礦用液壓支架掩護梁的受力分析及結構優化*

張天佑

(西山煤電設備租賃公司，山西 太原 030024)

0 引 言

綜采工作面的機械化顯著提升了煤礦的開采效率，液壓支架是機械化中的重要構成部分，在保障煤礦生產安全方面發揮著非常重要的作用[1]。液壓支架在工作時頂梁和底座分別與工作面巷道的頂板和底板接觸，目的是防止煤礦開采過程中巷道頂板發生塌落對煤礦開采設備和人員安全構成威脅[2-3]。液壓支架工作時需要承受非常大的作用力[4]，掩護梁是液壓支架中的重要結構部件，實踐中發現掩護梁結構容易出現故障問題，主要原因在于掩護梁的結構存在缺陷，導致其整體受力不均勻，應力集中部位容易產生故障[5-6]。針對該問題，筆者以ZY4000型掩護式液壓支架為例，利用有限元軟件建立了液壓支架的受力分析模型，基于分析結果對掩護梁結構進行了優化改進。

1 液壓支架結構概述

以ZY4000型液壓支架為例進行分析和研究，如圖1所示為該信號液支架的整體結構示意圖。

圖1 液壓支架整體結構示意圖

液壓支架主要由七大部分構成，分別為頂梁、底座、推移裝置、立柱、操縱閥、四連桿結構和掩護梁。不同機械結構都有各自的功能，在各個構的綜合作用下實現液壓支架的功效。其中，掩護梁結構上面與頂梁進行鉸接，下面與四連桿結構進行鉸接，除了承受頂梁結構在水平方向上的載荷，同時還承受采空區煤礦巖石冒落對液壓支架造成的沖擊作用，目的是為設備操作人員提供一個安全可靠的空間，因此，掩護梁的整體受力情況比較復雜，特別容易出現應力集中現象，進而影響結構的使用壽命。以下利用有限元軟件建立了液壓支架的受力分析模型，對掩護梁的受力情況進行分析，并對其進行優化改進，以降低掩護梁結構的故障率，提升整體的使用壽命。

2 掩護梁的受力分析模型

2.1 三維模型的建立

根據ZY4000型掩護式液壓支架的實際尺寸，利用SolidWorks軟件建立掩護梁結構的三維幾何模型。在模型建立過程中，為提升模型計算的速度和效率，得到準確的計算結果，將掩護梁結構中一些比較細小的結構，比如倒角、倒圓和小圓孔等不會對計算結果產生明顯影響的地方進行了忽略處理。

2.2 有限元模型的建立

(1) 模型導入。將在SolidWorks軟件中建立好掩護梁三維模型導出為STL格式，并導入到ANSYS軟件中進行后續模型的建立。

(2) 網格單元劃分。利用有限元軟件進行模擬分析時，網格劃分是非常重要的步驟。網格劃分質量會對模型計算過程及結果精度產生直接影響。網格類型及網格尺寸大小均會影響計算過程和結果。ANSYS軟件中提供了多種類型的網格單元，本模型中選用六面體網格單元進行劃分，同時利用軟件對網格尺寸進行自動確定。最終劃分得到的網格單元和節點數量分別為18324和21329。

(3) 材料屬性設置。實踐應用中ZY40003型液壓支架的掩護梁是通過Q690型材料加工制作。查閱材料手冊可知，該型號材料的泊松比、屈服強度、抗拉極限強度、彈性模量和密度分別為0.29、690 MPa、900 MPa、200 GPa、7 800 kg/m3。將以上材料屬性輸入到ANSYS有限元模型中，得到更準確的結果。

3 掩護梁的受力結果分析與討論

建立掩護梁結構有限元模型后，可以調取分析計算模塊進行計算，使用后處理模塊提取計算結果，如圖2所示為掩護梁結構的應力和位移變形分布云圖。由圖2(a)可知，液壓支架掩護梁結構不同位置的應力分布呈現出嚴重的不均勻性，且不同位置的應力存在比較大的差異。絕大部分位置的應力相對較小，幾乎為零。應力較大的區域主要集中在部分位置，具體而言應力主要集中在前側中間主筋部位，最大應力值達到了858.89 MPa。由圖2(b)可知，掩護梁結構的位移變形情況也存在比較大的不均勻性，兩側護板的位移變形情況相對較大，最大值達到了18.812 mm，且越往中間走位移變形逐漸減小，其他部位的位移變形情況相對較小，幾乎可以忽略不計。

圖2 掩護梁結構的應力和位移變形分布云圖

基于以上分析得出，液壓支架掩護梁結構在工作時存在明顯的應力和位移變形集中現象，特別是應力集中現象更加明顯，最大值達到了858.89 MPa。掩護梁結構是利用Q690材料加工制作，該材料的屈服強度為690 MPa，抗拉強度超過了900 MPa。可看出，掩護梁應力集中最大值已經超過了材料的屈服強度，但還沒有超過抗拉極限強度。過大的應力值必然會導致這些部位易出現應力損傷，導致結構件失效。

4 掩護梁結構改進及實踐應用

4.1 結構改進

基于以上掩護梁結構的應力和位移變形分布云圖分析，掩護梁的中間主筋和側護板應力或者位移變形情況比較嚴重，有必要增加其厚度，確保這些結構部位的剛度和強度。其它部位的應力和位移變形情況相對較小，可以適當降低厚度，以降低整體的重量，節約掩護梁的加工制作成本。具體而言，將主筋板和側護板的厚度均增加5 mm，而將蓋板和側板的厚度降低5 mm。上述結構的位置見圖3。

圖3 掩護梁結構的優化改進部位

再次利用SolidWorks和ANSYS軟件建立優化改進后的掩護梁結構受力分析模型，并對其開展模擬仿真工作，提取仿真結果，如圖4所示為優化改進后掩護梁結構的應力分布云圖。

圖4 優化改進后掩護梁的受力分布云圖

由圖可知，掩護梁結構整體的應力分布仍然呈現出顯著的不均勻性，應力更多的集中在局部區域。應力最大值只有338.64 MPa，與優化改進前的858.89 MPa比較，最大應力降低幅度達到了60.57%。應力最大值降低到了Q690材料的屈服強度690 MPa范圍以內，意味著整個掩護梁結構任何位置都不會出現塑性變形現象，更不會產生塑性損傷，因此整體結構性能得到顯著提升。

4.2 應用效果評價

將優化改進后的掩護梁結構應用到ZY4000型液壓支架工程實踐中，并對其應用效果進行了連續6個月的測試。結果發現掩護梁結構整體運行良好，整個測試期間沒有出現明顯故障。通過與優化前的數據比較分析認為，此次優化改進使得掩護梁結構的使用壽命整體提升了20%以上。不僅為煤礦企業節省了大量的設備維護保養成本，有效提升了液壓支架的開機時間，為煤礦的正常生產奠定了良好的基礎。

5 結 論

主要對ZY4000型液壓支架掩護梁結構的受力情況進行了模擬仿真分析，在此基礎上對結構進行優化改進，所得結論如下。

(1) 掩護梁結構的受力和位移變形情況非常不均勻，位于中間的主筋和位于側邊的側護板應力和位移變形最顯著，最大應力值和位移變形量分別達到了858.89 MPa和18.812 mm。

(2) 對掩護梁的結構參數進行優化改進，主要是將側護板和主筋厚度增加5 mm，將護板和蓋板厚度降低5 mm，再次模擬分析發現掩護梁最大應力值降低到了338.64 MPa。

(3) 將優化改進后的掩護梁結構應用到工程實踐中，使掩護梁結構的使用壽命提升了20%以上，效果顯著。