基于ANSYS有限元的ZY7600/20/43D型液壓支架護(hù)幫板損壞原因分析

梁和平，牛艷奇，劉 偉，張澤山

(1.開灤 (集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北唐山063018;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;3.寧夏天地平頂山煤機(jī)有限公司，寧夏銀川750021)

煤壁片幫和梁端冒頂是影響綜采效率和工作面安全生產(chǎn)的主要因素。在礦山壓力作用下，煤壁片幫和梁端頂板冒落互相誘發(fā)，構(gòu)成惡性循環(huán)。

護(hù)幫裝置可以有效防止煤壁片幫，進(jìn)而避免端部頂煤冒落及失控，確保工作面的安全生產(chǎn)［1］。護(hù)幫裝置主要有2種類型，一是簡單鉸接式，二是四連桿式。前者承載能力差;后者挑起力矩大，適應(yīng)性強(qiáng)［2］。

但是，受結(jié)構(gòu)限制，四連桿機(jī)構(gòu)容易損壞。寧夏銀星礦ZY7600/20/43D型液壓支架護(hù)幫經(jīng)常出現(xiàn)焊縫開裂、主筋剪斷等問題，如圖1所示。本文對該型液壓支架的四連桿式護(hù)幫裝置損壞原因進(jìn)行分析。

1 護(hù)幫結(jié)構(gòu)及受力分析

四連桿式護(hù)幫結(jié)構(gòu)及受力如圖2所示。不計(jì)護(hù)幫的自重和摩擦力［4］。

由圖2可以求得連桿力和護(hù)幫板上所受的力。

圖1 護(hù)幫結(jié)構(gòu)損壞實(shí)物照片

對Q點(diǎn)取矩，得到

圖2 護(hù)幫結(jié)構(gòu)及受力示意

式中，δ為千斤頂與長連桿夾角;θ為長連桿與短連桿夾角;α為短連桿與垂直方向的夾角;F1為短連桿受力;F2為長連桿受力;FN為千斤頂作用力;FR為護(hù)幫板所受垂直外力;L為護(hù)幫板與頂梁鉸接點(diǎn)到護(hù)幫板所受垂直外力的距離;L1為護(hù)幫板與頂梁鉸接點(diǎn)到短連桿的距離;Fx為護(hù)幫板與頂梁鉸接點(diǎn)的水平受力;Fy為護(hù)幫板與頂梁鉸接點(diǎn)的垂直受力。

由圖及公式可以看出，鉸接點(diǎn)的位置、護(hù)幫長度、連桿尺寸對護(hù)幫裝置的力學(xué)性能有影響。ZY7600/20/43D型液壓支架護(hù)幫千斤頂?shù)耐屏?58kN，護(hù)幫板挑平時(shí)，δ=38.8°，θ=61.1°，α=17.9°，L=1050mm，L1=142mm。將上述數(shù)值代入式 (3)，得FR=44.34kN。本文采用Inventor建模，將各結(jié)構(gòu)件和焊縫分開建模，然后裝配到一起，三維實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 護(hù)幫結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型

2 護(hù)幫結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 網(wǎng)格劃分

在有限元分析過程中，網(wǎng)格的劃分是非常重要的，其直接影響計(jì)算結(jié)果的正確性和精確程度。ANSYSWorkbench具有比ANSYS更強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，以及更加智能化的虛拓?fù)涔δ埽?］。

本文采用四面體網(wǎng)格劃分方法，最終形成的有限元模型如圖4所示，共有39038個(gè)單元，10539個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 模型網(wǎng)格圖

