煤礦液壓支架立柱底缸結(jié)構(gòu)性能的研究

尹 靜

（同煤集團機電裝備公司中央機廠技術(shù)中心， 山西 大同 037000）

引言

礦用液壓支架作為煤礦開采中的重要設(shè)備，保證其結(jié)構(gòu)具有較好的支撐性能及降低故障發(fā)生率，成為企業(yè)關(guān)注的重點。其中，由于井下環(huán)境的惡劣性，加上液壓支架經(jīng)常受到不同大小的沖擊載荷作用，導(dǎo)致液壓支架中的立柱底缸在使用中極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或疲勞失效現(xiàn)象[1]。據(jù)初步統(tǒng)計，單個煤礦中，每年因中缸、底缸等部件出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的煤礦事故占所有事故的3%～5%左右，該結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生失效，會給液壓支架及井下作業(yè)安全構(gòu)成嚴重威脅[2]。因此，以立柱結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，通過建立底缸的結(jié)構(gòu)模型，開展了底缸的結(jié)構(gòu)性能研究，針對其結(jié)構(gòu)存在的薄弱點，對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進設(shè)計及應(yīng)用驗證，這對提高液壓支架立柱的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用。

1 液壓支架立柱結(jié)構(gòu)特點的分析

目前，煤礦中的液壓支架種類較多，包括支撐式、掩護式、支撐掩護式等，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同，包括頂梁、掩護梁、立柱、底座等，而立柱則是用于連接頂梁及底座的重要支撐部件，其作用相當于液壓千斤頂效果[3]。立柱結(jié)構(gòu)包括了活柱、中缸、底缸、液壓油等，其工作原理可簡單分析為：高壓油通過外部壓力將其推入至底缸，再由底缸推動至中缸并使其伸出，當中缸達到最大行程時，底缸中的底部閥門開啟，高壓油在中缸中繼續(xù)推動活柱并使其伸出，當活柱達到最大行程時，完成整個立柱的支撐過程[4]；而立柱的收縮過程則剛剛相反。在整個過程中，底缸、中缸等部件均會因外部壓力過大而出現(xiàn)較大程度的結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象；立柱中的液壓油也會因中缸或底缸的結(jié)構(gòu)異常而出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，嚴重影響液壓支架的支撐效果及結(jié)構(gòu)安全。

2 立柱底缸模型的建立

2.1 三維模型的建立

底缸作為液壓支架立柱的重要部件，為進一步掌握其結(jié)構(gòu)性能，對其進行了三維模型建立。根據(jù)立柱底缸的結(jié)構(gòu)特點，采用PROE 軟件，開展了底缸的模型建立，其中，底缸的外徑為400 mm，總體行程為1 700 mm。在建模過程中，考慮到底缸中的較小特征均會對底缸的仿真分析造成影響，為提高其仿真精度，對其結(jié)構(gòu)中的倒角、圓角、較小螺紋孔等較小特征進行了模型簡化，僅保留了底缸上的關(guān)鍵特征，由此，建立了三維模型，如圖1 所示。

圖1 簡化后底缸三維模型圖

表1 底缸Q460 材料主要性能參數(shù)

2.2 仿真模型的建立

結(jié)合建立的底缸三維模型， 采用Solidworks/simulation 軟件對其進行了仿真模型建立。在軟件中，考慮到底缸需具有較好的結(jié)構(gòu)強度，將底缸的材料設(shè)置為了Q460 材料，其材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。同時，在軟件中，由于SOLID185四面體網(wǎng)格具有較好的塑性和應(yīng)變性能，能更好地符合底缸的實際使用工況，故對底缸進行了SOLID185 四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm。參考底缸的實際工況，對其內(nèi)表面進行了90 MPa 的面載荷施加，并對其底部進行了固定約束[5]，由此，建立了立柱底缸的仿真模型。

3 立柱底缸結(jié)構(gòu)性能的仿真分析

3.1 應(yīng)力變化的分析

結(jié)合建立的立柱底缸的仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)的仿真分析研究，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖如圖2 所示。由圖可知，底缸整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體呈不均勻分布狀態(tài)。其中，在底缸中部的應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，其應(yīng)力值最大。底缸的應(yīng)力沿底部呈逐漸減小趨勢，在底缸底部的柱窩頭處，幾乎無應(yīng)力集中現(xiàn)象；而沿底缸結(jié)構(gòu)向上，也出現(xiàn)了應(yīng)力逐漸減小的變化趨勢，在底缸頂部應(yīng)力集中值相對較小。分析原因為底缸中部與中缸底部發(fā)生了接觸現(xiàn)象，且主要接觸部位在中部。由此，找到了底缸整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化規(guī)律。為提高底缸的結(jié)構(gòu)性能，在后期設(shè)計過程中，需對底缸中部位置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計。

圖2 立柱底缸結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形的分析

結(jié)合開展的底缸仿真模型，得到了底缸的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖3 所示。由圖可知，立柱底缸整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，整體變形呈分布不均勻狀態(tài)；其中，底缸中部的結(jié)構(gòu)變形量最大，基本呈均勻分布狀態(tài)；而在底缸底部及柱窩頭部位，其變形量則相對較小，在底缸的頂部也發(fā)生了一定程度的結(jié)構(gòu)變形。但變形程度相對較小。在底缸使用過程中，此些較大結(jié)構(gòu)變形部位極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂現(xiàn)象，直接影響著底缸及液壓支架的使用性能。因此，在后期底缸設(shè)計生產(chǎn)過程中，需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，以減小其結(jié)構(gòu)的整體變形。

4 立柱底缸結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計

結(jié)合前文底缸的分析結(jié)果可知，立柱底缸整體結(jié)構(gòu)在使用中極容易發(fā)生彎曲、開裂或斷裂的可能性，而中部則是整個部件上的最薄弱部位。因此，需對立柱的底缸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進[6]。

1）在現(xiàn)有底缸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可增加底缸的壁厚1～2 mm，對其他部位的結(jié)構(gòu)尺寸做相應(yīng)調(diào)整；

2）在底缸中部的外表面增加護套，彌補底缸中部在使用中的結(jié)構(gòu)強度不足問題；

3）提高底缸的結(jié)構(gòu)強度，可考慮采用低碳高強度鋼，或在現(xiàn)有鋼基礎(chǔ)上對中缸進行熱處理操作；

4）對底缸內(nèi)部的過渡轉(zhuǎn)接處進行圓弧或圓角設(shè)計，以減小在此些部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中或削弱問題；

5）加強對底缸結(jié)構(gòu)的定期巡檢，當發(fā)現(xiàn)底缸有結(jié)構(gòu)變形或開裂現(xiàn)象時，需及時對其進行維護或部件更換，以此保證液壓支架的安全使用。

圖3 立柱底缸結(jié)構(gòu)變形圖

5 改進后底缸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用測試

為進一步驗證以上改進措施的有效性，對改進后的底缸結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)用測試，主要是將改進后的底缸在液壓支架中進行了6 個月的應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：改進后的底缸在測試期間未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，也未出現(xiàn)1 次部件維修，其結(jié)構(gòu)與中缸的相對運動更加靈活，據(jù)現(xiàn)場人員對比，與原有底缸相比，改進后的底缸更加穩(wěn)定可靠，故障發(fā)生率降低了將近60%，其改進后效果明顯，得到人員的一致認可。

6 結(jié)論

改進后的底缸結(jié)構(gòu)性能更好，對液壓支架具有更高的支撐性能。該研究可為后期開展液壓支架總體性能的提升研究提供重要參考。