礦用液壓支架后頂梁疲勞性能的分析及優(yōu)化措施

張 萌

（晉能控股煤業(yè)集團軒崗煤電有限責(zé)任公司機電修造廠，山西 忻州 034000）

引言

與普通液壓支架相比較，液壓支架同時具備有支護和充填的功能，其性能更加優(yōu)越[1-2]。隨著煤礦開采技術(shù)水平的不斷提升，液壓支架的使用越來越廣泛。由于液壓支架工作過程中需要間歇性地承受來自巷道頂部對其產(chǎn)生的作用力，對其各方面的性能包括疲勞性能，提出了相對較高的要求[3-4]。液壓支架作為保護裝置，一旦發(fā)生故障問題，輕則影響采煤過程的連續(xù)性，重則威脅到設(shè)備和人員的安全[5]。液壓支架后頂梁結(jié)構(gòu)工作時承受較大的作用力，是容易發(fā)生故障問題的結(jié)構(gòu)[6]?；诖耍疚闹饕槍σ簤褐Ъ芎罅航Y(jié)構(gòu)的疲勞性能進行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化改進措施。

1 液壓支架概述

本文以ZZC8800/20/38型液壓支架為例進行分析，如圖1所示為該型號液壓支架的整體結(jié)構(gòu)示意圖。該型號液壓支架的工作高度為2~3.8 m。支架的初撐力和工作阻力分別為7 800 kN和8 800 kN，自身質(zhì)量達到了30 t，能夠提供的支護強度為0.73 MPa。

圖1 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，液壓支架是一個非常復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含有很多零部件和裝置，對整體的可靠性提出了非常高的要求。液壓支架工作過程中，巷道頂部會對其前梁、頂梁和后頂梁等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常大的作用力，這些作用力通過立柱傳遞到底座部位。對前梁、頂梁和后頂梁結(jié)構(gòu)的綜合性能提出了非常高的要求。另外，考慮到液壓支架工作時會不斷移動，其承受的載荷為間歇式，對頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能也要求較高。

本文以液壓支架的后頂梁為例，對其工作時的疲勞行為進行分析，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，以提升后定量的疲勞性能，從而提升整個液壓支架的可靠性和穩(wěn)定性。

2 后頂梁有限元模型的建立

2.1 三維模型的建立

在建立有限元模型時，首先需要利用UG軟件根據(jù)后頂梁結(jié)構(gòu)的實際尺寸建立對應(yīng)的三維模型，后頂梁結(jié)構(gòu)的長度、寬度和高度分別為2.98 m、1.141 8 m和0.565 m。在建立模型時，為了提升模型的計算速度，需要對結(jié)構(gòu)中存在的較小結(jié)構(gòu)進行忽略處理，比如倒角、圓角等。但并不會對計算結(jié)果產(chǎn)生比較大的影響。將建立好的三維模型導(dǎo)出為STL通用格式，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中進行后續(xù)的有限元建模。

2.2 有限元模型的建立

將模型導(dǎo)入到有限元軟件后，需要設(shè)置后頂梁結(jié)構(gòu)的材料屬性。后頂梁通常使用Q460材料加工制作，該型號材料的彈性模量、泊松比、密度和屈服強度分別為206 GPa、0.28、7 850 kg/m3和460 MPa，將以上物理屬性參數(shù)輸入到有限元軟件中，以確保模型計算的準(zhǔn)確性。然后利用ANSYS軟件的自動網(wǎng)格劃分程序?qū)δＰ瓦M行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長會直接影響模型計算的速度以及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在綜合考慮計算時間和結(jié)果精度的情況下，本研究中將網(wǎng)格邊長大小設(shè)置為15 mm，最終劃分得到的節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)格單元數(shù)量分別為557 394個和319 283個。

