基于ABAQUS 的礦用液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

任海燕

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司， 山西 大同 037036）

引言

礦用液壓支架是井下工作面中的重要支撐結(jié)構(gòu)，保證其具有較好的結(jié)構(gòu)性能及穩(wěn)定性，對(duì)提高煤礦的開(kāi)采效率至關(guān)重要[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，經(jīng)常會(huì)有煤石掉落、液壓支架頂梁受到較大扭轉(zhuǎn)載荷或偏心載荷等情況，導(dǎo)致液壓支架中的掩護(hù)梁部件，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或局部開(kāi)裂等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著液壓支架的正常作業(yè)及井下作業(yè)安全。加大對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究成為當(dāng)前企業(yè)重點(diǎn)研究方向[2]。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用液壓支架主要的結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式等形式，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同，主要由頂梁、尾梁、掩護(hù)梁、立柱、底座等部件組成。根據(jù)實(shí)際工程情況，可將液壓支架分為了四連桿液壓支架、垛式液壓支架、單擺桿型液壓支架等形式[3]。

掩護(hù)梁是液壓支架的關(guān)鍵部件，當(dāng)工作面中有煤巖石出現(xiàn)掉落現(xiàn)象時(shí)，掩護(hù)梁可通過(guò)自身較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)液壓支架進(jìn)行整體保護(hù)，同時(shí)，可有效防止工作面中頂板出現(xiàn)水平滑移問(wèn)題，提高頂梁對(duì)頂板的支撐性能[4]。

2 掩護(hù)梁模型建立

2.1 掩護(hù)梁三維模型建立

以ZY12000 型液壓支架掩護(hù)梁為分析對(duì)象，采用Solidworks 軟件，按照1∶1 的模型比例，對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維模型建立，所建模型中主要包括了掩護(hù)梁的頂板、底板、頂梁鉸接耳、尾梁鉸接耳等部件[5]。為提高后文對(duì)掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)分析精度，保證所分析結(jié)構(gòu)與實(shí)際工況更加吻合，僅對(duì)掩護(hù)梁中頂板、鉸接耳、尾梁鉸接耳等關(guān)鍵部位進(jìn)行了三維模型建立，而對(duì)圓角、倒角、過(guò)渡圓弧等特征進(jìn)行了模型省略簡(jiǎn)化，由此，完成了掩護(hù)梁的三維模型建立，如圖1 所示。

2.2 掩護(hù)梁仿真模型建立

在完成液壓支架及掩護(hù)梁的三維模型建立之后，將其導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。在軟件中，首先將掩護(hù)梁的材料屬性設(shè)置為Q345 材料，使其與實(shí)際使用工況更加吻合，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，對(duì)頂梁與掩護(hù)梁之間進(jìn)行了鉸接約束、與尾梁之前也進(jìn)行了鉸接約束。邊界條件為液壓支架底座為固定。另外，根據(jù)ZY12000型液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸，采用了六面體實(shí)體網(wǎng)格單元，對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置10 mm，掩護(hù)梁的鉸接耳處進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理[6]。由此，完成了掩護(hù)梁的仿真模型建立。

3 掩護(hù)梁不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

掩護(hù)梁的實(shí)際作業(yè)工況相對(duì)復(fù)雜，為掌握不同工況對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，開(kāi)展了掩護(hù)梁在偏心載荷及扭轉(zhuǎn)載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化分析。

3.1 偏心載荷工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化

圖1 液壓支架及掩護(hù)梁的三維模型圖

表1 Q345 材料關(guān)鍵參數(shù)

