ZFS8000型礦用液壓支架中頂梁結構分析*

馮艷山

(山西焦煤汾西礦業中興煤業公司,山西 交城 030500)

0 引 言

礦用液壓支架是實現煤礦安全高效生產的重要設備，在實際使用過程中，由于井下環境惡劣，液壓支架經常受到來自頂部的不同方向載荷作用，礦用煤塵相對較多，空氣潮濕，導致液壓支架在使用過程中常出現頂梁嚴重變形、底座開裂、掩護梁變形、油缸漏油等失效現象，這類事故一旦發生，液壓支架必然失去巷道支撐作用，對礦井作業安全會構成嚴重威脅[1]。其結構中，頂梁則是液壓支架最為關鍵部件，由于其經常處于偏心載荷、局部受力等作用，使得其結構極易出現變形、開裂或磨損等嚴重問題，因此提高頂梁的結構強度及使用壽命，對保障液壓支架整體結構的安全性至關重要[2]。

結合ZFS8000型礦用液壓支架中頂梁的結構特點，采用有限元分析方法，對頂梁在不同工況下的結構性能進行分析測試，得出了頂梁中的柱窩及中部筋板是整個結構的薄弱部位，針對頂梁結構進行優化改進研究。達到提高液壓支架作業效率的目標。

1 液壓支架結構組成分析

以ZFS8000型礦用液壓支架為分析對象，其結構主要由頂梁、掩護梁、立柱、底座、四連桿、推移裝置、尾梁等部件組成，各部件通過螺栓及軸等方式進行了有效連接[3]。其中，頂梁結構主要包括頂板、中部筋板、柱窩、前鉸接孔、后鉸接孔等組成，主要承受著來自巷道頂部的煤礦沖擊作用，具有承重能力強、支撐強度高等特點，但在實際使用過程中，經常出現頂梁變形嚴重、頂梁局部開裂、頂梁中部筋板變形、頂梁鉸接孔剛度不夠等問題，一旦頂梁出現結構失效現象，將無法對巷道頂部的煤礦進行支撐，保證所設計的頂梁具有更高的結構強度及剛度，是當前煤礦企業重點考慮解決的問題[4]。同時，掩護梁則主要連接著頂梁和底座部件，部件之間通過鉸接方式進行連接，與其他零件之間構成了液壓支架整體結構。該液壓支架憑借著較大的油缸直徑，較強的結構強度及剛度，已在煤礦中進行了廣泛應用。

2 頂梁模型建立

2.1 頂梁結構模型簡化目標

根據ZFS8000型礦用液壓支架及頂梁的結構特點，在對其進行結構模型建立過程中，為保證分析結果的準確性，需對其進行結構簡化，包括結構中的圓角、倒角、較小圓孔、退刀槽等特征[5]。同時，由于液壓支架以及頂梁整體采用焊接方式進行固定連接，建模時將頂梁中焊接進行簡化，保證各零件之間為連接牢固。采用SolidWorks軟件能快速完成頂梁的模型建立。

2.2 分析模型建立

結合建立的液壓支架及頂梁三維模型，將其導入至ABAQUS軟件中，對其進行分析模型建立。在軟件中，將整個液壓支架的材料設置為Q235材料，其材料的屈服強度為235 MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.85 g/cm3。根據支架的結構特點，將其設置為實體單元類型，對其進行了六面體網格劃分，網格大小設置為20 mm，局部受力部位進行網格加密處理，非關鍵部位進行網格加大處理[6]。所生成的整個液壓支架有219400個單元，其中頂梁單元數有63907個。液壓支架各部件之間則進行相關的固定約束及鉸鏈約束。所建立的液壓支架網格劃分圖如圖1所示。

圖1 液壓支架網格劃分圖

3 頂梁不同工況下結構受力情況分析

3.1 工況一：結構性能分析

工況一條件為底座偏載、頂梁兩端承受集中載荷。通過仿真分析，從液壓支架中提取了頂梁在工況一條件下的結構應力變化圖，如圖2所示。由圖可知，頂梁整體結構出現了較為明顯的應力集中現象，應力分布呈對稱分布方式，最大應力出現在頂梁的兩端及中部筋板位置，沿左右兩側及前端方向，應力呈逐漸減少趨勢，但頂梁前端的應力小于后端。最大應力值為338 MPa，超過了材料的屈服強度。

