基于有限元法的液壓支架掩護梁靜力學分析及結構優化

劉 卿

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司， 山西 沁水 048214）

引言

綜采工作面中液壓支架是一種非常重要的機械裝備，作用是對煤礦巷道的頂板進行支撐，為井下工作人員提供可靠的操作空間，同時可以為其他采掘運輸設備提供動力[1]。由此可見，液壓支架的安全可靠運行對于煤礦開采而言非常重要，直接關系到煤礦的安全生產[2]。這對液壓支架結構件的機械強度提出了非常高的要求，掩護梁是液壓支架中非常重要的承力結構件，工作中需要承受很大的作用力[3]。基于此，有必要對液壓支架掩護梁結構的受力情況進行分析，并對其結構進行優化改進，以提升結構的整體力學性能，為液壓支架運行的可靠性和安全性奠定堅實的基礎[4]。

本文主要利用ABAQUS 有限元軟件對液壓支架掩護梁結構的靜力學情況進行分析，在此基礎上對其結構進行優化改進，通過工程實踐應用發現取得了較好的效果。

1 礦用液壓支架整體結構概述

本文以ZY6400/21/45 型液壓支架為例進行分析，該型號液壓支架屬于兩柱掩護式支架，支架的高度和寬度分別可以根據實際需要在2.1～4.5 m、1.42～1.59 m 范圍內變化，中心距為1.5 m，工作阻力和初撐力分別為6400 kN、5000 kN，支護強度和底板比壓分別在0.98～1.03 MPa、0.5～1.9 MPa 范圍內變化[5]。如圖1 所示為ZY6400/21/45 型液壓支架的整體結構示意圖，就機械結構層面而言，液壓支架主要由頂梁、掩護梁、立柱、底板等部分構成，這些機械機構在液壓支架工作時都需要承受非常大的作用力。圖1 已經明確給出掩護梁在液壓支架中的具體位置，巷道頂板作用在頂梁上的作用力，需要通過掩護梁和立柱等結構傳到底座中。由此可見，掩護梁在液壓支架工作時需要承受較大的作用力，對其機械性能提出了較高的要求。

圖1 ZY6400/21/45 型液壓支架整體結構

2 基于有限元法的掩護梁靜力學分析

2.1 幾何模型的建立

根據所述型號液壓支架掩護梁結構的實際尺寸，利用SOLIDWORKS 軟件建立三維幾何模型。在建立幾何模型時考慮到孔洞、倒角、倒圓等一些局部細小結構會對計算過程造成不利影響，但對計算結果幾乎沒有影響[6]，所以在建立模型時將這些細小結構作忽略處理。建立好模型后導出IGS 通用格式，以便后續導入ABAQUS 軟件中建立有限元模型。

2.2 有限元模型的建立

將建立好的幾何模型導入ABAQUS 軟件中。首先設置材料屬性，掩護梁結構通過Q460 材料加工制作，該材料的彈性模量和泊松比分別為210 GPa、0.3，密度大小為7.85×103kg/m3，屈服強度為460 MPa，將以上物理參數輸入有限元模型中，以便得到更加準確的結果。然后需要對模型進行網格劃分，ABAQUS軟件提供了多種形式的網格單元，本研究中選用四面體單元進行網格劃分，采用自動網格劃分形式，最終劃分得到的單元和節點數量分別為13542、15949，既可以確保計算速度，又可以保障計算結果的精度。考慮到掩護梁結構主要是通過耳座與液壓支架中的其他機械結構進行連接，所以在有限元模型中將相關的約束條件和載荷全部施加在耳座部位。另外，為了更好地反映液壓支架在惡劣工作條件下掩護梁結構的受力情況，施加的載荷為偏載荷，載荷大小為7680 kN。

