兩柱掩護式液壓支架有限元仿真及優化研究

曹 偉,井慶賀,滕 飛,張洪清,邱 洋,王明堂,楊宏光,劉晉升

(1.沈陽天安科技股份有限公司,遼寧 沈撫示范區 113122; 2.扎賚諾爾煤業有限責任公司,內蒙古 呼倫貝爾 021410)

兩柱掩護式液壓支架作為綜采工作面常用技術設備,由于其在應用中存在受力復雜、載荷變化大、工作環境惡劣等特征,使得兩柱掩護式液壓支架在實際生產工作中極易出現損壞、倒架等情況,嚴重威脅人員、設備安全,影響煤礦正常生產進程[1-3]。據此,對兩柱掩護式液壓支架進行有限元仿真分析,進而根據分析結果中存在的受力薄弱點,提出針對性結構優化方案,對后續兩柱掩護式液壓支架結構改進將有著一定的理論參考價值。

1 兩柱掩護式液壓支架有限元模型構建

ZY10000/19/38型兩柱掩護式液壓支架的中心距為1.75 m,推移步距為800 mm,過煤量300萬t,能較好滿足煤礦現場使用要求。故在柜液壓支架進行有限元模型構建時采用SolidWorks軟件建立其三維模型,然后將三維幾何模型導入到有限元分析軟件中,最后開展有限元仿真分析。此過程在三維幾何軟件采用Pro/E軟件,有限元分析軟件采用ANSYS軟件,2種軟件之間可實現無縫導入,保障模型構建及導入分析效果。

在三維幾何模型導入后,需要通過ANSYS軟件對模型進行材料屬性設置和網格劃分。其中材料屬性設置是根據兩組掩護式液壓支架材料屬性特征,在ANSYS材料庫中選用對應屬性材料。綜合考慮后選用Q690和Q550材料作為主體材料。其中Q690材料的抗拉強度、屈服強度分別為770～940 MPa、690 MPa;Q550材料的抗拉強度、屈服強度分別為670～830 MPa、550 MPa。

網格劃分則是選用Solid45單元,在保障模型精度的情況下,盡可能選用較為適合的網格尺寸,保障模型計算的效率及效果[4-7]。在實施多次網格劃分對比試驗后,最終確定網格尺寸為50 mm。最后,由于液壓支架整體結構較為復雜,所以在實際模型網格劃分方法選擇中只能夠使用自由網格劃分方法,所劃分出的網格劃分模型如圖1所示。

圖1 兩柱掩護式液壓支架網格劃分模型Fig.1 Meshing partitioning model of two-column shield hydraulic support

從液壓支架所有工況中選取3種較為惡劣的組合工況,具體工況條件及仿真條件如下。

(1)頂梁偏心底座兩端載荷工況。頂梁處墊塊加載水平至頂梁中心線左側,具體墊塊長度、寬度及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm;底座墊塊對稱加載至底座中心線兩側,具體墊塊長度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm。

(2)頂梁扭轉底座兩端載荷工況。頂梁處墊塊與頂梁中心線加載垂直加載至頂梁左右兩側,其中左側墊塊長度、寬度以及高度為300 mm×150 mm×50 mm,右側長度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm;底座墊塊對稱加載至底座中心線兩側,具體墊塊長度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm。

(3)頂梁偏心底座扭轉載荷工況。頂梁墊塊加載指頂梁中心線左側,具體墊塊長度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm;底座處墊塊加載至底座左右兩側,其中左側墊塊長度、寬度以及高度為300 mm×150 mm×50 mm,右側長度、寬度以及高度為2 000 mm×150 mm×50 mm。

2 兩柱掩護式液壓支架有限元仿真分析

2.1 頂梁偏心底座兩端載荷

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架等效應力云圖如圖2所示。在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架所承受的最大等效應力為853.89 MPa,最大應力點位于液壓支架頂梁和頂梁與墊塊相互接觸區域,相關位置的應力集中問題較為嚴重,需要對其進行結構優化。

圖2 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓 支架等效應力云圖Fig.2 Equivalent stress cloud diagram of hydraulic support under load conditions at both ends of eccentric base with top beam

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架等效位移云圖如圖3所示。在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架所承受的最大等效位移為34.905 mm,最大位移點位于液壓支架頂梁區域。此外液壓支架掩護梁和連桿所承受的位移也相對較大,最大等效位移分別為22.929、12.173 mm。總體來說,在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,液壓支架位移由大到下依次為頂梁、掩護梁、連桿、底座,而應力應力分布由大到小依次為頂梁、掩護梁、連桿、底座,說明位移分布區域與應力分布區域大致相同。

