曹萍萍

（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

液壓支架作為綜采工作面不可或缺的構(gòu)成部分，對(duì)其可靠性的要求日益提升[1]。而掩護(hù)梁是液壓支架的承重結(jié)構(gòu)件，其服役過程的可靠性直接決定著液壓支架的安全性[2]。鑒于液壓支架掩護(hù)梁的重要性，學(xué)者們對(duì)其開展了很多研究，也取得了一定的研究成果[3-4]。然而在實(shí)踐過程中，偶爾還會(huì)出現(xiàn)由于掩護(hù)梁剛度和強(qiáng)度不夠而出現(xiàn)的故障問題，威脅著液壓支架的安全使用[5]?；诖?，本文對(duì)某型號(hào)液壓支架的掩護(hù)梁進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的不足之處，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)和主要功能

掩護(hù)梁是液壓支架的重要構(gòu)成部分，主要起到承重的作用。整體上掩護(hù)梁為箱體結(jié)構(gòu)，通過多個(gè)鋼板焊接制作而成。底部有4根較長(zhǎng)的主筋貫穿整個(gè)箱體，主筋的上部和下部分別與整體背板和腹板進(jìn)行焊接處理，不同主筋之間每間隔一段距離還設(shè)置有加強(qiáng)筋，通過這些主筋和加強(qiáng)筋可以保證掩護(hù)梁擁有足夠的強(qiáng)度和剛度以滿足使用要求。上端的左右兩側(cè)設(shè)置有相互對(duì)稱的耳座，通過耳座實(shí)現(xiàn)與頂梁的連接，下端同樣設(shè)置有耳座實(shí)現(xiàn)與前后連桿的連接。腹板中間位置設(shè)置了一個(gè)區(qū)域用來固定千斤頂，這種連接方式與插銷耳座式連接方式相比較而言能夠承受更大的載荷，可靠性更好。

掩護(hù)梁在液壓支架中的作用是多方面的，其中最重要的作用就是避免液壓支架工作過程中采空區(qū)石塊掉落時(shí)對(duì)液壓支架造成較大的沖擊，從而對(duì)液壓支架的零部件造成損壞，確保采煤過程中液壓之間的可靠性和安全性。由此可見，掩護(hù)梁在保護(hù)液壓支架方面發(fā)揮著重要作用，為液壓支架的安全工作提供了堅(jiān)實(shí)的保障。但是，只要掩護(hù)梁自身具備足夠強(qiáng)度和剛度，才能夠更好地保護(hù)液壓支架[6]。

2 液壓支架掩護(hù)梁模型的建立及計(jì)算

2.1 三維模型的建立

建立液壓支架掩護(hù)梁有限元模型首先需要利用三維造型軟件建立其三維實(shí)體模型，本文利用PRO/E軟件完成建模工作。為了保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型尺寸全部來自真實(shí)的液壓直接尺寸。由于實(shí)際的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，存在很多倒角等細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)的存在會(huì)顯著降低模型計(jì)算速度，但不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此本文在建立三維模型時(shí)對(duì)那些不影響計(jì)算結(jié)果的細(xì)節(jié)之處做省略處理，以提升有限元模型的計(jì)算速度。結(jié)合具體情況，如果細(xì)節(jié)之處可能影響掩護(hù)梁強(qiáng)度則不能省略。

2.2 有限元模型的建立

本文利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬分析，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行后續(xù)處理，第一步就是劃分單元。該軟件中包含有很多種單元類型且每種類型的單元都有其特點(diǎn)和適用范圍，合理選用單元類型對(duì)計(jì)算過程和結(jié)果都有直接影響。在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)上，本文利用殼單元SHELL63和體單元SOLID45完成網(wǎng)格劃分，這兩種單元類型都具有較好的形變能力和強(qiáng)度，能夠滿足本文使用要求。如圖1所示為掩護(hù)梁網(wǎng)格劃分情況。網(wǎng)格劃分后統(tǒng)計(jì)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和單元數(shù)量分別為50 566和 97 743。

圖1 液壓支架掩護(hù)梁網(wǎng)格劃分情況

在實(shí)際生產(chǎn)制作中，掩護(hù)梁使用的鋼材需要調(diào)質(zhì)處理，其主要的材料屬性按以下數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置：彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa和0.3，屈服強(qiáng)度和密度分別為480 MPa和7.85 g/cm3。根據(jù)液壓支架的實(shí)際使用工況設(shè)置邊界條件，其中掩護(hù)梁主要受到表面的作用力，其垂直方向和水平方向的力分別設(shè)置為320 t和80 t。

3 模擬結(jié)果分析

在設(shè)置相關(guān)的屬性后，利用軟件中的求解器對(duì)模型進(jìn)行求解分析，如圖2所示為液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)變和應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，基于真實(shí)情況建立的模型和設(shè)置的參數(shù)，掩護(hù)梁的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力分別為0.002 172 8 mm和434.55 MPa。最大應(yīng)變量相對(duì)較小，基本可以忽略不計(jì)，最大應(yīng)力雖然沒有超過材料的屈服強(qiáng)度值，但是已經(jīng)非常接近，處于比較危險(xiǎn)的狀態(tài)，必須引起重視。進(jìn)一步分析可知，液壓支架掩護(hù)梁發(fā)生最大應(yīng)力的區(qū)域?yàn)殂q接部位和掩護(hù)梁板的表面。基于以上分析認(rèn)為需要對(duì)上述兩個(gè)位置進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖2 液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)變和應(yīng)力分析結(jié)果