掩護(hù)梁的偏心載荷工況主要是在頂梁的左或右側(cè)施加8 000 kN 的外界載荷，使掩護(hù)梁在作用力傳遞后承受一定的偏心載荷。圖2 為掩護(hù)梁的應(yīng)力變化圖，由圖可知，掩護(hù)梁整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布不均勻，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為521.642 MPa，局部區(qū)域應(yīng)力已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，最大主要集中在掩護(hù)梁中部鉸接耳及尾部中間區(qū)域，中部鉸接耳四周及尾部的左右兩側(cè)也出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析其原因?yàn)椋涸陧斄菏艿狡妮d荷工況時(shí)，作用力傳遞至掩護(hù)梁上，并首先通過(guò)中部鉸接耳將作用力傳遞至四連桿立柱上，使得此處成為應(yīng)力集中區(qū)域；同時(shí)，作用力傳遞至尾部時(shí)，通過(guò)鉸接銷(xiāo)軸及孔結(jié)構(gòu)，將作用力傳遞至尾梁上，也使得尾部中部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。由此可知，掩護(hù)梁的中部鉸接耳及尾部中間是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部分，在后期使用時(shí)極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 扭轉(zhuǎn)載荷下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化

掩護(hù)梁的扭轉(zhuǎn)載荷工況主要是在頂梁頂部中心施加5 000 kN 的外界載荷。圖3 為掩護(hù)梁的應(yīng)力變化圖，由圖可知，掩護(hù)梁整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力發(fā)生在掩護(hù)梁中部鉸接耳處，其最大應(yīng)力為543.137 MPa，已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，掩護(hù)梁的其他區(qū)域應(yīng)力值相對(duì)較??；另外，掩護(hù)梁前端與頂梁連接的鉸接耳處應(yīng)力值也相對(duì)較高。分析其原因?yàn)椋喉斄菏艿降呐まD(zhuǎn)載荷后，將作用力傳遞至掩護(hù)梁上，首先通過(guò)中部鉸接耳結(jié)構(gòu)傳遞至立柱上，使得此處成為最大的應(yīng)力集中部位。為此，在此工況下，掩護(hù)梁的中部鉸接耳處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖2 掩護(hù)梁在偏心載荷下應(yīng)力變化圖

圖3 掩護(hù)梁在扭轉(zhuǎn)載荷下應(yīng)力變化圖

4 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

結(jié)合前文的仿真分析可知，掩護(hù)梁在偏心受載及扭轉(zhuǎn)載荷下，其中部鉸接耳及尾部中間是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在其長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷作用下，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此，提出了幾點(diǎn)掩護(hù)梁優(yōu)化改進(jìn)的措施，具體如下：

1）增加中部鉸接耳的外形尺寸及中部鉸接孔尺寸，使得與之相連的鉸接軸具有更高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）增加鉸接耳與底板之間的焊接強(qiáng)度，并在左右兩側(cè)增加一定尺寸的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，使得鉸接耳處具有更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）增加尾部中間的鋼板厚度1 mm，并在內(nèi)部增加一定的加強(qiáng)筋，提升掩護(hù)梁尾部的承力情況及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4）對(duì)掩護(hù)梁上非關(guān)鍵的受力部位，如前端左右底板、中后方底板等區(qū)域適當(dāng)減輕加強(qiáng)筋，減小掩護(hù)梁重量；

5）在掩護(hù)梁上的應(yīng)力集中區(qū)域附近開(kāi)設(shè)孔徑為2 mm 小孔，使得集中應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至此處，降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

6）由于掩護(hù)梁會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地按照一定角度進(jìn)行傾斜工作，可在掩護(hù)梁前端增加橫隔板及左右斜筋板，以提高掩護(hù)梁強(qiáng)度的受力強(qiáng)度，如圖4 所示。

圖4 添加橫隔板及斜筋板后掩護(hù)梁示意圖

5 結(jié)論

1）提升掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，掌握其結(jié)構(gòu)在不同工況條件下的薄弱部位，是保證掩護(hù)梁安全穩(wěn)定左右的關(guān)鍵。掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)性能的提升，不僅能減小液壓支架因此部分出現(xiàn)的故障失效而進(jìn)行停機(jī)維修，也可提高液壓支架整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及對(duì)下部零件的有效保護(hù)。

2）掩護(hù)梁中部鉸接耳及尾部中間是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，由此提出了掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，則對(duì)下一步具體實(shí)施掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化改進(jìn)及生產(chǎn)加工起到重要指導(dǎo)作用。