矿用液压支架顶梁实验研究

摘要:针对液压支架使用现状，通过三维建模软件PRO/E 和ANSYS 软件的无缝连接方式，将液压支架的已建模型数据导入ANSYS 有限元分析软件中。针对ZF3700/16/26 型矿用液压支架关键部件顶梁进行强度数值模拟，找到顶梁的力学规律，对比《液压支架通用技术条件》提出支架检测的合理化方向。

关键词:ANSYS；液压支架；数值模拟；顶梁

前言

液压支架是维持煤矿井下连续安全作业的关键设备，广泛的在煤炭矿井中应用。对煤炭生产中支架的压死、散架、零部件损坏等问题进行力学性能分析【1】。我国的液压支架检测标准历经28年的发展，已形成了MT312-2000标准，本文将利用有限元分析软件 ANSYS 结合三维造型软件Pro/E 进行三维建模和有限元分析，对ZF3700/16/26型液压支架主体部件顶梁进行加载试验的数值模拟，得出不同工况下的力学模拟的位应力云图和位移云图，依据云图数据，验证了支架整体结构的合理性，并对其薄弱环节进行了指明，对液压支架出厂检测提供理论依据。

1.有限单元模型建立

液压支架顶梁是由对多块钢板焊接而成得【2-3】，顶梁作为液压支架工作是直接与煤矿开采工作面顶板接触的部件，其力学性能尤在整机系统中尤为关键，其结构主要包括顶板、柱窝、筋板、内(外)主筋板弯板、及盖板组成。本论文以ZF3700/16/26型液压支架顶梁作为具体研究对象，建立PRO/E三维实体模型如图1所示，应用无缝数据转换技术，将其导入ANSYS软件中并以solid92四面体10节点单元进行网格划分，得到其有限单元模型如图2所示。

图1.顶梁proe模型图2.顶梁有限元模型 图3.顶梁端载应力云图 图4.顶梁端载位移云图

2.约束施加及数值模拟

顶梁强度试验以1.2倍额定工作阻力进行加载实验，垫块位置设置依《液压支架通用技术条件》进行，即调整并固定垫块位置为端载、偏载和集中载荷。

2.1顶梁端载模拟分析

对顶梁两端集中载荷加载试验的强度分析，对顶梁的外载荷由柱窝进行加载。加载试验的约束垫块位置为全约束，并且控制 x，y，z 方向自由度是零，计算结果分别得到应力云图（图3）和位移云图（图4）。

由图3可知，在顶梁端载试验的最大应力为 335.5 Mpa，位于支架顶梁主体外侧板及顶梁护帮板的内侧板与柱窝接触处；最大位移为1.67 mm，位于顶梁中部顶板及附近外侧板。顶梁最大变形在条件规定范围内，同时最大应力小于材料屈服应力，安全系数为 1.04，满足支架强度要求。

2.2顶梁偏载模拟分析

对顶梁偏载加载试验的强度分析，对顶梁垫块进行全约束设置，控制 x，y，z 方向自由度为零，对顶梁柱窝施加外力。得到其应力云图（图5）和位移云图（图6），图5显示最大应力为 332.7 Mpa，位于主体顶梁柱窝耳板及柱窝附近筋板处，并出展现明显的应力集中效应；图6显示最大位移为3.196 mm，位于顶梁护帮板外沿。顶梁最大变形在条件规定范围内，安全系数为 1.05，实际设计中可通过对柱窝附近盖板焊接加强板，提高顶梁强度。

图5.顶梁偏载应力云图 图6.顶梁偏载位移云图图7.顶梁扭转应力云图 图8.顶梁扭转位移云图

2.3顶梁扭转模拟分析

对顶梁扭转加载试验的强度分析，对顶梁垫块进行全约束，控制 x，y，z 方向自由度是零，对顶梁外载荷由柱窝进行加载【4-5】。得到其应力云图（图7）和位移云图（图8），图7显示顶梁最大应力为295.6 Mpa，位于主体顶梁前侧柱窝附近的筋板处；图8显示支架扭转试验最大位移为 3.33 mm，位于顶梁护帮板外侧板大尺寸处。顶梁最大变形在条件规定范围内，安全系数为 1.18，最大应力满足材料屈性的需要，满足支架強度要求。

2.4顶梁集中载荷模拟分析

对顶梁集中载荷加载试验的强度分析，对顶梁垫块进行全约束，控制 x，y，z 方向自由度是零，并对顶梁柱窝施加载荷【6】。得到其应力云图（图9）和位移云图（图10），图9显示顶梁出现的最高等效应力为 142.6 MPa，位于顶梁主体与柱窝相连接附近筋板处。图10显示在顶梁集中载荷试验中变形最大位移为 1.84 mm。根据试验标准，顶梁在试验中在这种试验条件下，最不容易破坏，安全系数为 2.45，顶梁的应力变化不大，满足支架强度要求。

通过对液压支架主体结构顶梁的仿真分析，讨论总结得到：

(1) 在整个有限元分析过程中，不同工况的加载条件下顶梁筋板的应力值都比较高；

(2) 对应力集中比较严重的顶梁结构可以直接应用强度较高的钢板进行焊接；

(3) 运用有限元法进行理论计算，对模型进行可行的简化处理，合理的划分网格能够加快运算速度，提高计算精度；合理的设置边界条件，使得各工况的加载试验结果更加准确可靠。

3.结论

(1) 不同工况的加载条件中，ZF3700/16/26型液压支架最大应力都体现了局部应力集中现象；

(2) 顶梁的最大应力值出现在顶梁端载试验中，最大应力为 335 Mpa，位于支架顶梁主体外侧板及顶梁护帮板的内侧板与柱窝接触附近；在液压之间检测时应特别注意对该部分的考核和加载测试。

4.参考文献

[1] 吴乐兵.液压支架的发展与前瞻[J]. 淮南职业技术学院学报, 2006,6(1):44-45.

[2] 李建军，刘毅涛.综采工作面液压支架压死的原因及处理方法[J].煤矿机械，2006，27(11):146-148.

[3] 王国法. 两柱掩护式放顶煤液压支架设计研究[J].煤炭科学技术，2003,31(4):36-37.

[4] 毛昌明. 基于现代设计方法的液压支架研究[D].太原：太原理工大学,2006，05.

[5] 乔红兵,赵雪松,范迅.轻型放顶煤液压支架的三维建模方法的研究[J].煤矿机械，2003(2):13-14.

[6] 杨奎.梁加宽式液压支架的虚拟仿真设计[D].兰州：兰州理工大学,2009.04.

作者简介

梁二君（1985-），男，工学学士，助理工程师，从液压支架检测工作。