煤礦綜采工作面液壓支架頂梁的強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

穆波波

（陽泉市大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架作為煤礦綜采工作面的重要組成設備，其整體設計結(jié)構(gòu)極為復雜，而煤礦綜采工作面的實際工作環(huán)境又較為惡劣，使得液壓支架在生產(chǎn)工作中極易出現(xiàn)故障情況。其中頂梁作為液壓支架的主體結(jié)構(gòu)之一，其主要發(fā)揮出受力傳遞以及頂板支護等作用，在實際應用中極易出現(xiàn)頂梁窩柱及周邊區(qū)域的損壞情況。對此，本文將基于此問題，提出三種優(yōu)化方案，進而解決頂梁損壞問題，保障液壓支架的使用壽命。

1 煤礦綜采工作面液壓支架生產(chǎn)工作中存在的問題

在煤礦綜采工作面生產(chǎn)工作中，液壓支架作為主要設備之一，其主要發(fā)揮著頂板支護、隔離采空區(qū)、維持井下作業(yè)空間、推移刮板輸送機等多種作用，是綜采工作面中使用數(shù)量最多的設備。然而因為綜采工作面的實際工作環(huán)境極為惡劣，使得液壓支架在應用中經(jīng)常會承受諸多超出設計范圍內(nèi)的外載荷，使得液壓支架極易出現(xiàn)損壞情況，其將會為煤礦生產(chǎn)留有極為嚴重的安全隱患。其中頂梁作為液壓支架主體結(jié)構(gòu)之一，在應用過程中也會出現(xiàn)損壞故障問題，具體表現(xiàn)為頂梁窩柱及周邊區(qū)域損壞等情況。

2 煤礦綜采工作面液壓支架頂梁有限元模型構(gòu)建

針對煤礦綜采工作面生產(chǎn)中頂梁存在的頂梁窩柱及周邊區(qū)域損壞等情況，本文將基于現(xiàn)有頂梁結(jié)構(gòu)特征，提出以下三種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：

優(yōu)化方案一：在頂板窩柱結(jié)構(gòu)上設置側(cè)板以及底部筋板結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)情況如圖1-2 所示；

優(yōu)化方案二：對原有頂板窩柱結(jié)構(gòu)實施改進優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)情況如圖1-3 所示；

優(yōu)化方案三：對原有頂板薄柱窩加側(cè)板結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)情況如圖1-4 所示。

基于圖1 中的四種頂梁結(jié)構(gòu)，通過Simulation 軟件開展有限元分析。同時，在具體有限元分析前，為能夠有效降低有限元分析時的計算壓力，還需要將頂梁結(jié)構(gòu)中的對主體結(jié)構(gòu)性能影響較小或者不參與承載結(jié)構(gòu)的部件進行適當省略，進而構(gòu)建有限元分析模型，以此開展有限元仿真模擬分析。

圖1 頂梁優(yōu)化前結(jié)構(gòu)及三種優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)示意圖

3 煤礦綜采工作面液壓支架頂梁的強度有限元分析

在煤礦綜采工作面生產(chǎn)工作中，在不同的外載荷作用下，液壓支架的實際工況也多種多樣，其中頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況和頂梁偏心載荷工況作為兩種最容易導致頂梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞的工況條件，對兩種工況條件下液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)強度性能進行有限元分析，將可以為后續(xù)頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相應參考。因此，本文將選取兩種工況條件進行有限元分析，具體內(nèi)容如下：

3.1 頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況條件下頂梁強度有限元分析

如下頁圖2 所示，在頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況條件下，優(yōu)化前液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果中所承受的最大應力值為436 MPa，最大應力點位于頂梁的中部偏右端位置。因為有限元分析中頂板所采用的材料為Q460 材料，此種材料的最大許用應力值為460 MPa，所以優(yōu)化前的頂板結(jié)構(gòu)最大應力值未超過限值，但考慮到液壓支架極為復雜的工作環(huán)境，還需要實施適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。

圖2 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)應力云圖

如圖3 所示，在頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況條件下，優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中最大應力值為421 MPa，相對于頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的436 MPa 最大應力值來說，優(yōu)化后的受力情況得到一定改善，說明此優(yōu)化方案具有一定有效性。

