礦用液壓支架頂梁結構強度優化研究

呂 超

（晉能控股煤業集團忻州窯礦， 山西 大同 037001）

引言

頂梁作為礦用液壓支架中承受載荷的主要部件，是液壓支架的重要組成部分，其安全性和可靠性尤為重要[1]。由于頂梁是在較惡劣的環境下工作，受力情況較復雜，因此對頂梁的結構強度有很高的要求，在工作過程中，一旦頂梁受到損壞，將會引發嚴重的事故，給相關設備和人員造成危險，因此，有必要研究液壓支架的頂梁結構強度。

1 液壓支架結構

液壓支架是井下重要的支撐設備，主要包括頂梁、插柱、尾梁、掩護梁、立柱、底座、插槽等結構，其組成如圖1 所示[2]。高強度的液壓支架可以提高井下支撐要求。液壓支架在工作過程中，通過操作立柱上的操縱閥，向單向閥中灌入高壓液壓油，當液壓油的位置到達立柱上腔時，此時單向閥開啟，推動液壓支架頂梁升起；當立柱下降時，液壓支架也會整體下降。液壓支架的前進和推移是通過操縱千斤頂來實現，在各部件的相互配合下，使頂梁充分發揮其支撐作用，確保液壓支架的結構強度達到要求，給井下安全作業提供保障。

圖1 礦用液壓支架組成

2 液壓支架有限元仿真模型

2.1 三維幾何建模

由于頂梁的結構本身較復雜，對頂梁進行三維幾何建模時，在模型導入過程中會丟失數據，而且增加仿真計算量，耗費大量的時間。因此，為了提高仿真效率，首先對模型進行簡化，省略倒角和焊縫，以及對靜力學影響較小的小孔，將頂梁簡化成一個整體，提高網格劃分的效果。

2.2 有限元仿真模型

將簡化后的頂梁模型導入有限元軟件中，建立結構性能仿真模型[3]。首先設置仿真模型的材料為Q690，材料的主要性能見表1。對模型進行網格劃分，網格類型為四面體，網格大小為30 mm。為了使模型的仿真精度更高，對部分關鍵部位的網格進行加密處理。仿真模型包含134 565 個網格，對支架底座進行完全約束，其他部件進行固定約束。

表1 Q690 材料的主要性能

2.3 結構性能分析

對頂梁加載條件工況下的結構性能進行分析，在頂梁上加一根壓條，施加65 MPa 壓力，分析其結構性能。通過仿真分析，得到加載條件工況下應力變化情況，如下頁圖2 所示。

圖2 頂梁加載條件下示意圖

通過仿真可以看出，在頂梁和壓塊接觸的部位，出現大面積的應力集中，最大應力達745.79 MPa，應力向四周逐漸減小，而支架的底座、立柱和掩護梁等部位的應力值相對較小。在頂梁前端，結構變形較嚴重，最大位移為19.28 mm，沿頂梁后端，結構變形逐漸變小。在頂梁受力過程中，頂梁很容易出現疲勞失效甚至頂梁開裂的現象，最終會影響液壓支架的支撐效果。

對頂梁承受扭矩工況下的結構性能進行分析，在頂梁的左端施加一個局部壓塊，右端施加一個條形壓塊，使頂梁出現扭矩，受力示意圖如圖3 所示。通過仿真分析，得到承受扭矩工況下應力變化情況和結構位移變化情況。

圖3 頂梁承受扭矩下示意圖

通過仿真可以看出，頂梁中部、頂梁與掩護梁連接處、底座中部等區域都出現了明顯的應力分布，且變化沒有規律。在頂梁承受扭矩工況下，由于對底座進行完全約束，導致最大應力在底座上，應力值約為781 MPa，超過了材料的屈服強度。在頂梁中部，結構變形較嚴重，最大位移為8.97 mm，立柱與頂梁的連接處也出現較大的結構變形。在頂梁承受扭矩工況下，頂梁的中部和底座會出現不同程度的疲勞斷裂和明顯的結構變形，影響液壓支架的安全構成。

3 效果分析

根據仿真結果，頂梁在加載條件工況下和承受扭矩工況下都有不同程度的應力集中和結構變形，長期使用會發生疲勞失效，影響液壓支架的支撐安全。因此，對頂梁結構進行優化改進，確保頂梁在實際工況下所受的最大應力低于材料的屈服強度[4]，根據實際情況，對前側板和柱窩兩側加強筋的厚度進行優化。

3.1 優化結構設計

根據仿真分析，在頂梁前側板和柱窩兩側加強筋的位置處，出現最大應力集中，通過改變其厚度，來提高頂梁的整體強度，保證頂梁在工作過程中的穩定性。具體改進措施為：在原有的基礎上焊接Q690 鋼板，將頂梁前側板的設計厚度從15 mm 增加到30 mm；柱窩兩側加強筋的厚度從25 mm 增加到30 mm，同時，在連接處增加圓角和倒角特征，減少頂梁上的應力集中，對仿真模型重新進行仿真，觀察頂梁的最大應力值。

3.2 效果驗證

對優化后的模型進行有限元仿真分析，得到頂梁應力變化圖和結構位移圖如圖4、圖5 所示，從圖中可以看出，改進后的頂梁，應力狀態得以改善，頂梁的最大應力值為599 MPa，低于頂梁材料的屈服強度，最大位移值為12.9 mm，可見，經優化改進后，頂梁的應力分布和結構位移得以改善，效果比較明顯，提高了頂梁的結構強度，降低了維修成本，使液壓支架工作的可靠性和安全性有所保障。

圖4 優化改進后頂梁應力變化圖

圖5 優化改進后頂梁結構位移圖

4 結論

1）分析頂梁加載條件工況下和承受扭矩工況下的頂梁結構性能，在頂梁受力過程中，容易出現頂梁結構疲勞斷裂和變形，影響液壓支架的安全構成。

2）采用增加前側板和柱窩兩側加強筋厚度的方法進行優化改進，結果表明：優化改進后，頂梁應力分布和結構位移得以改善，效果較明顯，結構強度得到提高，降低了維修成本，提高了液壓支架工作的可靠性和安全性。