ZF12000/22/42 型液壓支架支護梁強度分析與優(yōu)化的研究

龐有利

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

目前，綜放開采已經(jīng)成為實現(xiàn)厚煤層高效、高產(chǎn)開采的重要途徑，其中發(fā)展出來許多相適應(yīng)的設(shè)備，例如放頂煤液壓支架[1]。隨著綜放開采工藝的不斷進步，后續(xù)又對為放頂煤液壓支架進行了不斷的改進和設(shè)計[2]。但是綜放工作面使用的放頂煤液壓支架在實際使用過程仍然出現(xiàn)一些問題，常見的有：支架結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)疏松、破碎的巖層；支架受壓力作用，在掩護梁處發(fā)生較大的變形；抗沖擊能力弱；支架對頂煤控制能力差，出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象等。文章基于有限元對ZF12000/22/42 型掩護梁強度進行分析，并提出了改進，為后續(xù)其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

1 ZF12000/22/42 型液壓支架

ZF12000/22/42 型液壓支架適用于厚煤層作業(yè)面的開采[3]，主要對該型放頂煤液壓支架的特點以及組成做簡要說明。

1.1 特點

工作面采用大配套，保證了截深和有效的移架步距，同時液壓支架工作阻力較大，可以提高支架對頂煤的支撐能力。

掩護梁整體采用箱型板材結(jié)構(gòu)，兩側(cè)均布置有防護板，可以實現(xiàn)對掩護梁整體的加強，確保梁的工作環(huán)境免受污染，從而提高掩護梁的使用壽命。液壓支架底座為整體式剛性底座，底座結(jié)構(gòu)強度足夠。

1.2 使用條件

作業(yè)煤層厚度范圍6～16 m；適應(yīng)煤層傾角要求≤15°；仰采角度要求≤25°；液壓支架頂板所承受壓力不應(yīng)大于12 000 kN。

1.3 組成構(gòu)建

液壓支架主要構(gòu)建可以分為金屬結(jié)構(gòu)件、液壓元件兩大類，其中金屬構(gòu)建主要有頂梁、掩護梁、支撐連桿、尾梁等。液壓元件主要包括多路控制閥、油缸、油箱、安全閥等。圖1 所示為ZF1200/22/42 放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 ZF1200/22/42 放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 掩護梁有限元模型的建立

掩護梁上方與頂梁通過鉸接方式連接，中間部分通過鉸接與連桿相連接，最終與底架連接構(gòu)成液壓支架的主體構(gòu)建。液壓支架在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷工況時，掩護梁工作狀況較為惡劣，因此液壓支架的掩護梁必須要有足夠的強度。液壓支架掩護梁主要為箱形變斷面結(jié)構(gòu)，由各種規(guī)格鋼板焊接而成[4]。

掩護梁由各種鋼板焊接而成，是典型的薄壁焊接結(jié)構(gòu)，由于存在較多的焊縫以及不規(guī)則型材容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況等，因此需要對其結(jié)構(gòu)進行研究。首先基于Solid Works 建立該液壓支架的掩護梁模型，掩護梁外形尺寸為：長×寬×高=2 594 mm×1 570 mm×510 mm，保存為通用”STP”格式，然后導(dǎo)入ABAQUAS 軟件，進行有限元模型前處理[5]。

根據(jù)液壓支架相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——《煤礦用液壓支架第部分：通用技術(shù)條件》對液壓支架進行強度分析，選取頂梁扭轉(zhuǎn)加載、頂梁偏心加載工況作為試驗分析的工況，在此不再將兩種工況具體內(nèi)容列出。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給的載荷與邊界約束規(guī)范對液壓支架整體進行分析，得到掩護梁子模型的邊界條件，從而得到掩護梁應(yīng)力分布情況[6]。

2.1 材料參數(shù)

ZF12000/22/42 掩護梁主體結(jié)構(gòu)均采用Q460 材料焊接而成，再對模型材料參數(shù)進行設(shè)置，已知Q460 材料參數(shù)見表1 所示。

表1 掩護梁材料參數(shù)

