礦用液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的仿真與優(yōu)化

樊瑞敏

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司機(jī)電修造廠， 山西 原平 034114）

引言

掩護(hù)梁作為液壓支架中的關(guān)鍵部件，其具有較好的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)保障液壓支架正常工作具有十分重要。而在掩護(hù)梁實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常因外界環(huán)境惡劣、自身受載荷不均勻而出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形、鉸接處磨損嚴(yán)重及結(jié)構(gòu)斷裂等故障現(xiàn)象，如圖1、圖2所示，嚴(yán)重影響著液壓支架的工作效率和使用安全。提高掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)性能，已成為當(dāng)下煤礦企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]。

圖1 液壓支架掩護(hù)梁報(bào)廢實(shí)物圖

圖2 液壓支架掩護(hù)梁鉸接耳損壞圖

1 液壓支架結(jié)構(gòu)的分析

液壓支架結(jié)構(gòu)主要由頂梁、掩護(hù)梁、四連桿機(jī)構(gòu)、護(hù)幫裝置、底座、千斤頂、推移裝置、操縱閥等部件組成，根據(jù)其使用功能的不同，可將其分為掩護(hù)式液壓支架、支撐式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架等結(jié)構(gòu)。在其工作過(guò)程中，主要以高壓液體作為動(dòng)力源，通過(guò)多種液壓元件、金屬元件及控制系統(tǒng)的共同作用，對(duì)礦井進(jìn)行較好的支撐，并有效防止矸石掉入至采煤區(qū)。同時(shí)，通過(guò)液壓系統(tǒng)，可將輸送機(jī)、采煤機(jī)不斷地向前進(jìn)行推進(jìn)，以更好對(duì)煤層進(jìn)行開采，而在此過(guò)程中，包含了上下升降及前后推移運(yùn)動(dòng)。另外，液壓支架的頂梁通過(guò)與頂板進(jìn)行接觸，承受著來(lái)自頂部煤巖的壓力作用；而底座通過(guò)與地面接觸，將來(lái)自各個(gè)方向的外界作用力傳遞至地面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)液壓支架的總體支撐作用。隨著其技術(shù)的不斷提升，目前，具有更加先進(jìn)的液壓支架系統(tǒng)已在各大煤礦進(jìn)行了推廣和應(yīng)用[3-4]。

2 掩護(hù)梁模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據(jù)掩護(hù)梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題，提高其結(jié)構(gòu)性能，可有效保證液壓支架的正常工作。因此，根據(jù)掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)尺寸，采用Solidworks 軟件，建立了包含頂板、前后鉸接耳、支撐筋板等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的掩護(hù)梁三維模型；同時(shí)，為使仿真結(jié)果與實(shí)際使用情況更加吻合，省略了掩護(hù)梁上的倒角、圓角、圓孔等非關(guān)鍵特征，僅保留了掩護(hù)梁的關(guān)鍵特征。由此，建立了簡(jiǎn)化后的掩護(hù)梁三維模型，如圖3 所示。

圖3 液壓支架掩護(hù)梁三維模型圖

2.2 仿真模型的建立

結(jié)合建立的掩護(hù)梁三維模型，將其導(dǎo)入至ABQUAS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真條件設(shè)置。結(jié)合掩護(hù)梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)材料，將其設(shè)置為Q460 材料，該材料具有強(qiáng)度較大、彈性變形較好等特點(diǎn)，在煤礦設(shè)備中得到了較大程度的應(yīng)用，其材料的主要參數(shù)如下頁(yè)表1所示。同時(shí)，采用了四面體網(wǎng)格類型，對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，其網(wǎng)格劃分圖如圖4 所示。另外，結(jié)合掩護(hù)梁的實(shí)際工作條件，在其關(guān)鍵受力部位進(jìn)行了載荷施加及邊界條件設(shè)置，完成了掩護(hù)梁仿真模型的建立。

表1 Q460 材料主要屬性參數(shù)

圖4 掩護(hù)梁網(wǎng)格劃分圖

3 仿真結(jié)果的分析

3.1 應(yīng)力變化的分析

由圖5 可知，掩護(hù)梁的頂板、鉸接耳處、下部加強(qiáng)筋等部位均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力分布不均勻；其中，掩護(hù)梁的頂板中部的應(yīng)力相對(duì)較大，分別分布在中部的三個(gè)凹槽內(nèi)及邊緣上，但均在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，而在其左右兩邊的應(yīng)力則相對(duì)更低；同時(shí)，掩護(hù)梁的右端鉸接耳處、加強(qiáng)筋板上減輕孔處的應(yīng)力也相對(duì)較大。分析其原因?yàn)檠谧o(hù)梁頂部承受著來(lái)自外界的較大載荷作用，鉸接耳處與銷軸之間存在較大的滾動(dòng)摩擦及相互作用，導(dǎo)致其出現(xiàn)了此現(xiàn)象，此現(xiàn)象與掩護(hù)梁的實(shí)際使用情況基本吻合。因此，需對(duì)其頂板及鉸接耳處進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力轉(zhuǎn)移[5]。

圖5 液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)力變化圖

3.2 應(yīng)變變化的分析

由圖6 可知，掩護(hù)梁的應(yīng)變變化情況與應(yīng)力變化情況基本相同，結(jié)構(gòu)位移呈無(wú)規(guī)則的不均勻的變化趨勢(shì)，且頂板的凹槽處出現(xiàn)了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，并延四周呈逐漸減小趨勢(shì)；而掩護(hù)梁的鉸接耳處、下部加強(qiáng)筋及減輕孔處也出現(xiàn)了一定程度的變形，此現(xiàn)象與掩護(hù)梁使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障位置分布基本吻合。因此，在后期的設(shè)計(jì)使用過(guò)程中，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以較好地保證液壓支架的安全工作。

圖6 液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)變變化圖

4 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

結(jié)合前文的仿真結(jié)果可知，掩護(hù)梁的頂板、鉸接耳、下部加強(qiáng)筋板等部位均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中、應(yīng)變變化等，實(shí)際工作過(guò)程中，極易在這些部位率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、斷裂等故障，嚴(yán)重影響著液壓支架的使用安全。因此，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1）對(duì)掩護(hù)梁的頂板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可減少其凹槽的深度，并增加凹槽邊沿的圓弧尺寸，并在應(yīng)力集中周邊開設(shè)較小直徑的圓孔，可將集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圓孔處；同時(shí)，增加頂板凹槽邊緣的結(jié)構(gòu)厚度[6]，適當(dāng)時(shí)候可對(duì)其進(jìn)行熱處理，以此來(lái)降低頂板的結(jié)構(gòu)變形量。

2）增加鉸接耳處的銷孔直徑，加厚鉸接耳的板厚，同時(shí)，增加下部加強(qiáng)筋板的厚度，并適當(dāng)減小減輕孔的直徑，由此可增加掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少其發(fā)生故障的概率。

3）在后期的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行優(yōu)選，選用強(qiáng)度更大、性能更加穩(wěn)定的材料，有效降低掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)變形程度。

4）掩護(hù)梁使用過(guò)程中，人員需加強(qiáng)對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)情況的檢查，并在銷軸鉸接處添加潤(rùn)滑油，減少因潤(rùn)滑不足、振動(dòng)過(guò)大而導(dǎo)致的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)變形故障，針對(duì)出現(xiàn)較少故障的掩護(hù)梁，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修甚至更換，以減小其故障損壞程度。