基于Workbench的放頂煤液壓支架底座的強度分析

常青

(山西潞安礦業(集團)有限責任公司 五陽煤礦， 山西 長治 046205)

0 引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設備被應用到煤礦開采中。放頂煤液壓支架作為煤礦開采中的重要新型支撐設備，保證其結構具有較好的結構性能，已成為當前企業重點關注的問題[1]。底座作為放頂煤液壓支架中的關鍵部件，由于其使用環境相對惡劣，受載工況相對較多，極容易導致底座在使用中經常因受載不均勻或超載而出現結構變形或結構開裂等失效現象，底座一旦發生結構失效，將對放頂煤液壓支架的支撐效果產生重要影響[2]。因此，開展底座的結構強度分析極為重要。在分析放頂煤液壓支架結構特點基礎上，采用Workbench軟件，開展了底座的結構性能研究及結構改進設計，這對提高底座及液壓支架的支撐效果具有重要作用。

1 放頂煤液壓支架結構特點分析

放頂煤液壓支架是在傳統礦用液壓支架結構基礎上進行優化改進后的新型液壓支架設備，與傳統液壓支架的不同，放頂煤液壓支架主要由頂梁、底座、護幫板、伸縮梁、尾梁、插板、千斤頂、立柱等結構組成[3]，而無四連桿機構，其結構組成示意圖如圖1所示。放頂煤液壓支架與傳統液壓支架相比，具體明顯優勢：(1)初始支撐力相對較高，可有效解決工作面的片幫、冒頂嚴重問題；(2)頂梁結構尺寸較長，通風面積較大，有利于排出井下瓦斯；(3)液壓支架的周期步距較短，具有較強的抗沖擊能力[4]。由此，可知新型液壓支架的結構安全性更好，結構設計更合理。底座作為放頂煤液壓支架中重要部件，其作用主要是將來自頂梁處的壓力通過立柱傳遞至底座部位，是保證支架穩定性的關鍵，可為推移裝置、立柱等部件提供安裝空間，底座結構主要由六條橫筋、六條主筋相互交錯布置，在其結構前端也設置了過橋箱，由此保證了底座具有較好的結構強度[5]。保證底座的結構強度及穩定性，對保證液壓支架的結構安全性及支撐效率具有重要作用。

1-二級護幫板；2-一級護幫板；3-伸縮梁；4-前梁； 5-頂梁；6-尾梁；7-插板千斤頂；8-插板；9-尾梁千斤頂； 10-底座；11-立柱。圖1 放頂煤液壓支架結構示意圖

2 底座模型建立

2.1 底座三維模型建立

結合ZFS2650-14型放頂煤液壓支架的結構特點，其底座結構為整體剛性連接，主要通過鋼板焊接呈箱型結構，具有結構強度好、性能穩定可靠、抗壓性強等特點[6]。因此，采用Solidworks軟件，對底座進行了三維模型建立。在建模過程中，對底座模型中的倒角、圓角等特征進行了結構簡化，以提高后期模型劃分網格的質量；同時，由于該底座主要采用焊接方式進行連接，故建模時可忽略焊縫對底座整體結構的影響，將底座考慮呈一個整體結構；另外，對底座上的較小螺釘孔、圓孔等特征也進行特征簡化，僅保留了底座上的關鍵特征，由此，建立了底座的三維模型圖，如圖2所示。

2.2 仿真模型建立

結合建立的底座三維模型，將其導入至Work-bench軟件中，對其進行了仿真模型建立。由于底座在實際使用時，主要采用的是Q235鋼等材料，故在軟件中，將底座的材料設置為了Q235鋼材料，以此來保證底座的仿真模型與實際結構材料相同。為更加真實的反映底座的實際受力承載情況，采用了對液壓支架整體建模的方式，對液壓支架整體進行網格劃分，在最終結果分析時再直接提取底座結構的仿真結果。在網格劃分時，采用了軟件中的自動劃分網格，網格大小設置在10 mm～20 mm范圍內，最終的網格單元數量為134 558個，液壓支架的網格劃分圖如圖所示。鑒于液壓支架實際使用時的受力工況相對較多，故此次仿真的加載方式采用了頂梁單側偏載與底座兩端集中載荷的方式進行底座的結構強度分析。結合工程實際，液壓支架中立柱對頂梁及底座的水平和垂直方向受力分別為1 700 kN和1 850 kN。另外，對底座底部進行了固定約束，其他鉸接部位采用了旋轉約束方式。由此，完成了液壓支架仿真模型建立，如圖3所示。

