不同工況下礦用液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能研究

劉 鑫

（華陽集團(tuán)一礦， 山西 陽泉 045008）

引言

礦用液壓支架作為煤礦生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，其所處環(huán)境條件通常較為惡劣，極易引發(fā)液壓支架零部件損壞的情況，進(jìn)而對煤礦生產(chǎn)進(jìn)度造成影響。據(jù)此，本文將以礦用液壓支架為研究對象，通過有限元分析的方式確定現(xiàn)有礦用液壓支架設(shè)計(jì)中存在的問題，進(jìn)而提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，旨在為后續(xù)礦用液壓支架設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論參考。

1 礦用液壓支架的構(gòu)成及分類

1.1 礦用液壓支架的構(gòu)成

現(xiàn)階段，礦用液壓支架作為煤礦綜合機(jī)械化采煤工藝中必備設(shè)備之一，其主要發(fā)揮著支撐頂板、保護(hù)人員、設(shè)備安全等作用，在當(dāng)前煤礦綜采中得到廣泛應(yīng)用。通常情況下，礦用液壓支架的構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 礦用液壓支架的構(gòu)成

1.2 礦用液壓支架的分類

當(dāng)前市面上礦用液壓支架的種類相對較多，一般情況下可根據(jù)液壓支架與圍巖之間的相互作用方式細(xì)分為支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架以及支撐掩護(hù)式液壓支架三大類。

1）支撐式液壓支架。此種支架的頂梁長度最長，并且實(shí)際支撐力較大，可在頂梁和立柱之間形成一個(gè)較大的安全空間，多用于底板較為完整且硬度較高的工作區(qū)域[1-2]。

2）掩護(hù)式液壓支架。此種支架含有掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)，可防止采空區(qū)冒落矸石進(jìn)入支架內(nèi)部安全空間，多用于頂板圍巖不穩(wěn)定或者比較松軟的底板區(qū)域。

3）支撐掩護(hù)式液壓支架。此種支架集成支撐式液壓支架和掩護(hù)式液壓支架的特點(diǎn)，多用于穩(wěn)定性不足、壓力變化較大的頂板區(qū)域。

2 液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能模型構(gòu)建

2.1 液壓支架受載工況分析

由于煤礦井下工作條件相對復(fù)雜，為保障有限元分析的有效性，研究中將會(huì)結(jié)合當(dāng)前我國礦用液壓支架試驗(yàn)測試最新標(biāo)準(zhǔn)，選擇以下4 種工況條件作為有限元分析對象，以此來測試不同工況條件下礦用液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能。

1）頂梁承受偏心載荷、底座承受兩端載荷；

2）頂梁承受偏心載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷；

3）頂梁承受兩端載荷、底座承受兩端載荷；

4）頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷。

2.2 有限元模型構(gòu)建

本研究中將會(huì)以ZY4000 掩護(hù)式液壓支架為例，采用ANSYS 軟件進(jìn)行模型分析。具體模型構(gòu)建中，液壓支架的主要結(jié)構(gòu)材料將會(huì)選用Q690，其他材料則會(huì)選用Q460，其他參數(shù)則會(huì)根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理設(shè)置。由于礦用液壓支架整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其有限元分析將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)加載速度變慢，加大模型分析硬件性能需求。因此，為解決此問題還需要進(jìn)行單元類型選擇和網(wǎng)格劃分。具體研究中將會(huì)選用SOLID45單元類型，并將網(wǎng)格尺寸確定為50 mm，在保障模型分析精準(zhǔn)性的同時(shí)，降低分析中性能需求，最終所獲取到的有限元模型如下頁圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分后礦用液壓支架有限元模型

3 不同工況下液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能

3.1 頂梁承受偏心載荷、底座承受兩端載荷

頂梁承受偏心載荷、底座承受兩端載荷工況下，礦用液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能如下頁圖3 所示。

圖3 頂梁承受偏心載荷、底座承受兩端載荷下頂梁結(jié)構(gòu)性能

由圖3-1 可知，在不考慮墊塊的情況下，礦用液壓支架頂梁整體應(yīng)力分布較為均勻，但存在局部應(yīng)力集中點(diǎn)，此點(diǎn)的最大應(yīng)力值為853.90 MPa，此種應(yīng)力分布將會(huì)導(dǎo)致礦用液壓支架頂梁出現(xiàn)局部損壞的情況。由圖3-2 可知，頂梁的位移方向主要為Y 軸方向，并且頂梁的最大位移值為18.812 mm，此位移情況會(huì)隨著頂梁橫向方向逐步減弱，直至達(dá)到左側(cè)最小位移值0.268 73 mm。

