礦用液壓支架掩護梁的模擬分析與優(yōu)化改進研究

曹萍萍

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架作為綜采工作面不可或缺的構(gòu)成部分，對其可靠性的要求日益提升[1]。而掩護梁是液壓支架的承重結(jié)構(gòu)件，其服役過程的可靠性直接決定著液壓支架的安全性[2]。鑒于液壓支架掩護梁的重要性，學者們對其開展了很多研究，也取得了一定的研究成果[3-4]。然而在實踐過程中，偶爾還會出現(xiàn)由于掩護梁剛度和強度不夠而出現(xiàn)的故障問題，威脅著液壓支架的安全使用[5]。基于此，本文對某型號液壓支架的掩護梁進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的不足之處，并提出了優(yōu)化改進方案。

1 液壓支架掩護梁的結(jié)構(gòu)和主要功能

掩護梁是液壓支架的重要構(gòu)成部分，主要起到承重的作用。整體上掩護梁為箱體結(jié)構(gòu)，通過多個鋼板焊接制作而成。底部有4根較長的主筋貫穿整個箱體，主筋的上部和下部分別與整體背板和腹板進行焊接處理，不同主筋之間每間隔一段距離還設(shè)置有加強筋，通過這些主筋和加強筋可以保證掩護梁擁有足夠的強度和剛度以滿足使用要求。上端的左右兩側(cè)設(shè)置有相互對稱的耳座，通過耳座實現(xiàn)與頂梁的連接，下端同樣設(shè)置有耳座實現(xiàn)與前后連桿的連接。腹板中間位置設(shè)置了一個區(qū)域用來固定千斤頂，這種連接方式與插銷耳座式連接方式相比較而言能夠承受更大的載荷，可靠性更好。

掩護梁在液壓支架中的作用是多方面的，其中最重要的作用就是避免液壓支架工作過程中采空區(qū)石塊掉落時對液壓支架造成較大的沖擊，從而對液壓支架的零部件造成損壞，確保采煤過程中液壓之間的可靠性和安全性。由此可見，掩護梁在保護液壓支架方面發(fā)揮著重要作用，為液壓支架的安全工作提供了堅實的保障。但是，只要掩護梁自身具備足夠強度和剛度，才能夠更好地保護液壓支架[6]。

2 液壓支架掩護梁模型的建立及計算

2.1 三維模型的建立

建立液壓支架掩護梁有限元模型首先需要利用三維造型軟件建立其三維實體模型，本文利用PRO/E軟件完成建模工作。為了保證模擬計算的準確性，模型尺寸全部來自真實的液壓直接尺寸。由于實際的掩護梁結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，存在很多倒角等細節(jié)，這些細節(jié)的存在會顯著降低模型計算速度，但不會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此本文在建立三維模型時對那些不影響計算結(jié)果的細節(jié)之處做省略處理，以提升有限元模型的計算速度。結(jié)合具體情況，如果細節(jié)之處可能影響掩護梁強度則不能省略。

2.2 有限元模型的建立

本文利用ANSYS有限元軟件進行模擬分析，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS進行后續(xù)處理，第一步就是劃分單元。該軟件中包含有很多種單元類型且每種類型的單元都有其特點和適用范圍，合理選用單元類型對計算過程和結(jié)果都有直接影響。在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)上，本文利用殼單元SHELL63和體單元SOLID45完成網(wǎng)格劃分，這兩種單元類型都具有較好的形變能力和強度，能夠滿足本文使用要求。如圖1所示為掩護梁網(wǎng)格劃分情況。網(wǎng)格劃分后統(tǒng)計的節(jié)點數(shù)量和單元數(shù)量分別為50 566和 97 743。

圖1 液壓支架掩護梁網(wǎng)格劃分情況

在實際生產(chǎn)制作中，掩護梁使用的鋼材需要調(diào)質(zhì)處理，其主要的材料屬性按以下數(shù)據(jù)進行設(shè)置：彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa和0.3，屈服強度和密度分別為480 MPa和7.85 g/cm3。根據(jù)液壓支架的實際使用工況設(shè)置邊界條件，其中掩護梁主要受到表面的作用力，其垂直方向和水平方向的力分別設(shè)置為320 t和80 t。

3 模擬結(jié)果分析

在設(shè)置相關(guān)的屬性后，利用軟件中的求解器對模型進行求解分析，如圖2所示為液壓支架掩護梁應(yīng)變和應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，基于真實情況建立的模型和設(shè)置的參數(shù)，掩護梁的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力分別為0.002 172 8 mm和434.55 MPa。最大應(yīng)變量相對較小，基本可以忽略不計，最大應(yīng)力雖然沒有超過材料的屈服強度值，但是已經(jīng)非常接近，處于比較危險的狀態(tài)，必須引起重視。進一步分析可知，液壓支架掩護梁發(fā)生最大應(yīng)力的區(qū)域為鉸接部位和掩護梁板的表面?；谝陨戏治稣J為需要對上述兩個位置進行優(yōu)化處理。

