畢國(guó)生

(潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司慈林山煤礦，山西 長(zhǎng)子 046600)

0 引 言

礦用液壓支架是保證井下煤礦設(shè)備正常開(kāi)采的重要支撐設(shè)備，主要作用是在巷道開(kāi)采中對(duì)巷道頂板進(jìn)行有效支撐，如果自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出現(xiàn)問(wèn)題，加之巷道中的外界載荷沖擊，液壓支架會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垮塌等失效現(xiàn)象，對(duì)礦井的作業(yè)安全造成很大影響[1]。

底座作為液壓支架中的關(guān)鍵設(shè)備，主要承受著來(lái)自頂部的較大載荷，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、筋板開(kāi)裂、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，柱窩開(kāi)裂等失效現(xiàn)象，對(duì)液壓支架的支撐效果構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。保證液壓支架較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及支撐性能成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)煤礦設(shè)備升級(jí)改造的重要方向之一。其中，底座作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的重要部件，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更加至關(guān)重要[2]。

以ZC8800/20型液壓支架為分析對(duì)象，應(yīng)用有限元分析方法，對(duì)底座應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化等方面進(jìn)行了分析，從多個(gè)角度對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，對(duì)提高底座及液壓支架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保障井下具有更高開(kāi)采效率起到重要作用。

1 底座結(jié)構(gòu)及問(wèn)題分析

選用ZC8800/20型液壓支架為分析對(duì)象。此液壓支架的結(jié)構(gòu)主要由頂梁、底座、掩護(hù)梁、前后連桿、立柱、銷(xiāo)軸等組成，通過(guò)各部分的相互連接，完成對(duì)煤礦中不同巷道高度的支撐作用。其中，頂梁與巷道的頂板進(jìn)行接觸支撐，底座與地面進(jìn)行接觸支撐[3]。底座作為液壓支架中的關(guān)鍵部件，是整個(gè)液壓支架的支撐基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)中的前后柱窩主要與立柱進(jìn)行球面接觸，是整個(gè)底座的主要受力部位。在液壓支架實(shí)際支撐過(guò)程中，由于來(lái)自頂梁的外界作用力存在不確定性，致使液壓立柱及底座經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開(kāi)裂或斷裂等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因底座的失效導(dǎo)致整個(gè)液壓支架出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象[4]。因此對(duì)底座工作時(shí)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)掌握底座的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對(duì)其結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到有效提升整個(gè)液壓支架的可靠性和穩(wěn)定性的目標(biāo)。

2 底座結(jié)構(gòu)模型建立

(1) 三維模型建立

采用Pro/E軟件對(duì)液壓支架的底座進(jìn)行三維模型建立。所建立的底座整體結(jié)構(gòu)為箱式結(jié)構(gòu)，核心零件包括底板、縱向加強(qiáng)筋板、若干橫向筋板、柱窩、掩護(hù)梁連接孔等，筋板之間各設(shè)計(jì)一個(gè)柱窩，能滿(mǎn)足立柱上柱窩球面的有效接觸[5]。為保證頂梁在分析時(shí)具有較高的仿真結(jié)果，按照模型簡(jiǎn)化原則，對(duì)底座中的較小圓角、較小圓孔、安裝孔、凸臺(tái)、倒角、較小加強(qiáng)板等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了底座上的關(guān)鍵零件，按照1∶1的模型比例，完成了底座的三維模型建立，如圖1所示。

圖1 底座三維模型圖 圖2 液壓支架及底座的仿真模型圖

(2) 有限元模型建立

將建立的底座三維模型導(dǎo)入至ANSYS軟件中，建立了底座有限元模型。為使底座的結(jié)構(gòu)與實(shí)際更加符合，在建模時(shí)考慮了液壓支架中頂梁、掩護(hù)梁等結(jié)構(gòu)。根據(jù)底座的材料類(lèi)型，將其材料屬性設(shè)置為Q235材料，其材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模型為2.0e5 MPa，屈服強(qiáng)度235 MPa，材料的抗拉強(qiáng)度為500 MPa，通過(guò)軟件對(duì)底座進(jìn)行材料屬性設(shè)置。同時(shí)，根據(jù)底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了六面體單元類(lèi)型，對(duì)其進(jìn)行了SOLID實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，并對(duì)底座中的柱窩、關(guān)鍵受力點(diǎn)進(jìn)行了網(wǎng)格加密，保證底座結(jié)構(gòu)的受力情況滿(mǎn)足實(shí)際需求，底座的網(wǎng)格數(shù)量約為78 430個(gè)。利用軟件中的tie綁定功能，將底座中的橫向筋板、縱向筋板及連接板等零件進(jìn)行綁定約束，以模擬底座的實(shí)際焊接連接方式。另外，對(duì)底座的下平面進(jìn)行了固定約束，以模擬其底部與地面的接觸。外界施加載荷大小為0.48 MPa。液壓支架及底座整體的仿真模型如圖2所示。

