史 姣，李 曉

(1.山西科技學(xué)院，山西 晉城 048000； 2.浙江海利普電子科技有限公司，浙江 嘉興 310007)

在工程機(jī)械中，結(jié)構(gòu)的安全可靠性是由強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性決定的，但對具體構(gòu)件往往側(cè)重點有所不同，因此研究構(gòu)件在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等力學(xué)性能顯得尤為重要[1]。目前，由于工作面的采高和跨度逐步加大、開采的深度逐漸增加、分層次開采等對覆巖層的擾動都會增加工作面的壓力，而液壓支架作為煤炭行業(yè)中的礦井支護(hù)設(shè)備，其力學(xué)性能的影響占有舉足輕重的地位。本文主要針對液壓支架在危險工況條件下，頂梁、掩護(hù)梁、底座分別所承受的強(qiáng)度、剛度狀況作出分析，并進(jìn)行合理優(yōu)化[2]。

1 液壓支架

液壓支架主要工作于地下礦井開采過程，是用來控制采煤工作面礦山壓力的機(jī)器，其組成部分為頂梁、掩護(hù)梁、底座、金屬構(gòu)件和若干液壓元件。液壓支架的功能主要包括支撐和保護(hù)，當(dāng)支架進(jìn)行工作時，以高壓液體的壓力作為支撐力從而控制工作面的頂板，將工作區(qū)域與采空區(qū)域分開，留有相應(yīng)的安全工作面空間，確保工作人員的安全以及正常進(jìn)行各項作業(yè)[3]。

2 大采高液壓支架的結(jié)構(gòu)

大采高液壓支架在工作過程中的受力多為組合變形，且與圍巖之間的相互作用情況比較復(fù)雜，邊界條件設(shè)置困難。在采煤過程中，隨著采煤機(jī)的前行移動，采煤過程中隨時會有煤矸石的掉落，支架結(jié)構(gòu)與圍巖的相互接觸情況也不斷改變，導(dǎo)致液壓支架不僅承受豎向荷載，還有水平方向的受力，其情況極其不穩(wěn)定，受力往往比較復(fù)雜，僅僅將液壓支架的受力簡化為平面力系具有局限性。為了確保液壓支架可以在礦井下正常工作，必須對不同工況條件下液壓支架的力學(xué)結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行理論分析[4]。

本文選取的ZY12000/28/64D型液壓支架(見圖1)為兩柱掩護(hù)式液壓支架，以單排立柱為主要支撐部件并帶有掩護(hù)梁，整體質(zhì)量較輕，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、操作均比較方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，工作最大高度為6400 mm，最小高度為2800 mm，支架的行程為3600 mm，適合頂板不穩(wěn)定的工作面。分析其結(jié)構(gòu)可以得出：頂梁直接與頂板相接觸，是承受頂板巖石載荷的支架部件，其柱窩與立柱相連接；掩護(hù)梁是阻擋采空區(qū)冒落矸石不涌入工作面空間，并承受冒落矸石的載荷，以承受頂板水平推力的部件，通過平衡千斤頂與頂梁相連接；底座直接與地板相接觸，傳遞頂板壓力到底板并承受頂板壓力的支架部件；立柱是支撐在頂梁和底座之間或間接承受頂板載荷的油缸壓力，是支架的主要動力執(zhí)行元件，可以獨立運動；千斤頂是除了立柱之外的各種油缸，主要任務(wù)是完成推移刮板輸送機(jī)、移設(shè)支架、調(diào)整支架及保護(hù)動作。支架在運動過程中速度較快，工作面之間的來回切換也比較方便。

圖1 大采高液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

3 建立液壓支架模型

3.1 簡化液壓支架

在研究力學(xué)問題時，首先應(yīng)該對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行簡化處理。由于實際工作過程中液壓支架多為整體焊接構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，組成的零件較多，在建立液壓支架模型前需要進(jìn)行部分科學(xué)、合理的簡化處理，這樣不僅可以保證計算的精度，而且可以減少建模所用時間，降低建模成本。

支架建立模型的簡化規(guī)定包括：

(1)在建立模型的過程中，對液壓支架的主要承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行保留處理，包括頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱以及支架連桿，放棄擋銷座、吊環(huán)等對液壓支架的受力分析作用不大的零件；

(2)分析液壓支架在升架、卸載降架、移架和推溜移架輸送機(jī)等過程的工作流程，平衡千斤頂上下腔的油液壓力如果保持在安全閥的設(shè)置數(shù)值范圍之內(nèi)時，其上下腔通過雙向鎖閉鎖，平衡千斤頂將會被動受力，此時可以將平衡千斤頂簡化為實體桿件，液壓支架在不同高度進(jìn)行工作時，其伸縮長度為一定值，不可改變；

