李寶龍

（晉能控股煤業(yè)集團機電管理部，山西 大同 037000）

引言

ZY10800/28/63D 型大采高液壓支架是鄭州煤礦機械集團公司為晉能控股煤業(yè)集團設計生產(chǎn)的一種強力大采高掩護式支架，支護高度為世界之最。其特點是配套大、調(diào)高范圍大、移架速度快、工作面產(chǎn)量大。為保證支架的適應性和可靠性，在項目運作過程中，神華集團公司及神東分公司多次邀請國內(nèi)有關專家對支架的整體方案進行了反復論證，要求支架高標準設計制造，支架參考歐洲CE 支架標準和M312-2000 標淮對支架做型式試驗。鄭州煤礦機械集團為保證支架的高可靠性，在設計過程中運用各種手段對支架各種工況進行計算，通過優(yōu)化設計，改善支架的受力狀況，提高支架的可靠性。

新的試驗標準大量參考歐洲CE 標準，采用復合加載，支架底座受力狀況尤其惡劣，共有彎曲、扭轉、前端加載、后端加載、三點加載、四點加載、對稱邊緣加載、同側邊緣加載八種，其中扭轉試驗工況底座受力最為惡劣[1-2]。在支架樣機產(chǎn)出以后，又在底座上選取了8 個點對實際試驗應力進行測試，以此來比較、修正計算數(shù)據(jù)，為以后支架設計工作中更準確的計算結果提供科學的依據(jù)。

1 底座平面力系計算

平面力系計算采用晉能控股煤業(yè)集團與鄭州大學聯(lián)合開發(fā)的液壓支架平面力系計算軟件進行計算，計算內(nèi)容主要是彎矩和安全系數(shù)，平面力系軟件模擬的是底座彎曲，其準確度在晉能控股煤業(yè)集團多年的支架設計中已經(jīng)得到實踐的檢驗，2005 年為適應發(fā)展的需要，也進行了軟件的擴展升級，同大型軟件相比，其優(yōu)點是計算速度快、參數(shù)調(diào)整方便直觀，適合于支架設計前期的選型和參數(shù)優(yōu)化。

為了便于計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的對比，平面力系計算中支架模擬支架在試驗臺下受力狀態(tài)，參數(shù)局部調(diào)整如下：試驗壓力12 960 N（1.2 倍工作阻力）；摩擦系數(shù)0.15（鋼一鋼）；平衡千斤頂0（浮動）；支架高度4.5 m。

選取試驗高度4.5 m 時，底座柱窩處彎矩10 300.1 kN·m 作為安全系數(shù)計算的數(shù)據(jù)。底座柱窩受結構限制上部無法形成箱體，對底座安全系數(shù)的計算往往選取柱窩處斷面，其截面圖如圖1 所示。

圖1 液壓支架底座強度計算取點位置示意圖

柱窩結構比較復雜，在計算中簡化成5、6、7 號板件，如截面圖中虛線所示，各零件信息見表1 所示。

表1 液壓支架底座各零件信息

將相應參數(shù)輸入到液壓支架平面力系計算軟件中，計算可得：上表面最小安全系數(shù)為2.05，上表面應力值為336.6 MPa。

2 三維有限元算法

支架三維建模軟件采用pro-e，有限元分析軟件采用NX-Nastran，有限元法的基本思路是將連續(xù)系統(tǒng)分割成有限個分區(qū)或單元，對每個單元提出一個近似解，再將所有單元按標準方法加以組合，從而形成原有系統(tǒng)的一個數(shù)值近似系統(tǒng)，也就是形成相應的數(shù)值模型，通過對數(shù)值模型的計算達到對原有系統(tǒng)計算的目的。

2.1 扭轉工況下應力值計算

支架模擬實驗條件-頂梁側護板彎曲加載、底座扭轉加載進行整架分析運算，計算后單獨提取底座應力值，底座應力值結果為：點1 為529.04 MPa、點2 為127.46 MPa、點3 為165.52 MPa、點4 為239.43 MPa、點5 為317.25 MPa、點6 為454.52 MPa、點7 為361.02 MPa、點8 為109.01 MPa。

2.2 彎曲工況下應力值計算

在模擬底座扭轉工況時，點5 應力值明顯不同于彎曲狀態(tài)，不能和平面力系按彎曲運算的應力值作對比，故需模擬底座彎曲工況，以形成平面力系、有限元算法和試驗數(shù)據(jù)的對照。點5 應力值在彎曲工況下模擬后應力值為：點5：332.183 MPa。

3 實驗數(shù)據(jù)

支架強度試驗應力測量委托太原機械研究所于2017 年3 月1—4 日進行，本次測量采用華東電子儀器有限公司生產(chǎn)的YJ-33 型靜態(tài)電阻應變儀，測量應變片采用鄭州機械研究所生產(chǎn)的BX1203AA 單向應變片、BX120-3BA 雙向應變花和BX120-3CA三向應變花，以適用于不同測點的應力場。

加載項目：頂梁側護板彎曲加載、底座扭轉加載。強度試驗壓力：1.2 倍工作阻力，檢測底座應力值數(shù)據(jù)為：點1 為-183.5 MPa、點2 為122.7 MPa、點3為159.5 MPa、點4 為-225.1 MPa、點5 為-301.8 MPa、點6 為-505.7 MPa、點7 為-400.7 MPa、點8為46.5 MPa。

加載項目：頂梁偏載、底座彎曲加載強度試驗壓力為1.2 倍工作阻力。檢測底座應力值數(shù)據(jù)為-319.1 MPa（點5）。

4 數(shù)據(jù)對比分析

1）平面力系計算、有限元法計算與試驗數(shù)據(jù)的對比由于平面力系計算考慮的是彎曲狀態(tài)，與平面力系的對比只能采用底座彎曲這工況，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 底座彎曲工況下應力對比數(shù)據(jù)情況表

2）有限元算法與試驗數(shù)據(jù)的對比有限元算法與試驗數(shù)據(jù)的對比選用底座試驗中最惡劣的工況-底座扭轉，其應力值對比數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 底座扭轉工況下應力對比數(shù)據(jù)情況表

5 結論

通過對比可以看出，從點2 到點7 的應力值有限元算法與試驗數(shù)據(jù)的偏差不大于10%，可以認為計算和實際應力大小相吻合，其中點5 位于柱窩中心截面，其應力值和平面力系算法、有限元算法得出的應力值偏差5%左右。點1 的計算應力值與試驗值相差較遠，根據(jù)以往支架設計和使用經(jīng)驗，點1 所處的位置正是最易損壞的位置，是底座設計的薄弱環(huán)節(jié)，有限元法得出的529MPa 比試驗數(shù)據(jù)可信度高，分析偏離原因為該處應變片貼合不緊密。點8 屬于小變形，不確定因素影響較多，偏離較大。

對理論計算值和試驗值進行對比分析可知，在液壓支架設計過程中應用底座平面力系計算軟件和有限元分析軟件是準確的、可靠的，通過前期的計算可以有效地優(yōu)化設計，降低設計成本，提高支架的可靠性。