張恩顯

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

薄煤層煤炭?jī)?chǔ)量占我國(guó)已探明比例20%左右[1]，近年來(lái)中厚煤層儲(chǔ)量的減少，使得開(kāi)采的深度和難度加大，薄煤層開(kāi)采受到的關(guān)注逐步加深。目前薄煤層開(kāi)采主要采用掩護(hù)式液壓支架[2]，充填液壓支架的應(yīng)用較少，主要原因是薄煤層空間狹小，工人視線受到四連桿機(jī)構(gòu)影響無(wú)法有效判斷充填效果，容易發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉，采充過(guò)程效率低[3]。

為解決中薄煤層充填空間可視面積不足無(wú)法有效判斷充填效果的問(wèn)題，根據(jù)某礦需求研發(fā)了ZC14400-16-31型充填液壓支架。其承載結(jié)構(gòu)由雙鉸接頂梁、前后立柱、平衡千斤頂和垂直導(dǎo)柱組成，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于采用垂直導(dǎo)柱式設(shè)計(jì)，前后頂梁及導(dǎo)向柱三點(diǎn)合一鉸接在一起，導(dǎo)向柱分布在兩側(cè)，使中間完全解放，提供足夠大的可視空間，并且該垂直導(dǎo)柱具有承受頂板的水平分力和側(cè)向力，使立柱不受側(cè)向力的作用，進(jìn)一步增加了薄煤層充填開(kāi)采的效率。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的快速發(fā)展為機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了巨大的便捷，目前針對(duì)液壓支架的有限元仿真主要從強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行檢驗(yàn)與優(yōu)化。我國(guó)常常采用液壓支架加載試驗(yàn)臺(tái)的方式進(jìn)行典型工況的強(qiáng)度檢驗(yàn)[4]，在設(shè)計(jì)階段利用實(shí)物加載會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的成本浪費(fèi)，于是利用計(jì)算機(jī)輔助軟件實(shí)現(xiàn)加載試驗(yàn)臺(tái)的工作是設(shè)計(jì)階段的最便利方法[5-6]。本文基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架》通用技術(shù)中涉及到的校核方案，結(jié)合充填開(kāi)采液壓支架特點(diǎn)，檢驗(yàn)在4種不同工況下支架的應(yīng)力位移分布狀態(tài)，以確保該新型充填液壓支架的工作可靠性并為進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1 充填液壓支架有限元分析

1.1 液壓支架三維模型建立

根據(jù)ZC8000-16-31型固體充填液壓支架性能參數(shù)，利用SolidWorks 2021三維建模軟件對(duì)液壓支架主體零件進(jìn)行建模，分析各零部件特征，利用拉伸、切除等特征命令進(jìn)行繪制。在SolidWorks裝配體界面進(jìn)行液壓支架主體結(jié)構(gòu)的組裝，利用重合、等寬、同軸心等約束配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的自由度控制，使裝配體可滿足設(shè)計(jì)功能。零件之間應(yīng)準(zhǔn)確配合，反復(fù)進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，檢查裝配體是否重疊，為有限元分析結(jié)果提供可靠性。液壓支架三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 液壓支架三維實(shí)體模型

1.2 模型簡(jiǎn)化

為了提高有限元分析的效率，降低因模型太過(guò)復(fù)雜而要求過(guò)高配置的計(jì)算機(jī)需求，因此需要對(duì)已完成的液壓支架實(shí)體模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，對(duì)于在分析中不承受加載力的伸縮梁、推移桿、護(hù)幫板等附件或配件從模型中刪除。同時(shí)起連接作用的銷(xiāo)軸、閥座也全部去除。對(duì)于雙鉸接頂梁、垂直導(dǎo)柱、平衡千斤頂、前后立柱、底座、推實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化，去除或簡(jiǎn)化倒角、焊件坡口等工藝機(jī)構(gòu)，從而降低有限元網(wǎng)格劃分的個(gè)數(shù)，減少有限元分析難度，提高運(yùn)算效率，保證有限元分析的可靠性。

