ZY10800/28/63D 型液压支架底座的强度计算与对比分析

李宝龙

（晋能控股煤业集团机电管理部，山西 大同 037000）

引言

ZY10800/28/63D 型大采高液压支架是郑州煤矿机械集团公司为晋能控股煤业集团设计生产的一种强力大采高掩护式支架，支护高度为世界之最。其特点是配套大、调高范围大、移架速度快、工作面产量大。为保证支架的适应性和可靠性，在项目运作过程中，神华集团公司及神东分公司多次邀请国内有关专家对支架的整体方案进行了反复论证，要求支架高标准设计制造，支架参考欧洲CE 支架标准和M312-2000 标淮对支架做型式试验。郑州煤矿机械集团为保证支架的高可靠性，在设计过程中运用各种手段对支架各种工况进行计算，通过优化设计，改善支架的受力状况，提高支架的可靠性。

新的试验标准大量参考欧洲CE 标准，采用复合加载，支架底座受力状况尤其恶劣，共有弯曲、扭转、前端加载、后端加载、三点加载、四点加载、对称边缘加载、同侧边缘加载八种，其中扭转试验工况底座受力最为恶劣[1-2]。在支架样机产出以后，又在底座上选取了8 个点对实际试验应力进行测试，以此来比较、修正计算数据，为以后支架设计工作中更准确的计算结果提供科学的依据。

1 底座平面力系计算

平面力系计算采用晋能控股煤业集团与郑州大学联合开发的液压支架平面力系计算软件进行计算，计算内容主要是弯矩和安全系数，平面力系软件模拟的是底座弯曲，其准确度在晋能控股煤业集团多年的支架设计中已经得到实践的检验，2005 年为适应发展的需要，也进行了软件的扩展升级，同大型软件相比，其优点是计算速度快、参数调整方便直观，适合于支架设计前期的选型和参数优化。

为了便于计算数据和实验数据的对比，平面力系计算中支架模拟支架在试验台下受力状态，参数局部调整如下：试验压力12 960 N（1.2 倍工作阻力）；摩擦系数0.15（钢一钢）；平衡千斤顶0（浮动）；支架高度4.5 m。

选取试验高度4.5 m 时，底座柱窝处弯矩10 300.1 kN·m 作为安全系数计算的数据。底座柱窝受结构限制上部无法形成箱体，对底座安全系数的计算往往选取柱窝处断面，其截面图如图1 所示。

图1 液压支架底座强度计算取点位置示意图

柱窝结构比较复杂，在计算中简化成5、6、7 号板件，如截面图中虚线所示，各零件信息见表1 所示。

表1 液压支架底座各零件信息

将相应参数输入到液压支架平面力系计算软件中，计算可得：上表面最小安全系数为2.05，上表面应力值为336.6 MPa。

2 三维有限元算法

支架三维建模软件采用pro-e，有限元分析软件采用NX-Nastran，有限元法的基本思路是将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型，通过对数值模型的计算达到对原有系统计算的目的。

2.1 扭转工况下应力值计算

支架模拟实验条件-顶梁侧护板弯曲加载、底座扭转加载进行整架分析运算，计算后单独提取底座应力值，底座应力值结果为：点1 为529.04 MPa、点2 为127.46 MPa、点3 为165.52 MPa、点4 为239.43 MPa、点5 为317.25 MPa、点6 为454.52 MPa、点7 为361.02 MPa、点8 为109.01 MPa。

2.2 弯曲工况下应力值计算

在模拟底座扭转工况时，点5 应力值明显不同于弯曲状态，不能和平面力系按弯曲运算的应力值作对比，故需模拟底座弯曲工况，以形成平面力系、有限元算法和试验数据的对照。点5 应力值在弯曲工况下模拟后应力值为：点5：332.183 MPa。

3 实验数据

支架强度试验应力测量委托太原机械研究所于2017 年3 月1—4 日进行，本次测量采用华东电子仪器有限公司生产的YJ-33 型静态电阻应变仪，测量应变片采用郑州机械研究所生产的BX1203AA 单向应变片、BX120-3BA 双向应变花和BX120-3CA三向应变花，以适用于不同测点的应力场。

加载项目：顶梁侧护板弯曲加载、底座扭转加载。强度试验压力：1.2 倍工作阻力，检测底座应力值数据为：点1 为-183.5 MPa、点2 为122.7 MPa、点3为159.5 MPa、点4 为-225.1 MPa、点5 为-301.8 MPa、点6 为-505.7 MPa、点7 为-400.7 MPa、点8为46.5 MPa。

加载项目：顶梁偏载、底座弯曲加载强度试验压力为1.2 倍工作阻力。检测底座应力值数据为-319.1 MPa（点5）。

4 数据对比分析

1）平面力系计算、有限元法计算与试验数据的对比由于平面力系计算考虑的是弯曲状态，与平面力系的对比只能采用底座弯曲这工况，数据如表2所示。

表2 底座弯曲工况下应力对比数据情况表

2）有限元算法与试验数据的对比有限元算法与试验数据的对比选用底座试验中最恶劣的工况-底座扭转，其应力值对比数据如表3 所示。

表3 底座扭转工况下应力对比数据情况表

5 结论

通过对比可以看出，从点2 到点7 的应力值有限元算法与试验数据的偏差不大于10%，可以认为计算和实际应力大小相吻合，其中点5 位于柱窝中心截面，其应力值和平面力系算法、有限元算法得出的应力值偏差5%左右。点1 的计算应力值与试验值相差较远，根据以往支架设计和使用经验，点1 所处的位置正是最易损坏的位置，是底座设计的薄弱环节，有限元法得出的529MPa 比试验数据可信度高，分析偏离原因为该处应变片贴合不紧密。点8 属于小变形，不确定因素影响较多，偏离较大。

对理论计算值和试验值进行对比分析可知，在液压支架设计过程中应用底座平面力系计算软件和有限元分析软件是准确的、可靠的，通过前期的计算可以有效地优化设计，降低设计成本，提高支架的可靠性。