圖3 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架 等效位移云圖Fig.3 Equivalent displacement cloud diagram of hydraulic support under load conditions at both ends of eccentric base with top beam

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架頂梁應力云圖和頂梁位移云圖分別如圖4、圖5所示。頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架掩護梁最大應力為569.28 MPa、最大位移為18.812 mm,分別位于液壓支架掩護梁前中部筋板區域和液壓支架掩護梁右側護板區域。

圖4 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓 支架頂梁應力云圖Fig.4 Stress cloud diagram of hydraulic support top beam under load condition at both ends of eccentric base of top beam

圖5 頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架 頂梁位移云圖Fig.5 Displacement cloud diagram of top beam of hydraulic support under load condition at both ends of eccentric base of top beam

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架連桿最大應力為284.66 MPa、最大位移為6.270 7 mm,均位于液壓支架右前連桿與掩護梁連接銷孔區域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架底座最大應力為94.916 MPa、最大位移為1.191 9 mm,分別位于液壓支架底座與墊塊接觸區域和液壓支架底座與立柱連接區域。

總體來說,在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架的頂梁應力最大,主要應力集中在液壓支架頂梁與墊塊接觸區域,對應的最大應力為853.89 MPa;其次為掩護梁,對應的最大應力為569.28 MPa;其他部件所承受的應力值較小,實際應力分布呈現出由上及下依次遞減的特征。

2.2 頂梁扭轉底座兩端載荷

兩柱掩護式液壓支架在頂梁扭轉底座兩端載荷工況下的仿真分析過程與頂梁偏心底座兩端載荷工況下的仿真分析過程基本一致,以下將直接說明分析結果。

在頂梁扭轉底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架所承受的最大等效應力值為882.263 MPa,最大應力點位于液壓支架頂梁與墊塊相互接觸位置,相關位置的應力集中問題較為嚴重,需要對其進行結構優化。

在頂梁扭轉底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架所承受的最大等效位移值為18.969 mm,最大位移點位于液壓支架頂梁左端中部位置。頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架頂梁最大應力為882.263 MPa、最大位移為18.969 mm,分別位于液壓支架頂梁和頂梁與墊塊相互接觸區域和液壓支架頂梁左端中部位置。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架掩護梁最大應力為311.18 MPa、最大位移為4.500 5 mm,分別位于液壓支架掩護梁側護板區域和液壓支架掩護梁與右前連桿連接銷孔區域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架連桿最大應力為276.13 MPa、最大位移為3.264 1 mm,均位于液壓支架右前連桿與掩護梁連接銷孔區域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架底座最大應力777.85 MPa、最大位移為6.750 7 mm,分別位于液壓支架底座過橋區域和液壓支架底座右前側區域。

總體來說,在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架的頂梁應力最大,主要應力集中在液壓支架頂梁與墊塊接觸區域,對應的最大應力分別為882.263 MPa,其次為底座,對應的最大應力為777.85 MPa,其他部件所承受的應力值較小,實際應力分布呈現出由上下到中間依次遞減的特征。

2.3 頂梁偏心底座扭轉載荷

在頂梁偏心底座扭轉載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架所承受的最大等效應力為866.78 MPa,最大應力點位于液壓支架頂梁左后端銷孔區域,相關位置的應力集中問題較為嚴重,需要對其進行結構優化。

在頂梁偏心底座扭轉載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架所承受的最大等效位移為65.177 mm,最大位移點位于液壓支架頂梁右端中部位置。頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架頂梁最大應力為866.78 MPa、最大位移為65.177 mm,分別位于液壓支架頂梁左后端銷孔區域和液壓支架頂梁右端中部位置。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架掩護梁最大應力為738.141 MPa、最大位移為43.951 mm,分別位于掩護梁后端與主筋相接觸區域和液壓支架掩護梁與兩柱掩護式液壓支架掩護梁右前端區域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架連桿最大應力為276.13 MPa、最大位移為26.89 mm,均位于液壓支架右連桿與掩護梁連接銷孔區域。

