關于ZY12000/18/35D型礦用液壓支架推移機構的結構強度分析

高榮梅

（同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037000）

引言

當前，國家對煤礦資源的需求量呈逐年增長趨勢，煤礦開采中也有越來越多的煤礦設備被廣泛應用[1]。礦用液壓支架則是煤礦開采中的典型設備之一，保證其設備在煤礦開采中的支撐效果已成為保障井下作業安全的重點任務。推移機構作為礦用液壓支架中的重要部件，由于其在使用中承受著較大的外力作用，加上井下環境的惡性性和部件的超長時間作業，導致推移機構在使用中極容易出現結構變形或折斷故障現象，嚴重影響著井下的作業安全[2]。因此，以ZY12000/18/35D礦用液壓支架為研究對象，通過建立推移機構的仿真模型，開展了現有結構的結構性能分析研究，有效提高了液壓支架的支撐性能。

1 液壓支架推移機構結構的分析

目前，市場上常見的礦用液壓支架類型及型號較多，包括支撐式、掩護式、支撐掩護式液壓支架，但其結構及工作原理基本相同。液壓支架的結構主要由頂梁、護幫機構、頂掩護梁及側護板機構、平衡千斤頂、底座、推移機構、液壓系統、立柱等部件組成[3]。由于其具有較為穩定的支撐性能及結構強度，在煤礦開采中得到了廣泛應用。

因此，選用了ZY12000/18/35D礦用液壓支架為研究對象，而推移機構則是液壓支架中實現工作面內刮板輸送機向前移動的重要部件，也是液壓支架中的重要受力件，其結構主要由前推桿、十字頭、后推桿等組成，十字頭處采用了銷軸結構，可將前推桿和后推桿進行有效連接[4]。推移機構與千斤頂的相互配合，可實現對液壓支架底座的抬起功能，能承受不同方向的壓力和拉力作用。推移機構在實際使用中，會受到來自外界的交變應力作用，導致其結構極容易因受到較大外力而出現結構彎曲變形或折斷現象，同時，液壓支架中的底座橋也對推移機構的向前作業起到了阻礙作用[5]；同時，現有推移機構中的鉸銷結構在使用中，也會對底座的抬起操作構成重要影響。因此，有必要結合現有推移機構結構性能及作業特點，掌握其使用中的結構變化規律，并對其進行結構優化改進設計，以此提高推移機構的結構強度及使用壽命。

2 現有推移機構模型的建立

2.1 推移機構三維模型的建立

根據推移機構的結構組成特點，采用SolidWorks軟件，對現有的推移結構進行了結構三維模型建立，在軟件中主要對推移機構的前推桿、前液壓缸、十字頭、后推桿等部分進行了三維模型建立。在建模中，針對推移機構中非關鍵的工藝孔、螺栓孔等進行了模型簡化，并對結構中的較小圓角、倒角也進行了特征省略，由此能提高后文對推移機構的網格劃分質量及結構強度分析精度。所建立的現有液壓支架推移機構如圖1所示。

圖1 現有推移機構結構示意圖

2.2 現有推移機構仿真模型的建立

將建立的推移機構導入至ABAQUS軟件中，進行了推移機構仿真模型建立。由于推移機構實際使用中主要采用的是Q460材料[6]，故在該軟件中，首先將其結構設置為Q460材料，其材料的主要性能參數如表1所示。根據推移機構的結構特點，在網格劃分中，采用了四面體網格類型，網格大小設置為12 mm，整個網格單元達到了7萬個左右。另外，在軟件中，對十字頭處的前銷孔進行了固定約束，后推桿處進行了銷軸約束，并對后推移機構的底面進行了虛擬壁約束。最后，在后推移機構與推移千斤頂連接處施加了600 kN的推力載荷，以此模擬推移機構的推動作用。由此，完成了現有推移機構的仿真模型建立。

表1 現有推移機構Q460材料主要性能參數

3 現有推移機構結構強度分析

結合建立的推移機構仿真模型，對其使用中的結構強度進行了分析研究，其應力分布圖如圖2所示。由圖可知，推移機構整體結構的應力呈分布不均勻現象，在前推桿前端、十字頭、后推桿中部等部位的應力值相對更高，而其他部分的應力值則相對較低。推移機構上最大應力值達到了671.8 MPa，超過了推移機構材料的屈服強度。分析其原因為推移結構由于受到外界較大推力的作用，加上中部采用的十字頭結構，導致推移結構的整體出現了受力不均勻現象，外界作用力的傳遞也呈不規則狀態。由此，找到了推移機構在使用中的薄弱部位，有必要對其結構進行優化改進設計。

4 推移機構結構的改進分析

4.1 改進后推移機構模型的建立

由前文可知，推移機構的前端、十字頭、后推桿中在使用均出現了較大的應力集中現象，這是整個結構的薄弱點。為進一步提高推移機構的結構強度，在現有推移機構基礎上，對其進行了優化改進設計，主要是將推移機構改為一體式整體結構，以此來提高結構的整體強度和剛度。改進后的推移機構模型示意圖如圖3所示。與原有仿真模型分析相同，對改進后推移機構進行了相同的網格劃分、載荷施加、材料設置。同時，將推移機構的前銷孔進行固定約束，推移機構的底面進行虛擬壁約束設置，由此，完成了新型推移機構的模型建立。

圖2 現有推移機構應力分布圖

圖3 改進后推移機構三維模型圖

4.2 改進后結構強度的分析

結合改進后的推移機構仿真模型，得到了其整體結構的應力分布圖，如圖4所示。由圖可知，與原有機構相比，改進后的推移機構整體結構強度得到明顯提升，整體結構的應力分布較為均勻，最大應力值為460 MPa，剛好達到了推移機構屈服極限，主要集中在推移機構的后端部位，并向機構前端呈逐漸減小趨勢，而前推桿的前端、中部等部位的應力與原有結構相比，均得到明顯減小。由此，可知采用整體式的結構設計，能大大提高推移機構的結構強度，同時，使推移機構的結構得到明顯簡化，用材也明顯減少，縮短了推移機構的安裝生產周期，其帶來的功能性優勢及經濟優勢相當明顯。

圖4 改進后推移機構應力分布圖

5 結論

改進后的推移機構結構性能得到了明顯提升，在相同環境下具有更長的使用壽命及更低的結構成本，部件生產及安裝也得到了明顯改善，驗證了改進后推移機構結構的可行性。該研究對提高推移機構的結構強度及保障液壓支架具有較高支撐性能具有重要意義。