基于有限元法的液壓支架掩護(hù)梁靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉 卿

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 沁水 048214）

引言

綜采工作面中液壓支架是一種非常重要的機(jī)械裝備，作用是對(duì)煤礦巷道的頂板進(jìn)行支撐，為井下工作人員提供可靠的操作空間，同時(shí)可以為其他采掘運(yùn)輸設(shè)備提供動(dòng)力[1]。由此可見(jiàn)，液壓支架的安全可靠運(yùn)行對(duì)于煤礦開(kāi)采而言非常重要，直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)[2]。這對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度提出了非常高的要求，掩護(hù)梁是液壓支架中非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，工作中需要承受很大的作用力[3]?；诖耍斜匾獙?duì)液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，為液壓支架運(yùn)行的可靠性和安全性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

本文主要利用ABAQUS 有限元軟件對(duì)液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)工程實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)取得了較好的效果。

1 礦用液壓支架整體結(jié)構(gòu)概述

本文以ZY6400/21/45 型液壓支架為例進(jìn)行分析，該型號(hào)液壓支架屬于兩柱掩護(hù)式支架，支架的高度和寬度分別可以根據(jù)實(shí)際需要在2.1～4.5 m、1.42～1.59 m 范圍內(nèi)變化，中心距為1.5 m，工作阻力和初撐力分別為6400 kN、5000 kN，支護(hù)強(qiáng)度和底板比壓分別在0.98～1.03 MPa、0.5～1.9 MPa 范圍內(nèi)變化[5]。如圖1 所示為ZY6400/21/45 型液壓支架的整體結(jié)構(gòu)示意圖，就機(jī)械結(jié)構(gòu)層面而言，液壓支架主要由頂梁、掩護(hù)梁、立柱、底板等部分構(gòu)成，這些機(jī)械機(jī)構(gòu)在液壓支架工作時(shí)都需要承受非常大的作用力。圖1 已經(jīng)明確給出掩護(hù)梁在液壓支架中的具體位置，巷道頂板作用在頂梁上的作用力，需要通過(guò)掩護(hù)梁和立柱等結(jié)構(gòu)傳到底座中。由此可見(jiàn)，掩護(hù)梁在液壓支架工作時(shí)需要承受較大的作用力，對(duì)其機(jī)械性能提出了較高的要求。

圖1 ZY6400/21/45 型液壓支架整體結(jié)構(gòu)

2 基于有限元法的掩護(hù)梁靜力學(xué)分析

2.1 幾何模型的建立

根據(jù)所述型號(hào)液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，利用SOLIDWORKS 軟件建立三維幾何模型。在建立幾何模型時(shí)考慮到孔洞、倒角、倒圓等一些局部細(xì)小結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)計(jì)算過(guò)程造成不利影響，但對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎沒(méi)有影響[6]，所以在建立模型時(shí)將這些細(xì)小結(jié)構(gòu)作忽略處理。建立好模型后導(dǎo)出IGS 通用格式，以便后續(xù)導(dǎo)入ABAQUS 軟件中建立有限元模型。

2.2 有限元模型的建立

將建立好的幾何模型導(dǎo)入ABAQUS 軟件中。首先設(shè)置材料屬性，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)通過(guò)Q460 材料加工制作，該材料的彈性模量和泊松比分別為210 GPa、0.3，密度大小為7.85×103kg/m3，屈服強(qiáng)度為460 MPa，將以上物理參數(shù)輸入有限元模型中，以便得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。然后需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，ABAQUS軟件提供了多種形式的網(wǎng)格單元，本研究中選用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分形式，最終劃分得到的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為13542、15949，既可以確保計(jì)算速度，又可以保障計(jì)算結(jié)果的精度。考慮到掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)耳座與液壓支架中的其他機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，所以在有限元模型中將相關(guān)的約束條件和載荷全部施加在耳座部位。另外，為了更好地反映液壓支架在惡劣工作條件下掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的受力情況，施加的載荷為偏載荷，載荷大小為7680 kN。

