ZY6400型礦用液壓支架推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能及優(yōu)化改進(jìn)研究

許麗華

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

引言

煤礦資源是推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的關(guān)鍵能源，加大對(duì)煤礦資源的開(kāi)采力度，是相關(guān)政府及企業(yè)重點(diǎn)考慮的方向[1]。礦用液壓支架作為煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)對(duì)井下工作面進(jìn)行支撐，保障其設(shè)備具有較好的結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，是提高煤礦開(kāi)采效率及井下作業(yè)安全的關(guān)鍵，其中，推移機(jī)構(gòu)則是液壓支架中的重要部件[2]。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上經(jīng)常有外界較大的煤石沖擊，導(dǎo)致推移機(jī)構(gòu)受到的外界作用力相對(duì)較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使推移機(jī)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、銷(xiāo)軸開(kāi)裂、千斤頂失效及部件斷裂等失效現(xiàn)象，一旦推移機(jī)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的失效現(xiàn)象，將對(duì)液壓支架的工作效率及井下作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。找到推移機(jī)構(gòu)在使用中的薄弱部位，有針對(duì)性地對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)顯得十分必要。為此，以ZY6400型礦用液壓支架推移機(jī)構(gòu)為分析對(duì)象，開(kāi)展了其結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移變化規(guī)律的研究，并由此有針對(duì)性地開(kāi)展了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)研究，這對(duì)提高推移機(jī)構(gòu)的綜合性能及作業(yè)安全起到重要支撐作用。

1 液壓支架及推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成分析

礦用液壓支架是煤礦開(kāi)采中的關(guān)鍵設(shè)備，包括掩護(hù)式、支撐式、支撐掩護(hù)式等類(lèi)型，根據(jù)不同礦井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用需求，有針對(duì)性地選擇最佳的支撐類(lèi)型。以ZY6400型礦用液壓支架為例，其工作阻力為6 000 kN，初撐力為5 000 kN，其結(jié)構(gòu)主要包括頂梁、掩護(hù)梁、平衡千斤頂、立柱、推移機(jī)構(gòu)、尾梁、底座、控制系統(tǒng)等部件[4]，如圖1所示，頂梁直接與工作面頂板進(jìn)行接觸，將來(lái)自頂板的外界載荷通過(guò)立柱傳遞至底座及地面，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面的有效支撐作用。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

推移機(jī)構(gòu)則是負(fù)責(zé)推動(dòng)液壓支架及運(yùn)輸機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要由前推桿、十字頭、后推桿等組成，前推桿通過(guò)十字頭鉸接結(jié)構(gòu)與后推桿進(jìn)行連接[5]，如圖2所示，在作業(yè)過(guò)程中承受著較大的壓力、拉力及側(cè)向作用力等。由于前后推桿采用了鉸接方式進(jìn)行連接，故在傳力方面效果較差，且較大的作用力將會(huì)使推移機(jī)構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效或局部斷裂現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究。

2 推移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 三維模型

為進(jìn)一步掌握推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)其建立了模型。采用了Solidworks軟件，建立了包括前推桿、后推桿等部件在內(nèi)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)三維模型。為提高后文模型的仿真精度及分析速度，對(duì)推移機(jī)構(gòu)中非關(guān)鍵的圓角、倒角、小圓孔等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化[6]，結(jié)構(gòu)中的焊縫處也采用了一體式拉伸建立，不考慮焊縫對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，簡(jiǎn)化后的推移機(jī)構(gòu)三維模型如下頁(yè)圖3所示。

圖3 推移機(jī)構(gòu)三維模型圖

2.2 仿真模型建立

在完成推移機(jī)構(gòu)的三維模型建立后，將其保存為x_t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。由于推移機(jī)構(gòu)實(shí)際使用的是Q345材料，故在軟件中將推移機(jī)構(gòu)的材料屬性設(shè)置為了Q345材料[7]，其材料的主要性能參數(shù)如表1所示。結(jié)合實(shí)際，在后推桿與推移千斤頂連接處施加了650 kN的推移載荷，并沿千斤頂?shù)妮S線方向。在相互接觸方面，對(duì)前后推桿的鉸接連接處進(jìn)行了鉸接約束，對(duì)前推機(jī)構(gòu)的前銷(xiāo)孔處進(jìn)行固定約束。在對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將其設(shè)置為實(shí)體單元和四面體網(wǎng)格類(lèi)型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，由此完成了推移機(jī)構(gòu)的仿真模型建立。

表1 Q345材料主要性能參數(shù)

3 不同工況下的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析

通過(guò)仿真分析，得到了推移機(jī)構(gòu)的應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，推移機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，最大應(yīng)力值約為336.5 MPa，出現(xiàn)在機(jī)構(gòu)的中部鉸接耳處，其值雖未超過(guò)材料的最大屈服強(qiáng)度345 MPa，但已較為接近。推移機(jī)構(gòu)的前推桿前端、后推桿中部等區(qū)域也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因?yàn)椋和埔茩C(jī)構(gòu)在作業(yè)時(shí)，由于受到較大的外界阻力作用，加上地面及其他部分的摩擦相對(duì)較大，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著升高。由此，找到了中部鉸接處為其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，其長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)將極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開(kāi)裂等失效現(xiàn)象，有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

圖4 推移機(jī)構(gòu)應(yīng)力變化圖

通過(guò)仿真分析，得到了推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5所示。由圖可知，推移機(jī)構(gòu)整體出現(xiàn)了較大幅度的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，最大變形值約為6.7 mm，出現(xiàn)在前推桿與后推桿的鉸接連接處，后推桿上位移由中部鉸接處相對(duì)尾端呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，前推桿位移也是由中部向前端呈減少趨勢(shì)，但變形程度低于后推桿，此變化規(guī)律與其應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。分析其原因?yàn)椋和埔茩C(jī)構(gòu)在作業(yè)時(shí)受到較大的外界作用力，前推桿經(jīng)過(guò)鉸接處傳遞至后推桿上，此時(shí)鉸接處的銷(xiāo)軸及銷(xiāo)軸孔成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由此可知，推移機(jī)構(gòu)的中部鉸接處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。因此，有針對(duì)性地對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，成為提高其結(jié)構(gòu)性能的重要方向。

圖5 推移機(jī)構(gòu)位移變化圖

4 推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合前文的研究，得出推移機(jī)構(gòu)的中部鉸接處為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)及液壓支架的作業(yè)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。為此，開(kāi)展了推移機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，主要是將推移機(jī)構(gòu)由前后推桿改為了一體式結(jié)構(gòu)，省去了中間鉸接部位結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的推移機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖6 新型推移機(jī)構(gòu)三維圖

5 改進(jìn)效果

為驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的綜合性能，按照以上分析方法，開(kāi)展了新型推移機(jī)構(gòu)的應(yīng)力變化分析，如圖7所示。新型推移機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布更加均勻，最大應(yīng)力主要集中在結(jié)構(gòu)的后端筋板上，最大應(yīng)力值為215.424 MPa，比原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值336.5 MPa降低了36%左右，整體結(jié)構(gòu)受力情況得到明顯改善，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到顯著提升，且此結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，安裝也更加方便，由此驗(yàn)證了改進(jìn)后推移機(jī)構(gòu)的可行性及可靠性。

圖7 新型推移機(jī)構(gòu)應(yīng)力變化圖