基于ANSYS Workbench的四柱支撐掩護(hù)式液壓支架頂梁分析與優(yōu)化

楊洪濤　崔文寶　陳邦晟　江磊

【摘 要】文章以四柱支撐掩護(hù)式液壓支架ZZ7200/22/45為研究對(duì)象，分析了支架的承載結(jié)構(gòu)件和工作原理，研究了基于有限元分析的支架頂梁在頂梁兩端集中加載、頂梁扭轉(zhuǎn)、頂梁偏載3種較危險(xiǎn)工況下應(yīng)力分布和變形量云圖，進(jìn)而找出了頂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的位置，并對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化措施。優(yōu)化結(jié)果表明，在將主肋板厚度增加10mm后，達(dá)到了頂梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，提高了頂梁的剛度。為后續(xù)正確合理地設(shè)計(jì)液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)提供了理論支持。

【關(guān)鍵詞】支撐掩護(hù)式;有限元分析;應(yīng)力分布;支架頂梁;主肋板;剛度

中圖分類號(hào)： TD355.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0152-002

0 引言

液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)裝備，是煤礦能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的保證。煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜、工作面長(zhǎng)度加大以及煤壁片幫加劇，這些因素都導(dǎo)致液壓支架工作受載明顯、工作環(huán)境越發(fā)惡劣[1]。而頂梁又是液壓支架的重要部件，承擔(dān)著接受頂板巖石載荷，重復(fù)支撐頂板的作用，為工作面提供足夠的安全環(huán)境[2]。因此液壓支架頂梁的承載狀況對(duì)于綜采工作面的安全起著至關(guān)重要的作用。

1 液壓支架承載結(jié)構(gòu)件與工作原理

ZZ7200/22/45四柱支撐掩護(hù)式液壓支架承載結(jié)構(gòu)件主要由頂梁、掩護(hù)梁、連桿、底座等部分組成，其中頂梁與頂板接觸，承接來(lái)自頂板巖石和煤的壓力;掩護(hù)梁的主要作用是防止破碎頂板巖石掉入支撐工作面，為工作人員提供安全空間。連桿與掩護(hù)梁、底座組成四連桿結(jié)構(gòu)，控制支架的運(yùn)動(dòng);底座與地板接觸，通過頂梁將頂板的壓力、載荷傳遞給地板。而立柱是液壓支架最重要的部分，給頂梁提供足夠的支撐力，決定了支架的支撐高度與工作阻力。在液壓支架的組件支持下，液壓支架主要靠初撐、增阻承載、恒阻承載、拉架、推溜等幾個(gè)動(dòng)作交替進(jìn)行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化過程[6]。頂梁、掩護(hù)梁和平衡缸形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，借助連桿使支架頂梁前端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙扭線，從而使支架頂梁前端點(diǎn)與煤壁間的距離變化大大減小，提高對(duì)頂板支護(hù)的可靠性。而頂梁又是組成液壓支架的重要部件，主要作用是承接頂板巖石的載荷，反復(fù)支撐頂板，為工作面提供足夠的安全環(huán)境。因此頂梁結(jié)構(gòu)的受力情況、穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，其對(duì)于綜采工作面的安全起著至關(guān)重要的作用。

2 頂梁有限元分析

2.1 模型簡(jiǎn)化

頂梁是通過將頂板、蓋板、柱窩等部件拼焊而成，在支護(hù)的過程中直接與頂板接觸，承接來(lái)自頂板巖石和煤的壓力，對(duì)液壓支架的整體穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。本文所選取的四柱式液壓支架頂梁部分長(zhǎng)4523mm、寬1607mm、主要承力部分厚度為453mm，承載能力為200t。頂梁三維模型中包含大量倒角、圓孔、焊接坡口等結(jié)構(gòu)特征，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，分析效率會(huì)受到這些結(jié)構(gòu)特征的影響導(dǎo)致效率降低，所以需要對(duì)頂梁模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2.2 添加約束與載荷

在工作面開采的過程中，頂梁不僅受到來(lái)自立柱的支撐載荷，也承受來(lái)自工作面圍巖的壓力載荷。在對(duì)支架進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過加不同墊塊來(lái)反映支架受圍巖作用力的不同工況。但是若把墊塊施加的載荷當(dāng)做外力來(lái)處理，該狀況屬于超靜定系統(tǒng)，那么無(wú)法用力的平衡方程求出墊塊對(duì)支架的作用力;因此不把墊塊的作用力當(dāng)作外力來(lái)考慮，而是把墊塊的作用當(dāng)作邊界條件來(lái)處理[7]。頂梁的一側(cè)為接觸面，墊塊的一側(cè)為目標(biāo)面，同時(shí)約束墊塊下表面的Y方向自由度并將墊塊的上表面進(jìn)行全約束。

