礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化研究

呂 超

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦， 山西 大同 037001）

引言

頂梁作為礦用液壓支架中承受載荷的主要部件，是液壓支架的重要組成部分，其安全性和可靠性尤為重要[1]。由于頂梁是在較惡劣的環(huán)境下工作，受力情況較復(fù)雜，因此對頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很高的要求，在工作過程中，一旦頂梁受到損壞，將會引發(fā)嚴(yán)重的事故，給相關(guān)設(shè)備和人員造成危險，因此，有必要研究液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)

液壓支架是井下重要的支撐設(shè)備，主要包括頂梁、插柱、尾梁、掩護(hù)梁、立柱、底座、插槽等結(jié)構(gòu)，其組成如圖1 所示[2]。高強(qiáng)度的液壓支架可以提高井下支撐要求。液壓支架在工作過程中，通過操作立柱上的操縱閥，向單向閥中灌入高壓液壓油，當(dāng)液壓油的位置到達(dá)立柱上腔時，此時單向閥開啟，推動液壓支架頂梁升起；當(dāng)立柱下降時，液壓支架也會整體下降。液壓支架的前進(jìn)和推移是通過操縱千斤頂來實現(xiàn)，在各部件的相互配合下，使頂梁充分發(fā)揮其支撐作用，確保液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到要求，給井下安全作業(yè)提供保障。

圖1 礦用液壓支架組成

2 液壓支架有限元仿真模型

2.1 三維幾何建模

由于頂梁的結(jié)構(gòu)本身較復(fù)雜，對頂梁進(jìn)行三維幾何建模時，在模型導(dǎo)入過程中會丟失數(shù)據(jù)，而且增加仿真計算量，耗費大量的時間。因此，為了提高仿真效率，首先對模型進(jìn)行簡化，省略倒角和焊縫，以及對靜力學(xué)影響較小的小孔，將頂梁簡化成一個整體，提高網(wǎng)格劃分的效果。

2.2 有限元仿真模型

將簡化后的頂梁模型導(dǎo)入有限元軟件中，建立結(jié)構(gòu)性能仿真模型[3]。首先設(shè)置仿真模型的材料為Q690，材料的主要性能見表1。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，網(wǎng)格大小為30 mm。為了使模型的仿真精度更高，對部分關(guān)鍵部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。仿真模型包含134 565 個網(wǎng)格，對支架底座進(jìn)行完全約束，其他部件進(jìn)行固定約束。

表1 Q690 材料的主要性能

2.3 結(jié)構(gòu)性能分析

對頂梁加載條件工況下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，在頂梁上加一根壓條，施加65 MPa 壓力，分析其結(jié)構(gòu)性能。通過仿真分析，得到加載條件工況下應(yīng)力變化情況，如下頁圖2 所示。

圖2 頂梁加載條件下示意圖

通過仿真可以看出，在頂梁和壓塊接觸的部位，出現(xiàn)大面積的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)745.79 MPa，應(yīng)力向四周逐漸減小，而支架的底座、立柱和掩護(hù)梁等部位的應(yīng)力值相對較小。在頂梁前端，結(jié)構(gòu)變形較嚴(yán)重，最大位移為19.28 mm，沿頂梁后端，結(jié)構(gòu)變形逐漸變小。在頂梁受力過程中，頂梁很容易出現(xiàn)疲勞失效甚至頂梁開裂的現(xiàn)象，最終會影響液壓支架的支撐效果。

對頂梁承受扭矩工況下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，在頂梁的左端施加一個局部壓塊，右端施加一個條形壓塊，使頂梁出現(xiàn)扭矩，受力示意圖如圖3 所示。通過仿真分析，得到承受扭矩工況下應(yīng)力變化情況和結(jié)構(gòu)位移變化情況。

圖3 頂梁承受扭矩下示意圖

通過仿真可以看出，頂梁中部、頂梁與掩護(hù)梁連接處、底座中部等區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力分布，且變化沒有規(guī)律。在頂梁承受扭矩工況下，由于對底座進(jìn)行完全約束，導(dǎo)致最大應(yīng)力在底座上，應(yīng)力值約為781 MPa，超過了材料的屈服強(qiáng)度。在頂梁中部，結(jié)構(gòu)變形較嚴(yán)重，最大位移為8.97 mm，立柱與頂梁的連接處也出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形。在頂梁承受扭矩工況下，頂梁的中部和底座會出現(xiàn)不同程度的疲勞斷裂和明顯的結(jié)構(gòu)變形，影響液壓支架的安全構(gòu)成。

3 效果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，頂梁在加載條件工況下和承受扭矩工況下都有不同程度的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形，長期使用會發(fā)生疲勞失效，影響液壓支架的支撐安全。因此，對頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保頂梁在實際工況下所受的最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度[4]，根據(jù)實際情況，對前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強(qiáng)筋的厚度進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)仿真分析，在頂梁前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強(qiáng)筋的位置處，出現(xiàn)最大應(yīng)力集中，通過改變其厚度，來提高頂梁的整體強(qiáng)度，保證頂梁在工作過程中的穩(wěn)定性。具體改進(jìn)措施為：在原有的基礎(chǔ)上焊接Q690 鋼板，將頂梁前側(cè)板的設(shè)計厚度從15 mm 增加到30 mm；柱窩兩側(cè)加強(qiáng)筋的厚度從25 mm 增加到30 mm，同時，在連接處增加圓角和倒角特征，減少頂梁上的應(yīng)力集中，對仿真模型重新進(jìn)行仿真，觀察頂梁的最大應(yīng)力值。

3.2 效果驗證

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行有限元仿真分析，得到頂梁應(yīng)力變化圖和結(jié)構(gòu)位移圖如圖4、圖5 所示，從圖中可以看出，改進(jìn)后的頂梁，應(yīng)力狀態(tài)得以改善，頂梁的最大應(yīng)力值為599 MPa，低于頂梁材料的屈服強(qiáng)度，最大位移值為12.9 mm，可見，經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后，頂梁的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)位移得以改善，效果比較明顯，提高了頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低了維修成本，使液壓支架工作的可靠性和安全性有所保障。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后頂梁應(yīng)力變化圖

圖5 優(yōu)化改進(jìn)后頂梁結(jié)構(gòu)位移圖

4 結(jié)論

1）分析頂梁加載條件工況下和承受扭矩工況下的頂梁結(jié)構(gòu)性能，在頂梁受力過程中，容易出現(xiàn)頂梁結(jié)構(gòu)疲勞斷裂和變形，影響液壓支架的安全構(gòu)成。

2）采用增加前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強(qiáng)筋厚度的方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果表明：優(yōu)化改進(jìn)后，頂梁應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)位移得以改善，效果較明顯，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高，降低了維修成本，提高了液壓支架工作的可靠性和安全性。