張國(guó)為

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山公司， 山西 呂梁 033100）

引言

煤炭在我國(guó)所消耗的能源結(jié)構(gòu)中占比接近70%，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)煤礦的需求也越來越多，同時(shí)對(duì)液壓支架的使用性能也提出了更高的要求。對(duì)液壓支架的支撐高度、承受載荷、抗惡劣工況載荷沖擊等都有了更高的要求[1]。ZY13000/30/65 型液壓支架具有諸多特點(diǎn)，具有對(duì)煤層控制能力好、支護(hù)空間大、抗載荷沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，在ZY13000/30/65 型液壓支架實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，液壓支架在工作一段時(shí)間后頂梁出現(xiàn)微裂紋，尤其是與立柱耳板連接位置出現(xiàn)均出現(xiàn)了裂紋，初步判斷是由于結(jié)構(gòu)此處存在較明顯的應(yīng)力集中情況，在疲勞載荷的作用下出現(xiàn)裂紋，因此對(duì)ZY13000/30/65 型液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[2]。

1 ZY13000/30/65 型液壓支架簡(jiǎn)介

ZY13000/30/65 型液壓支架適用于比較厚的煤層作業(yè)面的開采，抗偏載能力較強(qiáng)，通風(fēng)斷面大，且穩(wěn)定性好，在煤礦開采行業(yè)中應(yīng)用較多。

1）工作環(huán)境條件。適用于掩護(hù)式煤礦開采工作面，煤層傾角應(yīng)不大于15°，適用工作面采高范圍為3.0～6.5 m；液壓支架頂板所承受壓力不應(yīng)大于13 000 kN。

2）主要特點(diǎn)。掩護(hù)梁整體采用箱型板材結(jié)構(gòu)，兩側(cè)均布置有防護(hù)板，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)掩護(hù)梁整體的加強(qiáng)，確保梁的工作環(huán)境免受污染，從而提高掩護(hù)梁的使用壽命。該型液壓支架支護(hù)空間較大便于操作。

3）組成構(gòu)建。液壓支架主要構(gòu)建可以分為金屬結(jié)構(gòu)件、液壓元件兩大類，其中金屬構(gòu)建主要有頂梁、掩護(hù)梁、支撐連桿、尾梁等。液壓元件主要包括多路控制閥、油缸、油箱、安全閥等。如圖1 所示，為ZY13000/30/65 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖[3]。

圖1 ZY13000/30/65 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型建立

2.1 模型

使用Solid Works 創(chuàng)建ZY13000/30/65 型液壓支架與液壓支架頂梁三維模型，采用子模型技術(shù)獲取頂梁邊界條件，可以計(jì)算得到頂梁在兩種工況下應(yīng)力分布情況。在模型的創(chuàng)建中簡(jiǎn)化一些細(xì)小特征，如護(hù)幫裝置、圓角或小孔等細(xì)節(jié)特征。

將三維模型以通用格式”STP”導(dǎo)入ANSYS Workbench 有限元分析軟件中，根據(jù)《煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》[4]標(biāo)準(zhǔn)，選擇頂梁扭轉(zhuǎn)、偏載荷作為分析工況。

2.2 邊界條件與載荷

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，列出了液壓支架的試驗(yàn)載荷工況，采用子模型法獲取掩護(hù)梁邊界條件。在綜合開采工作面，液壓支架的整體受力情況是比較復(fù)雜的，模型加載時(shí)做一定簡(jiǎn)化。兩種工況下墊塊位置如下頁圖2所示，圖中a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=50 mm[5]。在有限元分析時(shí)對(duì)支架的墊塊位置施加一定的約束，選擇頂梁偏載荷工況和扭轉(zhuǎn)工況，作為應(yīng)力分析的工況。

圖2 兩種工況下墊塊位置

簡(jiǎn)化模型受力情況，將立柱對(duì)支架結(jié)構(gòu)的作用，用作用于柱帽于柱窩各自內(nèi)表面上均勻載荷代替，作用力大小為1.2×12 000=14 400 kN。墊塊與頂梁連接設(shè)置接觸，取金屬間摩擦系數(shù)0.15；模型簡(jiǎn)化，采用銷釘約束代替柱銷聯(lián)結(jié)，最后再?gòu)恼w提取掩護(hù)梁子模型邊界條件。

2.3 材料參數(shù)

該型壓夜支架主要材料選用厚度均勻的Q460鋼板，如表1 所示為Q460 材料特性參數(shù)。忽略材料之間的間隙、裂縫等不均勻性和材料非線性因素[6]。

表1 Q460 材料參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分

由于模型網(wǎng)格要求不高，使用自由網(wǎng)格劃法，網(wǎng)格單元大小為40 mm，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，單元類型選擇solid45，最終建立的有限元模型共有194 524 個(gè)單元。

