ZF12000/22/42 型液压支架支护梁强度分析与优化的研究

庞有利

（大同市同煤集团机电装备公司中央机厂， 山西 大同 037001）

引言

目前，综放开采已经成为实现厚煤层高效、高产开采的重要途径，其中发展出来许多相适应的设备，例如放顶煤液压支架[1]。随着综放开采工艺的不断进步，后续又对为放顶煤液压支架进行了不断的改进和设计[2]。但是综放工作面使用的放顶煤液压支架在实际使用过程仍然出现一些问题，常见的有：支架结构不能适应疏松、破碎的岩层；支架受压力作用，在掩护梁处发生较大的变形；抗冲击能力弱；支架对顶煤控制能力差，出现冒顶现象等。文章基于有限元对ZF12000/22/42 型掩护梁强度进行分析，并提出了改进，为后续其结构设计提供理论参考。

1 ZF12000/22/42 型液压支架

ZF12000/22/42 型液压支架适用于厚煤层作业面的开采[3]，主要对该型放顶煤液压支架的特点以及组成做简要说明。

1.1 特点

工作面采用大配套，保证了截深和有效的移架步距，同时液压支架工作阻力较大，可以提高支架对顶煤的支撑能力。

掩护梁整体采用箱型板材结构，两侧均布置有防护板，可以实现对掩护梁整体的加强，确保梁的工作环境免受污染，从而提高掩护梁的使用寿命。液压支架底座为整体式刚性底座，底座结构强度足够。

1.2 使用条件

作业煤层厚度范围6～16 m；适应煤层倾角要求≤15°；仰采角度要求≤25°；液压支架顶板所承受压力不应大于12 000 kN。

1.3 组成构建

液压支架主要构建可以分为金属结构件、液压元件两大类，其中金属构建主要有顶梁、掩护梁、支撑连杆、尾梁等。液压元件主要包括多路控制阀、油缸、油箱、安全阀等。图1 所示为ZF1200/22/42 放顶煤液压支架结构示意图。

图1 ZF1200/22/42 放顶煤液压支架结构示意图

2 掩护梁有限元模型的建立

掩护梁上方与顶梁通过铰接方式连接，中间部分通过铰接与连杆相连接，最终与底架连接构成液压支架的主体构建。液压支架在承受弯曲和扭转载荷工况时，掩护梁工作状况较为恶劣，因此液压支架的掩护梁必须要有足够的强度。液压支架掩护梁主要为箱形变断面结构，由各种规格钢板焊接而成[4]。

掩护梁由各种钢板焊接而成，是典型的薄壁焊接结构，由于存在较多的焊缝以及不规则型材容易出现应力集中的情况等，因此需要对其结构进行研究。首先基于Solid Works 建立该液压支架的掩护梁模型，掩护梁外形尺寸为：长×宽×高=2 594 mm×1 570 mm×510 mm，保存为通用”STP”格式，然后导入ABAQUAS 软件，进行有限元模型前处理[5]。

根据液压支架相关技术标准——《煤矿用液压支架第部分：通用技术条件》对液压支架进行强度分析，选取顶梁扭转加载、顶梁偏心加载工况作为试验分析的工况，在此不再将两种工况具体内容列出。根据标准给的载荷与边界约束规范对液压支架整体进行分析，得到掩护梁子模型的边界条件，从而得到掩护梁应力分布情况[6]。

2.1 材料参数

ZF12000/22/42 掩护梁主体结构均采用Q460 材料焊接而成，再对模型材料参数进行设置，已知Q460 材料参数见表1 所示。

表1 掩护梁材料参数

2.2 边界条件

掩护梁有限元分析载荷与约束的施加，由于单独的掩护梁边界条件需要从液压支架整体分析得到。因此采用子模型法，前期研究关于液压支架整体在工况作用下应力分布规律，提取边界条件施加于掩护梁子模型上。由于篇幅所限，对液压支架整体仿真边界条件进行说明。首先，垫块位置被当做对顶板的约束来施加；其次，垫块与顶梁连接设置接触，取金属间摩擦系数0.15；最后，模型简化，采用销钉约束代替柱销联结。再从整体提取掩护梁子模型边界条件。

2.3 载荷施加

模拟分析时，试验压力均为1.2 倍工作压力。由此可以得到载荷的大小为12 000×1.2=14 400 kN。载荷的作用位置与方向：力的作用线沿立柱的轴线方向，添加在柱窝的球面上。

2.4 网格处理

由于模型网格要求不高，使用自由网格划法，采用四面体网格进行划分，单元类型选择Solid45，模型一共划分得到11 万个网格。

3 强度分析结果

图2、图3 分别为扭转工况与偏载荷工况时，掩护梁应力分布情况，根据计算结果，在扭转工况下，与顶梁连接处的铰接位置应力较大，同时立柱支耳连接处应力最大，最大应力值459 MPa，接近材料的屈服极限。偏载荷工况时，在立柱连接耳板、掩护梁底部加强筋等存在应力集中情况，此时最大应力值为439 MPa。

通过对掩护梁在不同工况的有限元应力分析，掌握了掩护梁应力应变分布状况，找出掩护梁可能存在的薄弱环节、薄弱区域，有针对性地对掩护梁关键部件进行结构优化，从而有效提升其强度，提高液压支架的整体性能。

4 掩护梁优化改进

掩护梁是液压支架的主要受力结构之一，同时与顶梁和底座以及连杆连接，受力情况复杂。液压支架实际使用中曾经掩护梁前端耳板附近出现过疲劳裂纹，并且裂纹不断扩散，与仿真结果出现的应力集中区域相似。

图2 扭转载荷工况顶梁应力图

图3 偏载荷工况掩护梁应力图

根据分析结果，为了缓解耳板以及与顶板连接位置应力集中情况，最大限度改善掩护梁立柱耳板与顶板铰接位置的应力分布。在掩护梁顶梁连接位置的箱体内增加两个斜加强板，如图4 所示，按相同的载荷与边界条件对其进行应力有限元分析。

图4 掩护梁优化结构示意图

根据优化后应力计算结果，如图5 所示，对掩护梁添加斜加强筋后，应力集中情况明显减弱，最大应力值358 MPa，相较于原掩护梁模型，应力减小22%，有效提升了液压支架的整体性能。优化掩护梁结构，可以对液压支架的改进设计提供参考。

图5 掩护梁优化后应力分图

5 结论

1）从ZF12000/22/42 型液压支架关键零部件掩护梁的结构安全入手，对掩护梁在两种实验工况下的应力进行分析，得到掩护梁在两种工况下应力、应变分布，以及最大应力值，找到了掩护梁结构的薄弱部位。

2）根据有限元计算的结果，提出了对掩护梁薄弱部位采用加斜加强筋的方法进行优化，同时施加于扭转工况相同的边界与载荷，得到优化后最大应力358 MPa，且整体应力分布均减小。优化改进结构强度增加明显，为后续掩护梁的结构设计与应用提供有利参考。