李文俊

（晉能控股裝備制造集團(tuán)力泰有限責(zé)任公司，山西 大同 037036）

引言

液壓支架作為煤炭綜采工作面內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備，其工作的可靠性不僅關(guān)系著煤礦井下作業(yè)人員的生命安全，還與煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)息息相關(guān)，必須引起高度重視[1]。液壓支架服役環(huán)境惡劣，如高濕度、高腐蝕、重載等，極易造成液壓支架的破壞，引發(fā)安全事故，給煤炭企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。液壓支架結(jié)構(gòu)大、價(jià)格高，投資占比較大，世界各國(guó)對(duì)于液壓支架的研究應(yīng)用極為重視，設(shè)計(jì)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)[2]。近年來，隨著我國(guó)液壓支架研究工作的深入，設(shè)計(jì)制造水平得到了較大的提升，但相較于進(jìn)口液壓支架，可靠性方面依然存在一定的差距[3]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為了保證液壓支架工作的可靠性，將結(jié)構(gòu)安全系數(shù)選的較大，使得液壓支架結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、成本高，為煤炭企業(yè)增加了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，為液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了新的手段，不僅能夠降低液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的人力、物力和財(cái)力，還能夠提高支架的設(shè)計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)液壓支架的高效設(shè)計(jì)[5-6]。因此以ZY6400/21/45型液壓支架為研究對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS 有限元仿真計(jì)算軟件，開展頂梁結(jié)構(gòu)性能研究對(duì)于提高液壓支架的整體性能具有重要意義。

1 液壓支架三維模型的建立

液壓支架三維模型采用SolidWorks 軟件繪制，因液壓支架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了避免有限元仿真時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量過于龐大，對(duì)其三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，結(jié)果如圖1 所示，簡(jiǎn)化了不影響分析結(jié)果和主體強(qiáng)度的相關(guān)結(jié)構(gòu)，如螺紋孔、倒角、圓角、不存在應(yīng)力集中位置的焊縫等。

圖1 液壓支架三維模型

2 有限元強(qiáng)度分析

2.1 前處理

ZY6400/21/45 液壓支架主體結(jié)構(gòu)的制備材料為Q460，其材料屬性如下：彈性模量為210 GPa，密度為7.85 kg/mm3，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為460 MPa。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格類型，設(shè)置單元格尺寸為60 mm，采用自由劃分網(wǎng)格的方式完成液壓支架網(wǎng)格劃分，得到31 980 個(gè)網(wǎng)格。依據(jù)GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架第1 部分：通用技術(shù)條件》要求開展液壓支架強(qiáng)度分析，液壓支架的工況眾多，結(jié)合筆者所接觸液壓支架的受力情況，選擇頂梁扭轉(zhuǎn)加載工況進(jìn)行仿真分析，頂梁加載壓力要求為工作壓力的1.2 倍，計(jì)算得7 700 kN，加載方式為內(nèi)側(cè)加載，力的作用線沿立柱軸線方向作用于柱窩球面。約束條件設(shè)置時(shí)墊塊與底座接觸面設(shè)置接觸對(duì)，摩擦系數(shù)為0.15，墊鐵設(shè)置為固定約束，液壓支架主體結(jié)構(gòu)之間均設(shè)置為銷釘連接。

2.2 仿真結(jié)果與分析

完成液壓支架有限元仿真分析前處理工作之后啟動(dòng)軟件自帶求解器，進(jìn)行液壓支架強(qiáng)度分析，完成液壓支架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析之后提取頂梁結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，如下頁(yè)圖2 所示。由圖2 可以看出，液壓支架扭轉(zhuǎn)載荷工況時(shí)存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值為436 MPa，出現(xiàn)在頂梁上柱窩位置。頂梁結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度為460 MPa，頂梁扭轉(zhuǎn)載荷作用下所受的最大應(yīng)力與其極為接近，是液壓支架頂梁工作過程中的薄弱環(huán)節(jié)，使用過程中存在安全隱患。為了避免液壓支架頂梁使用過程中出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致安全事故，有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力集中程度，提高其工作的可靠性。

圖2 液壓支架頂梁應(yīng)力分布云圖

3 頂梁的改進(jìn)設(shè)計(jì)

