礦用液壓支架掩護(hù)梁仿真及優(yōu)化分析

王 炎

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同科大煤機(jī)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

掩護(hù)梁作為掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架的重要結(jié)構(gòu)之一，其性能將會(huì)直接影響到礦用液壓支架的安全防護(hù)效果[1]。因此，為能夠進(jìn)一步提升礦用液壓支架整體支護(hù)性能，本文將會(huì)以液壓支架掩護(hù)梁為研究對(duì)象，通過(guò)仿真模擬分析的方式確定當(dāng)前掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)中存在的不足，進(jìn)而合理提出優(yōu)化措施，以期能夠?yàn)楹罄m(xù)礦用液壓支架掩護(hù)梁設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 礦用液壓支架工作原理

礦用液壓支架作為煤礦綜合機(jī)械化采煤工藝中的重要機(jī)械設(shè)備之一，承載著采煤工作面礦山壓力，其實(shí)際工作原理如圖1 所示。

圖1 礦用液壓支架工作原理圖

在礦用液壓支架上升過(guò)程中，高壓乳化液進(jìn)入到立柱活塞腔中后帶動(dòng)活塞和活塞桿運(yùn)作，促使與活塞桿連接的頂梁上升；在礦用液壓支架下降時(shí)，高壓乳化液逐步進(jìn)入到立柱活塞桿腔中，使得活塞腔內(nèi)部壓力下降，帶動(dòng)活塞和活塞桿下降，進(jìn)而促使與活塞桿相連的頂梁逐步下降；在礦用液壓支架前移過(guò)程中，液壓支架會(huì)先下降，然后將高壓乳化液注入到千斤頂?shù)幕钊恢校M(jìn)而以輸送機(jī)為固定點(diǎn)，由千斤頂推動(dòng)液壓支架前移；在輸送機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，高壓乳化液會(huì)注入到千斤頂?shù)幕钊恢校M(jìn)而由千斤頂推動(dòng)輸送機(jī)向預(yù)期位置移動(dòng)。

2 礦用液壓支架掩護(hù)梁仿真模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建流程

本研究將以ZFS3500 型液壓支架為例，通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行有限元模型仿真分析。通常情況下，ANSYS 有限元分析主要分為選擇單元、定義材料、構(gòu)建模型、網(wǎng)格劃分、確定分析類(lèi)型、施加邊界條件、求解、后處理等一系列流程。其中選擇單元和網(wǎng)格劃分將會(huì)直接影響到后續(xù)分析結(jié)果的精準(zhǔn)性，因而在此將會(huì)對(duì)以上兩個(gè)流程進(jìn)行針對(duì)性分析[2-3]。

第一，在選擇單元階段，選擇單元不當(dāng)將可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)格約束、網(wǎng)格劃分無(wú)法加載或者載荷無(wú)法加載等情況，進(jìn)而對(duì)仿真分析造成影響。因此，在研究前需要對(duì)液壓支架材料的物理特性及尺寸裝配類(lèi)型進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而合理選擇單元。據(jù)此，在綜合分析后，研究中最終選擇SOLID45 和SHELL63 兩種體單元和殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

第二，網(wǎng)格劃分主要用于降低模型仿真分析中計(jì)算機(jī)的計(jì)算規(guī)模，避免模型整體分析所導(dǎo)致的硬件性能不足等問(wèn)題。礦用液壓支架各部分網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 礦用液壓支架各部件網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 掩護(hù)梁模型構(gòu)建及網(wǎng)格優(yōu)化

在ANSYS 軟件中，隨著網(wǎng)格劃分尺寸的不斷減小，其模型單元格數(shù)量不斷增加，最終求解的插值函數(shù)精度也將會(huì)持續(xù)提升，進(jìn)而使得最終所獲取的求解值與真實(shí)值的差異越小。在研究中為保障網(wǎng)格劃分的有效性，將會(huì)通過(guò)3 次網(wǎng)格劃分。第一次網(wǎng)格劃分中將單元格大小設(shè)置為40 mm；在第一次網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上開(kāi)始第二次網(wǎng)格劃分，并將第二次網(wǎng)格劃分中的單元格大小設(shè)置為20 mm；最后，在第二次網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上開(kāi)始第三次網(wǎng)格劃分，并將第三次網(wǎng)格劃分中的單元格大小設(shè)置為15 mm。第三次網(wǎng)格劃分后獲取的仿真模型如圖3 所示，此次網(wǎng)格劃分結(jié)果將會(huì)作為后續(xù)優(yōu)化模型。

圖3 第三次網(wǎng)格優(yōu)化中的變形、應(yīng)力圖

由圖3 可知，在15 mm 網(wǎng)格尺寸下的變形-應(yīng)力圖的最大變形為0.002 172 8 mm，最大局部應(yīng)力為434.56 MPa。由于掩護(hù)梁材料的局部最大屈服強(qiáng)度為580 MPa，大于變形-應(yīng)力圖中的最大局部應(yīng)力值，說(shuō)明應(yīng)力值未超過(guò)材料最大屈服強(qiáng)度，此網(wǎng)格劃分方案可在后續(xù)優(yōu)化中進(jìn)行應(yīng)用。

