基于ABAQUS軟件對液壓支架掩護梁的優化研究

李曜彤

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

液壓支架作為煤礦開采重要裝備，其使用、開發、結構優化一直以來都是設計、使用者們研究的重點領域。我國的煤炭資源豐富，且多為礦藏。厚煤層需要型號較大、結構更優的液壓支架[1]。液壓支架結構承載能力是一個方面，但是同時也要考慮結構重量、穩定性、經濟性等問題。這就對液壓支架的性能要求也越來越高，所以迫切需要對現有的設備進行改進和優化，以適應不斷提高的性能要求。現以ZY12000/20/40 型掩護式液壓支架為分析對象，該液壓支架由陽泉煤業集團華越機械有限公司設計制造，其性能良好，結構設計借鑒了國內外掩護式液壓支架比較成熟的技術[2]。但在實際應用中，發現其性能仍有一定的優化空間。

1 ZY12000/20/40 型液壓支架

ZY12000/20/40 掩護型液壓支架可用于多種地質條件下煤礦開采，下面對其特點以及主要技術參數做簡要說明：

1）主要組成結構：

液壓支架主要由兩大部件組成，包括主體結構部件和液壓元器件。主體結構包括：掩護梁、頂梁、連桿、底座等，該液壓支架結構見圖1[3]。

2）液壓系統：

包括各個部件的液壓缸、操作閥、多路閥、多路控制開關，以及各種液壓輔助元件。

3）工作參數：

液壓支架支護高度：2 000～4 000 mm，支架中心距為1 750 mm，工作阻力12 000 kN，適用于煤層傾角：≤12°，要求工作面采高范圍為2.2～3.8 m[4]。

圖1 ZY12000/20/40 液壓支架結構

2 掩護梁目前存在的問題

液壓支架作為井下煤礦開采活動中重要的支撐設備，對煤礦采煤工作面開采的安全起到了巨大保障作用。但由于液壓支架承受載荷工況復雜且所處工作環境惡劣，常導致液壓支架出現故障。掩護梁作為連接頂梁與底座的部件，承受著來自頂板的交變載荷，在交變載荷的作用下結構容易出現故障。

由于液壓支架掩護梁作為一種大型的薄壁焊接結構，其內部包含大量焊縫。掩護梁與頂梁和底座之間的連接支耳處常存在應力集中的情況，焊縫在交變載荷的作用下容易產生疲勞裂紋，從而危及結構安全。因此，對掩護梁強度進行優化分析，降低結構中應力集中區域應力值，從而有效提高掩護梁的使用壽命。

3 技術分析方法

在此借助ABAQUS 有限元分析軟件作為研究掩護梁強度的工具。ABAQUS 是一種功能強大的有限元分析軟件，對解決許多復雜的非線性問題，具有較好的計算收斂性能。ABAQUS 可模擬典型的工程材料，如金屬、混凝土、高分子復合材料等，能夠解決結構分析問題、熱耦合性分析問題、巖土力學分析問題等等，使用方便，被廣泛應用于工程領域。下面對掩護梁有限元分析模型的建立做簡要說明。

3.1 模型創建

采用子模型法獲取掩護梁載荷與邊界，首先基于Creo 軟件創建掩護梁三維模型，在模型的創建中簡化一些細小特征，如圓角或小孔等細節特征[5]。

3.2 材料參數

結構的主要材料均采用等厚度鋼板，鋼板材采用的是Q550 鋼。在模型處理時不考慮非線性問題，忽略材料之間的間隙、裂縫等不均勻性和材料非線性因素。Q550 的彈性模量E=2.1×105 MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強度550 MPa。

3.3 邊界條件與載荷

圖2 兩種工況下墊塊位置

根據《煤礦用液壓支架通用技術條件》[6]中試驗載荷工況，采用子模型法獲取掩護梁邊界條件。本文選擇兩種典型工況作為分析研究依據，根據標準，選擇頂梁偏載荷、扭轉工況，作為應力分析的的工況。兩種工況下墊塊位置見圖2。圖中a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=50 mm。

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；模型中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。

3.4 網格劃分

模型網格劃分采用自由網格劃法，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179 613個單元。

4 分析結果

掩護梁結構作為液壓支架的子結構，具有受載荷復雜，容易產生疲勞破壞的特點。根據標準給定的兩種極端工況對壓夜支架掩護梁子模型進行分析，見圖3、圖4。為在兩種工況下掩護梁應力分布情況，可以知道掩護梁的應力分布情況，從而為結構優化提供有力參考。

圖3 偏載荷工況掩護梁應力圖

圖4 扭轉載荷工況掩護梁應力圖

根據計算結果，扭轉工況最大應力值446 MPa，已經非常接近材料屈服極限，偏載荷工況下應力值最大為335 MPa。根據兩種工況的應力分布情況可知，立柱連接耳板與掩護梁腹板相連接處應力集中明顯，且在扭轉工況下掩護梁腹板與防護裝置連接區域存在應力集中區。掩護梁實際結構中，立柱連接耳板與掩護梁主體結構之間采用焊接連接，因此，需要特別留意焊縫在工作載荷作用下容易產生疲勞裂紋。

5 掩護梁優化改進

根據掩護梁有限元分析計算結果，可以確定掩護梁的薄弱區域，結合液壓支架在實際使用中常產生故障的區域，有針對性地對液壓支架掩護梁結構進行優化，有效提高液壓支架的可靠性以及使用壽命。

對掩護梁進行結構改進，為削減連接耳板以及與頂板連接位置應力集中情況，最后根據扭轉工況的載荷條件對優化后的掩護梁結構進行分析，見圖5。對掩護梁底板承載較小的區域，做挖孔處理，同時改進掩護梁橫向加筋隔板為圓柱形加強結構，其余結構保持不變，建立優化后的三維模型。

圖5 掩護梁優化后結構

圖6 掩護梁優化后應力分圖

將三維模型導入ABAQUS，并設置與扭轉工況相同的材料與邊界條件，進行求解。計算得到改進后掩護梁最大應力值為362 MPa，相較于未優化時扭轉工況最大應力446 MPa，減小84 MPa，極大的降低了支耳位置應力集中的情況，有效提高掩護梁使用壽命。

對液壓支架掩護梁做了上述結構優化后，改進后的液壓支架，在實際使中1年時間內，均未見局部出現疲勞裂紋，改進方案具有實際意義。切實提高了液壓支架的可靠性，減少設備維護成本，為企業創造了更多的價值。

6 結語

1）本文基于ABAQUS 對ZY12000/20/40 型液壓支架掩護梁結構進行了強度分析，并根據分析研究結果和實際使用情況對掩護梁結構進行優化改進。分析結果表明改進后掩護梁最大應力值為362 MPa，相較于優化前減小84 MPa。有效降低了掩護梁危險區域應力集中情況，可提高掩護梁可靠性以及使用壽命。

2）對液壓支架掩護梁做了上述結構優化后，該批次改進后的液壓支架，在實際未見局部出現疲勞裂紋，改進方案具有實際意義。切實提高了液壓支架的可靠性，減少設備維護成本，具有推廣價值。