基于ANSYS Workbench的四柱支撐掩護式液壓支架頂梁分析與優化

楊洪濤　崔文寶　陳邦晟　江磊

【摘 要】文章以四柱支撐掩護式液壓支架ZZ7200/22/45為研究對象，分析了支架的承載結構件和工作原理，研究了基于有限元分析的支架頂梁在頂梁兩端集中加載、頂梁扭轉、頂梁偏載3種較危險工況下應力分布和變形量云圖，進而找出了頂梁結構發生破壞的位置，并對頂梁結構提出了優化措施。優化結果表明，在將主肋板厚度增加10mm后，達到了頂梁結構的強度要求，提高了頂梁的剛度。為后續正確合理地設計液壓支架頂梁結構提供了理論支持。

【關鍵詞】支撐掩護式;有限元分析;應力分布;支架頂梁;主肋板;剛度

中圖分類號： TD355.4文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）01-0152-002

0 引言

液壓支架是綜采工作面的關鍵支護裝備，是煤礦能否實現高產高效的保證。煤礦井下地質條件復雜、工作面長度加大以及煤壁片幫加劇，這些因素都導致液壓支架工作受載明顯、工作環境越發惡劣[1]。而頂梁又是液壓支架的重要部件，承擔著接受頂板巖石載荷，重復支撐頂板的作用，為工作面提供足夠的安全環境[2]。因此液壓支架頂梁的承載狀況對于綜采工作面的安全起著至關重要的作用。

1 液壓支架承載結構件與工作原理

ZZ7200/22/45四柱支撐掩護式液壓支架承載結構件主要由頂梁、掩護梁、連桿、底座等部分組成，其中頂梁與頂板接觸，承接來自頂板巖石和煤的壓力;掩護梁的主要作用是防止破碎頂板巖石掉入支撐工作面，為工作人員提供安全空間。連桿與掩護梁、底座組成四連桿結構，控制支架的運動;底座與地板接觸，通過頂梁將頂板的壓力、載荷傳遞給地板。而立柱是液壓支架最重要的部分，給頂梁提供足夠的支撐力，決定了支架的支撐高度與工作阻力。在液壓支架的組件支持下，液壓支架主要靠初撐、增阻承載、恒阻承載、拉架、推溜等幾個動作交替進行作業，實現機械化過程[6]。頂梁、掩護梁和平衡缸形成穩定的三角形結構，借助連桿使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙扭線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間的距離變化大大減小，提高對頂板支護的可靠性。而頂梁又是組成液壓支架的重要部件，主要作用是承接頂板巖石的載荷，反復支撐頂板，為工作面提供足夠的安全環境。因此頂梁結構的受力情況、穩定性和安全性至關重要，其對于綜采工作面的安全起著至關重要的作用。

2 頂梁有限元分析

2.1 模型簡化

頂梁是通過將頂板、蓋板、柱窩等部件拼焊而成，在支護的過程中直接與頂板接觸，承接來自頂板巖石和煤的壓力，對液壓支架的整體穩定性起著至關重要的作用。本文所選取的四柱式液壓支架頂梁部分長4523mm、寬1607mm、主要承力部分厚度為453mm，承載能力為200t。頂梁三維模型中包含大量倒角、圓孔、焊接坡口等結構特征，在進行有限元分析時，分析效率會受到這些結構特征的影響導致效率降低，所以需要對頂梁模型進行簡化。

2.2 添加約束與載荷

在工作面開采的過程中，頂梁不僅受到來自立柱的支撐載荷，也承受來自工作面圍巖的壓力載荷。在對支架進行試驗時，通過加不同墊塊來反映支架受圍巖作用力的不同工況。但是若把墊塊施加的載荷當做外力來處理，該狀況屬于超靜定系統，那么無法用力的平衡方程求出墊塊對支架的作用力;因此不把墊塊的作用力當作外力來考慮，而是把墊塊的作用當作邊界條件來處理[7]。頂梁的一側為接觸面，墊塊的一側為目標面，同時約束墊塊下表面的Y方向自由度并將墊塊的上表面進行全約束。

