礦用液壓支架立柱結(jié)構(gòu)特性分析

侯麗嫚

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西大同 037000）

0 引言

隨著國家對(duì)煤礦資源需求的增長，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到了煤礦開采中。液壓支架作為井下重要的支撐設(shè)備，保證其具有較高的支撐性能，已成為當(dāng)下保證井下作業(yè)安全的重要考慮方向。立柱作為液壓支架中的重要部件，由于液壓支架頂梁承受著不同大小的載荷作用，導(dǎo)致立柱在長期支撐過程經(jīng)常出現(xiàn)變形嚴(yán)重、部件開裂等故障現(xiàn)象，對(duì)液壓支架的安全作業(yè)造成了重要威脅。因此，有必要對(duì)立柱開展結(jié)構(gòu)性能的分析研究[1-4]。

通過開展立柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，選用ZF3700型液壓支架中的立柱為研究對(duì)象，應(yīng)用Solidworks及ABQUS軟件，建立了立柱的三維模型及仿真模型，從立柱的應(yīng)力變化、位移變化等方面，開展了立柱的有限元仿真分析研究，結(jié)果表明，立柱的底部及其頂部為薄弱部位，在使用過程中極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、開裂等故障現(xiàn)象，由此，對(duì)立柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。該研究對(duì)提高立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要作用[5-6]。

1 液壓支架立柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

目前，市場(chǎng)上的液壓支架類型包括支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架等類型，根據(jù)液壓支架的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可適應(yīng)用于不同的井下工況環(huán)境。但其結(jié)構(gòu)組成基本相同，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、操縱閥等部件組件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，立柱是液壓支架中的重要組成部件，主要由立柱缸、立柱桿等組成，一端與液壓支架頂梁中的柱窩連接，另一端與底座中的柱窩連接，通過立柱的伸縮，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架不同高度和角度的支撐作用；同時(shí)，能將作用在頂梁上的載荷力傳遞至底座上，通過底座與地面的接觸，將載荷力傳遞至大地中，實(shí)現(xiàn)液壓支架的總體支撐作用。立柱由于采用了液壓驅(qū)動(dòng)，整體具有較高的支撐性能和效果，能滿足井下不同環(huán)境的支撐需求。另外，立柱具有結(jié)構(gòu)簡單，加工成本較低，角度調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)。但在使用過程中，對(duì)其結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較高要求，降低其在使用過程中的故障率，提高其整體的結(jié)構(gòu)性能，是當(dāng)下保證液壓支架具有較好支撐效果的重要前提。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

2立柱模型建立

結(jié)合立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及作業(yè)環(huán)境，掌握其使用過程中的受力變化規(guī)律，提高其結(jié)構(gòu)性能，對(duì)提高液壓支架的支撐具有重要作用[7-8]。因此，對(duì)立柱進(jìn)行了三維模型及仿真模型的建立。

2.1 立柱三維模型建立

結(jié)合前文分析可知，立柱的結(jié)構(gòu)主要由立柱缸、立柱桿及內(nèi)部的液壓油等部分組成。因此，選用了ZF3700型液壓支架中的立柱作為研究對(duì)象，其中，立柱缸的缸徑尺寸為160 mm，其他尺寸與之相匹配，采用Solidworks軟件，對(duì)立柱進(jìn)行了三維模型建立。為使立柱的仿真精度與實(shí)際使用情況更加符合，提高仿真的精度，對(duì)立柱中螺紋孔、過渡圓角、倒角等特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了其關(guān)鍵部件和特征，由此，建立了簡化后的立柱三維模型，如圖2所示。

2.2 立柱仿真模型建立

結(jié)合建立的立柱三維模型，將其導(dǎo)入至ABQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。由于ZF3700型液壓支架中立柱的材料基本為Q235，因此，在軟件中對(duì)立柱的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行Q235材料設(shè)計(jì)，其中，該材料的密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為206 GPa。同時(shí)，對(duì)立柱進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選用了四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為6 mm。根據(jù)《液壓支架通用技術(shù)條件》規(guī)定，該類型的立柱是符合規(guī)范要求的。通過查閱資料，該類型的液壓支架工作阻力為3 600 kN，因此，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，可在立柱上施加1.5倍工作阻力的載荷力，施加的載荷力為5 400 kN。因此，通過對(duì)立柱進(jìn)行外部加載，對(duì)立柱兩端球面進(jìn)行ALL DOF全約束，立柱缸與立柱桿之間添加面面接觸，由此，完成了立柱的仿真模型建立。

