不同加載條件下液壓支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝圣賀

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037001）

引言

隨著國家綜合國力的不斷提升，對(duì)煤礦的需求量也呈逐漸增長趨勢(shì)。各類煤礦設(shè)備被廣泛應(yīng)用到煤礦開采中，而礦用液壓支架作為井下重要的支撐設(shè)備，保證其結(jié)構(gòu)具有較高的支撐性能，成為當(dāng)下提高煤礦產(chǎn)量及井下作業(yè)安全的重點(diǎn)[1]。液壓支架在使用中，經(jīng)常因長期處于超負(fù)荷支撐狀態(tài)，加上長時(shí)間的支撐，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或疲勞失效現(xiàn)象[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)煤礦中，有將近一半的液壓支架出現(xiàn)了局部區(qū)域變形及開裂現(xiàn)象，液壓支架一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂，將對(duì)井下的安全構(gòu)成重要威脅[3]。因此，對(duì)礦用液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成

礦用液壓支架是煤礦井下重要的支撐設(shè)備，根據(jù)其支撐作用的不同，可將其分為支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式等結(jié)構(gòu)類型，但所有類型的液壓支架的結(jié)構(gòu)基本都由頂梁、掩護(hù)梁、尾梁、立柱、底座、插槽、千斤頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的液壓支架，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境的支撐需求[4]。液壓支架的工作過程包括：上升、下降、前進(jìn)、移動(dòng)等過程，首先通過立柱上操縱閥將高壓液壓油灌入至單向閥中，使頂梁快速升起；當(dāng)液壓油進(jìn)入立柱的上腔時(shí)，可使單向閥處于開啟狀態(tài)，立柱的下降，實(shí)現(xiàn)液壓支架的整體下降；而液壓支架的前進(jìn)和推移則主要通過千斤頂來完成。液壓支架中各部件的相互配合，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂梁的支撐作用[5]。保證液壓支架在使用過程中具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及支撐效果，對(duì)保障井下的作業(yè)安全至關(guān)重要。

2 液壓支架模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據(jù)市場(chǎng)上常用的ZY12000 型礦用液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)尺寸[6]，采用Solidworks 軟件，建立了包含液壓支架上頂梁、掩護(hù)梁、立柱組件、尾梁、底座等關(guān)鍵部件，而對(duì)其內(nèi)部的螺釘、螺母、焊縫、較小圓角、小孔等特征進(jìn)行了省略，并在不考慮液壓油推動(dòng)作用基礎(chǔ)上，完成了礦用液壓支架的整體模型建立，為開展整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能研究提供有利支撐，液壓支架三維模型如圖2 所示。

圖1 礦用液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖2 礦用液壓支架三維模型圖

2.2 仿真模型的建立

結(jié)合建立的液壓支架三維模型，將其導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能仿真模型建立。在該軟件中，首先將液壓支架整體模型的材料統(tǒng)一設(shè)置為Q345 材料，材料的主要性能參數(shù)參數(shù)如下頁表1 所示。在模型的網(wǎng)格劃分中，網(wǎng)格類型設(shè)置成了四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置為30 mm，其網(wǎng)格劃分圖如下頁圖3 所示；為提高整個(gè)模型的仿真精度，對(duì)模型的中的關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量為134 565 個(gè)。另外，由于下文將重點(diǎn)對(duì)頂梁不同加載條件下的情況進(jìn)行分析，故將底座進(jìn)行了完全約束，其他連接部位也為固定約束。由此，建立了礦用液壓支架的仿真模型。

主洞洞口坡積體段固結(jié)灌漿管棚施工方法和支洞質(zhì)點(diǎn)速度控制技術(shù)，解決了該項(xiàng)目幾年來懸而未決的問題，大大加快工程的進(jìn)度，降低工程成本，在保證質(zhì)量和安全的前提下，通過對(duì)施工方法的研究，實(shí)現(xiàn)了沖砂系統(tǒng)的順利開挖。

表1 Q345 材料主要性能參數(shù)

圖3 液壓支架網(wǎng)格劃分圖

3 不同加載條件下的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 頂梁加載條件工況下

通過仿真分析，得到了液壓支架在頂梁加載工況下的應(yīng)力變化及結(jié)構(gòu)位移變化情況。如圖5 和圖6 所示。由圖5 可知，液壓支架頂梁與壓塊之間的接觸部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力達(dá)到了545.79 MPa，超過的材料的并延接觸四周呈逐漸減小的變化趨勢(shì)；液壓支架的底座、立柱、掩護(hù)梁等結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力集中程度相對(duì)較小。由圖6 可知，液壓支架頂梁的前端出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形，其最大變形位移為19.283 mm，并延頂梁的后端呈逐漸減小趨勢(shì)，而掩護(hù)梁、底座、立柱等部件的結(jié)構(gòu)變形位移相對(duì)較小。由此可知，液壓支架頂梁上的受力部位在使用過程中，將極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞失效現(xiàn)象，最終出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，而頂梁前端的結(jié)構(gòu)變形也將對(duì)液壓支架的支撐效果造成重要影響。

結(jié)合前文仿真結(jié)果，得出在頂梁加載及承受扭矩工況條件下，液壓支架頂梁的不同位置均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在其長期使用過程中，更容易率先發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象，對(duì)液壓支架的支撐安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，在現(xiàn)有液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體包括：

