ZC8800/20型液壓支架底座結構性能優化分析*

畢國生

(潞安化工集團慈林山煤業公司慈林山煤礦，山西 長子 046600)

0 引 言

礦用液壓支架是保證井下煤礦設備正常開采的重要支撐設備，主要作用是在巷道開采中對巷道頂板進行有效支撐，如果自身結構強度出現問題，加之巷道中的外界載荷沖擊，液壓支架會發生嚴重變形、出現結構垮塌等失效現象，對礦井的作業安全造成很大影響[1]。

底座作為液壓支架中的關鍵設備，主要承受著來自頂部的較大載荷，經常出現結構變形、筋板開裂、結構強度不足，柱窩開裂等失效現象，對液壓支架的支撐效果構成了嚴重威脅。保證液壓支架較高的結構強度及支撐性能成為當前實現煤礦設備升級改造的重要方向之一。其中，底座作為整個結構的重要部件，優化其結構強度更加至關重要[2]。

以ZC8800/20型液壓支架為分析對象，應用有限元分析方法，對底座應力變化、結構位移變化等方面進行了分析，從多個角度對結構的薄弱部位提出了優化改進措施，對提高底座及液壓支架的整體結構強度、保障井下具有更高開采效率起到重要作用。

1 底座結構及問題分析

選用ZC8800/20型液壓支架為分析對象。此液壓支架的結構主要由頂梁、底座、掩護梁、前后連桿、立柱、銷軸等組成，通過各部分的相互連接，完成對煤礦中不同巷道高度的支撐作用。其中，頂梁與巷道的頂板進行接觸支撐，底座與地面進行接觸支撐[3]。底座作為液壓支架中的關鍵部件，是整個液壓支架的支撐基礎，其結構中的前后柱窩主要與立柱進行球面接觸，是整個底座的主要受力部位。在液壓支架實際支撐過程中，由于來自頂梁的外界作用力存在不確定性，致使液壓立柱及底座經常出現結構變形、局部開裂或斷裂等失效現象，嚴重時會因底座的失效導致整個液壓支架出現垮塌現象[4]。因此對底座工作時的結構性能進行分析，重點掌握底座的結構變化規律，對其結構的薄弱部位進行優化改進，達到有效提升整個液壓支架的可靠性和穩定性的目標。

2 底座結構模型建立

(1) 三維模型建立

采用Pro/E軟件對液壓支架的底座進行三維模型建立。所建立的底座整體結構為箱式結構，核心零件包括底板、縱向加強筋板、若干橫向筋板、柱窩、掩護梁連接孔等，筋板之間各設計一個柱窩，能滿足立柱上柱窩球面的有效接觸[5]。為保證頂梁在分析時具有較高的仿真結果，按照模型簡化原則，對底座中的較小圓角、較小圓孔、安裝孔、凸臺、倒角、較小加強板等特征進行了模型簡化，僅保留了底座上的關鍵零件，按照1∶1的模型比例，完成了底座的三維模型建立，如圖1所示。

圖1 底座三維模型圖 圖2 液壓支架及底座的仿真模型圖

(2) 有限元模型建立

將建立的底座三維模型導入至ANSYS軟件中，建立了底座有限元模型。為使底座的結構與實際更加符合，在建模時考慮了液壓支架中頂梁、掩護梁等結構。根據底座的材料類型，將其材料屬性設置為Q235材料，其材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模型為2.0e5 MPa，屈服強度235 MPa，材料的抗拉強度為500 MPa，通過軟件對底座進行材料屬性設置。同時，根據底座的結構特點，采用了六面體單元類型，對其進行了SOLID實體單元網格劃分，網格大小設置為20 mm，并對底座中的柱窩、關鍵受力點進行了網格加密，保證底座結構的受力情況滿足實際需求，底座的網格數量約為78 430個。利用軟件中的tie綁定功能，將底座中的橫向筋板、縱向筋板及連接板等零件進行綁定約束，以模擬底座的實際焊接連接方式。另外，對底座的下平面進行了固定約束，以模擬其底部與地面的接觸。外界施加載荷大小為0.48 MPa。液壓支架及底座整體的仿真模型如圖2所示。