3 頂梁強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，選定的兩種較為惡劣的工況載荷對(duì)ZY13000/30/65 型液壓支架進(jìn)行了分析，根據(jù)子模型法獲得液壓支架頂梁的邊界條件。從而，基于Workbench 計(jì)算得到頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況、偏載荷工況應(yīng)力分布情況，由于篇幅所限，在此不再對(duì)邊界條件提取詳細(xì)講述。如圖3、圖4 所示，分別為兩種工況下掩護(hù)梁應(yīng)力分布情況，為下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析做準(zhǔn)備。

根據(jù)頂梁優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，兩種工況計(jì)算應(yīng)力最大值，扭轉(zhuǎn)載荷工況為459 MPa，偏載荷工況最大值為426 MPa，可以看出在扭轉(zhuǎn)荷工況下，應(yīng)力值已經(jīng)非常接近材料的屈服強(qiáng)度，是一種比較危險(xiǎn)的工況。扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力比較的區(qū)域更廣，且在墊塊作用位置下，頂梁側(cè)護(hù)板與底板之間的角焊縫位置應(yīng)力最大。在偏載荷工況下，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在立柱支撐頂梁的區(qū)域，也就是頂梁連接立柱的耳板位置應(yīng)力最大。

圖3 扭轉(zhuǎn)載荷工況頂梁應(yīng)力圖

圖4 偏載荷工況頂梁應(yīng)力圖

根據(jù)上述分析結(jié)果，通過對(duì)液壓支架頂梁在不同工況的有限元應(yīng)力分析，獲得了掩護(hù)梁應(yīng)力、應(yīng)變分布狀況，得到頂梁可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，薄弱區(qū)域，并有針對(duì)性地對(duì)掩護(hù)梁關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而有效地提升頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高液壓支架的整體性能，同時(shí)也可對(duì)后續(xù)掩護(hù)梁優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

4 頂梁優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并重新建立三維模型。已知，液壓支架頂梁在工作面支護(hù)過程中，承受載荷復(fù)雜，受到較大壓力的同時(shí)，可能會(huì)受到巖層脫落造成的沖擊載荷，因此要求液壓支架頂梁強(qiáng)度必須要有足夠抗沖擊能力和承受疲勞載荷的能力。

根據(jù)液壓支架頂梁在不同工況下的仿真，及該型液壓支架的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)。根據(jù)實(shí)際使用中液壓支架頂梁曾出現(xiàn)在頂梁中部，底板與側(cè)護(hù)板焊縫出現(xiàn)了裂紋。由于在該處內(nèi)部還存在加強(qiáng)筋板，所以可以初步判斷為焊縫布置不合理導(dǎo)致的應(yīng)力集中情況。同時(shí)由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果也顯示在該區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)比較明顯的集中情況。

對(duì)頂梁地板進(jìn)行減重處理，在應(yīng)力較小的區(qū)域挖空，避免地板、側(cè)護(hù)板、加強(qiáng)筋板之間形成疊焊縫，將所有加筋板優(yōu)化改制為圓形鋼管加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。重新建立頂梁三維模型，導(dǎo)入Workbench 并設(shè)置與扭轉(zhuǎn)工況相同的材料與邊界條件，進(jìn)行求解。如圖5 所示，為優(yōu)化后模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化后頂梁最大應(yīng)力值為388 MPa，相較于原結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力459 MPa，減小71 MPa，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情具有良好的改善作用，說明該改進(jìn)方案可以有效提高頂梁的性能。

圖5 掩護(hù)梁優(yōu)化后應(yīng)力分圖

5 結(jié)論

1）基于ANSYS Workbench 對(duì)液壓支架頂梁在扭轉(zhuǎn)工況和偏載荷工況下應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，扭轉(zhuǎn)載荷工況最大應(yīng)力值459 MPa，偏載荷工況最大值最大應(yīng)力值426 MPa，結(jié)構(gòu)實(shí)際使用液壓支架出現(xiàn)的問題，初步確定了液壓支架頂梁的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

2）根據(jù)強(qiáng)度分析與實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)液壓支架頂梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。重新建立頂梁三維模型，導(dǎo)入Workbench 并設(shè)置與扭轉(zhuǎn)工況相同的材料與邊界條件，得到優(yōu)化后頂梁最大應(yīng)力值為388 MPa，相較于原結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力459 MPa，減小71 MPa，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情具有良好的改善作用，說明該改進(jìn)方案可以有效提高頂梁的性能，對(duì)于液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有實(shí)際參考意義。