衛(wèi)晉鵬

(晉能控股晉城煤炭事業(yè)部 宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

我國(guó)的煤炭資源儲(chǔ)量相對(duì)豐富，現(xiàn)已探明的煤炭資源儲(chǔ)量約為6萬(wàn)億t，占世界煤炭資源總儲(chǔ)量的11.8%左右。我國(guó)每年煤炭資源的開(kāi)采與消耗都較大，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2016年煤炭資源消費(fèi)量在作用一次性能源中占比約為75%，因此可以說(shuō)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)煤炭資源的依賴(lài)程度較高，所以保障煤炭資源的開(kāi)采即是保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

液壓支架主要被用于井下煤炭開(kāi)采過(guò)程中對(duì)巷道的支撐，方便采煤機(jī)的移動(dòng)或煤炭資源的運(yùn)輸，對(duì)保障煤炭開(kāi)采的安全生產(chǎn)具有重要作用。液壓支架在實(shí)際使用過(guò)程中常發(fā)生的結(jié)構(gòu)類(lèi)故障主要包括頂板結(jié)構(gòu)失效、立柱的結(jié)構(gòu)破壞、底座破壞，其結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中承受沖擊載荷作用。因此在液壓支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度進(jìn)行分析，有針對(duì)性地提高設(shè)備的抗沖擊能力[1]。

1 ZY4000型液壓支架

液壓支架的主體結(jié)構(gòu)為鋼制焊接結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工作中常發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。液壓支架的關(guān)鍵部件包括頂梁、底座、支撐立柱、掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)等。頂梁在液壓支架工作過(guò)程中與頂板接觸，主要對(duì)巷道頂板提供支護(hù)；掩護(hù)梁的作用則是防止側(cè)面的落石對(duì)設(shè)備造成損壞；底座是與底面相接觸的部件，是液壓支架的基座，并與立柱、頂梁相連；立柱是頂梁與底座之間的支撐結(jié)構(gòu)，具有調(diào)節(jié)液壓支架支撐角度的能力[2]。

ZY4000型液壓支架作業(yè)煤層厚度范圍為6～16 m；適應(yīng)煤層傾角要求≤15°；工作阻力4 000 kN，支護(hù)強(qiáng)度0.7 MPa；液壓支架中心距1.5 m，是一種應(yīng)用廣泛的液壓支架，圖1為ZY4000型液壓支架結(jié)構(gòu)示意。

圖1 ZY4000液壓支架結(jié)構(gòu)示意

2 有限元分析理論

有限元分析理論是計(jì)算復(fù)雜工程力學(xué)問(wèn)題的重要研究手段之一，近年來(lái)取得了較大的發(fā)展，理論進(jìn)一步完善，計(jì)算結(jié)果也更合理可靠。有限元分析方法是將復(fù)雜的連續(xù)體問(wèn)題離散為單元和節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系的關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)各單元之間的關(guān)系可以用一個(gè)剛度矩陣來(lái)表示，載荷施加在單元與節(jié)點(diǎn)之上，單元被賦予一定的屬性即可模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)的受載荷情況。有限元分析計(jì)算可以了解整個(gè)結(jié)構(gòu)的受載情況，也可以直觀地了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分布，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考意義[3]。

有限元計(jì)算分析發(fā)展出來(lái)許多有限元計(jì)算軟件，本研究采用了美國(guó)ANSYS公司的ANSYS Workbench。該軟件具有操作流程簡(jiǎn)單、易上手、分析結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，相較于經(jīng)典版的APDL具有更好的非線(xiàn)性收斂能力。軟件分析的操作流程大致可以分為三維模型建立、有限元分析模型建立、計(jì)算求解、查看分析計(jì)算結(jié)果等步驟，其分析流程可以簡(jiǎn)化為圖2所示步驟。

圖2 有限元靜態(tài)分析流程

3 三維建模

三維模型的建立對(duì)結(jié)果影響較大，為了得到可靠的計(jì)算結(jié)果，首先根據(jù)液壓支架的工程圖創(chuàng)建三維模型。由于有限元分析中對(duì)模型單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量有一定要求，為避免產(chǎn)生不收斂或計(jì)算耗時(shí)過(guò)大等情況，需要對(duì)模型做簡(jiǎn)化處理。對(duì)模型的簡(jiǎn)化處理應(yīng)不影響對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，因此模型簡(jiǎn)化遵循如下準(zhǔn)則[4]：

1) 非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、非承載結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化，如液壓支架上輔助設(shè)備安裝連接位置、連接板之類(lèi)。

2) 在保證液壓支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)于非承載式筋板可以簡(jiǎn)化，對(duì)于一般的小開(kāi)孔、耳板等結(jié)構(gòu)可以做簡(jiǎn)化處理。

3) 液壓支架為大型焊接結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為焊接處焊縫強(qiáng)度與原材料一致，焊縫處強(qiáng)度未減弱，因此可以將模型視為一個(gè)整體進(jìn)行建模。

在建模時(shí)應(yīng)注意，保留液壓支架各部件之間的連接銷(xiāo)軸，在有限元分析時(shí)應(yīng)將其設(shè)置為接觸約束。立柱為液壓油缸，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架不同部位進(jìn)行調(diào)節(jié)，在有限元計(jì)算分析中可以將立柱視為二力桿，不考慮其長(zhǎng)度的變化[5]。

