7是前后連桿應力分布色譜圖，應力值范圍為0～1348.31MPa，較大應力值在前后連桿銷軸孔位置，屬局部受壓范疇， 前后連桿中部截面分析結果存在以下特點：

圖7 前后連桿應力分布色譜

(1)左右連桿應力差距比較大：在頂梁偏載工況下，左右兩側連桿受力先后順序不同，變形量差距比較大，與實際承載狀態(tài)規(guī)律相符。

(2)連桿不僅承受扭矩作用：前后連桿中部截面均為等壁厚單腔截面，若承受的載荷僅為扭轉時，筋板應力應該是相同的，連桿應力顏色變化比較大，說明連桿承受載荷中扭矩只是部分載荷。

(3)連桿承受不均勻的拉力作用：同一連桿兩側主筋應力差距比較大，面對支架，右側主筋應力大于左側主筋，上下腹板應力也是由右側向左側變小，說明連桿兩側主筋承受了不同的拉力(推力)。

(4)右側前連桿中部截面應力約400MPa,右側后連桿中部截面應力約505MPa，局部結構變化造成應力集中處約890MPa。

圖8是連桿位移色譜圖，位移圖能夠清楚地看出連桿受力后位移變化量，從圖中可以看出：面對支架右連桿位移量明顯大于左側連桿；前連桿變形量略大于后連桿。

圖8 前后連桿位移分布色譜

圖9是掩護梁位移色譜圖，該圖更加清楚地反映了給連桿傳遞載荷掩護梁部件的位移變化規(guī)律：以左側后連桿附近為固定點，掩護梁右側與頂梁相鉸接耳板處位移變化量最大，掩護梁和前后連桿作為一個宏觀整體部件分析時，位移量變化顯現(xiàn)規(guī)律符合掩護梁位移變化規(guī)律。

圖9 掩護梁位移分布色譜

4 前后連桿受力特點分析探索

傳統(tǒng)力學法計算連桿強度忽略了具體結構對受力的影響，簡化了連桿的受力狀態(tài)，將立體結構簡化成了平面力系，計算時以扭矩計算為主，無法準確考慮雙前雙后連桿受力的不均勻性，計算方法簡單、快速，計算依據(jù)和支架連桿實際承載規(guī)律出入較大，計算結果缺陷一般用安全系數(shù)來彌補，傳統(tǒng)力學計算前連桿斷面應力結果中左右連桿承受相同的扭矩，左右連桿筋板應力都為779MPa，后連桿應力都為929MPa，而有限元分析法分析結果與其差距較大，不僅左右連桿應力差距大，且同一連桿

不同位置應力也不同，其中前連桿除耳板應力集中處外最大應力約400MPa，后連桿最大應力約為890MPa，傳統(tǒng)力學計算應力值大于有限元分析的極限值。

有限元分析能彌補傳統(tǒng)力學計算的不足，計算結果能充分反映具體結構對受力的影響，宏觀上體現(xiàn)不同部件不同位置的應力和應變規(guī)律情況，微觀上能夠分析結構件危險斷面的位置和應力值，能夠更加有效地指導設計。但該方法前期工作較多，計算周期較長，鑒于液壓支架產(chǎn)品設計周期短、種類多的特點，結合有限元分析結果，在有實驗條件的情況下，結合實測結果，對傳統(tǒng)力學計算公式進一步修正，使其能夠更加真實地反映支架連桿應力，能夠為液壓支架產(chǎn)品強度精確化計算提供強有力的技術支撐，意義重大。