ZC8800/20型液壓支架底座結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化分析*

畢國生

(潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司慈林山煤礦，山西 長子 046600)

0 引 言

礦用液壓支架是保證井下煤礦設(shè)備正常開采的重要支撐設(shè)備，主要作用是在巷道開采中對巷道頂板進(jìn)行有效支撐，如果自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度出現(xiàn)問題，加之巷道中的外界載荷沖擊，液壓支架會發(fā)生嚴(yán)重變形、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垮塌等失效現(xiàn)象，對礦井的作業(yè)安全造成很大影響[1]。

底座作為液壓支架中的關(guān)鍵設(shè)備，主要承受著來自頂部的較大載荷，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、筋板開裂、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，柱窩開裂等失效現(xiàn)象，對液壓支架的支撐效果構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。保證液壓支架較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及支撐性能成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)煤礦設(shè)備升級改造的重要方向之一。其中，底座作為整個結(jié)構(gòu)的重要部件，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更加至關(guān)重要[2]。

以ZC8800/20型液壓支架為分析對象，應(yīng)用有限元分析方法，對底座應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化等方面進(jìn)行了分析，從多個角度對結(jié)構(gòu)的薄弱部位提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，對提高底座及液壓支架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、保障井下具有更高開采效率起到重要作用。

1 底座結(jié)構(gòu)及問題分析

選用ZC8800/20型液壓支架為分析對象。此液壓支架的結(jié)構(gòu)主要由頂梁、底座、掩護(hù)梁、前后連桿、立柱、銷軸等組成，通過各部分的相互連接，完成對煤礦中不同巷道高度的支撐作用。其中，頂梁與巷道的頂板進(jìn)行接觸支撐，底座與地面進(jìn)行接觸支撐[3]。底座作為液壓支架中的關(guān)鍵部件，是整個液壓支架的支撐基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)中的前后柱窩主要與立柱進(jìn)行球面接觸，是整個底座的主要受力部位。在液壓支架實(shí)際支撐過程中，由于來自頂梁的外界作用力存在不確定性，致使液壓立柱及底座經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會因底座的失效導(dǎo)致整個液壓支架出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象[4]。因此對底座工作時(shí)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)掌握底座的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對其結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到有效提升整個液壓支架的可靠性和穩(wěn)定性的目標(biāo)。

2 底座結(jié)構(gòu)模型建立

(1) 三維模型建立

采用Pro/E軟件對液壓支架的底座進(jìn)行三維模型建立。所建立的底座整體結(jié)構(gòu)為箱式結(jié)構(gòu)，核心零件包括底板、縱向加強(qiáng)筋板、若干橫向筋板、柱窩、掩護(hù)梁連接孔等，筋板之間各設(shè)計(jì)一個柱窩，能滿足立柱上柱窩球面的有效接觸[5]。為保證頂梁在分析時(shí)具有較高的仿真結(jié)果，按照模型簡化原則，對底座中的較小圓角、較小圓孔、安裝孔、凸臺、倒角、較小加強(qiáng)板等特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了底座上的關(guān)鍵零件，按照1∶1的模型比例，完成了底座的三維模型建立，如圖1所示。

圖1 底座三維模型圖 圖2 液壓支架及底座的仿真模型圖

(2) 有限元模型建立

將建立的底座三維模型導(dǎo)入至ANSYS軟件中，建立了底座有限元模型。為使底座的結(jié)構(gòu)與實(shí)際更加符合，在建模時(shí)考慮了液壓支架中頂梁、掩護(hù)梁等結(jié)構(gòu)。根據(jù)底座的材料類型，將其材料屬性設(shè)置為Q235材料，其材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模型為2.0e5 MPa，屈服強(qiáng)度235 MPa，材料的抗拉強(qiáng)度為500 MPa，通過軟件對底座進(jìn)行材料屬性設(shè)置。同時(shí)，根據(jù)底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了六面體單元類型，對其進(jìn)行了SOLID實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，并對底座中的柱窩、關(guān)鍵受力點(diǎn)進(jìn)行了網(wǎng)格加密，保證底座結(jié)構(gòu)的受力情況滿足實(shí)際需求，底座的網(wǎng)格數(shù)量約為78 430個。利用軟件中的tie綁定功能，將底座中的橫向筋板、縱向筋板及連接板等零件進(jìn)行綁定約束，以模擬底座的實(shí)際焊接連接方式。另外，對底座的下平面進(jìn)行了固定約束，以模擬其底部與地面的接觸。外界施加載荷大小為0.48 MPa。液壓支架及底座整體的仿真模型如圖2所示。