3 底座結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

仿真分析得到了底座的應(yīng)力變化結(jié)果，如圖3所示。由圖可知，整個(gè)底座呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，在底座的前柱窩、后柱窩、工作面?zhèn)鹊葏^(qū)域均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為232.53 MPa，其中，柱窩的應(yīng)力值最大，基本達(dá)到了其材料的屈服強(qiáng)度235 MPa。沿著柱窩及工作面?zhèn)鹊乃闹芊较?，底座?yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，同時(shí)，底座上的應(yīng)力呈中心左右對(duì)稱(chēng)分布。由此說(shuō)明：底座上的前后柱窩及中部工作底面是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，液壓支架頂梁上所受到的外界載荷力將通過(guò)立柱直接傳遞至底座柱窩上，最終傳遞至地面。因此，有必要對(duì)底座上的薄弱區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 底座上應(yīng)力變化云圖 圖4 底座結(jié)構(gòu)位移變形云圖

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

通過(guò)仿真分析，得到了底座的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖4所示。由圖可知，底座結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)位移分布不均勻現(xiàn)象，在底座的工作底面、前柱窩、后柱窩等區(qū)域均出現(xiàn)了一定的位移變化，其中工作底面上的變形量最大，為0.368 mm，前后柱窩的變形量相對(duì)更小。沿著最大變形處向四周，底座的變形情況呈逐漸減少的變化趨勢(shì)。同時(shí)，底座也沿左右兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)變形。由此可知，底座上實(shí)際作用時(shí)，工作底面及前后柱窩是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦這些區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開(kāi)裂，將對(duì)液壓支架的支護(hù)性能造成重要影響。因此，有針對(duì)性地對(duì)底座較大變形處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得十分必要。

4 底座改進(jìn)措施

根據(jù)底座的應(yīng)力變化和結(jié)構(gòu)位移變化分析可知，底座的中間底面、前柱窩、后柱窩是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦液壓支架所承受的外界載荷較大，極容易使底座在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、局部開(kāi)裂或斷裂等失效現(xiàn)象[6]。為此，提出了如下優(yōu)化改進(jìn)措施。

(1) 在不影響底座及立柱的操作性能情況下，在底座的前后柱窩、中間底座等薄弱部位，焊接更多的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋可考慮10 mm厚，與底座進(jìn)行焊接，具體數(shù)量可根據(jù)底座結(jié)構(gòu)確定。

(2) 針對(duì)底座中出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域，可在其周邊開(kāi)設(shè)直徑較小的圓孔，孔直徑可考慮3 mm，形成塑性鉸，能將集中應(yīng)力分散并轉(zhuǎn)移至圓孔處，解決較小頂梁整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問(wèn)題。

(3) 將底座的材料由Q235增加至Q355、Q400等，同時(shí)綜合考慮各類(lèi)材料之間的焊接問(wèn)題，可使得底座材料的屈服強(qiáng)度顯著提高，保證底座具有更高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(4) 在底座加工后，采用熱處理工藝方式對(duì)底座上的前后柱窩進(jìn)行加熱處理，同時(shí)安裝時(shí)添加潤(rùn)滑油，保證柱窩處具有較小的摩擦力及較強(qiáng)支撐強(qiáng)度。

(5) 底座在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中，應(yīng)盡量使其底面與巷道底面進(jìn)行較好接觸，保證液壓支架立柱的支撐高度及油缸同步性，以更好地對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。

(6) 加強(qiáng)對(duì)液壓支架及底座結(jié)構(gòu)的維護(hù)、檢查，針對(duì)底座出現(xiàn)的變形或開(kāi)裂問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)加固處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合液壓支架的實(shí)際作業(yè)工況，從多個(gè)角度分析改進(jìn)和提高其結(jié)構(gòu)安全性，掌握各部件的受力及結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，是保證井下作業(yè)安全性的重要措施。為此，在分析液壓支架及底座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，從底座的應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化等方面開(kāi)展了底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得出底座的中間底面、前柱窩、后柱窩在使用時(shí)受到了較大的應(yīng)力集中，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題，掌握了底座的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；從材料、結(jié)構(gòu)、熱處理、塑性鉸等方面提出了底座的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展底座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全性具有重要指導(dǎo)作用。