4 液壓支架掩護(hù)梁的優(yōu)化改進(jìn)

對(duì)于液壓支架掩護(hù)梁的應(yīng)力集中問題，可以采取的優(yōu)化方法較多。比如可通過改變孔和軸的尺寸規(guī)格、優(yōu)化整個(gè)掩護(hù)梁的箱體結(jié)構(gòu)等都可以達(dá)到降低局部應(yīng)力的效果。此外，改變掩護(hù)梁的生產(chǎn)制作材料，提升零部件材料的許用應(yīng)力值，也可以達(dá)到提升其可靠性的目的。尤其是對(duì)于大高采工作面更應(yīng)該采用強(qiáng)度更高的材料來制作掩護(hù)梁。根據(jù)上文的分析計(jì)算結(jié)果可知，掩護(hù)梁的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在鉸接部位和掩護(hù)梁板的表面位置。因此，本文主要從這兩個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要思路就是提升鋼板的厚度。

4.1 鉸接位置的優(yōu)化改進(jìn)

在四連桿結(jié)構(gòu)中掩護(hù)梁發(fā)揮著重要作用，所承擔(dān)的應(yīng)力相對(duì)較大?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果可知，掩護(hù)梁鉸接位置存在較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，比較危險(xiǎn)，而其他部位的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，在安全范圍內(nèi)。為了提升鉸接位置強(qiáng)度確保掩護(hù)梁安全，在允許范圍內(nèi)可以適當(dāng)增加該部位鋼板的厚度，以分散該部位的應(yīng)力值，降低最大應(yīng)力值。即通過改變鉸接位置鋼板厚度實(shí)現(xiàn)最大應(yīng)力值的優(yōu)化。本文所述型號(hào)液壓支架掩護(hù)梁鉸接部位設(shè)計(jì)厚度為45 mm，為了分析該位置鋼板厚度對(duì)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，本文分別計(jì)算了鋼板厚度為10～80 mm時(shí)的情況下，如表1所示為掩護(hù)梁鉸接位置鋼板不同厚度時(shí)的最大應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)情況。

表1 鉸接位置鋼板不同厚度時(shí)的最大應(yīng)力值

由表中數(shù)據(jù)可知，隨著鉸接部位鋼板厚度的增加，該部位的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善，當(dāng)鋼板厚度為10 mm時(shí)，該位置的局部應(yīng)力最大值為492.38 MPa，當(dāng)鋼板厚度增加到80 mm時(shí)，該位置的局部應(yīng)力最大值降低到了420.94 MPa?？梢?，通過增加鉸接位置的鋼板厚度可以在一定程度上降低該部位的最大應(yīng)力值，但是改善的效果有限，將鋼板厚度從10 mm增加到80 mm，最大應(yīng)力值只降低了71.44 MPa。因此，如果只是從增加鉸接部位鋼板厚度這一個(gè)層面進(jìn)行優(yōu)化效果不是非常顯著。

4.2 掩護(hù)梁板的優(yōu)化改進(jìn)

由圖2可知，掩護(hù)梁表面部位存在顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于掩護(hù)梁的安全。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)掩護(hù)梁內(nèi)部加強(qiáng)筋的厚度進(jìn)行提升達(dá)到優(yōu)化的目的。該型號(hào)液壓支架加強(qiáng)筋的厚度設(shè)計(jì)值為16 mm，為了分析加強(qiáng)筋厚度對(duì)應(yīng)力集中問題的影響，本文分別分析計(jì)算了加強(qiáng)筋厚度在10～40 mm時(shí)的情況，如表2所示為掩護(hù)梁箱體內(nèi)部加強(qiáng)筋不同厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值情況。需要說明的是，這些研究都是基于鉸接位置鋼板厚度為80 mm進(jìn)行計(jì)算的。

表2 加強(qiáng)筋不同厚度時(shí)的最大應(yīng)力值

由表中數(shù)據(jù)可知，加強(qiáng)筋厚度為10 mm時(shí)局部應(yīng)力最大值為437.06 MPa，當(dāng)厚度增加到40 mm時(shí)局部應(yīng)力最大值降低至350.26 MPa?？梢?，隨著加強(qiáng)筋厚度的逐漸增大，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的改善，加強(qiáng)筋厚度由10 mm增加到40 mm，局部最大應(yīng)力值降低了86.8 MPa，降低的幅度達(dá)到了19.86%。

可見，通過增加適當(dāng)增加鉸接位置和加強(qiáng)筋的鋼板厚度，可以有效降低掩護(hù)梁的局部應(yīng)力集中問題。本文分別將鉸接位置和加強(qiáng)筋的鋼板厚度設(shè)計(jì)成80 mm和40 mm，并在實(shí)踐中得以應(yīng)用，結(jié)果表明，應(yīng)用效果顯著，通過增加鋼板厚度顯著提升了掩護(hù)梁的服役可靠性和安全性。

5 結(jié)論

掩護(hù)梁作為液壓支架的關(guān)鍵組成部分，其服役可靠性對(duì)整個(gè)設(shè)備都有重要影響，通過對(duì)現(xiàn)有的掩護(hù)梁進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)鉸接部位和掩護(hù)梁板的表面位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，威脅到了掩護(hù)梁的安全性。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這兩個(gè)位置的鋼板厚度分別增加至80 mm和40 mm，取得了良好的效果，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的改善。實(shí)踐結(jié)果表明通過對(duì)掩護(hù)梁的優(yōu)化改進(jìn)能夠顯著提升其服役的安全性和可靠性。