液壓支架掩護梁強度有限元分析及優化

袁慧娟，劉向麗

（1.大同煤炭職業技術學院機電工程系，山西大同 037000；2.山西大同大學教學實驗與實訓中心，山西大同 037000）

0 引言

液壓支架在煤礦綜采工作面主要發揮支護作用，是綜采工作面必不可少的重要設備，液壓支架的掩護梁主要負責工作面前端的頂板支護和擠壓煤墻防止片幫冒頂。在實際使用過程中，液壓支架可能發生偏心加載以及掩護梁長期的高負載和矸石的撞擊等因素導致掩護梁結構發生變形甚至斷裂等情況，一旦發生此情況，對工作面的安全生產構成很大威脅，更換液壓支架也嚴重影響生產。因此，通過仿真模擬液壓支架掩護梁的受力并分析掩護梁變形、斷裂的原因，提出掩護梁結構的優化改造方案，增加掩護梁的支撐強度。

1 液壓支架掩護梁變形原因分析

造成液壓支架掩護梁變形、開裂有多方面的原因，主要包括以下3 點：

（1）掩護梁長期處于高負荷加載支撐，掩護梁出現金屬疲勞造成支撐強度下降，當頂板壓力超過其支撐強度能力時，掩護梁則會出現變形、斷裂。

（2）掩護梁受力不均，出現偏心加載的情況，導致掩護梁所受扭矩較大，出現掩護梁扭轉變形。

（3）液壓支架后部過度放煤且頂板未垮落以及支架立柱的支撐高度不足導致液壓支架整體呈前低后高的情況，均會造成頂板壓力集中到煤墻及掩護梁上方，導致掩護梁受力過大。

以上3 種情況，均會造成掩護梁的變形、斷裂，除第一種難以避免的情況外，其余均可認為是對液壓支架的使用及管理不當造成。因此，以ZY6400/21/45型液壓支架為例，通過仿真模擬軟件對液壓支架進行模擬加載，找出掩護梁應力最大位置及薄弱易變形破壞位置，然后提出優化改造方案。

2 液壓支架支撐強度的分析

2.1 掩護梁不同工況下的受力載荷

根據ZY6400/21/45型液壓支架的設備參數，設立掩護梁扭轉加載和偏心加載兩種極限工況，分析其受力載荷。掩護梁扭轉加載和偏心加載受力位置如圖1、圖2 所示。

按照圖1、圖2 兩種不同受力工況下，結合ZY6400/21/45型液壓支架的工作參數，按照極限工況，計算在極限扭轉加載和極限偏心加載情況下掩護梁受力位置所受的載荷大小見表1。

表1 兩種載荷工況

圖1 掩護梁扭轉加載受力位置

圖2 掩護梁偏心加載受力位置

2.2 掩護梁有限元強度分析

ZY6400/21/45型液壓支架掩護梁材質為Q460金屬，查閱材料力學性能參數，其密度為7.85 kg/mm3，彈性模量為2.1 e5 MPa，泊松比為0.3，屈服強度為460 MPa。采用有限元構建掩護梁模型，在極限工況下計算應力最大的掩護梁位置，根據有限元模擬計算結果，液壓支架掩護梁在極限扭轉載荷中結構所受最大應力為398 MPa，最大應力位置為掩護梁柱窩處；在極限偏心載荷中結構所受最大應力為451 MPa，最大應力位置為腹板底座處。通過對比得出，掩護梁所受最大應力及位置為偏心載荷下的腹板底座處，此結果說明掩護梁受偏心載荷期間承受應力最大，和實際工作中掩護梁受偏心加載情況下容易造成掩護梁變形和斷裂是一致的。其次，根據數據分析，在極限偏心載荷中掩護梁所受最大應力為451 MPa，經對比已接近Q460 金屬的屈服強度為460 MPa，加上在長期的負載情況下，造成金屬疲勞導致材質的屈服強度下降，當其屈服強度下降至451 MPa 以下時，若支架出現極限工況下的偏心載荷，則會發生支架掩護梁變形甚至斷裂。為加強掩護梁的承載強度，需對掩護梁結構進行改造優化。

2.3 掩護梁結構優化方案

根據圖1、圖2 計算及分析結果，掩護梁在極限工況下的扭轉載荷和偏心載荷最大應力位置分別為掩護梁柱窩處及腹板底座，針對這兩個位置進行改造優化，主要方案為：

（1）在掩護梁前端箱體內的各增加一塊筋板，筋板在箱體內安設呈對角斜置，如圖3 所示。

圖3 掩護梁筋板安設位置

（2）掩護梁筋板位置對掩護梁的腹板材料進行加厚，增強掩護梁的承載能力。該改造方案簡單，改造成本低，易于實施。

2.4 改造后掩護梁強度分析及對比

將改造后的液壓支架掩護梁構建有限元模型，然后采用極限工況下的扭轉加載和偏心加載，觀察其受最大應力的大小和位置的變化，并與改造前的加載結果進行對比，結果如下：

（1）掩護梁扭轉加載下的應力結果分析及前后對比。在極限扭轉加載情況下，改造前所受最大應力為398 MPa，最大應力位置為掩護梁柱窩處。改造后，掩護梁最大應力位置沒有改變，但所受最大應力降低至346 MPa 。

（2）掩護梁偏心加載下的應力結果分析及前后對比。在極限偏心加載情況下，改造前所受最大應力為451 MPa，最大應力位置為掩護梁腹板底座處。改造后，掩護梁最大應力已降低至403 MPa，數值明顯降低，且遠離Q460 金屬的屈服強度為460 MPa，在最大應力位置上沒有改變，但應力分布從整體來看更為均勻。通過改造前后的綜合對比，改造后掩護梁在極限扭轉加載情況下最大應力降幅13.1%，在極限偏心加載情況下最大應力降幅10.6%，液壓支架掩護梁改造前后應力對比如表2 所示。

表2 液壓支架掩護梁改造前后應力對比

3 結語

針對液壓支架掩護梁易變形斷裂問題，通過有限元模型計算并分析其最大應力值及受力位置，提出成本低、易于實施的優化改造方案，改造后通過有限元計算并分析出掩護梁所受最大應力值得以有效降低10%以上，改造后的最大應力已遠離掩護梁材質的屈服強度極限，所受應力也更加均勻，使液壓支架的整體結構穩定性和掩護梁的支撐強度得到更大保障。