基于Workbench的放頂煤液壓支架底座的強(qiáng)度分析

常青

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 五陽煤礦， 山西 長治 046205)

0 引言

隨著國家對(duì)煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到煤礦開采中。放頂煤液壓支架作為煤礦開采中的重要新型支撐設(shè)備，保證其結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)性能，已成為當(dāng)前企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題[1]。底座作為放頂煤液壓支架中的關(guān)鍵部件，由于其使用環(huán)境相對(duì)惡劣，受載工況相對(duì)較多，極容易導(dǎo)致底座在使用中經(jīng)常因受載不均勻或超載而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)開裂等失效現(xiàn)象，底座一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，將對(duì)放頂煤液壓支架的支撐效果產(chǎn)生重要影響[2]。因此，開展底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析極為重要。在分析放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用Workbench軟件，開展了底座的結(jié)構(gòu)性能研究及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，這對(duì)提高底座及液壓支架的支撐效果具有重要作用。

1 放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

放頂煤液壓支架是在傳統(tǒng)礦用液壓支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后的新型液壓支架設(shè)備，與傳統(tǒng)液壓支架的不同，放頂煤液壓支架主要由頂梁、底座、護(hù)幫板、伸縮梁、尾梁、插板、千斤頂、立柱等結(jié)構(gòu)組成[3]，而無四連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。放頂煤液壓支架與傳統(tǒng)液壓支架相比，具體明顯優(yōu)勢(shì)：(1)初始支撐力相對(duì)較高，可有效解決工作面的片幫、冒頂嚴(yán)重問題；(2)頂梁結(jié)構(gòu)尺寸較長，通風(fēng)面積較大，有利于排出井下瓦斯；(3)液壓支架的周期步距較短，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力[4]。由此，可知新型液壓支架的結(jié)構(gòu)安全性更好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。底座作為放頂煤液壓支架中重要部件，其作用主要是將來自頂梁處的壓力通過立柱傳遞至底座部位，是保證支架穩(wěn)定性的關(guān)鍵，可為推移裝置、立柱等部件提供安裝空間，底座結(jié)構(gòu)主要由六條橫筋、六條主筋相互交錯(cuò)布置，在其結(jié)構(gòu)前端也設(shè)置了過橋箱，由此保證了底座具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。保證底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性，對(duì)保證液壓支架的結(jié)構(gòu)安全性及支撐效率具有重要作用。

1-二級(jí)護(hù)幫板；2-一級(jí)護(hù)幫板；3-伸縮梁；4-前梁； 5-頂梁；6-尾梁；7-插板千斤頂；8-插板；9-尾梁千斤頂； 10-底座；11-立柱。圖1 放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 底座模型建立

2.1 底座三維模型建立

結(jié)合ZFS2650-14型放頂煤液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其底座結(jié)構(gòu)為整體剛性連接，主要通過鋼板焊接呈箱型結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好、性能穩(wěn)定可靠、抗壓性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。因此，采用Solidworks軟件，對(duì)底座進(jìn)行了三維模型建立。在建模過程中，對(duì)底座模型中的倒角、圓角等特征進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化，以提高后期模型劃分網(wǎng)格的質(zhì)量；同時(shí)，由于該底座主要采用焊接方式進(jìn)行連接，故建模時(shí)可忽略焊縫對(duì)底座整體結(jié)構(gòu)的影響，將底座考慮呈一個(gè)整體結(jié)構(gòu)；另外，對(duì)底座上的較小螺釘孔、圓孔等特征也進(jìn)行特征簡化，僅保留了底座上的關(guān)鍵特征，由此，建立了底座的三維模型圖，如圖2所示。

2.2 仿真模型建立

結(jié)合建立的底座三維模型，將其導(dǎo)入至Work-bench軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。由于底座在實(shí)際使用時(shí)，主要采用的是Q235鋼等材料，故在軟件中，將底座的材料設(shè)置為了Q235鋼材料，以此來保證底座的仿真模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)材料相同。為更加真實(shí)的反映底座的實(shí)際受力承載情況，采用了對(duì)液壓支架整體建模的方式，對(duì)液壓支架整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在最終結(jié)果分析時(shí)再直接提取底座結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。在網(wǎng)格劃分時(shí)，采用了軟件中的自動(dòng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置在10 mm～20 mm范圍內(nèi)，最終的網(wǎng)格單元數(shù)量為134 558個(gè)，液壓支架的網(wǎng)格劃分圖如圖所示。鑒于液壓支架實(shí)際使用時(shí)的受力工況相對(duì)較多，故此次仿真的加載方式采用了頂梁單側(cè)偏載與底座兩端集中載荷的方式進(jìn)行底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。結(jié)合工程實(shí)際，液壓支架中立柱對(duì)頂梁及底座的水平和垂直方向受力分別為1 700 kN和1 850 kN。另外，對(duì)底座底部進(jìn)行了固定約束，其他鉸接部位采用了旋轉(zhuǎn)約束方式。由此，完成了液壓支架仿真模型建立，如圖3所示。

