礦用液壓支架頂梁強度分析與優化研究

周紹華

（軒崗煤電有限責任公司劉家梁礦， 山西 忻州 034000）

引言

頂梁作為液壓支架的重要組成部分，是直接承受載荷的部件，其工作的安全性和可靠性已引起各界的高度重視[1-4]。頂梁所處的工作環境較惡劣，受力情況較復雜，因此對其結構強度要求較高。液壓支架工作過程中，頂梁一旦受損，將會對綜采工作面內工作的設備、人員等產生安全隱患，嚴重的將會釀成事故，給煤礦企業帶來不可估量的損失[5-6]。因此開展液壓支架頂梁強度分析與優化研究具有重要意義。

1 液壓支架頂梁的組成及功能

頂梁作為液壓支架中極其重要的組件，其常用的結構形式包括以下三種：剛性頂梁、鉸接式頂梁和伸縮鉸接頂梁。其相同之處均采用鋼板焊接而成，呈現箱式結構，箱體內部焊接加強筋，以提高頂梁的整體強度和剛度。頂梁的前端形狀大多制成滑撬形式，也可制成圓弧形式，目的是降低支架移動過程中的阻力。頂梁內表面焊接兩個柱窩，其兩側設計連接銷孔，便于使用銷軸將頂梁與立柱連接，實現頂梁高度的調整；頂梁的尾部兩側設計兩個連接孔，采用銷軸將頂梁與掩護梁連接，實現頂梁的固定；頂梁尾部中間設計一個連接孔，用于連接千斤頂，實現頂梁工作過程中俯仰角的調整。

2 液壓支架頂梁有限元仿真分析

為了提高液壓支架頂梁工作的可靠性，保證頂梁具有足夠的結構強度，降低其工作的故障率，以ZF12000/23/35型礦用液壓支架頂梁為研究對象，對其結構進行靜力學有限元仿真分析，觀察頂梁結構內部應力、位移分布情況，以期找出結構強度較低的位置，進行改進優化，提高頂梁的整體承載能力。

2.1 三維模型建立

頂梁結構較為復雜，對其完整模型進行仿真分析不僅模型導入過程中極易出錯，而且仿真計算量很大，將會耗費大量時間，因此為了提高有限元仿真計算的效率和質量，需要對模型進行簡化。省略各類倒角、焊縫等，將頂梁簡化成一個整體；省略部分對靜力學分析結果影響較小的結構小孔，提高網格劃分效果。簡化之后運用ProE三維軟件完成了頂梁三維模型的繪制，如圖1所示。

圖1 頂梁三維模型

2.2 有限元模型建立

將頂梁三維模型保存為.igs格式文件，之后導入ANASYSWorkbench 16.0大型有限元分析軟件，打開之后進行模型材料屬性的設置，頂梁材料為Q690，具體材料屬性參數如表1所示，按表內參數數值賦予頂梁模型材料屬性。

表1 材料屬性

頂梁單元網格劃分過程中需要以頂梁結構為依據，頂梁結構簡化之后較為簡單，選擇實體單元類型中的六面體SOLID45單元即可，以便提高仿真分析計算的效率。接下來的工作是網格劃分，選擇ANASYS Workbench 16.0仿真分析軟件內部自由劃分網格的方法完成。

頂梁工作過程中主要受到立柱的支撐以及掩護梁的鉸接約束，所受載荷主要來源于綜采工作面圍堰的壓力，此處進行頂梁靜力學分析約束設置時，將頂梁與立柱支撐位置、頂梁與掩護梁連接位置均設置為固定約束，為了更接近頂梁實際工作狀況，對頂梁施加偏載，壓力載荷施加位置處于頂梁上表面長度方向中心，寬度方向距離中心線四分之一位置，載荷大小為200 t，至此完成了頂梁有限元模型約束和載荷的設置。

3 仿真結果分析

對頂梁完成材料屬性設置、網格劃分、約束和載荷施加之后即可啟動ANASYS Workbench 16.0中的求解器進行仿真計算。仿真計算輸出結果根據需要可以進行選擇，如應力、應變、位移等，頂梁靜強度分析主要了解其強度分布情況，進而找出強度薄弱環節進行改進，因此結果輸出選擇Mises等效應力分布云圖和位移分布云圖。頂梁仿真分析結果如圖2、圖3所示，其中圖2為頂梁Mises等效應力分布云圖，圖3為頂梁位移分布云圖。

