謝圣賀

（同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對煤礦的需求量也呈逐漸增長趨勢。各類煤礦設備被廣泛應用到煤礦開采中，而礦用液壓支架作為井下重要的支撐設備，保證其結構具有較高的支撐性能，成為當下提高煤礦產量及井下作業(yè)安全的重點[1]。液壓支架在使用中，經常因長期處于超負荷支撐狀態(tài)，加上長時間的支撐，導致其結構的局部區(qū)域極容易出現結構變形或疲勞失效現象[2]。據統(tǒng)計，單個煤礦中，有將近一半的液壓支架出現了局部區(qū)域變形及開裂現象，液壓支架一旦發(fā)生結構斷裂，將對井下的安全構成重要威脅[3]。因此，對礦用液壓支架結構強度進行研究。

1 液壓支架結構組成

礦用液壓支架是煤礦井下重要的支撐設備，根據其支撐作用的不同，可將其分為支撐式、掩護式、支撐掩護式等結構類型，但所有類型的液壓支架的結構基本都由頂梁、掩護梁、尾梁、立柱、底座、插槽、千斤頂等結構組成，其結構組成如圖1 所示，較高結構強度的液壓支架，可有效實現對井下環(huán)境的支撐需求[4]。液壓支架的工作過程包括：上升、下降、前進、移動等過程，首先通過立柱上操縱閥將高壓液壓油灌入至單向閥中，使頂梁快速升起；當液壓油進入立柱的上腔時，可使單向閥處于開啟狀態(tài)，立柱的下降，實現液壓支架的整體下降；而液壓支架的前進和推移則主要通過千斤頂來完成。液壓支架中各部件的相互配合，有效實現了對頂梁的支撐作用[5]。保證液壓支架在使用過程中具有較高的結構強度及支撐效果，對保障井下的作業(yè)安全至關重要。

2 液壓支架模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據市場上常用的ZY12000 型礦用液壓支架結構特點及結構尺寸[6]，采用Solidworks 軟件，建立了包含液壓支架上頂梁、掩護梁、立柱組件、尾梁、底座等關鍵部件，而對其內部的螺釘、螺母、焊縫、較小圓角、小孔等特征進行了省略，并在不考慮液壓油推動作用基礎上，完成了礦用液壓支架的整體模型建立，為開展整個結構的性能研究提供有利支撐，液壓支架三維模型如圖2 所示。

圖1 礦用液壓支架結構組成示意圖

圖2 礦用液壓支架三維模型圖

2.2 仿真模型的建立

結合建立的液壓支架三維模型，將其導入至ABAQUS 軟件中，進行了結構性能仿真模型建立。在該軟件中，首先將液壓支架整體模型的材料統(tǒng)一設置為Q345 材料，材料的主要性能參數參數如下頁表1 所示。在模型的網格劃分中，網格類型設置成了四面體網格，網格大小設置為30 mm，其網格劃分圖如下頁圖3 所示；為提高整個模型的仿真精度，對模型的中的關鍵部位進行了網格加密處理，整個模型的網格數量為134 565 個。另外，由于下文將重點對頂梁不同加載條件下的情況進行分析，故將底座進行了完全約束，其他連接部位也為固定約束。由此，建立了礦用液壓支架的仿真模型。

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表1 Q345 材料主要性能參數

圖3 液壓支架網格劃分圖

3 不同加載條件下的結構性能分析

3.1 頂梁加載條件工況下

通過仿真分析，得到了液壓支架在頂梁加載工況下的應力變化及結構位移變化情況。如圖5 和圖6 所示。由圖5 可知，液壓支架頂梁與壓塊之間的接觸部位出現了較大的應力集中，其最大應力達到了545.79 MPa，超過的材料的并延接觸四周呈逐漸減小的變化趨勢；液壓支架的底座、立柱、掩護梁等結構部位的應力集中程度相對較小。由圖6 可知，液壓支架頂梁的前端出現了較大的結構變形，其最大變形位移為19.283 mm，并延頂梁的后端呈逐漸減小趨勢，而掩護梁、底座、立柱等部件的結構變形位移相對較小。由此可知，液壓支架頂梁上的受力部位在使用過程中，將極容易率先發(fā)生結構疲勞失效現象，最終出現結構開裂現象，而頂梁前端的結構變形也將對液壓支架的支撐效果造成重要影響。

結合前文仿真結果，得出在頂梁加載及承受扭矩工況條件下，液壓支架頂梁的不同位置均出現了較大程度的應力集中及結構變形現象，在其長期使用過程中，更容易率先發(fā)生疲勞失效現象，對液壓支架的支撐安全構成嚴重威脅。因此，在現有液壓支架頂梁結構基礎上，對其進行了優(yōu)化設計，具體包括：