2.3 掩護梁的靜力學結果分析

建立有限元模型后，可以調取軟件的計算分析模塊對模型進行求解計算，完成計算后可以提取相關計算結果進行分析。如圖2 所示為液壓支架掩護梁結構工作時的應力分布云圖，需要說明的是，設置的工況條件為偏心載荷。從圖2 中可以看出，掩護梁結構不同部位的受力情況非常不均勻，很多部位的應力分布幾乎為零，而局部位置卻出現了明顯的應力集中現象，最大應力值達到了451 MPa。出現應力集中的部位主要分布在位于中間位置的千斤頂耳座附近。與該部位距離越遠，對應的應力值越小。

圖2 掩護梁結構的應力分布云圖

基于靜力學分析結果可以看出，掩護梁結構最大應力值達到了451 MPa，該結構是利用Q460 材料加工制作而成，材料的屈服強度為460 MPa。結構的最大應力值幾乎達到了材料的屈服強度。由此可見，掩護梁結構工作時面臨非常惡劣的受力情況，時間長久后，出現應力集中的部位必然會發生機械損傷，最終出現機械故障問題，導致液壓支架無法正常工作，甚至威脅煤礦開采安全。基于此，有必要對掩護梁結構進行優化改進，以改善結構的受力情況，降低應力集中現象。

3 掩護梁結構優化改進及其應用

3.1 優化改進方案

由以上分析可以看出，掩護梁結構千斤頂耳座附近存在較大的安全隱患，這與實際情況較吻合。為了對應力集中部位的受力情況進行優化改善，共設計了三種結構優化改進方案，如圖3 所示。其中，方案一是在兩個豎向筋板中間接近腹板的部位增加一塊鋼板；方案二是在與頂梁相接觸的箱體內部對稱地設置兩塊斜向筋板；方案三為以上兩種方案的組合。使用的鋼板厚度全部為20 mm。根據以上優化改進方案，分別再次利用SOLIDWORKS 和ABAQUS 軟件建立對應的有限元模型，所有模型除了以上改進之處外，其他所有結構、載荷均與之前的模型相同。

圖3 掩護梁結構的優化改進方案

3.2 結果分析

完成三種方案對應有限元模型的計算分析工作后，可以提取相關結果進行分析。結果發現，三種方案條件下掩護梁結構整體受力情況仍然分布不均勻，分布規律與優化前相比差異不大，應力集中現象仍然出現在千斤頂耳座周圍。但是通過增加鋼板的形式，均能夠在一定程度上降低千斤頂耳座周圍的應力集中現象。其中，方案一、方案二和方案三對應的應力集中最大值分別為412MPa、435MPa和398MPa，與優化改進前相比，最大力值分別降低了8.65%、3.55%和11.75%，如圖4 所示為三種方案的優化效果對比圖。綜上所述，第三種方案的優化改進效果最為明顯，因此在實踐中可以根據此方案對掩護梁結構進行技術改造，以提升其整體的力學性能。

圖4 三種優化方案的效果對比

3.3 掩護梁優化后的應用效果

基于以上研究成果，對ZY6400/21/45 型液壓支架的掩護梁結構進行技術改造，完成改造后對其實踐應用效果進行連續3 個月的跟蹤檢測。結果發現，整個檢測期間液壓支架整體運行穩定，沒有出現明顯的故障問題。通過與優化改進前的情況進行對比，發現液壓支架整體的故障率有了一定程度的降低，特別是掩護梁結構的故障率有了明顯改善，為煤礦企業節省了大量的設備維護保養和維修成本。由此可見，通過對掩護梁結構的優化改進，提升了液壓支架運行過程的可靠性和穩定性，為煤礦的安全生產奠定了良好的基礎，安全效果顯著。

4 結論

1）基于靜力學分析結果可知，掩護梁結構存在明顯的應力集中現象，最大應力達到了451 MPa，幾乎接近材料的屈服強度。

2）結合實際情況設計了三種優化改進方案并再次進行有限元分析，最終選擇第三種方案。優化改進后，掩護梁結構的最大應力降低到了398 MPa，降低幅度達到了11.95%。

3）將優化后的方案應用到工程實踐中，取得了較好的效果，顯著提升了液壓支架運行的可靠性和穩定性，為煤礦企業創造了良好的經濟效益和安全效益。