2.3 掩護(hù)梁的靜力學(xué)結(jié)果分析

建立有限元模型后，可以調(diào)取軟件的計(jì)算分析模塊對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，完成計(jì)算后可以提取相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。如圖2 所示為液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)工作時(shí)的應(yīng)力分布云圖，需要說(shuō)明的是，設(shè)置的工況條件為偏心載荷。從圖2 中可以看出，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)不同部位的受力情況非常不均勻，很多部位的應(yīng)力分布幾乎為零，而局部位置卻出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了451 MPa。出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位主要分布在位于中間位置的千斤頂耳座附近。與該部位距離越遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值越小。

圖2 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

基于靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值達(dá)到了451 MPa，該結(jié)構(gòu)是利用Q460 材料加工制作而成，材料的屈服強(qiáng)度為460 MPa。結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值幾乎達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)工作時(shí)面臨非常惡劣的受力情況，時(shí)間長(zhǎng)久后，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位必然會(huì)發(fā)生機(jī)械損傷，最終出現(xiàn)機(jī)械故障問(wèn)題，導(dǎo)致液壓支架無(wú)法正常工作，甚至威脅煤礦開(kāi)采安全?；诖?，有必要對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以改善結(jié)構(gòu)的受力情況，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)及其應(yīng)用

3.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

由以上分析可以看出，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)千斤頂耳座附近存在較大的安全隱患，這與實(shí)際情況較吻合。為了對(duì)應(yīng)力集中部位的受力情況進(jìn)行優(yōu)化改善，共設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案，如圖3 所示。其中，方案一是在兩個(gè)豎向筋板中間接近腹板的部位增加一塊鋼板；方案二是在與頂梁相接觸的箱體內(nèi)部對(duì)稱地設(shè)置兩塊斜向筋板；方案三為以上兩種方案的組合。使用的鋼板厚度全部為20 mm。根據(jù)以上優(yōu)化改進(jìn)方案，分別再次利用SOLIDWORKS 和ABAQUS 軟件建立對(duì)應(yīng)的有限元模型，所有模型除了以上改進(jìn)之處外，其他所有結(jié)構(gòu)、載荷均與之前的模型相同。

圖3 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)方案

3.2 結(jié)果分析

完成三種方案對(duì)應(yīng)有限元模型的計(jì)算分析工作后，可以提取相關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種方案條件下掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)整體受力情況仍然分布不均勻，分布規(guī)律與優(yōu)化前相比差異不大，應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然出現(xiàn)在千斤頂耳座周?chē)?。但是通過(guò)增加鋼板的形式，均能夠在一定程度上降低千斤頂耳座周?chē)膽?yīng)力集中現(xiàn)象。其中，方案一、方案二和方案三對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中最大值分別為412MPa、435MPa和398MPa，與優(yōu)化改進(jìn)前相比，最大力值分別降低了8.65%、3.55%和11.75%，如圖4 所示為三種方案的優(yōu)化效果對(duì)比圖。綜上所述，第三種方案的優(yōu)化改進(jìn)效果最為明顯，因此在實(shí)踐中可以根據(jù)此方案對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造，以提升其整體的力學(xué)性能。

圖4 三種優(yōu)化方案的效果對(duì)比

3.3 掩護(hù)梁優(yōu)化后的應(yīng)用效果

基于以上研究成果，對(duì)ZY6400/21/45 型液壓支架的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造，完成改造后對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行連續(xù)3 個(gè)月的跟蹤檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整個(gè)檢測(cè)期間液壓支架整體運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。通過(guò)與優(yōu)化改進(jìn)前的情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)液壓支架整體的故障率有了一定程度的降低，特別是掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的故障率有了明顯改善，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)和維修成本。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，提升了液壓支架運(yùn)行過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性，為煤礦的安全生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)，安全效果顯著。

4 結(jié)論

1）基于靜力學(xué)分析結(jié)果可知，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到了451 MPa，幾乎接近材料的屈服強(qiáng)度。

2）結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了三種優(yōu)化改進(jìn)方案并再次進(jìn)行有限元分析，最終選擇第三種方案。優(yōu)化改進(jìn)后，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力降低到了398 MPa，降低幅度達(dá)到了11.95%。

3）將優(yōu)化后的方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了較好的效果，顯著提升了液壓支架運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。