煤礦液壓支架連板結構性能的仿真研究

尹 靜

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠技術中心， 山西 大同 037000）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，對煤礦開采中的作業安全越來越重視，礦用液壓支架作為井下作業中的重要支撐設備，保證其結構具有較高的支撐性能對保障煤礦的高效率開采至關重要[1]。連板則是液壓支架中的關鍵部件，但由于井下環境的惡劣性，加上液壓支架的受載工況相對復雜，導致連板在使用中極容易出現結構變形或結構開裂現象，這將嚴重影響液壓支架的支撐性能[2]。因此，有必要對連板在使用中的結構性能進行研究分析。通過對連板使用中存在問題進行分析，建立了連板的三維及仿真模型，開展了連板在頂梁偏載底座兩端工況及頂梁偏載底座中部工況條件下的結構強度分析，并結合其結構的變形規律，對連板進行了改進設計研究，這對提高連板的結構性能及液壓支架的支撐效果具有重要作用。

1 礦用液壓支架連板問題的分析

隨著煤礦企業對液壓支架的不斷研發及優化改進，目前在煤礦企業中常用到的液壓支架包括掩護式液壓支架、支撐式液壓支架、支撐掩護式液壓支架等類型，應根據井下環境的不同，有選擇性地使用液壓支架[3]。目前，大部分液壓支架的結構組成基本相同，主要由頂梁、立柱、掩護梁、四連桿機構、千斤頂、護幫裝置、連板、底座、推移裝置等部件組成，其結構組成圖如圖1 所示，而連板作為液壓支架中的關鍵部件，其上端通過鉸接銷軸與掩護梁進行連接，而下端與底座通過鉸銷軸連接，總共包括4 根銷軸。但在連板使用過程中，也經常出現各類問題，主要問題包括：

圖1 礦用液壓支架結構組成圖

1）連板在使用中由于受到多種工況條件影響，在長時間使用過程中出現了銷軸孔局部變形現象，使得液壓支架的作業安全受到嚴重威脅[3]；

2）由于現有連板的結構強度相對較弱，當外部受到較大沖擊作用時，連板也在局部區域發生了較大的結構變形，連板的整體結構及材料強度相對較弱；

3）連板出現故障失效現象后，液壓支架的支撐效果明顯降低，嚴重時導致液壓支架必須停止作業而進行部件的維修及更換[4]。

2 連板模型的建立

2.1 連板三維模型的建立

為進一步分析連板的結構性能，采用了低成本的連板結構性能研究方法，對連板進行了三維模型的建立。結合液壓支架中連板的實際結構特點，采用Soliiworks 軟件，按照1：1 模型比例[5]，建立連板的三維模型。在建模過程中，對連板上焊縫、較小倒角、較小圓角等特征進行了模型簡化，僅保留了連板上鉸接耳、蓋板及底板等結構部分，所建立的連板三維模型如下頁圖2 所示。

2.2 連板仿真模型的建立

結合建立的連板三維模型，將其倒入至ABAQUS 軟件中，對其進行了仿真模型建立。由于連板在實際生產中，主要采用普通的Q235 材料[6]，故在該軟件中，首先將其結構的材料設置為了Q235材料，其材料的屈服強度為235 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為206 GPa，材料密度為7 850 kg/m3。同時，對其結構進行了網格劃分，網格大小設置為5 mm，連板的網格劃分圖如圖3 所示。另外，對連板與底座連接的銷軸孔處進行了旋轉接觸約束，另一端進行了固定約束，并通過等效計算，對連板進行了載荷實際，以此模擬連板在頂梁偏載底座兩端工況及頂梁偏載底座中部工況下結構強度變化情況，從而完成了液壓支架連板的仿真模型建立。

圖2 液壓支架連板三維模型圖

圖3 液壓支架連板的網格劃分圖

3 連板結構性能的分析

通過前文建立的連板仿真模型，主要從連板在頂梁偏載底座兩端工況及頂梁偏載底座中部工況條件的結構應力變化方面，開展了其結構的強度分析研究。

3.1 頂梁偏載底座兩端條件下連板應力變化

通過仿真分析，得到了連板在頂梁偏載底座兩端條件下的應力變化圖，如圖4 所示。在該圖中，連板上整體結構出現應力分布不均勻現象，而大部分應力集中在連板與底座鉸接處，并在連板偏載側出現了最大的應力值，且沿銷孔位置向兩側呈逐漸減小趨勢，最大應力值為93.972 MPa；同時，連板中部及上部的應力值則相對較小。出現此現象的原因為在頂梁偏載條件下，連板一側與底座連接處的作用力相對較大，由此導致連板出現了局部應力集中現象。但若連板長時間在此工況條件下作業，極容易使結構出現疲勞失效現象，影響液壓支架的支撐性能。

3.2 頂梁偏載底座中部條件下連板應力變化

通過仿真分析，得到了連板在頂梁偏載底座中部條件下的應力變化圖，如圖5 所示。由圖可知，連板整體結構也出現了應力分布不均勻現象，且最大應力值也出現在連板下端與底座鉸接連接處，并沿連板銷孔兩側呈減小的變化趨勢；但與頂梁偏載底座兩端工況相比，連板上的應力值相對較高，最大應力值達到了184.12 MPa，雖未超過材料的屈服強度235 MPa，但在此工況下的應力值明顯增大。若連板在此工況條件下長時間作業，則會更容易發生疲勞失效現象，對液壓支架的結構性能構成重要威脅。

圖4 液壓支架連板應力（MPa）變化圖

圖5 連板應力（MPa）變化圖

圖6 改進后液壓支架連板結構圖

4 連板的改進設計

結合前文分析，得到了液壓支架連板在頂梁偏載底座兩端工況及頂梁偏載底座中部工況條件均出現了應力集中現象，則最大應力值均出現在連板與底座鉸接處。為保障連板結構具有更高的結構性能及更長的使用壽命，有必要對連板結構的局部位置進行優化改進設計，具體如下：

1）可在不影響連板安裝情況下，對連板上下鉸接處的直角進行圓角改進，圓角尺寸設計為R5 mm，如圖6 所示，可緩解連板在此些部位的應力集中現象；

2）在連板上下部分的四個鉸接孔周邊開設4 個孔徑為Φ2mm 圓孔，如圖6 所示，由此可將銷軸孔處集中的應力轉移至小孔處，緩解銷軸孔處的應力集中現象；

3）根據連板在兩種工況條件下的應力分布情況，在后期生產中，可將其材料改為Q345 材料，以此來提高連板材料的屈服強度，保證其結構具有較好的結構性能；

4）由于連板在頂梁偏載底座中部條件下的應力值大于頂梁偏載底座兩端工況條件下值，故在實際使用中，應盡量減小其連板在頂梁偏載底座中部條件下作業，并對連板的使用情況進行定期檢查，針對出現變形或開裂等故障現象時，應及時進行維修或更換。

5 結論

提高礦用液壓支架的支撐效果，保證井下作業安全，已成為當下煤礦企業重點關注的問題。因此，對連板在使用過程中存在的問題進行分析，采用Solidworks 及ABAQUS 軟件，建立連板的仿真模型，開展連板在頂梁偏載底座兩端工況及頂梁偏載底座中部工況條件下的結構強度分析，得出連板的銷軸孔處均出現了應力集中現象，極容易導致連板出現結構變形或開裂現象，由此，對連板進行了改進設計。該研究對提高礦用液壓支架的支撐效果及井下作業安全具有重要意義。