李鵬宇

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

隨著當(dāng)前煤礦資源的大量開采，煤礦設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤礦開采中。礦用液壓支架作為井下作業(yè)的重要設(shè)備，保障其設(shè)備的高效支撐性、低故障率、操作簡(jiǎn)單、維修方便，縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，成為保障井下正常作業(yè)的重點(diǎn)任務(wù)[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上煤礦開采過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)液壓支架頂梁受超大載荷作用、頂梁及底座偏載、液壓支架超長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)等現(xiàn)象，致使液壓支架在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)頂梁、尾梁結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重、立柱及千斤頂升降不靈活、支架移動(dòng)不合理等現(xiàn)象，這給井下煤礦的開采效率及作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，其中，尾梁的故障失效問題成為此次研究的重點(diǎn)[2]。采用科學(xué)、高效的有限元分析方法，對(duì)尾梁在使用中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，成為提升液壓支架綜合性能的重點(diǎn)。為此，以ZY12000 型礦用液壓支架中尾梁為研究對(duì)象，開展了其在使用中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究，并提出了尾梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的措施及改進(jìn)后效果評(píng)價(jià)，這對(duì)提供井下作業(yè)安全具有重要意義。

1 液壓支架存在問題

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

目前，礦井中使用的液壓支架結(jié)構(gòu)基本相同，主要由頂梁、掩護(hù)梁、立柱、尾梁、底座、連板、插柱、插槽等組成，其結(jié)構(gòu)組成圖如圖1 所示[2]。在圖中，P為頂梁受到的頂板垂直載荷，F(xiàn)c為立柱所承受的支撐力，F(xiàn)m為頂梁與頂板之間的摩擦力，通過各部件的相互配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下工作面的有效支撐。由于液壓支架作業(yè)環(huán)境的惡劣性及復(fù)雜性，其在使用中經(jīng)常出現(xiàn)插柱嚴(yán)重、頂梁變形、設(shè)備穩(wěn)定性較差、尾梁局部開裂、移架和調(diào)節(jié)困難等技術(shù)問題，致使液壓支架對(duì)工作面的支撐性能及作業(yè)效率受到較大影響。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用較多的液壓支架結(jié)構(gòu)均具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較差等問題[3]。其中，尾梁作為液壓支架的關(guān)鍵部件，在液壓支架移動(dòng)過程中，掉下的頂煤將直接沖擊尾梁，造成了尾梁出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形、鉸接耳處的開裂或斷裂現(xiàn)象，加上頂梁作業(yè)過程中受出現(xiàn)偏心受載等問題，作用力傳遞至尾梁結(jié)構(gòu)上后，加劇了尾梁的結(jié)構(gòu)失效概率[4]。另外，與尾梁連接的千斤頂也由于受到外部頂煤的較大沖擊作用，致使油缸表面的出現(xiàn)了撞傷、碰傷等問題，千斤頂?shù)闹渭安僮魇艿搅藝?yán)重影響。因此，將重點(diǎn)對(duì)尾梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能情況進(jìn)行分析研究，以提高尾梁的使用壽命及液壓支架的作業(yè)安全。

2 尾梁分析模型建立

2.1 三維模型建立

結(jié)合ZY12000 型液壓支架的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，為有效掌握尾梁作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，采用了Solidworks 軟件，對(duì)尾梁進(jìn)行了三維模型建立。由于尾梁主體采用的Q345 材料進(jìn)行焊接形成，屬于純剛性結(jié)構(gòu)。因此，在建模過程中，主要對(duì)尾梁的背板、底板及上下鉸連耳等部件進(jìn)行了繪制[5]。為提高尾梁在分析中的仿真精度，對(duì)尾梁結(jié)構(gòu)中的過渡圓角、過渡圓弧、較小圓孔進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，所建立的尾梁三維模型如下頁圖2 所示。

圖2 尾梁三維模型圖

2.2 仿真模型建立

結(jié)合建立的尾梁三維模型，將其導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。由于尾梁實(shí)際采用的是Q345 材料，故在仿真模型建立過程中，將尾梁的材料屬性設(shè)置為Q345 材料，材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa，其主要參數(shù)如表1 所示[6]。根據(jù)尾梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了實(shí)體單元類型，對(duì)其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，在頂梁的上下鉸接耳連接處，進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，如圖3 所示。在軟件中，尾梁與液壓支架其他部件之間的連接采用了旋轉(zhuǎn)約束，液壓支架底座進(jìn)行了固定約束，模擬液壓支架的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)。由此，完成尾梁的仿真模型建立。

表1 Q345 材料主要參數(shù)表

圖3 液壓支架及尾梁網(wǎng)格劃分圖

3 尾梁不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于液壓支架在井下作業(yè)的工況環(huán)境相對(duì)較多，為有效掌握尾梁在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律，主要對(duì)尾梁在底座兩端受集中載荷和底座中間受集中載荷等工況條件下進(jìn)行了分析研究。

