礦用液壓支架掩護(hù)梁的受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張?zhí)煊?/p>

(西山煤電設(shè)備租賃公司，山西 太原 030024)

0 引 言

綜采工作面的機(jī)械化顯著提升了煤礦的開采效率，液壓支架是機(jī)械化中的重要構(gòu)成部分，在保障煤礦生產(chǎn)安全方面發(fā)揮著非常重要的作用[1]。液壓支架在工作時(shí)頂梁和底座分別與工作面巷道的頂板和底板接觸，目的是防止煤礦開采過程中巷道頂板發(fā)生塌落對(duì)煤礦開采設(shè)備和人員安全構(gòu)成威脅[2-3]。液壓支架工作時(shí)需要承受非常大的作用力[4]，掩護(hù)梁是液壓支架中的重要結(jié)構(gòu)部件，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)故障問題，主要原因在于掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)存在缺陷，導(dǎo)致其整體受力不均勻，應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生故障[5-6]。針對(duì)該問題，筆者以ZY4000型掩護(hù)式液壓支架為例，利用有限元軟件建立了液壓支架的受力分析模型，基于分析結(jié)果對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)概述

以ZY4000型液壓支架為例進(jìn)行分析和研究，如圖1所示為該信號(hào)液支架的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 液壓支架整體結(jié)構(gòu)示意圖

液壓支架主要由七大部分構(gòu)成，分別為頂梁、底座、推移裝置、立柱、操縱閥、四連桿結(jié)構(gòu)和掩護(hù)梁。不同機(jī)械結(jié)構(gòu)都有各自的功能，在各個(gè)構(gòu)的綜合作用下實(shí)現(xiàn)液壓支架的功效。其中，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)上面與頂梁進(jìn)行鉸接，下面與四連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉸接，除了承受頂梁結(jié)構(gòu)在水平方向上的載荷，同時(shí)還承受采空區(qū)煤礦巖石冒落對(duì)液壓支架造成的沖擊作用，目的是為設(shè)備操作人員提供一個(gè)安全可靠的空間，因此，掩護(hù)梁的整體受力情況比較復(fù)雜，特別容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。以下利用有限元軟件建立了液壓支架的受力分析模型，對(duì)掩護(hù)梁的受力情況進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的故障率，提升整體的使用壽命。

2 掩護(hù)梁的受力分析模型

2.1 三維模型的建立

根據(jù)ZY4000型掩護(hù)式液壓支架的實(shí)際尺寸，利用SolidWorks軟件建立掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的三維幾何模型。在模型建立過程中，為提升模型計(jì)算的速度和效率，得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，將掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)中一些比較細(xì)小的結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓和小圓孔等不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響的地方進(jìn)行了忽略處理。

2.2 有限元模型的建立

(1) 模型導(dǎo)入。將在SolidWorks軟件中建立好掩護(hù)梁三維模型導(dǎo)出為STL格式，并導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行后續(xù)模型的建立。

(2) 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧＠糜邢拊浖M(jìn)行模擬分析時(shí)，網(wǎng)格劃分是非常重要的步驟。網(wǎng)格劃分質(zhì)量會(huì)對(duì)模型計(jì)算過程及結(jié)果精度產(chǎn)生直接影響。網(wǎng)格類型及網(wǎng)格尺寸大小均會(huì)影響計(jì)算過程和結(jié)果。ANSYS軟件中提供了多種類型的網(wǎng)格單元，本模型中選用六面體網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，同時(shí)利用軟件對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行自動(dòng)確定。最終劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為18324和21329。

(3) 材料屬性設(shè)置。實(shí)踐應(yīng)用中ZY40003型液壓支架的掩護(hù)梁是通過Q690型材料加工制作。查閱材料手冊(cè)可知，該型號(hào)材料的泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉極限強(qiáng)度、彈性模量和密度分別為0.29、690 MPa、900 MPa、200 GPa、7 800 kg/m3。將以上材料屬性輸入到ANSYS有限元模型中，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 掩護(hù)梁的受力結(jié)果分析與討論

