液壓支架推移桿推桿尾斷裂問題的技改方案及有限元分析

劉玉亮 李攀攀

摘 要：本文針對某礦支架整體推移桿結構設計了兩種加強方案，通過基于ANYSYS的有限元分析，得出原始結構及兩種技改方案各自的受力分析圖，研究更優的解決方案。

關鍵詞：液壓支架;長推桿;推桿尾;有限元;焊縫撕裂

中圖分類號：TD355.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0067-03

Abstract： In this paper， two strengthening schemes were designed for the overall moving rod structure of a mine support， through the finite element analysis based on ANYSYS， the respective force analysis diagrams of the the original structure and two technical transformation schemes were obtained， and the better solution was studied.

Keywords： hydraulic support;long push rod;push rod tail;finite element;weld tearing

某礦ZY12000/25.5/55D液壓支架推移桿使用過程中發生批量性推桿尾焊縫撕裂的情況，推桿尾甚至直接從推移桿上脫落。基于此，本研究設計了兩種改良方案，模擬了4種工況，對該推移桿原始結構及兩種改良結構進行了有限元分析，對三種結構進行對比分析。

1 推桿技改結構設計

1.1 推移桿原結構

推桿主材質為Q890，其采用整體式長推桿箱結構形式，箱型中部有一豎肋，推桿尾為弧形面結構，連接銷軸孔傾斜一定角度，尾部推桿尾為鑄造件，材質為ASTM A148 115-95;推桿長度為3 702 mm，最高處為415 mm，最寬處為280 mm;使用中出現的推桿尾斷裂情況多數為圖1中焊縫Ⅰ（推桿尾與蓋板焊縫）及焊縫Ⅱ（推桿尾與底板焊縫）開裂導致的[1-2]。原始推移桿結構如圖1、圖2所示。

1.2 技改方案A

技改方案A涉及三方面內容，一是增加推桿尾尾部加強板，二是增加兩側立筋加強板，三是增加蓋板加強板[3-4]，如圖3所示。

1.2.1 增加推桿尾尾部加強板。其與推桿尾尾部倒角重合，規格為Q550δ20，焊縫為一周16 mm角焊縫。人們要對圖1中的焊縫Ⅰ進行保護及加強。

1.2.2 增加兩側立筋加強板。在兩側立筋外側各加1件加強板，規格為Q890δ10，焊縫為一周10 mm角焊縫。

1.2.3 增加蓋板加強板。在推桿尾與立筋焊縫位置增加一塊加強板，規格為Q890δ10，焊縫為一周10 mm角焊縫，對圖1中的焊縫Ⅱ進行保護及加強。

總的來說，通過在焊縫薄弱位置及應力集中位置增加幾處加強板，對焊縫進行保護，改善焊縫受力情況。

1.3 技改方案B

技改方案B涉及六方面內容，下面逐一進行分析。

1.3.1 立筋取消折彎段，改為長直板。原有的立筋為折彎板，前端平直，推桿尾端向內側折彎10 mm。技改后，其改為長直板。

1.3.2 推桿尾加寬，與兩側立筋貼合。原有的推桿尾寬度為130 mm，加寬為150 mm。為保證整體限位尺寸不變，兩側限位的擋板寬度各減小10 mm。

1.3.3 加長推桿尾前端尺寸。推桿尾前端加長100 mm，高度為100 mm。此位置與小蓋板進行焊接。

1.3.4 中筋結構結構調整。中筋前端增加一處斜臺，用以與蓋板的搭接。

1.3.5 內部增加一塊小蓋板。原蓋板的下方增加一處方板，一周開45°坡口，分別與筋板、立筋、推桿尾加長段進行焊接[5]，如圖4所示。

1.3.6 改變立筋與蓋板焊縫結構。后部角焊縫技改為雙側60°坡口焊，如圖5所示。

總的來說，對推桿尾自身強度進行加強，對蓋板與立筋焊縫結構進行技改，增加推桿內部蓋板，以分擔推桿尾焊縫受力。

1.4 方案對比

方案A優點是方便實施，可以在原有基礎上直接進行技改，缺點是未充分改善受力狀況;方案B優點是加強位置較多，整體強度提升，缺點是無法利用舊件進行改造，只能加工新件。

2 有限元分析

2.1 工況選擇

按照《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術條件》（GB 25974.1—2010）要求，對推桿進行垂直加載，然后施加約束。如圖6所示，對推桿施加外部荷載及1.5倍抬底千斤頂推力，并施加約束。

2.2 原結構有限元分析

按照2.1所述，在圖6狀態下，對原結構推桿施加1.5倍抬底千斤頂推力的荷載，得出應力云圖，如圖7、圖8所示。

研究表明，根據有限元分析結果，原結構推桿母材所受最大有效應力約為820 MPa，焊縫區域所受最大有效應力約為760 MPa。

2.3 方案A分析結果

按照2.1所述，在圖6狀態下，對方案A推桿施加1.5倍抬底千斤頂推力的荷載，得出應力云圖，如圖9、圖10和圖11所示。

研究表明，根據有限元分析結果，方案A推桿母材所受最大有效應力約為815 MPa，焊縫區域所受最大有效應力約為690 MPa。

2.4 方案B分析結果

按照2.1所述，在圖6狀態下，對方案B推桿施加1.5倍抬底千斤頂推力的載荷，得出應力云圖，如圖12、圖13和圖14所示。

研究表明，根據有限元分析結果，方案A推桿母材所受最大有效應力約為725 MPa，焊縫區域所受最大有效應力約為400 MPa。

3 結果評價

分析結果顯示，優化方案B在結構整體剛度及連接頭與箱體截面過渡方面優于原方案及優化方案A。在原方案中，從實心截面到箱體截面的過渡劇烈，剛度不匹配，截面突變部位會出現較大的應力集中，優化方案A改善效果不明顯，建議基于優化方案B完善結構，實現截面剛度合理過渡。

建議加大推桿尾上R30圓弧，并加大圓弧到焊縫的距離。根據損壞情況，選擇上面的有限元分析工況，同時按《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術條件》（GB 25974.1—2010）中21C工況進行了計算，發現推桿強度在理論計算中的安全系數不高，因此在允許的情況下把頂板和底板板厚由25 mm增加到30 mm。

4 結語

本文通過對推移桿兩種技改方案的有限元分析，得出各工況及各結構下推桿尾位置的應力云圖及變形云圖，根據應力情況判斷各方案優劣，并根據各自應力變化情況判斷繼續優化的方向，從而得出最優方案。

參考文獻：

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