5.6 m液壓支架掩護(hù)梁靜力學(xué)分析

崔擁軍

（山西晉煤集團(tuán)金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城048006）

引言

綜采支護(hù)設(shè)備中使用數(shù)量最多、投資最多的設(shè)備就是液壓支架，并作為綜采工作面三大配套設(shè)備之一。液壓支架[1]能夠有效并可靠地隔離采空區(qū)，支撐和控制巷道頂板，推進(jìn)輸送機(jī)和防止矸石進(jìn)入回采工作面。而掩護(hù)梁與底座和前后連桿形成四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)使液壓支架在升降時(shí)，與頂梁的運(yùn)動(dòng)形成一條雙扭線軌跡[2]，從而保證液壓支架能在工作面正常運(yùn)行。

在實(shí)際工作中，井下工作狀況復(fù)雜多變，掩護(hù)梁會(huì)出現(xiàn)損壞情況。為滿足工作要求，本文在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用Pro/E三維軟件和ANSYS有限元分析軟件，以ZY1300/28/56液壓支架掩護(hù)梁為研究對(duì)象，對(duì)其掩護(hù)梁作ANSYS有限元分析，獲得其應(yīng)力云圖，通過該云圖可對(duì)掩護(hù)梁作優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)液壓支架掩護(hù)梁后續(xù)的分級(jí)計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)及受力

1.1 液壓支架結(jié)構(gòu)

圖1為5.6 m液壓支架組成。

圖1 5.6 m液壓支架組成

1.2 液壓支架受力狀況

支架各零部件的受力均是在支架處于最大高度時(shí)，并且以運(yùn)行環(huán)境最惡劣時(shí)為基礎(chǔ)計(jì)算的。首先要對(duì)支架結(jié)構(gòu)作平面受力分析，需作如下假設(shè)：將掩護(hù)梁、頂梁及底座的載荷設(shè)置為線性分布的載荷，將支架的空間結(jié)構(gòu)設(shè)置為平面桿系，將箱型結(jié)構(gòu)設(shè)置為梁的結(jié)構(gòu)件。

液壓支架的整體結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示，以掩護(hù)梁為研究對(duì)象，其力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2 液壓支架平面受力簡(jiǎn)圖

圖3 掩護(hù)梁的空間力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)掩護(hù)梁空間力學(xué)模型建立平衡方程：

根據(jù)掩護(hù)梁空間力學(xué)模型的平衡方程，并參照ZY1300/28/56過渡支架掩護(hù)梁已知參數(shù)，即可獲得掩護(hù)梁受力情況，如表1及表2所示。

表1 頂梁與掩護(hù)梁受力情況 kN

表2 掩護(hù)梁與前后連桿及千斤頂受力情況 kN

1.3 建立掩護(hù)梁實(shí)體模型

液壓支架掩護(hù)梁為箱體，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通過Pro/E建立三維模型[3]，如圖4所示。在保證液壓支架運(yùn)行正常及受力不變的情況下，作簡(jiǎn)化處理：省略側(cè)護(hù)板，省略掩護(hù)梁上的圓角和部分孔，省略或簡(jiǎn)化螺紋、焊縫及管線，簡(jiǎn)化起加強(qiáng)作用的筋板。

圖4 掩護(hù)梁3維模型

簡(jiǎn)化之后，掩護(hù)梁受載荷的能力不受影響，并且對(duì)整架的受力情況影響也不大，同時(shí)可減小有限元分析計(jì)算的時(shí)間，計(jì)算效率明顯提高。

2 有限元分析

2.1 建立模型

1）屬性定義。定義材料為Q590，其抗拉強(qiáng)度為670～830 MPa，屈服強(qiáng)度為590 MPa。

2）網(wǎng)格劃分。對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]能夠比較真實(shí)地仿真出在外載荷作用下掩護(hù)梁的受力情況，掩護(hù)梁網(wǎng)格圖如圖5所示。

圖5 掩護(hù)梁的網(wǎng)格圖

2.2 定義邊界約束和載荷

1）設(shè)置邊界約束：約束掩護(hù)梁和頂梁鉸接處x、y、z三方向的移動(dòng)自由度。

2）施加載荷：根據(jù)鉸接處受力情況，將表1和表2所獲得的力加載在掩護(hù)梁的受力位置。

2.3 求解及分析結(jié)果

經(jīng)過ANSYS有限元分析計(jì)算，獲得了掩護(hù)梁的受力應(yīng)力云圖，如圖6所示。從圖6可知，掩護(hù)梁的應(yīng)力分布值在0～567.55 MPa；較大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁和掩護(hù)梁鉸接孔以及掩護(hù)梁和前、后連桿等位置，其中掩護(hù)梁和鉸接孔處的應(yīng)力最大，其值達(dá)到567.55 MPa，雖然在鋼材的強(qiáng)度范圍內(nèi)，但已接近上限，需加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)。

圖6 掩護(hù)梁應(yīng)力云圖

根據(jù)分析結(jié)果，在保證支架強(qiáng)度的情況下，對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

1）掩護(hù)梁整體受力不大，應(yīng)選擇與其應(yīng)力相匹配的材料，或按照應(yīng)力值調(diào)整鋼板厚度，對(duì)應(yīng)力較小處可用薄板，對(duì)應(yīng)力大的位置可加厚或增加筋板。

2）在掩護(hù)梁和前、后連桿鉸接孔及掩護(hù)梁與頂梁鉸接孔等處，所承受的應(yīng)力較大，應(yīng)對(duì)這些位置進(jìn)行局部加強(qiáng)，比如選用強(qiáng)度更高的鋼材或焊接加筋板等，以確保掩護(hù)梁連接處的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過分析計(jì)算，可知掩護(hù)梁與前后連桿及頂梁鉸接處應(yīng)力較大，需加強(qiáng)其強(qiáng)度；其受力分析結(jié)果，可為掩護(hù)梁后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性提供一定的理論基礎(chǔ)。