液壓支架推移桿推桿尾斷裂問題的技改方案及有限元分析

劉玉亮 李攀攀

摘 要：本文針對(duì)某礦支架整體推移桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種加強(qiáng)方案，通過基于ANYSYS的有限元分析，得出原始結(jié)構(gòu)及兩種技改方案各自的受力分析圖，研究更優(yōu)的解決方案。

關(guān)鍵詞：液壓支架;長(zhǎng)推桿;推桿尾;有限元;焊縫撕裂

中圖分類號(hào)：TD355.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0067-03

Abstract： In this paper， two strengthening schemes were designed for the overall moving rod structure of a mine support， through the finite element analysis based on ANYSYS， the respective force analysis diagrams of the the original structure and two technical transformation schemes were obtained， and the better solution was studied.

Keywords： hydraulic support;long push rod;push rod tail;finite element;weld tearing

某礦ZY12000/25.5/55D液壓支架推移桿使用過程中發(fā)生批量性推桿尾焊縫撕裂的情況，推桿尾甚至直接從推移桿上脫落?；诖耍狙芯吭O(shè)計(jì)了兩種改良方案，模擬了4種工況，對(duì)該推移桿原始結(jié)構(gòu)及兩種改良結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 推桿技改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 推移桿原結(jié)構(gòu)

推桿主材質(zhì)為Q890，其采用整體式長(zhǎng)推桿箱結(jié)構(gòu)形式，箱型中部有一豎肋，推桿尾為弧形面結(jié)構(gòu)，連接銷軸孔傾斜一定角度，尾部推桿尾為鑄造件，材質(zhì)為ASTM A148 115-95;推桿長(zhǎng)度為3 702 mm，最高處為415 mm，最寬處為280 mm;使用中出現(xiàn)的推桿尾斷裂情況多數(shù)為圖1中焊縫Ⅰ（推桿尾與蓋板焊縫）及焊縫Ⅱ（推桿尾與底板焊縫）開裂導(dǎo)致的[1-2]。原始推移桿結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

1.2 技改方案A

技改方案A涉及三方面內(nèi)容，一是增加推桿尾尾部加強(qiáng)板，二是增加兩側(cè)立筋加強(qiáng)板，三是增加蓋板加強(qiáng)板[3-4]，如圖3所示。

1.2.1 增加推桿尾尾部加強(qiáng)板。其與推桿尾尾部倒角重合，規(guī)格為Q550δ20，焊縫為一周16 mm角焊縫。人們要對(duì)圖1中的焊縫Ⅰ進(jìn)行保護(hù)及加強(qiáng)。

1.2.2 增加兩側(cè)立筋加強(qiáng)板。在兩側(cè)立筋外側(cè)各加1件加強(qiáng)板，規(guī)格為Q890δ10，焊縫為一周10 mm角焊縫。

1.2.3 增加蓋板加強(qiáng)板。在推桿尾與立筋焊縫位置增加一塊加強(qiáng)板，規(guī)格為Q890δ10，焊縫為一周10 mm角焊縫，對(duì)圖1中的焊縫Ⅱ進(jìn)行保護(hù)及加強(qiáng)。

總的來說，通過在焊縫薄弱位置及應(yīng)力集中位置增加幾處加強(qiáng)板，對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)，改善焊縫受力情況。

1.3 技改方案B

技改方案B涉及六方面內(nèi)容，下面逐一進(jìn)行分析。

1.3.1 立筋取消折彎段，改為長(zhǎng)直板。原有的立筋為折彎板，前端平直，推桿尾端向內(nèi)側(cè)折彎10 mm。技改后，其改為長(zhǎng)直板。

1.3.2 推桿尾加寬，與兩側(cè)立筋貼合。原有的推桿尾寬度為130 mm，加寬為150 mm。為保證整體限位尺寸不變，兩側(cè)限位的擋板寬度各減小10 mm。

1.3.3 加長(zhǎng)推桿尾前端尺寸。推桿尾前端加長(zhǎng)100 mm，高度為100 mm。此位置與小蓋板進(jìn)行焊接。

1.3.4 中筋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)調(diào)整。中筋前端增加一處斜臺(tái)，用以與蓋板的搭接。

