李鵬宇

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

隨著當(dāng)前煤礦資源的大量開采，煤礦設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤礦開采中。礦用液壓支架作為井下作業(yè)的重要設(shè)備，保障其設(shè)備的高效支撐性、低故障率、操作簡單、維修方便，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，成為保障井下正常作業(yè)的重點(diǎn)任務(wù)[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上煤礦開采過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)液壓支架頂梁受超大載荷作用、頂梁及底座偏載、液壓支架超長時(shí)間作業(yè)等現(xiàn)象，致使液壓支架在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂梁、尾梁結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重、立柱及千斤頂升降不靈活、支架移動(dòng)不合理等現(xiàn)象，這給井下煤礦的開采效率及作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，其中，尾梁的故障失效問題成為此次研究的重點(diǎn)[2]。采用科學(xué)、高效的有限元分析方法，對尾梁在使用中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，成為提升液壓支架綜合性能的重點(diǎn)。為此，以ZY12000 型礦用液壓支架中尾梁為研究對象，開展了其在使用中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究，并提出了尾梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的措施及改進(jìn)后效果評價(jià)，這對提供井下作業(yè)安全具有重要意義。

1 液壓支架存在問題

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

目前，礦井中使用的液壓支架結(jié)構(gòu)基本相同，主要由頂梁、掩護(hù)梁、立柱、尾梁、底座、連板、插柱、插槽等組成，其結(jié)構(gòu)組成圖如圖1 所示[2]。在圖中，P為頂梁受到的頂板垂直載荷，F(xiàn)c為立柱所承受的支撐力，F(xiàn)m為頂梁與頂板之間的摩擦力，通過各部件的相互配合，實(shí)現(xiàn)了對井下工作面的有效支撐。由于液壓支架作業(yè)環(huán)境的惡劣性及復(fù)雜性，其在使用中經(jīng)常出現(xiàn)插柱嚴(yán)重、頂梁變形、設(shè)備穩(wěn)定性較差、尾梁局部開裂、移架和調(diào)節(jié)困難等技術(shù)問題，致使液壓支架對工作面的支撐性能及作業(yè)效率受到較大影響。目前，市場上應(yīng)用較多的液壓支架結(jié)構(gòu)均具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較差等問題[3]。其中，尾梁作為液壓支架的關(guān)鍵部件，在液壓支架移動(dòng)過程中，掉下的頂煤將直接沖擊尾梁，造成了尾梁出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形、鉸接耳處的開裂或斷裂現(xiàn)象，加上頂梁作業(yè)過程中受出現(xiàn)偏心受載等問題，作用力傳遞至尾梁結(jié)構(gòu)上后，加劇了尾梁的結(jié)構(gòu)失效概率[4]。另外，與尾梁連接的千斤頂也由于受到外部頂煤的較大沖擊作用，致使油缸表面的出現(xiàn)了撞傷、碰傷等問題，千斤頂?shù)闹渭安僮魇艿搅藝?yán)重影響。因此，將重點(diǎn)對尾梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能情況進(jìn)行分析研究，以提高尾梁的使用壽命及液壓支架的作業(yè)安全。

2 尾梁分析模型建立

2.1 三維模型建立

結(jié)合ZY12000 型液壓支架的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，為有效掌握尾梁作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，采用了Solidworks 軟件，對尾梁進(jìn)行了三維模型建立。由于尾梁主體采用的Q345 材料進(jìn)行焊接形成，屬于純剛性結(jié)構(gòu)。因此，在建模過程中，主要對尾梁的背板、底板及上下鉸連耳等部件進(jìn)行了繪制[5]。為提高尾梁在分析中的仿真精度，對尾梁結(jié)構(gòu)中的過渡圓角、過渡圓弧、較小圓孔進(jìn)行了模型簡化，所建立的尾梁三維模型如下頁圖2 所示。

圖2 尾梁三維模型圖

2.2 仿真模型建立

結(jié)合建立的尾梁三維模型，將其導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對其進(jìn)行了仿真模型建立。由于尾梁實(shí)際采用的是Q345 材料，故在仿真模型建立過程中，將尾梁的材料屬性設(shè)置為Q345 材料，材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，其主要參數(shù)如表1 所示[6]。根據(jù)尾梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了實(shí)體單元類型，對其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，在頂梁的上下鉸接耳連接處，進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，如圖3 所示。在軟件中，尾梁與液壓支架其他部件之間的連接采用了旋轉(zhuǎn)約束，液壓支架底座進(jìn)行了固定約束，模擬液壓支架的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)。由此，完成尾梁的仿真模型建立。

表1 Q345 材料主要參數(shù)表

圖3 液壓支架及尾梁網(wǎng)格劃分圖

3 尾梁不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于液壓支架在井下作業(yè)的工況環(huán)境相對較多，為有效掌握尾梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律，主要對尾梁在底座兩端受集中載荷和底座中間受集中載荷等工況條件下進(jìn)行了分析研究。

