基于不同工況下的ZF12000 型礦用液壓支架頂梁結構強度分析

管 杰

（晉能控股裝備制造集團中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

煤礦資源作為提升國家綜合實力的重要部分，加大對其的開采力度，保證煤礦開采中的安全性，成為當前企業重點考慮的方向。礦用液壓支架作為煤礦開采中的關鍵設備，保障整套設備的支撐性能，對保障井下作業安全至關重要[1]。但由于煤礦開采中，經常有較多的煤石掉落，直接沖擊在液壓支架頂梁上，加上支架長時間的超負荷作業，使得其結構時常出現頂梁、底座等部件結構變形、局部開裂等失效現象，一旦液壓支架支撐性能出現問題，將極容易導致工作面出現坍塌事故，造成嚴重損失[2]。為此，結合液壓支架的實際工況，不斷對液壓支架中關鍵部件（頂梁、掩護梁、底座、立柱等）進行結構性能研究，掌握其結構的薄弱部位，成為保障液壓支架安全作業的關鍵任務。

1 液壓支架結構特點分析

礦用液壓支架作為煤礦開采中的關鍵設備，其結構形式包括掩護式、支撐式、支撐掩護式液壓支架，根據井下不同工況，采用不同的液壓支架類型。以ZF12000 型液壓支架為分析對象，其結構主要由頂梁、掩護梁、立柱、尾梁、底座、控制系統等部件組成[3]。支撐模式采用了兩柱掩護式支撐，工作阻力可達6 400 kN，支護強度在1 MPa 范圍內。其中，頂梁是直接與工作面頂板接觸的部件，主要承受著來自頂板的較大外界載荷，頂梁結構主要由橫向主筋、縱向主筋、柱窩、上頂板和下底板等部件組成，上頂板采用整板結構直接焊接，并與主筋板和橫筋板一起組成個箱式結構[4]。同時，在頂梁上設置了與立柱連接的柱窩結構，在不同工況條件下具有較低的結構變形和支護效果，且能承受來自外部的起伏載荷作用。據統計，單一礦井中的液壓支架因頂梁的結構變形、結構開裂等疲勞失效而導致的液壓支架停機維修現象占據了整個設備故障的25%左右，嚴重影響著企業的煤礦開采量及井下作業安全，不斷深入開展頂梁在不同工況條件下的結構強度分析研究，成為保證液壓支架高效作業的重要任務。

2 液壓支架及頂梁模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步分析液壓支架及頂梁在不同工況下的結構強度，結合ZF12000 型液壓支架的結構特點，采用了Solidworks 三維軟件，對液壓支架中的頂梁、掩護梁、底座等部件進行了三維模型建立。在建模過程中，為提高結構的分析速度、提高仿真分析精度，對模型中的圓角、倒角、較小圓孔、連接螺栓等特征及零件進行了模型簡化[5]，僅保留了液壓支架中的關鍵部件，由此也可避免較小的非關鍵部件造成的液壓支架的仿真錯誤問題。液壓支架及頂梁的三維示意圖如圖1 所示。

2.2 仿真模型建立

在建立完液壓支架及頂梁的三維模型后，將其轉換為相應格式后轉入至ABAQUS 仿真軟件中進行設備的結構強度分析。由于液壓支架及頂梁結構主要利用Q235 材料進行焊接及螺栓等裝配連接，故在該軟件中，將設備的材料設置為了Q235 材料，其屈服強度為235 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，材料許用強度為180 MPa，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa，通過軟件中的Material 屬性功能進行設置[6]。同時，根據液壓支架的結構尺寸，采用實體單元類型，對其各部件進行四面體網格劃分，最大網格大小為20 mm，最小網格大小為5 mm。另外，根據液壓支架的連接方式，將頂梁與掩護梁及立柱之間進行球鉸約束，對底座底部進行固定約束，仿真時間設置是10 s，分析步長為0.1 s，由此，可通過建立液壓支架的整體仿真模型來模擬不同工況條件下的結構強度，并方便對液壓支架中關鍵部件的結構強度進行分析研究。

