基于ABAQUS软件对液压支架掩护梁的优化研究

李曜彤

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

液压支架作为煤矿开采重要装备，其使用、开发、结构优化一直以来都是设计、使用者们研究的重点领域。我国的煤炭资源丰富，且多为矿藏。厚煤层需要型号较大、结构更优的液压支架[1]。液压支架结构承载能力是一个方面，但是同时也要考虑结构重量、稳定性、经济性等问题。这就对液压支架的性能要求也越来越高，所以迫切需要对现有的设备进行改进和优化，以适应不断提高的性能要求。现以ZY12000/20/40 型掩护式液压支架为分析对象，该液压支架由阳泉煤业集团华越机械有限公司设计制造，其性能良好，结构设计借鉴了国内外掩护式液压支架比较成熟的技术[2]。但在实际应用中，发现其性能仍有一定的优化空间。

1 ZY12000/20/40 型液压支架

ZY12000/20/40 掩护型液压支架可用于多种地质条件下煤矿开采，下面对其特点以及主要技术参数做简要说明：

1）主要组成结构：

液压支架主要由两大部件组成，包括主体结构部件和液压元器件。主体结构包括：掩护梁、顶梁、连杆、底座等，该液压支架结构见图1[3]。

2）液压系统：

包括各个部件的液压缸、操作阀、多路阀、多路控制开关，以及各种液压辅助元件。

3）工作参数：

液压支架支护高度：2 000～4 000 mm，支架中心距为1 750 mm，工作阻力12 000 kN，适用于煤层倾角：≤12°，要求工作面采高范围为2.2～3.8 m[4]。

图1 ZY12000/20/40 液压支架结构

2 掩护梁目前存在的问题

液压支架作为井下煤矿开采活动中重要的支撑设备，对煤矿采煤工作面开采的安全起到了巨大保障作用。但由于液压支架承受载荷工况复杂且所处工作环境恶劣，常导致液压支架出现故障。掩护梁作为连接顶梁与底座的部件，承受着来自顶板的交变载荷，在交变载荷的作用下结构容易出现故障。

由于液压支架掩护梁作为一种大型的薄壁焊接结构，其内部包含大量焊缝。掩护梁与顶梁和底座之间的连接支耳处常存在应力集中的情况，焊缝在交变载荷的作用下容易产生疲劳裂纹，从而危及结构安全。因此，对掩护梁强度进行优化分析，降低结构中应力集中区域应力值，从而有效提高掩护梁的使用寿命。

3 技术分析方法

在此借助ABAQUS 有限元分析软件作为研究掩护梁强度的工具。ABAQUS 是一种功能强大的有限元分析软件，对解决许多复杂的非线性问题，具有较好的计算收敛性能。ABAQUS 可模拟典型的工程材料，如金属、混凝土、高分子复合材料等，能够解决结构分析问题、热耦合性分析问题、岩土力学分析问题等等，使用方便，被广泛应用于工程领域。下面对掩护梁有限元分析模型的建立做简要说明。

3.1 模型创建

采用子模型法获取掩护梁载荷与边界，首先基于Creo 软件创建掩护梁三维模型，在模型的创建中简化一些细小特征，如圆角或小孔等细节特征[5]。

3.2 材料参数

结构的主要材料均采用等厚度钢板，钢板材采用的是Q550 钢。在模型处理时不考虑非线性问题，忽略材料之间的间隙、裂缝等不均匀性和材料非线性因素。Q550 的弹性模量E=2.1×105 MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服强度550 MPa。

3.3 边界条件与载荷

图2 两种工况下垫块位置

根据《煤矿用液压支架通用技术条件》[6]中试验载荷工况，采用子模型法获取掩护梁边界条件。本文选择两种典型工况作为分析研究依据，根据标准，选择顶梁偏载荷、扭转工况，作为应力分析的的工况。两种工况下垫块位置见图2。图中a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=50 mm。

将立柱对支架结构的作用，用作用于柱帽于柱窝各自内表面上均匀载荷代替，作用力大小为1.2×12 000=14 400 kN。垫块与顶梁连接设置接触，取金属间摩擦系数0.15；模型中采用销钉约束代替柱销联结，最后再从整体提取掩护梁子模型边界条件。

3.4 网格划分

模型网格划分采用自由网格划法，网格单元大小为40 mm，采用四面体网格进行划分，单元类型选择solid45，最终建立的有限元模型共有179 613个单元。

4 分析结果

掩护梁结构作为液压支架的子结构，具有受载荷复杂，容易产生疲劳破坏的特点。根据标准给定的两种极端工况对压夜支架掩护梁子模型进行分析，见图3、图4。为在两种工况下掩护梁应力分布情况，可以知道掩护梁的应力分布情况，从而为结构优化提供有力参考。

图3 偏载荷工况掩护梁应力图

图4 扭转载荷工况掩护梁应力图

根据计算结果，扭转工况最大应力值446 MPa，已经非常接近材料屈服极限，偏载荷工况下应力值最大为335 MPa。根据两种工况的应力分布情况可知，立柱连接耳板与掩护梁腹板相连接处应力集中明显，且在扭转工况下掩护梁腹板与防护装置连接区域存在应力集中区。掩护梁实际结构中，立柱连接耳板与掩护梁主体结构之间采用焊接连接，因此，需要特别留意焊缝在工作载荷作用下容易产生疲劳裂纹。

5 掩护梁优化改进

根据掩护梁有限元分析计算结果，可以确定掩护梁的薄弱区域，结合液压支架在实际使用中常产生故障的区域，有针对性地对液压支架掩护梁结构进行优化，有效提高液压支架的可靠性以及使用寿命。

对掩护梁进行结构改进，为削减连接耳板以及与顶板连接位置应力集中情况，最后根据扭转工况的载荷条件对优化后的掩护梁结构进行分析，见图5。对掩护梁底板承载较小的区域，做挖孔处理，同时改进掩护梁横向加筋隔板为圆柱形加强结构，其余结构保持不变，建立优化后的三维模型。

图5 掩护梁优化后结构

图6 掩护梁优化后应力分图

将三维模型导入ABAQUS，并设置与扭转工况相同的材料与边界条件，进行求解。计算得到改进后掩护梁最大应力值为362 MPa，相较于未优化时扭转工况最大应力446 MPa，减小84 MPa，极大的降低了支耳位置应力集中的情况，有效提高掩护梁使用寿命。

对液压支架掩护梁做了上述结构优化后，改进后的液压支架，在实际使中1年时间内，均未见局部出现疲劳裂纹，改进方案具有实际意义。切实提高了液压支架的可靠性，减少设备维护成本，为企业创造了更多的价值。

6 结语

1）本文基于ABAQUS 对ZY12000/20/40 型液压支架掩护梁结构进行了强度分析，并根据分析研究结果和实际使用情况对掩护梁结构进行优化改进。分析结果表明改进后掩护梁最大应力值为362 MPa，相较于优化前减小84 MPa。有效降低了掩护梁危险区域应力集中情况，可提高掩护梁可靠性以及使用寿命。

2）对液压支架掩护梁做了上述结构优化后，该批次改进后的液压支架，在实际未见局部出现疲劳裂纹，改进方案具有实际意义。切实提高了液压支架的可靠性，减少设备维护成本，具有推广价值。