基于有限元計算方法對液壓支架掩護(hù)梁優(yōu)化設(shè)計研究

邊志雄

（霍州煤電集團(tuán)洪洞億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司 ，山西 洪洞 041699）

0 引 言

在當(dāng)前，對煤炭開采的標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)節(jié)要求不斷提高，對于井下的安全性能、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟收益要求也在不斷提高，在這樣的趨勢下，支護(hù)問題成為了一個越來越受到關(guān)注的問題，也成為了開采工作的一個核心性問題，在這個過程中，液壓支架掩護(hù)梁毫無疑問扮演者重要的角色。支架支護(hù)是否安全、可靠，也與掩護(hù)梁有著密不可分的聯(lián)系，ZY6400型液壓支架結(jié)構(gòu)性能好壞對于支護(hù)可靠性有著極大的影響，又特別是掩護(hù)梁常因載荷遭受損傷，因此如何對煤礦井下ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其工作穩(wěn)定和可靠性，成為煤礦企業(yè)迫切需要解決的核心關(guān)鍵問題[1]。論文利用有限元分析方法對ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行優(yōu)化研究，以期優(yōu)化后的掩護(hù)梁滿足礦井需求，確保礦井安全開采。

1 有限元計算方法

有限元計算時，發(fā)現(xiàn)變量和約束過多是掩護(hù)梁的典型特征，掩護(hù)梁在工作時不是孤立的，它和連桿、千斤頂以及頂梁都有著密切的聯(lián)系，所以系統(tǒng)整體上看比較復(fù)雜，想要實現(xiàn)真正的優(yōu)化依然是一件比較困難的事，而且采用原始的分析方法無法準(zhǔn)確的分析和優(yōu)化液壓支架掩護(hù)[2,3]。對于這種情況，采取什么樣的計算方法就成為了重中之重，論文借鑒許多研究者采用的有限元數(shù)值分析方法來對液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行計算，通過眾多例子和實踐證明，有限元計算方法確實是一種有效的計算方式，具有良好的分析效果，具備控制變量條件、計算效率高以及最終結(jié)果真實靠譜等優(yōu)點。通過模型方式能夠直觀的查看、分析、判斷，了解其應(yīng)力的分布狀況與規(guī)律，預(yù)測風(fēng)險、規(guī)避風(fēng)險，及時找出其中的相應(yīng)隱患[4]，提前做好改進(jìn)準(zhǔn)備，這樣可以讓機構(gòu)改進(jìn)更具有科學(xué)性和說服力。

整個優(yōu)化過程分為三個主要步驟：

1）在SolidWorks中建起完善液壓支架掩護(hù)梁三維模型，設(shè)置相應(yīng)的變量和不變量，通過確定的分析，結(jié)合有關(guān)力學(xué)的原理對掩護(hù)梁應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析，最終得出應(yīng)力分布結(jié)果[5]。

2）將 SolidWorks中建立的三維模型導(dǎo)入到Simulation中，對其進(jìn)行模塊優(yōu)化，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和邊界條件，其中總載荷被設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)實際要求給出相應(yīng)的變化范圍，運用有關(guān)程序進(jìn)行細(xì)致計算，逐層推進(jìn)，最終找出問題的關(guān)鍵點[6]。

3）加強對有關(guān)變量的分析，根據(jù)實際的研究和需求，建立疲勞壽命關(guān)系式，通過仿真模擬研究，確定液壓支架掩護(hù)梁的壽命極限，通過改善掩護(hù)梁缺陷，來達(dá)到增強疲勞壽命，減小應(yīng)力集中，確定最優(yōu)改進(jìn)方案。

2 液壓支架掩護(hù)梁優(yōu)化

2.1 掩護(hù)梁應(yīng)力分析

為了全面了解液壓支架受力狀況，重點研究了ZY6400型液壓支架的相應(yīng)組成部分，發(fā)現(xiàn)在工作過程中受壓力最大的是掩護(hù)梁，其所處的環(huán)境和情況也相對較差，所以在對機構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化的時候，對掩護(hù)梁的優(yōu)化和作用提升就成為了一項非常重要的工作，在研究掩護(hù)梁上選取了兩個探測點（如圖1所示），模擬液壓支架在受到載荷作用的整個過程液壓支架受力分布情況。

圖1 ZY6400型液壓支架受力分布情況

從有限元模擬看出，ZY6400型液壓支架前端耳板附近的損壞是掩護(hù)梁被破壞的重要表現(xiàn)，掩護(hù)梁腹板是應(yīng)力集中區(qū)。所以為了優(yōu)化液壓支架掩護(hù)梁受力，避免應(yīng)力集中，確保發(fā)揮其優(yōu)良性能，根據(jù)掩護(hù)梁的應(yīng)力規(guī)律，在掩護(hù)梁和豎筋板之間應(yīng)該放幾塊斜筋板，從而確定最佳的力學(xué)性能，不斷改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)，使其強度和穩(wěn)定性都能達(dá)到明顯提高，

