兩柱掩護(hù)式液壓支架有限元仿真及優(yōu)化研究

曹 偉,井慶賀,滕 飛,張洪清,邱 洋,王明堂,楊宏光,劉晉升

(1.沈陽(yáng)天安科技股份有限公司,遼寧 沈撫示范區(qū) 113122; 2.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021410)

兩柱掩護(hù)式液壓支架作為綜采工作面常用技術(shù)設(shè)備,由于其在應(yīng)用中存在受力復(fù)雜、載荷變化大、工作環(huán)境惡劣等特征,使得兩柱掩護(hù)式液壓支架在實(shí)際生產(chǎn)工作中極易出現(xiàn)損壞、倒架等情況,嚴(yán)重威脅人員、設(shè)備安全,影響煤礦正常生產(chǎn)進(jìn)程[1-3]。據(jù)此,對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行有限元仿真分析,進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果中存在的受力薄弱點(diǎn),提出針對(duì)性結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,對(duì)后續(xù)兩柱掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)將有著一定的理論參考價(jià)值。

1 兩柱掩護(hù)式液壓支架有限元模型構(gòu)建

ZY10000/19/38型兩柱掩護(hù)式液壓支架的中心距為1.75 m,推移步距為800 mm,過(guò)煤量300萬(wàn)t,能較好滿(mǎn)足煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用要求。故在柜液壓支架進(jìn)行有限元模型構(gòu)建時(shí)采用SolidWorks軟件建立其三維模型,然后將三維幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中,最后開(kāi)展有限元仿真分析。此過(guò)程在三維幾何軟件采用Pro/E軟件,有限元分析軟件采用ANSYS軟件,2種軟件之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫導(dǎo)入,保障模型構(gòu)建及導(dǎo)入分析效果。

在三維幾何模型導(dǎo)入后,需要通過(guò)ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置和網(wǎng)格劃分。其中材料屬性設(shè)置是根據(jù)兩組掩護(hù)式液壓支架材料屬性特征,在ANSYS材料庫(kù)中選用對(duì)應(yīng)屬性材料。綜合考慮后選用Q690和Q550材料作為主體材料。其中Q690材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為770～940 MPa、690 MPa;Q550材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為670～830 MPa、550 MPa。

網(wǎng)格劃分則是選用Solid45單元,在保障模型精度的情況下,盡可能選用較為適合的網(wǎng)格尺寸,保障模型計(jì)算的效率及效果[4-7]。在實(shí)施多次網(wǎng)格劃分對(duì)比試驗(yàn)后,最終確定網(wǎng)格尺寸為50 mm。最后,由于液壓支架整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以在實(shí)際模型網(wǎng)格劃分方法選擇中只能夠使用自由網(wǎng)格劃分方法,所劃分出的網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 兩柱掩護(hù)式液壓支架網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Meshing partitioning model of two-column shield hydraulic support

從液壓支架所有工況中選取3種較為惡劣的組合工況,具體工況條件及仿真條件如下。

(1)頂梁偏心底座兩端載荷工況。頂梁處墊塊加載水平至頂梁中心線左側(cè),具體墊塊長(zhǎng)度、寬度及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm;底座墊塊對(duì)稱(chēng)加載至底座中心線兩側(cè),具體墊塊長(zhǎng)度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm。

(2)頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況。頂梁處墊塊與頂梁中心線加載垂直加載至頂梁左右兩側(cè),其中左側(cè)墊塊長(zhǎng)度、寬度以及高度為300 mm×150 mm×50 mm,右側(cè)長(zhǎng)度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm;底座墊塊對(duì)稱(chēng)加載至底座中心線兩側(cè),具體墊塊長(zhǎng)度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm。

(3)頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況。頂梁墊塊加載指頂梁中心線左側(cè),具體墊塊長(zhǎng)度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm;底座處墊塊加載至底座左右兩側(cè),其中左側(cè)墊塊長(zhǎng)度、寬度以及高度為300 mm×150 mm×50 mm,右側(cè)長(zhǎng)度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm。

2 兩柱掩護(hù)式液壓支架有限元仿真分析

2.1 頂梁偏心底座兩端載荷

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架等效應(yīng)力云圖如圖2所示。在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大等效應(yīng)力為853.89 MPa,最大應(yīng)力點(diǎn)位于液壓支架頂梁和頂梁與墊塊相互接觸區(qū)域,相關(guān)位置的應(yīng)力集中問(wèn)題較為嚴(yán)重,需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓 支架等效應(yīng)力云圖Fig.2 Equivalent stress cloud diagram of hydraulic support under load conditions at both ends of eccentric base with top beam

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架等效位移云圖如圖3所示。在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大等效位移為34.905 mm,最大位移點(diǎn)位于液壓支架頂梁區(qū)域。此外液壓支架掩護(hù)梁和連桿所承受的位移也相對(duì)較大,最大等效位移分別為22.929、12.173 mm?？傮w來(lái)說(shuō),在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,液壓支架位移由大到下依次為頂梁、掩護(hù)梁、連桿、底座,而應(yīng)力應(yīng)力分布由大到小依次為頂梁、掩護(hù)梁、連桿、底座,說(shuō)明位移分布區(qū)域與應(yīng)力分布區(qū)域大致相同。

