許麗華

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037001）

引言

煤礦資源是推動國家經(jīng)濟快速發(fā)展的關(guān)鍵能源，加大對煤礦資源的開采力度，是相關(guān)政府及企業(yè)重點考慮的方向[1]。礦用液壓支架作為煤礦開采中的重要設(shè)備，主要負責對井下工作面進行支撐，保障其設(shè)備具有較好的結(jié)構(gòu)性能和運行穩(wěn)定性，是提高煤礦開采效率及井下作業(yè)安全的關(guān)鍵，其中，推移機構(gòu)則是液壓支架中的重要部件[2]。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上經(jīng)常有外界較大的煤石沖擊，導(dǎo)致推移機構(gòu)受到的外界作用力相對較大，嚴重時會使推移機構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、銷軸開裂、千斤頂失效及部件斷裂等失效現(xiàn)象，一旦推移機構(gòu)出現(xiàn)嚴重的失效現(xiàn)象，將對液壓支架的工作效率及井下作業(yè)安全構(gòu)成嚴重威脅[3]。找到推移機構(gòu)在使用中的薄弱部位，有針對性地對其結(jié)構(gòu)性能進行優(yōu)化改進顯得十分必要。為此，以ZY6400型礦用液壓支架推移機構(gòu)為分析對象，開展了其結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移變化規(guī)律的研究，并由此有針對性地開展了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進研究，這對提高推移機構(gòu)的綜合性能及作業(yè)安全起到重要支撐作用。

1 液壓支架及推移機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成分析

礦用液壓支架是煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，包括掩護式、支撐式、支撐掩護式等類型，根據(jù)不同礦井的結(jié)構(gòu)特點及使用需求，有針對性地選擇最佳的支撐類型。以ZY6400型礦用液壓支架為例，其工作阻力為6 000 kN，初撐力為5 000 kN，其結(jié)構(gòu)主要包括頂梁、掩護梁、平衡千斤頂、立柱、推移機構(gòu)、尾梁、底座、控制系統(tǒng)等部件[4]，如圖1所示，頂梁直接與工作面頂板進行接觸，將來自頂板的外界載荷通過立柱傳遞至底座及地面，實現(xiàn)對整個工作面的有效支撐作用。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

推移機構(gòu)則是負責推動液壓支架及運輸機，其結(jié)構(gòu)主要由前推桿、十字頭、后推桿等組成，前推桿通過十字頭鉸接結(jié)構(gòu)與后推桿進行連接[5]，如圖2所示，在作業(yè)過程中承受著較大的壓力、拉力及側(cè)向作用力等。由于前后推桿采用了鉸接方式進行連接，故在傳力方面效果較差，且較大的作用力將會使推移機構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效或局部斷裂現(xiàn)象。因此，有必要對推移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進行分析研究。

2 推移機構(gòu)結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 三維模型

為進一步掌握推移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能，對其建立了模型。采用了Solidworks軟件，建立了包括前推桿、后推桿等部件在內(nèi)的推進機構(gòu)三維模型。為提高后文模型的仿真精度及分析速度，對推移機構(gòu)中非關(guān)鍵的圓角、倒角、小圓孔等特征進行了模型簡化[6]，結(jié)構(gòu)中的焊縫處也采用了一體式拉伸建立，不考慮焊縫對整個結(jié)構(gòu)的影響，簡化后的推移機構(gòu)三維模型如下頁圖3所示。

圖3 推移機構(gòu)三維模型圖

2.2 仿真模型建立

在完成推移機構(gòu)的三維模型建立后，將其保存為x_t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對其進行仿真模型建立。由于推移機構(gòu)實際使用的是Q345材料，故在軟件中將推移機構(gòu)的材料屬性設(shè)置為了Q345材料[7]，其材料的主要性能參數(shù)如表1所示。結(jié)合實際，在后推桿與推移千斤頂連接處施加了650 kN的推移載荷，并沿千斤頂?shù)妮S線方向。在相互接觸方面，對前后推桿的鉸接連接處進行了鉸接約束，對前推機構(gòu)的前銷孔處進行固定約束。在對推移機構(gòu)進行網(wǎng)格劃分時，將其設(shè)置為實體單元和四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，由此完成了推移機構(gòu)的仿真模型建立。

表1 Q345材料主要性能參數(shù)

3 不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析

通過仿真分析，得到了推移機構(gòu)的應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，推移機構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值約為336.5 MPa，出現(xiàn)在機構(gòu)的中部鉸接耳處，其值雖未超過材料的最大屈服強度345 MPa，但已較為接近。推移機構(gòu)的前推桿前端、后推桿中部等區(qū)域也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因為：推移機構(gòu)在作業(yè)時，由于受到較大的外界阻力作用，加上地面及其他部分的摩擦相對較大，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著升高。由此，找到了中部鉸接處為其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，其長時間的作業(yè)將極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開裂等失效現(xiàn)象，有必要對其進行結(jié)構(gòu)改進。

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

圖4 推移機構(gòu)應(yīng)力變化圖

通過仿真分析，得到了推移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5所示。由圖可知，推移機構(gòu)整體出現(xiàn)了較大幅度的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，最大變形值約為6.7 mm，出現(xiàn)在前推桿與后推桿的鉸接連接處，后推桿上位移由中部鉸接處相對尾端呈逐漸減小的變化趨勢，前推桿位移也是由中部向前端呈減少趨勢，但變形程度低于后推桿，此變化規(guī)律與其應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。分析其原因為：推移機構(gòu)在作業(yè)時受到較大的外界作用力，前推桿經(jīng)過鉸接處傳遞至后推桿上，此時鉸接處的銷軸及銷軸孔成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由此可知，推移機構(gòu)的中部鉸接處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位。因此，有針對性地對推移機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，成為提高其結(jié)構(gòu)性能的重要方向。

圖5 推移機構(gòu)位移變化圖

4 推移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進

結(jié)合前文的研究，得出推移機構(gòu)的中部鉸接處為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易對整個結(jié)構(gòu)及液壓支架的作業(yè)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。為此，開展了推移機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進研究，主要是將推移機構(gòu)由前后推桿改為了一體式結(jié)構(gòu)，省去了中間鉸接部位結(jié)構(gòu)，改進后的推移機構(gòu)如圖6所示。

圖6 新型推移機構(gòu)三維圖

5 改進效果

為驗證此結(jié)構(gòu)的綜合性能，按照以上分析方法，開展了新型推移機構(gòu)的應(yīng)力變化分析，如圖7所示。新型推移機構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻，最大應(yīng)力主要集中在結(jié)構(gòu)的后端筋板上，最大應(yīng)力值為215.424 MPa，比原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值336.5 MPa降低了36%左右，整體結(jié)構(gòu)受力情況得到明顯改善，結(jié)構(gòu)強度得到顯著提升，且此結(jié)構(gòu)更加簡單，安裝也更加方便，由此驗證了改進后推移機構(gòu)的可行性及可靠性。

圖7 新型推移機構(gòu)應(yīng)力變化圖