3 底座結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

仿真分析得到了底座的應(yīng)力變化結(jié)果，如圖3所示。由圖可知，整個底座呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，在底座的前柱窩、后柱窩、工作面?zhèn)鹊葏^(qū)域均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為232.53 MPa，其中，柱窩的應(yīng)力值最大，基本達(dá)到了其材料的屈服強(qiáng)度235 MPa。沿著柱窩及工作面?zhèn)鹊乃闹芊较?，底座?yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢，同時(shí)，底座上的應(yīng)力呈中心左右對稱分布。由此說明：底座上的前后柱窩及中部工作底面是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，液壓支架頂梁上所受到的外界載荷力將通過立柱直接傳遞至底座柱窩上，最終傳遞至地面。因此，有必要對底座上的薄弱區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 底座上應(yīng)力變化云圖 圖4 底座結(jié)構(gòu)位移變形云圖

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

通過仿真分析，得到了底座的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖4所示。由圖可知，底座結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)位移分布不均勻現(xiàn)象，在底座的工作底面、前柱窩、后柱窩等區(qū)域均出現(xiàn)了一定的位移變化，其中工作底面上的變形量最大，為0.368 mm，前后柱窩的變形量相對更小。沿著最大變形處向四周，底座的變形情況呈逐漸減少的變化趨勢。同時(shí)，底座也沿左右兩側(cè)呈對稱變形。由此可知，底座上實(shí)際作用時(shí)，工作底面及前后柱窩是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦這些區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂，將對液壓支架的支護(hù)性能造成重要影響。因此，有針對性地對底座較大變形處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得十分必要。

4 底座改進(jìn)措施

根據(jù)底座的應(yīng)力變化和結(jié)構(gòu)位移變化分析可知，底座的中間底面、前柱窩、后柱窩是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦液壓支架所承受的外界載荷較大，極容易使底座在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、局部開裂或斷裂等失效現(xiàn)象[6]。為此，提出了如下優(yōu)化改進(jìn)措施。

(1) 在不影響底座及立柱的操作性能情況下，在底座的前后柱窩、中間底座等薄弱部位，焊接更多的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋可考慮10 mm厚，與底座進(jìn)行焊接，具體數(shù)量可根據(jù)底座結(jié)構(gòu)確定。

(2) 針對底座中出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域，可在其周邊開設(shè)直徑較小的圓孔，孔直徑可考慮3 mm，形成塑性鉸，能將集中應(yīng)力分散并轉(zhuǎn)移至圓孔處，解決較小頂梁整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題。

(3) 將底座的材料由Q235增加至Q355、Q400等，同時(shí)綜合考慮各類材料之間的焊接問題，可使得底座材料的屈服強(qiáng)度顯著提高，保證底座具有更高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(4) 在底座加工后，采用熱處理工藝方式對底座上的前后柱窩進(jìn)行加熱處理，同時(shí)安裝時(shí)添加潤滑油，保證柱窩處具有較小的摩擦力及較強(qiáng)支撐強(qiáng)度。

(5) 底座在實(shí)際支護(hù)過程中，應(yīng)盡量使其底面與巷道底面進(jìn)行較好接觸，保證液壓支架立柱的支撐高度及油缸同步性，以更好地對巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。

(6) 加強(qiáng)對液壓支架及底座結(jié)構(gòu)的維護(hù)、檢查，針對底座出現(xiàn)的變形或開裂問題，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)加固處理。

5 結(jié) 語

結(jié)合液壓支架的實(shí)際作業(yè)工況，從多個角度分析改進(jìn)和提高其結(jié)構(gòu)安全性，掌握各部件的受力及結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，是保證井下作業(yè)安全性的重要措施。為此，在分析液壓支架及底座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，從底座的應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化等方面開展了底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得出底座的中間底面、前柱窩、后柱窩在使用時(shí)受到了較大的應(yīng)力集中，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效問題，掌握了底座的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；從材料、結(jié)構(gòu)、熱處理、塑性鉸等方面提出了底座的優(yōu)化改進(jìn)措施，這對進(jìn)一步開展底座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全性具有重要指導(dǎo)作用。