馮艷山

(山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)公司,山西 交城 030500)

0 引 言

礦用液壓支架是實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的重要設(shè)備，在實(shí)際使用過程中，由于井下環(huán)境惡劣，液壓支架經(jīng)常受到來自頂部的不同方向載荷作用，礦用煤塵相對較多，空氣潮濕，導(dǎo)致液壓支架在使用過程中常出現(xiàn)頂梁嚴(yán)重變形、底座開裂、掩護(hù)梁變形、油缸漏油等失效現(xiàn)象，這類事故一旦發(fā)生，液壓支架必然失去巷道支撐作用，對礦井作業(yè)安全會構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。其結(jié)構(gòu)中，頂梁則是液壓支架最為關(guān)鍵部件，由于其經(jīng)常處于偏心載荷、局部受力等作用，使得其結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)變形、開裂或磨損等嚴(yán)重問題，因此提高頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命，對保障液壓支架整體結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要[2]。

結(jié)合ZFS8000型礦用液壓支架中頂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元分析方法，對頂梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析測試，得出了頂梁中的柱窩及中部筋板是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，針對頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)研究。達(dá)到提高液壓支架作業(yè)效率的目標(biāo)。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成分析

以ZFS8000型礦用液壓支架為分析對象，其結(jié)構(gòu)主要由頂梁、掩護(hù)梁、立柱、底座、四連桿、推移裝置、尾梁等部件組成，各部件通過螺栓及軸等方式進(jìn)行了有效連接[3]。其中，頂梁結(jié)構(gòu)主要包括頂板、中部筋板、柱窩、前鉸接孔、后鉸接孔等組成，主要承受著來自巷道頂部的煤礦沖擊作用，具有承重能力強(qiáng)、支撐強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)頂梁變形嚴(yán)重、頂梁局部開裂、頂梁中部筋板變形、頂梁鉸接孔剛度不夠等問題，一旦頂梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，將無法對巷道頂部的煤礦進(jìn)行支撐，保證所設(shè)計(jì)的頂梁具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，是當(dāng)前煤礦企業(yè)重點(diǎn)考慮解決的問題[4]。同時(shí)，掩護(hù)梁則主要連接著頂梁和底座部件，部件之間通過鉸接方式進(jìn)行連接，與其他零件之間構(gòu)成了液壓支架整體結(jié)構(gòu)。該液壓支架憑借著較大的油缸直徑，較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，已在煤礦中進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。

2 頂梁模型建立

2.1 頂梁結(jié)構(gòu)模型簡化目標(biāo)

根據(jù)ZFS8000型礦用液壓支架及頂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型建立過程中，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，包括結(jié)構(gòu)中的圓角、倒角、較小圓孔、退刀槽等特征[5]。同時(shí)，由于液壓支架以及頂梁整體采用焊接方式進(jìn)行固定連接，建模時(shí)將頂梁中焊接進(jìn)行簡化，保證各零件之間為連接牢固。采用SolidWorks軟件能快速完成頂梁的模型建立。

2.2 分析模型建立

結(jié)合建立的液壓支架及頂梁三維模型，將其導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對其進(jìn)行分析模型建立。在軟件中，將整個(gè)液壓支架的材料設(shè)置為Q235材料，其材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85 g/cm3。根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其設(shè)置為實(shí)體單元類型，對其進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，局部受力部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，非關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加大處理[6]。所生成的整個(gè)液壓支架有219400個(gè)單元，其中頂梁單元數(shù)有63907個(gè)。液壓支架各部件之間則進(jìn)行相關(guān)的固定約束及鉸鏈約束。所建立的液壓支架網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

圖1 液壓支架網(wǎng)格劃分圖

3 頂梁不同工況下結(jié)構(gòu)受力情況分析

3.1 工況一：結(jié)構(gòu)性能分析

工況一條件為底座偏載、頂梁兩端承受集中載荷。通過仿真分析，從液壓支架中提取了頂梁在工況一條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖，如圖2所示。由圖可知，頂梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布呈對稱分布方式，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁的兩端及中部筋板位置，沿左右兩側(cè)及前端方向，應(yīng)力呈逐漸減少趨勢，但頂梁前端的應(yīng)力小于后端。最大應(yīng)力值為338 MPa，超過了材料的屈服強(qiáng)度。

