關于礦用液壓支架立柱在使用中的結(jié)構強度研究

常先紅

（山煤集團霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

近年來，越來越多的煤礦開采設備被廣泛應用到了煤礦開采中，礦用液壓支架則是該些設備中的關鍵設備。有效保證礦用液壓支架在支撐作業(yè)過程中具有更高的支撐性能，成為保證井下作業(yè)安全的關鍵，而立柱作為液壓支架中的重要部件，保證其作業(yè)中不出現(xiàn)結(jié)構失效故障，是當下保證液壓支架具有較好支撐效果的重要前提[1-3]。由此，結(jié)合ZY6400型礦用液壓支架中立柱的結(jié)構特點，通過建立立柱的結(jié)構強度分析模型，開展了其結(jié)構強度的分析研究，并有針對性地提出了幾點提高其結(jié)構性能的改進措施。

1 ZY6400 型礦用液壓支架結(jié)構組成分析

目前，市場上的礦用液壓支架結(jié)構類型相對較多，煤礦企業(yè)會根據(jù)井下的不同工況，選擇不同支撐高度及阻力的液壓支架。為有針對性地分析液壓支架中結(jié)構件的結(jié)構強度，選用了Y6400 型礦用液壓支架為研究對象。該類型液壓支架結(jié)構主要由頂梁、立柱、掩護梁、底座、四連桿機構、液壓系統(tǒng)等部位組成，采用了兩柱掩護式支架形式，支架寬度范圍為1.4～1.6 m，支撐高度可達4.5 m，能承受7 000 kN 的外部壓力，其結(jié)構示意圖如圖1 所示。其中，立柱是該液壓支架中的重要部件，其結(jié)構主要包括頂缸、中缸、底缸等，通過頂缸的柱頭與頂梁進行連接，通過底缸的柱窩與底座進行連接，其結(jié)構示意圖如圖2所示。在立柱使用中，可將來自頂梁的外部壓力傳遞至底座上，并由底座傳遞至地面，實現(xiàn)對井下的有效支撐，而整個支撐過程，則主要通過立柱內(nèi)部的液壓系統(tǒng)進行驅(qū)動，以此實現(xiàn)立柱不同高度的調(diào)整支撐，整體具有較好的操作靈活性及支撐效果。但由于井下環(huán)境相對惡劣，加上液壓支架經(jīng)常會受較大的外部載荷沖擊作用，導致立柱結(jié)構經(jīng)常處于長時間的、超負荷狀態(tài)作業(yè)，極易出現(xiàn)結(jié)構彎曲變形、結(jié)構開裂等故障現(xiàn)象，這對液壓支架的支撐效果及井下作業(yè)安全構成了嚴重威脅。掌握立柱使用過程中的結(jié)構強度性能，并提高立柱的結(jié)構強度，成為當前企業(yè)重點研究的方向[4-6]。

圖1 Y6400 型礦用液壓支架結(jié)構示意圖

圖2 立柱結(jié)構示意圖

2 立柱強度分析模型建立

2.1 立柱三維模型建立

根據(jù)液壓支架的結(jié)構組成特點，以ZY6400 型礦用液壓支架為分析對象，重點對其結(jié)構中的立柱進行了結(jié)構強度分析。首先，采用了SOLIDWORKS 軟件，對液壓支架及立柱進行了三維模型建立。在建模過程中，根據(jù)模型簡化通用原則，省去了模型中對整體結(jié)構應力分布、受力情況無影響的較小圓角、倒角、圓孔等結(jié)構特征；此外，由于液壓支架中的結(jié)構主要通過各類鋼材進行焊接而成，故在建模時對焊縫進行了簡化，以提高對立柱的強度分析結(jié)果精度。由此，完成了基于ZY6400 型礦用液壓支架中立柱的三維模型，如下頁圖3 所示。

