基于ABAQUS 的礦用液壓支架掩護梁結構強度分析

任海燕

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司， 山西 大同 037036）

引言

礦用液壓支架是井下工作面中的重要支撐結構，保證其具有較好的結構性能及穩定性，對提高煤礦的開采效率至關重要[1]。由于井下環境的惡劣性，經常會有煤石掉落、液壓支架頂梁受到較大扭轉載荷或偏心載荷等情況，導致液壓支架中的掩護梁部件，經常出現結構變形或局部開裂等失效現象，嚴重影響著液壓支架的正常作業及井下作業安全。加大對掩護梁進行結構性能研究成為當前企業重點研究方向[2]。

1 液壓支架結構特點

礦用液壓支架主要的結構類型包括支撐式、掩護式、支撐掩護式等形式，但其結構組成基本相同，主要由頂梁、尾梁、掩護梁、立柱、底座等部件組成。根據實際工程情況，可將液壓支架分為了四連桿液壓支架、垛式液壓支架、單擺桿型液壓支架等形式[3]。

掩護梁是液壓支架的關鍵部件，當工作面中有煤巖石出現掉落現象時，掩護梁可通過自身較好的結構強度對液壓支架進行整體保護，同時，可有效防止工作面中頂板出現水平滑移問題，提高頂梁對頂板的支撐性能[4]。

2 掩護梁模型建立

2.1 掩護梁三維模型建立

以ZY12000 型液壓支架掩護梁為分析對象，采用Solidworks 軟件，按照1∶1 的模型比例，對掩護梁結構進行了三維模型建立，所建模型中主要包括了掩護梁的頂板、底板、頂梁鉸接耳、尾梁鉸接耳等部件[5]。為提高后文對掩護梁的結構分析精度，保證所分析結構與實際工況更加吻合，僅對掩護梁中頂板、鉸接耳、尾梁鉸接耳等關鍵部位進行了三維模型建立，而對圓角、倒角、過渡圓弧等特征進行了模型省略簡化，由此，完成了掩護梁的三維模型建立，如圖1 所示。

2.2 掩護梁仿真模型建立

在完成液壓支架及掩護梁的三維模型建立之后，將其導入至ABAQUS 軟件中，對其進行仿真模型建立。在軟件中，首先將掩護梁的材料屬性設置為Q345 材料，使其與實際使用工況更加吻合，其材料的關鍵參數如表1 所示。同時，對頂梁與掩護梁之間進行了鉸接約束、與尾梁之前也進行了鉸接約束。邊界條件為液壓支架底座為固定。另外，根據ZY12000型液壓支架掩護梁的結構特點及尺寸，采用了六面體實體網格單元，對其進行了網格劃分，網格大小設置10 mm，掩護梁的鉸接耳處進行了局部網格加密處理[6]。由此，完成了掩護梁的仿真模型建立。

3 掩護梁不同工況下的結構強度分析

掩護梁的實際作業工況相對復雜，為掌握不同工況對其結構的影響規律，開展了掩護梁在偏心載荷及扭轉載荷下的結構強度變化分析。

3.1 偏心載荷工況下結構強度變化

圖1 液壓支架及掩護梁的三維模型圖

表1 Q345 材料關鍵參數

掩護梁的偏心載荷工況主要是在頂梁的左或右側施加8 000 kN 的外界載荷，使掩護梁在作用力傳遞后承受一定的偏心載荷。圖2 為掩護梁的應力變化圖，由圖可知，掩護梁整體結構上的應力分布不均勻，結構的最大應力為521.642 MPa，局部區域應力已超過材料的屈服強度345 MPa，最大主要集中在掩護梁中部鉸接耳及尾部中間區域，中部鉸接耳四周及尾部的左右兩側也出現了不同程度的應力集中現象。分析其原因為：在頂梁受到偏心載荷工況時，作用力傳遞至掩護梁上，并首先通過中部鉸接耳將作用力傳遞至四連桿立柱上，使得此處成為應力集中區域；同時，作用力傳遞至尾部時，通過鉸接銷軸及孔結構，將作用力傳遞至尾梁上，也使得尾部中部出現了較大的應力。由此可知，掩護梁的中部鉸接耳及尾部中間是整個結構的薄弱部分，在后期使用時極容易率先發生結構失效現象，需重點進行結構優化改進。

3.2 扭轉載荷下結構強度變化

掩護梁的扭轉載荷工況主要是在頂梁頂部中心施加5 000 kN 的外界載荷。圖3 為掩護梁的應力變化圖，由圖可知，掩護梁整體結構上的應力分布不均勻，最大應力發生在掩護梁中部鉸接耳處，其最大應力為543.137 MPa，已超過材料的屈服強度345 MPa，掩護梁的其他區域應力值相對較小；另外，掩護梁前端與頂梁連接的鉸接耳處應力值也相對較高。分析其原因為：頂梁受到的扭轉載荷后，將作用力傳遞至掩護梁上，首先通過中部鉸接耳結構傳遞至立柱上，使得此處成為最大的應力集中部位。為此，在此工況下，掩護梁的中部鉸接耳處是整個結構的薄弱部位，需對其進行優化改進。

圖2 掩護梁在偏心載荷下應力變化圖

圖3 掩護梁在扭轉載荷下應力變化圖

4 掩護梁結構改進措施

結合前文的仿真分析可知，掩護梁在偏心受載及扭轉載荷下，其中部鉸接耳及尾部中間是整個結構的薄弱部位，在其長時間的超負荷作用下，極容易率先發生結構失效現象。為此，提出了幾點掩護梁優化改進的措施，具體如下：

1）增加中部鉸接耳的外形尺寸及中部鉸接孔尺寸，使得與之相連的鉸接軸具有更高結構強度；

2）增加鉸接耳與底板之間的焊接強度，并在左右兩側增加一定尺寸的加強筋結構，使得鉸接耳處具有更好的結構強度；

3）增加尾部中間的鋼板厚度1 mm，并在內部增加一定的加強筋，提升掩護梁尾部的承力情況及結構強度；

4）對掩護梁上非關鍵的受力部位，如前端左右底板、中后方底板等區域適當減輕加強筋，減小掩護梁重量；

5）在掩護梁上的應力集中區域附近開設孔徑為2 mm 小孔，使得集中應力能轉移至此處，降低結構的應力集中現象；

6）由于掩護梁會長時間地按照一定角度進行傾斜工作，可在掩護梁前端增加橫隔板及左右斜筋板，以提高掩護梁強度的受力強度，如圖4 所示。

圖4 添加橫隔板及斜筋板后掩護梁示意圖

5 結論

1）提升掩護梁的結構強度，掌握其結構在不同工況條件下的薄弱部位，是保證掩護梁安全穩定左右的關鍵。掩護梁結構性能的提升，不僅能減小液壓支架因此部分出現的故障失效而進行停機維修，也可提高液壓支架整體的結構強度及對下部零件的有效保護。

2）掩護梁中部鉸接耳及尾部中間是整個結構的薄弱部位，由此提出了掩護梁的結構優化措施，則對下一步具體實施掩護梁的結構性能優化改進及生產加工起到重要指導作用。