1）由于頂梁在受力過程中，應力集中及結構變形主要集中在頂梁的中部，故在頂梁中間添加了若干橫向支撐筋板，而對頂梁上其他非關鍵部位進行了簡化，僅保留了頂梁上關鍵部位的結構特征，以此來提高頂梁結構的整體結構強度及支撐剛度，如圖10 所示；

圖4 頂梁加載工況示意圖

結合前文建立的液壓支架仿真模型，首先對其在頂梁加載狀況下情況的結構性能進行了分析。頂梁加載工況主要是在頂梁上端設置了一根壓條，并在壓條上施加65 MPa 的壓力，其受力示意圖如圖4所示。在此工況下，開展了頂梁加載工況下的結構性能研究。

3.2 頂梁承受扭矩工況下

ADRB2、GLCCI1、FCER2基因檢測在2例難治性哮喘患兒個體化用藥中的實踐 ………………………… 任丹陽等（5）：659

圖5 頂梁加載下的液壓支架應力變化圖

圖6 頂梁加載下的液壓支架位移變化圖

圖7 頂梁承受扭矩示意圖

3）在頂梁上應力集中較大的部位開設了直徑為3 mm 的小孔，可有效將集中的應力轉移至小孔處，避免或減小了應力集中現象的發(fā)生；

4 液壓支架結構的優(yōu)化設計

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結合仿真模型，對頂梁承受扭矩工況條件進行了分析研究，主要是在頂梁的左端安裝局部壓塊，右端安裝條形壓塊，使頂梁整體結構出現扭矩現象，其工況示意圖如圖7 所示。

第一，企業(yè)可建立互聯(lián)網監(jiān)督網。財務共享中心的應用，為企業(yè)減少分公司的財務部門帶來了可能，但是技術是刻板的、不靈活的，因為優(yōu)質的系統(tǒng)也無法提供自己獨立的觀點，無法建立人際關系，無法提供激勵、識別問題和隨機應變等。這些問題就需要企業(yè)管理者為共享中心的財務人員提供互聯(lián)網監(jiān)督的工作環(huán)境，以便保持財務人員對于各分部稅收風險的敏感性，使財務人員實時跟進，對于個別問題及時和稅務人員進行溝通。

圖8 頂梁承受扭矩下的應力云圖

圖9 頂梁承受扭矩下的結構位移圖

2）對頂梁中部上原有的加強筋結構進行了壁厚加強，并在筋板連接處增加了圓角、倒角特征，以此來減小頂梁結構上的應力集中現象；

通過分析，得到了液壓支架在頂梁承受扭矩工況下的應力變化及結構位移變化圖，如下頁圖8 和圖9 所示。由圖可知，液壓支架頂梁中部、頂梁與掩護梁鉸接、底座中部等區(qū)域均出現了較為明顯的應力分布現象，且整體呈現無規(guī)律的變化趨勢。而在此種工況中，最大應力出現在底座上，這是由于分析時底座采用了完全約束而導致的，但最大應力部位相對較小，大部分區(qū)域的應力值均在412 MPa 以內，超過了材料的屈服強度；由圖可知，液壓支架頂梁中部也出現了較大的結構變形，最大位移達到了8.9669 mm，且立柱與頂梁連接處的結構變形位移也相對較大。由此可知，在頂梁承受扭矩工況下，液壓支架的頂梁中部、底座將率先發(fā)生結構的疲勞失效及開裂現象，頂梁中部及立柱頂部也將發(fā)生較為明顯的結構變形，這將對液壓支架的支撐效果及作用安全構成嚴重威脅。

4）將頂梁結構的材料改為45 號鋼材，并對頂梁上主要的受力件進行淬火的熱處理，以此來提高頂梁的整體結構強度；

5）加大對頂梁結構的巡檢及檢查，當其出現結構變形或失效現象時，應快速完成對頂梁結構的修護及保養(yǎng)。

圖10 優(yōu)化后頂梁結構圖

5 結論

1）對液壓支架在頂梁加載及受扭矩工況下的結構性能進行研究，結果表明，頂梁在兩種工況下均出現了不同程度的應力集中及結構變形現象，是液壓支架結構中最容易發(fā)生失效的結構件。

8月2日訊記者今日從山西省交通廳新聞中心獲悉，目前長治到臨汾高速公路已進入最后沖刺階段，預計10月份將全線通車。

2）根據液壓支架結構性能研究結果，對頂梁結構進行了優(yōu)化改進設計，這對提升液壓支架的支撐性能及作業(yè)安全具有重要意義，也為后期進一步開展結構的優(yōu)化改進設計提供重要參考。