圖3 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架 等效位移云圖Fig.3 Equivalent displacement cloud diagram of hydraulic support under load conditions at both ends of eccentric base with top beam

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架頂梁應(yīng)力云圖和頂梁位移云圖分別如圖4、圖5所示。頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架掩護(hù)梁最大應(yīng)力為569.28 MPa、最大位移為18.812 mm,分別位于液壓支架掩護(hù)梁前中部筋板區(qū)域和液壓支架掩護(hù)梁右側(cè)護(hù)板區(qū)域。

圖4 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓 支架頂梁應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of hydraulic support top beam under load condition at both ends of eccentric base of top beam

圖5 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架 頂梁位移云圖Fig.5 Displacement cloud diagram of top beam of hydraulic support under load condition at both ends of eccentric base of top beam

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架連桿最大應(yīng)力為284.66 MPa、最大位移為6.270 7 mm,均位于液壓支架右前連桿與掩護(hù)梁連接銷(xiāo)孔區(qū)域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架底座最大應(yīng)力為94.916 MPa、最大位移為1.191 9 mm,分別位于液壓支架底座與墊塊接觸區(qū)域和液壓支架底座與立柱連接區(qū)域。

總體來(lái)說(shuō),在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架的頂梁應(yīng)力最大,主要應(yīng)力集中在液壓支架頂梁與墊塊接觸區(qū)域,對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為853.89 MPa;其次為掩護(hù)梁,對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為569.28 MPa;其他部件所承受的應(yīng)力值較小,實(shí)際應(yīng)力分布呈現(xiàn)出由上及下依次遞減的特征。

2.2 頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷

兩柱掩護(hù)式液壓支架在頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況下的仿真分析過(guò)程與頂梁偏心底座兩端載荷工況下的仿真分析過(guò)程基本一致,以下將直接說(shuō)明分析結(jié)果。

在頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大等效應(yīng)力值為882.263 MPa,最大應(yīng)力點(diǎn)位于液壓支架頂梁與墊塊相互接觸位置,相關(guān)位置的應(yīng)力集中問(wèn)題較為嚴(yán)重,需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大等效位移值為18.969 mm,最大位移點(diǎn)位于液壓支架頂梁左端中部位置。頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架頂梁最大應(yīng)力為882.263 MPa、最大位移為18.969 mm,分別位于液壓支架頂梁和頂梁與墊塊相互接觸區(qū)域和液壓支架頂梁左端中部位置。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架掩護(hù)梁最大應(yīng)力為311.18 MPa、最大位移為4.500 5 mm,分別位于液壓支架掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板區(qū)域和液壓支架掩護(hù)梁與右前連桿連接銷(xiāo)孔區(qū)域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架連桿最大應(yīng)力為276.13 MPa、最大位移為3.264 1 mm,均位于液壓支架右前連桿與掩護(hù)梁連接銷(xiāo)孔區(qū)域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架底座最大應(yīng)力777.85 MPa、最大位移為6.750 7 mm,分別位于液壓支架底座過(guò)橋區(qū)域和液壓支架底座右前側(cè)區(qū)域。

總體來(lái)說(shuō),在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架的頂梁應(yīng)力最大,主要應(yīng)力集中在液壓支架頂梁與墊塊接觸區(qū)域,對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為882.263 MPa,其次為底座,對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為777.85 MPa,其他部件所承受的應(yīng)力值較小,實(shí)際應(yīng)力分布呈現(xiàn)出由上下到中間依次遞減的特征。

2.3 頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷

在頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大等效應(yīng)力為866.78 MPa,最大應(yīng)力點(diǎn)位于液壓支架頂梁左后端銷(xiāo)孔區(qū)域,相關(guān)位置的應(yīng)力集中問(wèn)題較為嚴(yán)重,需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大等效位移為65.177 mm,最大位移點(diǎn)位于液壓支架頂梁右端中部位置。頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架頂梁最大應(yīng)力為866.78 MPa、最大位移為65.177 mm,分別位于液壓支架頂梁左后端銷(xiāo)孔區(qū)域和液壓支架頂梁右端中部位置。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架掩護(hù)梁最大應(yīng)力為738.141 MPa、最大位移為43.951 mm,分別位于掩護(hù)梁后端與主筋相接觸區(qū)域和液壓支架掩護(hù)梁與兩柱掩護(hù)式液壓支架掩護(hù)梁右前端區(qū)域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架連桿最大應(yīng)力為276.13 MPa、最大位移為26.89 mm,均位于液壓支架右連桿與掩護(hù)梁連接銷(xiāo)孔區(qū)域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架底座最大應(yīng)力726.16 MPa、最大位移為14.324 mm,分別位于液壓支架底座過(guò)橋區(qū)域和液壓支架底座右前側(cè)區(qū)域。

