王 芳

（晉能控股裝備制造集團天晟電氣有限公司，山西 大同 037010）

引言

礦用液壓支架是煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)備[1]。但由于井下環(huán)境相對惡劣，作業(yè)工況較為復(fù)雜，液壓支架在作業(yè)時會因受到不同工況的載荷作用而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開裂等現(xiàn)象，一旦液壓支架出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效問題，將影響整個礦井的支撐性能，嚴重時將會造成整個礦井出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象[2]。其中，液壓支架中的頂梁結(jié)構(gòu)在實際工作中出現(xiàn)的頂板變形、局部開裂、筋板變形等失效問題較為常見，因此保證具有較高性能的頂梁結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)液壓支架較好支撐效果的關(guān)鍵[3]。

1 液壓支架的結(jié)構(gòu)特點

礦用液壓支架作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)不同礦井的特點及作業(yè)需求，將液壓支架分為了掩護式、支撐式、支撐掩護式等類型，根據(jù)礦井的不同采高高度不同，選擇不同支護強度的液壓支架，如：采高1 m 時時的支護強度為294 kN/m2，采高為3 m 時的液壓支架支護強度為441 kN/m2。但液壓支架的結(jié)構(gòu)基本相同，其結(jié)構(gòu)主要由頂梁、尾梁、掩護梁、立柱、底座、鉸銷軸、液壓支架等組成，主要負責(zé)對礦井工作面的支護[4]。由于井下工作面經(jīng)常會受到較大的煤石沖擊作用、作業(yè)工況種類也相對較多，加上液壓支架的支撐載荷過大，導(dǎo)致設(shè)備中的頂梁結(jié)構(gòu)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)了頂板局部變形、頂梁局部開裂、筋板變形等失效現(xiàn)象，頂梁一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，不僅影響著整個液壓支架的支護性能，也對礦井的作業(yè)安全構(gòu)成了嚴重威脅。而采用結(jié)構(gòu)設(shè)計及實際結(jié)構(gòu)生產(chǎn)驗證的方式對頂梁結(jié)構(gòu)性能進行研究分析，存在分析成本高、分析周期長等問題，效率相對較低[5]。為此，采用了當前更加成熟的有限元分析方法，對頂梁的結(jié)構(gòu)性能進行分析研究，以更低成本和更高效率來驗證頂梁的結(jié)構(gòu)性能。

2 頂梁模型的建立

2.1 頂梁三維模型的建立

為進一步驗證頂梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)礦用液壓支架的結(jié)構(gòu)特點，采用Solidworks 軟件，開展了頂梁的三維模型建立。在軟件中主要對頂梁的頂板、底板、鉸接耳、柱窩、內(nèi)側(cè)橫筋、內(nèi)側(cè)縱筋等特征進行了模型建立，而頂梁中的倒角、較小螺栓孔、圓角等特征進行了模型簡化，以有效提高頂梁在后期結(jié)構(gòu)性能分析中的結(jié)構(gòu)強度及精度，縮短分析時間[6]。為此，按照1∶1的模型建立，完成了頂梁的三維模型建立，如圖1 所示。

圖1 頂梁三維模型圖

2.2 頂梁仿真模型建立

在完成頂梁的三維模型建立中，將其轉(zhuǎn)換為x-t格式后導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進行了仿真模型建立。在軟件中，對頂梁的結(jié)構(gòu)進行模型裝配后，通過設(shè)置材料屬性參數(shù)，將頂梁的材料設(shè)置為了Q235 材料，材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。同時，在軟件中，將頂梁底部兩端鉸接處進行了tie 固定約束。根據(jù)頂梁的結(jié)構(gòu)特點，將其設(shè)置為了SOLID 實體單元類型，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，并對頂梁柱窩及鉸接耳處進行了網(wǎng)格加密處理。另外，整個模型分析時間為10 s，分析步長為0.01 s。由此，完成頂梁的仿真模型建立。

表1 Q235 材料主要性能參數(shù)