1）由于頂梁在受力過程中，應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形主要集中在頂梁的中部，故在頂梁中間添加了若干橫向支撐筋板，而對(duì)頂梁上其他非關(guān)鍵部位進(jìn)行了簡化，僅保留了頂梁上關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)特征，以此來提高頂梁結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及支撐剛度，如圖10 所示；

圖4 頂梁加載工況示意圖

結(jié)合前文建立的液壓支架仿真模型，首先對(duì)其在頂梁加載狀況下情況的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析。頂梁加載工況主要是在頂梁上端設(shè)置了一根壓條，并在壓條上施加65 MPa 的壓力，其受力示意圖如圖4所示。在此工況下，開展了頂梁加載工況下的結(jié)構(gòu)性能研究。

3.2 頂梁承受扭矩工況下

ADRB2、GLCCI1、FCER2基因檢測(cè)在2例難治性哮喘患兒個(gè)體化用藥中的實(shí)踐 ………………………… 任丹陽等（5）：659

圖5 頂梁加載下的液壓支架應(yīng)力變化圖

圖6 頂梁加載下的液壓支架位移變化圖

圖7 頂梁承受扭矩示意圖

3）在頂梁上應(yīng)力集中較大的部位開設(shè)了直徑為3 mm 的小孔，可有效將集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，避免或減小了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生；

4 液壓支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

學(xué)科教材是課堂教學(xué)的主要依據(jù)與參照點(diǎn)，當(dāng)前新教材的投放使用呼吁教學(xué)手段的變化與革新?；诤诵乃仞B(yǎng)對(duì)學(xué)生發(fā)展的要求，小學(xué)語文識(shí)字教學(xué)還應(yīng)從以下方面進(jìn)行相應(yīng)變革以適應(yīng)教學(xué)改革新方向。

結(jié)合仿真模型，對(duì)頂梁承受扭矩工況條件進(jìn)行了分析研究，主要是在頂梁的左端安裝局部壓塊，右端安裝條形壓塊，使頂梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭矩現(xiàn)象，其工況示意圖如圖7 所示。

第一，企業(yè)可建立互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)督網(wǎng)。財(cái)務(wù)共享中心的應(yīng)用，為企業(yè)減少分公司的財(cái)務(wù)部門帶來了可能，但是技術(shù)是刻板的、不靈活的，因?yàn)閮?yōu)質(zhì)的系統(tǒng)也無法提供自己獨(dú)立的觀點(diǎn)，無法建立人際關(guān)系，無法提供激勵(lì)、識(shí)別問題和隨機(jī)應(yīng)變等。這些問題就需要企業(yè)管理者為共享中心的財(cái)務(wù)人員提供互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)督的工作環(huán)境，以便保持財(cái)務(wù)人員對(duì)于各分部稅收風(fēng)險(xiǎn)的敏感性，使財(cái)務(wù)人員實(shí)時(shí)跟進(jìn)，對(duì)于個(gè)別問題及時(shí)和稅務(wù)人員進(jìn)行溝通。

圖8 頂梁承受扭矩下的應(yīng)力云圖

圖9 頂梁承受扭矩下的結(jié)構(gòu)位移圖

2）對(duì)頂梁中部上原有的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壁厚加強(qiáng)，并在筋板連接處增加了圓角、倒角特征，以此來減小頂梁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

通過分析，得到了液壓支架在頂梁承受扭矩工況下的應(yīng)力變化及結(jié)構(gòu)位移變化圖，如下頁圖8 和圖9 所示。由圖可知，液壓支架頂梁中部、頂梁與掩護(hù)梁鉸接、底座中部等區(qū)域均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力分布現(xiàn)象，且整體呈現(xiàn)無規(guī)律的變化趨勢(shì)。而在此種工況中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座上，這是由于分析時(shí)底座采用了完全約束而導(dǎo)致的，但最大應(yīng)力部位相對(duì)較小，大部分區(qū)域的應(yīng)力值均在412 MPa 以內(nèi)，超過了材料的屈服強(qiáng)度；由圖可知，液壓支架頂梁中部也出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形，最大位移達(dá)到了8.9669 mm，且立柱與頂梁連接處的結(jié)構(gòu)變形位移也相對(duì)較大。由此可知，在頂梁承受扭矩工況下，液壓支架的頂梁中部、底座將率先發(fā)生結(jié)構(gòu)的疲勞失效及開裂現(xiàn)象，頂梁中部及立柱頂部也將發(fā)生較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，這將對(duì)液壓支架的支撐效果及作用安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4）將頂梁結(jié)構(gòu)的材料改為45 號(hào)鋼材，并對(duì)頂梁上主要的受力件進(jìn)行淬火的熱處理，以此來提高頂梁的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

5）加大對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)的巡檢及檢查，當(dāng)其出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或失效現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)快速完成對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)的修護(hù)及保養(yǎng)。

圖10 優(yōu)化后頂梁結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

1）對(duì)液壓支架在頂梁加載及受扭矩工況下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，頂梁在兩種工況下均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，是液壓支架結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生失效的結(jié)構(gòu)件。

8月2日訊記者今日從山西省交通廳新聞中心獲悉，目前長治到臨汾高速公路已進(jìn)入最后沖刺階段，預(yù)計(jì)10月份將全線通車。

2）根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)性能研究結(jié)果，對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，這對(duì)提升液壓支架的支撐性能及作業(yè)安全具有重要意義，也為后期進(jìn)一步開展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要參考。