礦用液壓支架頂梁強度分析與優(yōu)化研究

周紹華

（軒崗煤電有限責任公司劉家梁礦， 山西 忻州 034000）

引言

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，其工作的安全性和可靠性已引起各界的高度重視[1-4]。頂梁所處的工作環(huán)境較惡劣，受力情況較復雜，因此對其結(jié)構強度要求較高。液壓支架工作過程中，頂梁一旦受損，將會對綜采工作面內(nèi)工作的設備、人員等產(chǎn)生安全隱患，嚴重的將會釀成事故，給煤礦企業(yè)帶來不可估量的損失[5-6]。因此開展液壓支架頂梁強度分析與優(yōu)化研究具有重要意義。

1 液壓支架頂梁的組成及功能

頂梁作為液壓支架中極其重要的組件，其常用的結(jié)構形式包括以下三種：剛性頂梁、鉸接式頂梁和伸縮鉸接頂梁。其相同之處均采用鋼板焊接而成，呈現(xiàn)箱式結(jié)構，箱體內(nèi)部焊接加強筋，以提高頂梁的整體強度和剛度。頂梁的前端形狀大多制成滑撬形式，也可制成圓弧形式，目的是降低支架移動過程中的阻力。頂梁內(nèi)表面焊接兩個柱窩，其兩側(cè)設計連接銷孔，便于使用銷軸將頂梁與立柱連接，實現(xiàn)頂梁高度的調(diào)整；頂梁的尾部兩側(cè)設計兩個連接孔，采用銷軸將頂梁與掩護梁連接，實現(xiàn)頂梁的固定；頂梁尾部中間設計一個連接孔，用于連接千斤頂，實現(xiàn)頂梁工作過程中俯仰角的調(diào)整。

2 液壓支架頂梁有限元仿真分析

為了提高液壓支架頂梁工作的可靠性，保證頂梁具有足夠的結(jié)構強度，降低其工作的故障率，以ZF12000/23/35型礦用液壓支架頂梁為研究對象，對其結(jié)構進行靜力學有限元仿真分析，觀察頂梁結(jié)構內(nèi)部應力、位移分布情況，以期找出結(jié)構強度較低的位置，進行改進優(yōu)化，提高頂梁的整體承載能力。

2.1 三維模型建立

頂梁結(jié)構較為復雜，對其完整模型進行仿真分析不僅模型導入過程中極易出錯，而且仿真計算量很大，將會耗費大量時間，因此為了提高有限元仿真計算的效率和質(zhì)量，需要對模型進行簡化。省略各類倒角、焊縫等，將頂梁簡化成一個整體；省略部分對靜力學分析結(jié)果影響較小的結(jié)構小孔，提高網(wǎng)格劃分效果。簡化之后運用ProE三維軟件完成了頂梁三維模型的繪制，如圖1所示。

圖1 頂梁三維模型

2.2 有限元模型建立

將頂梁三維模型保存為.igs格式文件，之后導入ANASYSWorkbench 16.0大型有限元分析軟件，打開之后進行模型材料屬性的設置，頂梁材料為Q690，具體材料屬性參數(shù)如表1所示，按表內(nèi)參數(shù)數(shù)值賦予頂梁模型材料屬性。

表1 材料屬性

頂梁單元網(wǎng)格劃分過程中需要以頂梁結(jié)構為依據(jù)，頂梁結(jié)構簡化之后較為簡單，選擇實體單元類型中的六面體SOLID45單元即可，以便提高仿真分析計算的效率。接下來的工作是網(wǎng)格劃分，選擇ANASYS Workbench 16.0仿真分析軟件內(nèi)部自由劃分網(wǎng)格的方法完成。

頂梁工作過程中主要受到立柱的支撐以及掩護梁的鉸接約束，所受載荷主要來源于綜采工作面圍堰的壓力，此處進行頂梁靜力學分析約束設置時，將頂梁與立柱支撐位置、頂梁與掩護梁連接位置均設置為固定約束，為了更接近頂梁實際工作狀況，對頂梁施加偏載，壓力載荷施加位置處于頂梁上表面長度方向中心，寬度方向距離中心線四分之一位置，載荷大小為200 t，至此完成了頂梁有限元模型約束和載荷的設置。

3 仿真結(jié)果分析

對頂梁完成材料屬性設置、網(wǎng)格劃分、約束和載荷施加之后即可啟動ANASYS Workbench 16.0中的求解器進行仿真計算。仿真計算輸出結(jié)果根據(jù)需要可以進行選擇，如應力、應變、位移等，頂梁靜強度分析主要了解其強度分布情況，進而找出強度薄弱環(huán)節(jié)進行改進，因此結(jié)果輸出選擇Mises等效應力分布云圖和位移分布云圖。頂梁仿真分析結(jié)果如圖2、圖3所示，其中圖2為頂梁Mises等效應力分布云圖，圖3為頂梁位移分布云圖。

