李永輝

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046000）

引言

長壁工作面開采系統(tǒng)由采煤機(jī)、長壁輸送機(jī)和液壓支架組成。每臺機(jī)器都有特定的功能，長壁采煤機(jī)開采并裝載輸出物，刮板輸送機(jī)運(yùn)輸輸出物，而液壓支架在工作期間保護(hù)挖掘物不被崩落，與采煤機(jī)以相等的步幅向壁面移動。各種機(jī)械設(shè)備之間有功能和結(jié)構(gòu)組成上的相互關(guān)系。長壁液壓支架由幾十個(gè)甚至幾百個(gè)并排的單個(gè)液壓支架組成，為采礦、運(yùn)輸和搬運(yùn)機(jī)器創(chuàng)造了空間。本文使用有限元方法開展液壓支架的模擬研究，數(shù)值模擬的方法越來越多地取代或補(bǔ)充試驗(yàn)工作。由于需要獲得必要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因此不可能完全代替對地下礦井中的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，然而，數(shù)值分析卻大大降低了研究成本。計(jì)算模擬領(lǐng)域的進(jìn)展意味著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)解決方案以及現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)越來越多地是建模和計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果。本文采用有限元模擬技術(shù)，高度還原了液壓支架在為采煤機(jī)機(jī)身創(chuàng)造頂部的作業(yè)空間時(shí)，其底板結(jié)構(gòu)受力和失效的情況。研究成果可為液壓支架真實(shí)動態(tài)載荷設(shè)計(jì)最佳技術(shù)方案提供了樣板。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)分析研究背景

1.1 虛擬樣機(jī)的應(yīng)用

目前，虛擬樣機(jī)在航空和汽車工業(yè)中變得越來越流行，在采礦業(yè)中主要用于機(jī)器構(gòu)造的建模?；谥С钟?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序的模型，特別是那些采用有限元法（FEM）的模型[1]，在執(zhí)行適當(dāng)?shù)姆治龊?，會精?zhǔn)地顯示出結(jié)構(gòu)承受如此大的載荷以致可能出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。液壓支架底板耐久性的預(yù)測不僅局限于找到這些區(qū)域，還包括指定應(yīng)力低的區(qū)域，這些區(qū)域不會超過塑性極限，并且在可變載荷的沖擊下可能成為潛在的危險(xiǎn)區(qū)域。

本文強(qiáng)調(diào)了從微裂紋開始到宏觀尺度的裂紋發(fā)展階段。用于煤礦開采的采礦機(jī)械的材料疲勞是由長期循環(huán)載荷引起的?；谒⒌哪Ｐ?，確定了疲勞破壞的臨界點(diǎn)，并確定了被分析單元的最大載荷面。

1.2 長壁工作面采煤系統(tǒng)

液壓支架是長壁工作面采煤系統(tǒng)的組成部分，本文以ZRP-15/35-POz 型液壓支架為研究對象，該型號液壓支架主要應(yīng)用于中厚煤層，所承載的工作載荷更大，適應(yīng)于很多惡劣的開采環(huán)境。如圖1 所示為長壁工作面采煤系統(tǒng)，由采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等主要機(jī)械設(shè)備組成[2]。

圖1 長壁工作面采煤系統(tǒng)示意圖

2 液壓支架底板疲勞失效現(xiàn)象

疲勞破壞是指隨著時(shí)間的推移，在變量的外部載荷下發(fā)生的破壞。這些變化可以是規(guī)則的和周期性的，例如以正弦負(fù)載的形式對底板產(chǎn)生破壞。本文對ZRP-15/35-POz 型液壓支撐單元的底板基礎(chǔ)施工進(jìn)行了疲勞現(xiàn)象分析。底板是支撐部分的基礎(chǔ)，用于將巖體的壓力傳遞到底板。以滑道形狀建造的基座（下頁圖2）是焊接結(jié)構(gòu)，具有箱形截面。在中間部分，有用于安裝支撐天篷的支腿（在圖2 中用方塊標(biāo)記）的連接處，在其結(jié)構(gòu)的后面，有用于連接雙紐線連接器的凸耳。

圖2 液壓支架底板基礎(chǔ)的空間模型

由此造成的損壞是由過高的動態(tài)負(fù)載造成的。研究分為兩個(gè)階段[3]，在第一階段，對裂縫的位置進(jìn)行了目視檢查，因此在腿座附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)薄弱點(diǎn)（圖3）。圖2 顯示，產(chǎn)生的裂紋始于最薄弱的區(qū)域，該區(qū)域位于腿部座椅和加強(qiáng)件焊接的連接區(qū)域。圖3 顯示了觀察到損傷的裂紋擴(kuò)展方向。在這種情況下，底板承受了采礦作業(yè)產(chǎn)生的動載荷，并且沒有發(fā)生塑性變形，直接發(fā)生了破壞，但是側(cè)板中形成的裂紋不會導(dǎo)致整個(gè)橫截面變?nèi)酢?/p>

