李庶兴
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摘要：液压支架是目前机械化采煤中主要的支护设备，为满足其承载更高工作阻力的要求，立柱中缸在设计过程中普遍选用高强度、厚壁钢管加工制成。针对大型液压支架立柱缸筒与缸底焊接变形进行了系统的分析，并详细论述了控制该类焊接变形的各种方式方法。
关键词：液压支架立柱；底缸；焊接
引言
液压支架是煤矿井下的重要支护设备，其支护能力和可靠性对采煤工作面安全高效开采极其重要。立柱是决定液压支架承载能力的关键部件，大量的统计结果表明，大部分的液压支架失效是由于立柱损坏导致的，而其中有很多立柱破坏源均位于缸筒的焊接位置，因此研究焊接工艺条件下立柱的残余应力特征对于提高立柱的可靠性具有重要意义。
1液压支架及其立柱结构分析
根据液压支架结构的不同，可以将其划分成为三种形式，分别为掩护式、支撑式和支撑掩护式。但不管是何种形式的液压支架，主要的组成部分基本相同，其中立柱就是液压支架必不可少且非常关键的结构部件。在结构上，立柱上与液压支架顶板连接，下与液压支架底板进行连接，起到承上启下的作用。液压支架自身重量以及顶板承受的巷道压力全部会通过立柱传递到液压支架底板中来，可以看出，立柱是液压支架设备中非常重要的承力结构。立柱结构由多个部件构成，其中最主要的三个部件分别为底缸、中缸和活杆，三个部件的相对运动可以实现立柱的伸缩，进而实现液压支架姿态的调整。由于立柱在工作时需要长时间承受较大的外界载荷，这对立柱各个部件的力学性能提出了非常高的要求。如果力学性能不达标，在长时间大载荷的作用下，很有可能会出现断裂的问题，严重威胁液压支架的服役安全性。中缸是立柱的组成部分之一，由于结构复杂，其在生产加工时需要用到焊接工序。必须对焊接工艺进行严格控制，确保焊接质量。立柱中缸焊接加工缺陷分析焊接工序是立柱中缸生产加工过程中的重要工序之一，焊接质量会对整个结构的力学性能产生重要影响。但是S890钢这种材料内部包含有很多合金，且合金系非常复杂。根据碳当量计算方法，可以计算得到S890钢碳当量大小为0.63%。而根据相关实践经验，当材料的碳当量大小超过0.6%以后，其焊接性能通常较差。S890钢具有明显的淬硬性，焊接以及后续冷却过程中比较容易出现裂纹、软化和脆化问题。另外，由于立柱结构特殊，要求中缸焊接强度必须超过650MPa。这对立柱中缸焊接工艺提出了非常高的要求。针对液压支架立柱中缸S890钢材料存在的焊接缺陷问题，有必要对该材料的焊接工艺进行深入的分析和研究，以此找到最优的焊接工艺，为提升立柱中缸整体力学性能奠定坚实的基础。
3计算结果与分析
3.1焊接残余应力分布特征
在冷却至室温条件下，立柱底缸焊接影响区的残余Mises等效应力可以看出，受焊接瞬时高温和焊缝凝固收缩行为的耦合作用，焊接完成以后，在焊缝及其热影响区形成了较大的残余应力。从残余应力的分布上看，焊接残余应力主要集中在焊缝内部，其最大等效应力达到了2000MPa左右。由于采用了多道次焊接工艺，焊缝内的应力具有明显的分层特征，各道次焊缝的最大应力均集中在其边缘位置，各道次焊缝形成以后的凝固收缩是产生该应力集中的主要原因。沿焊缝中线和边线上的残余Mises等效应力和第一主应力分布可以看出，焊缝的边线相较于焊缝的中线，应力的波动十分剧烈，且波动集中在各道次焊缝的交界面附近。
