基于不同工況下的ZF12000 型礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強度分析

管 杰

（晉能控股裝備制造集團中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

煤礦資源作為提升國家綜合實力的重要部分，加大對其的開采力度，保證煤礦開采中的安全性，成為當(dāng)前企業(yè)重點考慮的方向。礦用液壓支架作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，保障整套設(shè)備的支撐性能，對保障井下作業(yè)安全至關(guān)重要[1]。但由于煤礦開采中，經(jīng)常有較多的煤石掉落，直接沖擊在液壓支架頂梁上，加上支架長時間的超負荷作業(yè)，使得其結(jié)構(gòu)時常出現(xiàn)頂梁、底座等部件結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象，一旦液壓支架支撐性能出現(xiàn)問題，將極容易導(dǎo)致工作面出現(xiàn)坍塌事故，造成嚴(yán)重損失[2]。為此，結(jié)合液壓支架的實際工況，不斷對液壓支架中關(guān)鍵部件（頂梁、掩護梁、底座、立柱等）進行結(jié)構(gòu)性能研究，掌握其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，成為保障液壓支架安全作業(yè)的關(guān)鍵任務(wù)。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)特點分析

礦用液壓支架作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式包括掩護式、支撐式、支撐掩護式液壓支架，根據(jù)井下不同工況，采用不同的液壓支架類型。以ZF12000 型液壓支架為分析對象，其結(jié)構(gòu)主要由頂梁、掩護梁、立柱、尾梁、底座、控制系統(tǒng)等部件組成[3]。支撐模式采用了兩柱掩護式支撐，工作阻力可達6 400 kN，支護強度在1 MPa 范圍內(nèi)。其中，頂梁是直接與工作面頂板接觸的部件，主要承受著來自頂板的較大外界載荷，頂梁結(jié)構(gòu)主要由橫向主筋、縱向主筋、柱窩、上頂板和下底板等部件組成，上頂板采用整板結(jié)構(gòu)直接焊接，并與主筋板和橫筋板一起組成個箱式結(jié)構(gòu)[4]。同時，在頂梁上設(shè)置了與立柱連接的柱窩結(jié)構(gòu)，在不同工況條件下具有較低的結(jié)構(gòu)變形和支護效果，且能承受來自外部的起伏載荷作用。據(jù)統(tǒng)計，單一礦井中的液壓支架因頂梁的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)開裂等疲勞失效而導(dǎo)致的液壓支架停機維修現(xiàn)象占據(jù)了整個設(shè)備故障的25%左右，嚴(yán)重影響著企業(yè)的煤礦開采量及井下作業(yè)安全，不斷深入開展頂梁在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)強度分析研究，成為保證液壓支架高效作業(yè)的重要任務(wù)。

2 液壓支架及頂梁模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步分析液壓支架及頂梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)強度，結(jié)合ZF12000 型液壓支架的結(jié)構(gòu)特點，采用了Solidworks 三維軟件，對液壓支架中的頂梁、掩護梁、底座等部件進行了三維模型建立。在建模過程中，為提高結(jié)構(gòu)的分析速度、提高仿真分析精度，對模型中的圓角、倒角、較小圓孔、連接螺栓等特征及零件進行了模型簡化[5]，僅保留了液壓支架中的關(guān)鍵部件，由此也可避免較小的非關(guān)鍵部件造成的液壓支架的仿真錯誤問題。液壓支架及頂梁的三維示意圖如圖1 所示。

2.2 仿真模型建立

在建立完液壓支架及頂梁的三維模型后，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式后轉(zhuǎn)入至ABAQUS 仿真軟件中進行設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度分析。由于液壓支架及頂梁結(jié)構(gòu)主要利用Q235 材料進行焊接及螺栓等裝配連接，故在該軟件中，將設(shè)備的材料設(shè)置為了Q235 材料，其屈服強度為235 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，材料許用強度為180 MPa，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa，通過軟件中的Material 屬性功能進行設(shè)置[6]。同時，根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)尺寸，采用實體單元類型，對其各部件進行四面體網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格大小為20 mm，最小網(wǎng)格大小為5 mm。另外，根據(jù)液壓支架的連接方式，將頂梁與掩護梁及立柱之間進行球鉸約束，對底座底部進行固定約束，仿真時間設(shè)置是10 s，分析步長為0.1 s，由此，可通過建立液壓支架的整體仿真模型來模擬不同工況條件下的結(jié)構(gòu)強度，并方便對液壓支架中關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強度進行分析研究。

