礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化措施

孫雪峰

（呂梁市煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)維修校驗中心， 山西 呂梁 033000）

0 引言

礦用液壓支架是煤礦開采過程當(dāng)中的主要設(shè)備，在實際工作期間，受采空區(qū)矸石撞擊、頂板強度壓力等影響，再加上其長時間處于超負(fù)荷、超長時間的作業(yè)狀態(tài)，使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別容易發(fā)生變形與斷裂現(xiàn)象。為保證礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，本文主要分析礦用液壓支架強化優(yōu)化措施。

1 礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)特點

頂梁是礦用液壓支架的核心組成部分，可以直接承受上部荷載，若其可靠性與安全性比較差，會嚴(yán)重影響礦用液壓支架的正常運行[1]。因為頂梁的作業(yè)環(huán)境較為惡劣，受力條件復(fù)雜，所以其對結(jié)構(gòu)強度要求比較高，結(jié)合礦用液壓支架的運行現(xiàn)狀可以得知，如果頂梁出現(xiàn)破壞，會給綜采作業(yè)面內(nèi)部各項設(shè)備的可靠運行帶來較大影響，嚴(yán)重的還會引發(fā)大規(guī)模安全事故。

通常來講，頂梁結(jié)構(gòu)形式主要包含剛性頂梁、鉸接式頂梁與伸縮鉸接頂梁，三種結(jié)構(gòu)形式的共同點是全部由鋼板焊接而成，表現(xiàn)為箱式結(jié)構(gòu)，在箱體內(nèi)部焊接加強筋，可顯著提升頂梁的強度與剛度。頂梁前端形狀采用滑撬形式，也可以將其制作為圓弧形式，主要目的是有效降低支架移動期間產(chǎn)生的阻力。在頂梁內(nèi)部表面焊接柱窩，在其兩側(cè)設(shè)計成連接銷孔，利用銷軸，將頂梁和立柱有效連接，使得頂梁的實際高度得到良好調(diào)整[2]。同時，在頂梁尾部的兩側(cè)，還要設(shè)計為兩個連接孔，采取銷軸，將掩護(hù)梁和頂梁穩(wěn)定連接，對頂梁起到固定作用，在頂梁的尾部中間位置設(shè)計連接孔，用來連接千斤頂，實現(xiàn)頂梁作業(yè)期間俯仰角的有效調(diào)整[3]。

2 優(yōu)化措施分析

2.1 建立有限元仿真模型

2.1.1 構(gòu)建三維幾何模型

因為礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在構(gòu)建三維幾何模型期間，模型導(dǎo)入環(huán)節(jié)，可能會丟失較多數(shù)據(jù)，也會明顯增加仿真計算量，消耗較多時間，所以，為全面提升仿真效率，工作人員需要對模型進(jìn)行簡化處理，將其倒角與焊縫直接省略，包括對靜力學(xué)影響比較小的孔洞，也需要直接省略，將礦用液壓支架頂梁簡化為一個整體結(jié)構(gòu)，提升網(wǎng)格劃分水平。2

.1.2 建立有限元仿真模型

針對工作人員，需要將之前簡化之后的頂梁模型有序?qū)胫劣邢拊浖?，?gòu)建結(jié)構(gòu)性能仿真模型，假設(shè)仿真模型材料為Q690，材料的具體性能見表1。

表1 Q690 材料性能分析

針對此模型實施網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型是四面體，其實際大小為30 mm，為了更好提升模型仿真精度，工作人員還要對部分關(guān)鍵部位網(wǎng)格實施加密處理，仿真模型主要包括134 656 個網(wǎng)格，可以對支架的底座進(jìn)行有效約束，其余部件實施固定約束。

2.1.3 分析結(jié)構(gòu)性能

針對礦用液壓支架頂梁的加載工況進(jìn)行分析，可以在頂梁上部增加一根壓條，同時施加65 MPa 壓力，觀察結(jié)構(gòu)性能變化情況，通過加強仿真分析，獲得加載條件工況下，頂梁的應(yīng)力變化情況，具體見圖1。

圖1 頂梁在加載條件下的變化示意圖

結(jié)合仿真分析可以得知，在礦用液壓支架頂梁與壓塊接觸位置，容易出現(xiàn)較大面積應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大的應(yīng)力可以達(dá)到745.68 MPa，此應(yīng)力向四周方向逐漸地減小，支架底座、立柱與掩護(hù)梁等位置的應(yīng)力值比較小。同時，在頂梁的前端，結(jié)構(gòu)變形比較嚴(yán)重，最大的位移可以達(dá)到18.54 mm，沿頂梁的后端，結(jié)構(gòu)變形量逐漸地減小。在礦用液壓支架頂梁受力期間，頂梁特別容易發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會出現(xiàn)大面積開裂，影響液壓支架的整體支撐效果。

通過對礦用液壓支架頂梁所承受的扭矩工況下結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行合理分析可以得知，在頂梁左端設(shè)置一個局部的壓塊，在其右端設(shè)置一個條形的壓塊，讓頂梁發(fā)生扭矩，具體的受力示意圖見圖2。通過進(jìn)行仿真分析，可以獲得承受扭矩工況下應(yīng)力變化與結(jié)構(gòu)位移情況。

