曾一鳴

(山西高河能源有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000)

煤礦資源是推動(dòng)國(guó)家發(fā)展的重要能源，也是當(dāng)前國(guó)家主要使用的能源。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐步對(duì)煤礦資源的開(kāi)采力度加大，越來(lái)越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到了煤礦開(kāi)采中，其中，液壓支架是井下巷道作業(yè)中的重要支撐設(shè)備[1]。但由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，液壓支架在作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常受到來(lái)自頂部的較大沖擊載荷作用，加上較多粉塵、瓦斯氣體的聚集，導(dǎo)致液壓支架經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開(kāi)裂、電機(jī)燒壞、立柱漏油等失效現(xiàn)象，一旦液壓支架的支撐性能降低，就會(huì)給井下的作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。保證液壓支架具有較高的結(jié)構(gòu)性能，成為當(dāng)前企業(yè)須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[2]。為此，在重點(diǎn)分析液壓支架工作原理的基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，開(kāi)展了液壓支架在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，提出了其設(shè)備的整體改進(jìn)措施，這對(duì)提高液壓支架的支撐性能及使用壽命具有重要意義。

1 液壓支架工作原理分析

礦用液壓支架在煤礦開(kāi)采中，主要負(fù)責(zé)對(duì)井下巷道的支撐作用，是保證巷道不發(fā)生坍塌事故的重要設(shè)備。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用較多的是支撐掩護(hù)式液壓支架，其結(jié)構(gòu)主要包括頂梁、立柱、掩護(hù)梁、連板、底座、千斤頂、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等[3]。針對(duì)不同工況下的巷道高度，通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)液壓支架頂梁高度，頂梁頂部與巷道頂板進(jìn)行支撐接觸，底座底部與地面進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道的支撐作用。當(dāng)完成一個(gè)位置的煤礦開(kāi)采后，液壓支架將隨采煤機(jī)一起向前移動(dòng)，按照相同的操作步驟，完成對(duì)下一個(gè)工步的支撐作用。在井下的開(kāi)采過(guò)程中，頂板經(jīng)常會(huì)有大量的煤石掉落，直接沖擊在頂梁上，加上現(xiàn)場(chǎng)操作的不規(guī)范性，井下煤灰粉塵的聚集，導(dǎo)致液壓支架經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部變形、局部開(kāi)裂、電機(jī)燒壞、電路短路等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著其對(duì)巷道的支撐性能及安全性[4]。采用當(dāng)前成熟的有限元分析方法，對(duì)液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究很有必要。

2 液壓支架結(jié)構(gòu)分析模型建立

2.1 三維模型建立

由于井下工況的復(fù)雜性，為進(jìn)一步、高效地掌握液壓支架在作業(yè)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性能，采用了proe軟件，建立了三維模型。在建模過(guò)程中，主要包括了頂梁、底座、立柱、掩護(hù)梁、連板等結(jié)構(gòu)部件，其他螺栓、銷軸等非關(guān)鍵部件均進(jìn)行了模型省略。由于液壓支架部件中的圓角、倒角、非關(guān)鍵圓孔等特征均會(huì)影響液壓支架的分析速度及分析精度，故在建模時(shí)進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了模型中的關(guān)鍵特征。所建立的液壓支架三維模型如圖1所示。

圖1 液壓支架三維模型

2.2 有限元分析模型

在完成液壓支架的模型建立后，將其保存為x-t格式，采用了ABAQUS有限元分析軟件，開(kāi)展了液壓支架的仿真模型建立。在該軟件中，首先對(duì)模型中的各個(gè)部件進(jìn)行約束連接，包括：頂梁與立柱之間為鉸接約束，頂梁與掩護(hù)梁之間為鉸接約束，立柱與底座之間進(jìn)行鉸接約束，底座底部進(jìn)行固定約束。根據(jù)液壓支架的實(shí)際使用材料，在軟件中，將其設(shè)置為Q345材料[5]，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。由于液壓支架中各部件均是實(shí)體結(jié)構(gòu)，故對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將其設(shè)置為實(shí)體單元類型，網(wǎng)格類型設(shè)置為四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小為12 mm，并對(duì)部件的局部區(qū)域進(jìn)行加密處理[6]。分析時(shí)間設(shè)置為10 s，分析步為0.05 s。由此，完成了液壓支架的有限元分析模型建立。