3.1 底座兩端集中載荷工況

在模擬過程中，底座兩端集中載荷工況主要是在液壓支架底座兩端安裝尺寸為1 600 m×200 m×40 mm 的墊塊，使得底座承受均勻的外部載荷作用，其示意圖如圖4 所示。

圖4 底座兩端集中載荷示意圖

通過分析，得到了尾梁在此工況下的應(yīng)力變化圖。由圖5 可知，尾梁整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力集中在尾梁左側(cè)與掩護(hù)梁連接的鉸接耳處，達(dá)到198.85 MPa，在材料的屈服強(qiáng)度345 MPa 范圍內(nèi)，而尾梁右側(cè)與掩護(hù)梁連接的鉸接耳處應(yīng)力值也相對(duì)較高，為185.3 MPa。尾梁上的應(yīng)力值由最大應(yīng)力處向尾梁底部呈逐漸減少趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋何擦涸谧鳂I(yè)過程中，雖底座受到兩端的集中載荷，但在頂梁處由于受到左側(cè)的單側(cè)偏載作用，會(huì)使頂梁出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，而偏載產(chǎn)生的作用力傳遞至尾梁上，故在尾梁左側(cè)所受應(yīng)力相對(duì)較高。由此說明，尾梁整體結(jié)構(gòu)性能基本能滿足液壓支架在此工況下的作業(yè)需求，但尾梁長(zhǎng)期處于偏載受力狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響兩側(cè)鉸接耳處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在使用過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此現(xiàn)象。

圖5 尾梁應(yīng)力變化圖

3.2 底座中間集中載荷工況

底座中間集中載荷工況主要是指在底座中間安裝尺寸為1 600 m×200 m×40 mm 的墊塊，使得底座中部較大的外部載荷作用，其示意圖如圖6 所示。

圖6 底座中間集中載荷示意圖

結(jié)合仿真分析，得到了尾梁在此工況下的應(yīng)力變化圖，如下頁圖7 所示。由圖可知，尾梁整體結(jié)構(gòu)上應(yīng)力值出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，在尾梁與頂梁連接的左側(cè)鉸接耳處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了429.27 MPa，超過了尾梁結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度345 MPa；尾梁與掩護(hù)梁連接處的右側(cè)鉸接耳處應(yīng)力值也相對(duì)較高，達(dá)到了356.3 MPa；由最大應(yīng)力處沿著尾梁向下，應(yīng)力值呈逐漸減少的變化趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋河捎诘鬃艿捷^大的中部載荷作用，而尾梁的底端則直接與底座進(jìn)行連接，致使底座上的不平衡作用力傳遞至尾梁結(jié)構(gòu)上，出現(xiàn)了應(yīng)力相對(duì)較高現(xiàn)象。因此，尾梁與掩護(hù)梁連接的鉸接耳處是整個(gè)尾梁的薄弱部位，若尾梁長(zhǎng)期處于此高應(yīng)力集中狀態(tài)，則極容易率先在此處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著尾梁及液壓支架的作業(yè)效率及安全。

圖7 尾梁應(yīng)力變化圖

4 尾梁的改進(jìn)及效果分析

4.1 尾梁改進(jìn)

結(jié)合前文的尾梁不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可知，與頂梁連接處的鉸接耳處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中極容易率先出現(xiàn)開裂或斷裂等問題，嚴(yán)重影響著尾梁的使用壽命。為此，需對(duì)尾梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，具體如下：

1）將鉸接耳的外形圓弧尺寸增加5 mm，鉸接耳的中部銷軸孔直徑增加5 mm，并對(duì)銷軸孔進(jìn)行淬火、調(diào)質(zhì)等熱處理，以提升在尾梁鉸接耳處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）在尾梁加工生產(chǎn)過程中，增加鉸接耳處的表面粗糙度，保證銷軸孔的粗糙度達(dá)到Ra1.6，并定時(shí)在此處添加潤(rùn)滑油，減少鉸接耳處的局部摩擦；

3）由于尾梁背板經(jīng)常會(huì)受到來自井下煤石的撞擊作用，故可在背板上焊接加強(qiáng)板，增加尾梁背部的抗沖擊性及抗砸性。

4.2 改進(jìn)后效果分析

在完成尾梁改進(jìn)后，將其安裝在ZY12000 型的液壓支架上，進(jìn)行了將近6 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。試用后發(fā)現(xiàn)，尾梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大增加，在鉸接耳及其他受力區(qū)域未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或局部開裂現(xiàn)象，鉸接耳的旋轉(zhuǎn)靈活性相對(duì)較好，和最初狀態(tài)基本一致。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員介紹，改進(jìn)后的尾梁結(jié)構(gòu)解決了頻繁對(duì)頂梁鉸接處進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、添加潤(rùn)滑性等操作，且液壓支架的調(diào)節(jié)性能也大幅度提高，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，建議進(jìn)行推廣應(yīng)用。