2.2 邊界條件及加載

護(hù)幫結(jié)構(gòu)件采用Q460鋼板焊接，采用等強(qiáng)匹配焊接，焊接的材料特性與Q460的材料特性一致。護(hù)幫千斤頂進(jìn)回液管路系統(tǒng)設(shè)有雙向鎖，對護(hù)幫千斤頂伸出桿底面施加固定約束;不考慮頂梁的運(yùn)動，對頂梁施加固定約束;護(hù)幫板、頂梁、長連桿、短連桿以及護(hù)幫千斤頂之間是鉸接，添加Revolute Joint約束;在模擬焊透時(shí)，焊縫和結(jié)構(gòu)件之間是相互結(jié)合，在DM模塊下應(yīng)用from new part命令將其整合到一起，在進(jìn)行有限元處理時(shí)，每一部分的連接處為共節(jié)點(diǎn)約束。

參照GB25974.1－2010《煤礦用液壓支架》第一部分:通用技術(shù)條件，對液壓支架的“護(hù)幫集中載荷和扭轉(zhuǎn)”進(jìn)行有限元分析。集中載荷分析時(shí)，在挑起位置時(shí)施加載荷為 44.34×1.3=57.64kN;扭轉(zhuǎn)分析時(shí)，在護(hù)幫板豎直位置時(shí)施加載荷為79.29×1.3=103.08kN。

2.3 仿真結(jié)果

進(jìn)行集中載荷和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)M，對墊塊施加載荷，仿真結(jié)果如圖5，圖6所示。從圖中可以看出，護(hù)幫板的應(yīng)力分布十分不均勻，應(yīng)力集中點(diǎn)都是在主筋的根部，當(dāng)長期使用時(shí)，裂紋往往是從此處出現(xiàn)，這與圖1所示的護(hù)幫板的破壞形式相符。連桿處的最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫與結(jié)構(gòu)件的相交處。集中載荷時(shí)，護(hù)幫板的最大應(yīng)力為263MPa，連桿的最大應(yīng)力為133MPa，所受的最大應(yīng)力都小于材料的破壞應(yīng)力，說明護(hù)幫裝置在此種工況下工作時(shí)不易發(fā)生靜力破壞。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，護(hù)幫板的最大應(yīng)力為596MPa，連桿的最大應(yīng)力為269MPa，在這種工況下，護(hù)幫裝置容易發(fā)生靜力破壞。由于護(hù)幫裝置是焊接結(jié)構(gòu)，如果主筋和護(hù)幫板未焊透，承載能力會大大降低，板料之間就會有間隙和裂紋，更易出現(xiàn)圖1所示的破壞形式。易知，在焊縫焊透的情況下，焊縫與焊縫的交界處應(yīng)該平滑過渡，減小應(yīng)力集中。

圖5 集中載荷與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)護(hù)幫板應(yīng)力云圖

圖6 集中載荷與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)連桿應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本文應(yīng)用Inventor和ANSYS軟件對護(hù)幫四連桿機(jī)構(gòu)在挑起位置時(shí)進(jìn)行受力分析，該方法具有計(jì)算速度快、精度高的特點(diǎn)，利用該方法進(jìn)行護(hù)幫四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，可以提高工作效率和準(zhǔn)確性。

通過模擬分析可知，護(hù)幫板集中載荷時(shí)的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋼板屈服強(qiáng)度，說明該狀態(tài)護(hù)幫板不易發(fā)生靜力破壞。液壓支架在井下工作時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，液壓支架護(hù)幫板也承受著加載、卸載、再加載的循環(huán)載荷作用，同時(shí)，板料完全焊透是一種理想狀態(tài)，當(dāng)焊接工藝和焊接規(guī)范制定不當(dāng)時(shí)，就會出現(xiàn)焊不透的情況，在交變循環(huán)載荷的作用下，尤其是焊縫處就易發(fā)生疲勞破壞，以及產(chǎn)生裂紋，這樣當(dāng)損傷積累和裂紋發(fā)展到一定程度時(shí)，就會出現(xiàn)焊縫開裂、結(jié)構(gòu)斷裂等損壞。針對這些損壞一方面是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，另一方面就是采用高強(qiáng)板和合理的高強(qiáng)板焊接工藝及規(guī)范以提高液壓支架的承載能力。

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