基于ABQUS 的ZF1200 型液壓支架底座結構性能的研究

成 偉

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多煤礦設備被應用到了煤礦開采中，包括采煤機、掘進機、帶式輸送機、液壓支架等設備，其中，礦用液壓支架在井下作業過程中主要起到支撐巷道作用[1]。其結構中的底座作為液壓支架中的重要部件，支撐作業過程中由于受到較大的外界載荷及沖擊載荷作用，加上底座整體結構主要采用的焊接方式進行固定連接，導致底座整體結構出現結構變形、局部開裂等失效現象，一旦底座發生了結構失效現象，不僅會影響著整個礦井的開采進度及效率，也將對井下的作業安全構成嚴重威脅[2]。因此，掌握底座在不同工況下的結構性能及變形規律，有針對性的對其進行結構優化改進顯示十分必要。

1 液壓支架組成結構分析

液壓支架是整個井下作業中的重要支撐設備，主要負責對巷道進行支撐作用，防止井下發生坍塌現象。液壓支架根據其作業工況的不同，一般包括掩護式液壓支架、支撐式液壓支架、支撐掩護式液壓支架[3]，以ZF12000 型液壓支架為例，該設備的主要組成部分包括頂梁、掩護梁、立柱、底座、連板、液壓系統、電氣系統等，其結構示意圖如圖1 所示。根據巷道煤層的高度不同，可通過立柱來實現頂梁高度的調節。其中，底座則是液壓支架中的關鍵部件，其上部鉸接耳及柱窩主要與連板及立柱柱窩頭進行連接，底座底板則主要與巷道地面進行接觸，當頂梁受到向下的載荷作用時，通過立柱及掩護梁部件，將作用力傳遞至底座上，并最終傳遞至地面上，以實現對巷道的有效支撐作用。在此過程中，底座承受著來自頂部的全部外界載荷作用[4]。最終會使底座發生嚴重的結構變形，甚至達到報廢狀態。采用當前成熟的有限元分析方法，對底座進行結構性能研究，成為當前高效掌握底座變形規律，提高其結構性能的重要方法。

圖1 液壓支架結構組成示意圖

2 底座模型建立

2.1 底座三維模型建立

為進一步分析底座在應用過程中的結構性能，需對其進行分析模型建立。故選用了PROE 軟件，對底座的底板、柱窩、橫向筋板、縱向筋板及鉸接耳等特征進行了模型建立。為提高后文底座模型的分析精度，縮短分析時間，將底座模型中的非關鍵圓角、倒角、螺栓圓孔等特征進行模型簡化，僅保留了底座中關鍵特征，按照1∶1 的比例進行模型建立[5]。所建立的底座三維模型如下頁圖2 所示。

圖2 底座三維模型

2.2 底座仿真模型建立

2.2.1 材料屬性設置

利用ABAQUS 軟件，開展了底座的仿真模型建立。在軟件中，根據底座的實際使用材料特征，將底座的材料設置為Q345 材料，其材料密度為7 850 kg/m3，屈服強度為345 MPa，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。通過軟件中的材料屬性功能，賦予底座的材料為Q345[6]。

2.2.2 底座網格劃分

在完成底座的材料屬性設置后，由于本文將重點對底座的應力和位移進行分析研究，故首先在軟件中對其進行了場輸出設置，定義了應力和位移的輸出結果。根據底座的結構特點，在對底座進行Solid 實體單元類型設置后，對其進行了四面體網格劃分，網格大小為10 mm。由于底座柱窩為整個結構的關鍵受力點，故將底座進行了網格加密處理。

3 底座結構性能分析

3.1 頂梁兩端受向下載荷工況時分析結果

結合仿真分析結果，得到了底座在頂梁兩端受向下載荷工況下時的應力和位移變化結果。如圖3所示，底座整體結構上的應力出現了分布不均勻現象，最大應力值達到了471.56 MPa，集中在底座的中部過橋及柱窩等區域，應力值已超過其材料的屈服強度235 MPa，由此可判斷，底座整體結構已基本處于嚴重變形失效狀態。由圖4 可知，底座整體結構的變形現象較為明顯，最大變形量出現在底座左前端邊沿處，最大變形量為2.917 mm，沿其他方向，底座結構呈逐漸減少的變形趨勢。分析原因為：在頂梁兩端收到較大外界載荷作用力時，外界作用力傳遞到中部柱窩處，使得底座的中部過橋和柱窩等區域發生了較為嚴重的結構失效現象。為此，需進一步對底座進行結構優化改進設計。

圖3 底座應力變化圖

圖4 底座位移變化圖

3.2 頂梁前端受扭矩載荷工況下分析結果

通過仿真分析，得到了底座在頂梁前端受扭矩載荷工況下的分析結果。由圖5 可知，底座在此工況下雖出現了應力分布不均勻現象，局部區域也出現了應力集中現象，但應力值相對較小，最大應力值為128.97 MPa，主要出現了底座的中部縱向筋板及柱窩區域，未超過其材料的屈服強度235 MPa，整體結構強度相對較高。由圖6 可知，底座整體結構也出現了位移變化不均勻現象，最大變形量為0.493 78 mm，相對較小，主要出現在底座的中部縱向筋板與柱窩等區域。由此可說明，底座在頂梁兩端受扭矩載荷工況時的結構性能相對較高，基本能滿足底座的現場作業需求，但為有效提高底座的結構性能，有必要對底座進行結構優化改進設計。

圖5 底座應力變化圖

圖6 底座位移變化圖

4 底座的結構改進

根據底座的結構性能分析，得出在底座中部縱向筋板及柱窩等區域出現了較大的應力集中及結構變形，是整個結構的薄弱部位。為保證底座在使用中具有較高的結構性能，對其進行了結構優化改進設計。

1）可將底座的材料由當前的Q235 材料改變給Q460 高強度鋼材料，可使得其材料的屈服強度由235 MPa 提升至460 MPa，雖針對工況1 時的材料屈服值仍相對較小，但所差強度可通過結構改進來彌補，以此提高底座的結構強度；

2）將底座的縱向筋板增加4 mm，并在薄弱且不干涉區域焊接加強筋結構，以增加縱向筋板的結構性能；

3）在底座生產加工時，對柱窩處及周邊進行加熱淬火的熱處理，以提高此區域的材料強度及剛度，減少柱窩處的磨損情況；

4）在底座縱向筋板及柱窩上應力集中附近，在不影響底座結構性能基礎上，開設直徑為2 mm 孔徑的小孔，可有效緩解底座上的應力集中現象。

5 結論

1）底座在頂梁兩端受向下載荷工況下，在底座中部過橋及柱窩等區域出現了較大的應力集中和結構變形現象，整個底座基本已處于嚴重變形失效狀態，其結構強度已無法滿足當前液壓支架的支撐性能要求；

2）底座在頂梁前端受扭矩載荷工況下，其結構中部縱向筋板及柱窩等區域雖出現了較大的一定的應力集中和結構變形，但整體變形量相對較小，均在材料的屈服強度范圍內，底座結構強度相對較好，處于安全作業狀態；

3）從結構尺寸、材料厚度、材料屬性、熱處理加工等方面，提出了底座的結構改進措施，增強了底座的結構性能。