徐瑞崗

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，自動化綜采成為主要的開采方式，液壓支架是進行自動化綜采的重要設(shè)備，對巷道及工作面起著重要的支撐作用。液壓支架的主體結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)件，頂梁和掩護梁是液壓支架的主要構(gòu)件，承受較大的壓力作用。在進行液壓支架的加工過程中，對于頂梁的焊接是主要的加工工藝，由于頂梁的尺寸較大，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在焊接過程中會引起一定的焊后變形[1]。頂梁部件的焊接變形，不僅造成液壓支架裝配困難，而且由于變形引起應(yīng)力的變化，影響整體的性能，不利于液壓支架的使用。針對頂梁的焊接變形，采用仿真分析的方式，確定有效控制焊接變形的措施，減小焊后變形，以提高液壓支架的穩(wěn)定性[2]。

1 液壓支架頂梁焊接模擬準備

隨著煤層開采深度的增加，液壓支架承受的阻力也逐漸增強，對液壓支架的承載性能具有較高的要求。由于液壓支架整體的重量不能無限增加，液壓支架的材料選用Q690 高強度結(jié)構(gòu)鋼[3]。采用Q690高強度結(jié)構(gòu)鋼，不僅提高強度，而且對于焊接的控制更加精確，避免熱影響區(qū)的性能產(chǎn)生變化。

采用ANSYS 有限元軟件對焊接區(qū)域的溫度及變形進行仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果，分析焊接變形的規(guī)律，從而采取針對性的措施控制焊接變形。

2 頂梁部件的焊接有限元分析

2.1 焊接溫度場的模擬分析

采用ANSYS 進行溫度場的模擬分析，首先建立幾何模型，由于焊接溫度的變化與頂梁的結(jié)構(gòu)相關(guān)性不大，同種材料進行焊接時的溫度變化一致，因此，采用簡單的模型進行溫度場的模擬。隨著自動化焊接的使用，焊接的穩(wěn)定性逐漸提高，采用單條焊道的形式進行建模分析。對建立的模型進行網(wǎng)格的劃分，在網(wǎng)格劃分的過程中，在焊接區(qū)域進行細小的網(wǎng)格劃分，在焊接區(qū)域的網(wǎng)格控制在5 mm 以內(nèi)，遠離焊接區(qū)域的網(wǎng)格控制在10 mm[4]，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的模型如圖1 所示。

圖1 焊接式樣網(wǎng)格劃分模型

對于焊接熱源的移動載荷，采用ANSYS 函數(shù)加載的功能，將函數(shù)加載到所焊接的焊道位置處，依據(jù)焊接熱源的移動速度，設(shè)置載荷的加載時間，設(shè)定單條焊縫的加載時間為5 min，同時在移動的過程中[5]，設(shè)定傳熱時間為240 s，加載的焊接熱源溫度為1 500 ℃，對焊接件的溫度場進行模擬分析，在焊接開始和結(jié)束后得到如下頁圖2 所示的溫度變化圖。

從圖2 中可以看出，在焊接的開始階段，焊接區(qū)域的溫度急劇上升，此時焊接溫度首先沿著焊縫的位置傳導(dǎo)，其他區(qū)域的溫度較低，隨著焊接過程的完成，經(jīng)過一定時間的冷卻后，焊接溫度下降較快，并且仍以焊縫處的溫度下降最慢，外圍區(qū)域的溫度下降較快。

2.2 焊接變形的模擬分析

焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變及塑性應(yīng)變是引起焊接變形和應(yīng)力的主要原因，對頂梁部件的變形進行分析，采用固有應(yīng)變有限元分析的方式，將固有應(yīng)變的初始值進行彈性計算，從而得到頂梁的變形[6]。建立頂梁部件的模型，并進行網(wǎng)格劃分，依次進行不同筋板的焊接，采用固有應(yīng)變的方式，得到頂梁的焊接變形如下頁圖3 所示。

圖3 中選取了在筋板焊接的不同過程中第一筋板和第五筋板焊接后的變形圖，從圖3 中可以看出，隨著焊接過程的進行，在頂梁中產(chǎn)生的最大形變量不斷增加，并且變形量也向著整體分布。在焊接的不同過程中的產(chǎn)生的最大形變量見表1 所示。

圖2 焊接溫度場（℃）模擬分析

圖3 焊接變形（m）模擬分析

3 焊接變形的控制措施

液壓支架頂梁在進行焊接的過程中，引起焊接變形的原因包括溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力。溫度應(yīng)力由于構(gòu)件的受熱不均勻引起，使得工件的不同區(qū)域產(chǎn)生不同的伸長或壓縮，使得零件產(chǎn)生一定的變形。殘余應(yīng)力是在溫度場的變化引起的應(yīng)力超過了材料的屈服極限時，產(chǎn)生塑性變形，殘留在零件內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對于零件的影響比較大，降低了材料的靜載強度，并且影響了構(gòu)件的尺寸精度，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

表1 焊接變形量 mm

對于液壓支架的頂梁焊接變形及應(yīng)力進行控制，采用反措施控制，在進行焊接時，將物料拼接成一定的拱狀，然后進行裝配焊接，從而提高焊接的精度；在進行薄板的焊接時，可以采用剛性固定法，在焊縫的兩側(cè)采用一定的固定措施，壓緊點的位置盡量靠近焊縫并且壓力施加均勻，從而避免薄板焊接時產(chǎn)生波浪形的變形。在進行頂梁等大構(gòu)件的焊接時，可以將結(jié)構(gòu)分成不同的部件，分別進行焊接，然后進行拼焊成整體。以此進行頂梁的焊接時，可以有效地控制焊接變形，并且可以提高作業(yè)效率。

4 結(jié)論

液壓支架是進行煤礦自動化開采的重要設(shè)備，在進行液壓支架的加工過程中，焊接加工是其中的主要工藝。頂梁是液壓支架進行承載的主要部件，在焊接過程中會產(chǎn)生變形，影響液壓支架的性能。針對頂梁部件焊接過程中的變形，采用ANSYS 有限元分析的方式對焊接過程中的溫度場及變形進行仿真分析，結(jié)果顯示，溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力的影響是產(chǎn)生變形的主要原因。針對頂梁的焊接變形，提出了相應(yīng)的控制措施，以減小頂梁的焊接變形，提高液壓支架的生產(chǎn)效率及性能，為煤礦的開采提供有效的支撐。