矿用液压支架顶梁结构强度优化研究

吕 超

（晋能控股煤业集团忻州窑矿， 山西 大同 037001）

引言

顶梁作为矿用液压支架中承受载荷的主要部件，是液压支架的重要组成部分，其安全性和可靠性尤为重要[1]。由于顶梁是在较恶劣的环境下工作，受力情况较复杂，因此对顶梁的结构强度有很高的要求，在工作过程中，一旦顶梁受到损坏，将会引发严重的事故，给相关设备和人员造成危险，因此，有必要研究液压支架的顶梁结构强度。

1 液压支架结构

液压支架是井下重要的支撑设备，主要包括顶梁、插柱、尾梁、掩护梁、立柱、底座、插槽等结构，其组成如图1 所示[2]。高强度的液压支架可以提高井下支撑要求。液压支架在工作过程中，通过操作立柱上的操纵阀，向单向阀中灌入高压液压油，当液压油的位置到达立柱上腔时，此时单向阀开启，推动液压支架顶梁升起；当立柱下降时，液压支架也会整体下降。液压支架的前进和推移是通过操纵千斤顶来实现，在各部件的相互配合下，使顶梁充分发挥其支撑作用，确保液压支架的结构强度达到要求，给井下安全作业提供保障。

图1 矿用液压支架组成

2 液压支架有限元仿真模型

2.1 三维几何建模

由于顶梁的结构本身较复杂，对顶梁进行三维几何建模时，在模型导入过程中会丢失数据，而且增加仿真计算量，耗费大量的时间。因此，为了提高仿真效率，首先对模型进行简化，省略倒角和焊缝，以及对静力学影响较小的小孔，将顶梁简化成一个整体，提高网格划分的效果。

2.2 有限元仿真模型

将简化后的顶梁模型导入有限元软件中，建立结构性能仿真模型[3]。首先设置仿真模型的材料为Q690，材料的主要性能见表1。对模型进行网格划分，网格类型为四面体，网格大小为30 mm。为了使模型的仿真精度更高，对部分关键部位的网格进行加密处理。仿真模型包含134 565 个网格，对支架底座进行完全约束，其他部件进行固定约束。

表1 Q690 材料的主要性能

2.3 结构性能分析

对顶梁加载条件工况下的结构性能进行分析，在顶梁上加一根压条，施加65 MPa 压力，分析其结构性能。通过仿真分析，得到加载条件工况下应力变化情况，如下页图2 所示。

图2 顶梁加载条件下示意图

通过仿真可以看出，在顶梁和压块接触的部位，出现大面积的应力集中，最大应力达745.79 MPa，应力向四周逐渐减小，而支架的底座、立柱和掩护梁等部位的应力值相对较小。在顶梁前端，结构变形较严重，最大位移为19.28 mm，沿顶梁后端，结构变形逐渐变小。在顶梁受力过程中，顶梁很容易出现疲劳失效甚至顶梁开裂的现象，最终会影响液压支架的支撑效果。

对顶梁承受扭矩工况下的结构性能进行分析，在顶梁的左端施加一个局部压块，右端施加一个条形压块，使顶梁出现扭矩，受力示意图如图3 所示。通过仿真分析，得到承受扭矩工况下应力变化情况和结构位移变化情况。

图3 顶梁承受扭矩下示意图

通过仿真可以看出，顶梁中部、顶梁与掩护梁连接处、底座中部等区域都出现了明显的应力分布，且变化没有规律。在顶梁承受扭矩工况下，由于对底座进行完全约束，导致最大应力在底座上，应力值约为781 MPa，超过了材料的屈服强度。在顶梁中部，结构变形较严重，最大位移为8.97 mm，立柱与顶梁的连接处也出现较大的结构变形。在顶梁承受扭矩工况下，顶梁的中部和底座会出现不同程度的疲劳断裂和明显的结构变形，影响液压支架的安全构成。

3 效果分析

根据仿真结果，顶梁在加载条件工况下和承受扭矩工况下都有不同程度的应力集中和结构变形，长期使用会发生疲劳失效，影响液压支架的支撑安全。因此，对顶梁结构进行优化改进，确保顶梁在实际工况下所受的最大应力低于材料的屈服强度[4]，根据实际情况，对前侧板和柱窝两侧加强筋的厚度进行优化。

3.1 优化结构设计

根据仿真分析，在顶梁前侧板和柱窝两侧加强筋的位置处，出现最大应力集中，通过改变其厚度，来提高顶梁的整体强度，保证顶梁在工作过程中的稳定性。具体改进措施为：在原有的基础上焊接Q690 钢板，将顶梁前侧板的设计厚度从15 mm 增加到30 mm；柱窝两侧加强筋的厚度从25 mm 增加到30 mm，同时，在连接处增加圆角和倒角特征，减少顶梁上的应力集中，对仿真模型重新进行仿真，观察顶梁的最大应力值。

3.2 效果验证

对优化后的模型进行有限元仿真分析，得到顶梁应力变化图和结构位移图如图4、图5 所示，从图中可以看出，改进后的顶梁，应力状态得以改善，顶梁的最大应力值为599 MPa，低于顶梁材料的屈服强度，最大位移值为12.9 mm，可见，经优化改进后，顶梁的应力分布和结构位移得以改善，效果比较明显，提高了顶梁的结构强度，降低了维修成本，使液压支架工作的可靠性和安全性有所保障。

图4 优化改进后顶梁应力变化图

图5 优化改进后顶梁结构位移图

4 结论

1）分析顶梁加载条件工况下和承受扭矩工况下的顶梁结构性能，在顶梁受力过程中，容易出现顶梁结构疲劳断裂和变形，影响液压支架的安全构成。

2）采用增加前侧板和柱窝两侧加强筋厚度的方法进行优化改进，结果表明：优化改进后，顶梁应力分布和结构位移得以改善，效果较明显，结构强度得到提高，降低了维修成本，提高了液压支架工作的可靠性和安全性。