關(guān)于ZY12000/18/35D型礦用液壓支架推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

高榮梅

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037000）

引言

當(dāng)前，國(guó)家對(duì)煤礦資源的需求量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，煤礦開(kāi)采中也有越來(lái)越多的煤礦設(shè)備被廣泛應(yīng)用[1]。礦用液壓支架則是煤礦開(kāi)采中的典型設(shè)備之一，保證其設(shè)備在煤礦開(kāi)采中的支撐效果已成為保障井下作業(yè)安全的重點(diǎn)任務(wù)。推移機(jī)構(gòu)作為礦用液壓支架中的重要部件，由于其在使用中承受著較大的外力作用，加上井下環(huán)境的惡性性和部件的超長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，導(dǎo)致推移機(jī)構(gòu)在使用中極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或折斷故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著井下的作業(yè)安全[2]。因此，以ZY12000/18/35D礦用液壓支架為研究對(duì)象，通過(guò)建立推移機(jī)構(gòu)的仿真模型，開(kāi)展了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能分析研究，有效提高了液壓支架的支撐性能。

1 液壓支架推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的分析

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的礦用液壓支架類型及型號(hào)較多，包括支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式液壓支架，但其結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。液壓支架的結(jié)構(gòu)主要由頂梁、護(hù)幫機(jī)構(gòu)、頂掩護(hù)梁及側(cè)護(hù)板機(jī)構(gòu)、平衡千斤頂、底座、推移機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、立柱等部件組成[3]。由于其具有較為穩(wěn)定的支撐性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在煤礦開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用。

因此，選用了ZY12000/18/35D礦用液壓支架為研究對(duì)象，而推移機(jī)構(gòu)則是液壓支架中實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)刮板輸送機(jī)向前移動(dòng)的重要部件，也是液壓支架中的重要受力件，其結(jié)構(gòu)主要由前推桿、十字頭、后推桿等組成，十字頭處采用了銷軸結(jié)構(gòu)，可將前推桿和后推桿進(jìn)行有效連接[4]。推移機(jī)構(gòu)與千斤頂?shù)南嗷ヅ浜希蓪?shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架底座的抬起功能，能承受不同方向的壓力和拉力作用。推移機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用中，會(huì)受到來(lái)自外界的交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)極容易因受到較大外力而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)彎曲變形或折斷現(xiàn)象，同時(shí)，液壓支架中的底座橋也對(duì)推移機(jī)構(gòu)的向前作業(yè)起到了阻礙作用[5]；同時(shí)，現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)中的鉸銷結(jié)構(gòu)在使用中，也會(huì)對(duì)底座的抬起操作構(gòu)成重要影響。因此，有必要結(jié)合現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能及作業(yè)特點(diǎn)，掌握其使用中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，以此提高推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命。

2 現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)模型的建立

2.1 推移機(jī)構(gòu)三維模型的建立

根據(jù)推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，采用SolidWorks軟件，對(duì)現(xiàn)有的推移結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)三維模型建立，在軟件中主要對(duì)推移機(jī)構(gòu)的前推桿、前液壓缸、十字頭、后推桿等部分進(jìn)行了三維模型建立。在建模中，針對(duì)推移機(jī)構(gòu)中非關(guān)鍵的工藝孔、螺栓孔等進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，并對(duì)結(jié)構(gòu)中的較小圓角、倒角也進(jìn)行了特征省略，由此能提高后文對(duì)推移機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分質(zhì)量及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析精度。所建立的現(xiàn)有液壓支架推移機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)仿真模型的建立

將建立的推移機(jī)構(gòu)導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，進(jìn)行了推移機(jī)構(gòu)仿真模型建立。由于推移機(jī)構(gòu)實(shí)際使用中主要采用的是Q460材料[6]，故在該軟件中，首先將其結(jié)構(gòu)設(shè)置為Q460材料，其材料的主要性能參數(shù)如表1所示。根據(jù)推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在網(wǎng)格劃分中，采用了四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，整個(gè)網(wǎng)格單元達(dá)到了7萬(wàn)個(gè)左右。另外，在軟件中，對(duì)十字頭處的前銷孔進(jìn)行了固定約束，后推桿處進(jìn)行了銷軸約束，并對(duì)后推移機(jī)構(gòu)的底面進(jìn)行了虛擬壁約束。最后，在后推移機(jī)構(gòu)與推移千斤頂連接處施加了600 kN的推力載荷，以此模擬推移機(jī)構(gòu)的推動(dòng)作用。由此，完成了現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)的仿真模型建立。

表1 現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)Q460材料主要性能參數(shù)

3 現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

結(jié)合建立的推移機(jī)構(gòu)仿真模型，對(duì)其使用中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究，其應(yīng)力分布圖如圖2所示。由圖可知，推移機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力呈分布不均勻現(xiàn)象，在前推桿前端、十字頭、后推桿中部等部位的應(yīng)力值相對(duì)更高，而其他部分的應(yīng)力值則相對(duì)較低。推移機(jī)構(gòu)上最大應(yīng)力值達(dá)到了671.8 MPa，超過(guò)了推移機(jī)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度。分析其原因?yàn)橥埔平Y(jié)構(gòu)由于受到外界較大推力的作用，加上中部采用的十字頭結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致推移結(jié)構(gòu)的整體出現(xiàn)了受力不均勻現(xiàn)象，外界作用力的傳遞也呈不規(guī)則狀態(tài)。由此，找到了推移機(jī)構(gòu)在使用中的薄弱部位，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)分析

4.1 改進(jìn)后推移機(jī)構(gòu)模型的建立

由前文可知，推移機(jī)構(gòu)的前端、十字頭、后推桿中在使用均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。為進(jìn)一步提高推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是將推移機(jī)構(gòu)改為一體式整體結(jié)構(gòu)，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度。改進(jìn)后的推移機(jī)構(gòu)模型示意圖如圖3所示。與原有仿真模型分析相同，對(duì)改進(jìn)后推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相同的網(wǎng)格劃分、載荷施加、材料設(shè)置。同時(shí)，將推移機(jī)構(gòu)的前銷孔進(jìn)行固定約束，推移機(jī)構(gòu)的底面進(jìn)行虛擬壁約束設(shè)置，由此，完成了新型推移機(jī)構(gòu)的模型建立。

圖2 現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖3 改進(jìn)后推移機(jī)構(gòu)三維模型圖

4.2 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

結(jié)合改進(jìn)后的推移機(jī)構(gòu)仿真模型，得到了其整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖，如圖4所示。由圖可知，與原有機(jī)構(gòu)相比，改進(jìn)后的推移機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到明顯提升，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力值為460 MPa，剛好達(dá)到了推移機(jī)構(gòu)屈服極限，主要集中在推移機(jī)構(gòu)的后端部位，并向機(jī)構(gòu)前端呈逐漸減小趨勢(shì)，而前推桿的前端、中部等部位的應(yīng)力與原有結(jié)構(gòu)相比，均得到明顯減小。由此，可知采用整體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能大大提高推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)，使推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)得到明顯簡(jiǎn)化，用材也明顯減少，縮短了推移機(jī)構(gòu)的安裝生產(chǎn)周期，其帶來(lái)的功能性優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。

圖4 改進(jìn)后推移機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布圖

5 結(jié)論

改進(jìn)后的推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能得到了明顯提升，在相同環(huán)境下具有更長(zhǎng)的使用壽命及更低的結(jié)構(gòu)成本，部件生產(chǎn)及安裝也得到了明顯改善，驗(yàn)證了改進(jìn)后推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的可行性。該研究對(duì)提高推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及保障液壓支架具有較高支撐性能具有重要意義。