煤礦井下放頂煤液壓支架柱窩區(qū)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與仿真研究

劉利彥

（山西省晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦,山西 大同 037003）

引言

液壓支架是煤礦井下支護(hù)的核心，其工作的穩(wěn)定性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性，由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是當(dāng)在出現(xiàn)礦壓波動時，液壓支架將承受極大的沖擊載荷，導(dǎo)致液壓支架的柱窩區(qū)損壞、支架壓死，嚴(yán)重時將導(dǎo)致柱窩區(qū)的頂板被壓穿，給井下的綜采作業(yè)帶來了嚴(yán)重的隱患。為了防止柱窩區(qū)出現(xiàn)損壞，主要采用增加柱窩區(qū)厚度、加強(qiáng)頂梁柱帽的方式，雖然在一定程度上提升了柱窩區(qū)的使用壽命，但也極大地增加了液壓支架的整體重量，影響了支架在使用過程中的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。本文以Hertz 接觸模型為基礎(chǔ)，對支架柱窩區(qū)在礦壓波動下的受力和載荷分布情況進(jìn)行研究，針對性地提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和一次鍛造成型的方案。

1 柱窩區(qū)受力分析

液壓支架的柱窩和柱帽在接觸位置為球面接觸結(jié)構(gòu)，在受力后可歸結(jié)為彈性體的接觸，因此可采用Hertz 接觸模型對其受力時的狀態(tài)進(jìn)行分析，液壓支架柱窩和柱帽的接觸模型受力如圖1 所示。

由圖1 可知，當(dāng)支架立柱的柱窩區(qū)和柱帽接觸時，會受到從立柱上傳來的支撐載荷P的作用，使二者在接觸位置產(chǎn)生局部的彈性變形，該彈性變形區(qū)域的半徑r 要遠(yuǎn)小于柱窩區(qū)和柱帽的半徑R1、R2[1-2]。柱窩區(qū)接觸半徑r 公式為：

圖1 柱窩區(qū)接觸受力模型

由于球面接觸在受力變形區(qū)具有對稱的特性，因此可計(jì)算出在接觸變形區(qū)域內(nèi)的最大接觸力q0，其計(jì)算公式為：

式中：μ1為柱帽材料的泊松比，取0.1；μ2為柱帽材料的泊松比，取0.3；E1為柱帽材料的彈性模量，取210 GPa；E2為柱帽材料的彈性模量，取210 GPa。

由于在接觸過程中的最大接觸應(yīng)力是發(fā)生在接觸面的中心位置，因此根據(jù)力的分解理論，在接觸位置的最大剪切應(yīng)力公式為：

由此可獲得液壓支架立柱在不同受力作用下柱窩區(qū)的最大應(yīng)力變化情況如圖2 所示。

圖2 不同受力情況下柱窩區(qū)最大應(yīng)力變化示意圖

由實(shí)際分析結(jié)果可知，隨著液壓支架立柱受力的增加，在立柱柱窩區(qū)的受力會呈非線性的增大，且增大幅度隨著接觸應(yīng)力的增加而逐漸的下降。作用在柱窩區(qū)的最大接觸應(yīng)力和立柱上的壓力呈現(xiàn)了1/3 次方的關(guān)系[3-4]。

同時根據(jù)分析結(jié)果可知，在相同情況下柱窩處的受力是小于柱帽處的受力，因此可以適當(dāng)對柱帽位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)并適當(dāng)降低柱窩處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)在平衡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下提升柱窩區(qū)的使用安全性。

2 柱窩區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于柱帽和柱窩的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此一般采用鑄造成型的工藝，雖然該工藝流程相對簡單但鑄造件的質(zhì)量穩(wěn)定性差、機(jī)械性能布置、內(nèi)部氣孔、裂紋較多，限制了鑄件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的進(jìn)一步提升。因此，本文提出了采用鍛造加工工藝，通過鍛造來改善在加工過程中的內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時為了提升鍛造加工的效率，對柱帽和柱窩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了同步的優(yōu)化，在其下側(cè)采用了箱型結(jié)構(gòu)，在兩旁進(jìn)行了加強(qiáng)筋加固，從而進(jìn)一步提升了柱窩和柱帽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化后的柱窩和柱帽結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的柱窩、柱帽結(jié)構(gòu)示意圖

3 優(yōu)化后仿真分析

利用ANSYS 仿真分析軟件對優(yōu)化后的液壓支架柱窩區(qū)受力情況進(jìn)行分析，假設(shè)此時作用在液壓支柱上的壓力為1 000 kN，此時作用在柱帽上的接觸應(yīng)力為155.4 MPa，比優(yōu)化前的192 MPa 降低了約19.1%。作用在柱窩位置的接觸應(yīng)力約為216.6 MPa，比優(yōu)化前的281 MPa 降低了約22.9%，接觸應(yīng)力降低顯著。同時由于采用了鍛造+結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，使柱窩區(qū)的力學(xué)性能比優(yōu)化前提升了約9.7%，頂梁柱帽的重量比優(yōu)化前降低了約31.5%，底座柱窩的結(jié)構(gòu)重量比優(yōu)化前降低了約23.6%，不僅有效地降低了支架的整體重量，而且也極大地提升了支架工作的穩(wěn)定性和使用壽命，仿真分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 柱窩區(qū)受力仿真分析示意圖

4 結(jié)論

1）隨著液壓支架立柱受力的增加，在立柱柱窩區(qū)的受力會呈非線性的增大，且增大幅度隨著接觸應(yīng)力的增加而逐漸的下降；

2）在相同情況下柱窩處的受力是小于柱帽處的受力，因此可以適當(dāng)對柱帽位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)并適當(dāng)降低柱窩處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）采用了鍛造+結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案，使柱窩區(qū)的力學(xué)性能比優(yōu)化前提升了約9.7%，頂梁柱帽的重量比優(yōu)化前降低了約11.5%，底座柱窩的結(jié)構(gòu)重量比優(yōu)化前降低了約13.6%；

4）優(yōu)化后作用在柱帽上的接觸應(yīng)力比優(yōu)化前降低了約19.1%。作用在柱窩位置的接觸應(yīng)力比優(yōu)化前降低了約22.9%。