4 有限元分析模型建立

1) 材料屬性。ZY4000型液壓支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服強(qiáng)度為690 MPa，且Q690材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3。由于液壓支架結(jié)構(gòu)中使用Q460結(jié)構(gòu)較少，在分析時(shí)可以統(tǒng)一設(shè)置為Q690。在模型導(dǎo)入ANSYS Workbench時(shí)需對(duì)液壓支架各相對(duì)獨(dú)立的部件之間設(shè)置接觸，選擇“contact”設(shè)置各部件之間的相互接觸關(guān)系，模擬液壓支架的實(shí)際受載情況。

2) 網(wǎng)格劃分。對(duì)模型網(wǎng)格的處理會(huì)影響到模型計(jì)算的結(jié)果，理論上講網(wǎng)格劃分越密計(jì)算的結(jié)果也越可靠，但網(wǎng)格過(guò)小會(huì)導(dǎo)致模型求解時(shí)間大幅增加，所以應(yīng)控制網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，在Workbench中設(shè)置網(wǎng)格劃分參考尺寸為50 mm。為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，將網(wǎng)格畸變系數(shù)設(shè)置為0.9，設(shè)置單元類(lèi)型為SOLID45實(shí)體單元。最后根據(jù)軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法，計(jì)算得到共269 081個(gè)單元，379 238個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]。

3) 載荷工況。對(duì)液壓支架載荷的研究工作是相對(duì)成熟的，關(guān)于液壓支架結(jié)構(gòu)分析工況已經(jīng)形成了通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于模擬液壓支架在不同情況下的受力情況，以驗(yàn)證液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力參考。

在此參照國(guó)標(biāo)《液壓技術(shù)通用技術(shù)條件》，結(jié)構(gòu)液壓支架實(shí)際受載情況選擇頂梁偏載工況和頂梁扭轉(zhuǎn)工況兩種工況進(jìn)行分析，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，在此不再對(duì)其載荷加載位置做過(guò)多說(shuō)明。

5 計(jì)算結(jié)果

基于到四強(qiáng)度理論對(duì)液壓支架整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以直觀得到液壓支架的受力特征、應(yīng)力分布情況，為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的理論參考，下面分別對(duì)液壓支架在兩種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行描述。

5.1 頂梁偏載工況

在頂梁偏載工況加載下，計(jì)算得到液壓支架的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，液壓支架各部件的應(yīng)力大小差異較大，其最大應(yīng)力值為553.89 MPa，最大應(yīng)力位于頂梁左側(cè)；最大位移值為18.812 mm，位于頂梁的右側(cè)頂端，由此可見(jiàn)液壓在偏載工況作用下產(chǎn)生了比較明顯的扭轉(zhuǎn)。

圖3 頂梁偏載工況計(jì)算結(jié)果

5.2 頂梁、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷

液壓支架在頂梁、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷工況下，根據(jù)Workbench計(jì)算分析結(jié)果，如圖4所示，可對(duì)液壓支架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算結(jié)果

從圖4中可知，液壓支架在扭轉(zhuǎn)載荷工況下最小應(yīng)力為0.016 MPa，最大應(yīng)力值為909 MPa，最大應(yīng)力值已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力值點(diǎn)位于頂梁左后側(cè)，液壓支架其他部件如掩護(hù)梁、連桿等的應(yīng)力較小。根據(jù)液壓位移云圖4(b)所示，其最大位移為20 mm，發(fā)生在頂梁左前邊緣位置，其余區(qū)域位移量均較小。此工況下最大應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，表明實(shí)際結(jié)構(gòu)在此最大應(yīng)力值點(diǎn)容易產(chǎn)生破壞。

5.3 優(yōu)化改進(jìn)意見(jiàn)

根據(jù)對(duì)ZY4000型液壓支架應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)中有可能造成應(yīng)力比較集中的區(qū)域，因此該后續(xù)的設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)提出兩條改進(jìn)意見(jiàn)：①避免應(yīng)力集中。液壓支架整體應(yīng)力較小，但應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力已超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，應(yīng)增加立柱與頂梁之間連接耳板。②可以提高頂梁頂板材料承載能力，可將頂板材料改為Q890。

6 結(jié) 語(yǔ)

以ZY4000型液壓支架為研究對(duì)象，首先根據(jù)其工程設(shè)計(jì)圖建立三維實(shí)體模型，并對(duì)模型做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，列出了模型簡(jiǎn)化的原則。建立了液壓支架的有限元分析模型，并依據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)校核載荷標(biāo)準(zhǔn)選擇了兩種載荷工況對(duì)液壓支架進(jìn)行了分析，計(jì)算得到在頂梁偏載工況下最大應(yīng)力值為553.89 MPa，頂梁與底座受扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力值為909 MPa，超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度?；诜治鼋Y(jié)果提出了兩條該型液壓支架設(shè)計(jì)改進(jìn)的意見(jiàn)，該研究對(duì)于此類(lèi)型液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要的理論參考。