F2400型放頂煤液壓支架頂梁破損原因分析與改進研究

張 強

（山西大同永定莊煤業公司，山西 大同 037024）

引言

放頂煤液壓支架作為煤炭采掘過程中的重要設備，是采煤工作面正常運行的重要保障[1]，直接關系著煤炭開采的安全性和效率，必須引起高度重視[2-3]。頂梁作為放頂煤液壓支架的關鍵結構件，其結構的強度與液壓支架的承載能力息息相關[4-6]。

1 放頂煤液壓支架的特點及問題

煤炭采掘工作面內正在使用的是F2400型放頂煤液壓支架，因其具有很好的適應性，在煤炭采掘工作中的應用較為廣泛。其特點包括：具有連續較低的放煤口，放煤效果好、采出率高；煤壁到放煤口的距離較大，有利于頂煤的破碎及放落；較低的出煤口有利于降低工作面內部的煤塵濃度，可改善礦工的作業環境；四桿機構的運用，使其具有較強的承載能力，工作穩定性較好；尾板具有切割煤塊的功能，保證放煤口下煤順利進行，有利于頂煤的冒落，保證放煤的連續性和效率。雖然放頂煤液壓支架具有較多的優點，但是近兩年煤炭采掘量不斷增加，對其結構強度要求較高，因頂梁服役條件較為苛刻，工作過程中出現了破壞，導致液壓支架失效，因此有必要進行原因分析和優化改進。

2 放頂煤液壓支架頂梁有限元分析

2.1 頂梁三維模型的建立

放頂煤液壓支架頂梁有限元分析的第一步是建立頂梁的三維模型，經過頂梁的現場測繪，結合工程圖紙，完成了F2400型放頂煤液壓支架頂梁三維模型的建立。為了提高后續有限元仿真分析的效果，降低仿真計算時間，建模過程中進行了一定程度的簡化，忽略了結構中對分析結果影響不大的倒角、圓角、螺紋等。

2.2 材料屬性設置及網格的劃分

完成F2400型放頂煤液壓支架頂梁三維模型建立之后另存為.igs 格式文件，將其直接導入到ANSYS仿真計算軟件中，打開無誤即可進行材料屬性的設置，頂梁材料為16Mn，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為345 MPa。材料屬性設置之后進行網格的劃分，為了保證頂梁網格劃分的質量，因其結構較為簡單，選擇自由化分網格的方法，網格劃分結果如圖1 所示。

圖1 頂梁網格劃分結果

2.3 載荷與約束的施加

仿真結果的準確性與其載荷及約束條件的施加密切相關，根據放頂煤液壓支架頂梁的實際工作情況確定頂梁兩端的載荷設置為額定工作壓力的1.2倍為宜。分析過程中的姿態設置為支架最大高度減去支架行程的1/3，約2.5 m。結合放頂煤液壓支架系統結構及位姿狀態，計算得到頂梁所受的集中力大小為7 500 kN，有限元仿真計算時將其均布在各個柱窩位置。邊界條件設置時，將頂梁墊塊位置為位移約束，具體將其X、Y、Z 方向的位移均設置為零。

2.4 仿真結果分析

完成放頂煤液壓支架頂梁有限元分析前處理之后可以啟動ANSYS 仿真軟件自帶求解器，進行放頂煤液壓支架頂梁結構強度的計算。仿真計算完成時從分析結果中提取放頂煤液壓支架頂梁仿真分析結果，獲得應力分布云圖如下頁圖2 所示。由圖2的放頂煤液壓支架頂梁應力分布云圖可以看出其最大應力值為321.458 MPa，存在明顯的應力集中，位置出現在了放頂煤液壓支架頂梁的柱窩。應力集中位置的應力值為321.458 MPa，與其材料的屈服強度極為接近，是其工作過程中出現破壞的主要原因，因此必須進行改進設計才能避免類似破壞事故的再次發生。

圖2 放頂煤液壓支架頂梁應力（Pa）分布云圖

3 放頂煤液壓支架頂梁的改進

3.1 改進策略

機械結構優化方法眾多，類似放頂煤液壓支架頂梁的結構件，在提高強度改進時的方法包括以下幾種：第一是更換放頂煤液壓支架頂梁的加工材料，將原來的16Mn 用高強度結構鋼或者合金鋼代替，以此提高整個放頂煤液壓支架頂梁結構的強度和承載能力；第二是優化改進放頂煤液壓支架頂梁結構件的熱處理工藝，得到最優的熱處理方法，以此充分發揮放頂煤液壓支架頂梁使用材料的力學性能，達到提高力學性能均勻性和承載能力的效果；第三是改進放頂煤液壓支架頂梁結構形狀，避免出現變化較大的截面和尺寸，降低結構出現應力集中的可能，保證其較好的承載能力；第四是在放頂煤液壓支架頂梁中應力集中位置進行結構改進，增加筋板或者應力集中位置的板厚等，以便降低放頂煤液壓支架頂梁應力集中程度。綜合考慮放頂煤液壓支架頂梁改進的可行性，此處選擇在放頂煤液壓支架頂梁應力集中位置布置筋板的方法進行優化改進，在頂梁四個柱窩的位置增加了兩條加強板，改進之后的放頂煤液壓支架頂梁結構如圖3 所示。

圖3 放頂煤液壓支架頂梁改進結構

3.2 改進結果分析

為了驗證放頂煤液壓支架頂梁結構改進的結果，對改進之后的放頂煤液壓支架頂梁再次進行三維模型的建立，之后采用與改進之前有限元仿真分析前處理相同的過程進行參數設置。參數設置完成啟動ANSYS 有限元仿真軟件的求解器進行放頂煤液壓支架頂梁的強度分析，分析結果如圖4 所示。由圖4 改進之后的放頂煤液壓支架頂梁應力云圖可以看出，最大應力值為246.189 MPa，應力集中位置依然出現在放頂煤液壓支架頂梁的柱窩，相較于改進之前降低了約75 MPa，應力集中應力值遠離放頂煤液壓支架頂梁材料的屈服強度。由此可見，通過在柱窩位置增加加強板的改進方法取得了很好的改進效果，對于指導實際生產過程中的放頂煤液壓支架頂梁改進具有重要的指導意義。

圖4 改進放頂煤液壓支架頂梁應力（Pa）分布云圖

4 應用效果評價

根據上述仿真分析與改進結果開展了放頂煤液壓支架頂梁的制造工作，并且將重新加工的放頂煤液壓支架頂梁應用到了服役的放頂煤液壓支架當中，進行了為期半年的跟蹤記錄。結果表明，改進之后的放頂煤液壓支架頂梁工作過程中穩定可靠，能夠適應當前工作面的采煤強度。相較于改進之前，放頂煤液壓支架的故障率降低近15%，節約維修成本近5%，預計放頂煤液壓支架使用壽命能夠延長7%，為企業產生經濟效益近230 萬元/年，取得了很好的應用效果，也驗證了仿真優化結果的準確性。

5 結論

1）液壓支架頂梁破損的主要原因是頂梁的柱窩位置存在應力集中，應力值為321.458 MPa，接近材料的屈服強度。

2）通過在頂梁的柱窩位置增加加強板的方法進行優化改進，改進之后的應力集中情況得到了改善，放頂煤液壓支架的故障率降低近15%，節約維修成本近5%，預計放頂煤液壓支架使用壽命能夠延長近7%，為企業產生經濟效益近230 萬元/年。