2.3 結果分析

（1）頂梁兩端集中加載

液壓支架在頂梁兩端集中加載的應力云圖和變形量結果如圖4所示，此工況中，長墊塊置于頂梁兩端。由圖4可以看出，在頂梁兩端施加集中載荷時，應力主要集中在頂梁兩端靠近墊塊處，其最大應力值為349.50MPa，沒有達到材料的屈服極限，其他部位應力值也不大。頂梁的變形量最大為2.36mm，主要集中在頂梁的中部，向頂梁兩側逐漸遞減，而其他部件的變形很小，頂梁沿支架縱向的整體變形呈弓形。

（2）頂梁扭轉加載

對液壓支架頂梁施加扭轉載荷的應力和變形量云圖如圖5所示。由圖5可以看出，應力最大值為576.54MPa，主要集中在方墊塊與主肋板處，超過了材料的屈服極限460MPa，因此此處為薄弱環節，可以適當增加主肋板的厚度進行改善。其他部位受力均勻，沒有出現大的應力集中現象。頂梁的中部偏離方形墊塊的一側位移最大，為3.68mm，且頂梁從方墊塊另一側頂梁側板處開始變形，向頂梁兩端和墊塊一側變形逐漸減小。此時，頂梁中部一側翹起變形。

在頂梁扭轉加載工況下，原來的材料并不能滿足頂梁的強度要求，在主肋板處最大應力值達到576.54MPa，已經超出了材料的屈服強度極限。目前采用的措施是將主肋板厚度增加10mm對其結構進行優化， 在增加頂梁主肋板的厚度后，應力分布云圖形狀基本保持不變，但最大應力值降為384.36MPa，沒有達到材料的屈服強度極限，從而滿足強度要求。且最大位移量也降為2.45mm，減小了頂梁的變形，提高了頂梁的剛度。

（3）頂梁偏心加載

應力分布主要集中在頂梁中蓋板附近，靠近頂梁端頭處應力最大，其值為233.40MPa。沒有達到材料的屈服強度極限，其他部位應力不大。液壓支架頂梁的總體變形量不大，最大變形發生在在一側銷孔處，為1.00mm，且頂梁向另一側位移在逐漸減小。此時頂梁沿支架對角線翹起變形。

3 結論

本文分析了液壓支架的承載結構件和工作原理，研究了基于有限元分析的支架頂梁在頂梁兩端集中加載、頂梁扭轉、頂梁偏載3種較危險工況下應力分布和變形量云圖，進而找出了頂梁結構發生破壞的位置，并對頂梁結構提出了優化措施。，可以得到以下結論：

（1）在頂梁兩端受載時，應力主要集中在頂梁兩端靠近墊塊處，但沒有達到材料的屈服極限。頂梁中部相較于兩端有較大變形。

（2）在頂梁扭轉加載時，頂梁的主肋板處出現了應力集中現象，處于危險狀態，而在將主肋板的厚度增加10mm后，最大應力由原來的576.54MPa降低到384.36MPa，減小了應力集中影響，滿足了材料強度要求。變形量也有原來的3.68mm降低到2.45mm，提高了頂梁的剛度。

（3）在頂梁偏心加載時，頂梁較兩端受載和扭轉工況的應力和變形均小，此時頂梁中蓋板附近有較大變形，柱窩、鉸接及肋板處均安全。

【參考文獻】

[1]邵明遠，李炳文，種法洋.基于Pro/E及ANSYS Workbench的液壓支架頂梁的靜力與疲勞分析[J].煤礦機械，2014，35（10）：226-228.

[2]董營，周毅鈞，郁向紅.基于ANSYS Workbench放頂煤液壓支架頂梁有限元分析[J].煤礦機械，2013，34（2）：99-100.