ZFG10000 型液壓支架底座不同工況下結構強度研究

楊照飛

（霍州煤電集團有限責任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣033200）

0 引 言

隨著當前國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的礦用液壓支架被應用到了井下開采作業(yè)中[1]。由于井下環(huán)境相對惡劣，加上液壓支架經常會受到來自頂部的無規(guī)律較大外界載荷作用，導致液壓支架上各部件經常出現不同程度的結構變形或局部開裂現象，其中，底座的結構變形或開裂失效問題則是直接影響液壓支架支撐性能的關鍵[2]。底座在作業(yè)過程中一旦出現較大的結構變形或局部開裂現象，這將會對井下作業(yè)安全構成嚴重威脅。為此，選用了ZFG10000/23/37 型礦用液壓支架作為研究對象，通過建立底座的仿真模型，開展了底座在不同工況條件的結構變形規(guī)律研究，并提出了底座優(yōu)化的改進措施。此研究對提升液壓支架的支撐性能、保障井下作業(yè)安全具有重要作用。

1 礦用液壓支架結構組成分析

液壓支架是煤礦開采過程中的常見的關鍵設備，其結構形式相對較多，包括掩護式、支撐式、支撐掩護式等類型。在采煤過程中會根據不同工作面的環(huán)境特點進行不同類型液壓支架的選擇使用。以ZFG10000/23/37 型礦用液壓支架為例，其結構主要由頂梁、掩護梁、底座、立柱、尾梁、立柱等部件組成[3]，其結構簡化圖如圖1 所示。由于液壓支架承受著外部的無規(guī)律載荷作用，導致設備的較多關鍵部件極容易發(fā)生結構變形、疲勞斷裂失效等現象，這對液壓支架的支撐效果及作業(yè)安全性構成了嚴重威脅。其中，底座則是影響液壓支架結構性能的關鍵部件。底座在使用過程中由于承受著來自頂梁及立柱等不同的壓力，導致其底部的橫梁、與掩護梁連接的立柱、筋板等部位出現了結構變形，隨著使用時間的加長，部位位置出現了局部開裂現象。底座一旦出現故障，只能將整個液壓支架拆卸后進行整體維修或替換，這不僅將會影響煤礦的開采效率、增加人員的勞動強度，也會對井下作業(yè)安全構成一定威脅。采用當前成熟先進的有限元理論研究方法來掌握底座的結構變形規(guī)律，有針對性的開展底座結構優(yōu)化研究，成為提高底座及液壓支架結構性能和作業(yè)安全性、降低企業(yè)相關費用支出的重要方法。為此，將重點對底座在不同工況條件下的結構變化規(guī)律開展分析研究。

2 底座模型建立

2.1 三維模型建立

圖1 ZFG10000/23/37 型礦用液壓支架簡化圖

底座作為礦用液壓支架中關鍵部件，在其使用中承受著來自頂部的所有外界載荷力作用。掌握其使用中的結構強度情況，對保證液壓具有較高的支撐安全性至關重要[4]。由此，結合ZFG10000/23/37 型液壓支架的結構特點，采用SolidWorks 軟件，對其設備中的底座及其他部件進行了三維模型建立。為減小模型非關鍵特征對結構仿真結果的影響，提高底座結構的分析精度，在底座模型建立過程中對底座上的較小圓角、較小連接孔、工藝孔等進行了特征簡化，僅保留了底座上橫梁、立柱、連接塊、筋板等在內的特征，所建立的液壓支架底座三維模型圖如圖2 所示。

圖2 液壓支架底座三維模型

2.2 仿真模型建立

表1 Q235 材料主要性能參數

結合建立的底座三維模型，將其保存為step 格式后，導致如ABAQUS 軟件中進行結構強度仿真模型建立。由于底座在使用的實際材料為Q235 材料，故在軟件中將底座模型的材料屬性設置為了Q235材料[5]，其材料的主要性能參數如表1 所示。同時，由于底座結構相對復雜，在軟件中首先對其進行了布爾切割處理，之后對其進行了四面體網格類型劃分，網格大小設置為15mm，網格類型為實體單元。另外，對底座的底部進行了固定約束，頂不根據不同工況情況進行外界邊界條件施加。圖3 為整個液壓支架的網格劃分圖，底座則為此圖中一部分，在分析時會將底座單獨分析研究。由此，完成了底座的仿真模型建立。