建立掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)有限元模型后，可以調(diào)取分析計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，使用后處理模塊提取計(jì)算結(jié)果，如圖2所示為掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移變形分布云圖。由圖2(a)可知，液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)不同位置的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不均勻性，且不同位置的應(yīng)力存在比較大的差異。絕大部分位置的應(yīng)力相對(duì)較小，幾乎為零。應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在部分位置，具體而言應(yīng)力主要集中在前側(cè)中間主筋部位，最大應(yīng)力值達(dá)到了858.89 MPa。由圖2(b)可知，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的位移變形情況也存在比較大的不均勻性，兩側(cè)護(hù)板的位移變形情況相對(duì)較大，最大值達(dá)到了18.812 mm，且越往中間走位移變形逐漸減小，其他部位的位移變形情況相對(duì)較小，幾乎可以忽略不計(jì)。

圖2 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移變形分布云圖

基于以上分析得出，液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)在工作時(shí)存在明顯的應(yīng)力和位移變形集中現(xiàn)象，特別是應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，最大值達(dá)到了858.89 MPa。掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)是利用Q690材料加工制作，該材料的屈服強(qiáng)度為690 MPa，抗拉強(qiáng)度超過了900 MPa?？煽闯觯谧o(hù)梁應(yīng)力集中最大值已經(jīng)超過了材料的屈服強(qiáng)度，但還沒有超過抗拉極限強(qiáng)度。過大的應(yīng)力值必然會(huì)導(dǎo)致這些部位易出現(xiàn)應(yīng)力損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件失效。

4 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)及實(shí)踐應(yīng)用

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于以上掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移變形分布云圖分析，掩護(hù)梁的中間主筋和側(cè)護(hù)板應(yīng)力或者位移變形情況比較嚴(yán)重，有必要增加其厚度，確保這些結(jié)構(gòu)部位的剛度和強(qiáng)度。其它部位的應(yīng)力和位移變形情況相對(duì)較小，可以適當(dāng)降低厚度，以降低整體的重量，節(jié)約掩護(hù)梁的加工制作成本。具體而言，將主筋板和側(cè)護(hù)板的厚度均增加5 mm，而將蓋板和側(cè)板的厚度降低5 mm。上述結(jié)構(gòu)的位置見圖3。

圖3 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)部位

再次利用SolidWorks和ANSYS軟件建立優(yōu)化改進(jìn)后的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)受力分析模型，并對(duì)其開展模擬仿真工作，提取仿真結(jié)果，如圖4所示為優(yōu)化改進(jìn)后掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后掩護(hù)梁的受力分布云圖

由圖可知，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布仍然呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，應(yīng)力更多的集中在局部區(qū)域。應(yīng)力最大值只有338.64 MPa，與優(yōu)化改進(jìn)前的858.89 MPa比較，最大應(yīng)力降低幅度達(dá)到了60.57%。應(yīng)力最大值降低到了Q690材料的屈服強(qiáng)度690 MPa范圍以內(nèi)，意味著整個(gè)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)任何位置都不會(huì)出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，更不會(huì)產(chǎn)生塑性損傷，因此整體結(jié)構(gòu)性能得到顯著提升。

4.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將優(yōu)化改進(jìn)后的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到ZY4000型液壓支架工程實(shí)踐中，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)月的測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)整體運(yùn)行良好，整個(gè)測(cè)試期間沒有出現(xiàn)明顯故障。通過與優(yōu)化前的數(shù)據(jù)比較分析認(rèn)為，此次優(yōu)化改進(jìn)使得掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的使用壽命整體提升了20%以上。不僅為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，有效提升了液壓支架的開機(jī)時(shí)間，為煤礦的正常生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

主要對(duì)ZY4000型液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了模擬仿真分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，所得結(jié)論如下。

(1) 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的受力和位移變形情況非常不均勻，位于中間的主筋和位于側(cè)邊的側(cè)護(hù)板應(yīng)力和位移變形最顯著，最大應(yīng)力值和位移變形量分別達(dá)到了858.89 MPa和18.812 mm。

(2) 對(duì)掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要是將側(cè)護(hù)板和主筋厚度增加5 mm，將護(hù)板和蓋板厚度降低5 mm，再次模擬分析發(fā)現(xiàn)掩護(hù)梁最大應(yīng)力值降低到了338.64 MPa。

(3) 將優(yōu)化改進(jìn)后的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，使掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的使用壽命提升了20%以上，效果顯著。