神東液壓支架減重優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

原長(zhǎng)鎖

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

神東礦區(qū)主采煤層厚度一般為4～6m，最大厚度8～9m，全礦區(qū)采用大采高綜采工藝進(jìn)行開(kāi)采[1-5]。但神東煤炭集團(tuán)現(xiàn)用中厚煤層大工作阻力液壓支架普遍存在超重現(xiàn)象，給設(shè)備運(yùn)輸、搬家和使用帶來(lái)諸多不便。據(jù)統(tǒng)計(jì)，神東集團(tuán)在設(shè)備吊裝、運(yùn)輸、維修中投入較多，每年因支架超重浪費(fèi)資金約為800萬(wàn)元，在建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)的形勢(shì)下，在國(guó)家節(jié)能減排的要求下，神華煤炭集團(tuán)率先開(kāi)展輕型高可靠性支架的研制工作，有利于建設(shè)大型高產(chǎn)高效礦井、節(jié)約資源，有利于應(yīng)對(duì)我國(guó)煤炭行業(yè)經(jīng)濟(jì)整體面臨較大下行壓力的難題，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[6-15]。

以ZY12000/20/40D液壓支架為研究對(duì)象，將該支架的36.5t減為33.5t，即減重3t(含焊縫重量)。分為四個(gè)方面：①材料，大批量使用100kg級(jí)以上材料，減小板材厚度，實(shí)現(xiàn)減輕重量的目的；②結(jié)構(gòu)，總結(jié)原先的成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)減小結(jié)構(gòu)件局部應(yīng)力集中；③虛擬樣機(jī)仿真分析，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行模擬壓架計(jì)算，計(jì)算支架的應(yīng)力及變形量；④樣機(jī)壓架試驗(yàn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際情況，依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1∶2000)，制定試驗(yàn)大綱，試驗(yàn)次數(shù)4萬(wàn)次。

1 ZY12000/20/40D液壓支架優(yōu)化方案

根據(jù)對(duì)原使用的ZY12000/20/40D液壓支架各主要部件的板厚分析，經(jīng)安全系數(shù)計(jì)算后，確定各部件的具體減重值和整架的板材比例，見(jiàn)表1。從表1可以看出，雖然支架各主要部件的重量減少，但是由于板材屈服強(qiáng)度的提高，各主要部件的安全系數(shù)不降反升，但是，由于板材厚度的降低，支架的整體剛性會(huì)有所減弱，為此，對(duì)支架的虛擬樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力及變形量的計(jì)算也顯的尤為重要。

表1 ZY12000/20/40D液壓支架重量?jī)?yōu)化后安全系數(shù)和板材比例對(duì)比表

2 液壓支架有限元分析對(duì)比

依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1：2000)對(duì)神東ZY12000/20/40D重量?jī)?yōu)化后的支架進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算工況分支架正常采高(3400mm)和最低采高(2300mm)兩種支架姿態(tài)(以正常采高為主)，試驗(yàn)類(lèi)型選擇支架試驗(yàn)最?lèi)毫拥娜N工況：扭轉(zhuǎn)、彎曲、偏載，加載載荷為額定工作阻力的1.2倍即14400kN進(jìn)行計(jì)算分析，液壓支架重量?jī)?yōu)化前后位移量、應(yīng)力變化幅度見(jiàn)表2—表3。

從有限元計(jì)算結(jié)果可知，ZY12000/20/40D支架減重后剛度有所下降，同時(shí)支架扭轉(zhuǎn)工況時(shí)應(yīng)力變化明顯，所以支架在滿(mǎn)足強(qiáng)度安全系數(shù)的前提下，需進(jìn)一步考慮支架的剛度滿(mǎn)足使用要求，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的壓架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 ZY12000/20/40D液壓支架重量?jī)?yōu)化前后位移量變化幅度

表3 ZY12000/20/40D液壓支架重量?jī)?yōu)化前后應(yīng)力變化幅度

3 減重支架鋼板焊接工藝特點(diǎn)