圖1 液壓支架及頂梁三維模型圖

3 頂梁結果分析

為進一步分析液壓支架中頂梁的結構性能，結合建立的液壓支架仿真模型，提取頂梁在不同工況條件下的結構強度分析研究。

3.1 頂梁扭轉載荷下分析結果

頂梁扭轉載荷工況條件即為頂梁受到7 650 kN的載荷作用，其結構的應力變化圖如圖2 所示。由圖可知，頂梁整體結構出現了應力分布不均勻現象，最大應力出現在頂梁與立柱連接的左右柱窩部位，中部的鉸接耳根部及左右加強側板也出現了較大的應力集中現象，沿著頂梁前端方向，其應力值呈逐漸減少趨勢。分析其原因為頂梁在承受來自工作面頂板的較大外界載荷作用后，通過頂梁的上頂板及加強筋結構傳遞至柱窩部位，而立柱通過與柱窩處進行配合，實現將外界壓力傳遞至底座及地面的目的，柱窩成為整個結構的關鍵受力點。由此，掌握了頂梁在扭轉載荷下的薄弱部位為柱窩處，一旦此處長時間超過了其材料的屈服強度，將會率先在此處出現結構變形、開裂等失效現象，需進行重點優化改進。

3.2 頂梁偏心載荷下分析結果

頂梁偏心載荷工況即為在頂梁左或右側施加載荷為7 650 kN 的外部載荷，得到的頂梁應力變化圖如圖3 所示。由圖可知，頂梁在此工況下也出現了應力分布不均勻現象，且其不均勻性更明顯。頂梁的柱窩及中部鉸接耳處的應力值最大，且頂梁的右側中部區域的應力也相對更高；另外，由柱窩部分向頂梁前端，應力分布呈逐漸減小趨勢，但整體的應力值比頂梁扭轉載荷工況下更高。分析其原因為：頂梁在受到偏心載荷作用后，其右端中部首先受到較大作用力，通過左右兩個柱窩部位傳遞到立柱及底座上，實現頂梁上作用力的向下傳遞。由此可知頂梁的柱窩及中部鉸接耳處是整個結構在此工況下的薄弱部位，需對其進行結構優化改進。

圖2 頂梁扭轉載荷應力變化圖

圖3 頂梁偏心載荷下應力變化圖

4 頂梁結構改進措施

結合前文分析可知，在兩種工況下，頂梁的柱窩及中部鉸接耳處是整個結構的薄弱部位，其長時間的使用，極容易率先在此處發生結構失效現象。為此，對頂梁進行結構優化改進，具體如下：

1）增加頂梁柱窩處的材料厚度，在中部鉸接耳焊接時，增加焊縫高度，保證此區域具有較高的結構強度；

2）在頂梁柱窩及中部鉸接耳應力集中附近的非關鍵部位開設直徑為2 mm 的小孔，使其形成塑性鉸結構，可使集中的部分應力轉移至塑性鉸處，緩解此處的應力集中現象；

3）將頂梁結構的材料改為屈服強度更高的Q345 材料，針對頂梁柱窩及關鍵的受力部位進行局部熱處理工藝生產，以提升頂梁的整體屈服強度；

4）在頂梁底部的左右部位焊接一定強度的加強筋材料，使得其底部具有更好的支撐性能，提高頂梁的結構強度；

5）頂梁使用過程中，應盡量避免其長時間處于超負荷、偏心等工況下作業，定期對其結構中焊接部位、柱窩及周邊受力部分進行檢查，若發現其出現一定問題，需及時采用維修保養措施，以此降低頂梁出現較嚴重的結構失效現象。

5 結語

結合頂梁的實際作業工況，不斷開展其結構性能的研究分析，找到結構的薄弱部位，是保障液壓支架高效作業的關鍵。頂梁結構性能的提升，不僅能提高液壓支架的作業時間，也可避免因停機維修而產生的時間及資源浪費。本文針對ZF12000 型液壓支架頂梁結構的研究得出“在扭轉載荷和偏心載荷下，頂梁的柱窩及中部鉸接耳部位為薄弱部位，極容易率先發生結構失效”的結論，為優化頂梁結構，提升頂梁的結構性能提供理論支撐。