3.2 頂梁承受偏心載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷

頂梁承受偏心載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷工況下，礦用液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能如圖4 所示。

由圖4-1 可知，在不考慮墊塊的情況下，礦用液壓支架頂梁整體應(yīng)力分布主要集中在頂梁兩側(cè)護(hù)板以及窩柱兩側(cè)筋板等位置，最大應(yīng)力值為1 109.91 MPa，此種應(yīng)力值已經(jīng)超過Q690 材料的抗拉性能值，所以會(huì)導(dǎo)致礦用液壓支架頂梁出現(xiàn)局部損壞情況。由圖4-2 可知，頂梁的位移方向主要為Y 軸方向，并且最大位移值為13.08 mm，此位移情況主要表現(xiàn)為中央強(qiáng)、兩側(cè)弱的特點(diǎn)，最小位移值為0。

圖4 頂梁承受偏心載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷下頂梁結(jié)構(gòu)性能

3.3 頂梁承受兩端載荷、底座承受兩端載荷

頂梁承受兩端載荷、底座承受兩端載荷工況下，礦用液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能如圖5 所示。

圖5 頂梁承受兩端載荷、底座承受兩端載荷下頂梁結(jié)構(gòu)性能

由圖5-1 可知，在不考慮墊塊的情況下，礦用液壓支架頂梁整體應(yīng)力分布主要集中在頂梁右前側(cè)護(hù)板以及窩柱兩側(cè)筋板等位置，最大應(yīng)力值為1 400.12 MPa，此種應(yīng)力值已經(jīng)超過Q690 材料的抗拉性能值，所以會(huì)導(dǎo)致礦用液壓支架頂梁出現(xiàn)局部損壞情況。由圖5-2 可知，頂梁的位移方向主要為頂梁左側(cè)Y 軸方向，并且最大位移值為20.252 mm，此位移情況主要表現(xiàn)沿左側(cè)護(hù)板依次減弱的情況，直至達(dá)到最小位移值0。

3.4 頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷

頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷工況下，礦用液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)性能如圖6 所示。

圖6 頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷下頂梁結(jié)構(gòu)性能

由圖6-1 可知，在不考慮墊塊的情況下，礦用液壓支架頂梁整體應(yīng)力分布主要集中在頂梁護(hù)板左側(cè)的筋板位置，最大應(yīng)力值為881.65 MPa，此種應(yīng)力值分布較為集中，若是在液壓支架工作中存在動(dòng)載荷情況，則可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)頂梁局部損壞。由圖6-2 可知，頂梁的位移方向主要為頂梁左側(cè)Y 軸方向，并且最大位移值為21.447 mm，此位移情況主要表現(xiàn)沿右側(cè)護(hù)板依次減弱的情況，直至達(dá)到最小位移值0。

總體來說，在4 種工況條件下，礦業(yè)液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)存在較為集中的應(yīng)力分布情況，并且在頂梁承受偏心載荷、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷和頂梁承受兩端載荷、底座承受兩端載荷兩種工況條件下的頂梁承受應(yīng)力超過Q690 材料抗拉強(qiáng)度性能值，而在剩下兩種工況條件下，即便頂梁所承受的應(yīng)力值為超過材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，但仍然會(huì)導(dǎo)致頂梁局部受損，所以必須要對頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，避免頂梁在應(yīng)用中出現(xiàn)類似問題。

4 礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)與實(shí)踐應(yīng)用

結(jié)合上文有限元分析結(jié)構(gòu)可知，礦用液壓支架頂梁受力主要集中在頂梁兩側(cè)的筋板、側(cè)護(hù)板以及側(cè)板等位置，所以基于當(dāng)前ZY6800 型液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)，將其兩側(cè)筋板、側(cè)護(hù)板以及側(cè)板加厚到30 mm。同時(shí)為保障液壓支架整體經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)對于受力較小區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)材料減量，如前端蓋板區(qū)域厚度減小到20 mm。將改進(jìn)后的礦用液壓支架應(yīng)用于工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的礦用液壓支架基本可以滿足使用要求，說明此改進(jìn)方案較為科學(xué)合理，可在后續(xù)礦用液壓支架改進(jìn)中進(jìn)行參考使用[3-5]。

5 結(jié)語

通過有限元模型分析后發(fā)現(xiàn)礦用液壓支架的頂梁受力大多集中在頂梁兩側(cè)的筋板、側(cè)護(hù)板以及側(cè)板等位置，所以為保障使用中液壓支架的安全性，研究中基于原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，并將改進(jìn)后的方案應(yīng)用到實(shí)踐，最終發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方案較為有效，可在后續(xù)礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考和應(yīng)用。