2.2 立柱仿真模型建立

圖3 液壓支架中立柱三維模型圖

將建好的立柱轉(zhuǎn)為為stp 格式后，導入至ABQUS 軟件中，對其進行仿真模型的建立。由于立柱在使用中主要采用的是45 號鋼材料，故在該軟件中，將立柱材料設置為了45 號鋼材，其材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。在立柱分析中，由于立柱頂缸、中缸和底缸在液壓油作用下實現(xiàn)相對運動，故在立柱內(nèi)部進行了移動約束，對立柱底部和頂部進行了固定約束。通過查閱該產(chǎn)品的結(jié)構參數(shù)，在立柱頂部施加了沿立柱方向的1.2 倍工作壓力的外界載荷，即8 000 kN。另外，采用了六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設置為了10 mm，總網(wǎng)格單元數(shù)量達到了90 萬個。利用ABQUS 軟件中自帶的FFEPlus 求解器，開展了立柱的結(jié)構強度分析研究。

表1 立柱45 號鋼材料主要性能參數(shù)

3 立柱強度結(jié)果分析

結(jié)合建立的立柱結(jié)構強度分析模型，得到了立柱的結(jié)構應力分布圖，如圖4 所示。分析可得：立柱在使用過程中，立柱整體結(jié)構出現(xiàn)的不穩(wěn)定的彎曲屈服狀態(tài)主要集中在立柱頂缸端；且立柱結(jié)構上的應力分布也不均勻，在頂缸柱頭處出現(xiàn)了較大應力集中現(xiàn)象，應力由頂缸柱頭處向中缸方向呈逐漸減少趨勢；立柱的中缸及底缸上的應力值則相對較低。分析其原因為立柱頂缸的柱頭處靠近外部施加的載荷部位，導致了立柱柱頭出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象。由此可說明，立柱在整個使用過程中，其頂缸的柱頭是整個結(jié)構的薄弱部位，存在一定的強度安全隱患。加上立柱使用中由于經(jīng)常會受到外部更大的沖擊載荷作用及長時間的疲勞支撐作用，導致其結(jié)構更容易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，對井下支撐安全構成嚴重威脅。因此，有必要對立柱的結(jié)構進行優(yōu)化改進設計。

4 立柱結(jié)構優(yōu)化改進措施

結(jié)合前文分析結(jié)果可知，立柱的頂缸柱頭部位為整個結(jié)構的薄弱部位，在立柱實際支撐過程中，極容易先發(fā)生結(jié)構彎曲、開裂、斷裂等疲勞失效現(xiàn)象。由此，對立柱結(jié)構提出幾點優(yōu)化改進措施，具體如下：

1）針對立柱柱窩部位，在結(jié)構設計生產(chǎn)時，可對其進行調(diào)質(zhì)熱處理，以此提高該局部區(qū)域的結(jié)構強度；

圖4 立柱應力變化分布圖

2）在立柱選型設計中，可選用結(jié)構尺寸更大的底缸、中缸、頂缸結(jié)構件，并保證頂缸的壁厚在現(xiàn)有基礎上增加2～3 mm 左右；

3）在頂缸柱頭應力集中附近，開設2 個直徑為2 mm 的小圓孔，可有效將柱頭附近集中的應力轉(zhuǎn)移至小圓孔處，以此減小柱頭附近的應力集中現(xiàn)象；

4）在產(chǎn)品成本控制允許情況下，立柱可選用結(jié)構強度更好的Q460 鋼材，以此從源頭來提高立柱的結(jié)構強度；

5）立柱使用中，加強對其結(jié)構接觸部位的潤滑作用及結(jié)構本體的定期保養(yǎng)，針對出現(xiàn)局部彎曲變形、開裂等現(xiàn)象時，應及時進行部件的維修、更換，保證液壓支架的支撐安全。

5 結(jié)論

不斷提高礦用液壓支架的整體結(jié)構強度，已成為當前保障井下正常作業(yè)及作業(yè)安全性的重要方向之一。由此，以ZY6400 型礦用液壓支架中立柱為重點研究對象，通過建立立柱的三維模型及仿真模型，開展了立柱的結(jié)構強度分析研究。結(jié)果顯示，立柱的頂缸柱頭存在較大的應力集中現(xiàn)象，且立柱整體呈現(xiàn)一定程度的彎曲變形，是整個立柱中的薄弱部位，提高立柱頂缸的結(jié)構強度成為優(yōu)化立柱結(jié)構性能的關鍵。由此，對整個液壓支架及立柱提出改進建議，對提高液壓支架的結(jié)構強度及保障井下作業(yè)安全起到非常顯著的保障作用。