液压支架掩护梁强度有限元分析及优化

袁慧娟，刘向丽

（1.大同煤炭职业技术学院机电工程系，山西大同 037000；2.山西大同大学教学实验与实训中心，山西大同 037000）

0 引言

液压支架在煤矿综采工作面主要发挥支护作用，是综采工作面必不可少的重要设备，液压支架的掩护梁主要负责工作面前端的顶板支护和挤压煤墙防止片帮冒顶。在实际使用过程中，液压支架可能发生偏心加载以及掩护梁长期的高负载和矸石的撞击等因素导致掩护梁结构发生变形甚至断裂等情况，一旦发生此情况，对工作面的安全生产构成很大威胁，更换液压支架也严重影响生产。因此，通过仿真模拟液压支架掩护梁的受力并分析掩护梁变形、断裂的原因，提出掩护梁结构的优化改造方案，增加掩护梁的支撑强度。

1 液压支架掩护梁变形原因分析

造成液压支架掩护梁变形、开裂有多方面的原因，主要包括以下3 点：

（1）掩护梁长期处于高负荷加载支撑，掩护梁出现金属疲劳造成支撑强度下降，当顶板压力超过其支撑强度能力时，掩护梁则会出现变形、断裂。

（2）掩护梁受力不均，出现偏心加载的情况，导致掩护梁所受扭矩较大，出现掩护梁扭转变形。

（3）液压支架后部过度放煤且顶板未垮落以及支架立柱的支撑高度不足导致液压支架整体呈前低后高的情况，均会造成顶板压力集中到煤墙及掩护梁上方，导致掩护梁受力过大。

以上3 种情况，均会造成掩护梁的变形、断裂，除第一种难以避免的情况外，其余均可认为是对液压支架的使用及管理不当造成。因此，以ZY6400/21/45型液压支架为例，通过仿真模拟软件对液压支架进行模拟加载，找出掩护梁应力最大位置及薄弱易变形破坏位置，然后提出优化改造方案。

2 液压支架支撑强度的分析

2.1 掩护梁不同工况下的受力载荷

根据ZY6400/21/45型液压支架的设备参数，设立掩护梁扭转加载和偏心加载两种极限工况，分析其受力载荷。掩护梁扭转加载和偏心加载受力位置如图1、图2 所示。

按照图1、图2 两种不同受力工况下，结合ZY6400/21/45型液压支架的工作参数，按照极限工况，计算在极限扭转加载和极限偏心加载情况下掩护梁受力位置所受的载荷大小见表1。

表1 两种载荷工况

图1 掩护梁扭转加载受力位置

图2 掩护梁偏心加载受力位置

2.2 掩护梁有限元强度分析

ZY6400/21/45型液压支架掩护梁材质为Q460金属，查阅材料力学性能参数，其密度为7.85 kg/mm3，弹性模量为2.1 e5 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为460 MPa。采用有限元构建掩护梁模型，在极限工况下计算应力最大的掩护梁位置，根据有限元模拟计算结果，液压支架掩护梁在极限扭转载荷中结构所受最大应力为398 MPa，最大应力位置为掩护梁柱窝处；在极限偏心载荷中结构所受最大应力为451 MPa，最大应力位置为腹板底座处。通过对比得出，掩护梁所受最大应力及位置为偏心载荷下的腹板底座处，此结果说明掩护梁受偏心载荷期间承受应力最大，和实际工作中掩护梁受偏心加载情况下容易造成掩护梁变形和断裂是一致的。其次，根据数据分析，在极限偏心载荷中掩护梁所受最大应力为451 MPa，经对比已接近Q460 金属的屈服强度为460 MPa，加上在长期的负载情况下，造成金属疲劳导致材质的屈服强度下降，当其屈服强度下降至451 MPa 以下时，若支架出现极限工况下的偏心载荷，则会发生支架掩护梁变形甚至断裂。为加强掩护梁的承载强度，需对掩护梁结构进行改造优化。

2.3 掩护梁结构优化方案

根据图1、图2 计算及分析结果，掩护梁在极限工况下的扭转载荷和偏心载荷最大应力位置分别为掩护梁柱窝处及腹板底座，针对这两个位置进行改造优化，主要方案为：

（1）在掩护梁前端箱体内的各增加一块筋板，筋板在箱体内安设呈对角斜置，如图3 所示。

图3 掩护梁筋板安设位置

（2）掩护梁筋板位置对掩护梁的腹板材料进行加厚，增强掩护梁的承载能力。该改造方案简单，改造成本低，易于实施。

2.4 改造后掩护梁强度分析及对比

将改造后的液压支架掩护梁构建有限元模型，然后采用极限工况下的扭转加载和偏心加载，观察其受最大应力的大小和位置的变化，并与改造前的加载结果进行对比，结果如下：

（1）掩护梁扭转加载下的应力结果分析及前后对比。在极限扭转加载情况下，改造前所受最大应力为398 MPa，最大应力位置为掩护梁柱窝处。改造后，掩护梁最大应力位置没有改变，但所受最大应力降低至346 MPa 。

（2）掩护梁偏心加载下的应力结果分析及前后对比。在极限偏心加载情况下，改造前所受最大应力为451 MPa，最大应力位置为掩护梁腹板底座处。改造后，掩护梁最大应力已降低至403 MPa，数值明显降低，且远离Q460 金属的屈服强度为460 MPa，在最大应力位置上没有改变，但应力分布从整体来看更为均匀。通过改造前后的综合对比，改造后掩护梁在极限扭转加载情况下最大应力降幅13.1%，在极限偏心加载情况下最大应力降幅10.6%，液压支架掩护梁改造前后应力对比如表2 所示。

表2 液压支架掩护梁改造前后应力对比

3 结语

针对液压支架掩护梁易变形断裂问题，通过有限元模型计算并分析其最大应力值及受力位置，提出成本低、易于实施的优化改造方案，改造后通过有限元计算并分析出掩护梁所受最大应力值得以有效降低10%以上，改造后的最大应力已远离掩护梁材质的屈服强度极限，所受应力也更加均匀，使液压支架的整体结构稳定性和掩护梁的支撑强度得到更大保障。