常先紅

（山煤集團(tuán)霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的煤礦開采設(shè)備被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中，礦用液壓支架則是該些設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備。有效保證礦用液壓支架在支撐作業(yè)過(guò)程中具有更高的支撐性能，成為保證井下作業(yè)安全的關(guān)鍵，而立柱作為液壓支架中的重要部件，保證其作業(yè)中不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效故障，是當(dāng)下保證液壓支架具有較好支撐效果的重要前提[1-3]。由此，結(jié)合ZY6400型礦用液壓支架中立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)建立立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，開展了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析研究，并有針對(duì)性地提出了幾點(diǎn)提高其結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)措施。

1 ZY6400 型礦用液壓支架結(jié)構(gòu)組成分析

目前，市場(chǎng)上的礦用液壓支架結(jié)構(gòu)類型相對(duì)較多，煤礦企業(yè)會(huì)根據(jù)井下的不同工況，選擇不同支撐高度及阻力的液壓支架。為有針對(duì)性地分析液壓支架中結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選用了Y6400 型礦用液壓支架為研究對(duì)象。該類型液壓支架結(jié)構(gòu)主要由頂梁、立柱、掩護(hù)梁、底座、四連桿機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)等部位組成，采用了兩柱掩護(hù)式支架形式，支架寬度范圍為1.4～1.6 m，支撐高度可達(dá)4.5 m，能承受7 000 kN 的外部壓力，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中，立柱是該液壓支架中的重要部件，其結(jié)構(gòu)主要包括頂缸、中缸、底缸等，通過(guò)頂缸的柱頭與頂梁進(jìn)行連接，通過(guò)底缸的柱窩與底座進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在立柱使用中，可將來(lái)自頂梁的外部壓力傳遞至底座上，并由底座傳遞至地面，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下的有效支撐，而整個(gè)支撐過(guò)程，則主要通過(guò)立柱內(nèi)部的液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)立柱不同高度的調(diào)整支撐，整體具有較好的操作靈活性及支撐效果。但由于井下環(huán)境相對(duì)惡劣，加上液壓支架經(jīng)常會(huì)受較大的外部載荷沖擊作用，導(dǎo)致立柱結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于長(zhǎng)時(shí)間的、超負(fù)荷狀態(tài)作業(yè)，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)彎曲變形、結(jié)構(gòu)開裂等故障現(xiàn)象，這對(duì)液壓支架的支撐效果及井下作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。掌握立柱使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，并提高立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，成為當(dāng)前企業(yè)重點(diǎn)研究的方向[4-6]。

圖1 Y6400 型礦用液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 立柱結(jié)構(gòu)示意圖

2 立柱強(qiáng)度分析模型建立

2.1 立柱三維模型建立

根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，以ZY6400 型礦用液壓支架為分析對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)中的立柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。首先，采用了SOLIDWORKS 軟件，對(duì)液壓支架及立柱進(jìn)行了三維模型建立。在建模過(guò)程中，根據(jù)模型簡(jiǎn)化通用原則，省去了模型中對(duì)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、受力情況無(wú)影響的較小圓角、倒角、圓孔等結(jié)構(gòu)特征；此外，由于液壓支架中的結(jié)構(gòu)主要通過(guò)各類鋼材進(jìn)行焊接而成，故在建模時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以提高對(duì)立柱的強(qiáng)度分析結(jié)果精度。由此，完成了基于ZY6400 型礦用液壓支架中立柱的三維模型，如下頁(yè)圖3 所示。

2.2 立柱仿真模型建立

圖3 液壓支架中立柱三維模型圖

將建好的立柱轉(zhuǎn)為為stp 格式后，導(dǎo)入至ABQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型的建立。由于立柱在使用中主要采用的是45 號(hào)鋼材料，故在該軟件中，將立柱材料設(shè)置為了45 號(hào)鋼材，其材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。在立柱分析中，由于立柱頂缸、中缸和底缸在液壓油作用下實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故在立柱內(nèi)部進(jìn)行了移動(dòng)約束，對(duì)立柱底部和頂部進(jìn)行了固定約束。通過(guò)查閱該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在立柱頂部施加了沿立柱方向的1.2 倍工作壓力的外界載荷，即8 000 kN。另外，采用了六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為了10 mm，總網(wǎng)格單元數(shù)量達(dá)到了90 萬(wàn)個(gè)。利用ABQUS 軟件中自帶的FFEPlus 求解器，開展了立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。

表1 立柱45 號(hào)鋼材料主要性能參數(shù)

3 立柱強(qiáng)度結(jié)果分析

結(jié)合建立的立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，得到了立柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖，如圖4 所示。分析可得：立柱在使用過(guò)程中，立柱整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的不穩(wěn)定的彎曲屈服狀態(tài)主要集中在立柱頂缸端；且立柱結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布也不均勻，在頂缸柱頭處出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力由頂缸柱頭處向中缸方向呈逐漸減少趨勢(shì)；立柱的中缸及底缸上的應(yīng)力值則相對(duì)較低。分析其原因?yàn)榱⒅敻椎闹^處靠近外部施加的載荷部位，導(dǎo)致了立柱柱頭出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可說(shuō)明，立柱在整個(gè)使用過(guò)程中，其頂缸的柱頭是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，存在一定的強(qiáng)度安全隱患。加上立柱使用中由于經(jīng)常會(huì)受到外部更大的沖擊載荷作用及長(zhǎng)時(shí)間的疲勞支撐作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，對(duì)井下支撐安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，有必要對(duì)立柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施

結(jié)合前文分析結(jié)果可知，立柱的頂缸柱頭部位為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在立柱實(shí)際支撐過(guò)程中，極容易先發(fā)生結(jié)構(gòu)彎曲、開裂、斷裂等疲勞失效現(xiàn)象。由此，對(duì)立柱結(jié)構(gòu)提出幾點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)措施，具體如下：

1）針對(duì)立柱柱窩部位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，以此提高該局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

圖4 立柱應(yīng)力變化分布圖

2）在立柱選型設(shè)計(jì)中，可選用結(jié)構(gòu)尺寸更大的底缸、中缸、頂缸結(jié)構(gòu)件，并保證頂缸的壁厚在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加2～3 mm 左右；

3）在頂缸柱頭應(yīng)力集中附近，開設(shè)2 個(gè)直徑為2 mm 的小圓孔，可有效將柱頭附近集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小圓孔處，以此減小柱頭附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）在產(chǎn)品成本控制允許情況下，立柱可選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好的Q460 鋼材，以此從源頭來(lái)提高立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

5）立柱使用中，加強(qiáng)對(duì)其結(jié)構(gòu)接觸部位的潤(rùn)滑作用及結(jié)構(gòu)本體的定期保養(yǎng)，針對(duì)出現(xiàn)局部彎曲變形、開裂等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行部件的維修、更換，保證液壓支架的支撐安全。

5 結(jié)論

不斷提高礦用液壓支架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，已成為當(dāng)前保障井下正常作業(yè)及作業(yè)安全性的重要方向之一。由此，以ZY6400 型礦用液壓支架中立柱為重點(diǎn)研究對(duì)象，通過(guò)建立立柱的三維模型及仿真模型，開展了立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。結(jié)果顯示，立柱的頂缸柱頭存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且立柱整體呈現(xiàn)一定程度的彎曲變形，是整個(gè)立柱中的薄弱部位，提高立柱頂缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成為優(yōu)化立柱結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。由此，對(duì)整個(gè)液壓支架及立柱提出改進(jìn)建議，對(duì)提高液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及保障井下作業(yè)安全起到非常顯著的保障作用。