頂梁作為液壓支架主要結(jié)構(gòu)組成件之一，通過柱窩接收來自立柱的支撐力，實(shí)現(xiàn)頂梁支撐巷道頂板的功能。前面分析結(jié)果中出現(xiàn)頂梁柱窩附近存在應(yīng)力集中的情況，最大應(yīng)力接近頂梁材料的屈服強(qiáng)度，使用過程中存在破壞隱患。為了提高液壓支架頂梁的可靠性，改善頂梁工作時(shí)的受力狀態(tài)，基于當(dāng)前的頂梁結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。借助有限元仿真分析方法，驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的效果，以期為液壓支架頂梁的設(shè)計(jì)制造提供技術(shù)參考。

3.1 改進(jìn)方法

提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的改進(jìn)方法眾多，常見的有改變結(jié)構(gòu)件材料、探索最佳熱處理工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸等，結(jié)合液壓支架仿真分析結(jié)果及液壓支架頂梁改進(jìn)之前的結(jié)構(gòu)可知，頂梁柱窩位置屬于接觸受力狀態(tài)，改進(jìn)之前的結(jié)構(gòu)件高度較高，使其接收立柱升力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)翻力矩，使受力點(diǎn)的受力狀態(tài)復(fù)雜化，不利于接觸面的可靠工作。因此頂梁改進(jìn)設(shè)計(jì)選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸的方法，為了降低柱窩位置的側(cè)翻力矩影響程度，將柱窩高度尺寸減小50 mm，重新建立三維模型，圖3 和圖4 所示給出了柱窩改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)。

圖3 改進(jìn)前結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

3.2 仿真計(jì)算

將改進(jìn)之后的柱窩結(jié)構(gòu)與原有液壓支架的底座、前后連桿、頂梁、平衡千斤頂?shù)绕渌S模型進(jìn)行裝配組合成裝配體，導(dǎo)入ABAQUS 仿真計(jì)算軟件中進(jìn)行前處理，其柱窩材料仍然為Q460，材料屬性參數(shù)設(shè)置與改進(jìn)之前一致；網(wǎng)格劃分方法為自由劃分，網(wǎng)格類型為四面體，單元格總數(shù)為31 420；施加扭轉(zhuǎn)載荷，頂梁加載壓力為7 700 kN，約束施加時(shí)底座設(shè)置為固定約束，各個(gè)結(jié)構(gòu)件之間為銷釘接觸。完成改進(jìn)之后液壓支架有限元仿真分析前處理即可啟動(dòng)軟件自帶求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.3 結(jié)果分析

完成改進(jìn)液壓支架扭轉(zhuǎn)載荷工況下的仿真計(jì)算之后，調(diào)取的頂梁仿真計(jì)算結(jié)果，如圖5 所示。由圖5 頂梁應(yīng)力分布云圖可以看出，改進(jìn)之后的應(yīng)力集中依然出現(xiàn)在頂梁柱窩位置，最大應(yīng)力值為398 MPa，相較于改進(jìn)之前的436 MPa 降低了38 MPa，由此可見，通過減小柱窩的高度尺寸能夠有效改善頂梁工作過程中的受力狀態(tài)，降低其應(yīng)力集中程度，取得了很好的改進(jìn)效果。與此同時(shí)，與結(jié)構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度460 MPa 相比較，改進(jìn)之后的頂梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中數(shù)值398 MPa 較小，具有62 MPa的安全裕度，能夠很好的滿足液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)可靠工作的要求。

圖5 改進(jìn)后頂梁應(yīng)力分布云圖

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證液壓支架頂梁仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照仿真計(jì)算模型繪制工程圖并完成了柱窩結(jié)構(gòu)的加工制造，與液壓支架其他結(jié)構(gòu)件裝配組合形成改進(jìn)液壓支架。將改進(jìn)后的液壓支架投入煤炭巷道內(nèi)部進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，結(jié)果表明，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)要求。相較于柱窩改進(jìn)之前的液壓支架，改進(jìn)之后的液壓支架頂梁角度調(diào)整更加平穩(wěn)順暢，應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)柱窩位置磨損情況得到了明顯改善，主要原因是柱窩位置的接觸應(yīng)力相較于原結(jié)構(gòu)柱窩降低了15.6%，改善了柱窩位置的受力狀態(tài)。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計(jì)，磨損情況的改善能夠使液壓支架壽命延長(zhǎng)不少于1 年，降低了近5%的制造成本，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效果約200 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。