圖3 優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)的應力云圖

優(yōu)化方案二的有限元分析過程與優(yōu)化方案一的有限元分析過程大致相關(guān)，所以對于優(yōu)化方案將不再具體描述說明，以下將直接說明有限元分析結(jié)果，后續(xù)有限元分析均相同。在頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況條件下，優(yōu)化方案二結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中最大應力值為409 MPa，相對于頂梁優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)受力來說，優(yōu)化后的受力情況得到一定改善，說明此優(yōu)化方案具有一定有效性。同時，相對于優(yōu)化方案一來說，優(yōu)化方案二也具有更強的結(jié)構(gòu)受力改善效果。

在頂梁扭轉(zhuǎn)載荷工況條件下，優(yōu)化方案三結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中最大應力值為398 MPa，相對于頂梁優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)受力來說，優(yōu)化后的受力情況得到一定改善，說明此優(yōu)化方案具有一定有效性。同時，相對于優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二來說，優(yōu)化方案三具有更好的頂梁結(jié)構(gòu)受力改善效果。

3.2 頂梁偏心載荷工況條件下頂梁強度有限元分析

如圖4 所示，在頂梁偏心載荷工況條件下，優(yōu)化前液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果中所承受的最大應力值為366 MPa，最大應力點位于頂梁的中部偏右端位置。因為有限元分析中頂板所采用的材料為Q460 材料，此種材料的最大許用應力值為460 MPa，所以優(yōu)化前的頂板結(jié)構(gòu)最大應力值未超過限值。

圖4 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)應力云圖

如圖5 所示，在頂梁偏心載荷工況條件下，優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中最大應力值為368 MPa，相對于頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的366 MPa 最大應力值來說，實際受力情況不僅沒有得到改善，反而出現(xiàn)一定的反作用，說明此種優(yōu)化方案較不合理。

圖5 優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)的應力云圖

在頂梁偏心載荷工況條件下，優(yōu)化方案二結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中最大應力值為343 MPa，相對于頂梁優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)受力來說，優(yōu)化后的受力情況得到一定改善，說明此優(yōu)化方案具有一定有效性。

在頂梁偏心載荷工況條件下，優(yōu)化方案三結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果中最大應力值為339 MPa，相對于頂梁優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)受力來說，優(yōu)化后的受力情況得到一定改善，說明此優(yōu)化方案具有一定有效性。同時，相對于優(yōu)化方案二來說，優(yōu)化方案三具有更好的頂梁結(jié)構(gòu)受力改善效果。

4 煤礦綜采工作面液壓支架頂梁優(yōu)化方案工程應用

總體來說，在三種頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中，優(yōu)化方案三最具有效性，所以將會直接選取此種方案作為頂梁最佳優(yōu)化方案。此外，鑒于有限元分析結(jié)果較為理想化，可能會與煤礦綜采工作面中液壓支架實際工作條件存在一定差異，導致有限元分析結(jié)果與實際情況存在較大差異。對此，實際研究中還會根據(jù)優(yōu)化方案三制作實物，然后將實物應用于工程實踐。具體工程實踐周期為6 個月，通過實踐應用發(fā)現(xiàn)，相對于現(xiàn)有液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)來說，優(yōu)化方案三中的頂梁結(jié)構(gòu)更具科學性，可以將頂梁所承受的各種外載荷進行分攤受力，進而降低頂梁所承受的最大載荷，保障液壓支架頂梁的應用安全性。由此可見，本文所提出的優(yōu)化方案較具有效性，可以在后續(xù)液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進行參考應用。

5 結(jié)語

本文基于當前煤礦綜采工作面中液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)應用中存在的頂梁窩柱及周邊區(qū)域損壞等情況，合理提出三種頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并對三種頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案開展有限元分析，最終發(fā)現(xiàn)，在三種優(yōu)化方案中，以優(yōu)化方案三最具實用優(yōu)勢，所以研究中將此種頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案作為最佳優(yōu)化方案。同時為能夠進一步確認此優(yōu)化方案的有效性，還將最佳優(yōu)化方案應用于工程實踐，進一步確認最佳優(yōu)化方案的有效性，證明此種方案較為科學合理，可在煤礦綜采工作面液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)或者整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進行參考應用。