圖2 頂梁Mises等效應力分布云圖

圖3 頂梁位移分布云圖

從圖2頂梁的Mises等效應力分布云圖可以看出，液壓支架工作過程中頂梁的最大應力值σmax出現在前側板，最大應力值為1 440 MPa，觀察整個頂梁的應力分布云圖可以看出，應力分布以頂梁柱窩位置較為集中，應力值為980 MPa，向外擴散過程中應力逐漸減小，最小應力值接近0。由分析結果可以看出頂梁實際工作過程中應力集中位置的應力值已經超過了頂梁材料的抗拉強度，繼續使用很可能出現破壞事故，需要進行結構改進，以期將頂梁的最大應力降低至材料屈服強度之內，重點是頂梁前側板和柱窩兩側加強筋位置，保證頂梁工作的絕對安全。

從圖3頂梁位移分布云圖可以看出，在頂梁受力方向上，即Y軸方向，頂梁的左側護板出現了較為明顯的位移，位移量為20.25 mm，頂梁整體位移分布呈現出由左側護板位置向外延伸過程中位移量逐漸變小的趨勢，最小的位移量幾乎為0。由于仿真分析過程中的載荷施加為偏載，因此承受載荷一側護板出現了明顯位移變形，但是側護板工作過程中僅起保護頂梁的作用，并不直接承受載荷，因此頂梁的優化工作重點應該放在前側板和柱窩兩側加強筋區域。

4 頂梁的優化改進及效果

針對液壓支架中頂梁內部最大應力超過材料抗拉強度問題，需要采取措施進行優化改進，以實現頂梁實際工況所受的最大應力低于材料的屈服強度，提高液壓支架的安全可靠性。類似結構件的優化措施較多，包括更換強度更高的材料進行頂梁制造；調整頂梁內部結構件的分布或者增加內部加強筋的數量，以提高整體承載能力；改變頂梁前側板和柱窩兩側加強筋的厚度。結合頂梁實際情況以及優化改進方式的實施性，對于頂梁結構優化改進的方法采用改變前側板和柱窩兩側加強筋厚度進行。

4.1 頂梁前端蓋板的改進

從圖2頂梁的Mises等效應力分布云圖可得最大應力出現在前側板和柱窩兩側加強筋位置，采用改變其厚度的方式進行優化設計，以期提高整個頂梁的強度，保證頂梁工作過程的穩定性。查閱工程圖紙得到當前頂梁前側板的設計厚度為15 mm，柱窩兩側加強筋厚度為25 mm，考慮到頂梁工作過程中前側板和筋板對于頂板承受載荷的重要性以及增厚對于頂梁重量的影響，將頂梁前側板的厚度增加15 mm，柱窩兩側加強筋厚度增加5 mm，之后修改有限元仿真分析模型，對改進之后的頂梁進行仿真分析，觀察頂梁的應力最大值。

4.2 仿真驗證

通過進行有限元仿真分析，得到了改進之后頂梁的Mises等效應力分布云圖，如下頁圖4所示。由圖4可以看出改進之后的頂梁應力狀態得到了大大改善，前側板位置的應力由改進之前的1 440 MPa降低至了486 MPa，這也是改進之后頂梁結構中的最大應力，其遠遠低于頂梁材料的屈服強度，柱窩兩側加強筋位置的應力由改進之前的980 MPa降低至了320 MPa，可見改進效果較為顯著，極大地提高了頂梁的結構強度。

4.3 改進應用及效果

根據仿真結果對液壓支架頂梁進行改進，在前側板基礎上焊接15 mm厚的Q690板，同時在原頂梁柱窩兩側加強筋基礎上焊接5 mm厚的Q690板，即完成頂梁的改造工作。通過跟蹤改造之后，液壓支架的工作情況得出頂梁改造效果明顯，降低了液壓支架的維護維修頻次和運維成本，大大提高了液壓支架的工作可靠性，為綜采工作面內部作業人員的生命安全提供了保障。

圖4 改進后頂梁Mises等效應力分布云圖

5 結論

1）借助ProE和ANASYS Workbench 16.0軟件完成了頂梁的建模分析，確定頂梁前側板和柱窩兩側筋板處的最大應力值為1 440 MPa，高于頂梁材料的抗拉強度，存在設計缺陷。

2）通過加厚前側板和柱窩兩側筋板的方法對頂梁進行優化改進，前側板和柱窩兩側筋板增厚至30 mm之后，分析結果表明，優化改進效果顯著，最大應力為486 MPa，實踐結果表明改進之后的頂梁大大提高了液壓支架工作的可靠性。