3 后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能結(jié)果分析

建立好有限元模型后就可以調(diào)用軟件的計算程序?qū)δＰ瓦M行計算分析，最后對結(jié)果進行提取。在ANSYS軟件中利用Fatigue Tool對結(jié)構(gòu)件疲勞性能進行分析，主要是對其疲勞壽命和安全系數(shù)進行分析，如圖2所示為液壓支架后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和安全系數(shù)云圖。從圖中可以明顯看出，后頂梁結(jié)構(gòu)不同位置的疲勞壽命存在非常大差異，疲勞壽命的最大值達到了1×106次，但最小值卻只有5.953 8×105次。疲勞壽命最短的部位處在與立柱前段相接處的部位。本文在計算液壓支架后頂梁安全系數(shù)時，將疲勞壽命設(shè)置為5×105次。從安全系數(shù)云圖中可以明顯看出，后頂梁結(jié)構(gòu)不同位置的安全系數(shù)也存在很大的差異，安全系數(shù)最大值達到了15，但是最小值只有1.190 7。結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)全部超過了1，說明整個液壓支架后頂梁在運行時還是相對安全的，但安全系數(shù)存在如此大的差異，表明結(jié)構(gòu)的設(shè)計存在缺陷，導(dǎo)致不同位置的安全系數(shù)嚴(yán)重不平衡，會存在材料浪費的問題，增加了后頂梁結(jié)構(gòu)的加工制作成本，有進一步優(yōu)化改進的空間。

圖2 優(yōu)化前的后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析結(jié)果

4 后頂梁的優(yōu)化改進及其實踐應(yīng)用

4.1 后頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

基于以上分析可以看出，液壓支架后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能存在很大的差異，出現(xiàn)這種情況的根本原因在于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。為了不造成材料浪費，降低后頂梁結(jié)構(gòu)的加工制作成本，有必要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。本研究中，以圖3所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化對象，基于正交實驗方法對以上結(jié)構(gòu)參數(shù)進行取值，再利用ANSYS軟件建立模型并計算得到疲勞性能結(jié)果，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的疲勞分析結(jié)果進行對比研究，直到獲得最優(yōu)結(jié)果為止。

圖3 后頂梁的優(yōu)化改進對象

基于以上思路開展優(yōu)化改進工作，最終發(fā)現(xiàn)A、B、C、D、E、F、G、H、I的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為203 mm、31 mm、145 mm、130 mm、130 mm、58 mm、1 mm、3 mm、23 mm時，后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能最優(yōu)。圖4所示為優(yōu)化改進后液壓支架后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析結(jié)果。從圖中可以看出，后頂梁的疲勞壽命和安全系數(shù)仍然分布不均勻，但其最大值與優(yōu)化改進前相比均保持不變，最小值分別增加到了6.234 5×105次和1.345 4。最小值與優(yōu)化改進前相比有所增加，表明通過對后頂梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，使得疲勞壽命和安全系數(shù)的不均勻性得到了一定程度的改善。

圖4 優(yōu)化后的后頂梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析結(jié)果

后頂梁結(jié)構(gòu)在優(yōu)化改進前，利用軟件可以計算得到其質(zhì)量為2 460.4 kg，優(yōu)化改進后利用同樣的方法可以計算得到該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為2 215.3 kg，其質(zhì)量降低了9.96%。但通過優(yōu)化改進，在完全相同的工況條件下，后頂梁的最小疲勞壽命和安全系數(shù)分別增加了4.71%和12.99%?？梢?，通過對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，不僅降低了后頂梁的重量，從而降低了生產(chǎn)加工成本，同時還在一定程度上提升了結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

4.2 改進后的實踐應(yīng)用效果

將優(yōu)化改進后的后頂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到液壓支架中，對其實踐應(yīng)用情況進行了連續(xù)3個月時間的觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其實踐應(yīng)用情況良好，整個觀察期間后頂梁結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。經(jīng)過現(xiàn)場工作人員初步的估算，認為此次優(yōu)化改進能夠使后頂梁結(jié)構(gòu)的使用壽命提升10%以上，降低設(shè)備的運行故障率?；谏鲜龇治隹梢钥闯觯瑑?yōu)化后的后頂梁結(jié)構(gòu)使得液壓支架設(shè)備的運行效率得到了更好的保障，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，獲得了現(xiàn)場技術(shù)人員的一致好評。

5 結(jié)論

本文以ZZC8800/20/38型液壓支架后頂梁結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對象，對其使用過程中的疲勞性能進行分析和研究，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，所得結(jié)論主要如下：

1）后頂梁結(jié)構(gòu)不同位置的疲勞壽命和安全系數(shù)存在明顯的差異，主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，增加了結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工成本；

2）對后頂梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，使得結(jié)構(gòu)件的最小疲勞壽命和安全系數(shù)分別增加了4.71%和12.99%，而其重量則降低了9.96%，在提升結(jié)構(gòu)件疲勞性能的同時降低了加工成本；

3）將優(yōu)化改進后的后頂梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到液壓支架工程實踐中，有效提升了設(shè)備運行的可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。