張 強(qiáng)

（山西大同永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

引言

放頂煤液壓支架作為煤炭采掘過程中的重要設(shè)備，是采煤工作面正常運(yùn)行的重要保障[1]，直接關(guān)系著煤炭開采的安全性和效率，必須引起高度重視[2-3]。頂梁作為放頂煤液壓支架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與液壓支架的承載能力息息相關(guān)[4-6]。

1 放頂煤液壓支架的特點(diǎn)及問題

煤炭采掘工作面內(nèi)正在使用的是F2400型放頂煤液壓支架，因其具有很好的適應(yīng)性，在煤炭采掘工作中的應(yīng)用較為廣泛。其特點(diǎn)包括：具有連續(xù)較低的放煤口，放煤效果好、采出率高；煤壁到放煤口的距離較大，有利于頂煤的破碎及放落；較低的出煤口有利于降低工作面內(nèi)部的煤塵濃度，可改善礦工的作業(yè)環(huán)境；四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)用，使其具有較強(qiáng)的承載能力，工作穩(wěn)定性較好；尾板具有切割煤塊的功能，保證放煤口下煤順利進(jìn)行，有利于頂煤的冒落，保證放煤的連續(xù)性和效率。雖然放頂煤液壓支架具有較多的優(yōu)點(diǎn)，但是近兩年煤炭采掘量不斷增加，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，因頂梁服役條件較為苛刻，工作過程中出現(xiàn)了破壞，導(dǎo)致液壓支架失效，因此有必要進(jìn)行原因分析和優(yōu)化改進(jìn)。

2 放頂煤液壓支架頂梁有限元分析

2.1 頂梁三維模型的建立

放頂煤液壓支架頂梁有限元分析的第一步是建立頂梁的三維模型，經(jīng)過頂梁的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，結(jié)合工程圖紙，完成了F2400型放頂煤液壓支架頂梁三維模型的建立。為了提高后續(xù)有限元仿真分析的效果，降低仿真計(jì)算時(shí)間，建模過程中進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，忽略了結(jié)構(gòu)中對(duì)分析結(jié)果影響不大的倒角、圓角、螺紋等。

2.2 材料屬性設(shè)置及網(wǎng)格的劃分

完成F2400型放頂煤液壓支架頂梁三維模型建立之后另存為.igs 格式文件，將其直接導(dǎo)入到ANSYS仿真計(jì)算軟件中，打開無誤即可進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，頂梁材料為16Mn，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa。材料屬性設(shè)置之后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，為了保證頂梁網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，因其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，選擇自由化分網(wǎng)格的方法，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1 所示。

圖1 頂梁網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 載荷與約束的施加

仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與其載荷及約束條件的施加密切相關(guān)，根據(jù)放頂煤液壓支架頂梁的實(shí)際工作情況確定頂梁兩端的載荷設(shè)置為額定工作壓力的1.2倍為宜。分析過程中的姿態(tài)設(shè)置為支架最大高度減去支架行程的1/3，約2.5 m。結(jié)合放頂煤液壓支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及位姿狀態(tài)，計(jì)算得到頂梁所受的集中力大小為7 500 kN，有限元仿真計(jì)算時(shí)將其均布在各個(gè)柱窩位置。邊界條件設(shè)置時(shí)，將頂梁墊塊位置為位移約束，具體將其X、Y、Z 方向的位移均設(shè)置為零。

2.4 仿真結(jié)果分析

完成放頂煤液壓支架頂梁有限元分析前處理之后可以啟動(dòng)ANSYS 仿真軟件自帶求解器，進(jìn)行放頂煤液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算。仿真計(jì)算完成時(shí)從分析結(jié)果中提取放頂煤液壓支架頂梁仿真分析結(jié)果，獲得應(yīng)力分布云圖如下頁圖2 所示。由圖2的放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)力分布云圖可以看出其最大應(yīng)力值為321.458 MPa，存在明顯的應(yīng)力集中，位置出現(xiàn)在了放頂煤液壓支架頂梁的柱窩。應(yīng)力集中位置的應(yīng)力值為321.458 MPa，與其材料的屈服強(qiáng)度極為接近，是其工作過程中出現(xiàn)破壞的主要原因，因此必須進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)才能避免類似破壞事故的再次發(fā)生。