總體來(lái)說(shuō),在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護(hù)式液壓支架的頂梁應(yīng)力最大,主要應(yīng)力集中在液壓支架頂梁左后端銷(xiāo)孔區(qū)域,對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為866.78 MPa,其次為底座和掩護(hù)梁,對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為726.16、738.141 MPa,其他部件所承受的應(yīng)力值較小,實(shí)際應(yīng)力分布呈現(xiàn)出由上下到中間依次遞減的特征。

3 兩柱掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

通過(guò)有限元分析可知,兩柱掩護(hù)式液壓支架在各工況條件下均存在一定的應(yīng)力集中情況,為保障液壓支架的使用安全性,應(yīng)對(duì)液壓支架受力集中區(qū)域進(jìn)行有效結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

具體優(yōu)化過(guò)程中,結(jié)合仿真分析結(jié)果,分別將液壓支架頂梁兩端中部區(qū)域、掩護(hù)梁后端區(qū)域以及底座前端區(qū)域分別設(shè)置加筋板,并將加筋板的厚度設(shè)置為30 mm。

為進(jìn)一步確認(rèn)節(jié)后優(yōu)化后兩柱掩護(hù)式液壓支架應(yīng)力分布情況,還需要采用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后液壓支架仿真分析,具體分析結(jié)果如下:

頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化后等效應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

圖6 頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化后 等效應(yīng)力分布云圖Fig.6 Equivalent stress distribution cloud diagram after structural optimization under load conditions at both ends of torsional base of top beam

在頂梁扭轉(zhuǎn)底座兩端載荷工況條件下,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大應(yīng)力值為691.584 MPa,相較于優(yōu)化前的882.263 MPa,下降190.715 MPa。最大應(yīng)力點(diǎn)位于液壓支架頂梁區(qū)域,與優(yōu)化前大致相同,其他區(qū)域應(yīng)力集中問(wèn)題雖然也有所改善,但改善幅度較小。

頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化后等效應(yīng)力分布云圖如圖7所示。在頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況條件下,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受的最大應(yīng)力值為790.221 MPa,相較于優(yōu)化前的866.78 MPa,下降76.559 MPa。最大應(yīng)力點(diǎn)位于液壓支架底座前端箱體內(nèi)筋板區(qū)域。另外,其他部分應(yīng)力集中情況也有著較大改善,其中頂梁最大應(yīng)力由866.78 MPa下降至605.943 MPa;掩護(hù)梁最大應(yīng)力由426.531 MPa下降至311.61 MPa;后連桿最大應(yīng)力由304.913 MPa下降至195.453 MPa;底座前端箱體最大應(yīng)力由760.831 MPa下降至500 MPa。

圖7 頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化后 等效應(yīng)力分布云圖Fig.7 Equivalent stress distribution cloud diagram after structural optimization under torsional load condition of eccentric base with top beam

總體來(lái)說(shuō),相較于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前,優(yōu)化后兩柱掩護(hù)式液壓支架所承受應(yīng)力分布得到有效改善,其中在頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷工況下的改善更為明顯,說(shuō)明結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案較為有效。

4 液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的工程應(yīng)用

通過(guò)有限元分析初步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效性以后,還需要通過(guò)工程應(yīng)用分析對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案實(shí)施進(jìn)一步驗(yàn)證。具體應(yīng)用中,需要根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)現(xiàn)有兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整,進(jìn)而將調(diào)整后的液壓支架應(yīng)用于工程實(shí)踐,以實(shí)踐來(lái)發(fā)現(xiàn)和解決液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中存在的問(wèn)題。應(yīng)用過(guò)程中,需要采用專(zhuān)業(yè)傳感器設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后液壓支架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將采集數(shù)據(jù)與現(xiàn)有液壓支架數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)比,確認(rèn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的應(yīng)用成效。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)等目標(biāo),需要安排專(zhuān)人對(duì)液壓支架數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)數(shù)據(jù)信息制作趨勢(shì)圖,確保問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。最終根據(jù)工程應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)優(yōu)化后液壓支架的總體工作性能和安全性、穩(wěn)定性均得到有效提升(表1),證明此優(yōu)化方案較為科學(xué)合理,可在后續(xù)兩柱掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中進(jìn)行參考應(yīng)用。

表1 液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of hydraulic support before and after structure optimization

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本文基于有限元分析方法對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行仿真分析,進(jìn)而確認(rèn)液壓支架存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中情況,不利于保障液壓支架的使用穩(wěn)定性和安全性。對(duì)此,研究中結(jié)合仿真分析結(jié)果,提出一種兩柱掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,此方案在經(jīng)過(guò)有限元分析和工程應(yīng)用分析驗(yàn)證后,確認(rèn)其有效性,可進(jìn)行相應(yīng)的參考及應(yīng)用。