1.3 液壓支架主體結(jié)構(gòu)件加載方案

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架》通用技術(shù)條件中的主體結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核初始條件與文獻(xiàn)[5]提出充填液壓支架加載方案，結(jié)合液壓支架的參數(shù)可得，檢驗(yàn)強(qiáng)度的初始條件為：頂梁偏載時(shí)，支架高度為1.9 m；除頂梁偏載，其他檢測(cè)時(shí)支架高度為2.5 m；頂梁實(shí)施1.2倍額定工作壓力載荷，即17 280 kN，即每個(gè)立柱4 320 kN。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架》通用技術(shù)條件中的主體結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核的加載方法，確定4種加載工況，即前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)；前后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對(duì)稱(chēng)加載；前后頂梁偏載、底座偏載；前后頂梁縱向、底座橫向中間加載。為模擬實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)對(duì)支架的限制作用，利用0自由度墊鐵安置在上述4種工況的位置。

2 預(yù)處理

1)充填液壓支架的主要零部件采用了屈服強(qiáng)度為460 MPa的Q460，垂直導(dǎo)柱采用屈服強(qiáng)度為835 MPa的27SiMn合金鋼。

2)利用“固定幾何體”限制墊塊的6個(gè)自由度。

3)利用“銷(xiāo)釘”替換雙頂梁鉸接處、導(dǎo)向柱與底座鉸接處的銷(xiāo)軸。

4)為模擬真實(shí)接觸情況，面—面之間為“本地交互”中所有的接觸面特征“接觸”，摩擦系數(shù)為0.15。

5)液壓支架的加載方式為“內(nèi)加載”，選擇“遠(yuǎn)程承載/質(zhì)量”載荷布置方式。在前、后立柱與頂梁、底座鉸接處利用“遠(yuǎn)程承載/質(zhì)量”施加支撐力。

6)模型采用自由網(wǎng)格劃分，單獨(dú)對(duì)底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其余主體間采用基于曲率的網(wǎng)格劃分。最大單元40 mm，最小單元20 mm；網(wǎng)格品質(zhì)：高；雅各比點(diǎn)：16點(diǎn)；4次網(wǎng)格劃分節(jié)總數(shù)均在14 0000左右，單位總數(shù)75 000左右。

3 后處理分析

3.1 前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)

按照工況一的條件進(jìn)行加載運(yùn)算，由圖2可知，在底座前墊塊上出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力集中問(wèn)題，最大應(yīng)力達(dá)到665.7 MPa，從工程時(shí)間的角度分析，該部位很少發(fā)生類(lèi)似的破壞，因此可推算出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于墊塊與頂梁的接觸面積較小導(dǎo)致的。因此不作為參考數(shù)據(jù)。除此之外，前后頂梁鉸接處，底座過(guò)橋位置，均具有較大的應(yīng)力集中。其中前、后頂梁的最大應(yīng)力達(dá)到441 MPa和436 MPa，過(guò)橋處的最大應(yīng)力為431 MPa，均未超過(guò)材料的屈服極限；加載后液壓支架的最大位移變形量發(fā)生在后頂梁中部主筋處，最大值為7.5 mm，其他零件最大應(yīng)力值均低于最大屈服強(qiáng)度460 MPa，由此可知工況一下液壓支架滿足設(shè)計(jì)與使用要求。

(a)前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖 (b)前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)位移云圖

3.2 前后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對(duì)稱(chēng)加載

按照工況二的條件進(jìn)行加載運(yùn)算。由圖3可知底部墊塊與頂梁墊塊邊角出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到1 632 MPa，在實(shí)際應(yīng)用中并不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。忽略墊塊的影響，液壓支架前后頂梁的最大應(yīng)力分別為432 MPa、405 MPa，分別出現(xiàn)在雙頂梁鉸接處；加載后液壓支架的最大位移變形量發(fā)生在后頂梁中部主筋處，最大值為7.892 mm。其他零件最大應(yīng)力值均低于最大屈服強(qiáng)度460 MPa，由此可知工況二下液壓支架滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