3 頂梁不同工況下的性能分析

3.1 底座和頂梁兩端受扭矩工況下的性能分析

根據(jù)所建立的頂梁仿真模型，得到了其在底座和頂梁兩端受扭矩工況下的應(yīng)力和位移變化圖。由圖2 可知，頂梁上的應(yīng)力呈現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象，在頂梁中部底板及縱向筋板及柱窩處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達到了232.92 MPa，基本已到達材料的屈服強度235 MPa。沿著最大應(yīng)力處向頂梁的前端和后端呈逐漸減小趨勢，在頂梁尾端也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖3 可知，頂梁整體結(jié)構(gòu)的變形量相對較大，最大變形量達到了3.177 5 mm，主要集中在頂梁中部及柱窩區(qū)域，與最大應(yīng)力集中區(qū)域基本相同，并向頂梁前端和后端呈逐漸減少的變化趨勢。分析其原因為頂梁整體結(jié)構(gòu)由于由于在兩端受到較大的扭矩載荷作用，中間區(qū)域受到立柱的支撐作用，進而出現(xiàn)了兩端變形小，中間變形大的變化趨勢。由此可知，頂梁的中部底板及柱窩等區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需重點對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進研究。

圖2 頂梁應(yīng)力變化圖

圖3 頂梁位移變化圖

3.2 底座和頂梁兩端聯(lián)合加載工況下的性能分析

通過仿真分析，得到了底座及頂梁在兩端向下加載工況下的分析結(jié)果。由圖4 可知，頂梁整體結(jié)構(gòu)在此工況下也出現(xiàn)了較大幅度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力集中在頂梁中部及柱窩等區(qū)域，與前文的應(yīng)力集中區(qū)域相同，但集中范圍更廣且應(yīng)力值更大，最大應(yīng)力值達到了291.87 MPa，已超過了材料的屈服強度235 MPa，在頂梁長時間作業(yè)過程中，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。在頂梁的后端應(yīng)力值雖有所減小，但局部區(qū)域仍相對較高，頂梁前端的應(yīng)力值也相對更低。由圖5 可知，頂梁整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，最大變形量為2.978 4 mm，集中在頂梁的中部左側(cè)縱向筋上，沿著右側(cè)縱向筋方向，頂梁的變形量呈逐漸減小狀態(tài)，頂梁前端及后端的變形量則相對較小。由此可知，頂梁在此種工況下也出現(xiàn)了中間向上彎曲變形、兩端向下變形的變化趨勢，中間及柱窩等區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，對頂梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進十分必要。

圖4 頂梁應(yīng)力變化圖

圖5 頂梁位移變化圖

4 頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施

結(jié)合前文分析可知，液壓支架頂梁的中部及柱窩等區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)出結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此，有必要根據(jù)頂梁的結(jié)構(gòu)特點對其進行結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化。

1）根據(jù)頂梁的結(jié)構(gòu)材料屬性，可將其材料調(diào)整為屈服強度更高的Q345 材料，能使其材料屈服強度由235 MPa 提高至345 MPa，以此提高頂梁結(jié)構(gòu)強度和綜合性能；

2）將頂梁的頂板和底板厚度增加2～3 mm，中部縱向筋的厚度也增加2～3 mm，并增加頂梁前端的支撐強度，以此提高頂梁整體的抗壓強度；

3）在頂梁柱窩加工生產(chǎn)過程中，可對柱窩處進行淬火及調(diào)質(zhì)等熱處理，在不改變材料屬性參數(shù)基礎(chǔ)上提高頂梁的結(jié)構(gòu)強度；

4）增加頂梁柱窩處的材料厚度，在中部鉸接耳焊接時，增加焊縫高度，保證此些區(qū)域具有較高的結(jié)構(gòu)強度；

5）頂梁使用過程中，應(yīng)盡量避免其長時間處于超負荷、偏心等工況下作業(yè)，保證頂梁不長時間處于超負荷狀態(tài)下作業(yè)。

5 結(jié)論

1）在兩種工況下，頂梁的中部及柱窩等區(qū)域均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位

2）從材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸、熱加工處理等方面，對頂梁的結(jié)構(gòu)進行改進，可提高頂梁的結(jié)構(gòu)性能及延長其使用壽命、增加礦井的支撐安全性具有重要作用。