圖2 底座三維模型

圖3 液壓支架整體網格劃分

3 底座結構強度分析

3.1 結構應力變化分析

結合建立的液壓支架仿真模型，對其整體中底座部件應力變化的仿真結果進行提取，得到如圖所示的底座應力變化圖，由圖4可知，底座整體結構出現應力分布不均勻現象，呈中間應力大、兩端應力分布少的分布規律，其最大應力達到了276.84 MPa，出現在底座中部的兩側邊緣位置，超過了底座Q235材料的屈服強度235 MPa，而底座中部的中間部位應力則相對較小，其應力值大部分集中在184 MPa，在底座的屈服強度范圍內。分析其原因為底座兩端呈固定狀態，而中央承受著來自立柱的較大彎矩載荷作用，導致底座結構出現了中間應力較大、兩端應力較小的變化趨勢。由此可知，底座的中部位置為整個結構的薄弱部分，在使用中極容易率先發生結構的疲勞失效現象。

圖4 底座應力變化

3.2 結構位移變化分析

與前文的底座結構應力分析相同，提取了底座的結構位移變化圖，如圖5所示。由圖5可知，底座整體結構出現了較大幅度的結構位移變化現象，且結構位移變化呈無規律狀態。底座上的最大位移出現在底座中部位置，變形量達到了3.43 mm左右，并向底座的兩端呈逐漸減小的位移變化趨勢。此變化趨勢與底座的應力變化規律基本相同。分析底座發生此變化現象的主要原因是底座在中部受到來自立柱的較大作用力，導致其結構中部承受的撓度最大。由此可同樣得出，底座的中部為整個結構的薄弱部位，在使用中最容易發生較大程度的結構變形，甚至出現結構開裂現象，需對此部位進行結構優化設計。

圖5 底座結構位移變化

4 底座結構改進設計

結合以上分析，得出了放頂煤液壓支架底座的中部是整個結構的薄弱部位，在使用中極容易率先出現結構變形、開裂等疲勞失效現象。由此，根據底座的結構特點，提出了其結構的優化改進措施，包括如下幾點：

1) 在底座中部內部增加焊接左右對稱的2個加強筋，厚度為4 mm，長度由內部結構尺寸進行確定。

2) 在底座中部的上表面鉸接耳連接處焊接斜支撐件，可有效將鉸接耳處集中的應力及較大結構位移轉移至斜支撐上。

3) 在底座中部應力集中附近開設孔徑為2 mm的小孔，可有效將集中應力轉移，解決底座上的應力集中及較大的結構變形。

4) 將底座的材料改為結構強度更高的Q345材料，可保證底座在使用中的最大應力值控制在其材料的屈服強度范圍內。

5) 定期對底座的結構變形情況進行檢查，針對出現異常變形時，需對底座進行了結構的維修，以此保證底座的使用安全。

為進一步驗證前文底座結構優化改進后的效果，改進后的液壓支架底座進行了實際應用，使用結果表明，改進后的底座整體結構變形量明顯減小，結構應力集中現象得到明顯改善，結構強度及使用安全性得到顯著提升。這對增強底座的結構強度及液壓支架的作業安全性具有重要作用。由此，驗證了該底座結構優化的可行性。

5 結論

保證放頂煤液壓支架中底座結構具有較高的結構強度及安全性，對保證液壓支架的支撐效果具有重要作用。由此，本文以ZFS2650-14型放頂煤液壓支架為分析對象，通過建立底座的仿真模型，開展了其結構性能分析，得出底座的中部結構為整個結構的薄弱部位，極容易出現結構疲勞失效現象，由此，有針對性的提出了底座的結構改進措施及實際應用驗證。實踐表明，改進后的底座結構總體結構性能得到明顯改善，結構安全性得到顯著提升，更好的保證了放頂煤液壓支架的支撐效果。這對提高放頂煤液壓支架的作業安全性具有重要作用。