張佳瑤

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

對于綜合采煤工作面而言，液壓支架是其中非常關(guān)鍵的設(shè)施之一，在整個(gè)采煤工作中發(fā)揮著極其重要的作用。鑒于液壓支架的極端重要性，一旦液壓支架在工作中發(fā)生故障損壞就會(huì)對整個(gè)采煤過程產(chǎn)生不良負(fù)面影響[1]。以往的采煤設(shè)備主要靠進(jìn)口，但隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前我國很多采煤設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化[2]。與此同時(shí)，為了提升采煤效率，采高也在逐漸升高，使得工作面礦壓也隨之顯著提升，這對工作面支護(hù)工作提出了更高的要求，加大了工作面支護(hù)的難度[3]，要求支護(hù)設(shè)備液壓支架能夠抵抗更大的外力。在國產(chǎn)的液壓支架中，頂梁柱窩是經(jīng)常出現(xiàn)故障問題的部位。一直以來，頂梁柱窩故障問題都是困擾設(shè)備生產(chǎn)商和使用者的難題，針對該問題開展了很多分析和研究，并利用ANSYS 非線性有限元軟件對傳統(tǒng)的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，從中發(fā)現(xiàn)問題，并對其機(jī)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 傳統(tǒng)頂梁柱窩的結(jié)構(gòu)形式

如圖1 所示為傳統(tǒng)的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式中頂梁柱窩直接與頂梁頂板接觸[5]。整體結(jié)構(gòu)形式比較簡單，其生產(chǎn)加工成本也不高。另外，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對頂梁柱窩進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮一些特殊的情況。比如質(zhì)量較大的懸臂老頂巖石出現(xiàn)突然斷裂對支架造成的瞬間沖擊作用，這種瞬間的沖擊作用會(huì)使相關(guān)結(jié)構(gòu)件承受較大的作用力。傳統(tǒng)頂梁柱窩都是通過鑄造的方式進(jìn)行生產(chǎn)加工，鑄造工藝不良會(huì)導(dǎo)致鑄造頂梁柱窩內(nèi)部存在缺陷，使得頂梁柱窩的設(shè)計(jì)承受能力大打折扣[6]。如果突然遇到較大的外部沖擊力，很有可能導(dǎo)致頂梁柱窩在內(nèi)部缺陷位置發(fā)生裂紋最終導(dǎo)致斷裂，如圖2所示為頂梁柱窩發(fā)生損壞的現(xiàn)場圖片。嚴(yán)重的時(shí)候可能導(dǎo)致整個(gè)頂梁柱板發(fā)生斷裂，從而引發(fā)重大安全生產(chǎn)事故，嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)工人的生命安全。隨著時(shí)代的發(fā)展，礦業(yè)液壓支架的工作阻力越來越大，尤其是當(dāng)液壓支架立柱直徑超過360 mm 時(shí)，傳統(tǒng)的單體柱窩結(jié)構(gòu)無法達(dá)到實(shí)際工作需要。因此，需要對傳統(tǒng)頂梁柱窩的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 傳統(tǒng)的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)形式

圖2 頂梁柱窩發(fā)生損壞的現(xiàn)場圖片

2 頂梁柱窩結(jié)構(gòu)模型的建立

2.1 三維模型的建立與導(dǎo)入

利用PRO/E 三維造型軟件建立頂梁柱窩的三維模型，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。首先需要在PRO/E 軟件中將建立好的三維模型導(dǎo)出為ANSYS 軟件可以識別的格式文件，再將導(dǎo)出的具有專門格式的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 有限元軟件中進(jìn)行后續(xù)的材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、邊界條件和初始條件設(shè)置等，最后進(jìn)行分析計(jì)算并得到對應(yīng)的結(jié)果，以下對有限元模型的建立過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 材料類型的確定

以某公司生產(chǎn)的壓夜支架為研究對象，其生產(chǎn)制作材料主要為Q550，該種材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)分別如下：彈性模量為2.06×1011Pa，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為550 MPa 和670～830 MPa，伸長率為16%。利用軟件對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，材料設(shè)置非常關(guān)鍵，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)置材料的屬性。在建立的模型中按照上述的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，以保證分析計(jì)算得到的結(jié)果能夠符合實(shí)際情況。

2.3 網(wǎng)格的劃分

在有限元模型中，網(wǎng)格類型和大小對計(jì)算過程和結(jié)果有著非常關(guān)鍵的作用。在選用網(wǎng)格類型時(shí)需要綜合考慮多方面因素，比如對精度的要求、材料類型等。結(jié)合所選擇的材料和計(jì)算需要最終選擇的網(wǎng)格類型為Solid186 的20 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，該種類型的網(wǎng)格可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果并確保計(jì)算過程的順利進(jìn)行。網(wǎng)格尺寸越大則計(jì)算時(shí)間越小，所得結(jié)果精度也相對較低。相反的，網(wǎng)格尺寸越小則計(jì)算時(shí)間越長，所得結(jié)果精度就越高。網(wǎng)格尺寸和計(jì)算時(shí)間是兩者之間相互矛盾，需要結(jié)合具體情況進(jìn)行平衡選擇。綜合考慮計(jì)算速度和精度要求，最終設(shè)置的網(wǎng)格尺寸在30 mm 左右。