圖3 礦用液壓支架整體網格劃分圖

3 不同工況下的底座結構性能研究

3.1 工況確定

由于液壓支架在井下作業(yè)時具有復雜的外部載荷作用，作業(yè)工況類型相對較多。因此，僅分析了底座在頂梁單側偏載和底座兩端集中載荷2 種工況環(huán)境下的結構強度變化情況[6]。其中，頂梁單側偏載工況主要是在頂梁的一側承受較大的外界載荷作用，導致底座會出現偏心受力現象，如圖4 所示，其外部載荷為F1=22 000N；而底座兩端集中載荷工況則主要是在底座左右兩端承受了來的底部的對稱載荷作用，如圖5所示，其外部載荷為F1=23 000N，這也將對底座的結構強度構成重大威脅。

圖4 頂梁單側偏載工況示意圖

圖5 底座兩端集中載荷工況示意圖

3.2 底座在頂梁單側偏載工況下的強度分析

結合建立的頂梁仿真模型，得到了其在頂梁單側偏載工況下的強度變化圖，如圖6 所示。由圖可知，底座整體結構出現了無規(guī)律的應力變化現象，最大應力值達到了324.23MPa，超過了其材料的屈服強度235MPa，出現在底部橫梁與墊塊接觸部位，這是由于墊板與橫梁之間存在固定約束造成的；同時，立柱及橫梁上筋板也出現了較為明顯的應力集中現象。由此可知，底座在此工況環(huán)境下，極容易率先在底部橫梁墊塊處出現疲勞失效現象，對液壓支架的支撐性能構成了重要威脅。

圖6 底座在頂梁單側偏載工況下的強度變化圖

3.3 底座在兩端集中載荷工況下的強度分析

根據所建立的底座仿真模型，開展了底座在兩端集中載荷工況條件下的強度分析，其分析結果如圖7 所示。由圖可知，在此工況下，底座整體結構的應力集中現象更加突出，最大應力值達到了613.86MPa，出現在底座中部的橫梁上，遠遠超過了其材料的屈服強度235MPa；而底座的其他部位也出現了較大的應力集中現象，包括底座的橫梁后端、立柱與橫梁連接處等部位。底座在此工況下長期作業(yè)，極有可能會出現較大結構變形、開裂等失效現象，與頂梁單側偏載工況相比，此工況條件的底座具有更高的失效風險，這將給液壓支架的正常作業(yè)構成更加嚴重的威脅。

圖7 底座在兩端集中載荷工況下的應力變化圖

4 底座結構優(yōu)化改善措施分析

結合前文分析可知，液壓支架底座在2 種工況條件下均出現了較大的應力集中現象，主要集中在底部橫梁、立柱等部位，若其長期在此工況條件下工作，將極容易造成底座出現變形或結構失效現象。因此，結合此分析結果，提出了底座優(yōu)化改進的幾點措施，具體如下：

1）將底座的現有結構材料由Q235 材料改變?yōu)镼345 或45 號鋼材料，以此提高底座結構材料的屈服強度，保證作業(yè)過程中出現的最大應力控制在材料屈服強度范圍內。

2）增加底座上橫梁的寬度，以此提高其與地面的有效接觸面積，減少橫梁上受到局部作用力。

3）在同等尺寸底座上，增加底座上應力集中較大部位的材料厚度2～4mm，并在應力集中部位附近開設不影響結構性能的φ3mm 左右的較小圓孔，以使集中的應力轉移至圓孔處，減小底座的應力集中現象。

4）在底座橫梁薄弱部位增加加強筋結構，以此提高底座的結構強度。

5）底座上各部件焊接時，應保證焊縫處的焊接高在5mm 以上，且采用連續(xù)焊接方式，焊后需進行消除焊接應力的處理，以保證底座整體結構具有較高的焊接質量。

6）當底座出現變形量過大或局部開裂現象時，應及時停機對底座進行維修更換，以保證液壓支架的作業(yè)安全。

綜上分析，通過此研究，找到了液壓支架底座在不同工況條件下的結構變化規(guī)律，找到了結構上的薄弱部位，底座在實際使用中，應重點關注此些部位的受力情況，所提出了底座優(yōu)化措施，也為進一步提升底座的結構強度提供了重要指導和參考。此研究方法也為企業(yè)對液壓支架產品的設計開發(fā)減少了較多費用支出。

5 結 論

鑒于井下環(huán)境的惡劣性，采用不同方式來提高液壓支架的結構支撐性能，已成為保障井下作業(yè)安全的關鍵。掌握液壓支架中底座在不同工況條件下的變形規(guī)律，則直接關系到液壓支架的結構性能。為此，以ZFG10000/23/37 型礦用液壓支架為分析對象，采用有限元分析方法，開展了液壓支架上底座在不同工況條件下的結構強度分析研究，掌握了其結構的變化規(guī)律及結構上極容易發(fā)生變形或開裂的薄弱部位，由此，提出了提升底座結構強度的優(yōu)化措施。這為提升液壓支架的結構支撐性能及其他部件的性能研究提供了重要指導，現實應用價值明顯。