(3)立柱在有限元分析過程為了方便加載，可以將其簡化為僅建立立柱的頂端、末端分別與柱窩相互配合的部分，此時立柱受到頂梁、底座的壓力可以簡化為施加在立柱的橫截面上；

(4)保留工作過程中受力影響比較大的支架危險區(qū)域的部分細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，忽略某些工藝構(gòu)造、對受力分析影響不大的小孔及小尺寸結(jié)構(gòu)；

(5)對于液壓支架重要承受載荷的部件尺寸不應(yīng)改變，各個金屬結(jié)構(gòu)之間的位置及其軸心的位置應(yīng)與原有數(shù)據(jù)相同；

(6)液壓支架在使用過程中，焊縫處會發(fā)生開裂，若采用合格的焊接工藝[5]，則焊縫處的強(qiáng)度通常是比母材的強(qiáng)度大，因此在建造模型的過程中可以忽略焊縫影響，把結(jié)構(gòu)看做一個整體進(jìn)行建模。

3.2 建立液壓支架三維模型

本論文采用Pro/E軟件進(jìn)行建模導(dǎo)入ANSYS中，Pro/E的操作過程簡單，適合設(shè)計者采用模塊化方式根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計選擇，并按照自身要求分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等?；赑ro/E的特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)工程設(shè)計、進(jìn)行直觀裝配管理且易于使用。通過分析各個結(jié)構(gòu)的特征，確定創(chuàng)建順序和特征類型，確定參考平面，進(jìn)行繪制、保存和尺寸標(biāo)注，完成零部件的圖形繪制，然后通過銷釘連接方式進(jìn)行裝配，得到液壓支架的三維模型如圖2所示。通過設(shè)置參數(shù)，液壓支架的模型可實現(xiàn)升降過程的運動和任意一點的運動軌跡。

圖2 液壓支架三維模型

4 液壓支架有限元分析

有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。將Pro/E軟件中的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，通過設(shè)置參數(shù)，避免數(shù)據(jù)丟失。由于液壓支架在不同工況的有限元分析過程中支架高度有所調(diào)整，在導(dǎo)入過程中還需完成高度設(shè)置，支架高度設(shè)置原則為最低高度加300 mm，即為2800 mm+300 mm=3100 mm。然后進(jìn)行材料屬性設(shè)置，ZY12000/28/64D型兩柱掩護(hù)式液壓支架各金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料設(shè)置為低合金高強(qiáng)度鋼Q550和Q460，其屈服強(qiáng)度分別為550和460 MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.2。根據(jù)材料屬性定義單元屬性和網(wǎng)格尺寸，最后進(jìn)行接觸和邊界條件的處理，將墊塊對液壓支架的外力作為邊界條件，外載荷則為兩根立柱對頂梁和底座的作用力，根據(jù)《液壓支架通用技術(shù)條件》可以得到有限元實驗的加載壓力為1.2倍的額定工作壓力，即為1.2×6000 kN=7200 kN。最后對求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定打開自動時間步長，平衡迭代次數(shù)等，最終得到強(qiáng)度、剛度云圖。

當(dāng)頂梁受到偏心載荷，同時底座兩端受到載荷作用時，液壓支架整體的應(yīng)力分布情況見圖3。

圖3 液壓支架整體應(yīng)力云圖

由圖3可知，不同部位的應(yīng)力分布不均勻，整體液壓支架最大應(yīng)力與最小應(yīng)力相差約753 MPa，最小應(yīng)力為0.002587 MPa，幾乎接近于零，最大應(yīng)力為753.658 MPa，液壓支架整體結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖3中不能清楚看到支架各個構(gòu)件之間的受力特點及應(yīng)力分布，因此需要分析頂梁、掩護(hù)梁、連桿和底座的應(yīng)力云圖。

當(dāng)頂梁受到偏心荷載，同時底座兩端受到載荷作用時，頂梁、掩護(hù)梁、連桿、底座的應(yīng)力云圖分布見圖4～圖7。

圖4 液壓支架頂梁應(yīng)力云圖

圖5 液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)力云圖

圖6 液壓支架連桿應(yīng)力云圖

圖7 液壓支架底座應(yīng)力云圖

由圖4可知，頂梁前端所受應(yīng)力為0.002587 MPa，接近于零，箱體內(nèi)部筋板受力也比較小，后端所受應(yīng)力比較大，最大為738.971 MPa，頂梁與墊塊相接觸的部位附近應(yīng)力比較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)件由塑性材料制作而成時，在靜載荷作用下應(yīng)力集中不會產(chǎn)生特別明顯的作用；但在工作過程中會承受動載荷，可能會損壞部件，其余地方應(yīng)力數(shù)值相對較小。此外在頂梁的受力過程中，隨著時間的延長，很容易出現(xiàn)疲勞失效的現(xiàn)象，嚴(yán)重的會造成頂梁開裂，最終會對支架的支撐產(chǎn)生影響。

