5.6 m液壓支架掩護梁靜力學分析

崔擁軍

（山西晉煤集團金鼎煤機礦業有限責任公司，山西 晉城048006）

引言

綜采支護設備中使用數量最多、投資最多的設備就是液壓支架，并作為綜采工作面三大配套設備之一。液壓支架[1]能夠有效并可靠地隔離采空區，支撐和控制巷道頂板，推進輸送機和防止矸石進入回采工作面。而掩護梁與底座和前后連桿形成四連桿機構，該機構使液壓支架在升降時，與頂梁的運動形成一條雙扭線軌跡[2]，從而保證液壓支架能在工作面正常運行。

在實際工作中，井下工作狀況復雜多變，掩護梁會出現損壞情況。為滿足工作要求，本文在傳統設計的基礎上，使用Pro/E三維軟件和ANSYS有限元分析軟件，以ZY1300/28/56液壓支架掩護梁為研究對象，對其掩護梁作ANSYS有限元分析，獲得其應力云圖，通過該云圖可對掩護梁作優化設計，以提高掩護梁結構的穩定性和可靠性，對液壓支架掩護梁后續的分級計算具有一定的參考價值。

1 液壓支架結構及受力

1.1 液壓支架結構

圖1為5.6 m液壓支架組成。

圖1 5.6 m液壓支架組成

1.2 液壓支架受力狀況

支架各零部件的受力均是在支架處于最大高度時，并且以運行環境最惡劣時為基礎計算的。首先要對支架結構作平面受力分析，需作如下假設：將掩護梁、頂梁及底座的載荷設置為線性分布的載荷，將支架的空間結構設置為平面桿系，將箱型結構設置為梁的結構件。

液壓支架的整體結構受力簡圖如圖2所示，以掩護梁為研究對象，其力學簡圖如圖3所示。

圖2 液壓支架平面受力簡圖

圖3 掩護梁的空間力學模型簡圖

根據掩護梁空間力學模型建立平衡方程：

根據掩護梁空間力學模型的平衡方程，并參照ZY1300/28/56過渡支架掩護梁已知參數，即可獲得掩護梁受力情況，如表1及表2所示。

表1 頂梁與掩護梁受力情況 kN

表2 掩護梁與前后連桿及千斤頂受力情況 kN

1.3 建立掩護梁實體模型

液壓支架掩護梁為箱體，其結構比較復雜，通過Pro/E建立三維模型[3]，如圖4所示。在保證液壓支架運行正常及受力不變的情況下，作簡化處理：省略側護板，省略掩護梁上的圓角和部分孔，省略或簡化螺紋、焊縫及管線，簡化起加強作用的筋板。

圖4 掩護梁3維模型

簡化之后，掩護梁受載荷的能力不受影響，并且對整架的受力情況影響也不大，同時可減小有限元分析計算的時間，計算效率明顯提高。

2 有限元分析

2.1 建立模型

1）屬性定義。定義材料為Q590，其抗拉強度為670～830 MPa，屈服強度為590 MPa。

2）網格劃分。對掩護梁進行網格劃分[4]能夠比較真實地仿真出在外載荷作用下掩護梁的受力情況，掩護梁網格圖如圖5所示。

圖5 掩護梁的網格圖

2.2 定義邊界約束和載荷

1）設置邊界約束：約束掩護梁和頂梁鉸接處x、y、z三方向的移動自由度。

2）施加載荷：根據鉸接處受力情況，將表1和表2所獲得的力加載在掩護梁的受力位置。

2.3 求解及分析結果

經過ANSYS有限元分析計算，獲得了掩護梁的受力應力云圖，如圖6所示。從圖6可知，掩護梁的應力分布值在0～567.55 MPa；較大應力出現在頂梁和掩護梁鉸接孔以及掩護梁和前、后連桿等位置，其中掩護梁和鉸接孔處的應力最大，其值達到567.55 MPa，雖然在鋼材的強度范圍內，但已接近上限，需加強其結構。

圖6 掩護梁應力云圖

根據分析結果，在保證支架強度的情況下，對掩護梁結構進行優化：

1）掩護梁整體受力不大，應選擇與其應力相匹配的材料，或按照應力值調整鋼板厚度，對應力較小處可用薄板，對應力大的位置可加厚或增加筋板。

2）在掩護梁和前、后連桿鉸接孔及掩護梁與頂梁鉸接孔等處，所承受的應力較大，應對這些位置進行局部加強，比如選用強度更高的鋼材或焊接加筋板等，以確保掩護梁連接處的強度。

3 結論

通過分析計算，可知掩護梁與前后連桿及頂梁鉸接處應力較大，需加強其強度；其受力分析結果，可為掩護梁后續結構優化，提高掩護梁結構的穩定性和可靠性提供一定的理論基礎。