成 偉

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 沁水 048214）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多煤礦設(shè)備被應(yīng)用到了煤礦開采中，包括采煤機、掘進(jìn)機、帶式輸送機、液壓支架等設(shè)備，其中，礦用液壓支架在井下作業(yè)過程中主要起到支撐巷道作用[1]。其結(jié)構(gòu)中的底座作為液壓支架中的重要部件，支撐作業(yè)過程中由于受到較大的外界載荷及沖擊載荷作用，加上底座整體結(jié)構(gòu)主要采用的焊接方式進(jìn)行固定連接，導(dǎo)致底座整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象，一旦底座發(fā)生了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，不僅會影響著整個礦井的開采進(jìn)度及效率，也將對井下的作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。因此，掌握底座在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能及變形規(guī)律，有針對性的對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)顯示十分必要。

1 液壓支架組成結(jié)構(gòu)分析

液壓支架是整個井下作業(yè)中的重要支撐設(shè)備，主要負(fù)責(zé)對巷道進(jìn)行支撐作用，防止井下發(fā)生坍塌現(xiàn)象。液壓支架根據(jù)其作業(yè)工況的不同，一般包括掩護(hù)式液壓支架、支撐式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架[3]，以ZF12000 型液壓支架為例，該設(shè)備的主要組成部分包括頂梁、掩護(hù)梁、立柱、底座、連板、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。根據(jù)巷道煤層的高度不同，可通過立柱來實現(xiàn)頂梁高度的調(diào)節(jié)。其中，底座則是液壓支架中的關(guān)鍵部件，其上部鉸接耳及柱窩主要與連板及立柱柱窩頭進(jìn)行連接，底座底板則主要與巷道地面進(jìn)行接觸，當(dāng)頂梁受到向下的載荷作用時，通過立柱及掩護(hù)梁部件，將作用力傳遞至底座上，并最終傳遞至地面上，以實現(xiàn)對巷道的有效支撐作用。在此過程中，底座承受著來自頂部的全部外界載荷作用[4]。最終會使底座發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變形，甚至達(dá)到報廢狀態(tài)。采用當(dāng)前成熟的有限元分析方法，對底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，成為當(dāng)前高效掌握底座變形規(guī)律，提高其結(jié)構(gòu)性能的重要方法。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 底座模型建立

2.1 底座三維模型建立

為進(jìn)一步分析底座在應(yīng)用過程中的結(jié)構(gòu)性能，需對其進(jìn)行分析模型建立。故選用了PROE 軟件，對底座的底板、柱窩、橫向筋板、縱向筋板及鉸接耳等特征進(jìn)行了模型建立。為提高后文底座模型的分析精度，縮短分析時間，將底座模型中的非關(guān)鍵圓角、倒角、螺栓圓孔等特征進(jìn)行模型簡化，僅保留了底座中關(guān)鍵特征，按照1∶1 的比例進(jìn)行模型建立[5]。所建立的底座三維模型如下頁圖2 所示。

圖2 底座三維模型

2.2 底座仿真模型建立

2.2.1 材料屬性設(shè)置

利用ABAQUS 軟件，開展了底座的仿真模型建立。在軟件中，根據(jù)底座的實際使用材料特征，將底座的材料設(shè)置為Q345 材料，其材料密度為7 850 kg/m3，屈服強度為345 MPa，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。通過軟件中的材料屬性功能，賦予底座的材料為Q345[6]。

2.2.2 底座網(wǎng)格劃分

在完成底座的材料屬性設(shè)置后，由于本文將重點對底座的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析研究，故首先在軟件中對其進(jìn)行了場輸出設(shè)置，定義了應(yīng)力和位移的輸出結(jié)果。根據(jù)底座的結(jié)構(gòu)特點，在對底座進(jìn)行Solid 實體單元類型設(shè)置后，對其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為10 mm。由于底座柱窩為整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力點，故將底座進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

