秦利歐

（山西潞安能化生產(chǎn)服務(wù)有限公司，山西 長治 046204）

引言

煤礦資源在保障人民生活水平、促進社會經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮著非常重要的作用[1]。為順應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需要，我國每年都要開采大量的煤炭資源。煤礦開采過程中液壓支架可以起到安全作用[2-3]。隨著社會對煤礦安全關(guān)注程度的不斷提升，礦井中越來越重視液壓支架的使用穩(wěn)定性和安全性[4]。為提升液壓支架使用性能，煤礦企業(yè)和很多學(xué)者針對不同型號的液壓支架開展了深入的分析和研究，且取得了一些研究成果[5-6]。因此，以ZF8000/20/38型液壓支架為例，對其在工作過程中的受力情況進行分析，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，對于進一步提升該型號液壓支架的穩(wěn)定性，保障礦井安全具有重要的實踐意義。

1 ZF8000/20/38型液壓支架概述

礦用液壓支架有很多種類型，常見的包括支撐式、掩護式和支撐掩護式，不同類型的液壓支架有其自身的優(yōu)勢。ZF8000/20/38型液壓支架屬于掩護式液壓支架，如圖1所示為ZF8000/20/38型液壓支架的整體結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，整個液壓支架的機械結(jié)構(gòu)由多個零部件構(gòu)成，不同零部件之間相互配合，共同實現(xiàn)液壓支架的各項功能。該型號液壓支架的寬度和高度分別可以在1 430～1 600 mm和2 000～3 800 mm范圍內(nèi)根據(jù)實際需要進行調(diào)整，支架中心距離為1.5 m。液壓支架能夠提供的初撐力大小為6 972 kN，工作時的阻力大小約為8 000 kN，支護強度為0.85 MPa。ZF8000/20/38型液壓支架在煤層傾角不超過15°，煤層厚度在4～8m的煤礦中應(yīng)用比較合適。

圖1 ZF8000/20/38型液壓支架的整體結(jié)構(gòu)圖

2 液壓支架有限元模型的建立

2.1 幾何模型建立及輸入

主要利用ANSYS軟件對液壓支架的受力情況進行分析，但ANSYS軟件在三維建模方面比較欠缺。因此首先利用PEO/E軟件根據(jù)ZF8000/20/38型液壓支架的實際尺寸建立其幾何結(jié)構(gòu)模型。需要說明的是，為了確保計算結(jié)果精度和計算過程的速度，在建立幾何模型時，對于一些非必要的結(jié)構(gòu)進行簡化處理，比如圓角、倒角、小孔等部位進行忽略。將建立好的幾何模型導(dǎo)出為IGES格式，然后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中進行后續(xù)的建模處理。

2.2 材料物理和力學(xué)性能設(shè)置

ZF8000/20/38型液壓支架在實際生產(chǎn)中，多數(shù)零部件的材料選擇為Q690型鋼材，少數(shù)不重要的零部件采用的是Q460型鋼材。為簡化模型建立過程，將材料全部設(shè)置為Q690型鋼材。查閱材料手冊可知，該型號鋼材的彈性模量和泊松比分別為2.04 GPa和0.3，密度為7 800 kg/m3。

2.3 網(wǎng)格單元劃分

網(wǎng)格單元劃分對于有限元模型而言是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，會對模型計算過程和最終計算結(jié)果精度產(chǎn)生決定性影響。ANSYS軟件中有多種類型的網(wǎng)格單元，比如常見的有四面體單元和六面體單元，不同類型單元會在不同程度上影響計算結(jié)果。網(wǎng)格單元大小同樣會影響模型的計算過程和結(jié)果。在充分結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上，液壓支架模型選用的六面體網(wǎng)格單元，采用非均勻性網(wǎng)格單元劃分形式，即在重要的部位采用比較細小的單元，在不是非常重要的部位采用比較粗大的單元，這樣既可以保證計算結(jié)果精度，也可以提升模型計算的速度。ZF8000/20/38型礦用液壓支架有限元模型如圖2所示。

圖2 ZF8000/20/38型液壓支架的有限元模型

3 液壓支架受力分析

液壓支架工作時受到的外部作用力主要來自于頂梁和底板。在充分分析液壓支架工作過程中受力情況的基礎(chǔ)上，分別將頂板和底板的壓力設(shè)置為95 MPa和24 MPa。且考慮到特殊情況，對于頂板的壓力采用偏心的方式進行加載。建立好有限元模型后，可以利用ANSYS軟件對模型進行計算，并對結(jié)果進行提取分析，如圖3所示為ZF8000/20/38型液壓支架整體的應(yīng)力云圖和位移變形云圖。

