關于礦用液壓支架立柱在使用中的結構強度研究

常先紅

（山煤集團霍爾辛赫煤業有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

近年來，越來越多的煤礦開采設備被廣泛應用到了煤礦開采中，礦用液壓支架則是該些設備中的關鍵設備。有效保證礦用液壓支架在支撐作業過程中具有更高的支撐性能，成為保證井下作業安全的關鍵，而立柱作為液壓支架中的重要部件，保證其作業中不出現結構失效故障，是當下保證液壓支架具有較好支撐效果的重要前提[1-3]。由此，結合ZY6400型礦用液壓支架中立柱的結構特點，通過建立立柱的結構強度分析模型，開展了其結構強度的分析研究，并有針對性地提出了幾點提高其結構性能的改進措施。

1 ZY6400 型礦用液壓支架結構組成分析

目前，市場上的礦用液壓支架結構類型相對較多，煤礦企業會根據井下的不同工況，選擇不同支撐高度及阻力的液壓支架。為有針對性地分析液壓支架中結構件的結構強度，選用了Y6400 型礦用液壓支架為研究對象。該類型液壓支架結構主要由頂梁、立柱、掩護梁、底座、四連桿機構、液壓系統等部位組成，采用了兩柱掩護式支架形式，支架寬度范圍為1.4～1.6 m，支撐高度可達4.5 m，能承受7 000 kN 的外部壓力，其結構示意圖如圖1 所示。其中，立柱是該液壓支架中的重要部件，其結構主要包括頂缸、中缸、底缸等，通過頂缸的柱頭與頂梁進行連接，通過底缸的柱窩與底座進行連接，其結構示意圖如圖2所示。在立柱使用中，可將來自頂梁的外部壓力傳遞至底座上，并由底座傳遞至地面，實現對井下的有效支撐，而整個支撐過程，則主要通過立柱內部的液壓系統進行驅動，以此實現立柱不同高度的調整支撐，整體具有較好的操作靈活性及支撐效果。但由于井下環境相對惡劣，加上液壓支架經常會受較大的外部載荷沖擊作用，導致立柱結構經常處于長時間的、超負荷狀態作業，極易出現結構彎曲變形、結構開裂等故障現象，這對液壓支架的支撐效果及井下作業安全構成了嚴重威脅。掌握立柱使用過程中的結構強度性能，并提高立柱的結構強度，成為當前企業重點研究的方向[4-6]。

圖1 Y6400 型礦用液壓支架結構示意圖

圖2 立柱結構示意圖

2 立柱強度分析模型建立

2.1 立柱三維模型建立

根據液壓支架的結構組成特點，以ZY6400 型礦用液壓支架為分析對象，重點對其結構中的立柱進行了結構強度分析。首先，采用了SOLIDWORKS 軟件，對液壓支架及立柱進行了三維模型建立。在建模過程中，根據模型簡化通用原則，省去了模型中對整體結構應力分布、受力情況無影響的較小圓角、倒角、圓孔等結構特征；此外，由于液壓支架中的結構主要通過各類鋼材進行焊接而成，故在建模時對焊縫進行了簡化，以提高對立柱的強度分析結果精度。由此，完成了基于ZY6400 型礦用液壓支架中立柱的三維模型，如下頁圖3 所示。

2.2 立柱仿真模型建立

圖3 液壓支架中立柱三維模型圖

將建好的立柱轉為為stp 格式后，導入至ABQUS 軟件中，對其進行仿真模型的建立。由于立柱在使用中主要采用的是45 號鋼材料，故在該軟件中，將立柱材料設置為了45 號鋼材，其材料的主要性能參數如表1 所示。在立柱分析中，由于立柱頂缸、中缸和底缸在液壓油作用下實現相對運動，故在立柱內部進行了移動約束，對立柱底部和頂部進行了固定約束。通過查閱該產品的結構參數，在立柱頂部施加了沿立柱方向的1.2 倍工作壓力的外界載荷，即8 000 kN。另外，采用了六面體網格類型，網格大小設置為了10 mm，總網格單元數量達到了90 萬個。利用ABQUS 軟件中自帶的FFEPlus 求解器，開展了立柱的結構強度分析研究。

表1 立柱45 號鋼材料主要性能參數

3 立柱強度結果分析

結合建立的立柱結構強度分析模型，得到了立柱的結構應力分布圖，如圖4 所示。分析可得：立柱在使用過程中，立柱整體結構出現的不穩定的彎曲屈服狀態主要集中在立柱頂缸端；且立柱結構上的應力分布也不均勻，在頂缸柱頭處出現了較大應力集中現象，應力由頂缸柱頭處向中缸方向呈逐漸減少趨勢；立柱的中缸及底缸上的應力值則相對較低。分析其原因為立柱頂缸的柱頭處靠近外部施加的載荷部位，導致了立柱柱頭出現了較大的應力集中現象。由此可說明，立柱在整個使用過程中，其頂缸的柱頭是整個結構的薄弱部位，存在一定的強度安全隱患。加上立柱使用中由于經常會受到外部更大的沖擊載荷作用及長時間的疲勞支撐作用，導致其結構更容易出現疲勞失效現象，對井下支撐安全構成嚴重威脅。因此，有必要對立柱的結構進行優化改進設計。

4 立柱結構優化改進措施

結合前文分析結果可知，立柱的頂缸柱頭部位為整個結構的薄弱部位，在立柱實際支撐過程中，極容易先發生結構彎曲、開裂、斷裂等疲勞失效現象。由此，對立柱結構提出幾點優化改進措施，具體如下：

1）針對立柱柱窩部位，在結構設計生產時，可對其進行調質熱處理，以此提高該局部區域的結構強度；

圖4 立柱應力變化分布圖

2）在立柱選型設計中，可選用結構尺寸更大的底缸、中缸、頂缸結構件，并保證頂缸的壁厚在現有基礎上增加2～3 mm 左右；

3）在頂缸柱頭應力集中附近，開設2 個直徑為2 mm 的小圓孔，可有效將柱頭附近集中的應力轉移至小圓孔處，以此減小柱頭附近的應力集中現象；

4）在產品成本控制允許情況下，立柱可選用結構強度更好的Q460 鋼材，以此從源頭來提高立柱的結構強度；

5）立柱使用中，加強對其結構接觸部位的潤滑作用及結構本體的定期保養，針對出現局部彎曲變形、開裂等現象時，應及時進行部件的維修、更換，保證液壓支架的支撐安全。

5 結論

不斷提高礦用液壓支架的整體結構強度，已成為當前保障井下正常作業及作業安全性的重要方向之一。由此，以ZY6400 型礦用液壓支架中立柱為重點研究對象，通過建立立柱的三維模型及仿真模型，開展了立柱的結構強度分析研究。結果顯示，立柱的頂缸柱頭存在較大的應力集中現象，且立柱整體呈現一定程度的彎曲變形，是整個立柱中的薄弱部位，提高立柱頂缸的結構強度成為優化立柱結構性能的關鍵。由此，對整個液壓支架及立柱提出改進建議，對提高液壓支架的結構強度及保障井下作業安全起到非常顯著的保障作用。