2.3 結(jié)果分析

（1）頂梁兩端集中加載

液壓支架在頂梁兩端集中加載的應(yīng)力云圖和變形量結(jié)果如圖4所示，此工況中，長(zhǎng)墊塊置于頂梁兩端。由圖4可以看出，在頂梁兩端施加集中載荷時(shí)，應(yīng)力主要集中在頂梁兩端靠近墊塊處，其最大應(yīng)力值為349.50MPa，沒有達(dá)到材料的屈服極限，其他部位應(yīng)力值也不大。頂梁的變形量最大為2.36mm，主要集中在頂梁的中部，向頂梁兩側(cè)逐漸遞減，而其他部件的變形很小，頂梁沿支架縱向的整體變形呈弓形。

（2）頂梁扭轉(zhuǎn)加載

對(duì)液壓支架頂梁施加扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)力和變形量云圖如圖5所示。由圖5可以看出，應(yīng)力最大值為576.54MPa，主要集中在方墊塊與主肋板處，超過了材料的屈服極限460MPa，因此此處為薄弱環(huán)節(jié)，可以適當(dāng)增加主肋板的厚度進(jìn)行改善。其他部位受力均勻，沒有出現(xiàn)大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。頂梁的中部偏離方形墊塊的一側(cè)位移最大，為3.68mm，且頂梁從方墊塊另一側(cè)頂梁側(cè)板處開始變形，向頂梁兩端和墊塊一側(cè)變形逐漸減小。此時(shí)，頂梁中部一側(cè)翹起變形。

在頂梁扭轉(zhuǎn)加載工況下，原來(lái)的材料并不能滿足頂梁的強(qiáng)度要求，在主肋板處最大應(yīng)力值達(dá)到576.54MPa，已經(jīng)超出了材料的屈服強(qiáng)度極限。目前采用的措施是將主肋板厚度增加10mm對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 在增加頂梁主肋板的厚度后，應(yīng)力分布云圖形狀基本保持不變，但最大應(yīng)力值降為384.36MPa，沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度極限，從而滿足強(qiáng)度要求。且最大位移量也降為2.45mm，減小了頂梁的變形，提高了頂梁的剛度。

（3）頂梁偏心加載

應(yīng)力分布主要集中在頂梁中蓋板附近，靠近頂梁端頭處應(yīng)力最大，其值為233.40MPa。沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度極限，其他部位應(yīng)力不大。液壓支架頂梁的總體變形量不大，最大變形發(fā)生在在一側(cè)銷孔處，為1.00mm，且頂梁向另一側(cè)位移在逐漸減小。此時(shí)頂梁沿支架對(duì)角線翹起變形。

3 結(jié)論

本文分析了液壓支架的承載結(jié)構(gòu)件和工作原理，研究了基于有限元分析的支架頂梁在頂梁兩端集中加載、頂梁扭轉(zhuǎn)、頂梁偏載3種較危險(xiǎn)工況下應(yīng)力分布和變形量云圖，進(jìn)而找出了頂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的位置，并對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化措施。，可以得到以下結(jié)論：

（1）在頂梁兩端受載時(shí)，應(yīng)力主要集中在頂梁兩端靠近墊塊處，但沒有達(dá)到材料的屈服極限。頂梁中部相較于兩端有較大變形。

（2）在頂梁扭轉(zhuǎn)加載時(shí)，頂梁的主肋板處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，而在將主肋板的厚度增加10mm后，最大應(yīng)力由原來(lái)的576.54MPa降低到384.36MPa，減小了應(yīng)力集中影響，滿足了材料強(qiáng)度要求。變形量也有原來(lái)的3.68mm降低到2.45mm，提高了頂梁的剛度。

（3）在頂梁偏心加載時(shí)，頂梁較兩端受載和扭轉(zhuǎn)工況的應(yīng)力和變形均小，此時(shí)頂梁中蓋板附近有較大變形，柱窩、鉸接及肋板處均安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵明遠(yuǎn)，李炳文，種法洋.基于Pro/E及ANSYS Workbench的液壓支架頂梁的靜力與疲勞分析[J].煤礦機(jī)械，2014，35（10）：226-228.

[2]董營(yíng)，周毅鈞，郁向紅.基于ANSYS Workbench放頂煤液壓支架頂梁有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2013，34（2）：99-100.