礦用液壓支架斜梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

黃 亮

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電呂梁山煤電有限公司，山西 方山 033100）

引言

雖然國(guó)家不斷開(kāi)發(fā)出新的能源，但煤炭當(dāng)前仍是國(guó)家重要的能源。各級(jí)政府及企業(yè)也不斷加大對(duì)煤礦的開(kāi)采力度。采煤機(jī)、液壓支架、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備作為礦井中重要開(kāi)采設(shè)備，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，是提高煤礦開(kāi)采效率及作業(yè)安全性的重要手段。以礦用液壓支架為例，結(jié)構(gòu)中的斜梁則是影響液壓支架支撐性能的重要零件[1]。由于礦井中條件相對(duì)復(fù)雜，具有較大的不確定性，經(jīng)常會(huì)使得液壓支架中的頂梁、底座、斜梁及掩護(hù)梁等部件發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，對(duì)液壓支架及礦井的支護(hù)安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，有針對(duì)性地對(duì)液壓支架中關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究顯得十分必要[2]。為此，重點(diǎn)對(duì)液壓支架中斜梁在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移等方面進(jìn)行了分析，掌握了斜梁的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，提出了斜梁的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對(duì)斜梁的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)具有重要指導(dǎo)意義。

1 液壓支架及斜梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

礦用液壓支架在煤礦中主要起到支撐礦井的作用，保證其結(jié)構(gòu)具有較好的支撐性能、各部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠高是有效保證礦井作業(yè)安全的重要手段。目前，礦井中通用的液壓支架結(jié)構(gòu)主要包括頂梁、掩護(hù)梁、底座、斜梁、前后立柱、銷(xiāo)軸、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等[3]，如圖1 所示，頂梁利用橫筋和縱梁等零件進(jìn)行有效焊接連接，主要對(duì)巷道的頂板進(jìn)行支撐；底座則也采用不同零件進(jìn)行焊接連接。斜梁作為液壓支架中的重要部件，其整體結(jié)構(gòu)采用箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其前端與前連桿進(jìn)行鉸接連接，后端與后連桿進(jìn)行鉸接連接，主要承受來(lái)自液壓支架側(cè)向力和水平力方面的外界載荷作用，是液壓支架中的重要受力部件[4]。但由于液壓支架在使用過(guò)程中，外界載荷力可能超過(guò)所設(shè)計(jì)的設(shè)備承載能力，斜梁無(wú)法有效承受外界作用力，導(dǎo)致斜梁在支撐過(guò)程中極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)彎曲、局部開(kāi)裂等失效現(xiàn)象。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 斜梁模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步掌握斜梁在作用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性能，采用Solidworks 軟件，對(duì)斜梁進(jìn)行了三維模型建立。斜梁由底板、左右加強(qiáng)筋板、前端連接耳、尾部鉸接耳等組成，為保證對(duì)斜梁分析的準(zhǔn)確性及分析精度，在模型建立過(guò)程中，對(duì)斜梁中較小倒角、圓角等進(jìn)行了省略簡(jiǎn)化，并去除了斜梁中非關(guān)鍵的工藝孔，包括吊裝孔、結(jié)構(gòu)小孔、安裝孔、凸臺(tái)等零件，僅保留了斜梁中的關(guān)鍵零件[5]。按照1∶1 的模型比例，完成了液壓支架斜梁的三維模型建立，如圖2 所示。

圖2 斜梁三維圖

2.2 仿真模型建立

結(jié)合所建立的斜梁三維模型，將其保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ANSYS 軟件中，對(duì)斜梁進(jìn)行仿真模型建立。在軟件中，將斜梁的材料設(shè)置為Q345 材料，該材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為345 MPa，抗拉強(qiáng)度為500 MPa，保證斜梁的材料與實(shí)際狀態(tài)基本吻合[6]。根據(jù)斜梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用軟件中的bonded（綁定）功能，將各零件進(jìn)行綁定約束，以模擬斜梁的焊接工藝。采用六面體網(wǎng)格類(lèi)型和自由劃分網(wǎng)格方法，網(wǎng)格大小設(shè)置為30 mm，對(duì)斜梁進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，斜梁的前后連接孔處進(jìn)行了網(wǎng)格加密。根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)斜梁的前后鉸接孔進(jìn)行了固定約束，施加重力載荷，完成了斜梁的仿真模型建立。液壓支架仿真模型如圖3 所示。

