基于ABAQUS 的煤礦液壓支架插柱結構性能分析

馮萬會

（山西大同永定莊煤業公司， 山西 大同 037024）

引言

礦用液壓支架作為煤礦開采中的三大機械設備之一，保證其設備具有較好的運行穩定性及開采效率顯得十分重要[1]。由于井下環境的惡劣性，液壓支架作業過程經常會受到來自頂部及底部的偏載沖擊作用，加上煤石的無規律沖擊，導致了液壓支架上大部分部件均出現了不同程度的結構變形、開裂或斷裂等失效現象，插柱作為液壓支架中的重要部件，出現的結構變形或開裂現象尤為突出[2]。為此，采用更加經濟、高效、成熟的有限元分析方法，對插柱在使用過程中不同工況條件下的結構性能進行分析研究，以此提高其結構使用壽命，保證液壓支架的高效作業。

1 液壓支架結構組成

根據液壓支架的工作環境，將其分為了掩護式液壓支架、支護式液壓支架、支護掩護式液壓支架等類型，根據對煤礦的采高厚度不同，將其分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層液壓支架，但其結構組成基本相同，主要由頂梁、掩護梁、立柱、尾梁、底座、連板、插柱、插槽等組成[3]，其中，頂梁直接與工作面頂板相接觸，來自頂板的向下作用力則通過立柱傳遞至底座，頂梁后端則通過銷軸與尾梁進行連接，插柱、插槽和立柱則安裝固定于頂梁和底座之間。圖1 為液壓支架在上升或下降等不同狀態下的結構組成圖示意圖。插柱是液壓支架的關鍵部件之一，其頂端直接與頂梁進行鉸接連接，實現對頂梁的有效控制，底端則與插槽進行移動接觸，插柱的頂端鉸接處承受著來自頂梁的水平作用力，提升了液壓支架的整體穩定性[3]。當液壓支架處于支撐上升狀態時，頂梁向水平方向的分力越大，插柱更易因受到較大作用力而出現結構變形、局部開裂或斷裂等失效現象，但提升了支架的整體抗扭矩或偏載能力。因此，不斷結合礦用液壓支架的實際作業工況，對插柱進行結構性能研究，找到使用中的薄弱部位，成為提升液壓支架綜合性能的重要研究方向。

圖1 液壓支架結構組成示意圖

2 插柱仿真模型建立

結合ZF13000 型礦用液壓支架的結構特點，為分析插柱在使用過程中的結構性能，采用Proe 軟件，對其進行了三維模型建立。在建模過程中，對插柱結構上的倒角、圓角進行了模型簡化，并對插柱上的非關鍵圓孔進行了省略，可提高插柱的分析精度。所建立的插柱三維模型如圖2 所示。

將建立的插柱三維模型轉換為TXT 格式后，導入至ABAQUS 軟件，對其進行了仿真模型建立。由于插柱在實際使用中采用Q235 材料[4]，故在該軟件中將插柱的材料屬性設置為Q235 材料，其屈服強度為235 MPa，其主要參數如下頁表1 所示。同時，由于插柱的結構相對規則，故將插柱設置為實體單元屬性，采用了六面體網格類型對其進行網格劃分，網格大小設置為10 mm[5]，同時，對插柱頂端的連接銷孔進行了網格加密，以提高此處的仿真精度，插柱的底座進行固定約束，頂部進行鉸接約束，由此完成對插柱的仿真模型建立。

圖2 插柱三維模型圖

表1 Q235 材料主要參數

3 插柱不同工況下結構性能分析

3.1 尾梁與插柱同時作業工況

通過分析，得到了插柱在尾梁及插柱同時作用工況下的應力分布圖，如圖3 所示。由圖可知，插柱結構出現了分布不均勻的應力分布現象，由插柱底端向鉸接端呈逐漸增大的變化趨勢。插柱的最大應力出現在頂端與頂梁的鉸接耳處，最大應力達到了239.05 MPa，查過了其材料的屈服強度235 MPa，且鉸接耳處的左右兩端基本呈對稱趨勢，應力集中均相對較大。分析其原因為：在液壓支架作業過程中，由于頂梁承受著來自頂部的較大沖擊力作用，而插柱的鉸接耳處則直接與頂梁進行連接，并承受著來自頂梁的水平力作用，因此，頂梁上的水平作用分力則傳遞到了插柱的鉸接耳處。插柱底端有與插槽之間存在相互移動狀態，故其底端應力集中相對較小。由此可知，插柱的頂部鉸接耳處是整個結構的薄弱部位，需重點關注。

3.2 尾梁單獨作業工況

通過仿真分析，得到了插柱在尾梁單獨作業工況下的應力變化圖，如圖4 所示。由圖可知，插柱整體結構的應力變化趨勢與前文基本相同，由底端向頂端呈逐漸增大的變化趨勢，最大應力也主要集中在插柱的頂部鉸接耳處，應力值為183.11 MPa，比前種工況的應力值更小，未超過其材料的屈服強度235 MPa。由此可知，插柱在此工況下的結構性能相對安全，但若插柱長時間在此工況下作業，加上來自外部的無規律沖擊載荷作用，將使插柱的頂端鉸接耳連接處率先出現結構失效現象，這也給插柱的使用壽命及液壓支架的作業安全構成了嚴重威脅。

4 插柱結構優化改進

根據插柱在兩種工況下的結構應力變化分析可知，插柱頂端與頂梁連接的鉸接耳處應力最大，為整個結構的薄弱部位，在使用過程中，極容易率先在此部位出現結構失效故障現象。為此，提出了插柱的結構優化改進措施，具體如下[6]：

1）將插柱的材料有Q235 改為Q345，使其材料的屈服強度提升至345 MPa，雖在一定程度上會增加插柱的材料成本，但能提升插柱的結構性能及使用壽命；

圖3 尾粱與插柱同時作業時插柱應力（MPa）變化圖

圖4 尾粱單獨作業時插柱應力（MPa）變化圖

2）增加插柱的頂端鉸接耳處的結構厚度，左右兩側可各增加2 mm 左右，同時增加銷軸孔的直徑5 mm左右，使得所匹配的銷軸具有更強的抗剪切能力；

3）在鉸接耳處的應力集中周邊開設直徑為2 mm 左右的通孔，使其形成塑性鉸，可將鉸接耳處的應力值轉移至較小通孔處，較小在插柱鉸接耳處的應力集中現象，提升插柱的結構性能；

4）定期對插柱進行維修保養，避免其經常處于超負荷、超長時間作業，針對其結構出現的結構變形現象，應及時對其進行維修、更換，以提升其結構的使用壽命。

5 結語

隨著煤礦開采及規模的不斷壯大，保障整個煤礦開采過程的高效性、安全性，是當前企業重點考慮的問題。而采用當前成熟的有限元分析方法，對液壓支架中的插柱進行結構性能分析，成為當前企業精準掌握插柱結構變化規律的重要方式。插柱結構性能的提升，不僅能提高設備的作業效率，也將降低設備的維修、部件更換、設備停機等時間成本，且對提高液壓支架的作業安全起到重要的保障作用。