3 底座結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 頂梁兩端受向下載荷工況時分析結(jié)果

結(jié)合仿真分析結(jié)果，得到了底座在頂梁兩端受向下載荷工況下時的應(yīng)力和位移變化結(jié)果。如圖3所示，底座整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了471.56 MPa，集中在底座的中部過橋及柱窩等區(qū)域，應(yīng)力值已超過其材料的屈服強度235 MPa，由此可判斷，底座整體結(jié)構(gòu)已基本處于嚴(yán)重變形失效狀態(tài)。由圖4 可知，底座整體結(jié)構(gòu)的變形現(xiàn)象較為明顯，最大變形量出現(xiàn)在底座左前端邊沿處，最大變形量為2.917 mm，沿其他方向，底座結(jié)構(gòu)呈逐漸減少的變形趨勢。分析原因為：在頂梁兩端收到較大外界載荷作用力時，外界作用力傳遞到中部柱窩處，使得底座的中部過橋和柱窩等區(qū)域發(fā)生了較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此，需進(jìn)一步對底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

圖3 底座應(yīng)力變化圖

圖4 底座位移變化圖

3.2 頂梁前端受扭矩載荷工況下分析結(jié)果

通過仿真分析，得到了底座在頂梁前端受扭矩載荷工況下的分析結(jié)果。由圖5 可知，底座在此工況下雖出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，局部區(qū)域也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力值相對較小，最大應(yīng)力值為128.97 MPa，主要出現(xiàn)了底座的中部縱向筋板及柱窩區(qū)域，未超過其材料的屈服強度235 MPa，整體結(jié)構(gòu)強度相對較高。由圖6 可知，底座整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了位移變化不均勻現(xiàn)象，最大變形量為0.493 78 mm，相對較小，主要出現(xiàn)在底座的中部縱向筋板與柱窩等區(qū)域。由此可說明，底座在頂梁兩端受扭矩載荷工況時的結(jié)構(gòu)性能相對較高，基本能滿足底座的現(xiàn)場作業(yè)需求，但為有效提高底座的結(jié)構(gòu)性能，有必要對底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

圖5 底座應(yīng)力變化圖

圖6 底座位移變化圖

4 底座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)底座的結(jié)構(gòu)性能分析，得出在底座中部縱向筋板及柱窩等區(qū)域出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為保證底座在使用中具有較高的結(jié)構(gòu)性能，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

1）可將底座的材料由當(dāng)前的Q235 材料改變給Q460 高強度鋼材料，可使得其材料的屈服強度由235 MPa 提升至460 MPa，雖針對工況1 時的材料屈服值仍相對較小，但所差強度可通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來彌補，以此提高底座的結(jié)構(gòu)強度；

2）將底座的縱向筋板增加4 mm，并在薄弱且不干涉區(qū)域焊接加強筋結(jié)構(gòu)，以增加縱向筋板的結(jié)構(gòu)性能；

3）在底座生產(chǎn)加工時，對柱窩處及周邊進(jìn)行加熱淬火的熱處理，以提高此區(qū)域的材料強度及剛度，減少柱窩處的磨損情況；

4）在底座縱向筋板及柱窩上應(yīng)力集中附近，在不影響底座結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，開設(shè)直徑為2 mm 孔徑的小孔，可有效緩解底座上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）底座在頂梁兩端受向下載荷工況下，在底座中部過橋及柱窩等區(qū)域出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，整個底座基本已處于嚴(yán)重變形失效狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)強度已無法滿足當(dāng)前液壓支架的支撐性能要求；

2）底座在頂梁前端受扭矩載荷工況下，其結(jié)構(gòu)中部縱向筋板及柱窩等區(qū)域雖出現(xiàn)了較大的一定的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形，但整體變形量相對較小，均在材料的屈服強度范圍內(nèi)，底座結(jié)構(gòu)強度相對較好，處于安全作業(yè)狀態(tài)；

3）從結(jié)構(gòu)尺寸、材料厚度、材料屬性、熱處理加工等方面，提出了底座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，增強了底座的結(jié)構(gòu)性能。