煤矿液压支架立柱底缸结构性能的研究

2020-06-10尹静

机械管理开发 2020年4期

尹静

（同煤集团机电装备公司中央机厂技术中心，山西大同 037000）

引言

矿用液压支架作为煤矿开采中的重要设备，保证其结构具有较好的支撑性能及降低故障发生率，成为企业关注的重点。其中，由于井下环境的恶劣性，加上液压支架经常受到不同大小的冲击载荷作用，导致液压支架中的立柱底缸在使用中极容易出现结构变形或疲劳失效现象[1]。据初步统计，单个煤矿中，每年因中缸、底缸等部件出现故障而导致的煤矿事故占所有事故的3%～5%左右，该结构一旦发生失效，会给液压支架及井下作业安全构成严重威胁[2]。因此，以立柱结构分析为基础，通过建立底缸的结构模型，开展了底缸的结构性能研究，针对其结构存在的薄弱点，对其结构进行了优化改进设计及应用验证，这对提高液压支架立柱的结构性能具有重要作用。

1 液压支架立柱结构特点的分析

目前，煤矿中的液压支架种类较多，包括支撑式、掩护式、支撑掩护式等，但其结构组成基本相同，包括顶梁、掩护梁、立柱、底座等，而立柱则是用于连接顶梁及底座的重要支撑部件，其作用相当于液压千斤顶效果[3]。立柱结构包括了活柱、中缸、底缸、液压油等，其工作原理可简单分析为：高压油通过外部压力将其推入至底缸，再由底缸推动至中缸并使其伸出，当中缸达到最大行程时，底缸中的底部阀门开启，高压油在中缸中继续推动活柱并使其伸出，当活柱达到最大行程时，完成整个立柱的支撑过程[4]；而立柱的收缩过程则刚刚相反。在整个过程中，底缸、中缸等部件均会因外部压力过大而出现较大程度的结构变形或结构开裂等现象；立柱中的液压油也会因中缸或底缸的结构异常而出现漏油现象，严重影响液压支架的支撑效果及结构安全。

2 立柱底缸模型的建立

2.1 三维模型的建立

底缸作为液压支架立柱的重要部件，为进一步掌握其结构性能，对其进行了三维模型建立。根据立柱底缸的结构特点，采用PROE 软件，开展了底缸的模型建立，其中，底缸的外径为400 mm，总体行程为1 700 mm。在建模过程中，考虑到底缸中的较小特征均会对底缸的仿真分析造成影响，为提高其仿真精度，对其结构中的倒角、圆角、较小螺纹孔等较小特征进行了模型简化，仅保留了底缸上的关键特征，由此，建立了三维模型，如图1 所示。

图1 简化后底缸三维模型图

表1 底缸Q460 材料主要性能参数

2.2 仿真模型的建立

结合建立的底缸三维模型，采用Solidworks/simulation 软件对其进行了仿真模型建立。在软件中，考虑到底缸需具有较好的结构强度，将底缸的材料设置为了Q460 材料，其材料的主要性能参数如表1 所示。同时，在软件中，由于SOLID185四面体网格具有较好的塑性和应变性能，能更好地符合底缸的实际使用工况，故对底缸进行了SOLID185 四面体网格划分，网格大小设置为5 mm。参考底缸的实际工况，对其内表面进行了90 MPa 的面载荷施加，并对其底部进行了固定约束[5]，由此，建立了立柱底缸的仿真模型。

3 立柱底缸结构性能的仿真分析

3.1 应力变化的分析

结合建立的立柱底缸的仿真模型，开展了其结构的仿真分析研究，其结构应力变化图如图2 所示。由图可知，底缸整体结构发生了较明显的应力集中现象，整体呈不均匀分布状态。其中，在底缸中部的应力集中现象最明显，其应力值最大。底缸的应力沿底部呈逐渐减小趋势，在底缸底部的柱窝头处，几乎无应力集中现象；而沿底缸结构向上，也出现了应力逐渐减小的变化趋势，在底缸顶部应力集中值相对较小。分析原因为底缸中部与中缸底部发生了接触现象，且主要接触部位在中部。由此，找到了底缸整体结构应力的变化规律。为提高底缸的结构性能，在后期设计过程中，需对底缸中部位置进行结构优化改进设计。

图2 立柱底缸结构应力变化图

3.2 结构变形的分析

结合开展的底缸仿真模型，得到了底缸的结构变形图，如图3 所示。由图可知，立柱底缸整体结构出现了较明显的结构变形现象，整体变形呈分布不均匀状态；其中，底缸中部的结构变形量最大，基本呈均匀分布状态；而在底缸底部及柱窝头部位，其变形量则相对较小，在底缸的顶部也发生了一定程度的结构变形。但变形程度相对较小。在底缸使用过程中，此些较大结构变形部位极容易率先发生结构变形或开裂现象，直接影响着底缸及液压支架的使用性能。因此，在后期底缸设计生产过程中，需对其进行结构优化改进，以减小其结构的整体变形。

4 立柱底缸结构的改进设计

结合前文底缸的分析结果可知，立柱底缸整体结构在使用中极容易发生弯曲、开裂或断裂的可能性，而中部则是整个部件上的最薄弱部位。因此，需对立柱的底缸进行结构优化改进[6]。

1）在现有底缸结构基础上，可增加底缸的壁厚1～2 mm，对其他部位的结构尺寸做相应调整；

2）在底缸中部的外表面增加护套，弥补底缸中部在使用中的结构强度不足问题；

3）提高底缸的结构强度，可考虑采用低碳高强度钢，或在现有钢基础上对中缸进行热处理操作；

4）对底缸内部的过渡转接处进行圆弧或圆角设计，以减小在此些部位出现较大的应力集中或削弱问题；

5）加强对底缸结构的定期巡检，当发现底缸有结构变形或开裂现象时，需及时对其进行维护或部件更换，以此保证液压支架的安全使用。

图3 立柱底缸结构变形图

5 改进后底缸结构的应用测试

为进一步验证以上改进措施的有效性，对改进后的底缸结构进行了应用测试，主要是将改进后的底缸在液压支架中进行了6 个月的应用，应用结果表明：改进后的底缸在测试期间未出现结构变形或结构开裂现象，也未出现1 次部件维修，其结构与中缸的相对运动更加灵活，据现场人员对比，与原有底缸相比，改进后的底缸更加稳定可靠，故障发生率降低了将近60%，其改进后效果明显，得到人员的一致认可。