由于100kg級(jí)以上鋼板大部分的使用狀態(tài)是以焊接的方式連接，所面臨解決的問(wèn)題：①防止冷熱裂紋的產(chǎn)生；②在保證滿(mǎn)足高強(qiáng)度要求的同時(shí)，提高焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。一般情況下冷裂紋是由鋼種的淬硬傾向，焊接接頭含氫量及其分布、焊接接頭拘束應(yīng)力三者共同作用的結(jié)果，而沖擊韌性受熱輸入條件和焊絲的種類(lèi)影響較大。

通過(guò)試驗(yàn)研究與工藝研制，該批支架仍采用具有能耗低、效率高、焊后變形小、抗氫致裂、成本低、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的CO2氣體保護(hù)焊。采取的工藝保障措施主要有：

1)鋼板在淬火前要經(jīng)過(guò)噴丸處理和無(wú)氧化氣氛控制等措施，使鋼板具有良好的表面質(zhì)量，控制預(yù)熱溫度為100～150℃，以抑制焊接淬硬傾向的產(chǎn)生；

2)在相同熱輸入下，對(duì)多種焊絲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同焊絲造成焊縫焊后沖擊韌性不同，體現(xiàn)了不同焊接材料的工藝適應(yīng)性，在選擇焊絲時(shí)，使用ER76-G焊絲焊接，以在合理的焊接規(guī)范下能得到綜合性能良好、組織穩(wěn)定的焊接接頭。

3)由于焊接接頭的組織都為馬氏體和貝氏體的混合組織，焊接線能量較大或道間溫度較高時(shí)的組織較為粗大，造成接頭強(qiáng)度降低、韌性減小，所以在焊接過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制焊接線能量、層間和道間溫度。

4)支架結(jié)構(gòu)件焊后在200～350℃下保溫3～4h，且隨爐冷卻，以增加塑性、韌性，并減小淬硬傾向。

4 試驗(yàn)研究

ZY12000/20/40D減重支架依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1∶2000)進(jìn)行了壓架試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試要求完成40000次加載試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)件共出現(xiàn)兩處開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖1所示，依據(jù)試驗(yàn)要求，第一次壓架試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為不合格。

圖1 ZY12000/20/40D減重支架第一次壓架開(kāi)裂情況

針對(duì)出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象，結(jié)合有限元分析及其它方面原因進(jìn)行了結(jié)構(gòu)件開(kāi)焊原因分析，見(jiàn)表4。

表4 ZY12000/20/40D液壓支架結(jié)構(gòu)件開(kāi)焊原因分析

根據(jù)以上原因，對(duì)開(kāi)焊的兩處改進(jìn)措施如下：

1)掩護(hù)梁尾部改為端板結(jié)構(gòu)，將內(nèi)主筋的尾部受力方向由板材Z向改為軸向，同時(shí)減少拐角焊縫，如圖2所示；

圖2 ZY12000/20/40D減重支架掩護(hù)梁后端改進(jìn)措施

2)底座前過(guò)橋處焊縫坡口加大至25mm，同時(shí)改進(jìn)坡口型式，將單邊坡口改為雙邊V型坡口。

根據(jù)以上改進(jìn)措施，重新投制了新的掩護(hù)梁，底座按要求整改坡口大小及型式，并按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1∶2000)進(jìn)行了第二次壓架試驗(yàn)，完成40000次加載試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)件的鋼材沒(méi)有裂紋，也未發(fā)現(xiàn)影響到支架性能的焊縫裂紋和永久變形，依據(jù)試驗(yàn)要求，第二次壓架試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為合格。

5 結(jié) 語(yǔ)

37臺(tái)ZY12000/20/40D減重支架于2014年4月開(kāi)始分別在神東寸草塔二礦、布爾臺(tái)礦、榆家梁礦使用，工作面布置208臺(tái)支架，減重支架布置在第168—204架，累計(jì)推進(jìn)1200m，過(guò)煤量512萬(wàn)t。支架在使用期間整體運(yùn)行良好，未發(fā)生開(kāi)裂、開(kāi)焊現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計(jì)承載要求。本研究對(duì)于100kg高強(qiáng)板在支架上的應(yīng)用積累了寶貴數(shù)據(jù)，對(duì)于神東繼續(xù)領(lǐng)跑世界煤炭綜采技術(shù)、建設(shè)“兩型”社會(huì)具有重要經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。