圖2 工況一下頂梁應(yīng)力變化圖

提取了頂梁的中部主筋板的應(yīng)力變化結(jié)果，如圖3所示。頂梁中部主筋板出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了280 MPa，超過了其材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，出現(xiàn)頂梁后端與掩護(hù)梁連接的鉸接區(qū)域，此區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。主筋板的其他區(qū)域應(yīng)力值相對較小，但也基本在235 MPa范圍內(nèi)。

圖3 工況一下頂梁的中部主筋板應(yīng)力變化圖

3.2 工況二：頂梁結(jié)構(gòu)性能分析

工況二條件為頂梁單側(cè)受載，底座受扭轉(zhuǎn)載荷工況，即：底座上添加扭轉(zhuǎn)約束，頂梁添加偏載約束，如圖4所示，以此分析液壓支架在最大扭力作用下的液壓支架及頂梁的強(qiáng)度變化規(guī)律。

通過仿真分析，提取了液壓支架中頂梁在工況二條件下的應(yīng)力變化結(jié)果，如圖5所示。由圖可知，頂梁整體結(jié)構(gòu)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)在頂梁中部筋板及左側(cè)柱窩區(qū)域，最大應(yīng)力值達(dá)到了420 MPa，右側(cè)柱窩應(yīng)力則相對較小，頂梁的其他區(qū)域應(yīng)力值也相對較小。同時(shí)，對比可知頂梁的后端靠近柱窩處的應(yīng)力比前端應(yīng)力更大，應(yīng)力變化幅度也相對較大。

圖4 工況二條件的示意圖 圖5 工況二下頂梁的應(yīng)力變化圖

提取了頂梁的中部筋板應(yīng)力變化圖，由圖6可知，中部筋板也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在筋板的前端頂部及后端鉸接孔附近處的應(yīng)力值相對較高，達(dá)到了287 MPa，其他區(qū)域應(yīng)力值則相對較小。

圖6 工況二下頂梁中中部筋板應(yīng)力變化圖

綜上分析可知，頂梁在工況二條件下，其左側(cè)柱窩及中部筋板前端是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用過程中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

4 頂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

結(jié)合上述分析結(jié)果，得出頂梁在工況一和工況二條件下均存在較多薄弱部位，其中，頂梁的左側(cè)柱窩及中部筋板上是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦該些區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，將極容易率先在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施如下。

(1) 將頂梁結(jié)構(gòu)中的材料改變?yōu)榍?qiáng)度剛剛材料，如：Q345材料，使得其材料的屈服強(qiáng)度更高，提高頂梁的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2) 將頂梁中頂板、中部筋板的材料厚度增加2 mm，并在頂梁的應(yīng)力集中區(qū)域焊接相應(yīng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋板，提高頂梁整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(3) 在頂梁的應(yīng)力集中附近開設(shè)直徑較小圓孔，孔直徑可考慮在2 mm左右，可將頂梁上集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圓孔處，緩解頂梁上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(4) 對頂梁中的柱窩及鉸接孔處進(jìn)行局部加熱處理，增加此接觸區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度，保證頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(5) 定期對頂梁結(jié)構(gòu)的使用情況進(jìn)行檢查，檢測頂梁結(jié)構(gòu)中是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂或變形現(xiàn)象，保證頂梁的結(jié)構(gòu)使用安全性。

5 結(jié) 語

首先采用有限元分析方法對ZFS8000型礦用液壓支架中頂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過分析得出：頂梁中工況一和工況二情況下均存在較多薄弱部位，其中，頂梁的左側(cè)柱窩及中部筋板前端最為薄弱，一旦此區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，將直接影響液壓支架的支撐效果及作業(yè)安全性，同時(shí)得到了頂梁的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，從多材料、結(jié)構(gòu)尺寸等方面提出了頂梁的具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，此研究對頂梁的實(shí)際優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和參考和借鑒價(jià)值。