由圖5可知，掩護(hù)梁箱體內(nèi)部的橫筋受力不大，結(jié)構(gòu)不會被損壞，最小應(yīng)力為1.0481 MPa，后端的橫筋板與中間主筋垂直相交的地方應(yīng)力局部增高導(dǎo)致應(yīng)力最大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，主筋以及大部分蓋板上的應(yīng)力也比較大，最大應(yīng)力可達(dá)到497.702 MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度，在長期工作過程中，容易造成金屬的疲勞，導(dǎo)致斷裂。

由圖6可知，連桿處的應(yīng)力基本也是對稱分布，連桿與掩護(hù)梁相交的銷孔處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為227.832 MPa，最小應(yīng)力為0.1917 MP。

由圖7可知，底座應(yīng)力沒有明顯的規(guī)律性，前端蓋板和四根主筋處應(yīng)力較大，箱體內(nèi)腔的橫筋板、底板、后端蓋板和底座柱窩處應(yīng)力較小，主筋上端靠近柱窩處、底座箱體與墊塊相接觸的部位的應(yīng)力較大，主要由墊塊與橫梁之間的固定約束引起，第二根主筋上的應(yīng)力最大為357.703 MPa，長時間工作會產(chǎn)生疲勞失效現(xiàn)象，對其支撐性能會造成影響。

分析液壓支架的位移分布狀況可知，在頂梁受到偏心荷載，同時底座兩端受到載荷作用時，支架的位移最小值為0，最大值為33.889 mm，液壓支架整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，頂梁結(jié)構(gòu)的位移變化量最大，其次為掩護(hù)梁，底座的位移變化量比較小。頂梁的最大位移發(fā)生在遠(yuǎn)離墊塊位置，掩護(hù)梁的最大位移出現(xiàn)在掩護(hù)梁的右前端位置，連桿的最大位移出現(xiàn)在右前連桿與掩護(hù)梁相連接的銷孔處附近，底座的最大位移出現(xiàn)在底座柱窩的位置，液壓支架整體的最大變形發(fā)生在頂梁的中部區(qū)域，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

綜上所述，液壓支架的頂梁出現(xiàn)的最大應(yīng)力值是液壓支架結(jié)構(gòu)件中最大的，主要是因為頂梁是直接承受載荷的部件。頂梁與掩護(hù)梁之間的銷軸也會承受較大的載荷，有必要定期檢查和更新。掩護(hù)梁在銷孔和鋼板中間連接處應(yīng)力值均較大，需要注意其形變。前后連桿應(yīng)力值基本上不大，稍大的區(qū)域在連桿的銷孔處，為了防止連桿發(fā)生屈服現(xiàn)象，可以選擇增加連桿銷孔處的鋼板厚度。長時間的作業(yè)，頂梁、掩護(hù)梁、底座的應(yīng)力集中現(xiàn)象加重，影響支架的整體性能和結(jié)構(gòu)安全可靠性，因此必須對主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造設(shè)計，確保在實際工況過程中，頂梁、掩護(hù)梁、底座受到的最大應(yīng)力不大于材料的屈服強(qiáng)度。通過對液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以選擇屈服強(qiáng)度更高的材料，同時將產(chǎn)生應(yīng)力集中嚴(yán)重的部，對其筋板由20 mm增加為30 mm，然后重新建模，分析液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、底座有限元情況，應(yīng)力集中得到有效的改善。

5 結(jié)語

采用Pro/E與ANSYS軟件的聯(lián)合建模設(shè)置材料的屬性，劃分網(wǎng)格，施加載荷及邊界條件等，分析其強(qiáng)度、位移云圖，可以得到液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、底座結(jié)構(gòu)滿足使用要求，但是各個構(gòu)件受到的應(yīng)力不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。由于液壓支架可能會受到動載荷的影響，因此應(yīng)該改進(jìn)結(jié)構(gòu)，通過增加應(yīng)力集中嚴(yán)重部位的筋板厚度，然后重新建模，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中得到有效的改善。改造后的最大應(yīng)力不超過材質(zhì)的屈服強(qiáng)度極限，受到的應(yīng)力也更加均勻，提高了液壓支架的結(jié)構(gòu)安全可靠性。