頂梁偏心底座兩端載荷工況下液壓支架底座最大應力726.16 MPa、最大位移為14.324 mm,分別位于液壓支架底座過橋區域和液壓支架底座右前側區域。

總體來說,在頂梁偏心底座兩端載荷工況下,兩柱掩護式液壓支架的頂梁應力最大,主要應力集中在液壓支架頂梁左后端銷孔區域,對應的最大應力為866.78 MPa,其次為底座和掩護梁,對應的最大應力分別為726.16、738.141 MPa,其他部件所承受的應力值較小,實際應力分布呈現出由上下到中間依次遞減的特征。

3 兩柱掩護式液壓支架結構優化分析

通過有限元分析可知,兩柱掩護式液壓支架在各工況條件下均存在一定的應力集中情況,為保障液壓支架的使用安全性,應對液壓支架受力集中區域進行有效結構優化。

具體優化過程中,結合仿真分析結果,分別將液壓支架頂梁兩端中部區域、掩護梁后端區域以及底座前端區域分別設置加筋板,并將加筋板的厚度設置為30 mm。

為進一步確認節后優化后兩柱掩護式液壓支架應力分布情況,還需要采用有限元分析方法進行結構優化后液壓支架仿真分析,具體分析結果如下:

頂梁扭轉底座兩端載荷工況下結構優化后等效應力分布云圖如圖6所示。

圖6 頂梁扭轉底座兩端載荷工況下結構優化后 等效應力分布云圖Fig.6 Equivalent stress distribution cloud diagram after structural optimization under load conditions at both ends of torsional base of top beam

在頂梁扭轉底座兩端載荷工況條件下,結構優化后兩柱掩護式液壓支架所承受的最大應力值為691.584 MPa,相較于優化前的882.263 MPa,下降190.715 MPa。最大應力點位于液壓支架頂梁區域,與優化前大致相同,其他區域應力集中問題雖然也有所改善,但改善幅度較小。

頂梁偏心底座扭轉載荷工況下結構優化后等效應力分布云圖如圖7所示。在頂梁偏心底座扭轉載荷工況條件下,結構優化后兩柱掩護式液壓支架所承受的最大應力值為790.221 MPa,相較于優化前的866.78 MPa,下降76.559 MPa。最大應力點位于液壓支架底座前端箱體內筋板區域。另外,其他部分應力集中情況也有著較大改善,其中頂梁最大應力由866.78 MPa下降至605.943 MPa;掩護梁最大應力由426.531 MPa下降至311.61 MPa;后連桿最大應力由304.913 MPa下降至195.453 MPa;底座前端箱體最大應力由760.831 MPa下降至500 MPa。

圖7 頂梁偏心底座扭轉載荷工況下結構優化后 等效應力分布云圖Fig.7 Equivalent stress distribution cloud diagram after structural optimization under torsional load condition of eccentric base with top beam

總體來說,相較于結構優化前,優化后兩柱掩護式液壓支架所承受應力分布得到有效改善,其中在頂梁偏心底座扭轉載荷工況下的改善更為明顯,說明結構優化方案較為有效。

4 液壓支架結構優化方案的工程應用

通過有限元分析初步驗證結構優化方案有效性以后,還需要通過工程應用分析對結構優化方案實施進一步驗證。具體應用中,需要根據結構優化方案對現有兩柱掩護式液壓支架進行結構調整,進而將調整后的液壓支架應用于工程實踐,以實踐來發現和解決液壓支架結構優化方案中存在的問題。應用過程中,需要采用專業傳感器設備對結構優化后液壓支架進行數據采集,并將采集數據與現有液壓支架數據進行匹配對比,確認結構優化方案的應用成效。同時,為實現安全生產等目標,需要安排專人對液壓支架數據進行統計分析,根據數據信息制作趨勢圖,確保問題的及時發現和處理。最終根據工程應用結果發現,結構優化后液壓支架的總體工作性能和安全性、穩定性均得到有效提升(表1),證明此優化方案較為科學合理,可在后續兩柱掩護式液壓支架結構優化過程中進行參考應用。

表1 液壓支架結構優化前后性能對比Tab.1 Performance comparison of hydraulic support before and after structure optimization

5 結語

綜上所述,本文基于有限元分析方法對兩柱掩護式液壓支架進行仿真分析,進而確認液壓支架存在較為嚴重的應力集中情況,不利于保障液壓支架的使用穩定性和安全性。對此,研究中結合仿真分析結果,提出一種兩柱掩護式液壓支架結構優化方案,此方案在經過有限元分析和工程應用分析驗證后,確認其有效性,可進行相應的參考及應用。