(a)后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對(duì)稱(chēng)加載應(yīng)力云圖 (b)后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對(duì)稱(chēng)加載位移云圖

3.3 前后頂梁偏載、底座偏載

按照工況三的條件進(jìn)行加載運(yùn)算。由圖4可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在出自垂直導(dǎo)柱與底座鉸接處，最大應(yīng)力值達(dá)到792 MPa。垂直導(dǎo)柱采用的材料為27SiMn合金鋼，屈服強(qiáng)度達(dá)到835 MPa，滿足不發(fā)生破壞最大應(yīng)力值的需求。前后頂梁的最大應(yīng)力發(fā)生在與垂直導(dǎo)柱的鉸接處，最大值分別為436 MPa、416 MPa。前后頂梁采用Q460，屈服強(qiáng)度460 MPa，滿足前后頂梁不發(fā)生失效的極限強(qiáng)度條件，其他零件最大應(yīng)力值均低于最大屈服強(qiáng)度460 MPa。最大形變量10 mm發(fā)生在后頂梁末端。

(a)前后頂梁偏載、底座偏載應(yīng)力云圖 (b)前后頂梁偏載、底座偏載位移云圖

3.4 前后頂梁縱向、底座橫向中間加載

按照工況四的條件進(jìn)行加載運(yùn)算。由圖5可知頂梁墊塊與底座墊塊發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大應(yīng)力發(fā)生在底座墊塊處，為288 MPa，前后頂梁、底座的最大應(yīng)力分別為182 MPa、187 MPa和168 MPa，都小于Q460的屈服強(qiáng)度460 MPa；發(fā)生明顯位移的位置出現(xiàn)在前頂梁末端、頂梁柱窩和底座前端。分析原因是墊塊的空間限制產(chǎn)生的，最大位移1.034 mm。綜上分析，液壓支架在該工況下可以完成支護(hù)工作。

(a)前后頂梁縱向、底座橫向中間加載應(yīng)力云圖 (b)前后頂梁縱向、底座橫向中間加載位移云圖

經(jīng)過(guò)對(duì)上述4種工況下的有限元分析。如果排除了墊塊因素，該液壓支架所有部分的最大應(yīng)力值均在材料的屈服強(qiáng)度內(nèi)，且最大變形值也均在合理范圍內(nèi)。頂梁應(yīng)力最大的部位出現(xiàn)在中心鉸合與梁窩段，垂直導(dǎo)梁應(yīng)力最大的部位出現(xiàn)在底座耳板部，底座內(nèi)部應(yīng)力最大為部位出現(xiàn)在穿越橋梁處。根據(jù)上述問(wèn)題可考慮選用高強(qiáng)度材料及助板加厚處理，增加總體安全系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用了SolidWorks對(duì)垂直導(dǎo)柱型固體充填式液壓支架的整體進(jìn)行了三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)，并使用Simulation有限元插件，對(duì)液壓支架進(jìn)行了4種工況下的靜力學(xué)模擬。4個(gè)工況下分別是前后頂梁二端的加載、底座扭轉(zhuǎn)；前后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對(duì)稱(chēng)加載;前后頂梁偏載、底座偏載。

經(jīng)過(guò)仿真得到的結(jié)果，可知4種工況下，頂梁最大應(yīng)力值為441 MPa，垂直導(dǎo)柱最大應(yīng)力值為792 MPa，均在材料的許用范圍內(nèi)，說(shuō)明液壓支架的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，各部件應(yīng)力位移分布情況也為各部件的進(jìn)一步優(yōu)化提供了科學(xué)的參考與依據(jù)。