關于ZP4000型液壓支架頂梁在不同工況下的強度分析

王 艷

（晉能控股裝備制造集團，山西 大同 037010）

引言

我國化石能源儲量相對比較豐富，現在已探明的煤炭資源儲量約為60 000億t，但與此同時我國的消耗總量也比較大。消耗的一次性能源中，煤炭所占比例最大在60%左右，因此需要有效保障煤炭的產量。液壓支架主要對煤礦巷道進行支護，有效保障采煤機等設備的正常運行與安全。

液壓支架常與采煤機、帶式輸送機、掘進機等設備聯合配合使用，液壓支架在支護巷道的同時，也可作為掘進機前進的軌道，在煤礦的開采中發揮著重要作用。但是液壓支架在實際使用過程中也常出現各類故障等問題，尤其是液壓支架頂梁結構，在承受頂部不同的壓力、沖擊載荷時，會產生結構失效等故障，因此，針對ZP400型液壓支架頂梁在不同工況下強度展開分析，此分析可用于提高結構承載能力[1]。

1 液壓支架工作原理

礦用液壓支架種類繁多，但其工作原理與結構組成（見圖1）是類似的，一般包括頂梁、底座、支持立柱等結構。液壓支架各動作部件由液壓系統支撐可控制，主要是保證采煤機、輸送機等設備的正常工作，液壓支架可以實現升、推、降、移等四個動作。

液壓支架上升主要是指頂梁在液壓系統的驅動下上下移動，頂梁的升降最終與頂板相接觸；推溜是指可借助于液壓支架的推移千斤頂講刮板輸送機推移一定的距離；當液壓支架需要向前移動時，頂梁與頂板會脫離，此時液壓支架有個下降的動作；移架主要是由底座上的推移液壓油缸實現液壓支架在巷道內的移動[2]。

2 頂梁結構

圖1 液壓支架的工作原理

頂梁是鋼結構焊接而成，根據其結構特點可以分為剛性頂梁、鉸接式頂梁和可伸縮式鉸接梁。作為大型薄壁結構，采用中間加筋板的方式多結構進行加強，如圖2所示為ZP4000型液壓支架的頂梁結構。

圖2 鉸接頂梁結構形式

該液壓支架頂梁為剛性頂梁結構，具有結構簡單、安全可靠、便于制造等特點。頂板上表面的平整度對液壓支架的支撐能力影響較大，為了提高頂梁的承載能力，通常采用的解決辦法是將頂梁的前端相對后端上翹1°～3°[3]。

3 有限元分析理論

有限元分析法（FEM，Finite Element Method）在數學中是一種求解偏微分方程邊界值的一種方法，其基本原理是通過變分方法，使得誤差函數的計算結果能夠達到最小并且計算結果穩定可靠。該方法穩定可靠，計算結果與實際數值相差不大，因此被推廣應用于復雜連續性的工程力學的計算之中。

隨著有限元理論的不斷發展與應用，逐步引入了矩陣計算理論，有限元分析方法是將復雜的連續體問題離散為單元和節點之間聯系的關系，整體結構各單元之間的關系可以用一個剛度矩陣來表示，載荷施加在單元與節點之上，單元被賦予一定的屬性即可模擬真實結構的受載荷情況。有限元分析計算可以整個結構的受載情況，計算結果可以直觀反應結構應力、應變分布，對于結構力學等復雜問題的計算具有重要意義[3]。

采用了美國ANSYS公司的有限元分析軟件Workbench，該軟件具有操作流程簡單、易于使用和學習等特點，對有限元的計算比較可靠，同時處理非線性問題具有明顯優勢。使用該軟件分析的操作流程大致可以分為三維模型建立、有限元分析模型建立、計算求解、查看分析計算結果等步驟[4]。

4 有限元分析模型建立

4.1 三維模型的建立

目前三維建模軟件應用較為廣泛，現在技術比較成熟的軟件包括：UG、SolidWorks、PRO/E、CATIA等軟件，在此選擇PRO/E軟件建立液壓支架三維模型，為了盡可能真實頂梁的應力分布情況，將液壓支架整體作為分析對象，最后提取頂梁部分的計算結果。使用PRO/E的原因是可做到參數化建模的同時，與ANSYS Workbench有良好的兼容性[5]。

4.2 材料屬性

ZP4000型液壓支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服強度為690 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3。三維模型導入Workbench時需對液壓支架各部件之間設置接觸[6]。

4.3 網格劃分

模型網格的處理對有限元分析計算結果影響較大，在不影響計算結果收斂性的問題下，控制網格大小。采用軟件自主網格劃分方法，設置網格參考尺寸為40 mm，設置網格網格畸變系數為0.9，單元類型設置為SOLID45實體單元。

4.4 載荷工況

目前對液壓支架載荷的研究已經比較成熟，并形成了相關的標準，在分析該液壓支架時參照國標《液壓技術通用技術條件》，結構液壓支架實際受載情況選擇頂梁偏載工況和頂梁扭轉工況兩種工況進行分析，按照標準進行加載，在此不再對其載荷加載位置做過多說明[5]。

5 計算結果

基于第四強度理論對ZP4000型液壓支架結構進行分析，根據強度分析結果可直觀了解液壓支架應力分布情況，下面分別對兩種工況的計算情況進行說明。

5.1 頂梁偏載工況

頂梁在偏載工況下結構應力、應變分析結果如圖3所示，由應力分布情況可知若不考慮墊塊位置的話，頂梁應力分布較為對稱，最大應力值為553.8 MPa，最大應力值位于頂梁左后方，兩個加強筋板交匯位置。頂梁的其他位置應力較小，頂梁前半部分蓋板應力較小，若考慮動載荷，應針對最大應力值點進行適當優化改進。

圖3 偏載工況計算結果

頂梁在偏載工況下，結構發生一定的扭轉，因此頂梁右側變形明顯大于左側，最大變形量為18.81 mm，最大變形位于頂梁右前方。

5.2 頂梁承受扭轉載荷

液壓支架在頂梁承受扭轉載荷工況下，根據Workbench計算分析結果，如下頁圖4所示，由應力云圖可知，頂梁在此工況下最大應力為509.9 MPa，最大應力值位于頂梁底部右前位置與立柱相接觸的區域，向頂梁兩端依次減弱，其余位置應力較小。

頂梁在此工況下根據其位移分布云圖可知，最大應變值為20.25 mm，最大應變區域位于頂梁左前側，在Y軸與X軸方向頂梁的變形沿著長度方向依次減弱，呈階梯形降低。

5.3 液壓支架結構改進

根據對ZP4000頂梁的有限元分析結果可知，在兩種工況下頂梁均出現了應力集中的情況，可能會導致結構產生破壞。因此，基于分析結果對頂梁結構提出優化改進方案。改進方案為：參照ZP4000型液壓支架實際結構，為降低頂梁的應力集中，可將頂梁中后部的筋板、護板與側板等增加到30 mm厚，頂梁前端受力較小，可將鋼板厚度降低至20 mm，其優化位置如下頁圖5所示。對頂梁材料的合理優化可顯著提高頂梁的承載能力與使用壽命，對其結構設計具有重要參考意義。

圖4 扭轉工況計算結果

6 結論

圖5 頂梁優化位置

根據計算結果，找到頂梁在工作使用中的薄弱環節，并據此提出優化改進方案，根據ZP4000型液壓支架實際結構，方案建議將頂梁中后部的筋板、護板與側板等增加到30 mm厚，頂梁前端受力較小，可將鋼板厚度降低至20 mm，可有效改善結構的應力集中情況，對提高設備使用壽命具有重要意義。