圖2 頂梁承受扭矩示意圖

結(jié)合以上的仿真模型能夠得知，在頂梁的中部、頂梁和掩護(hù)梁的連接位置，包括底座中間部位，全部發(fā)生較為顯著的應(yīng)力分布，同時應(yīng)力變化沒有任何規(guī)律。頂梁承受外界扭矩工況下，因為對底座進(jìn)行有效約束，使得最大應(yīng)力直接作用下底座上部，其實際應(yīng)力值大約為780 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料自身的屈服強度。在頂梁中間部位，結(jié)構(gòu)變形比較嚴(yán)重，最大位移可以達(dá)到8.57 mm，立柱和頂梁的連接部位，也發(fā)生比較大的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。頂梁承受扭矩工況之下，頂梁中部與底座表現(xiàn)為不同程度的疲勞斷裂，以及較為顯著的結(jié)構(gòu)變形，影響液壓支架的可靠性與安全性。

2.2 仿真效果

結(jié)合仿真結(jié)果可以得知，礦用液壓支架頂梁在加載工況下，以及承受扭矩工況下，均表現(xiàn)為不同程度應(yīng)力集中與結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，長時間作用下，容易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，使得液壓支架的安全性不斷下降。所以，針對礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證頂梁在實際工況條件下，其所承受的最大應(yīng)力低于材料自身的屈服強度，工作人員也可以結(jié)合具體情況，針對前側(cè)板與柱窩兩側(cè)鋼筋進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而取得較好的優(yōu)化效果[4]。

2.3 改進(jìn)要點

2.3.1 對頂梁前端蓋板進(jìn)行優(yōu)化

根據(jù)以上的分析可以得知，在礦用液壓支架頂梁前側(cè)板與柱窩兩側(cè)加強筋部位，通過適當(dāng)增加其實際厚度，并加強優(yōu)化設(shè)計，可以明顯提升頂梁的施工強度，確保頂梁在具體工作期間保持穩(wěn)定。工作人員通過詳細(xì)查閱工程圖紙可以得知，現(xiàn)階段頂梁前側(cè)板設(shè)計厚度是15 mm，柱窩兩側(cè)的加強筋厚度是25 mm，綜合考慮到礦用液壓支架頂梁在實際作業(yè)期間，前側(cè)板與筋板針對頂板承受荷載，包括增厚，均會對頂梁自身重量產(chǎn)生一定影響，故決定適當(dāng)增加礦用液壓支架頂梁前側(cè)板厚度，增加15 mm 的厚度，同時增加柱窩的兩側(cè)加強筋厚度，增加5 mm 左右，然后對有限元仿真分析模型進(jìn)行調(diào)整，通過對優(yōu)化后的礦用液壓支架頂梁實施仿真分析，詳細(xì)記錄下頂梁應(yīng)力的最大值。

2.3.2 仿真驗證

通過加強有限元仿真分析可以得知，通過采取以上改進(jìn)措施，礦用液壓支架頂梁的應(yīng)力狀態(tài)得到良好改善，其前側(cè)板部位的應(yīng)力由改進(jìn)前的1 440 MPa 降低到480 MPa，這也是頂梁改進(jìn)后期結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力，明顯低于礦用液壓支架頂梁材料自身的屈服強度，柱窩兩側(cè)的加強筋部位應(yīng)力，由改進(jìn)前的980 MPa 降低到310 MPa，由此可以得知，改進(jìn)效果比較好，可以明顯提升礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強度，避免礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)在后續(xù)運行期間出現(xiàn)嚴(yán)重的失穩(wěn)現(xiàn)象，提高其安全性與穩(wěn)定性。

2.3.3 改進(jìn)效果驗證

結(jié)合具體仿真結(jié)果，針對液壓支架頂梁進(jìn)行合理的改進(jìn)與優(yōu)化，在前側(cè)板的基礎(chǔ)上部直接焊接15 mm的Q690 板，與此同時，在既有頂梁柱窩的兩側(cè)焊接厚度為5 mm 的Q690 板，能夠取得比較好的優(yōu)化效果。通過對改造效果進(jìn)行分析可以得知，針對液壓支架的具體工作情況，可以判斷出頂梁實際改造效果，通過加強改進(jìn)，可以進(jìn)一步降低液壓支架維護(hù)成本，減少維修次數(shù)，使得礦用液壓支架的安全性與穩(wěn)定性得到雙重提高，為綜采作業(yè)面內(nèi)部的工作人員提供良好保障，顯著減少安全事故的發(fā)生[5]。

3 結(jié)語

本文主要對礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化措施進(jìn)行分析，利用專業(yè)軟件，完成礦用液壓支架頂梁建模作業(yè)，確定出頂梁結(jié)構(gòu)前側(cè)板和柱窩兩側(cè)筋板位置的最大應(yīng)力值是1 440 MPa，明顯超出頂梁材料自身的抗拉強度，存在較為嚴(yán)重的設(shè)計缺陷。通過增加前側(cè)板與柱窩兩側(cè)筋板的厚度，針對頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，頂梁前側(cè)板與柱窩兩側(cè)的筋板厚度增加到30 mm，結(jié)合最終的分析結(jié)果可知，優(yōu)化改進(jìn)效果較為明顯，最大應(yīng)力達(dá)到480 MPa，結(jié)合實踐，通過采取科學(xué)的改進(jìn)措施，礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強度得到明顯提升，液壓支架的安全性與穩(wěn)定性得到良好提高，故可以為相關(guān)工作人員提供一定的幫助和參考。