礦用液壓支架頂梁結構強度優化措施

孫雪峰

（呂梁市煤礦瓦斯監控系統維修校驗中心， 山西 呂梁 033000）

0 引言

礦用液壓支架是煤礦開采過程當中的主要設備，在實際工作期間，受采空區矸石撞擊、頂板強度壓力等影響，再加上其長時間處于超負荷、超長時間的作業狀態，使得其內部結構特別容易發生變形與斷裂現象。為保證礦用液壓支架頂梁結構更加穩定，本文主要分析礦用液壓支架強化優化措施。

1 礦用液壓支架頂梁結構特點

頂梁是礦用液壓支架的核心組成部分，可以直接承受上部荷載，若其可靠性與安全性比較差，會嚴重影響礦用液壓支架的正常運行[1]。因為頂梁的作業環境較為惡劣，受力條件復雜，所以其對結構強度要求比較高，結合礦用液壓支架的運行現狀可以得知，如果頂梁出現破壞，會給綜采作業面內部各項設備的可靠運行帶來較大影響，嚴重的還會引發大規模安全事故。

通常來講，頂梁結構形式主要包含剛性頂梁、鉸接式頂梁與伸縮鉸接頂梁，三種結構形式的共同點是全部由鋼板焊接而成，表現為箱式結構，在箱體內部焊接加強筋，可顯著提升頂梁的強度與剛度。頂梁前端形狀采用滑撬形式，也可以將其制作為圓弧形式，主要目的是有效降低支架移動期間產生的阻力。在頂梁內部表面焊接柱窩，在其兩側設計成連接銷孔，利用銷軸，將頂梁和立柱有效連接，使得頂梁的實際高度得到良好調整[2]。同時，在頂梁尾部的兩側，還要設計為兩個連接孔，采取銷軸，將掩護梁和頂梁穩定連接，對頂梁起到固定作用，在頂梁的尾部中間位置設計連接孔，用來連接千斤頂，實現頂梁作業期間俯仰角的有效調整[3]。

2 優化措施分析

2.1 建立有限元仿真模型

2.1.1 構建三維幾何模型

因為礦用液壓支架頂梁結構比較復雜，在構建三維幾何模型期間，模型導入環節，可能會丟失較多數據，也會明顯增加仿真計算量，消耗較多時間，所以，為全面提升仿真效率，工作人員需要對模型進行簡化處理，將其倒角與焊縫直接省略，包括對靜力學影響比較小的孔洞，也需要直接省略，將礦用液壓支架頂梁簡化為一個整體結構，提升網格劃分水平。2

.1.2 建立有限元仿真模型

針對工作人員，需要將之前簡化之后的頂梁模型有序導入至有限元軟件之中，構建結構性能仿真模型，假設仿真模型材料為Q690，材料的具體性能見表1。

表1 Q690 材料性能分析

針對此模型實施網格劃分，網格類型是四面體，其實際大小為30 mm，為了更好提升模型仿真精度，工作人員還要對部分關鍵部位網格實施加密處理，仿真模型主要包括134 656 個網格，可以對支架的底座進行有效約束，其余部件實施固定約束。

2.1.3 分析結構性能

針對礦用液壓支架頂梁的加載工況進行分析，可以在頂梁上部增加一根壓條，同時施加65 MPa 壓力，觀察結構性能變化情況，通過加強仿真分析，獲得加載條件工況下，頂梁的應力變化情況，具體見圖1。

圖1 頂梁在加載條件下的變化示意圖

結合仿真分析可以得知，在礦用液壓支架頂梁與壓塊接觸位置，容易出現較大面積應力集中現象，最大的應力可以達到745.68 MPa，此應力向四周方向逐漸地減小，支架底座、立柱與掩護梁等位置的應力值比較小。同時，在頂梁的前端，結構變形比較嚴重，最大的位移可以達到18.54 mm，沿頂梁的后端，結構變形量逐漸地減小。在礦用液壓支架頂梁受力期間，頂梁特別容易發生疲勞失效現象，嚴重的還會出現大面積開裂，影響液壓支架的整體支撐效果。

通過對礦用液壓支架頂梁所承受的扭矩工況下結構性能進行合理分析可以得知，在頂梁左端設置一個局部的壓塊，在其右端設置一個條形的壓塊，讓頂梁發生扭矩，具體的受力示意圖見圖2。通過進行仿真分析，可以獲得承受扭矩工況下應力變化與結構位移情況。

