矿用液压支架掩护梁的受力分析及结构优化*

张天佑

(西山煤电设备租赁公司，山西 太原 030024)

0 引 言

综采工作面的机械化显著提升了煤矿的开采效率，液压支架是机械化中的重要构成部分，在保障煤矿生产安全方面发挥着非常重要的作用[1]。液压支架在工作时顶梁和底座分别与工作面巷道的顶板和底板接触，目的是防止煤矿开采过程中巷道顶板发生塌落对煤矿开采设备和人员安全构成威胁[2-3]。液压支架工作时需要承受非常大的作用力[4]，掩护梁是液压支架中的重要结构部件，实践中发现掩护梁结构容易出现故障问题，主要原因在于掩护梁的结构存在缺陷，导致其整体受力不均匀，应力集中部位容易产生故障[5-6]。针对该问题，笔者以ZY4000型掩护式液压支架为例，利用有限元软件建立了液压支架的受力分析模型，基于分析结果对掩护梁结构进行了优化改进。

1 液压支架结构概述

以ZY4000型液压支架为例进行分析和研究，如图1所示为该信号液支架的整体结构示意图。

图1 液压支架整体结构示意图

液压支架主要由七大部分构成，分别为顶梁、底座、推移装置、立柱、操纵阀、四连杆结构和掩护梁。不同机械结构都有各自的功能，在各个构的综合作用下实现液压支架的功效。其中，掩护梁结构上面与顶梁进行铰接，下面与四连杆结构进行铰接，除了承受顶梁结构在水平方向上的载荷，同时还承受采空区煤矿岩石冒落对液压支架造成的冲击作用，目的是为设备操作人员提供一个安全可靠的空间，因此，掩护梁的整体受力情况比较复杂，特别容易出现应力集中现象，进而影响结构的使用寿命。以下利用有限元软件建立了液压支架的受力分析模型，对掩护梁的受力情况进行分析，并对其进行优化改进，以降低掩护梁结构的故障率，提升整体的使用寿命。

2 掩护梁的受力分析模型

2.1 三维模型的建立

根据ZY4000型掩护式液压支架的实际尺寸，利用SolidWorks软件建立掩护梁结构的三维几何模型。在模型建立过程中，为提升模型计算的速度和效率，得到准确的计算结果，将掩护梁结构中一些比较细小的结构，比如倒角、倒圆和小圆孔等不会对计算结果产生明显影响的地方进行了忽略处理。

2.2 有限元模型的建立

(1) 模型导入。将在SolidWorks软件中建立好掩护梁三维模型导出为STL格式，并导入到ANSYS软件中进行后续模型的建立。

(2) 网格单元划分。利用有限元软件进行模拟分析时，网格划分是非常重要的步骤。网格划分质量会对模型计算过程及结果精度产生直接影响。网格类型及网格尺寸大小均会影响计算过程和结果。ANSYS软件中提供了多种类型的网格单元，本模型中选用六面体网格单元进行划分，同时利用软件对网格尺寸进行自动确定。最终划分得到的网格单元和节点数量分别为18324和21329。

(3) 材料属性设置。实践应用中ZY40003型液压支架的掩护梁是通过Q690型材料加工制作。查阅材料手册可知，该型号材料的泊松比、屈服强度、抗拉极限强度、弹性模量和密度分别为0.29、690 MPa、900 MPa、200 GPa、7 800 kg/m3。将以上材料属性输入到ANSYS有限元模型中，得到更准确的结果。

3 掩护梁的受力结果分析与讨论

建立掩护梁结构有限元模型后，可以调取分析计算模块进行计算，使用后处理模块提取计算结果，如图2所示为掩护梁结构的应力和位移变形分布云图。由图2(a)可知，液压支架掩护梁结构不同位置的应力分布呈现出严重的不均匀性，且不同位置的应力存在比较大的差异。绝大部分位置的应力相对较小，几乎为零。应力较大的区域主要集中在部分位置，具体而言应力主要集中在前侧中间主筋部位，最大应力值达到了858.89 MPa。由图2(b)可知，掩护梁结构的位移变形情况也存在比较大的不均匀性，两侧护板的位移变形情况相对较大，最大值达到了18.812 mm，且越往中间走位移变形逐渐减小，其他部位的位移变形情况相对较小，几乎可以忽略不计。

图2 掩护梁结构的应力和位移变形分布云图

基于以上分析得出，液压支架掩护梁结构在工作时存在明显的应力和位移变形集中现象，特别是应力集中现象更加明显，最大值达到了858.89 MPa。掩护梁结构是利用Q690材料加工制作，该材料的屈服强度为690 MPa，抗拉强度超过了900 MPa。可看出，掩护梁应力集中最大值已经超过了材料的屈服强度，但还没有超过抗拉极限强度。过大的应力值必然会导致这些部位易出现应力损伤，导致结构件失效。

4 掩护梁结构改进及实践应用

4.1 结构改进

基于以上掩护梁结构的应力和位移变形分布云图分析，掩护梁的中间主筋和侧护板应力或者位移变形情况比较严重，有必要增加其厚度，确保这些结构部位的刚度和强度。其它部位的应力和位移变形情况相对较小，可以适当降低厚度，以降低整体的重量，节约掩护梁的加工制作成本。具体而言，将主筋板和侧护板的厚度均增加5 mm，而将盖板和侧板的厚度降低5 mm。上述结构的位置见图3。

图3 掩护梁结构的优化改进部位

再次利用SolidWorks和ANSYS软件建立优化改进后的掩护梁结构受力分析模型，并对其开展模拟仿真工作，提取仿真结果，如图4所示为优化改进后掩护梁结构的应力分布云图。

图4 优化改进后掩护梁的受力分布云图

由图可知，掩护梁结构整体的应力分布仍然呈现出显著的不均匀性，应力更多的集中在局部区域。应力最大值只有338.64 MPa，与优化改进前的858.89 MPa比较，最大应力降低幅度达到了60.57%。应力最大值降低到了Q690材料的屈服强度690 MPa范围以内，意味着整个掩护梁结构任何位置都不会出现塑性变形现象，更不会产生塑性损伤，因此整体结构性能得到显著提升。

4.2 应用效果评价

将优化改进后的掩护梁结构应用到ZY4000型液压支架工程实践中，并对其应用效果进行了连续6个月的测试。结果发现掩护梁结构整体运行良好，整个测试期间没有出现明显故障。通过与优化前的数据比较分析认为，此次优化改进使得掩护梁结构的使用寿命整体提升了20%以上。不仅为煤矿企业节省了大量的设备维护保养成本，有效提升了液压支架的开机时间，为煤矿的正常生产奠定了良好的基础。

5 结 论

主要对ZY4000型液压支架掩护梁结构的受力情况进行了模拟仿真分析，在此基础上对结构进行优化改进，所得结论如下。

(1) 掩护梁结构的受力和位移变形情况非常不均匀，位于中间的主筋和位于侧边的侧护板应力和位移变形最显著，最大应力值和位移变形量分别达到了858.89 MPa和18.812 mm。

(2) 对掩护梁的结构参数进行优化改进，主要是将侧护板和主筋厚度增加5 mm，将护板和盖板厚度降低5 mm，再次模拟分析发现掩护梁最大应力值降低到了338.64 MPa。

(3) 将优化改进后的掩护梁结构应用到工程实践中，使掩护梁结构的使用寿命提升了20%以上，效果显著。