液壓支架掩護梁的結構優化

王 磊

（大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著我國對煤炭開采要求的不斷提高，大力發展高效、安全、經濟的煤礦井下綜采設備已經成為煤炭開采的趨勢，在煤炭開采的過程中綜采面的支護問題是影響煤炭開采效率和工作安全的核心，掩護梁作為液壓支架的重要組成部分，其工作的可靠性與穩定性關系著液壓支架能否可靠的進行支護作業，但目前液壓支架的掩護梁普遍存在結構復雜、重量大、故障率高的難題，極大地限制了液壓支架工作的可靠性，因此如何對煤礦井下液壓支架掩護梁的結構進行優化，提高其工作可靠性，成為煤炭生產企業迫切需要解決的核心關鍵問題[1]。

1 液壓支架的工作原理

液壓支架主要利用立柱頂起頂板，從而起到支撐掩護和隔離作用，避免矸石脫落導致出現生產事故，其結構如圖1所示。

圖1 液壓支架結構示意圖

由圖1可知，當液壓支架進行頂升作業時，高壓油通過油管進入到立柱的執行油缸內，從而推動頂梁上升到預定位置，執行支撐掩護作用，當液壓支架需要調整、下降高度時，液壓油開始通過回路從液壓支架立柱的執行油缸流出，使千斤頂逐漸回收，從而控制支架的緩慢下降，當液壓支架進行前推作業時，首先需要把液壓支架的降柱結構進行卸載，隨后液壓系統的高壓油液經油管開始進入到遷移油缸的有桿腔，無桿腔開始回油，從而使液壓支架下端的千斤頂向著驅動滾筒的方向移動，然后再把液壓支架向著前移的方向進行拉拽。

當輸送機進行前移的時候，需要控制液壓泵站，將高壓油液輸送到千斤頂裝置的無桿腔上，同時控制千斤頂有桿腔進行回油，使千斤頂的活塞桿伸出，逐漸將輸送機系統向著預定的方向進行推移。

液壓支架的掩護梁是用于防止液壓支架在工作時采空區的石塊脫落的，保護液壓支架在整個工作的過程中不會受到煤矸石的沖擊，確保液壓支架各零部件的安全性，作為液壓支架的重要組成部分，因其頻繁受到落石的沖擊，因此需要掩護梁的結構具有很強的剛度和足夠的強度，從而確保其工作的可靠性和使用壽命。

2 液壓支架掩護梁三維模型的建立

為了便于對液壓支架掩護梁工作時的受力進行仿真分析，我們首先利用Creo三維建模軟件對液壓支架掩護梁的整體進行三維建模，為了確保仿真分析的準確性，同時確保建模的方便性，在建立三維模型時，我們需要遵循以下幾個方面對液壓支架掩護梁的整體結構進行適當的簡化[2]。

1）液壓支架掩護梁應采用分別建模，整體裝配方案，避免用獨立實體，確保仿真分析時應力分布的真實性。

2）簡化時需要確保連桿機構的完整性和結構構建的真實性。

3）在對掩護梁進行建模時，需要盡量確保其結構的完整性，尺寸需要與實際尺寸相符合。

根據以上原則，對掩護梁進行三維建模，三維模型結構如下頁圖2所示。

為了對掩護梁的受力情況進行分析，我們首先根據液壓支架在工作時的整體受力關系，導出頂梁和分離結構的受力關系，最終得出掩護梁的受力關系[3]，如圖3所示：

圖2 液壓支架掩護梁三維模型示意圖

圖3 掩護梁分離體受力分析示意圖

分析可知:

式中：Fx、Fy分別為頂梁和掩護鏈銷接點處受力在x軸和y軸上的分力。

根據數學關系模型，同時將三維模型導入到ANSYS仿真軟件中，在劃分網格時為了確保仿真分析結果的準確性，我們根據該仿真軟件的實際應用經驗，同時結合液壓支架掩護梁的結構和尺寸，選擇網格的大小為15 mm，完成網格劃分后，該掩護梁主要包括446 782個節點，248 112個單元，網格劃分結果如圖4所示。

圖4 掩護梁的網格劃分

3 掩護梁仿真分析

利用ANSYS仿真分析軟件對劃分好網格的掩護梁進行仿真分析[4]，其結果如圖5、圖6所示。

由仿真分析結果可知，液壓支架掩護梁在受力情況下其最大局部應力約為432.45 MPa，最大應變量約為0.002 162 4 mm。

圖5 掩護梁的應變分布圖

圖6 掩護梁的應力（MPa）分布圖

通過仿真分析結果，同時結合掩護梁分離體的受力分析可知，在液壓支架工作時，掩護梁與頂梁、后連桿及前連桿所組成的四連桿機構，其最大接觸應力會出現在連接銷鏈的銷接點和掩護梁的板面位置，根據我們在礦上調研的實際情況，也確定了仿真分析的正確性，如圖7所示。

圖7 掩護梁銷接位置失效圖

通過分析，我們可以通過對掩護梁上銷鏈連接位置銷接處的厚度來加強該處的結構，同時對其工作時所承受的最大應力情況進行優化，在掩護梁的設計中，我們也可以通過使用高強度的材料來對其進行優化。

4 結論

在對液壓支架掩護梁作用、要求進行分析的基礎之上，為了進一步提升液壓支架掩護梁在工作過程中的可靠性和安全性，利用Creo三維建模軟件對掩護梁進行了三維建模，同時結合掩護梁的實際結構和使用經驗對其進行網格劃分，最后利用ANSYS仿真分析軟件對其進行仿真分析，結合仿真結果，識別出了掩護梁工作時已損壞的結構，同時根據分析結果，針對性地給出了結構優化措施，極大地提高了液壓支架掩護梁的工作可靠性，提升了煤炭生產企業的產能增加和經濟效益，具有重大的社會和經濟效益。