圖3 液壓支架的應(yīng)力分布云圖和位移變形分布云圖

從圖中可以看出，ZF8000/20/38型液壓支架工作時不同部位的受力和變形情況存在比較大的差異，絕大部分零部件結(jié)構(gòu)的受力和位移變形都相對較小，但局部位置的位移變形量和應(yīng)力值比較大。由應(yīng)力分布云圖可知，最大應(yīng)力值達到了853.89 MPa，且主要位于頂梁部位。該型號液壓支架的生產(chǎn)制作材料主要為Q690型鋼材，材料的抗拉強度正常情況下只有690 MPa?？梢?，頂梁部位的最大應(yīng)力值已經(jīng)超過了材料的屈服強度，雖然出現(xiàn)比較大的應(yīng)力的區(qū)域面積比較小，短時間內(nèi)不會對礦用液壓支架產(chǎn)生比較大的傷害。但液壓支架在長時間工作過程中局部位置長期承受比較大的應(yīng)力，那么應(yīng)力集中的部位必然容易出現(xiàn)損傷，最終導(dǎo)致液壓支架出現(xiàn)故障問題。進一步觀察液壓支架的位移變形分布云圖可知，液壓支架的最大位移變形量達到了18.812 mm。出現(xiàn)最大位移變形的位置同樣位于頂梁結(jié)構(gòu)，具體而言是在頂梁的右側(cè)位置，其他部位的位移變形情況較小，幾乎可以忽略不計。位移變形不均勻的根本原因在于受力不均勻，解決液壓支架的受力不均勻性問題，就可以解決其位移變形不均勻的問題。基于有限元分析結(jié)果可知，ZF8000/20/38型液壓支架頂梁部位在工作時存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部位置的應(yīng)力甚至超過了材料的使用應(yīng)力值，且位移變形量較大，會在一定程度上損傷液壓支架運行的穩(wěn)定性和安全性?；诖耍斜匾獙ζ浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，提升壓支架受力和位移變形的均勻性，以提升其服役過程的穩(wěn)定性，為煤礦開采安全奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進研究

考慮到ZF8000/20/38型礦用液壓支架在工作過程中，頂梁部位的受力和變形情況最為嚴重。因此，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，主要以液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化對象。如圖4所示為液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)示意圖，頂梁中出現(xiàn)最大應(yīng)力和顯著位移的主要就是側(cè)板、側(cè)護板和筋板，而前端蓋板部位的應(yīng)力以及位移變形均非常小。結(jié)合上述實際情況并參考相關(guān)的文件資料，將頂梁優(yōu)化方案確定為：前端蓋板部位鋼板厚度降低5 mm，側(cè)板、側(cè)護板和筋板厚度則分別增加5 mm。

圖4 液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)優(yōu)化改進后的頂梁結(jié)構(gòu)尺寸，重新利用PEO/E和ANSYS軟件建立對應(yīng)的有限元模型，并對其進行受力分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)液壓支架整體的應(yīng)力分布和位移變形分布規(guī)律與優(yōu)化前基本相同。但頂梁部位的最大應(yīng)力值由優(yōu)化前的853.89 MPa降低到了352.67 MPa，最大應(yīng)力值的降低意味著整個液壓支架的受力情況變得更均勻，能夠提升設(shè)備運行穩(wěn)定性，且最大應(yīng)力值已經(jīng)降低到了材料的許用應(yīng)力值，能夠滿足設(shè)備長時間運行的要求。另一方面，最大位移變形量由優(yōu)化前的18.812 mm降低了到了10.676 mm。最大位移量降低意味著液壓支架的剛度有了顯著提升，能夠很好的抵抗外部作用力導(dǎo)致的變形問題。

將以上液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案應(yīng)用到ZF8000/20/38型液壓支架中，經(jīng)過連續(xù)三個月時間的測試，發(fā)現(xiàn)運行效果良好。液壓支架運行過程穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大的故障問題，改造效果得到了煤礦企業(yè)技術(shù)人員的一致認可。

5 結(jié)語

礦用液壓支架在保障煤礦開采安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此必須提升液壓支架運行過程的穩(wěn)定性。利用PEO/E和ANSYS軟件建立了ZF8000/20/38型液壓支架的有限元模型，并對其工作時的受力情況進行分析。發(fā)現(xiàn)頂梁部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對設(shè)備運行安全問題構(gòu)成了一定程度的威脅。對液壓支架頂梁部位的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，再次進行建模分析后發(fā)現(xiàn)設(shè)備的剛度有了顯著提升，位移變形量顯著降低，且最大應(yīng)力有了顯著降低。通過優(yōu)化改進，在很大程度上提升了液壓支架運行的安全性。