ZY13000/30/65 型液壓支架頂梁的強度分析與改進研究

張國為

（霍州煤電集團呂梁山公司， 山西 呂梁 033100）

引言

煤炭在我國所消耗的能源結構中占比接近70%，經濟的快速發展對煤礦的需求也越來越多，同時對液壓支架的使用性能也提出了更高的要求。對液壓支架的支撐高度、承受載荷、抗惡劣工況載荷沖擊等都有了更高的要求[1]。ZY13000/30/65 型液壓支架具有諸多特點，具有對煤層控制能力好、支護空間大、抗載荷沖擊能力強的特點。但是，在ZY13000/30/65 型液壓支架實際使用中發現，液壓支架在工作一段時間后頂梁出現微裂紋，尤其是與立柱耳板連接位置出現均出現了裂紋，初步判斷是由于結構此處存在較明顯的應力集中情況，在疲勞載荷的作用下出現裂紋，因此對ZY13000/30/65 型液壓支架的頂梁結構進行分析[2]。

1 ZY13000/30/65 型液壓支架簡介

ZY13000/30/65 型液壓支架適用于比較厚的煤層作業面的開采，抗偏載能力較強，通風斷面大，且穩定性好，在煤礦開采行業中應用較多。

1）工作環境條件。適用于掩護式煤礦開采工作面，煤層傾角應不大于15°，適用工作面采高范圍為3.0～6.5 m；液壓支架頂板所承受壓力不應大于13 000 kN。

2）主要特點。掩護梁整體采用箱型板材結構，兩側均布置有防護板，可以實現對掩護梁整體的加強，確保梁的工作環境免受污染，從而提高掩護梁的使用壽命。該型液壓支架支護空間較大便于操作。

3）組成構建。液壓支架主要構建可以分為金屬結構件、液壓元件兩大類，其中金屬構建主要有頂梁、掩護梁、支撐連桿、尾梁等。液壓元件主要包括多路控制閥、油缸、油箱、安全閥等。如圖1 所示，為ZY13000/30/65 液壓支架結構示意圖[3]。

圖1 ZY13000/30/65 液壓支架結構示意圖

2 有限元模型建立

2.1 模型

使用Solid Works 創建ZY13000/30/65 型液壓支架與液壓支架頂梁三維模型，采用子模型技術獲取頂梁邊界條件，可以計算得到頂梁在兩種工況下應力分布情況。在模型的創建中簡化一些細小特征，如護幫裝置、圓角或小孔等細節特征。

將三維模型以通用格式”STP”導入ANSYS Workbench 有限元分析軟件中，根據《煤礦用液壓支架通用技術條件》[4]標準，選擇頂梁扭轉、偏載荷作為分析工況。

2.2 邊界條件與載荷

依據標準[4]，列出了液壓支架的試驗載荷工況，采用子模型法獲取掩護梁邊界條件。在綜合開采工作面，液壓支架的整體受力情況是比較復雜的，模型加載時做一定簡化。兩種工況下墊塊位置如下頁圖2所示，圖中a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=50 mm[5]。在有限元分析時對支架的墊塊位置施加一定的約束，選擇頂梁偏載荷工況和扭轉工況，作為應力分析的工況。

圖2 兩種工況下墊塊位置

簡化模型受力情況，將立柱對支架結構的作用，用作用于柱帽于柱窩各自內表面上均勻載荷代替，作用力大小為1.2×12 000=14 400 kN。墊塊與頂梁連接設置接觸，取金屬間摩擦系數0.15；模型簡化，采用銷釘約束代替柱銷聯結，最后再從整體提取掩護梁子模型邊界條件。

2.3 材料參數

該型壓夜支架主要材料選用厚度均勻的Q460鋼板，如表1 所示為Q460 材料特性參數。忽略材料之間的間隙、裂縫等不均勻性和材料非線性因素[6]。

表1 Q460 材料參數

2.4 網格劃分

由于模型網格要求不高，使用自由網格劃法，網格單元大小為40 mm，采用四面體網格進行劃分，單元類型選擇solid45，最終建立的有限元模型共有194 524 個單元。