1.3.5 內(nèi)部增加一塊小蓋板。原蓋板的下方增加一處方板，一周開45°坡口，分別與筋板、立筋、推桿尾加長(zhǎng)段進(jìn)行焊接[5]，如圖4所示。

1.3.6 改變立筋與蓋板焊縫結(jié)構(gòu)。后部角焊縫技改為雙側(cè)60°坡口焊，如圖5所示。

總的來說，對(duì)推桿尾自身強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)蓋板與立筋焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行技改，增加推桿內(nèi)部蓋板，以分擔(dān)推桿尾焊縫受力。

1.4 方案對(duì)比

方案A優(yōu)點(diǎn)是方便實(shí)施，可以在原有基礎(chǔ)上直接進(jìn)行技改，缺點(diǎn)是未充分改善受力狀況;方案B優(yōu)點(diǎn)是加強(qiáng)位置較多，整體強(qiáng)度提升，缺點(diǎn)是無法利用舊件進(jìn)行改造，只能加工新件。

2 有限元分析

2.1 工況選擇

按照《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術(shù)條件》（GB 25974.1—2010）要求，對(duì)推桿進(jìn)行垂直加載，然后施加約束。如圖6所示，對(duì)推桿施加外部荷載及1.5倍抬底千斤頂推力，并施加約束。

2.2 原結(jié)構(gòu)有限元分析

按照2.1所述，在圖6狀態(tài)下，對(duì)原結(jié)構(gòu)推桿施加1.5倍抬底千斤頂推力的荷載，得出應(yīng)力云圖，如圖7、圖8所示。

研究表明，根據(jù)有限元分析結(jié)果，原結(jié)構(gòu)推桿母材所受最大有效應(yīng)力約為820 MPa，焊縫區(qū)域所受最大有效應(yīng)力約為760 MPa。

2.3 方案A分析結(jié)果

按照2.1所述，在圖6狀態(tài)下，對(duì)方案A推桿施加1.5倍抬底千斤頂推力的荷載，得出應(yīng)力云圖，如圖9、圖10和圖11所示。

研究表明，根據(jù)有限元分析結(jié)果，方案A推桿母材所受最大有效應(yīng)力約為815 MPa，焊縫區(qū)域所受最大有效應(yīng)力約為690 MPa。

2.4 方案B分析結(jié)果

按照2.1所述，在圖6狀態(tài)下，對(duì)方案B推桿施加1.5倍抬底千斤頂推力的載荷，得出應(yīng)力云圖，如圖12、圖13和圖14所示。

研究表明，根據(jù)有限元分析結(jié)果，方案A推桿母材所受最大有效應(yīng)力約為725 MPa，焊縫區(qū)域所受最大有效應(yīng)力約為400 MPa。

3 結(jié)果評(píng)價(jià)

分析結(jié)果顯示，優(yōu)化方案B在結(jié)構(gòu)整體剛度及連接頭與箱體截面過渡方面優(yōu)于原方案及優(yōu)化方案A。在原方案中，從實(shí)心截面到箱體截面的過渡劇烈，剛度不匹配，截面突變部位會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，優(yōu)化方案A改善效果不明顯，建議基于優(yōu)化方案B完善結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)截面剛度合理過渡。

建議加大推桿尾上R30圓弧，并加大圓弧到焊縫的距離。根據(jù)損壞情況，選擇上面的有限元分析工況，同時(shí)按《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術(shù)條件》（GB 25974.1—2010）中21C工況進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)推桿強(qiáng)度在理論計(jì)算中的安全系數(shù)不高，因此在允許的情況下把頂板和底板板厚由25 mm增加到30 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)推移桿兩種技改方案的有限元分析，得出各工況及各結(jié)構(gòu)下推桿尾位置的應(yīng)力云圖及變形云圖，根據(jù)應(yīng)力情況判斷各方案優(yōu)劣，并根據(jù)各自應(yīng)力變化情況判斷繼續(xù)優(yōu)化的方向，從而得出最優(yōu)方案。

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