根據(jù)實際應(yīng)用反饋，ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁損壞常常發(fā)生在掩護(hù)梁前端耳板周圍，為了改善耳板周圍受力，優(yōu)化掩護(hù)梁力學(xué)性能，采用有限元計算分析得出，可以采取以下措施來提高掩護(hù)梁的力學(xué)性能：掩護(hù)梁采用不同結(jié)構(gòu)組成，并且在掩護(hù)梁腹板上增設(shè)鋼板；在支架頂梁連接的結(jié)構(gòu)處分別增設(shè)兩條斜筋，目的是來分解支架頂梁所受的載荷，另外該斜筋還具有穩(wěn)定性的功能；同時在掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)上增設(shè)橫板和斜筋板復(fù)合體。根據(jù)有限元計算要求，對改進(jìn)的支架掩護(hù)梁、強度改善的模型進(jìn)行了簡化，ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁改進(jìn)后建立的模型如圖2所示。

ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁所用材料性質(zhì)在有限元軟件中的設(shè)定如表1所示。

圖2 ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁改進(jìn)后建立的模型

表1 ZY6400型液壓支架參數(shù)設(shè)置

為了研究改進(jìn)后的掩護(hù)梁力學(xué)性能，采用有限元計算方法對ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行了仿真模擬，其模擬結(jié)果詳見圖3所示。根據(jù)有限元計算得出，液壓支架掩護(hù)梁上的探測點1最大應(yīng)力為399MPa，探測點2最大應(yīng)力為414MPa，兩個探測點應(yīng)力均小于460MPa，小于掩護(hù)梁材質(zhì)屈服強度，無論板厚如何，其各種組合都比極限的強度要小，整體上來看，應(yīng)力均在可承受范圍內(nèi)。說明優(yōu)化選用材質(zhì)滿足要求，各個組合結(jié)構(gòu)均小于材質(zhì)屈服強度極限，增設(shè)結(jié)構(gòu)合理。

圖3 ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)力有限元計算結(jié)果

2.2 掩護(hù)梁疲勞壽命分析

在可靠性能和優(yōu)化的研究中，對于疲勞壽命的考察是比較常見的，也是最有效的研究之一，ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁與頂梁、前后連桿共同組成了一個四連桿機構(gòu)，根據(jù)有限元計算發(fā)現(xiàn)，在支護(hù)過程中，其受到的最大接觸應(yīng)力是連接銷和掩護(hù)梁，為了優(yōu)化連接銷點的接觸應(yīng)力，在掩護(hù)梁銷連接處提高厚度，同時在設(shè)計過程中選用高強度的材質(zhì)制作掩護(hù)梁和連接銷，優(yōu)化改進(jìn)后的ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁運用有限元進(jìn)行模擬分析。ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁疲勞壽命有限元分析結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示銷連接處接觸應(yīng)力有明顯降低趨勢，且整個掩護(hù)梁受力分布較改進(jìn)前均勻。

圖4 支架掩護(hù)梁疲勞壽命有限元計算結(jié)果

3 綜合分析

本次研究主要運用有限元的分析法，在模擬過程中對ZY6400型的液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行了可靠性的優(yōu)化設(shè)計，為了進(jìn)一步提升液壓支架掩護(hù)梁的使用效率和使用性能，研究采用三維建模，同時根據(jù)掩護(hù)梁的實際要求采用了有限元分析與計算，通過實際研究和具體過程的模擬，可以清楚了解結(jié)構(gòu)在掩護(hù)梁中被破壞的部分，同時根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律和容易遭受損傷的結(jié)果，針對性地給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，極大地提高了ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁的可靠性。

優(yōu)化后的ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁在礦井10-101工作面進(jìn)行了工業(yè)性實踐，為了觀測、驗證該支架掩護(hù)梁支護(hù)效果，在10-101工作面進(jìn)行了礦壓觀測，礦壓觀測表明，優(yōu)化后的ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁得到了明顯改善，改進(jìn)的掩護(hù)梁支護(hù)強度高，安全性好，有利于維護(hù)工作面穩(wěn)定。10-101綜采工作面從2018年10月起開始上了優(yōu)化后的ZY6400型液壓支架，截止2019年4月，至今在礦井下作業(yè)已有7個月，改進(jìn)后的ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁有效保護(hù)了綜采設(shè)備和人員安全。既保證了礦井作業(yè)人員的人身安全，又滿足工作面頂板支護(hù)需求，這對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義！

4 結(jié) 論

為了提高ZY6400型液壓支架支護(hù)強度，保護(hù)綜采工作面安全生產(chǎn)，論文采用有限元分析計算方法對支架掩護(hù)梁受力分布規(guī)律和疲勞壽命進(jìn)行了模擬研究，并提出了優(yōu)化措施。改進(jìn)后的液壓支架掩護(hù)梁支護(hù)強度高，安全性好。

1）在SolidWorks軟件建立液壓支架掩護(hù)梁三維模型，設(shè)置邊界條件和初始參數(shù)，結(jié)合Simulation軟件綜合分析掩護(hù)梁應(yīng)力狀況，找出掩護(hù)梁存在的不足，進(jìn)而提出優(yōu)化措施。

2）利用有限元計算方法對ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)力和疲勞壽命進(jìn)行了模擬分析，分析了應(yīng)力分布規(guī)律，根據(jù)模擬結(jié)果提出了對ZY6400型液壓支架掩護(hù)梁優(yōu)化方案。

3）ZY6400型液壓支架在使用過程中礦壓觀測表明，優(yōu)化后的掩護(hù)梁支護(hù)強度高，在試驗的7個月期間為發(fā)生頂梁斷裂、掩護(hù)梁損傷的情況，掩護(hù)梁優(yōu)化效果理想。