2.2 邊界條件

掩護梁有限元分析載荷與約束的施加，由于單獨的掩護梁邊界條件需要從液壓支架整體分析得到。因此采用子模型法，前期研究關(guān)于液壓支架整體在工況作用下應(yīng)力分布規(guī)律，提取邊界條件施加于掩護梁子模型上。由于篇幅所限，對液壓支架整體仿真邊界條件進行說明。首先，墊塊位置被當(dāng)做對頂板的約束來施加；其次，墊塊與頂梁連接設(shè)置接觸，取金屬間摩擦系數(shù)0.15；最后，模型簡化，采用銷釘約束代替柱銷聯(lián)結(jié)。再從整體提取掩護梁子模型邊界條件。

2.3 載荷施加

模擬分析時，試驗壓力均為1.2 倍工作壓力。由此可以得到載荷的大小為12 000×1.2=14 400 kN。載荷的作用位置與方向：力的作用線沿立柱的軸線方向，添加在柱窩的球面上。

2.4 網(wǎng)格處理

由于模型網(wǎng)格要求不高，使用自由網(wǎng)格劃法，采用四面體網(wǎng)格進行劃分，單元類型選擇Solid45，模型一共劃分得到11 萬個網(wǎng)格。

3 強度分析結(jié)果

圖2、圖3 分別為扭轉(zhuǎn)工況與偏載荷工況時，掩護梁應(yīng)力分布情況，根據(jù)計算結(jié)果，在扭轉(zhuǎn)工況下，與頂梁連接處的鉸接位置應(yīng)力較大，同時立柱支耳連接處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值459 MPa，接近材料的屈服極限。偏載荷工況時，在立柱連接耳板、掩護梁底部加強筋等存在應(yīng)力集中情況，此時最大應(yīng)力值為439 MPa。

通過對掩護梁在不同工況的有限元應(yīng)力分析，掌握了掩護梁應(yīng)力應(yīng)變分布狀況，找出掩護梁可能存在的薄弱環(huán)節(jié)、薄弱區(qū)域，有針對性地對掩護梁關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而有效提升其強度，提高液壓支架的整體性能。

4 掩護梁優(yōu)化改進

掩護梁是液壓支架的主要受力結(jié)構(gòu)之一，同時與頂梁和底座以及連桿連接，受力情況復(fù)雜。液壓支架實際使用中曾經(jīng)掩護梁前端耳板附近出現(xiàn)過疲勞裂紋，并且裂紋不斷擴散，與仿真結(jié)果出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域相似。

圖2 扭轉(zhuǎn)載荷工況頂梁應(yīng)力圖

圖3 偏載荷工況掩護梁應(yīng)力圖

根據(jù)分析結(jié)果，為了緩解耳板以及與頂板連接位置應(yīng)力集中情況，最大限度改善掩護梁立柱耳板與頂板鉸接位置的應(yīng)力分布。在掩護梁頂梁連接位置的箱體內(nèi)增加兩個斜加強板，如圖4 所示，按相同的載荷與邊界條件對其進行應(yīng)力有限元分析。

圖4 掩護梁優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)優(yōu)化后應(yīng)力計算結(jié)果，如圖5 所示，對掩護梁添加斜加強筋后，應(yīng)力集中情況明顯減弱，最大應(yīng)力值358 MPa，相較于原掩護梁模型，應(yīng)力減小22%，有效提升了液壓支架的整體性能。優(yōu)化掩護梁結(jié)構(gòu)，可以對液壓支架的改進設(shè)計提供參考。

圖5 掩護梁優(yōu)化后應(yīng)力分圖

5 結(jié)論

1）從ZF12000/22/42 型液壓支架關(guān)鍵零部件掩護梁的結(jié)構(gòu)安全入手，對掩護梁在兩種實驗工況下的應(yīng)力進行分析，得到掩護梁在兩種工況下應(yīng)力、應(yīng)變分布，以及最大應(yīng)力值，找到了掩護梁結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

2）根據(jù)有限元計算的結(jié)果，提出了對掩護梁薄弱部位采用加斜加強筋的方法進行優(yōu)化，同時施加于扭轉(zhuǎn)工況相同的邊界與載荷，得到優(yōu)化后最大應(yīng)力358 MPa，且整體應(yīng)力分布均減小。優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)強度增加明顯，為后續(xù)掩護梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用提供有利參考。