礦用液壓支架頂梁柱窩結構的分析與優化設計

張佳瑤

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

對于綜合采煤工作面而言，液壓支架是其中非常關鍵的設施之一，在整個采煤工作中發揮著極其重要的作用。鑒于液壓支架的極端重要性，一旦液壓支架在工作中發生故障損壞就會對整個采煤過程產生不良負面影響[1]。以往的采煤設備主要靠進口，但隨著我國科學技術的進步，目前我國很多采煤設備都實現了國產化[2]。與此同時，為了提升采煤效率，采高也在逐漸升高，使得工作面礦壓也隨之顯著提升，這對工作面支護工作提出了更高的要求，加大了工作面支護的難度[3]，要求支護設備液壓支架能夠抵抗更大的外力。在國產的液壓支架中，頂梁柱窩是經常出現故障問題的部位。一直以來，頂梁柱窩故障問題都是困擾設備生產商和使用者的難題，針對該問題開展了很多分析和研究，并利用ANSYS 非線性有限元軟件對傳統的頂梁柱窩結構進行了受力分析，從中發現問題，并對其機構形式進行優化改進。

1 傳統頂梁柱窩的結構形式

如圖1 所示為傳統的頂梁柱窩結構形式，這種結構形式中頂梁柱窩直接與頂梁頂板接觸[5]。整體結構形式比較簡單，其生產加工成本也不高。另外，利用傳統設計方法對頂梁柱窩進行結構設計時并沒有考慮一些特殊的情況。比如質量較大的懸臂老頂巖石出現突然斷裂對支架造成的瞬間沖擊作用，這種瞬間的沖擊作用會使相關結構件承受較大的作用力。傳統頂梁柱窩都是通過鑄造的方式進行生產加工，鑄造工藝不良會導致鑄造頂梁柱窩內部存在缺陷，使得頂梁柱窩的設計承受能力大打折扣[6]。如果突然遇到較大的外部沖擊力，很有可能導致頂梁柱窩在內部缺陷位置發生裂紋最終導致斷裂，如圖2所示為頂梁柱窩發生損壞的現場圖片。嚴重的時候可能導致整個頂梁柱板發生斷裂，從而引發重大安全生產事故，嚴重威脅著生產工人的生命安全。隨著時代的發展，礦業液壓支架的工作阻力越來越大，尤其是當液壓支架立柱直徑超過360 mm 時，傳統的單體柱窩結構無法達到實際工作需要。因此，需要對傳統頂梁柱窩的結構形式進行優化設計。

圖1 傳統的頂梁柱窩結構形式

圖2 頂梁柱窩發生損壞的現場圖片

2 頂梁柱窩結構模型的建立

2.1 三維模型的建立與導入

利用PRO/E 三維造型軟件建立頂梁柱窩的三維模型，其結構形式見圖1。首先需要在PRO/E 軟件中將建立好的三維模型導出為ANSYS 軟件可以識別的格式文件，再將導出的具有專門格式的三維模型導入到ANSYS 有限元軟件中進行后續的材料設置、網格劃分、邊界條件和初始條件設置等，最后進行分析計算并得到對應的結果，以下對有限元模型的建立過程進行詳細介紹。

2.2 材料類型的確定

以某公司生產的壓夜支架為研究對象，其生產制作材料主要為Q550，該種材料的主要力學性能指標分別如下：彈性模量為2.06×1011Pa，屈服強度和抗拉強度分別為550 MPa 和670～830 MPa，伸長率為16%。利用軟件對結構件進行分析計算時，材料設置非常關鍵，直接關系到計算結果的準確性。因此，必須根據實際情況來設置材料的屬性。在建立的模型中按照上述的力學性能指標進行設置，以保證分析計算得到的結果能夠符合實際情況。

2.3 網格的劃分

在有限元模型中，網格類型和大小對計算過程和結果有著非常關鍵的作用。在選用網格類型時需要綜合考慮多方面因素，比如對精度的要求、材料類型等。結合所選擇的材料和計算需要最終選擇的網格類型為Solid186 的20 節點實體單元，該種類型的網格可以得到較為準確的結果并確保計算過程的順利進行。網格尺寸越大則計算時間越小，所得結果精度也相對較低。相反的，網格尺寸越小則計算時間越長，所得結果精度就越高。網格尺寸和計算時間是兩者之間相互矛盾，需要結合具體情況進行平衡選擇。綜合考慮計算速度和精度要求，最終設置的網格尺寸在30 mm 左右。

