ZF12000/22/42 型液壓支架支護梁強度分析與優化的研究

龐有利

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

目前，綜放開采已經成為實現厚煤層高效、高產開采的重要途徑，其中發展出來許多相適應的設備，例如放頂煤液壓支架[1]。隨著綜放開采工藝的不斷進步，后續又對為放頂煤液壓支架進行了不斷的改進和設計[2]。但是綜放工作面使用的放頂煤液壓支架在實際使用過程仍然出現一些問題，常見的有：支架結構不能適應疏松、破碎的巖層；支架受壓力作用，在掩護梁處發生較大的變形；抗沖擊能力弱；支架對頂煤控制能力差，出現冒頂現象等。文章基于有限元對ZF12000/22/42 型掩護梁強度進行分析，并提出了改進，為后續其結構設計提供理論參考。

1 ZF12000/22/42 型液壓支架

ZF12000/22/42 型液壓支架適用于厚煤層作業面的開采[3]，主要對該型放頂煤液壓支架的特點以及組成做簡要說明。

1.1 特點

工作面采用大配套，保證了截深和有效的移架步距，同時液壓支架工作阻力較大，可以提高支架對頂煤的支撐能力。

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。液壓支架底座為整體式剛性底座，底座結構強度足夠。

1.2 使用條件

作業煤層厚度范圍6～16 m；適應煤層傾角要求≤15°；仰采角度要求≤25°；液壓支架頂板所承受壓力不應大于12 000 kN。

1.3 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。圖1 所示為ZF1200/22/42 放頂煤液壓支架結構示意圖。

圖1 ZF1200/22/42 放頂煤液壓支架結構示意圖

2 掩護梁有限元模型的建立

掩護梁上方與頂梁通過鉸接方式連接，中間部分通過鉸接與連桿相連接，最終與底架連接構成液壓支架的主體構建。液壓支架在承受彎曲和扭轉載荷工況時，掩護梁工作狀況較為惡劣，因此液壓支架的掩護梁必須要有足夠的強度。液壓支架掩護梁主要為箱形變斷面結構，由各種規格鋼板焊接而成[4]。

掩護梁由各種鋼板焊接而成，是典型的薄壁焊接結構，由于存在較多的焊縫以及不規則型材容易出現應力集中的情況等，因此需要對其結構進行研究。首先基于Solid Works 建立該液壓支架的掩護梁模型，掩護梁外形尺寸為：長×寬×高=2 594 mm×1 570 mm×510 mm，保存為通用”STP”格式，然后導入ABAQUAS 軟件，進行有限元模型前處理[5]。

根據液壓支架相關技術標準——《煤礦用液壓支架第部分：通用技術條件》對液壓支架進行強度分析，選取頂梁扭轉加載、頂梁偏心加載工況作為試驗分析的工況，在此不再將兩種工況具體內容列出。根據標準給的載荷與邊界約束規范對液壓支架整體進行分析，得到掩護梁子模型的邊界條件，從而得到掩護梁應力分布情況[6]。

2.1 材料參數

ZF12000/22/42 掩護梁主體結構均采用Q460 材料焊接而成，再對模型材料參數進行設置，已知Q460 材料參數見表1 所示。

表1 掩護梁材料參數

2.2 邊界條件

掩護梁有限元分析載荷與約束的施加，由于單獨的掩護梁邊界條件需要從液壓支架整體分析得到。因此采用子模型法，前期研究關于液壓支架整體在工況作用下應力分布規律，提取邊界條件施加于掩護梁子模型上。由于篇幅所限，對液壓支架整體仿真邊界條件進行說明。首先，墊塊位置被當做對頂板的約束來施加；其次，墊塊與頂梁連接設置接觸，取金屬間摩擦系數0.15；最后，模型簡化，采用銷釘約束代替柱銷聯結。再從整體提取掩護梁子模型邊界條件。

2.3 載荷施加

模擬分析時，試驗壓力均為1.2 倍工作壓力。由此可以得到載荷的大小為12 000×1.2=14 400 kN。載荷的作用位置與方向：力的作用線沿立柱的軸線方向，添加在柱窩的球面上。

2.4 網格處理

由于模型網格要求不高，使用自由網格劃法，采用四面體網格進行劃分，單元類型選擇Solid45，模型一共劃分得到11 萬個網格。

3 強度分析結果

圖2、圖3 分別為扭轉工況與偏載荷工況時，掩護梁應力分布情況，根據計算結果，在扭轉工況下，與頂梁連接處的鉸接位置應力較大，同時立柱支耳連接處應力最大，最大應力值459 MPa，接近材料的屈服極限。偏載荷工況時，在立柱連接耳板、掩護梁底部加強筋等存在應力集中情況，此時最大應力值為439 MPa。

通過對掩護梁在不同工況的有限元應力分析，掌握了掩護梁應力應變分布狀況，找出掩護梁可能存在的薄弱環節、薄弱區域，有針對性地對掩護梁關鍵部件進行結構優化，從而有效提升其強度，提高液壓支架的整體性能。

4 掩護梁優化改進

掩護梁是液壓支架的主要受力結構之一，同時與頂梁和底座以及連桿連接，受力情況復雜。液壓支架實際使用中曾經掩護梁前端耳板附近出現過疲勞裂紋，并且裂紋不斷擴散，與仿真結果出現的應力集中區域相似。

圖2 扭轉載荷工況頂梁應力圖

圖3 偏載荷工況掩護梁應力圖

根據分析結果，為了緩解耳板以及與頂板連接位置應力集中情況，最大限度改善掩護梁立柱耳板與頂板鉸接位置的應力分布。在掩護梁頂梁連接位置的箱體內增加兩個斜加強板，如圖4 所示，按相同的載荷與邊界條件對其進行應力有限元分析。

圖4 掩護梁優化結構示意圖

根據優化后應力計算結果，如圖5 所示，對掩護梁添加斜加強筋后，應力集中情況明顯減弱，最大應力值358 MPa，相較于原掩護梁模型，應力減小22%，有效提升了液壓支架的整體性能。優化掩護梁結構，可以對液壓支架的改進設計提供參考。

圖5 掩護梁優化后應力分圖

5 結論

1）從ZF12000/22/42 型液壓支架關鍵零部件掩護梁的結構安全入手，對掩護梁在兩種實驗工況下的應力進行分析，得到掩護梁在兩種工況下應力、應變分布，以及最大應力值，找到了掩護梁結構的薄弱部位。

2）根據有限元計算的結果，提出了對掩護梁薄弱部位采用加斜加強筋的方法進行優化，同時施加于扭轉工況相同的邊界與載荷，得到優化后最大應力358 MPa，且整體應力分布均減小。優化改進結構強度增加明顯，為后續掩護梁的結構設計與應用提供有利參考。