圖3 液壓支架仿真模型

3 斜梁結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

結(jié)合仿真結(jié)果，將液壓支架的其他部件進(jìn)行隱藏，提取了斜梁及前后連桿一體的應(yīng)力變化規(guī)律圖，如圖4 所示。由圖4 可知，斜梁整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，斜梁的前端連接孔處應(yīng)力相對(duì)較大，斜梁的中部底端、及與前后連桿連接的鉸接孔處應(yīng)力值次之，沿著斜梁的后端方向，應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)，在斜梁背部的應(yīng)力值最小，由此可判定斜梁的前端連接孔處為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，極容易導(dǎo)致斜梁出現(xiàn)失效現(xiàn)象。分析其原因?yàn)椋盒绷涸谑艿酵饨巛d荷作用時(shí)，首先通過(guò)前端鉸接孔將外界作用力傳遞至前連桿和后連桿處，在力的傳遞過(guò)程中，斜梁背部受力相對(duì)較小。因此，在斜梁的實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，需有針對(duì)性地對(duì)斜梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖4 斜梁應(yīng)力變化

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

根據(jù)仿真結(jié)果，得到了斜梁的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5 所示。由圖5 可知，斜梁整體結(jié)構(gòu)的位移發(fā)生了分布不均勻現(xiàn)象，最大變形位移發(fā)生在斜梁的前端連接孔的一側(cè)，沿著斜梁的另一側(cè)及尾部方向，變形位移呈逐漸減小趨勢(shì)。在斜梁的中部及尾部鉸接孔處位移變形量則相對(duì)較小，此變化趨勢(shì)與斜梁的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本保持一致。同時(shí)，斜梁的非工作面?zhèn)鹊淖冃挝灰票裙ぷ髅鎮(zhèn)任灰葡鄬?duì)較大。由此可說(shuō)明，斜梁的前端鉸接孔處為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，且非工作面?zhèn)雀菀装l(fā)生結(jié)構(gòu)變形。因此，需重點(diǎn)對(duì)斜梁的這些區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖5 斜梁位移變化

4 斜梁的優(yōu)化改進(jìn)措施

根據(jù)前文的分析結(jié)果可知，斜梁在使用過(guò)程中，其前端的鉸接孔為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，中部及尾端的鉸接孔相對(duì)較強(qiáng)。為更好地保證斜梁的結(jié)構(gòu)性能，提出了斜梁的優(yōu)化改進(jìn)措施，具體如下：

1）在生產(chǎn)時(shí)，對(duì)斜梁前端的鉸接孔進(jìn)行倒圓角工藝處理，減少一側(cè)的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形；

2）將斜梁的材料改為屈服強(qiáng)度更高的材料，如Q460，提高其材料的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度；

3）在斜梁機(jī)加工完成后，對(duì)斜梁鉸接孔處進(jìn)行加熱、調(diào)質(zhì)的熱處理，保證這些區(qū)域具有更高的強(qiáng)度、剛度及耐磨性；

4）在保證斜梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基礎(chǔ)上，對(duì)斜梁的工作面進(jìn)行結(jié)構(gòu)減薄，非工作面?zhèn)冗M(jìn)行結(jié)構(gòu)加厚，保證斜梁具有更好的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；

5）加強(qiáng)對(duì)液壓支架及斜梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)、檢查，針對(duì)斜梁出現(xiàn)的變形或開(kāi)裂問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)加固處理；

6）施工過(guò)程中應(yīng)盡量使液壓支架具有更好的外界載荷作用，保證斜梁及其他結(jié)構(gòu)具有更加穩(wěn)定均勻的受力狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用當(dāng)前成熟、可靠的有限元分析手段來(lái)對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，成為當(dāng)前保證煤礦設(shè)備正常運(yùn)行的重要手段。為此，在分析液壓支架及斜梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過(guò)建立斜梁的仿真模型，開(kāi)展了斜梁在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移變化規(guī)律研究，得出斜梁的前端鉸接孔為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，由此從材料、結(jié)構(gòu)、熱處理工藝、施工條件等方面提出了保證斜梁安全作業(yè)的措施。此研究對(duì)提高斜梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保障液壓支架安全作業(yè)具有重要意義。