礦用液壓支架掩護梁仿真及優化分析

王 炎

（晉能控股裝備制造集團大同科大煤機有限公司， 山西 大同 037000）

引言

掩護梁作為掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架的重要結構之一，其性能將會直接影響到礦用液壓支架的安全防護效果[1]。因此，為能夠進一步提升礦用液壓支架整體支護性能，本文將會以液壓支架掩護梁為研究對象，通過仿真模擬分析的方式確定當前掩護梁結構中存在的不足，進而合理提出優化措施，以期能夠為后續礦用液壓支架掩護梁設計提供理論參考。

1 礦用液壓支架工作原理

礦用液壓支架作為煤礦綜合機械化采煤工藝中的重要機械設備之一，承載著采煤工作面礦山壓力，其實際工作原理如圖1 所示。

圖1 礦用液壓支架工作原理圖

在礦用液壓支架上升過程中，高壓乳化液進入到立柱活塞腔中后帶動活塞和活塞桿運作，促使與活塞桿連接的頂梁上升；在礦用液壓支架下降時，高壓乳化液逐步進入到立柱活塞桿腔中，使得活塞腔內部壓力下降，帶動活塞和活塞桿下降，進而促使與活塞桿相連的頂梁逐步下降；在礦用液壓支架前移過程中，液壓支架會先下降，然后將高壓乳化液注入到千斤頂的活塞腔中，進而以輸送機為固定點，由千斤頂推動液壓支架前移；在輸送機移動過程中，高壓乳化液會注入到千斤頂的活塞腔中，進而由千斤頂推動輸送機向預期位置移動。

2 礦用液壓支架掩護梁仿真模型構建

2.1 模型構建流程

本研究將以ZFS3500 型液壓支架為例，通過ANSYS 軟件進行有限元模型仿真分析。通常情況下，ANSYS 有限元分析主要分為選擇單元、定義材料、構建模型、網格劃分、確定分析類型、施加邊界條件、求解、后處理等一系列流程。其中選擇單元和網格劃分將會直接影響到后續分析結果的精準性，因而在此將會對以上兩個流程進行針對性分析[2-3]。

第一，在選擇單元階段，選擇單元不當將可能會導致出現網格約束、網格劃分無法加載或者載荷無法加載等情況，進而對仿真分析造成影響。因此，在研究前需要對液壓支架材料的物理特性及尺寸裝配類型進行綜合分析，進而合理選擇單元。據此，在綜合分析后，研究中最終選擇SOLID45 和SHELL63 兩種體單元和殼單元進行網格劃分。

第二，網格劃分主要用于降低模型仿真分析中計算機的計算規模，避免模型整體分析所導致的硬件性能不足等問題。礦用液壓支架各部分網格劃分結果見圖2。

圖2 礦用液壓支架各部件網格劃分結果

2.2 掩護梁模型構建及網格優化

在ANSYS 軟件中，隨著網格劃分尺寸的不斷減小，其模型單元格數量不斷增加，最終求解的插值函數精度也將會持續提升，進而使得最終所獲取的求解值與真實值的差異越小。在研究中為保障網格劃分的有效性，將會通過3 次網格劃分。第一次網格劃分中將單元格大小設置為40 mm；在第一次網格劃分的基礎上開始第二次網格劃分，并將第二次網格劃分中的單元格大小設置為20 mm；最后，在第二次網格劃分的基礎上開始第三次網格劃分，并將第三次網格劃分中的單元格大小設置為15 mm。第三次網格劃分后獲取的仿真模型如圖3 所示，此次網格劃分結果將會作為后續優化模型。

圖3 第三次網格優化中的變形、應力圖

由圖3 可知，在15 mm 網格尺寸下的變形-應力圖的最大變形為0.002 172 8 mm，最大局部應力為434.56 MPa。由于掩護梁材料的局部最大屈服強度為580 MPa，大于變形-應力圖中的最大局部應力值，說明應力值未超過材料最大屈服強度，此網格劃分方案可在后續優化中進行應用。

3 礦用液壓支架掩護梁優化

3.1 掩護梁連接處優化

在上述模型構建及網格優化過程中，為方便模擬分析，適當舍去掩護梁側護板，但結合掩護梁變形-應力圖中可以發現，掩護梁最大受力區域處于掩護梁板面及鉸接區域。基于此特點，結合掩護梁在礦用液壓支架四連桿中的特殊性及其所承受的最大應力特征，以下將開展掩護梁連接處優化。具體研究中會將掩護梁鉸接處的連接銷軸厚度分別設定為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm，并分別獲取局部最大應力值，實際結果如表1 所示。

由表1 可知，隨著掩護梁鉸接處的連接銷軸厚度持續增加，其所承受的局部最大應力值也會隨之下降，但下降幅度卻會持續減弱，說明在掩護梁連接處優化時一味增加鉸接處的連接銷軸厚度的效果將會越來越不明顯。

表1 隨著掩護梁鉸接處的連接銷軸厚度增加，局部最大應力情況

3.2 掩護梁頂板優化

由圖3 可知，掩護梁頂板所承受的局部應力也會大于其他區域所承受的應力值，所以在研究中也需要對掩護梁頂板進行合理優化。結合某礦用液壓支架生產公司的實地調研結構，最終將優化中的假設掩護梁頂板厚度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，進而獲取到變形分析結果如表2 所示。

表2 隨著掩護梁頂板厚度增加，局部最大變形情況

由表2 可知，隨著掩護梁頂板厚度的持續增加，掩護梁局部最大變形值也會隨之增加，但增加較不明顯，說明掩護梁頂板厚度調整對掩護梁整體性能影響相對較小。

總體來說，由于礦用液壓支架掩護梁為非對稱箱型結構，所以通過改變局部特征并不能有效改變掩護梁整體應力及應變分布情況。因此，在進行掩護梁優化時，可以通過改變掩護梁孔軸尺寸、優化箱梁內部結構等方式來實現掩護梁優化效果。除此之外，還可以采用整體性能更加優秀的材料來增強掩護梁整體性能，進而達成降低掩護梁局部應力的效果，改善掩護梁整體性能。

4 應用效果評價

基于上文所提出的優化發展進行礦用液壓支架掩護梁改進，并將改進后礦用液壓支架應用于工程實際，開展連續6 個月的數據采集和綜合分析。根據測試結果來看，改進后的礦用液壓支架整體性能提升明顯，可以有效提高掩護梁整體性能，降低掩護梁所承受的局部應力，說明此優化方案較為有效。此外，在整體測試期間中，改進后的礦用液壓支架整體未出現較為顯著的故障問題，說明此改進方案可以在一定程度上保障礦用液壓支架的具體應用效果，不會對其他部件的正常運行造成影響。

5 結論

本文通過模型仿真分析的方式對礦用液壓支架進行分析研究，進而獲取以下研究結果。

1）隨著掩護梁鉸接處的連接銷軸厚度持續增加，其所承受的局部最大應力值也會隨之下降，但下降幅度卻會持續減弱，說明在掩護梁連接處優化時一味增加鉸接處的連接銷軸厚度的效果將會越來越不明顯。

2）隨著掩護梁頂板厚度的持續增加，掩護梁局部最大變形值也會隨之增加，但增加較不明顯，說明掩護梁頂板厚度調整對掩護梁整體性能影響相對較小。

針對以上分析結果，在對礦用液壓支架進行優化時，應通過改變掩護梁孔軸尺寸、優化箱梁內部結構等方式來實現，或者采用整體性能更加優秀的材料來達成掩護梁優化目標，進而綜合提升礦用液壓支架整體性能。