对于焊缝中线，除了第1道次和最后道次的表面出现压应力以外，其余均为拉应力，而等效应力则呈现规律性的波动变化，这是由于各道次焊缝的冷却收缩导致的，特别是第1道次和最后道次焊缝与外边界接触面积大，焊缝的冷却收缩效应更加明显。在焊缝边线上，应力除在各道次焊缝交界面附近出现剧烈的波动外，其他位置应力的变化则相对平缓，但是整体上的应力幅值很大，局部区域的拉应力能够达到2000MPa。因此，从焊缝的疲劳失效角度来看，焊缝的边线位置更容易萌生裂纹类缺陷，形成疲劳源从而导致整个焊接结构的失效。在柱坐标系下，焊缝位置的残余应力和第一主应力分布可以看出焊缝各个道次之间在应力分布上的不同。沿缸筒径向应力分布在焊缝中心为连续的拉应力，而在焊缝的边缘则出现波动的压应力作用。在缸筒周向上，各道次焊缝均呈现为压应力，而焊缝周围热影响区则为拉应力。在缸筒的轴向上，各道次焊缝的凝固表面均呈现出拉应力状态，而凝固表面与焊接破口的接触点则表现为较大的集中压应力作用。从第一主应力分布上看，焊缝的心部为拉应力，而在焊缝边缘则在局部出现集中压应力的作用。从三向应力和第一主应力的分布来看，应力在各道次焊缝中的不连续是采用多道次焊接下焊缝应力分布的主要特征。对于每个道次来说，焊缝凝固表面与焊接坡口表面的交点位置应力集中十分明显，应力幅值很大，这主要是由于各道次焊缝凝固收缩导致的。
3.2各道次焊缝的瞬时应力变化特征
在焊接过程中，各个焊接道次形成以后，下个道次开始覆盖之前瞬时的焊接区域第一主应力分布各个道次焊缝的最大拉应力均出现在该道次焊缝的边缘位置，特别是焊缝和缸筒焊接坡口表面的接触区域。从焊缝表面向内，应力从表面的峰值拉应力骤然转变为局部的峰值压应力，该转变区域仅出现在靠近焊缝边缘的很小区域内，而焊缝心部应力的变化则很小，趋近于均匀。之所以在焊缝表面区域出现应力的剧烈波动，主要是由于在焊缝凝固与冷却过程中，焊缝要向其内部收缩，而焊缝表层已经与被焊工件的表面产生了冶金结合，阻止了焊缝表面向其内部的收缩，这2种作用相互耦合，就导致了应力在焊缝边缘的剧烈波动。对于每个道次焊缝内的应力来说，随着时间的推移，焊缝内的应力则逐渐减小，但焊缝边缘处的波动应力整体上变化不大，各道次焊缝均在其边缘附近出现拉应力和压应力的剧烈波动，特别是在焊缝的交界面附近，应力的波动更加剧烈。
3.3残余应力下缸筒的变形特征
在焊接残余应力的影响下，缸筒的变形以焊缝为中心形成了一个较大的焊接热影响区。在焊接中形成的金属热膨胀，在冷却至室温条件下，导致焊缝周围金属有向焊缝变形的趋势。特别是焊缝本身，由于受到凝固收缩和冷却收缩的双重作用，焊缝向内收缩变形很大，焊缝的最内层和最外层的收缩位移量最大，最大值达到了0.1mm，而焊缝中心位置位移很小。焊缝及其热影响区的金属收缩会导致缸筒尺寸发生变化，因此必须在焊缝冷却过程中对该区域进行有效的固定约束，以防止局部变形过大导致整个缸筒的报废。
结束语
矿用液压支架立柱中缸是重要的承力结构，因此对其力学性能有较高的要求。焊接过程是立柱中缸生产时的重要工序，因此必须对其焊接工艺进行优化改进，尽可能提升立柱中缸的各项力学性能，使之满足实际使用需要。S890钢是立柱中缸的加工材料，在分析S890钢材料属性的基础上，设计研究了焊接工艺。对焊接工艺进行实验检验，发现基于本文设计的焊接工艺，不管是外观还是内部均不存在明显的缺陷，且具备有较高的强度和韧性，应用效果良好。
参考文献
[1]任志强.探析综合机械化采煤设备的配套[J].能源与节能，2016（12）：16-17.
[2]刘混田.液压支架立柱的维修技术[J].陕西煤炭，2017，36（2）：78-80.
[3]周珊珊.关于矿用液压支架立柱中缸结构强度的分析[J].机械管理开发，2019，34（11）：74-75.