2.4 載荷條件的設(shè)置

針對直徑為360 mm 的立柱進(jìn)行模擬分析。為了模擬頂梁柱窩的受力情況，需要設(shè)置其外界施加的載荷情況。為了更好地模擬外部瞬間較大沖擊載荷的影響，在設(shè)置外界載荷時(shí)，其大小按照額定載荷大小的1.3 倍進(jìn)行設(shè)置，其中單根立柱額定工作壓力為3.75×106N，那么施加的載荷力為1.3×3.75×106N=4.875×106N。將加載力集中施加在頂梁兩端。

3 頂梁柱窩結(jié)構(gòu)受力結(jié)果的分析

傳統(tǒng)頂梁柱窩直接焊接在頂梁板上，這種結(jié)構(gòu)形式的頂梁柱窩其受力分析結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，整個(gè)頂梁柱窩不同位置的受力非常不均勻，很多部位幾乎沒有承受外部加載力，其應(yīng)力值非常小，而絕大部分部位會(huì)承受一定程度的應(yīng)力。其中整個(gè)頂梁柱窩的最大應(yīng)力大小為524.23 MPa。焊縫部位的最大應(yīng)力值是406.05 MPa，進(jìn)一步查看焊縫部位的受力情況可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)焊縫不同部位的受力同樣非常不均勻。這對焊縫的質(zhì)量提出了較高的要求，如果焊接質(zhì)量不好很有可能在這一區(qū)域發(fā)生斷裂，最終引發(fā)故障停機(jī)。從分析計(jì)算結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)形式存在一定的缺陷，柱窩附近存在應(yīng)力集中問題，焊縫位置的應(yīng)力也相對較高。有必要采取措施對其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是要改善焊縫位置的用力集中問題。

4 頂梁柱窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

當(dāng)液壓支架的工作阻力增加到一定程度，或者當(dāng)立柱直徑超過一定程度時(shí)，如果還是采用傳統(tǒng)的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)形式，則很有可能無法滿足實(shí)際需要。此時(shí)，可以針對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)?？稍谥C與頂梁接觸中間部位添加箱型結(jié)構(gòu)，并設(shè)置加強(qiáng)筋，實(shí)現(xiàn)對箱型結(jié)構(gòu)的有效支撐。通過增加設(shè)置箱型結(jié)構(gòu)能夠使柱窩更好的承受外界壓力，使壓力分布更加均勻。新結(jié)構(gòu)形式的頂梁柱窩，通過立柱傳遞過來的作用力利用柱窩、箱體、加強(qiáng)筋板的傳遞后較分散的作用到量體主筋中，達(dá)到優(yōu)化應(yīng)力分布的目的。

作用力在整個(gè)傳遞過程中，焊縫質(zhì)量是關(guān)鍵的影響因素。立柱傳遞過來的作用力能否較好的分散到頂梁板中關(guān)鍵看焊縫質(zhì)量。在實(shí)際工作過程中，立柱通常都會(huì)受到非常大的作用力，針對液壓支架進(jìn)行焊接時(shí)，通常也是在頂窩附近開展焊接?；诖?，需要對頂梁柱窩附近的焊縫形式進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，采取措施提升焊接效果，防止由于受到較大外界沖擊而導(dǎo)致焊縫破壞。

針對改進(jìn)后的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)形式，仍然采用上述的建模方法和步驟，對其受力情況進(jìn)行計(jì)算分析，材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分和受力情況均與傳統(tǒng)頂梁柱窩結(jié)構(gòu)的受力分析相同。如圖4 所示為優(yōu)化改進(jìn)后的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)的受力情況集散結(jié)果。

圖3 傳統(tǒng)頂梁柱窩結(jié)構(gòu)的受力情況計(jì)算結(jié)果

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)的受力情況集散結(jié)果

由圖4 可知，通過對頂梁柱窩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，在相同的受力情況下，柱窩附近最大的應(yīng)力值降低了374.53 MPa，對比優(yōu)化前的最大應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn)其受力情況得到了很好的改善，最大應(yīng)力值的降低幅度得到近50 MPa。同時(shí)，箱型結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)筋的受力比較均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象或者應(yīng)力突變的問題。提取焊縫位置的應(yīng)力值發(fā)現(xiàn)，該部位最大的應(yīng)力值為215.55 MPa，該數(shù)據(jù)與優(yōu)化前的數(shù)據(jù)相比較同樣有了大幅度降低。

通過對礦用液壓支架頂梁柱窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，其整體的受力情況有了很大改觀。頂窩附近的受力更加均勻，焊縫位置的受力更小。有利于頂梁柱窩的使用穩(wěn)定性，可以更好的抵抗外界的瞬時(shí)載荷沖擊，延長其使用壽命。實(shí)踐結(jié)果表明，通過對柱窩結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使其使用壽命得到了顯著延長。

5 結(jié)論

礦用液壓支架頂梁柱窩其傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式在受到瞬間較大沖擊力作用時(shí)容易發(fā)生破壞斷裂的問題。通過對柱窩傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在相同的工況條件下，柱窩附近和焊縫上的最大應(yīng)力值分別有了不同程度的降低，尤其是后者降低幅度最大。實(shí)踐結(jié)果表面，優(yōu)化后的頂窩結(jié)構(gòu)形式使用壽命有了大幅提升，可以抵抗更大的外部瞬間沖擊載荷。