溫 鵬

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 中央機(jī)廠,山西 大同 037001)

0 引言

隨著對(duì)煤炭資源需求量的不斷增加，煤礦企業(yè)在開采煤炭過程中會(huì)采取更加高效的生產(chǎn)方式，其中大采高綜采的生產(chǎn)方式被煤礦企業(yè)逐漸接受并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。大采高綜采的采煤方式需要更多的機(jī)械化設(shè)備作為保障，尤其是液壓支架在大采高綜采過程中所發(fā)揮的作用尤為關(guān)鍵。礦用液壓支架是由金屬結(jié)構(gòu)和液壓元器件綜合組成的支撐設(shè)備，可以有效并安全地對(duì)工作面進(jìn)行支撐，確保作業(yè)人員的安全，保障采煤過程的順利進(jìn)行[1]。根據(jù)對(duì)實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著大采高工作面的加長(zhǎng)，對(duì)液壓支架的工作性能有了更高的要求。液壓支架長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境中工作，受到了疲勞循環(huán)載荷的作用，導(dǎo)致液壓支架的關(guān)鍵零部件出現(xiàn)變形甚至是斷裂。為此，本文以煤礦企業(yè)常用的ZY12000/28/64D型液壓支架為研究對(duì)象，結(jié)合工程實(shí)際載荷的施加情況，采用有限元分析法得到該型號(hào)液壓支架頂梁受到扭轉(zhuǎn)作用力后的整體應(yīng)力分布規(guī)律及結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)液壓支架的薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，有效提高液壓支架的使用壽命。

1 礦井液壓支架的工作原理及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 工作原理

液壓支架的工作過程包括升架、降架、移架和推移[2]，各種作業(yè)動(dòng)作通過液壓泵站提供的液壓油的流動(dòng)完成，其結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1所示。液壓支架的升降主要是依靠立柱完成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍巖層的承載作用；移架和推移動(dòng)作是通過底座和液壓缸的聯(lián)合作業(yè)完成，此時(shí)的液壓管道和操縱閥等部件處于不同的工作狀態(tài)，配合完成支撐動(dòng)作。

1.2 載荷特性

液壓支架和煤層的圍巖形成了相互作用力，在開采過程中圍巖的狀態(tài)變化決定著液壓支架所受載荷的變化[3]。因此分析液壓支架所受載荷的特性主要是分析頂梁、掩護(hù)梁和底座所受載荷的變化規(guī)律[4]。液壓支架處于惡劣的工作環(huán)境，所受到的載荷具有復(fù)雜性和隨機(jī)性，從實(shí)際工作的載荷分布來看分為對(duì)稱集中載荷和非對(duì)稱集中載荷[5]，無論哪種載荷都是液壓支架頂梁所受到的載荷作用力。

1-頂梁；2-立柱；3-輸送機(jī)；4-底座；5-液壓缸；6-乳化液泵；7，8-管道；9，10-操縱閥；11-單向閥；12-安全閥

1.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家關(guān)于液壓支架的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即《液壓支架型式試驗(yàn)規(guī)范》和《液壓支架通用技術(shù)條件》等，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況，本文以液壓支架頂梁受到扭轉(zhuǎn)作用力的工況進(jìn)行分析。為了滿足國家的技術(shù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立液壓支架模型時(shí)在現(xiàn)有高度基礎(chǔ)上將液壓支架的最低高度增加300 mm[6]。ZY12000/28/64D型液壓支架的高度范圍為：2 800 mm～6 400 mm，支架的行程為3 600 mm,根據(jù)規(guī)范內(nèi)的計(jì)算公式計(jì)算得到該工況的試驗(yàn)高度為3 900 mm。

2 液壓支架有限元仿真分析

2.1 三維模型的建立

由于ZY12000/28/64D型液壓支架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為確保三維建模的精確性，在建立模型之前應(yīng)對(duì)液壓支架的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提高仿真計(jì)算的效率。簡(jiǎn)化原則為：①忽略焊縫結(jié)構(gòu)的存在，將焊縫與材料結(jié)構(gòu)視作一個(gè)整體；②對(duì)容易發(fā)生破壞的薄弱部位保留；③去除對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力無影響的零碎部件；④保持液壓支架主要承載部件結(jié)構(gòu)尺寸的精確性。

采用Pro/E軟件建立液壓支架三維模型。首先建立液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱等部件的三維模型，然后將各個(gè)部件的三維模型進(jìn)行裝配，得到液壓支架的三維模型，如圖2所示。

圖2 ZY12000/28/64D液壓支架三維模型

2.2 有限元仿真模型的建立

將已建立的ZY12000/28/64D型液壓支架三維模型導(dǎo)入至ANSYS軟件，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)液壓支架的初始作業(yè)形態(tài)進(jìn)行設(shè)置。ZY12000/28/64D型液壓支架的材料設(shè)置為Q550，彈性模量和泊松比分別設(shè)置為2.10×105MPa和0.35。采用Solid45實(shí)體網(wǎng)格單元對(duì)液壓支架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意對(duì)重點(diǎn)分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

2.3 仿真結(jié)果分析

為使液壓支架的分析結(jié)果與實(shí)際更加吻合，在頂梁中部上按照實(shí)際作業(yè)載荷進(jìn)行施加，所施加載荷為10 000 N，得到了液壓支架頂梁以及底座的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 液壓支架頂梁及底座的應(yīng)力云圖

由圖3(a)可以看出，頂梁結(jié)構(gòu)前端筋板部位的應(yīng)力很集中，應(yīng)力值達(dá)到了882.263 MPa，容易發(fā)生破壞斷裂，影響整體結(jié)構(gòu)的安全性。由3(b)可以看出，底座的應(yīng)力滿足材料所能承受的載荷大小，可以確保工程中使用的安全性。根據(jù)仿真結(jié)果可對(duì)液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)ZY12000/28/64D型液壓支架頂梁容易發(fā)生斷裂的筋板處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將筋板厚度由原來的20 mm增加至30 mm，優(yōu)化部位示意圖如圖4所示。

圖4 液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化示意圖

將優(yōu)化后的液壓支架按照優(yōu)化前的相同仿真計(jì)算環(huán)境重新對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，優(yōu)化后液壓支架頂梁的最大應(yīng)力為691.584 MPa，而原結(jié)構(gòu)頂梁的最大應(yīng)力為882.263 MPa，最大應(yīng)力減少了190.679 MPa，改進(jìn)后顯著減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 優(yōu)化后液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

針對(duì)大采高綜采液壓支架的實(shí)際工程應(yīng)用情況，以ZY12000/28/64D型液壓支架為研究對(duì)象，采用有限元分析法對(duì)液壓支架在頂梁受到扭轉(zhuǎn)作用載荷時(shí)的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行分析。結(jié)合液壓支架在實(shí)際使用過程中的損壞修復(fù)方法、有限元計(jì)算的結(jié)果以及工程中對(duì)應(yīng)力集中的處理方法，選擇加厚支架中頂梁前端筋板的厚度以減小應(yīng)力集中，降低了頂梁的最大載荷應(yīng)力值。有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)優(yōu)化后提升了ZY12000/28/64D型液壓支架在大采高綜采作業(yè)過程中的安全穩(wěn)定性。