圖2 頂梁承受扭矩示意圖

結合以上的仿真模型能夠得知，在頂梁的中部、頂梁和掩護梁的連接位置，包括底座中間部位，全部發生較為顯著的應力分布，同時應力變化沒有任何規律。頂梁承受外界扭矩工況下，因為對底座進行有效約束，使得最大應力直接作用下底座上部，其實際應力值大約為780 MPa，遠遠超出材料自身的屈服強度。在頂梁中間部位，結構變形比較嚴重，最大位移可以達到8.57 mm，立柱和頂梁的連接部位，也發生比較大的結構變形現象。頂梁承受扭矩工況之下，頂梁中部與底座表現為不同程度的疲勞斷裂，以及較為顯著的結構變形，影響液壓支架的可靠性與安全性。

2.2 仿真效果

結合仿真結果可以得知，礦用液壓支架頂梁在加載工況下，以及承受扭矩工況下，均表現為不同程度應力集中與結構變形現象，長時間作用下，容易出現疲勞失效現象，使得液壓支架的安全性不斷下降。所以，針對礦用液壓支架頂梁結構進行優化，保證頂梁在實際工況條件下，其所承受的最大應力低于材料自身的屈服強度，工作人員也可以結合具體情況，針對前側板與柱窩兩側鋼筋進行調整，進而取得較好的優化效果[4]。

2.3 改進要點

2.3.1 對頂梁前端蓋板進行優化

根據以上的分析可以得知，在礦用液壓支架頂梁前側板與柱窩兩側加強筋部位，通過適當增加其實際厚度，并加強優化設計，可以明顯提升頂梁的施工強度，確保頂梁在具體工作期間保持穩定。工作人員通過詳細查閱工程圖紙可以得知，現階段頂梁前側板設計厚度是15 mm，柱窩兩側的加強筋厚度是25 mm，綜合考慮到礦用液壓支架頂梁在實際作業期間，前側板與筋板針對頂板承受荷載，包括增厚，均會對頂梁自身重量產生一定影響，故決定適當增加礦用液壓支架頂梁前側板厚度，增加15 mm 的厚度，同時增加柱窩的兩側加強筋厚度，增加5 mm 左右，然后對有限元仿真分析模型進行調整，通過對優化后的礦用液壓支架頂梁實施仿真分析，詳細記錄下頂梁應力的最大值。

2.3.2 仿真驗證

通過加強有限元仿真分析可以得知，通過采取以上改進措施，礦用液壓支架頂梁的應力狀態得到良好改善，其前側板部位的應力由改進前的1 440 MPa 降低到480 MPa，這也是頂梁改進后期結構中的最大應力，明顯低于礦用液壓支架頂梁材料自身的屈服強度，柱窩兩側的加強筋部位應力，由改進前的980 MPa 降低到310 MPa，由此可以得知，改進效果比較好，可以明顯提升礦用液壓支架頂梁結構強度，避免礦用液壓支架頂梁結構在后續運行期間出現嚴重的失穩現象，提高其安全性與穩定性。

2.3.3 改進效果驗證

結合具體仿真結果，針對液壓支架頂梁進行合理的改進與優化，在前側板的基礎上部直接焊接15 mm的Q690 板，與此同時，在既有頂梁柱窩的兩側焊接厚度為5 mm 的Q690 板，能夠取得比較好的優化效果。通過對改造效果進行分析可以得知，針對液壓支架的具體工作情況，可以判斷出頂梁實際改造效果，通過加強改進，可以進一步降低液壓支架維護成本，減少維修次數，使得礦用液壓支架的安全性與穩定性得到雙重提高，為綜采作業面內部的工作人員提供良好保障，顯著減少安全事故的發生[5]。

3 結語

本文主要對礦用液壓支架頂梁結構強度優化措施進行分析，利用專業軟件，完成礦用液壓支架頂梁建模作業，確定出頂梁結構前側板和柱窩兩側筋板位置的最大應力值是1 440 MPa，明顯超出頂梁材料自身的抗拉強度，存在較為嚴重的設計缺陷。通過增加前側板與柱窩兩側筋板的厚度，針對頂梁結構進行優化改進，頂梁前側板與柱窩兩側的筋板厚度增加到30 mm，結合最終的分析結果可知，優化改進效果較為明顯，最大應力達到480 MPa，結合實踐，通過采取科學的改進措施，礦用液壓支架頂梁結構強度得到明顯提升，液壓支架的安全性與穩定性得到良好提高，故可以為相關工作人員提供一定的幫助和參考。