長壁工作面液壓支架底座結構失效分析研究

李永輝

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046000）

引言

長壁工作面開采系統由采煤機、長壁輸送機和液壓支架組成。每臺機器都有特定的功能，長壁采煤機開采并裝載輸出物，刮板輸送機運輸輸出物，而液壓支架在工作期間保護挖掘物不被崩落，與采煤機以相等的步幅向壁面移動。各種機械設備之間有功能和結構組成上的相互關系。長壁液壓支架由幾十個甚至幾百個并排的單個液壓支架組成，為采礦、運輸和搬運機器創(chuàng)造了空間。本文使用有限元方法開展液壓支架的模擬研究，數值模擬的方法越來越多地取代或補充試驗工作。由于需要獲得必要的現場數據，因此不可能完全代替對地下礦井中的現場試驗研究，然而，數值分析卻大大降低了研究成本。計算模擬領域的進展意味著現代結構解決方案以及現代工程設計越來越多地是建模和計算機模擬的結果。本文采用有限元模擬技術，高度還原了液壓支架在為采煤機機身創(chuàng)造頂部的作業(yè)空間時，其底板結構受力和失效的情況。研究成果可為液壓支架真實動態(tài)載荷設計最佳技術方案提供了樣板。

1 液壓支架結構分析研究背景

1.1 虛擬樣機的應用

目前，虛擬樣機在航空和汽車工業(yè)中變得越來越流行，在采礦業(yè)中主要用于機器構造的建模?；谥С钟嬎銠C輔助設計的計算機程序的模型，特別是那些采用有限元法（FEM）的模型[1]，在執(zhí)行適當的分析后，會精準地顯示出結構承受如此大的載荷以致可能出現裂紋的區(qū)域。液壓支架底板耐久性的預測不僅局限于找到這些區(qū)域，還包括指定應力低的區(qū)域，這些區(qū)域不會超過塑性極限，并且在可變載荷的沖擊下可能成為潛在的危險區(qū)域。

本文強調了從微裂紋開始到宏觀尺度的裂紋發(fā)展階段。用于煤礦開采的采礦機械的材料疲勞是由長期循環(huán)載荷引起的?；谒⒌哪Ｐ停_定了疲勞破壞的臨界點，并確定了被分析單元的最大載荷面。

1.2 長壁工作面采煤系統

液壓支架是長壁工作面采煤系統的組成部分，本文以ZRP-15/35-POz 型液壓支架為研究對象，該型號液壓支架主要應用于中厚煤層，所承載的工作載荷更大，適應于很多惡劣的開采環(huán)境。如圖1 所示為長壁工作面采煤系統，由采煤機、刮板輸送機、液壓支架等主要機械設備組成[2]。

圖1 長壁工作面采煤系統示意圖

2 液壓支架底板疲勞失效現象

疲勞破壞是指隨著時間的推移，在變量的外部載荷下發(fā)生的破壞。這些變化可以是規(guī)則的和周期性的，例如以正弦負載的形式對底板產生破壞。本文對ZRP-15/35-POz 型液壓支撐單元的底板基礎施工進行了疲勞現象分析。底板是支撐部分的基礎，用于將巖體的壓力傳遞到底板。以滑道形狀建造的基座（下頁圖2）是焊接結構，具有箱形截面。在中間部分，有用于安裝支撐天篷的支腿（在圖2 中用方塊標記）的連接處，在其結構的后面，有用于連接雙紐線連接器的凸耳。

圖2 液壓支架底板基礎的空間模型

由此造成的損壞是由過高的動態(tài)負載造成的。研究分為兩個階段[3]，在第一階段，對裂縫的位置進行了目視檢查，因此在腿座附近發(fā)現了一個薄弱點（圖3）。圖2 顯示，產生的裂紋始于最薄弱的區(qū)域，該區(qū)域位于腿部座椅和加強件焊接的連接區(qū)域。圖3 顯示了觀察到損傷的裂紋擴展方向。在這種情況下，底板承受了采礦作業(yè)產生的動載荷，并且沒有發(fā)生塑性變形，直接發(fā)生了破壞，但是側板中形成的裂紋不會導致整個橫截面變弱。

圖3 顯示了液壓支架底座安裝座的損壞情況，并通過箭頭標記了裂紋位置，裂紋位置的分析采用有限元數值方法進行分析。

圖3 液壓支架底座損壞情況示意圖

3 底板有限元數值模擬分析

選擇基于有限元法的ANSYS 程序建立計算模型。分析模型的建立出于簡化原則，去除對受力影響不大的零碎部件。通過軟件設置所有必要的接觸，并施加了邊界條件。為了獲得正確的結果，進行了非線性分析[4]。程序按照工況情況確定底板的位移、變形和應力情況，建立了底板基座的有限元模型進行仿真，有限元模型網格數目為23638 個、節(jié)點數目為49803 個。對于該模型的特定研究區(qū)域，引入了底座表面區(qū)域中具有不同機械特性和自身應力的受力特性。圖4 顯示了液壓支架底板的應力分布云圖。

由圖4 可見，最大的應力數值為272 MPa，出現在底板的腹板上，并非出現在凹印點，說明底板結構的損壞不是短時間內形成的，而是經過了長時間受力后的結果。

圖4 液壓支架底板應力（MPa）分布云圖

在圖5 中，應力和方向用顏色標記。網格的尺寸為12 mm[5]?？紤]到支撐腿的傾斜角度，形成截面載荷的力主要來自施加在底座表面的液壓支腿，并且形成了集中壓應力。

圖5 底板應力方向示意圖

4 底板結構改善建議

根據液壓支架底板的損壞情況以及通過有限元仿真技術計算結果，提出以下結構改善建議[6]：

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，減少橫梁上受到的局部作用力。

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2～4 mm，并在應力集中部位附近開設不影響結構性能的Φ3 mm 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5 mm 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。

5 結語

本文介紹了基于ANSYS 計算機程序的有限元方法在建模過程中的應用，對礦井液壓支架底板的受力狀態(tài)和失效情況進行了分析。同時通過軟件分析材料在外部載荷影響下發(fā)生的變化。有限元方法為獲得材料特定點的應力狀態(tài)、變形、位移、力等信息提供了很大的可能性。使用有限元方法的應力分析是對現場實驗應力確定方法的有效補充。該方法對于模擬和分析各種參數對應力值和分布的影響具有重要意義。將有限元方法應用于模擬液壓支架底板支撐處的失效，可以精確確定動態(tài)載荷引起的位移、應力和應變。結果表明，ANSYS 程序和有限元方法都能得到滿意的結果。在數值模擬的基礎上，分析了液壓支架支撐底座（如地板底座）中腿座的受力狀態(tài)。已經確定了一個潛在的危險區(qū)域，顯示出從微裂紋開始到宏觀尺度的裂紋發(fā)展階段，并且為底板結構改善提出了建議。研究成果為礦井液壓支架的結構優(yōu)化研究提供了依據。