關(guān)于ZY86400/25.5/55 型液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究

曹建東

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)元甲煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

液壓支架主要用途為在煤炭開采中對巷道進(jìn)行支護(hù)，開采面礦壓以外載荷的形式作用于液壓支架的頂梁上，可以保持巷道的穩(wěn)定，減小巷道內(nèi)煤炭的掉落對設(shè)備與人員造成的傷害。液壓支架的發(fā)明為煤炭產(chǎn)量與生產(chǎn)效率的提高尊定了基礎(chǔ)。液壓支架最早出現(xiàn)于歐洲，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，液壓電控的液壓支架漸漸出現(xiàn)，我國于20 世紀(jì)90 年代開始自主生產(chǎn)液壓支架，如今技術(shù)取得了比較大的進(jìn)步。

液壓支架主要組成結(jié)構(gòu)包括承載結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、液壓控制、液壓油缸、其他輔助系統(tǒng)等。隨著煤炭需求量的不斷增加，煤炭開采力度加大，也要求液壓支架具有更強(qiáng)的支護(hù)能力。因此液壓支架的結(jié)構(gòu)件就容易出現(xiàn)故障。為了研究和提高其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以ZY86400/25.5/55 型液壓支架掩護(hù)梁為研究對象，分析其在惡劣工況下應(yīng)力分布情況，對于液壓支架結(jié)構(gòu)可靠性的提高具有重要意義[1]。

1 ZY86400/25.5/55 型液壓支架結(jié)構(gòu)分析

ZY86400/25.5/55 型掩護(hù)型液壓支架適應(yīng)性好，可用于多種地質(zhì)條件下煤礦開采，被廣泛應(yīng)用于各種礦藏開采中。液壓支架的主體結(jié)構(gòu)包括：掩護(hù)梁、頂梁、連桿、底座等，如圖1 所示，給出了該液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖，液壓支架的整機(jī)重量為21 750 kg，頂梁舉升高度2 550～5 500 mm，支護(hù)強(qiáng)度可達(dá)1.02 MPa，可適應(yīng)煤層傾角小于15°的應(yīng)用場景。具有兩根缸徑為360 mm/270 mm 的前立柱支撐油缸，油缸的工作助力4 320 kN，因此液壓支架具有較強(qiáng)的支撐能力。

圖1 ZY86400/25.5/55 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

立柱是安裝于頂梁與掩護(hù)梁之間的支撐結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)頂梁的支撐高度，具有較強(qiáng)的抗過載能力。頂梁結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)對煤層的支撐，與煤層直接接觸，不同型號(hào)的液壓支架其頂梁的結(jié)構(gòu)與功能都是相似的，頂梁通過鉸接形式與液壓油缸、掩護(hù)梁等結(jié)構(gòu)連接。掩護(hù)梁由于其處于頂梁與底座之間，承受的載荷工況更加復(fù)雜一些，容易出現(xiàn)故障，掩護(hù)梁為箱形焊接結(jié)構(gòu)件，存在較多的焊縫或比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此非常有必要對掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以了解其內(nèi)部受力特征，對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考[2]。

2 有限元分析理論

有限元分析方法（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是利用了有限拆分的思想，即基于簡單的單元相互作用與疊加，將復(fù)雜的問題進(jìn)行簡化，利用有限的計(jì)算結(jié)果擬合出無線逼近于真實(shí)計(jì)算結(jié)果的一種分析方法。有限元的分析最主要的是處理好模型的網(wǎng)格劃分與載荷與邊界條件的設(shè)置，因?yàn)橄胍玫奖容^準(zhǔn)確的仿真結(jié)果就必須設(shè)置一個(gè)非常接近于結(jié)構(gòu)實(shí)際受載情況的邊界與載荷條件[3]。

ABAQUS 是一套功能強(qiáng)大的工程仿真分析軟件，可以解決比較常規(guī)的線性與非線性問題，對結(jié)構(gòu)仿真分析可得到一個(gè)比較可靠的計(jì)算結(jié)果。ABAQUS 內(nèi)部擁有較多的各型材料庫，可以模擬非常多的經(jīng)典工程材料，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土等材料，本研究中采用了ABAQUS 軟件對掩護(hù)梁有限元模型進(jìn)行分析[4]。