3 頂梁強度分析結果

根據標準[4]，選定的兩種較為惡劣的工況載荷對ZY13000/30/65 型液壓支架進行了分析，根據子模型法獲得液壓支架頂梁的邊界條件。從而，基于Workbench 計算得到頂梁扭轉載荷工況、偏載荷工況應力分布情況，由于篇幅所限，在此不再對邊界條件提取詳細講述。如圖3、圖4 所示，分別為兩種工況下掩護梁應力分布情況，為下一步結構優化分析做準備。

根據頂梁優化計算結果，兩種工況計算應力最大值，扭轉載荷工況為459 MPa，偏載荷工況最大值為426 MPa，可以看出在扭轉荷工況下，應力值已經非常接近材料的屈服強度，是一種比較危險的工況。扭轉工況應力比較的區域更廣，且在墊塊作用位置下，頂梁側護板與底板之間的角焊縫位置應力最大。在偏載荷工況下，應力較大的區域主要集中在立柱支撐頂梁的區域，也就是頂梁連接立柱的耳板位置應力最大。

圖3 扭轉載荷工況頂梁應力圖

圖4 偏載荷工況頂梁應力圖

根據上述分析結果，通過對液壓支架頂梁在不同工況的有限元應力分析，獲得了掩護梁應力、應變分布狀況，得到頂梁可能存在的薄弱環節，薄弱區域，并有針對性地對掩護梁關鍵部件進行結構優化，從而有效地提升頂梁的結構強度，提高液壓支架的整體性能，同時也可對后續掩護梁優化設計提供參考。

4 頂梁優化改進

根據分析結果，對頂梁結構進行優化并重新建立三維模型。已知，液壓支架頂梁在工作面支護過程中，承受載荷復雜，受到較大壓力的同時，可能會受到巖層脫落造成的沖擊載荷，因此要求液壓支架頂梁強度必須要有足夠抗沖擊能力和承受疲勞載荷的能力。

根據液壓支架頂梁在不同工況下的仿真，及該型液壓支架的實際使用經驗，對結構提出改進。根據實際使用中液壓支架頂梁曾出現在頂梁中部，底板與側護板焊縫出現了裂紋。由于在該處內部還存在加強筋板，所以可以初步判斷為焊縫布置不合理導致的應力集中情況。同時由應力計算結果也顯示在該區域應力出現比較明顯的集中情況。

對頂梁地板進行減重處理，在應力較小的區域挖空，避免地板、側護板、加強筋板之間形成疊焊縫，將所有加筋板優化改制為圓形鋼管加強結構。重新建立頂梁三維模型，導入Workbench 并設置與扭轉工況相同的材料與邊界條件，進行求解。如圖5 所示，為優化后模型應力計算結果，優化后頂梁最大應力值為388 MPa，相較于原結構扭轉工況最大應力459 MPa，減小71 MPa，對結構應力分布情具有良好的改善作用，說明該改進方案可以有效提高頂梁的性能。

圖5 掩護梁優化后應力分圖

5 結論

1）基于ANSYS Workbench 對液壓支架頂梁在扭轉工況和偏載荷工況下應力分布情況進行了分析，扭轉載荷工況最大應力值459 MPa，偏載荷工況最大值最大應力值426 MPa，結構實際使用液壓支架出現的問題，初步確定了液壓支架頂梁的改進設計方案。

2）根據強度分析與實際使用經驗，對液壓支架頂梁進行結構優化。重新建立頂梁三維模型，導入Workbench 并設置與扭轉工況相同的材料與邊界條件，得到優化后頂梁最大應力值為388 MPa，相較于原結構扭轉工況最大應力459 MPa，減小71 MPa，對結構應力分布情具有良好的改善作用，說明該改進方案可以有效提高頂梁的性能，對于液壓支架掩護梁的結構優化設計具有實際參考意義。