圖2 底座三維模型

圖3 液壓支架整體網(wǎng)格劃分

3 底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析

結(jié)合建立的液壓支架仿真模型，對(duì)其整體中底座部件應(yīng)力變化的仿真結(jié)果進(jìn)行提取，得到如圖所示的底座應(yīng)力變化圖，由圖4可知，底座整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，呈中間應(yīng)力大、兩端應(yīng)力分布少的分布規(guī)律，其最大應(yīng)力達(dá)到了276.84 MPa，出現(xiàn)在底座中部的兩側(cè)邊緣位置，超過了底座Q235材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，而底座中部的中間部位應(yīng)力則相對(duì)較小，其應(yīng)力值大部分集中在184 MPa，在底座的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。分析其原因?yàn)榈鬃鶅啥顺使潭顟B(tài)，而中央承受著來自立柱的較大彎矩載荷作用，導(dǎo)致底座結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了中間應(yīng)力較大、兩端應(yīng)力較小的變化趨勢(shì)。由此可知，底座的中部位置為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部分，在使用中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)的疲勞失效現(xiàn)象。

圖4 底座應(yīng)力變化

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

與前文的底座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析相同，提取了底座的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5所示。由圖5可知，底座整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大幅度的結(jié)構(gòu)位移變化現(xiàn)象，且結(jié)構(gòu)位移變化呈無規(guī)律狀態(tài)。底座上的最大位移出現(xiàn)在底座中部位置，變形量達(dá)到了3.43 mm左右，并向底座的兩端呈逐漸減小的位移變化趨勢(shì)。此變化趨勢(shì)與底座的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。分析底座發(fā)生此變化現(xiàn)象的主要原因是底座在中部受到來自立柱的較大作用力，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)中部承受的撓度最大。由此可同樣得出，底座的中部為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中最容易發(fā)生較大程度的結(jié)構(gòu)變形，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，需對(duì)此部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 底座結(jié)構(gòu)位移變化

4 底座結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合以上分析，得出了放頂煤液壓支架底座的中部是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、開裂等疲勞失效現(xiàn)象。由此，根據(jù)底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)措施，包括如下幾點(diǎn)：

1) 在底座中部內(nèi)部增加焊接左右對(duì)稱的2個(gè)加強(qiáng)筋，厚度為4 mm，長度由內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行確定。

2) 在底座中部的上表面鉸接耳連接處焊接斜支撐件，可有效將鉸接耳處集中的應(yīng)力及較大結(jié)構(gòu)位移轉(zhuǎn)移至斜支撐上。

3) 在底座中部應(yīng)力集中附近開設(shè)孔徑為2 mm的小孔，可有效將集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移，解決底座上的應(yīng)力集中及較大的結(jié)構(gòu)變形。

4) 將底座的材料改為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的Q345材料，可保證底座在使用中的最大應(yīng)力值控制在其材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。

5) 定期對(duì)底座的結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行檢查，針對(duì)出現(xiàn)異常變形時(shí)，需對(duì)底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的維修，以此保證底座的使用安全。

為進(jìn)一步驗(yàn)證前文底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的效果，改進(jìn)后的液壓支架底座進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，使用結(jié)果表明，改進(jìn)后的底座整體結(jié)構(gòu)變形量明顯減小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用安全性得到顯著提升。這對(duì)增強(qiáng)底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及液壓支架的作業(yè)安全性具有重要作用。由此，驗(yàn)證了該底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

5 結(jié)論

保證放頂煤液壓支架中底座結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全性，對(duì)保證液壓支架的支撐效果具有重要作用。由此，本文以ZFS2650-14型放頂煤液壓支架為分析對(duì)象，通過建立底座的仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)性能分析，得出底座的中部結(jié)構(gòu)為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞失效現(xiàn)象，由此，有針對(duì)性的提出了底座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。實(shí)踐表明，改進(jìn)后的底座結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)性能得到明顯改善，結(jié)構(gòu)安全性得到顯著提升，更好的保證了放頂煤液壓支架的支撐效果。這對(duì)提高放頂煤液壓支架的作業(yè)安全性具有重要作用。