圖2 液壓支架立柱三維模型圖

3 立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

結(jié)合建立的立柱仿真模型，對(duì)立柱在1.5倍工作阻力的外界載荷作用下，從應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化方面，開展了有限元仿真分析研究。

3.1 立柱應(yīng)力變化分析

通過立柱有限元仿真，得到了立柱的應(yīng)力變化圖，如圖3所示。由圖可知，立柱的整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，立柱缸底端的上表面的應(yīng)力集中相對(duì)最大，并向上呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，而立柱缸的下表面應(yīng)力則相對(duì)較低，而在立柱桿與立柱缸接觸部位也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，由此可知，立柱的底部結(jié)構(gòu)存在一定的結(jié)構(gòu)薄弱現(xiàn)象，雖在設(shè)計(jì)過程中滿足了立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，但在立柱長期作業(yè)過程中，加上外界更大載荷作用下，極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的疲勞失效現(xiàn)象，影響著立柱及液壓支架的使用安全。因此，需對(duì)立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，而提高立柱的材料屬性和結(jié)構(gòu)尺寸成為加強(qiáng)立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要措施。

圖3 液壓支架立柱應(yīng)力變化圖

圖4 液壓支架立柱的位移變化圖

3.2 立柱位移變化分析

通過立柱有限元仿真，得到了立柱的位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，立柱整體結(jié)構(gòu)位移出現(xiàn)了不均勻的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在立柱的頂部球頭及立柱桿上出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形，并沿立柱下端呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，而在立柱缸上的結(jié)構(gòu)變形量則相對(duì)較小，在立柱缸的底部幾乎未發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。分析其原因?yàn)椋毫⒅捻敳壳蝾^與頂梁進(jìn)行連接，承受了來自頂梁的較大載荷作用，導(dǎo)致了該部位發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形。由此可知，該型號(hào)的立柱在長時(shí)間的作業(yè)過程中，由于來自頂梁方面的作用力實(shí)時(shí)在發(fā)生變化，極可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的較大變形、結(jié)構(gòu)斷裂等故障現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)立柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高材料的強(qiáng)度和剛度，可大大提高立柱及液壓支架的結(jié)構(gòu)性能。

4 立柱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)立柱進(jìn)行的仿真分析可知，立柱的底部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，而在其頂部出現(xiàn)了較明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在其長期使用過程中，極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)：

（1）增加立柱缸與立柱桿的結(jié)構(gòu)厚度，厚度值可增加2 mm，同時(shí)，在立柱底部應(yīng)力集中附近開設(shè)3個(gè)孔徑為2 mm的小孔，可有效將集中的應(yīng)力分散至小孔處，減輕該部分的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

（2）增加立柱桿的桿徑2 mm，同時(shí)，立柱在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，對(duì)兩端的球頭進(jìn)行淬火及調(diào)質(zhì)處理，以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

（3）對(duì)立柱結(jié)構(gòu)選用材料性能更優(yōu)的材料，如Q345、45號(hào)鋼等材料；

（4）立柱在使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其結(jié)構(gòu)使用情況進(jìn)行檢查，若發(fā)生立柱桿上的嚴(yán)重磨損、較大結(jié)構(gòu)變形、開裂等故障現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)立柱進(jìn)行設(shè)備維修及更換，同時(shí)，在立柱缸與立柱桿之間定時(shí)添加潤滑油，減小兩部件的摩擦損害。

5 結(jié)束語

立柱作為液壓支架中的重要支撐設(shè)備，保證其具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度至關(guān)重要。因此，分析了立柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以ZF3700型液壓支架中的立柱為研究對(duì)象，通過建立立柱的三維模型及仿真模型，從立柱的應(yīng)力變化、位移變化等方面，開展了立柱的有限元仿真分析研究，結(jié)果表明，立柱的底部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，而在其頂部出現(xiàn)了較明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在使用過程中極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、開裂等故障現(xiàn)象。以此為基礎(chǔ)，對(duì)立柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。該研究對(duì)提高立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要作用，也對(duì)提高液壓支架的支撐性能和作業(yè)安全具有重要意義。