3 礦用液壓支架掩護(hù)梁優(yōu)化

3.1 掩護(hù)梁連接處優(yōu)化

在上述模型構(gòu)建及網(wǎng)格優(yōu)化過(guò)程中，為方便模擬分析，適當(dāng)舍去掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板，但結(jié)合掩護(hù)梁變形-應(yīng)力圖中可以發(fā)現(xiàn)，掩護(hù)梁最大受力區(qū)域處于掩護(hù)梁板面及鉸接區(qū)域。基于此特點(diǎn)，結(jié)合掩護(hù)梁在礦用液壓支架四連桿中的特殊性及其所承受的最大應(yīng)力特征，以下將開(kāi)展掩護(hù)梁連接處優(yōu)化。具體研究中會(huì)將掩護(hù)梁鉸接處的連接銷(xiāo)軸厚度分別設(shè)定為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm，并分別獲取局部最大應(yīng)力值，實(shí)際結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，隨著掩護(hù)梁鉸接處的連接銷(xiāo)軸厚度持續(xù)增加，其所承受的局部最大應(yīng)力值也會(huì)隨之下降，但下降幅度卻會(huì)持續(xù)減弱，說(shuō)明在掩護(hù)梁連接處優(yōu)化時(shí)一味增加鉸接處的連接銷(xiāo)軸厚度的效果將會(huì)越來(lái)越不明顯。

表1 隨著掩護(hù)梁鉸接處的連接銷(xiāo)軸厚度增加，局部最大應(yīng)力情況

3.2 掩護(hù)梁頂板優(yōu)化

由圖3 可知，掩護(hù)梁頂板所承受的局部應(yīng)力也會(huì)大于其他區(qū)域所承受的應(yīng)力值，所以在研究中也需要對(duì)掩護(hù)梁頂板進(jìn)行合理優(yōu)化。結(jié)合某礦用液壓支架生產(chǎn)公司的實(shí)地調(diào)研結(jié)構(gòu)，最終將優(yōu)化中的假設(shè)掩護(hù)梁頂板厚度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，進(jìn)而獲取到變形分析結(jié)果如表2 所示。

表2 隨著掩護(hù)梁頂板厚度增加，局部最大變形情況

由表2 可知，隨著掩護(hù)梁頂板厚度的持續(xù)增加，掩護(hù)梁局部最大變形值也會(huì)隨之增加，但增加較不明顯，說(shuō)明掩護(hù)梁頂板厚度調(diào)整對(duì)掩護(hù)梁整體性能影響相對(duì)較小。

總體來(lái)說(shuō)，由于礦用液壓支架掩護(hù)梁為非對(duì)稱(chēng)箱型結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)改變局部特征并不能有效改變掩護(hù)梁整體應(yīng)力及應(yīng)變分布情況。因此，在進(jìn)行掩護(hù)梁優(yōu)化時(shí)，可以通過(guò)改變掩護(hù)梁孔軸尺寸、優(yōu)化箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)掩護(hù)梁優(yōu)化效果。除此之外，還可以采用整體性能更加優(yōu)秀的材料來(lái)增強(qiáng)掩護(hù)梁整體性能，進(jìn)而達(dá)成降低掩護(hù)梁局部應(yīng)力的效果，改善掩護(hù)梁整體性能。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

基于上文所提出的優(yōu)化發(fā)展進(jìn)行礦用液壓支架掩護(hù)梁改進(jìn)，并將改進(jìn)后礦用液壓支架應(yīng)用于工程實(shí)際，開(kāi)展連續(xù)6 個(gè)月的數(shù)據(jù)采集和綜合分析。根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)后的礦用液壓支架整體性能提升明顯，可以有效提高掩護(hù)梁整體性能，降低掩護(hù)梁所承受的局部應(yīng)力，說(shuō)明此優(yōu)化方案較為有效。此外，在整體測(cè)試期間中，改進(jìn)后的礦用液壓支架整體未出現(xiàn)較為顯著的故障問(wèn)題，說(shuō)明此改進(jìn)方案可以在一定程度上保障礦用液壓支架的具體應(yīng)用效果，不會(huì)對(duì)其他部件的正常運(yùn)行造成影響。

5 結(jié)論

本文通過(guò)模型仿真分析的方式對(duì)礦用液壓支架進(jìn)行分析研究，進(jìn)而獲取以下研究結(jié)果。

1）隨著掩護(hù)梁鉸接處的連接銷(xiāo)軸厚度持續(xù)增加，其所承受的局部最大應(yīng)力值也會(huì)隨之下降，但下降幅度卻會(huì)持續(xù)減弱，說(shuō)明在掩護(hù)梁連接處優(yōu)化時(shí)一味增加鉸接處的連接銷(xiāo)軸厚度的效果將會(huì)越來(lái)越不明顯。

2）隨著掩護(hù)梁頂板厚度的持續(xù)增加，掩護(hù)梁局部最大變形值也會(huì)隨之增加，但增加較不明顯，說(shuō)明掩護(hù)梁頂板厚度調(diào)整對(duì)掩護(hù)梁整體性能影響相對(duì)較小。

針對(duì)以上分析結(jié)果，在對(duì)礦用液壓支架進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)通過(guò)改變掩護(hù)梁孔軸尺寸、優(yōu)化箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者采用整體性能更加優(yōu)秀的材料來(lái)達(dá)成掩護(hù)梁優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而綜合提升礦用液壓支架整體性能。