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液压支架底座优化设计

文档作者：裴志毅周玉乾李书臣文档来源： 1．平顶山煤矿机械有限责任公司 2．河南红旗煤业股份有限公司		点击数：	更新时间： 2021年05月20日
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2012年第6期 中州煤炭 总第198期
液压支架底座优化设计
裴志毅 ，周玉乾 ，李书臣
(1．平顶山煤矿机械有限责任公司，河南平顶山467001；2．河南红旗煤业股份有限公司，河南，巩义451271)
摘要：采用非线性有限元软件ABAQUS对支架在顶梁弯曲、底座对角线加载工况进行有限元分析，根据底座
各部位的应力分布情况，对其进行优化设计，在确保满足使用要求的基础上，显著降低了底座的质量。
关键词：液压支架；底座；有限元分析；优化设计
中国分类号：TH140 文献标志码：A 文章编号：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
液压支架由多个部件组成，结构复杂，动辄十多
吨，甚至几十吨，支护高度为7．2 m的支架质量已经
达到70 t，其受力状况十分复杂，极易引起局部应力
增高，影响支架整体的使用性能。为此，需对液压支
架结构进行综合分析。为保证支架各部件分析结果
的准确性，确定运用有限元隐式分析法对各部件逐
个进行分析。
本文以ZY17000／32／72D型支架的底座为例，
运用大型非线性有限元分析软件ABAQUS对其进
行优化设计，改善其受力状况，减小质量。虽然只对
底座进行优化处理，但为了保证载荷和边界条件传
递的准确性，仍采用整架分析方法，底座采用精确网
格，其他部件网格粗化¨ 。
l 有限元分析
1．1 分析依据
由于井下工作条件比较复杂，故难以准确模拟
液压支架在井下的真实工作状况。因此，对其进行
收稿日期：2012—02—14
作者简介：裴志毅(198O一)，男，河南舞阳人，助理工程师，现从事液
压支架的设计、研究及技术中心管理工作。
· 24 ·
有限元分析时，主要参照GB25974．1—2010《煤矿用
液压支架通用技术条件》中的液压支架压架试验，
通过在支架不同位置放置垫块来模拟其在井下不同
的工作状况。
压架试验形式比较多，涉及底座的有底座两端
加载、底座扭转加载、底座对角线加载、底座横向中
间加载等几种工况。其中，对底座影响最大的是底
座对角线加载工况，此工况涵盖了底座弯曲、扭转、
偏载等工作状态，可以综合考察前后过桥、内外主筋
及贴板等底座的主要承力部位。
在分析过程中，底座和垫块之间是接触关系
(图1)，把垫块对支架的作用力当作约束条件来处
理，垫块上的3个平移自由度被约束；顶梁顶板上端
面约束3个平移自由度。采用立柱内加载的方式，
用等效载荷取代立柱，载荷方向取立柱轴线方向，载
荷取工作阻力的1．2倍。
图1 底座弯曲工况垫块位置
2012年第6期 裴志毅。等：液压支架底座优化设计 总第198期
1．2 材料及属性
支架设计中主要使用的Q690和Q550钢板属
于典型的各向异性材料，由于在加工过程中，需要校
平、加热炉消除应力等工序，钢板的纵向刚度要大于
横向刚度。因此，在支架的生成过程中要严格执行
下料工序，保证主筋、顶板、盖板等主要受力部件纵
向切割。
根据试验，虽然钢板的纵、横向刚度不一样，但
相差并不大。因此，假定材料均匀、各向同性、线弹
性，另外不考虑材料屈服。其应力状况：E=206
GPa， =0．288，P =7 850 kg／m E 2 3
。
1．3 网格划分
由于只校核底座的应力状况，可以放宽其他部
件的网格要求，而不会影响分析效果。底座采用修
正的10节点四面体二次单元C3D10M分网，此单元
分析精度比较高，而且适用于接触分析，但是分析的
速度要慢一些；其他部件采用4节点四面体单元
c3D4分网，此单元分析精度较低，主要加快分析速
度 ]。网格大小设置为50 mm，并进行局部细化。
2 底座优化方案
将支架底座内、外主筋厚度由40 mm改为30
mm；底板厚度由30 mm改为25 mm；其余部分适当
加强。改进后，底座质量由l2．56 t变为11．42 t，减
小9．2％ 。
所减小，但仍能够满足使用要求。
图2 改进前底座Von Mises应力云图
图3 改进后底座Von Mises应力云图
(3)可以采用类似的方法来分析顶梁、掩护梁
和前后连杆等部件。
综上所述，对所有的结构件进行优化后，减小了
整台支架的质量，不但有利于支架的井下运输，也可
以降低支架的生产成本。
3 安全系数比较 参考文献
：
支架底座和垫块接触部位应力均比较大，属于
挤压应力，一般许用挤压应力是许用应力的1．5～
2．0倍，所以此处不予考虑；前过桥在改进前后应力
变化很小(图2和图3)，安全系数为1．35，由于在其
他工况下其应力都比较小，根据经验，在此工况下安
全系数在1．1倍即可满足使用要求；外主筋在柱窝
附近应力最大，改进后安全系数为1．78，满足使用
要求；内主筋在前端垫板上端处应力最大，改进后安
全系数为1．59；柱窝附近应力也比较大，为394
MPa，基本和外主筋一样，保持内外主筋相同材质即
可；底板改进后安全系数为2．5，满足使用要求。
4 结语
(1)改进后，底座质量由12．56 t变为11．42 t，
减小9．2％ 。
(2)改进后，主筋、底板和过桥的安全系数均有
[1] 庄茁．ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]．北京：科学出
版社，2005．
[2] 王国法，徐亚军，任怀伟，等．高端液压支架及先进制造技术
[M]．北京：煤炭工业出版社，2010．
[3] 吕根帅，周玉乾，李雪伟．显式动态分析在液压支架强度分析
中的应用[J]．煤矿机械，2011，32(1)：28-30．
(责任编辑：许久峰)

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