3 底座結構性能分析

3.1 應力變化分析

仿真分析得到了底座的應力變化結果，如圖3所示。由圖可知，整個底座呈現應力分布不均勻現象，在底座的前柱窩、后柱窩、工作面側等區域均出現了較大的應力集中現象，最大應力為232.53 MPa，其中，柱窩的應力值最大，基本達到了其材料的屈服強度235 MPa。沿著柱窩及工作面側的四周方向，底座應力值呈逐漸減小的變化趨勢，同時，底座上的應力呈中心左右對稱分布。由此說明：底座上的前后柱窩及中部工作底面是整個結構的薄弱部位，液壓支架頂梁上所受到的外界載荷力將通過立柱直接傳遞至底座柱窩上，最終傳遞至地面。因此，有必要對底座上的薄弱區域進行結構優化改進。

圖3 底座上應力變化云圖 圖4 底座結構位移變形云圖

3.2 結構位移變化分析

通過仿真分析，得到了底座的結構變形圖，如圖4所示。由圖可知，底座結構出現了結構位移分布不均勻現象，在底座的工作底面、前柱窩、后柱窩等區域均出現了一定的位移變化，其中工作底面上的變形量最大，為0.368 mm，前后柱窩的變形量相對更小。沿著最大變形處向四周，底座的變形情況呈逐漸減少的變化趨勢。同時，底座也沿左右兩側呈對稱變形。由此可知，底座上實際作用時，工作底面及前后柱窩是整個結構的薄弱部位，一旦這些區域率先發生結構變形或開裂，將對液壓支架的支護性能造成重要影響。因此，有針對性地對底座較大變形處進行結構優化顯得十分必要。

4 底座改進措施

根據底座的應力變化和結構位移變化分析可知，底座的中間底面、前柱窩、后柱窩是整個結構的薄弱部位，一旦液壓支架所承受的外界載荷較大，極容易使底座在此區域發生結構嚴重變形、局部開裂或斷裂等失效現象[6]。為此，提出了如下優化改進措施。

(1) 在不影響底座及立柱的操作性能情況下，在底座的前后柱窩、中間底座等薄弱部位，焊接更多的加強筋，加強筋可考慮10 mm厚，與底座進行焊接，具體數量可根據底座結構確定。

(2) 針對底座中出現的應力集中區域，可在其周邊開設直徑較小的圓孔，孔直徑可考慮3 mm，形成塑性鉸，能將集中應力分散并轉移至圓孔處，解決較小頂梁整體結構的應力集中問題。

(3) 將底座的材料由Q235增加至Q355、Q400等，同時綜合考慮各類材料之間的焊接問題，可使得底座材料的屈服強度顯著提高，保證底座具有更高結構強度。

(4) 在底座加工后，采用熱處理工藝方式對底座上的前后柱窩進行加熱處理，同時安裝時添加潤滑油，保證柱窩處具有較小的摩擦力及較強支撐強度。

(5) 底座在實際支護過程中，應盡量使其底面與巷道底面進行較好接觸，保證液壓支架立柱的支撐高度及油缸同步性，以更好地對巷道進行支護作業。

(6) 加強對液壓支架及底座結構的維護、檢查，針對底座出現的變形或開裂問題，及時進行維護加固處理。

5 結 語

結合液壓支架的實際作業工況，從多個角度分析改進和提高其結構安全性，掌握各部件的受力及結構性能特點，是保證井下作業安全性的重要措施。為此，在分析液壓支架及底座結構特點基礎上，從底座的應力變化、結構位移變化等方面開展了底座的結構強度分析，得出底座的中間底面、前柱窩、后柱窩在使用時受到了較大的應力集中，是整個結構的薄弱部位，極容易率先發生結構失效問題，掌握了底座的結構變化規律；從材料、結構、熱處理、塑性鉸等方面提出了底座的優化改進措施，這對進一步開展底座的結構改進、提高其結構強度及安全性具有重要指導作用。