圖2 液壓支架掩護梁應(yīng)變和應(yīng)力分析結(jié)果

4 液壓支架掩護梁的優(yōu)化改進

對于液壓支架掩護梁的應(yīng)力集中問題，可以采取的優(yōu)化方法較多。比如可通過改變孔和軸的尺寸規(guī)格、優(yōu)化整個掩護梁的箱體結(jié)構(gòu)等都可以達到降低局部應(yīng)力的效果。此外，改變掩護梁的生產(chǎn)制作材料，提升零部件材料的許用應(yīng)力值，也可以達到提升其可靠性的目的。尤其是對于大高采工作面更應(yīng)該采用強度更高的材料來制作掩護梁。根據(jù)上文的分析計算結(jié)果可知，掩護梁的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在鉸接部位和掩護梁板的表面位置。因此，本文主要從這兩個角度對其進行優(yōu)化改進，主要思路就是提升鋼板的厚度。

4.1 鉸接位置的優(yōu)化改進

在四連桿結(jié)構(gòu)中掩護梁發(fā)揮著重要作用，所承擔的應(yīng)力相對較大。基于上述分析結(jié)果可知，掩護梁鉸接位置存在較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，比較危險，而其他部位的應(yīng)力遠小于材料的許用應(yīng)力值，在安全范圍內(nèi)。為了提升鉸接位置強度確保掩護梁安全，在允許范圍內(nèi)可以適當增加該部位鋼板的厚度，以分散該部位的應(yīng)力值，降低最大應(yīng)力值。即通過改變鉸接位置鋼板厚度實現(xiàn)最大應(yīng)力值的優(yōu)化。本文所述型號液壓支架掩護梁鉸接部位設(shè)計厚度為45 mm，為了分析該位置鋼板厚度對局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，本文分別計算了鋼板厚度為10～80 mm時的情況下，如表1所示為掩護梁鉸接位置鋼板不同厚度時的最大應(yīng)力值統(tǒng)計情況。

表1 鉸接位置鋼板不同厚度時的最大應(yīng)力值

由表中數(shù)據(jù)可知，隨著鉸接部位鋼板厚度的增加，該部位的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善，當鋼板厚度為10 mm時，該位置的局部應(yīng)力最大值為492.38 MPa，當鋼板厚度增加到80 mm時，該位置的局部應(yīng)力最大值降低到了420.94 MPa?？梢?，通過增加鉸接位置的鋼板厚度可以在一定程度上降低該部位的最大應(yīng)力值，但是改善的效果有限，將鋼板厚度從10 mm增加到80 mm，最大應(yīng)力值只降低了71.44 MPa。因此，如果只是從增加鉸接部位鋼板厚度這一個層面進行優(yōu)化效果不是非常顯著。

4.2 掩護梁板的優(yōu)化改進

由圖2可知，掩護梁表面部位存在顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于掩護梁的安全。結(jié)合實際情況，對掩護梁內(nèi)部加強筋的厚度進行提升達到優(yōu)化的目的。該型號液壓支架加強筋的厚度設(shè)計值為16 mm，為了分析加強筋厚度對應(yīng)力集中問題的影響，本文分別分析計算了加強筋厚度在10～40 mm時的情況，如表2所示為掩護梁箱體內(nèi)部加強筋不同厚度時對應(yīng)的最大應(yīng)力值情況。需要說明的是，這些研究都是基于鉸接位置鋼板厚度為80 mm進行計算的。

表2 加強筋不同厚度時的最大應(yīng)力值

由表中數(shù)據(jù)可知，加強筋厚度為10 mm時局部應(yīng)力最大值為437.06 MPa，當厚度增加到40 mm時局部應(yīng)力最大值降低至350.26 MPa。可見，隨著加強筋厚度的逐漸增大，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的改善，加強筋厚度由10 mm增加到40 mm，局部最大應(yīng)力值降低了86.8 MPa，降低的幅度達到了19.86%。

可見，通過增加適當增加鉸接位置和加強筋的鋼板厚度，可以有效降低掩護梁的局部應(yīng)力集中問題。本文分別將鉸接位置和加強筋的鋼板厚度設(shè)計成80 mm和40 mm，并在實踐中得以應(yīng)用，結(jié)果表明，應(yīng)用效果顯著，通過增加鋼板厚度顯著提升了掩護梁的服役可靠性和安全性。

5 結(jié)論

掩護梁作為液壓支架的關(guān)鍵組成部分，其服役可靠性對整個設(shè)備都有重要影響，通過對現(xiàn)有的掩護梁進行分析發(fā)現(xiàn)鉸接部位和掩護梁板的表面位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，威脅到了掩護梁的安全性。結(jié)合實踐經(jīng)驗，對這兩個位置的鋼板厚度分別增加至80 mm和40 mm，取得了良好的效果，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的改善。實踐結(jié)果表明通過對掩護梁的優(yōu)化改進能夠顯著提升其服役的安全性和可靠性。