關于ZY86400/25.5/55 型液壓支架掩護梁結構優化的研究

曹建東

（山西鄉寧焦煤集團元甲煤業有限公司， 山西 鄉寧 042100）

引言

液壓支架主要用途為在煤炭開采中對巷道進行支護，開采面礦壓以外載荷的形式作用于液壓支架的頂梁上，可以保持巷道的穩定，減小巷道內煤炭的掉落對設備與人員造成的傷害。液壓支架的發明為煤炭產量與生產效率的提高尊定了基礎。液壓支架最早出現于歐洲，隨著技術的不斷進步，液壓電控的液壓支架漸漸出現，我國于20 世紀90 年代開始自主生產液壓支架，如今技術取得了比較大的進步。

液壓支架主要組成結構包括承載結構件、執行元件、液壓控制、液壓油缸、其他輔助系統等。隨著煤炭需求量的不斷增加，煤炭開采力度加大，也要求液壓支架具有更強的支護能力。因此液壓支架的結構件就容易出現故障。為了研究和提高其結構的強度，以ZY86400/25.5/55 型液壓支架掩護梁為研究對象，分析其在惡劣工況下應力分布情況，對于液壓支架結構可靠性的提高具有重要意義[1]。

1 ZY86400/25.5/55 型液壓支架結構分析

ZY86400/25.5/55 型掩護型液壓支架適應性好，可用于多種地質條件下煤礦開采，被廣泛應用于各種礦藏開采中。液壓支架的主體結構包括：掩護梁、頂梁、連桿、底座等，如圖1 所示，給出了該液壓支架結構示意圖，液壓支架的整機重量為21 750 kg，頂梁舉升高度2 550～5 500 mm，支護強度可達1.02 MPa，可適應煤層傾角小于15°的應用場景。具有兩根缸徑為360 mm/270 mm 的前立柱支撐油缸，油缸的工作助力4 320 kN，因此液壓支架具有較強的支撐能力。

圖1 ZY86400/25.5/55 液壓支架結構示意圖

立柱是安裝于頂梁與掩護梁之間的支撐結構，并可根據需要調節頂梁的支撐高度，具有較強的抗過載能力。頂梁結構主要負責對煤層的支撐，與煤層直接接觸，不同型號的液壓支架其頂梁的結構與功能都是相似的，頂梁通過鉸接形式與液壓油缸、掩護梁等結構連接。掩護梁由于其處于頂梁與底座之間，承受的載荷工況更加復雜一些，容易出現故障，掩護梁為箱形焊接結構件，存在較多的焊縫或比較薄弱的環節，因此非常有必要對掩護梁結構進行分析，以了解其內部受力特征，對結構的優化提供參考[2]。

2 有限元分析理論

有限元分析方法（FEA，Finite Element Analysis）是利用了有限拆分的思想，即基于簡單的單元相互作用與疊加，將復雜的問題進行簡化，利用有限的計算結果擬合出無線逼近于真實計算結果的一種分析方法。有限元的分析最主要的是處理好模型的網格劃分與載荷與邊界條件的設置，因為想要得到比較準確的仿真結果就必須設置一個非常接近于結構實際受載情況的邊界與載荷條件[3]。

ABAQUS 是一套功能強大的工程仿真分析軟件，可以解決比較常規的線性與非線性問題，對結構仿真分析可得到一個比較可靠的計算結果。ABAQUS 內部擁有較多的各型材料庫，可以模擬非常多的經典工程材料，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土等材料，本研究中采用了ABAQUS 軟件對掩護梁有限元模型進行分析[4]。

3 分析模型建立

3.1 模型創建

根據ZY86400/25.5/55 型掩護型液壓支架掩護梁的結構工程圖紙，建立其三維模型；采用Solid-Works 軟件創建了掩護梁的三維模型。為了便于進行有限元分析，合理簡化掩護梁的結構，對于結構中不影響結果分析的小特征如孔或小凸臺等結果可以進行省略。

3.2 材料參數

掩護梁結構采用厚度均勻的鋼板焊接而成，鋼板材料采用的是Q550 高強度鋼，默認焊縫處的材料與主體結構的材料一致，所以對掩護梁整體結構均設置為Q550 鋼的材料。已知，Q550 鋼的材料參數為彈性模量E =2.1×105MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強度550 MPa[5]。

3.3 邊界條件與載荷

液壓支架的結構強度分析可參考《煤礦用液壓支架通用技術條件》標準來執行，該標準中列出了多種液壓支架結構設計強度校核的載荷工況，在此根據液壓支架的實際使用情況與標準的規定，選擇了液壓支架扭轉工況和偏載工況對液壓支架掩護梁進行分析，由于篇幅所限，不再對載荷的施加做一一說明。載荷施加在掩護梁與其他部件連接的鉸孔處，同時施加響應的位移約束。

3.4 網格處理

為了提高模型仿真計算結果的準確性，使用六面體為主的網格劃分方法，單元類型設置為solid45，網格參考尺寸為50 mm，網格畸變系數0.01，最終建立的有限元模型共有182 043 個單元[6]。

4 強度分析結果

根據ABAQUS 在兩種工況下的應力計算結果，提取了兩種工況下掩護梁的應力分布情況，下面分別對兩種工況下的計算結果進行說明：

4.1 扭轉工況

分析結果如圖2 所示，在扭轉工況作用下，掩護梁結構明顯有一個比較大的扭轉變形，其結構中應力最大值為446 MPa，最大應力值點位于掩護梁腹板與支持油缸連接耳板位置；同時掩護梁與頂梁連接較點位置應力也較大，說明在扭轉工況下，頂梁傳遞給掩護梁的扭轉載荷較大。

圖2 扭轉工況掩護梁應力（MPa）分布

4.2 偏載工況

圖3為掩護梁在偏載工況下應力計算結果。掩護梁在偏載工況下，主要的承力區域為支持油缸與掩護梁連接的耳板位置，該區域存在比較明顯的應力集中情況；掩護梁的其他區域結構應力較小，掩護梁最大應力值為339 MPa，小于材料的屈服應力，在此工況下結構比較安全。

圖3 偏載工況掩護梁應力（MPa）圖

5 掩護梁優化措施

根據兩種工況下對掩護梁應力分析的結果，掌握了掩護梁在不同載荷工況下應力分布情況，可確定掩護梁可能存在的薄弱環節，薄弱區域，有針對性地對掩護梁關鍵部件進行結構優化，因此提出了掩護梁結構的改進設計措施：

1）掩護梁上與液壓油缸相連接的連接座位置，應增加一塊較大的板，可以將連接耳座的應力向周圍進行傳導，避免連接座周圍應力集中。

2）提高掩護梁的抗扭能力，多設置筋板與加強結構，增強掩護梁結構的抗橫向扭彎作用。

6 結論

以現有的ZY86400/25.5/55 型液壓支架為研究對象，基于ABAQUS 軟件對支架的掩護梁結構強度進行分析，根據應力分析結果：扭轉工況下最大應力值為446 MPa，應力較大的區域主要集中在液壓油缸連接耳板與掩護梁與頂梁的連接位置；偏載工況下最大應力值為339 MPa，最大應力值小于材料的屈服應力，結構相對比較安全。根據掩護梁應力分布情況提出了兩條掩護梁結構改進措施，研究對于提高液壓支架的可靠性具有良好的實際意義。