表1 Q345材料關(guān)鍵參數(shù)

3 液壓支架不同工況下結(jié)構(gòu)性能研究

3.1 底座前端及頂梁兩端受扭轉(zhuǎn)載荷工況

通過(guò)仿真分析，得到了液壓支架在底座前端及頂梁兩端受扭轉(zhuǎn)載荷工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形結(jié)果。由圖2可知，液壓支架在此工況下出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了471.56 MPa，已超過(guò)了其材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，主要出現(xiàn)在頂梁的中部縱向筋板和尾端連接板、底座的縱向筋板等區(qū)域。由圖3可知，液壓支架整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，最大變形位移為3.177 5 mm，主要發(fā)生在設(shè)備的頂梁中部區(qū)域，沿著前后兩端變形位移呈逐漸減小趨勢(shì)。液壓支架掩護(hù)梁也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形。由此證明液壓支架在此工況下，局部區(qū)域已發(fā)生了部分或大面積的結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)此失效現(xiàn)象的原因?yàn)轫斄杭暗鬃氖芰Σ痪鶆?。液壓支架在此狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，將極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)及井下垮塌事故，需進(jìn)一步對(duì)液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖3 液壓支架位移變化

圖2 液壓支架應(yīng)力變化

3.2 底座兩端及頂梁前端受向下載荷工況

通過(guò)仿真分析，得到了液壓支架在底座兩端及頂梁前端受向下載荷工況下的應(yīng)力及位移變化圖。由圖4可知，液壓支架整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁中部柱窩區(qū)域、底座縱向筋板上，但最大應(yīng)力為291.87 MPa，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度345 MPa；在液壓支架頂梁后端及底座前端也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖5可知，液壓支架整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，最大變形為2.978 4 mm，出現(xiàn)在頂梁的中部柱窩區(qū)域。由此可證明液壓支架在此工況下結(jié)構(gòu)性能相對(duì)較好，未發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

圖4 液壓支架應(yīng)力變化

圖5 液壓支架位移變化

4 液壓支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合前文分析，發(fā)現(xiàn)液壓支架在不同工況下，其結(jié)構(gòu)中的頂梁中部柱窩、底座中部縱向筋板等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷作業(yè)，極容易影響整個(gè)液壓支架的結(jié)構(gòu)安全性，為此，需對(duì)液壓支架進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1) 可將頂梁、底座等關(guān)鍵部件的材料由當(dāng)前的Q345提高至40Cr材料，以提高其結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度；

2) 將頂梁的頂板、柱窩、底部筋板等區(qū)域的材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加厚，材料厚度可增加2～4 mm，并在關(guān)鍵受力區(qū)域焊接加強(qiáng)筋板；

3) 對(duì)底座的縱向筋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加厚，材料厚度可增加2 mm，可有效提高底座的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4) 針對(duì)頂梁及底座柱窩處在加工環(huán)節(jié)進(jìn)行淬火的熱處理操作，以提高該區(qū)域的材料強(qiáng)度；

5) 定期對(duì)頂梁及底座的結(jié)構(gòu)變形及開(kāi)裂等情況進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，針對(duì)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等失效問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)維修操作，保證液壓支架具有較強(qiáng)的支撐強(qiáng)度。

5 結(jié) 語(yǔ)

在分析液壓支架工作原理的基礎(chǔ)上，利用proe和ABAQUS軟件，采用有限元分析方法，通過(guò)建立液壓支架的有限元分析模型，開(kāi)展了液壓支架在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析研究，得出如下結(jié)論：

1) 在底座前端及頂梁兩端受扭轉(zhuǎn)載荷工況下，液壓支架頂梁中部柱窩及底座中部縱向筋板均出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，將極可能影響井下的作業(yè)安全；

2) 在底座兩端及頂梁前端受向下載荷工況下，液壓支架頂梁中部柱窩及底座應(yīng)力在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)安全，對(duì)井下作業(yè)安全性的安全影響相對(duì)較?。?/p>

3) 針對(duì)頂梁、底座等部件，從結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、緩解應(yīng)力集中等方面開(kāi)展了液壓支架整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)；

4) 此研究對(duì)液壓支架的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)，對(duì)提高液壓支架的使用壽命具有重要意義。