圖1 液壓支架及頂梁三維模型圖

3 頂梁結(jié)果分析

為進一步分析液壓支架中頂梁的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合建立的液壓支架仿真模型，提取頂梁在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)強度分析研究。

3.1 頂梁扭轉(zhuǎn)載荷下分析結(jié)果

頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況條件即為頂梁受到7 650 kN的載荷作用，其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化圖如圖2 所示。由圖可知，頂梁整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁與立柱連接的左右柱窩部位，中部的鉸接耳根部及左右加強側(cè)板也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，沿著頂梁前端方向，其應(yīng)力值呈逐漸減少趨勢。分析其原因為頂梁在承受來自工作面頂板的較大外界載荷作用后，通過頂梁的上頂板及加強筋結(jié)構(gòu)傳遞至柱窩部位，而立柱通過與柱窩處進行配合，實現(xiàn)將外界壓力傳遞至底座及地面的目的，柱窩成為整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力點。由此，掌握了頂梁在扭轉(zhuǎn)載荷下的薄弱部位為柱窩處，一旦此處長時間超過了其材料的屈服強度，將會率先在此處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、開裂等失效現(xiàn)象，需進行重點優(yōu)化改進。

3.2 頂梁偏心載荷下分析結(jié)果

頂梁偏心載荷工況即為在頂梁左或右側(cè)施加載荷為7 650 kN 的外部載荷，得到的頂梁應(yīng)力變化圖如圖3 所示。由圖可知，頂梁在此工況下也出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，且其不均勻性更明顯。頂梁的柱窩及中部鉸接耳處的應(yīng)力值最大，且頂梁的右側(cè)中部區(qū)域的應(yīng)力也相對更高；另外，由柱窩部分向頂梁前端，應(yīng)力分布呈逐漸減小趨勢，但整體的應(yīng)力值比頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況下更高。分析其原因為：頂梁在受到偏心載荷作用后，其右端中部首先受到較大作用力，通過左右兩個柱窩部位傳遞到立柱及底座上，實現(xiàn)頂梁上作用力的向下傳遞。由此可知頂梁的柱窩及中部鉸接耳處是整個結(jié)構(gòu)在此工況下的薄弱部位，需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖2 頂梁扭轉(zhuǎn)載荷應(yīng)力變化圖

圖3 頂梁偏心載荷下應(yīng)力變化圖

4 頂梁結(jié)構(gòu)改進措施

結(jié)合前文分析可知，在兩種工況下，頂梁的柱窩及中部鉸接耳處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，其長時間的使用，極容易率先在此處發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此，對頂梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，具體如下：

1）增加頂梁柱窩處的材料厚度，在中部鉸接耳焊接時，增加焊縫高度，保證此區(qū)域具有較高的結(jié)構(gòu)強度；

2）在頂梁柱窩及中部鉸接耳應(yīng)力集中附近的非關(guān)鍵部位開設(shè)直徑為2 mm 的小孔，使其形成塑性鉸結(jié)構(gòu)，可使集中的部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移至塑性鉸處，緩解此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）將頂梁結(jié)構(gòu)的材料改為屈服強度更高的Q345 材料，針對頂梁柱窩及關(guān)鍵的受力部位進行局部熱處理工藝生產(chǎn)，以提升頂梁的整體屈服強度；

4）在頂梁底部的左右部位焊接一定強度的加強筋材料，使得其底部具有更好的支撐性能，提高頂梁的結(jié)構(gòu)強度；

5）頂梁使用過程中，應(yīng)盡量避免其長時間處于超負荷、偏心等工況下作業(yè)，定期對其結(jié)構(gòu)中焊接部位、柱窩及周邊受力部分進行檢查，若發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)一定問題，需及時采用維修保養(yǎng)措施，以此降低頂梁出現(xiàn)較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

5 結(jié)語

結(jié)合頂梁的實際作業(yè)工況，不斷開展其結(jié)構(gòu)性能的研究分析，找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位，是保障液壓支架高效作業(yè)的關(guān)鍵。頂梁結(jié)構(gòu)性能的提升，不僅能提高液壓支架的作業(yè)時間，也可避免因停機維修而產(chǎn)生的時間及資源浪費。本文針對ZF12000 型液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的研究得出“在扭轉(zhuǎn)載荷和偏心載荷下，頂梁的柱窩及中部鉸接耳部位為薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效”的結(jié)論，為優(yōu)化頂梁結(jié)構(gòu)，提升頂梁的結(jié)構(gòu)性能提供理論支撐。