圖2 頂梁Mises等效應力分布云圖

圖3 頂梁位移分布云圖

從圖2頂梁的Mises等效應力分布云圖可以看出，液壓支架工作過程中頂梁的最大應力值σmax出現(xiàn)在前側(cè)板，最大應力值為1 440 MPa，觀察整個頂梁的應力分布云圖可以看出，應力分布以頂梁柱窩位置較為集中，應力值為980 MPa，向外擴散過程中應力逐漸減小，最小應力值接近0。由分析結(jié)果可以看出頂梁實際工作過程中應力集中位置的應力值已經(jīng)超過了頂梁材料的抗拉強度，繼續(xù)使用很可能出現(xiàn)破壞事故，需要進行結(jié)構改進，以期將頂梁的最大應力降低至材料屈服強度之內(nèi)，重點是頂梁前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強筋位置，保證頂梁工作的絕對安全。

從圖3頂梁位移分布云圖可以看出，在頂梁受力方向上，即Y軸方向，頂梁的左側(cè)護板出現(xiàn)了較為明顯的位移，位移量為20.25 mm，頂梁整體位移分布呈現(xiàn)出由左側(cè)護板位置向外延伸過程中位移量逐漸變小的趨勢，最小的位移量幾乎為0。由于仿真分析過程中的載荷施加為偏載，因此承受載荷一側(cè)護板出現(xiàn)了明顯位移變形，但是側(cè)護板工作過程中僅起保護頂梁的作用，并不直接承受載荷，因此頂梁的優(yōu)化工作重點應該放在前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強筋區(qū)域。

4 頂梁的優(yōu)化改進及效果

針對液壓支架中頂梁內(nèi)部最大應力超過材料抗拉強度問題，需要采取措施進行優(yōu)化改進，以實現(xiàn)頂梁實際工況所受的最大應力低于材料的屈服強度，提高液壓支架的安全可靠性。類似結(jié)構件的優(yōu)化措施較多，包括更換強度更高的材料進行頂梁制造；調(diào)整頂梁內(nèi)部結(jié)構件的分布或者增加內(nèi)部加強筋的數(shù)量，以提高整體承載能力；改變頂梁前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強筋的厚度。結(jié)合頂梁實際情況以及優(yōu)化改進方式的實施性，對于頂梁結(jié)構優(yōu)化改進的方法采用改變前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強筋厚度進行。

4.1 頂梁前端蓋板的改進

從圖2頂梁的Mises等效應力分布云圖可得最大應力出現(xiàn)在前側(cè)板和柱窩兩側(cè)加強筋位置，采用改變其厚度的方式進行優(yōu)化設計，以期提高整個頂梁的強度，保證頂梁工作過程的穩(wěn)定性。查閱工程圖紙得到當前頂梁前側(cè)板的設計厚度為15 mm，柱窩兩側(cè)加強筋厚度為25 mm，考慮到頂梁工作過程中前側(cè)板和筋板對于頂板承受載荷的重要性以及增厚對于頂梁重量的影響，將頂梁前側(cè)板的厚度增加15 mm，柱窩兩側(cè)加強筋厚度增加5 mm，之后修改有限元仿真分析模型，對改進之后的頂梁進行仿真分析，觀察頂梁的應力最大值。

4.2 仿真驗證

通過進行有限元仿真分析，得到了改進之后頂梁的Mises等效應力分布云圖，如下頁圖4所示。由圖4可以看出改進之后的頂梁應力狀態(tài)得到了大大改善，前側(cè)板位置的應力由改進之前的1 440 MPa降低至了486 MPa，這也是改進之后頂梁結(jié)構中的最大應力，其遠遠低于頂梁材料的屈服強度，柱窩兩側(cè)加強筋位置的應力由改進之前的980 MPa降低至了320 MPa，可見改進效果較為顯著，極大地提高了頂梁的結(jié)構強度。

4.3 改進應用及效果

根據(jù)仿真結(jié)果對液壓支架頂梁進行改進，在前側(cè)板基礎上焊接15 mm厚的Q690板，同時在原頂梁柱窩兩側(cè)加強筋基礎上焊接5 mm厚的Q690板，即完成頂梁的改造工作。通過跟蹤改造之后，液壓支架的工作情況得出頂梁改造效果明顯，降低了液壓支架的維護維修頻次和運維成本，大大提高了液壓支架的工作可靠性，為綜采工作面內(nèi)部作業(yè)人員的生命安全提供了保障。

圖4 改進后頂梁Mises等效應力分布云圖

5 結(jié)論

1）借助ProE和ANASYS Workbench 16.0軟件完成了頂梁的建模分析，確定頂梁前側(cè)板和柱窩兩側(cè)筋板處的最大應力值為1 440 MPa，高于頂梁材料的抗拉強度，存在設計缺陷。

2）通過加厚前側(cè)板和柱窩兩側(cè)筋板的方法對頂梁進行優(yōu)化改進，前側(cè)板和柱窩兩側(cè)筋板增厚至30 mm之后，分析結(jié)果表明，優(yōu)化改進效果顯著，最大應力為486 MPa，實踐結(jié)果表明改進之后的頂梁大大提高了液壓支架工作的可靠性。