【摘 要】本文应用静力学数值模拟分析手段，分别对各种工矿下的ZFS3600/17/28液压支架推移框架的销轴进行有限元数值模拟分析和研究，从而为改进液压支架的零部件质量，提高生产效率奠定一定的理论基础。
【关键词】液压支架销轴；静力学；分析
1.地质概况及问题提出
大水头煤矿是靖远煤业集团下属矿井，地处甘肃中东部，煤层赋存以“鸡窝煤”为主，是全国罕见的“双突”矿井，煤层属于“三软”煤层。目前采煤方法主要采用综采放顶煤技术。由于该矿井煤层顶板软、底板软、煤质软，因此所用支架在推溜和移架的过程中，经常出现销轴的挤压变形及剪切破坏，虽然为一个简单的销轴，但严重影响生产效率的提高。通过现场调查分析，推移框架销轴破坏的原因主要取决于顶底板状况、煤岩性质、煤层倾角、矿山压力、工人素质等诸多方面。鉴于此，建立有限元分析销轴的受力情况，以改善它的结构和性能是必要的。
2.销轴工况分析
在液压支架中销轴是用来连接支架结构件部件的，起联接、紧固作用，如推移框架与千斤顶连接部位就采用销轴。其结构如图2-1所示，材料通常采用40Cr钢。
在实际工作过程中，由于附加载荷的作用，使得销轴变弯甚至剪断的现象时常发生，给工作机构带来严重的冲击和振动，严重地影响了矿井的正常生产，因而对其的受载分析不得不引起设计者的高度重视，所以本文以推移框架与运输机联接耳板处的销轴为例，对其进行数值模拟分析。从而为销轴的优化设计、静力分析、制造工艺等方面提供一定的理论依据。对其销轴所受载荷进行简化，作用在销轴上的正常载荷如图2-2所示，包括：输送机的拉力和推移框架的作用力，即F和F1、F2。弹性模量E=2.07×105Mpa，泊松比μ=0.3，屈服极限σs=265MPa。
3.销轴计算模型的建立
销轴建模采用自底向上的实体建模方法，根据销轴的结构特点可以考虑用旋转的方式来完成基本造型，用剖面的一半绕对称轴旋转以形成销轴体。即利用面体素中的矩形形成一个平面(如图3-1所示)，而后利用这个平面绕其中心线进行旋转而生成轴体(如图3-2所示)。
进行有限元划分时，首先必须作结构分析，确定单元类型。从有限元理论知，用三维实体单元来描述销轴结构，更能反映销轴的实际状况。若采用4节点四面体单元，其刚度太大，不能准确反映销轴的实际状况，因此选用ANSYS中的SOLID92单元进行网格划分。该单元为四面体10节点三维实体线性单元，每个节点有3个移动自由度。单位划分是通过ANSYS自带的自由网格划分方法进行，结果如图3-3所示。已知销轴的弹性模量E=2.07×105Mpa，泊松比取0.3。
4.静力学数值模拟结果分析
4.1 销轴的应力场分析
根据销轴工况给其加载，即输送机约束加在与输送机接触的BC段，推移框架的约束分别加在A、D处，结果如图4-1所示。
进行求解后，销轴Y方向应力分布状况如图4-6(a)，等效应力场即应力等值线均用Von Mises准则下的主应力，即弯曲应力和剪应力共同作用的等效应力，如图4-6(b)。颜色段由浅到深，表示应力分布由小到大，每种颜色代表一个应力区间，最大应力在BC段，其应力值为22.145MPa。
4.2 销轴的应变场分析
销轴Y方向应变场分析结果如图4-3(a)，等效应变场即用Von Mises准则下的主应变为弯应变和剪应变的复合应变，Y向应变主要是弯矩作用的结果，如图4-3(b)。
分析结果表明，同时存在弯应变和剪应变，弯应变所占的比重更大，对销轴的影响更明显，因此要重点考察Y方向的变形，而X方向的应变也不可忽视。
4.3 改进意见
分析结果表明，同时存在剪应力和弯曲应力，最大应力和最大应变均出现在BC段中部，即与输送机连接头接触处，销轴这一部位易损坏。
可采取以下措施来改进：
①减小各部件的配套间隙和与销轴的配合间隙，即优化其配合精度，从而减小销轴的弯曲应变。
②进行改进工艺措施，提高销轴强度。
③在销轴材料的选用上考虑选用屈服极限较大的钢材，从而保证销轴良好的机械性能。
5.经济效益
大水头煤矿用此办法对所有推移框架与千斤顶连接部位铰接销轴进行设计改造，改造后的销轴在实践应用中很少出现类似问题，大大地改善了支架的工作效率和使用寿命，提高了生产率，投入很少的改造费用获得了巨大的经济效益。
作者简介：靳克应，甘肃天水人，硕士，工程师，主要从事大水头煤矿的矿山机械设备的理论与实践研究。
