液壓支架掩護梁結構性能分析與優化

梁 宇

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業公司，山西 忻州 036702）

引言

液壓支架是進行煤礦綜采的重要設備，其所處工作環境相對復雜惡劣，受到開采頂板的壓力載荷較大，在實際應用中存在突發的危險工況易造成液壓支架的損壞[1]。煤層的分布復雜多變，對于液壓支架的承載變化較大，對液壓支架的性能具有較高的要求。掩護梁作為液壓支架的主要部件，是頂梁和連桿的重要連接零件。掩護梁對頂梁起到主要的支撐作用，采用有限元分析的方式對掩護梁的性能進行分析，從而對掩護梁進行一定的優化，提高其支撐性能，進一步提高液壓支架的綜合性能[2]。

1 液壓支架掩護梁分析模型的構建

對掩護梁的性能進行分析，需首先建立掩護梁的三維模型。采用三維建模Pro/E進行掩護梁模型的構建，Pro/E是被廣泛使用的參數化建模軟件，采用基于特征的實體化建模，可以方便對掩護梁生成模型。在進行模型構建的過程中，對掩護梁的實體結構進行一定的簡化處理，對于圓角、倒角等細小結構忽略，僅保留主要的結構特征進行建模。選取合適的基準面，繪制相應的零件草圖，然后通過拉伸、旋轉等特征構建掩護梁模型[3]。

采用有限元分析軟件ANSYS對掩護梁的結構性能進行分析，ANSYS具有強大的線性和非線性分析能力，在結構分析中具有較高的使用率，可將結果以多種圖形的樣式顯示，方便進行分析對比。ANSYS與Pro/E具有直接的接口，可將掩護梁的模型直接導入到ANSYS中進行處理。對導入的模型，進行單元網格的劃分，由于掩護梁常采用非對稱的網格結構，采用板殼結構進行網格劃分，得到掩護梁的網格劃分模型如圖1所示。對掩護梁模型進行材質的設定，設定彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，對掩護梁銷孔處進行限定，承受來自頂梁的壓力載荷作用，由此進行結構性能的模擬仿真[4]。

圖1 掩護梁網格劃分模型

2 液壓支架掩護梁結構分析與優化

采用ANSYS進行掩護梁的分析運算，提取應力結果如圖2所示。從圖2中可以看出，掩護梁的整體應力值不大，在掩護梁與前后連桿連接的銷軸位置處出現最大應力，最大應力值為436 MPa，銷軸處的應力分布狀態如下頁圖3所示。

圖2 掩護梁應力（MPa）分布云圖

通過圖3可知，銷軸位置處受到的應力值較大，對銷軸位置處的板厚進行處理，以期改善銷軸位置處的應力分布，對掩護梁的結構進行優化。為了確定板厚與應力的關系，選擇板厚在10~90 mm之間進行取值，對不同情形下的應力狀態進行分析計算，得到應力的大小變化如圖4所示。

圖3 掩護梁銷軸最大應力（MPa）放大圖

圖4 最大應力值隨板厚的變化曲線

從圖4中可以看出，隨著銷軸位置板厚的增加，銷軸受到的最大應力值有所降低，同時可以看到，隨著板厚的增加，最大應力值降低的幅度并不大，且降低的幅度越來越小，這表明，增加銷軸位置的板厚，并不能有效地降低銷軸的應力值。這是由于掩護梁的結構為非對稱的箱體結構，增加局部的板厚對整體結構的應力影響較小，在實際使用時，應依據掩護梁的整體結構適當地增加連接銷軸位置處的板厚，從而減小局部的最大應力值[5]。

進一步對液壓支架掩護梁的結構優化進行研究，在對掩護梁分析過程中，對圓角等結構沒有進行處理，對較為重要的上下銷軸處的鋼板過渡進行圓角設置，且相應地增加圓角的半徑值，選擇前后板連接處的過渡半徑為500 mm，查看細節設置對掩護梁分析結果的影響[6]。修改模型通過計算，得到增加過渡圓角的模型的應力分布如圖5所示，從圖中可以看出，改進后的模型的最大應力值為424 MPa，最大應力值相對初始結構有一定減小，對銷軸位置處的應力具有改善作用。

圖5 增加過渡圓角后掩護梁的應力（MPa）分布

通過上述分析可知，增加了上下銷軸處的鋼板過渡圓角，對于掩護梁的最大應力具有減小的作用，可以改善掩護梁的應力分布狀態。在進行掩護梁的初始分析時，忽略了圓角的結構，有利于建模的簡化及計算結果的快速輸出，得到掩護梁的整體應力狀態。針對銷軸位置處的最大應力，對細小結構進行針對性優化，增加了圓角的過渡，降低了最大應力值，從而改善了掩護梁的應力分布。

3 結論

采用ANSYS有限元分析的方式對掩護梁的應力分布進行模擬仿真，結果顯示掩護梁銷軸位置處受到的應力最大。為改善銷軸處的應力分布，對掩護梁進行結構優化。首先對改變銷軸位置處的板厚進行分析，結果顯示板厚的增加，對最大應力有減小的作用，但改善效果不明顯。對前后梁增加過渡圓角結構進行分析，最大應力值具有一定的減小，改善了局部應力分布狀態。由此可知，在對掩護梁進行設計的過程中，應依據整體結構，選擇適當的板厚，并對連接過渡處采用圓角設置，這樣不僅可以優化掩護梁的外觀設計，同時還可以改善應力狀態，有利于掩護梁性能的提升，提高液壓支架的使用性能。