3 分析模型建立

3.1 模型創(chuàng)建

根據(jù)ZY86400/25.5/55 型掩護(hù)型液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)工程圖紙，建立其三維模型；采用Solid-Works 軟件創(chuàng)建了掩護(hù)梁的三維模型。為了便于進(jìn)行有限元分析，合理簡化掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)，對于結(jié)構(gòu)中不影響結(jié)果分析的小特征如孔或小凸臺(tái)等結(jié)果可以進(jìn)行省略。

3.2 材料參數(shù)

掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)采用厚度均勻的鋼板焊接而成，鋼板材料采用的是Q550 高強(qiáng)度鋼，默認(rèn)焊縫處的材料與主體結(jié)構(gòu)的材料一致，所以對掩護(hù)梁整體結(jié)構(gòu)均設(shè)置為Q550 鋼的材料。已知，Q550 鋼的材料參數(shù)為彈性模量E =2.1×105MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度550 MPa[5]。

3.3 邊界條件與載荷

液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析可參考《煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)中列出了多種液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核的載荷工況，在此根據(jù)液壓支架的實(shí)際使用情況與標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，選擇了液壓支架扭轉(zhuǎn)工況和偏載工況對液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行分析，由于篇幅所限，不再對載荷的施加做一一說明。載荷施加在掩護(hù)梁與其他部件連接的鉸孔處，同時(shí)施加響應(yīng)的位移約束。

3.4 網(wǎng)格處理

為了提高模型仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用六面體為主的網(wǎng)格劃分方法，單元類型設(shè)置為solid45，網(wǎng)格參考尺寸為50 mm，網(wǎng)格畸變系數(shù)0.01，最終建立的有限元模型共有182 043 個(gè)單元[6]。

4 強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)ABAQUS 在兩種工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，提取了兩種工況下掩護(hù)梁的應(yīng)力分布情況，下面分別對兩種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說明：

4.1 扭轉(zhuǎn)工況

分析結(jié)果如圖2 所示，在扭轉(zhuǎn)工況作用下，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)明顯有一個(gè)比較大的扭轉(zhuǎn)變形，其結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大值為446 MPa，最大應(yīng)力值點(diǎn)位于掩護(hù)梁腹板與支持油缸連接耳板位置；同時(shí)掩護(hù)梁與頂梁連接較點(diǎn)位置應(yīng)力也較大，說明在扭轉(zhuǎn)工況下，頂梁傳遞給掩護(hù)梁的扭轉(zhuǎn)載荷較大。

圖2 扭轉(zhuǎn)工況掩護(hù)梁應(yīng)力（MPa）分布

4.2 偏載工況

圖3為掩護(hù)梁在偏載工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。掩護(hù)梁在偏載工況下，主要的承力區(qū)域?yàn)橹С钟透着c掩護(hù)梁連接的耳板位置，該區(qū)域存在比較明顯的應(yīng)力集中情況；掩護(hù)梁的其他區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，掩護(hù)梁最大應(yīng)力值為339 MPa，小于材料的屈服應(yīng)力，在此工況下結(jié)構(gòu)比較安全。

圖3 偏載工況掩護(hù)梁應(yīng)力（MPa）圖

5 掩護(hù)梁優(yōu)化措施

根據(jù)兩種工況下對掩護(hù)梁應(yīng)力分析的結(jié)果，掌握了掩護(hù)梁在不同載荷工況下應(yīng)力分布情況，可確定掩護(hù)梁可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，薄弱區(qū)域，有針對性地對掩護(hù)梁關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因此提出了掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施：

1）掩護(hù)梁上與液壓油缸相連接的連接座位置，應(yīng)增加一塊較大的板，可以將連接耳座的應(yīng)力向周圍進(jìn)行傳導(dǎo)，避免連接座周圍應(yīng)力集中。

2）提高掩護(hù)梁的抗扭能力，多設(shè)置筋板與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的抗橫向扭彎作用。

6 結(jié)論

以現(xiàn)有的ZY86400/25.5/55 型液壓支架為研究對象，基于ABAQUS 軟件對支架的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果：扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力值為446 MPa，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在液壓油缸連接耳板與掩護(hù)梁與頂梁的連接位置；偏載工況下最大應(yīng)力值為339 MPa，最大應(yīng)力值小于材料的屈服應(yīng)力，結(jié)構(gòu)相對比較安全。根據(jù)掩護(hù)梁應(yīng)力分布情況提出了兩條掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，研究對于提高液壓支架的可靠性具有良好的實(shí)際意義。