圖2 工況一下頂梁應力變化圖

提取了頂梁的中部主筋板的應力變化結果，如圖3所示。頂梁中部主筋板出現了較為明顯的應力集中現象，最大應力值達到了280 MPa，超過了其材料的屈服強度235 MPa，出現頂梁后端與掩護梁連接的鉸接區域，此區域是整個結構的薄弱部位。主筋板的其他區域應力值相對較小，但也基本在235 MPa范圍內。

圖3 工況一下頂梁的中部主筋板應力變化圖

3.2 工況二：頂梁結構性能分析

工況二條件為頂梁單側受載，底座受扭轉載荷工況，即：底座上添加扭轉約束，頂梁添加偏載約束，如圖4所示，以此分析液壓支架在最大扭力作用下的液壓支架及頂梁的強度變化規律。

通過仿真分析，提取了液壓支架中頂梁在工況二條件下的應力變化結果，如圖5所示。由圖可知，頂梁整體結構出現了較為明顯的應力集中現象，最大應力出現在頂梁中部筋板及左側柱窩區域，最大應力值達到了420 MPa，右側柱窩應力則相對較小，頂梁的其他區域應力值也相對較小。同時，對比可知頂梁的后端靠近柱窩處的應力比前端應力更大，應力變化幅度也相對較大。

圖4 工況二條件的示意圖 圖5 工況二下頂梁的應力變化圖

提取了頂梁的中部筋板應力變化圖，由圖6可知，中部筋板也出現了較為明顯的應力集中現象，在筋板的前端頂部及后端鉸接孔附近處的應力值相對較高，達到了287 MPa，其他區域應力值則相對較小。

圖6 工況二下頂梁中中部筋板應力變化圖

綜上分析可知，頂梁在工況二條件下，其左側柱窩及中部筋板前端是整個結構的薄弱部位，在使用過程中極容易率先發生結構失效現象。

4 頂梁結構改進優化

結合上述分析結果，得出頂梁在工況一和工況二條件下均存在較多薄弱部位，其中，頂梁的左側柱窩及中部筋板上是整個結構的薄弱部位，一旦該些區域發生結構失效，將極容易率先在此區域發生結構失效現象，頂梁結構優化改進措施如下。

(1) 將頂梁結構中的材料改變為屈服強度剛剛材料，如：Q345材料，使得其材料的屈服強度更高，提高頂梁的整體結構強度。

(2) 將頂梁中頂板、中部筋板的材料厚度增加2 mm，并在頂梁的應力集中區域焊接相應結構的加強筋板，提高頂梁整體結構強度。

(3) 在頂梁的應力集中附近開設直徑較小圓孔，孔直徑可考慮在2 mm左右，可將頂梁上集中的應力轉移至圓孔處，緩解頂梁上的應力集中現象。

(4) 對頂梁中的柱窩及鉸接孔處進行局部加熱處理，增加此接觸區域的結構剛度及強度，保證頂梁的結構強度。

(5) 定期對頂梁結構的使用情況進行檢查，檢測頂梁結構中是否出現結構開裂或變形現象，保證頂梁的結構使用安全性。

5 結 語

首先采用有限元分析方法對ZFS8000型礦用液壓支架中頂梁的結構特點進行分析，通過分析得出：頂梁中工況一和工況二情況下均存在較多薄弱部位，其中，頂梁的左側柱窩及中部筋板前端最為薄弱，一旦此區域率先發生結構失效，將直接影響液壓支架的支撐效果及作業安全性，同時得到了頂梁的結構變化規律；在此基礎上，從多材料、結構尺寸等方面提出了頂梁的具體結構改進措施，此研究對頂梁的實際優化改進設計具有一定的指導和參考和借鑒價值。