关于矿用液压支架立柱在使用中的结构强度研究

常先红

（山煤集团霍尔辛赫煤业有限责任公司， 山西 长治 046600）

引言

近年来，越来越多的煤矿开采设备被广泛应用到了煤矿开采中，矿用液压支架则是该些设备中的关键设备。有效保证矿用液压支架在支撑作业过程中具有更高的支撑性能，成为保证井下作业安全的关键，而立柱作为液压支架中的重要部件，保证其作业中不出现结构失效故障，是当下保证液压支架具有较好支撑效果的重要前提[1-3]。由此，结合ZY6400型矿用液压支架中立柱的结构特点，通过建立立柱的结构强度分析模型，开展了其结构强度的分析研究，并有针对性地提出了几点提高其结构性能的改进措施。

1 ZY6400 型矿用液压支架结构组成分析

目前，市场上的矿用液压支架结构类型相对较多，煤矿企业会根据井下的不同工况，选择不同支撑高度及阻力的液压支架。为有针对性地分析液压支架中结构件的结构强度，选用了Y6400 型矿用液压支架为研究对象。该类型液压支架结构主要由顶梁、立柱、掩护梁、底座、四连杆机构、液压系统等部位组成，采用了两柱掩护式支架形式，支架宽度范围为1.4～1.6 m，支撑高度可达4.5 m，能承受7 000 kN 的外部压力，其结构示意图如图1 所示。其中，立柱是该液压支架中的重要部件，其结构主要包括顶缸、中缸、底缸等，通过顶缸的柱头与顶梁进行连接，通过底缸的柱窝与底座进行连接，其结构示意图如图2所示。在立柱使用中，可将来自顶梁的外部压力传递至底座上，并由底座传递至地面，实现对井下的有效支撑，而整个支撑过程，则主要通过立柱内部的液压系统进行驱动，以此实现立柱不同高度的调整支撑，整体具有较好的操作灵活性及支撑效果。但由于井下环境相对恶劣，加上液压支架经常会受较大的外部载荷冲击作用，导致立柱结构经常处于长时间的、超负荷状态作业，极易出现结构弯曲变形、结构开裂等故障现象，这对液压支架的支撑效果及井下作业安全构成了严重威胁。掌握立柱使用过程中的结构强度性能，并提高立柱的结构强度，成为当前企业重点研究的方向[4-6]。

图1 Y6400 型矿用液压支架结构示意图

图2 立柱结构示意图

2 立柱强度分析模型建立

2.1 立柱三维模型建立

根据液压支架的结构组成特点，以ZY6400 型矿用液压支架为分析对象，重点对其结构中的立柱进行了结构强度分析。首先，采用了SOLIDWORKS 软件，对液压支架及立柱进行了三维模型建立。在建模过程中，根据模型简化通用原则，省去了模型中对整体结构应力分布、受力情况无影响的较小圆角、倒角、圆孔等结构特征；此外，由于液压支架中的结构主要通过各类钢材进行焊接而成，故在建模时对焊缝进行了简化，以提高对立柱的强度分析结果精度。由此，完成了基于ZY6400 型矿用液压支架中立柱的三维模型，如下页图3 所示。

2.2 立柱仿真模型建立

图3 液压支架中立柱三维模型图

将建好的立柱转为为stp 格式后，导入至ABQUS 软件中，对其进行仿真模型的建立。由于立柱在使用中主要采用的是45 号钢材料，故在该软件中，将立柱材料设置为了45 号钢材，其材料的主要性能参数如表1 所示。在立柱分析中，由于立柱顶缸、中缸和底缸在液压油作用下实现相对运动，故在立柱内部进行了移动约束，对立柱底部和顶部进行了固定约束。通过查阅该产品的结构参数，在立柱顶部施加了沿立柱方向的1.2 倍工作压力的外界载荷，即8 000 kN。另外，采用了六面体网格类型，网格大小设置为了10 mm，总网格单元数量达到了90 万个。利用ABQUS 软件中自带的FFEPlus 求解器，开展了立柱的结构强度分析研究。

表1 立柱45 号钢材料主要性能参数

3 立柱强度结果分析

结合建立的立柱结构强度分析模型，得到了立柱的结构应力分布图，如图4 所示。分析可得：立柱在使用过程中，立柱整体结构出现的不稳定的弯曲屈服状态主要集中在立柱顶缸端；且立柱结构上的应力分布也不均匀，在顶缸柱头处出现了较大应力集中现象，应力由顶缸柱头处向中缸方向呈逐渐减少趋势；立柱的中缸及底缸上的应力值则相对较低。分析其原因为立柱顶缸的柱头处靠近外部施加的载荷部位，导致了立柱柱头出现了较大的应力集中现象。由此可说明，立柱在整个使用过程中，其顶缸的柱头是整个结构的薄弱部位，存在一定的强度安全隐患。加上立柱使用中由于经常会受到外部更大的冲击载荷作用及长时间的疲劳支撑作用，导致其结构更容易出现疲劳失效现象，对井下支撑安全构成严重威胁。因此，有必要对立柱的结构进行优化改进设计。

4 立柱结构优化改进措施

结合前文分析结果可知，立柱的顶缸柱头部位为整个结构的薄弱部位，在立柱实际支撑过程中，极容易先发生结构弯曲、开裂、断裂等疲劳失效现象。由此，对立柱结构提出几点优化改进措施，具体如下：

1）针对立柱柱窝部位，在结构设计生产时，可对其进行调质热处理，以此提高该局部区域的结构强度；

图4 立柱应力变化分布图

2）在立柱选型设计中，可选用结构尺寸更大的底缸、中缸、顶缸结构件，并保证顶缸的壁厚在现有基础上增加2～3 mm 左右；

3）在顶缸柱头应力集中附近，开设2 个直径为2 mm 的小圆孔，可有效将柱头附近集中的应力转移至小圆孔处，以此减小柱头附近的应力集中现象；

4）在产品成本控制允许情况下，立柱可选用结构强度更好的Q460 钢材，以此从源头来提高立柱的结构强度；

5）立柱使用中，加强对其结构接触部位的润滑作用及结构本体的定期保养，针对出现局部弯曲变形、开裂等现象时，应及时进行部件的维修、更换，保证液压支架的支撑安全。

5 结论

不断提高矿用液压支架的整体结构强度，已成为当前保障井下正常作业及作业安全性的重要方向之一。由此，以ZY6400 型矿用液压支架中立柱为重点研究对象，通过建立立柱的三维模型及仿真模型，开展了立柱的结构强度分析研究。结果显示，立柱的顶缸柱头存在较大的应力集中现象，且立柱整体呈现一定程度的弯曲变形，是整个立柱中的薄弱部位，提高立柱顶缸的结构强度成为优化立柱结构性能的关键。由此，对整个液压支架及立柱提出改进建议，对提高液压支架的结构强度及保障井下作业安全起到非常显著的保障作用。