礦用液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析及優(yōu)化

申榕容

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

液壓支架是煤礦綜采工作面的重要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)工作面支護(hù)，為工作面回采提供作業(yè)空間，其支護(hù)可靠性直接影響工作面安全生產(chǎn)。頂梁作為液壓支架的重要組成部分，是直接承受載荷的部件[1]，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于煤礦工作環(huán)境惡劣，液壓支架頂梁受力存在多樣性和復(fù)雜性，主要存在負(fù)載過(guò)大、瞬間沖擊、偏心承載等情況，在長(zhǎng)期不同工況負(fù)載情況下可能出現(xiàn)頂梁結(jié)構(gòu)變形、局部開(kāi)裂現(xiàn)象，威脅工作面安全生產(chǎn)。以ZY12000型液壓支架為例，采用有限元分析法分析支架頂梁在不同工況下的受力強(qiáng)度，并對(duì)頂梁存在的薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改造，以滿(mǎn)足復(fù)雜條件下的承載強(qiáng)度，保證工作面安全生產(chǎn)。

1 頂梁結(jié)構(gòu)分析與模型建立

1.1 頂梁結(jié)構(gòu)分析

礦用ZY12000型液壓支架頂梁主要由頂板、連接板、主筋板、橫筋板等組成，材質(zhì)為Q345 鋼，頂板采用整塊鋼板直接焊接在上部，主筋板為整條鋼板焊接在頂板下部，橫筋板位置根據(jù)側(cè)推裝置及立足支撐位置焊接在頂板下部，主筋板與橫筋板通過(guò)與頂板的焊接形成頂梁的箱式結(jié)構(gòu)，并在頂梁主筋板上留設(shè)與液壓立柱連接的柱窩銷(xiāo)軸孔。頂梁結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 頂梁結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 頂梁結(jié)構(gòu)三維模型建立

按照頂梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Solid Works 軟件建立頂梁三維模型，在建模過(guò)程中，為提高分析精度，將頂梁上的過(guò)渡圓角及倒角進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)非關(guān)鍵孔位進(jìn)行省略，僅保留頂梁主體結(jié)構(gòu)[2]。頂梁主體結(jié)構(gòu)三維模型如圖2 所示。

圖2 頂梁主體結(jié)構(gòu)三維模型

1.3 頂梁結(jié)構(gòu)仿真模型建立

將建立的頂梁結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)入Anasys Workbench16.0 有限元分析軟件中建立仿真模型，為全面分析支架頂梁在不同工況下的受力狀態(tài)，仿真模型中還需建立立柱、底座等支架全部構(gòu)件，設(shè)置頂梁與立柱之間為鉸接約束，頂梁表面設(shè)置為接觸約束，頂梁材質(zhì)屬性設(shè)置為Q345。仿真模型中網(wǎng)格劃分大小設(shè)置為10 mm，并對(duì)柱窩、頂梁與尾梁鉸接等關(guān)鍵部位網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。液壓支架仿真模型如圖3 所示，頂梁材質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

圖3 液壓仿真模型網(wǎng)格圖

表1 頂梁材質(zhì)參數(shù)表

2 不同工況下頂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

液壓支架在實(shí)際工作中頂梁工況主要分為頂梁均勻承載和偏心載荷，對(duì)頂梁造成破壞的主要工況無(wú)疑為偏心載荷，而底座承載方式主要為底座兩端集中載荷和底座中間集中載荷，故設(shè)置頂梁在偏心加載下底座兩端集中載荷和底座中間集中載荷兩種工況下進(jìn)行受力分析，兩種工況下頂梁加載受力情況如圖4 所示。

圖4 頂梁不同工況加載受力

2.1 頂梁偏心載荷+底座兩端集中載荷工況分析

頂梁偏心載荷+底座兩端集中載荷仿真模型如圖5 所示，據(jù)圖5 所示，在該加載工況下，頂梁承載應(yīng)力從頂梁后部至前部呈從高到低的變化趨勢(shì)，即中部和后部承載應(yīng)力較高，前部承載應(yīng)力較小，最大承載應(yīng)力位置為頂梁與尾梁鉸接處的偏心加載側(cè)，最大應(yīng)力值為368.78 MPa，該值超過(guò)頂梁材質(zhì)的屈服強(qiáng)度345 MPa，故該工況下頂梁結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)為中部至后部區(qū)域，頂梁在該工況下長(zhǎng)期受載使用則可能發(fā)生中部至后部區(qū)域結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支護(hù)能力產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3-5]。

圖5 頂梁偏心加載+底座兩端集中載荷下頂梁受力（MPa）分布圖

2.2 頂梁偏心載荷+底座中間集中載荷工況分析

頂梁偏心載荷+底座中間集中載荷仿真模型如圖6 所示，據(jù)圖6 所示，在該加載工況下，頂梁承載應(yīng)力變化趨勢(shì)同頂梁偏心載荷+底座兩端集中載荷工況基本一致，最大承載應(yīng)力位置同為頂梁與尾梁鉸接處的偏心加載側(cè)，最大應(yīng)力值為357.65 MPa，超過(guò)頂梁材質(zhì)的屈服強(qiáng)度345 MPa。

圖6 頂梁偏心加載+底座中間集中載荷下頂梁受力（MPa）分布圖

通過(guò)兩種不同工況下的加載模擬結(jié)果得知，頂梁中部至后部承載應(yīng)力較高，頂梁與尾梁鉸接處的兩側(cè)為頂梁結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，長(zhǎng)期載荷下可能發(fā)生率先破壞，需對(duì)頂梁中部至后部及后部?jī)蓚?cè)進(jìn)行優(yōu)化改造。

3 頂梁結(jié)構(gòu)改造方案

1）為提高頂梁與尾梁鉸接處的強(qiáng)度，將該鉸接處的連接銷(xiāo)軸孔尺寸增加4 mm，鉸接處耳板厚度增加2 mm。同時(shí)將連接耳板及銷(xiāo)軸的材質(zhì)改用Q460鋼，以此提高頂梁與尾梁鉸接處的剛度。

2）為減少頂梁中部至后部的應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中的后部中間位置開(kāi)設(shè)1～2 個(gè)直徑不大于3 mm的小孔，開(kāi)孔后可有效將應(yīng)力集中情況部分分散轉(zhuǎn)移至小孔處，減少后部應(yīng)力集中情況，降低最大應(yīng)力值。

3）為增強(qiáng)頂梁中部至后部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)頂梁中部至后部頂梁頂板的厚度適量增加，為保證頂梁整體結(jié)構(gòu)的重量不變，避免增加額外重量，可將負(fù)載較低的前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，通過(guò)對(duì)不同部位進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化保證頂梁的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖7 為優(yōu)化改造后支架頂梁受力分布情況。

圖7 優(yōu)化改造后頂梁偏心加載下頂梁受力（MPa）分布圖

從圖7 可以看出，優(yōu)化改造后最大承載應(yīng)力已降低至321.37 MPa，已低于Q345 鋼的極限屈服強(qiáng)度345 MPa，后部應(yīng)力集中現(xiàn)象也有所降低。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦用ZY12000型液壓支架仿真建模，在不同工況下加載分析頂梁結(jié)構(gòu)性能，找出頂梁應(yīng)力集中區(qū)及承載薄弱部位，并對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部位進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化。優(yōu)化后的頂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得以整體加強(qiáng)，有效減少后部應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大承載應(yīng)力降低至頂梁材質(zhì)的極限屈服強(qiáng)度以下，保障了支架頂梁承載強(qiáng)度，滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需要。