圖2 放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)力（Pa）分布云圖

3 放頂煤液壓支架頂梁的改進(jìn)

3.1 改進(jìn)策略

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法眾多，類似放頂煤液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)件，在提高強(qiáng)度改進(jìn)時(shí)的方法包括以下幾種：第一是更換放頂煤液壓支架頂梁的加工材料，將原來的16Mn 用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或者合金鋼代替，以此提高整個(gè)放頂煤液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力；第二是優(yōu)化改進(jìn)放頂煤液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝，得到最優(yōu)的熱處理方法，以此充分發(fā)揮放頂煤液壓支架頂梁使用材料的力學(xué)性能，達(dá)到提高力學(xué)性能均勻性和承載能力的效果；第三是改進(jìn)放頂煤液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)形狀，避免出現(xiàn)變化較大的截面和尺寸，降低結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中的可能，保證其較好的承載能力；第四是在放頂煤液壓支架頂梁中應(yīng)力集中位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增加筋板或者應(yīng)力集中位置的板厚等，以便降低放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)力集中程度。綜合考慮放頂煤液壓支架頂梁改進(jìn)的可行性，此處選擇在放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)力集中位置布置筋板的方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在頂梁四個(gè)柱窩的位置增加了兩條加強(qiáng)板，改進(jìn)之后的放頂煤液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 放頂煤液壓支架頂梁改進(jìn)結(jié)構(gòu)

3.2 改進(jìn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證放頂煤液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)的結(jié)果，對(duì)改進(jìn)之后的放頂煤液壓支架頂梁再次進(jìn)行三維模型的建立，之后采用與改進(jìn)之前有限元仿真分析前處理相同的過程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成啟動(dòng)ANSYS 有限元仿真軟件的求解器進(jìn)行放頂煤液壓支架頂梁的強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如圖4 所示。由圖4 改進(jìn)之后的放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力值為246.189 MPa，應(yīng)力集中位置依然出現(xiàn)在放頂煤液壓支架頂梁的柱窩，相較于改進(jìn)之前降低了約75 MPa，應(yīng)力集中應(yīng)力值遠(yuǎn)離放頂煤液壓支架頂梁材料的屈服強(qiáng)度。由此可見，通過在柱窩位置增加加強(qiáng)板的改進(jìn)方法取得了很好的改進(jìn)效果，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中的放頂煤液壓支架頂梁改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 改進(jìn)放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)力（Pa）分布云圖

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

根據(jù)上述仿真分析與改進(jìn)結(jié)果開展了放頂煤液壓支架頂梁的制造工作，并且將重新加工的放頂煤液壓支架頂梁應(yīng)用到了服役的放頂煤液壓支架當(dāng)中，進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄。結(jié)果表明，改進(jìn)之后的放頂煤液壓支架頂梁工作過程中穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)當(dāng)前工作面的采煤強(qiáng)度。相較于改進(jìn)之前，放頂煤液壓支架的故障率降低近15%，節(jié)約維修成本近5%，預(yù)計(jì)放頂煤液壓支架使用壽命能夠延長(zhǎng)7%，為企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近230 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果，也驗(yàn)證了仿真優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1）液壓支架頂梁破損的主要原因是頂梁的柱窩位置存在應(yīng)力集中，應(yīng)力值為321.458 MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度。

2）通過在頂梁的柱窩位置增加加強(qiáng)板的方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)之后的應(yīng)力集中情況得到了改善，放頂煤液壓支架的故障率降低近15%，節(jié)約維修成本近5%，預(yù)計(jì)放頂煤液壓支架使用壽命能夠延長(zhǎng)近7%，為企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近230 萬元/年。