圖3 顯示了液壓支架底座安裝座的損壞情況，并通過箭頭標(biāo)記了裂紋位置，裂紋位置的分析采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行分析。

圖3 液壓支架底座損壞情況示意圖

3 底板有限元數(shù)值模擬分析

選擇基于有限元法的ANSYS 程序建立計(jì)算模型。分析模型的建立出于簡化原則，去除對受力影響不大的零碎部件。通過軟件設(shè)置所有必要的接觸，并施加了邊界條件。為了獲得正確的結(jié)果，進(jìn)行了非線性分析[4]。程序按照工況情況確定底板的位移、變形和應(yīng)力情況，建立了底板基座的有限元模型進(jìn)行仿真，有限元模型網(wǎng)格數(shù)目為23638 個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)目為49803 個(gè)。對于該模型的特定研究區(qū)域，引入了底座表面區(qū)域中具有不同機(jī)械特性和自身應(yīng)力的受力特性。圖4 顯示了液壓支架底板的應(yīng)力分布云圖。

由圖4 可見，最大的應(yīng)力數(shù)值為272 MPa，出現(xiàn)在底板的腹板上，并非出現(xiàn)在凹印點(diǎn)，說明底板結(jié)構(gòu)的損壞不是短時(shí)間內(nèi)形成的，而是經(jīng)過了長時(shí)間受力后的結(jié)果。

圖4 液壓支架底板應(yīng)力（MPa）分布云圖

在圖5 中，應(yīng)力和方向用顏色標(biāo)記。網(wǎng)格的尺寸為12 mm[5]?？紤]到支撐腿的傾斜角度，形成截面載荷的力主要來自施加在底座表面的液壓支腿，并且形成了集中壓應(yīng)力。

圖5 底板應(yīng)力方向示意圖

4 底板結(jié)構(gòu)改善建議

根據(jù)液壓支架底板的損壞情況以及通過有限元仿真技術(shù)計(jì)算結(jié)果，提出以下結(jié)構(gòu)改善建議[6]：

1）將底座的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料由Q235 材料改變?yōu)镼345 或45 號鋼材料，以此提高底座結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度，保證作業(yè)過程中出現(xiàn)的最大應(yīng)力控制在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。

2）增加底座上橫梁的寬度，以此提高其與地面的有效接觸面積，減少橫梁上受到的局部作用力。

3）在同等尺寸底座上，增加底座上應(yīng)力集中較大部位的材料厚度2～4 mm，并在應(yīng)力集中部位附近開設(shè)不影響結(jié)構(gòu)性能的Φ3 mm 左右的較小圓孔，以使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圓孔處，減小底座的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4）在底座橫梁薄弱部位增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，以此提高底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5）底座上各部件焊接時(shí)，應(yīng)保證焊縫處的焊接高在5 mm 以上，且采用連續(xù)焊接方式，焊后需進(jìn)行消除焊接應(yīng)力的處理，以保證底座整體結(jié)構(gòu)具有較高的焊接質(zhì)量。

6）當(dāng)?shù)鬃霈F(xiàn)變形量過大或局部開裂現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)停機(jī)對底座進(jìn)行維修更換，以保證液壓支架的作業(yè)安全。

5 結(jié)語

本文介紹了基于ANSYS 計(jì)算機(jī)程序的有限元方法在建模過程中的應(yīng)用，對礦井液壓支架底板的受力狀態(tài)和失效情況進(jìn)行了分析。同時(shí)通過軟件分析材料在外部載荷影響下發(fā)生的變化。有限元方法為獲得材料特定點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)、變形、位移、力等信息提供了很大的可能性。使用有限元方法的應(yīng)力分析是對現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)應(yīng)力確定方法的有效補(bǔ)充。該方法對于模擬和分析各種參數(shù)對應(yīng)力值和分布的影響具有重要意義。將有限元方法應(yīng)用于模擬液壓支架底板支撐處的失效，可以精確確定動態(tài)載荷引起的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。結(jié)果表明，ANSYS 程序和有限元方法都能得到滿意的結(jié)果。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，分析了液壓支架支撐底座（如地板底座）中腿座的受力狀態(tài)。已經(jīng)確定了一個(gè)潛在的危險(xiǎn)區(qū)域，顯示出從微裂紋開始到宏觀尺度的裂紋發(fā)展階段，并且為底板結(jié)構(gòu)改善提出了建議。研究成果為礦井液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供了依據(jù)。