液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 磊

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著我國對煤炭開采要求的不斷提高，大力發(fā)展高效、安全、經(jīng)濟(jì)的煤礦井下綜采設(shè)備已經(jīng)成為煤炭開采的趨勢，在煤炭開采的過程中綜采面的支護(hù)問題是影響煤炭開采效率和工作安全的核心，掩護(hù)梁作為液壓支架的重要組成部分，其工作的可靠性與穩(wěn)定性關(guān)系著液壓支架能否可靠的進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，但目前液壓支架的掩護(hù)梁普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、故障率高的難題，極大地限制了液壓支架工作的可靠性，因此如何對煤礦井下液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其工作可靠性，成為煤炭生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的核心關(guān)鍵問題[1]。

1 液壓支架的工作原理

液壓支架主要利用立柱頂起頂板，從而起到支撐掩護(hù)和隔離作用，避免矸石脫落導(dǎo)致出現(xiàn)生產(chǎn)事故，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，當(dāng)液壓支架進(jìn)行頂升作業(yè)時，高壓油通過油管進(jìn)入到立柱的執(zhí)行油缸內(nèi)，從而推動頂梁上升到預(yù)定位置，執(zhí)行支撐掩護(hù)作用，當(dāng)液壓支架需要調(diào)整、下降高度時，液壓油開始通過回路從液壓支架立柱的執(zhí)行油缸流出，使千斤頂逐漸回收，從而控制支架的緩慢下降，當(dāng)液壓支架進(jìn)行前推作業(yè)時，首先需要把液壓支架的降柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載，隨后液壓系統(tǒng)的高壓油液經(jīng)油管開始進(jìn)入到遷移油缸的有桿腔，無桿腔開始回油，從而使液壓支架下端的千斤頂向著驅(qū)動滾筒的方向移動，然后再把液壓支架向著前移的方向進(jìn)行拉拽。

當(dāng)輸送機(jī)進(jìn)行前移的時候，需要控制液壓泵站，將高壓油液輸送到千斤頂裝置的無桿腔上，同時控制千斤頂有桿腔進(jìn)行回油，使千斤頂?shù)幕钊麠U伸出，逐漸將輸送機(jī)系統(tǒng)向著預(yù)定的方向進(jìn)行推移。

液壓支架的掩護(hù)梁是用于防止液壓支架在工作時采空區(qū)的石塊脫落的，保護(hù)液壓支架在整個工作的過程中不會受到煤矸石的沖擊，確保液壓支架各零部件的安全性，作為液壓支架的重要組成部分，因其頻繁受到落石的沖擊，因此需要掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的剛度和足夠的強(qiáng)度，從而確保其工作的可靠性和使用壽命。

2 液壓支架掩護(hù)梁三維模型的建立

為了便于對液壓支架掩護(hù)梁工作時的受力進(jìn)行仿真分析，我們首先利用Creo三維建模軟件對液壓支架掩護(hù)梁的整體進(jìn)行三維建模，為了確保仿真分析的準(zhǔn)確性，同時確保建模的方便性，在建立三維模型時，我們需要遵循以下幾個方面對液壓支架掩護(hù)梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕痆2]。

1）液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)采用分別建模，整體裝配方案，避免用獨立實體，確保仿真分析時應(yīng)力分布的真實性。

2）簡化時需要確保連桿機(jī)構(gòu)的完整性和結(jié)構(gòu)構(gòu)建的真實性。

3）在對掩護(hù)梁進(jìn)行建模時，需要盡量確保其結(jié)構(gòu)的完整性，尺寸需要與實際尺寸相符合。

根據(jù)以上原則，對掩護(hù)梁進(jìn)行三維建模，三維模型結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

為了對掩護(hù)梁的受力情況進(jìn)行分析，我們首先根據(jù)液壓支架在工作時的整體受力關(guān)系，導(dǎo)出頂梁和分離結(jié)構(gòu)的受力關(guān)系，最終得出掩護(hù)梁的受力關(guān)系[3]，如圖3所示：

圖2 液壓支架掩護(hù)梁三維模型示意圖

圖3 掩護(hù)梁分離體受力分析示意圖

分析可知:

式中：Fx、Fy分別為頂梁和掩護(hù)鏈銷接點處受力在x軸和y軸上的分力。

根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系模型，同時將三維模型導(dǎo)入到ANSYS仿真軟件中，在劃分網(wǎng)格時為了確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們根據(jù)該仿真軟件的實際應(yīng)用經(jīng)驗，同時結(jié)合液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)和尺寸，選擇網(wǎng)格的大小為15 mm，完成網(wǎng)格劃分后，該掩護(hù)梁主要包括446 782個節(jié)點，248 112個單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 掩護(hù)梁的網(wǎng)格劃分

3 掩護(hù)梁仿真分析

利用ANSYS仿真分析軟件對劃分好網(wǎng)格的掩護(hù)梁進(jìn)行仿真分析[4]，其結(jié)果如圖5、圖6所示。

由仿真分析結(jié)果可知，液壓支架掩護(hù)梁在受力情況下其最大局部應(yīng)力約為432.45 MPa，最大應(yīng)變量約為0.002 162 4 mm。

圖5 掩護(hù)梁的應(yīng)變分布圖

圖6 掩護(hù)梁的應(yīng)力（MPa）分布圖

通過仿真分析結(jié)果，同時結(jié)合掩護(hù)梁分離體的受力分析可知，在液壓支架工作時，掩護(hù)梁與頂梁、后連桿及前連桿所組成的四連桿機(jī)構(gòu)，其最大接觸應(yīng)力會出現(xiàn)在連接銷鏈的銷接點和掩護(hù)梁的板面位置，根據(jù)我們在礦上調(diào)研的實際情況，也確定了仿真分析的正確性，如圖7所示。

圖7 掩護(hù)梁銷接位置失效圖

通過分析，我們可以通過對掩護(hù)梁上銷鏈連接位置銷接處的厚度來加強(qiáng)該處的結(jié)構(gòu)，同時對其工作時所承受的最大應(yīng)力情況進(jìn)行優(yōu)化，在掩護(hù)梁的設(shè)計中，我們也可以通過使用高強(qiáng)度的材料來對其進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

在對液壓支架掩護(hù)梁作用、要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，為了進(jìn)一步提升液壓支架掩護(hù)梁在工作過程中的可靠性和安全性，利用Creo三維建模軟件對掩護(hù)梁進(jìn)行了三維建模，同時結(jié)合掩護(hù)梁的實際結(jié)構(gòu)和使用經(jīng)驗對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后利用ANSYS仿真分析軟件對其進(jìn)行仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果，識別出了掩護(hù)梁工作時已損壞的結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)分析結(jié)果，針對性地給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，極大地提高了液壓支架掩護(hù)梁的工作可靠性，提升了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能增加和經(jīng)濟(jì)效益，具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。