礦用液壓支架頂梁的有限元分析及改進研究

侯亮科

（潞安化工集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

引言

液壓支架作為綜采工作面的關鍵設備之一，其不僅會直接影響到安全生產落實成效，還會涉及生產企業的資金投入和經濟效益，是保障綜采工作面安全、高效生產的關鍵所在[1-2]。因此，為提高礦用液壓支架的安全性，降低支架使用成本，對其中重要部件之一的頂梁進行有限元分析，進而提出改進建議，此研究具有一定現實意義。

1 礦用液壓支架頂梁結構的特點

礦用液壓支架頂梁多采用箱型結構，一般由多塊鋼板焊接而成。為有效增強頂梁整體結構強度，會在頂梁上下蓋板之間設置加強筋板，并將加強筋板以棋盤型方式布設。頂梁前端多采用圓弧形或者滑橇式設計，此種設計的主要目的在于減少液壓支架移動過程中所產生的阻力。頂梁下方位置設置鑄鋼柱窩，兩者之間采用焊接連接，并且鑄鋼柱窩兩端分別連接頂梁和立柱。頂梁后端設置銷孔，可通過銷軸來實現頂梁與掩護梁之間的連接。

根據結構差異，可將現有礦用液壓支架頂梁分為開式頂梁和閉式頂梁兩種，具體情況如下：

1）開式頂梁：開式頂梁可有效降低液壓支架頂梁的整體質量，并增強頂梁使用中的抗彎強度，部分開式頂梁上部會加設略厚于側護板的鋼板，以此來進一步提高頂梁結構強度，強化側護板伸縮性能。

2）閉式頂梁：閉式頂梁的上下蓋板與加強筋板均采用封閉型設計，此種頂梁可以細化為立筋凸出型和立筋凹下型兩種，其中前者可有效增強頂梁整體焊接強度；后者雖然焊接強度略弱，但可以保障頂梁焊接后的平整性。

2 頂梁帶焊縫模型構建

2.1 模型構建

在模型構建過程中，為減少模型計算數量，節約計算資源，將礦用液壓支架頂梁實體上安裝孔、凸臺、倒角等對結構性能影響相對較小的部位進行有效簡化。實際研究中將會以ZY8650型掩護梁液壓支架頂梁為研究對象，通過Pro/E三維建模軟件，根據頂梁的特點、尺寸及其他參數進行頂梁模型構建，而對于模型中加強筋板等具有相同結構特征的結構，則會采用陣列快速生成方式進行模型構建。在完成模型構建后將所構建的模型導入ANSYS Workbench程序，所構建出的模型如圖1所示。

圖1 頂梁帶焊縫模型

2.2 模型接觸處理

在模型導入ANSYS Workbench程序中后，程序會自動化探測模型的接觸關系，其中模型接觸區域將會被確定為面面關系，此默認關系可以通過ANSYS Workbench程序中的Option對話框進行合理更改，但一般情況下，程序默認關系已經基本可以滿足各類模型接觸關系設置需求。但程序中附加的接觸關系則會拓寬模型中可以模擬的接觸類型，進而對后續模型有限元分析結果造成影響。對此，在模型接觸處理過程中還需要引入高級設定，在綜合廣義拉格朗日法、罰函數法、多點約束法、拉格朗日法等高級接觸設定模擬方法的實際特點后，最終選擇罰函數法作為研究高級接觸設定模擬方法，其原因在于罰函數法在應用中不會增加程序求解規模，更有利于降低計算機運行壓力。在完成各類參數設定后，將導入程序中的模型進行接觸處理。

2.3 網格劃分

構建頂梁三維幾何模型后，若是直接將模型用于實際模型有限元計算分析，將會導致整體計算規模較大，增加計算機運行壓力。因此，為降低計算規模，需要采用一定單位對模型進行網格劃分，具體網格劃分結果如圖2所示。

圖2 頂梁網格劃分

3 頂梁受力結果的討論與分析

為對比帶焊縫和不帶焊縫對頂梁應力所造成的影響，研究中將會在ANSYS Workbench程序中導入頂梁不帶焊縫模型進行對比試驗，如圖3所示，并且所導入的不帶焊縫模型的各種約束條件均與帶焊縫模型基本一致。

圖3 頂梁結構應力云圖對比

通過有限元計算分析后，分別獲取到不帶焊縫頂梁結構應力和帶焊縫頂梁結構應力為499.7 MPa和878.5 MPa；最大應力部位為頂梁后端墊塊上和頂梁頂板角焊縫處；不帶焊縫和帶焊縫頂梁結構最大位移量為3.15 mm和3.82 mm。由此可見，相對于不帶焊縫頂梁結構來說，帶焊縫頂梁結構無論是結構應力，還是最大位移量均相對較大，并且最大應力部位處于頂梁頂板角焊縫位置，所以必須要考慮焊縫對礦用液壓支架整體性能所造成的影響，以此來避免因計算考慮不周所帶來的安全性問題。

4 礦用液壓支架頂梁改進與實踐應用

4.1 結構改進研究

基于上述研究結果可知，在礦用液壓支架設計中必須要對頂梁焊縫進行綜合考慮。對此，可以采用以下幾種方法來改善礦用液壓支架頂梁結構設計：

1）適當加強頂梁局部方法，其他部位尺寸減小，尤其是針對頂梁墊塊到前端區域之間的焊縫尺寸更需要適當減小，以此來有效降低頂梁高應力區域，提高低應力區域，平衡整體應力水平。

2）將頂梁上的四條主筋加強耳板的長度進一步加長，促使加長后的耳板可以超過頂梁后端墊塊位置。同時，將頂梁外側加強條進一步加強，促使此加強條的長度也超過頂梁后端和前端的墊塊，如此可以有效減小頂梁焊縫所承受的應力及結構整體最大應力。

3）根據頂梁實際結構及特點適當加厚墊塊處橫隔板。

在提出改進措施后，根據改進措施再次構建仿真模型，開展模型有限元分析，并提取仿真結果，最終確定改進后礦用液壓支架頂梁最大應力點從原本的頂梁頂板角焊縫處轉移到頂梁后端墊塊上，實際頂梁結構應力為568.7 MPa，最大位移量為3.43 mm，相對于改進前頂梁結構應力的878.5 MPa和最大位移量3.82 mm來說，其改進效果較為顯著。同時，在后續測試后確定，改進后的頂梁結構應力可以基本滿足礦用液壓支架的使用質量要求，確定此改進方案較為有效合理，可在后續礦用液壓支架設計中進行合理采用。

4.2 應用效果評價

基于改進后的礦用液壓支架設計方案應用到工程實踐，并開展連續6個月的測試與數據采集。根據測試結果來看，改進后的礦用液壓支架整體性能相對優秀，并且不存在原有設計中頂梁應力分布不均等問題，說明此改進方案較為有效。同時，在整體測試期間，改進后的礦用液壓支架整體結構均沒有出現較為顯著的故障情況，說明此改進方案質量也可以得到一定保證。最后，將改進后方案的應用數據與改進前的應用數據進行匹配對比，最終發現改進后液壓支架的使用壽命也得到進一步提升，整體提升幅度約為15%。綜合多方面測試結果來看，采用改進后的礦用液壓支架，不僅可以有效保障生產現場的安全性，保障生產人員人身安全，降低生產企業經濟損失，還可以減少企業對于液壓支架的維護成本和更換頻率，進一步減少生產成本，綜合提高生產企業經濟效益。