3.1 底座兩端集中載荷工況

在模擬過程中，底座兩端集中載荷工況主要是在液壓支架底座兩端安裝尺寸為1 600 m×200 m×40 mm 的墊塊，使得底座承受均勻的外部載荷作用，其示意圖如圖4 所示。

圖4 底座兩端集中載荷示意圖

通過分析，得到了尾梁在此工況下的應(yīng)力變化圖。由圖5 可知，尾梁整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力集中在尾梁左側(cè)與掩護(hù)梁連接的鉸接耳處，達(dá)到198.85 MPa，在材料的屈服強(qiáng)度345 MPa 范圍內(nèi)，而尾梁右側(cè)與掩護(hù)梁連接的鉸接耳處應(yīng)力值也相對較高，為185.3 MPa。尾梁上的應(yīng)力值由最大應(yīng)力處向尾梁底部呈逐漸減少趨勢。分析其原因?yàn)椋何擦涸谧鳂I(yè)過程中，雖底座受到兩端的集中載荷，但在頂梁處由于受到左側(cè)的單側(cè)偏載作用，會(huì)使頂梁出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，而偏載產(chǎn)生的作用力傳遞至尾梁上，故在尾梁左側(cè)所受應(yīng)力相對較高。由此說明，尾梁整體結(jié)構(gòu)性能基本能滿足液壓支架在此工況下的作業(yè)需求，但尾梁長期處于偏載受力狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響兩側(cè)鉸接耳處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在使用過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此現(xiàn)象。

圖5 尾梁應(yīng)力變化圖

3.2 底座中間集中載荷工況

底座中間集中載荷工況主要是指在底座中間安裝尺寸為1 600 m×200 m×40 mm 的墊塊，使得底座中部較大的外部載荷作用，其示意圖如圖6 所示。

圖6 底座中間集中載荷示意圖

結(jié)合仿真分析，得到了尾梁在此工況下的應(yīng)力變化圖，如下頁圖7 所示。由圖可知，尾梁整體結(jié)構(gòu)上應(yīng)力值出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，在尾梁與頂梁連接的左側(cè)鉸接耳處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了429.27 MPa，超過了尾梁結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度345 MPa；尾梁與掩護(hù)梁連接處的右側(cè)鉸接耳處應(yīng)力值也相對較高，達(dá)到了356.3 MPa；由最大應(yīng)力處沿著尾梁向下，應(yīng)力值呈逐漸減少的變化趨勢。分析其原因?yàn)椋河捎诘鬃艿捷^大的中部載荷作用，而尾梁的底端則直接與底座進(jìn)行連接，致使底座上的不平衡作用力傳遞至尾梁結(jié)構(gòu)上，出現(xiàn)了應(yīng)力相對較高現(xiàn)象。因此，尾梁與掩護(hù)梁連接的鉸接耳處是整個(gè)尾梁的薄弱部位，若尾梁長期處于此高應(yīng)力集中狀態(tài)，則極容易率先在此處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著尾梁及液壓支架的作業(yè)效率及安全。

圖7 尾梁應(yīng)力變化圖

4 尾梁的改進(jìn)及效果分析

4.1 尾梁改進(jìn)

結(jié)合前文的尾梁不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可知，與頂梁連接處的鉸接耳處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中極容易率先出現(xiàn)開裂或斷裂等問題，嚴(yán)重影響著尾梁的使用壽命。為此，需對尾梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，具體如下：

1）將鉸接耳的外形圓弧尺寸增加5 mm，鉸接耳的中部銷軸孔直徑增加5 mm，并對銷軸孔進(jìn)行淬火、調(diào)質(zhì)等熱處理，以提升在尾梁鉸接耳處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）在尾梁加工生產(chǎn)過程中，增加鉸接耳處的表面粗糙度，保證銷軸孔的粗糙度達(dá)到Ra1.6，并定時(shí)在此處添加潤滑油，減少鉸接耳處的局部摩擦；

3）由于尾梁背板經(jīng)常會(huì)受到來自井下煤石的撞擊作用，故可在背板上焊接加強(qiáng)板，增加尾梁背部的抗沖擊性及抗砸性。

4.2 改進(jìn)后效果分析

在完成尾梁改進(jìn)后，將其安裝在ZY12000 型的液壓支架上，進(jìn)行了將近6 個(gè)月的現(xiàn)場應(yīng)用。試用后發(fā)現(xiàn)，尾梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大增加，在鉸接耳及其他受力區(qū)域未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或局部開裂現(xiàn)象，鉸接耳的旋轉(zhuǎn)靈活性相對較好，和最初狀態(tài)基本一致。據(jù)現(xiàn)場人員介紹，改進(jìn)后的尾梁結(jié)構(gòu)解決了頻繁對頂梁鉸接處進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、添加潤滑性等操作，且液壓支架的調(diào)節(jié)性能也大幅度提高，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，建議進(jìn)行推廣應(yīng)用。