2.4 載荷條件的設置

針對直徑為360 mm 的立柱進行模擬分析。為了模擬頂梁柱窩的受力情況，需要設置其外界施加的載荷情況。為了更好地模擬外部瞬間較大沖擊載荷的影響，在設置外界載荷時，其大小按照額定載荷大小的1.3 倍進行設置，其中單根立柱額定工作壓力為3.75×106N，那么施加的載荷力為1.3×3.75×106N=4.875×106N。將加載力集中施加在頂梁兩端。

3 頂梁柱窩結構受力結果的分析

傳統頂梁柱窩直接焊接在頂梁板上，這種結構形式的頂梁柱窩其受力分析結果如圖3 所示。從圖中可以看出，整個頂梁柱窩不同位置的受力非常不均勻，很多部位幾乎沒有承受外部加載力，其應力值非常小，而絕大部分部位會承受一定程度的應力。其中整個頂梁柱窩的最大應力大小為524.23 MPa。焊縫部位的最大應力值是406.05 MPa，進一步查看焊縫部位的受力情況可以發現，整個焊縫不同部位的受力同樣非常不均勻。這對焊縫的質量提出了較高的要求，如果焊接質量不好很有可能在這一區域發生斷裂，最終引發故障停機。從分析計算結果可以看出，傳統的頂梁柱窩結構形式存在一定的缺陷，柱窩附近存在應力集中問題，焊縫位置的應力也相對較高。有必要采取措施對其結構形式進行優化，防止出現應力集中現象，尤其是要改善焊縫位置的用力集中問題。

4 頂梁柱窩結構的優化改進

當液壓支架的工作阻力增加到一定程度，或者當立柱直徑超過一定程度時，如果還是采用傳統的頂梁柱窩結構形式，則很有可能無法滿足實際需要。此時，可以針對傳統的結構形式進行優化改進。可在柱窩與頂梁接觸中間部位添加箱型結構，并設置加強筋，實現對箱型結構的有效支撐。通過增加設置箱型結構能夠使柱窩更好的承受外界壓力，使壓力分布更加均勻。新結構形式的頂梁柱窩，通過立柱傳遞過來的作用力利用柱窩、箱體、加強筋板的傳遞后較分散的作用到量體主筋中，達到優化應力分布的目的。

作用力在整個傳遞過程中，焊縫質量是關鍵的影響因素。立柱傳遞過來的作用力能否較好的分散到頂梁板中關鍵看焊縫質量。在實際工作過程中，立柱通常都會受到非常大的作用力，針對液壓支架進行焊接時，通常也是在頂窩附近開展焊接。基于此，需要對頂梁柱窩附近的焊縫形式進行科學設計，采取措施提升焊接效果，防止由于受到較大外界沖擊而導致焊縫破壞。

針對改進后的頂梁柱窩結構形式，仍然采用上述的建模方法和步驟，對其受力情況進行計算分析，材料設置、網格劃分和受力情況均與傳統頂梁柱窩結構的受力分析相同。如圖4 所示為優化改進后的頂梁柱窩結構的受力情況集散結果。

圖3 傳統頂梁柱窩結構的受力情況計算結果

圖4 優化改進后的頂梁柱窩結構的受力情況集散結果

由圖4 可知，通過對頂梁柱窩的結構進行優化改進后，在相同的受力情況下，柱窩附近最大的應力值降低了374.53 MPa，對比優化前的最大應力值可以發現其受力情況得到了很好的改善，最大應力值的降低幅度得到近50 MPa。同時，箱型結構和加強筋的受力比較均勻，沒有出現應力集中現象或者應力突變的問題。提取焊縫位置的應力值發現，該部位最大的應力值為215.55 MPa，該數據與優化前的數據相比較同樣有了大幅度降低。

通過對礦用液壓支架頂梁柱窩結構進行優化改進后，其整體的受力情況有了很大改觀。頂窩附近的受力更加均勻，焊縫位置的受力更小。有利于頂梁柱窩的使用穩定性，可以更好的抵抗外界的瞬時載荷沖擊，延長其使用壽命。實踐結果表明，通過對柱窩結構的改進使其使用壽命得到了顯著延長。

5 結論

礦用液壓支架頂梁柱窩其傳統的結構形式在受到瞬間較大沖擊力作用時容易發生破壞斷裂的問題。通過對柱窩傳統結構形式進行優化改進，在相同的工況條件下，柱窩附近和焊縫上的最大應力值分別有了不同程度的降低，尤其是后者降低幅度最大。實踐結果表面，優化后的頂窩結構形式使用壽命有了大幅提升，可以抵抗更大的外部瞬間沖擊載荷。