矿用液压支架掩护梁仿真及优化分析

王 炎

（晋能控股装备制造集团大同科大煤机有限公司， 山西 大同 037000）

引言

掩护梁作为掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架的重要结构之一，其性能将会直接影响到矿用液压支架的安全防护效果[1]。因此，为能够进一步提升矿用液压支架整体支护性能，本文将会以液压支架掩护梁为研究对象，通过仿真模拟分析的方式确定当前掩护梁结构中存在的不足，进而合理提出优化措施，以期能够为后续矿用液压支架掩护梁设计提供理论参考。

1 矿用液压支架工作原理

矿用液压支架作为煤矿综合机械化采煤工艺中的重要机械设备之一，承载着采煤工作面矿山压力，其实际工作原理如图1 所示。

图1 矿用液压支架工作原理图

在矿用液压支架上升过程中，高压乳化液进入到立柱活塞腔中后带动活塞和活塞杆运作，促使与活塞杆连接的顶梁上升；在矿用液压支架下降时，高压乳化液逐步进入到立柱活塞杆腔中，使得活塞腔内部压力下降，带动活塞和活塞杆下降，进而促使与活塞杆相连的顶梁逐步下降；在矿用液压支架前移过程中，液压支架会先下降，然后将高压乳化液注入到千斤顶的活塞腔中，进而以输送机为固定点，由千斤顶推动液压支架前移；在输送机移动过程中，高压乳化液会注入到千斤顶的活塞腔中，进而由千斤顶推动输送机向预期位置移动。

2 矿用液压支架掩护梁仿真模型构建

2.1 模型构建流程

本研究将以ZFS3500 型液压支架为例，通过ANSYS 软件进行有限元模型仿真分析。通常情况下，ANSYS 有限元分析主要分为选择单元、定义材料、构建模型、网格划分、确定分析类型、施加边界条件、求解、后处理等一系列流程。其中选择单元和网格划分将会直接影响到后续分析结果的精准性，因而在此将会对以上两个流程进行针对性分析[2-3]。

第一，在选择单元阶段，选择单元不当将可能会导致出现网格约束、网格划分无法加载或者载荷无法加载等情况，进而对仿真分析造成影响。因此，在研究前需要对液压支架材料的物理特性及尺寸装配类型进行综合分析，进而合理选择单元。据此，在综合分析后，研究中最终选择SOLID45 和SHELL63 两种体单元和壳单元进行网格划分。

第二，网格划分主要用于降低模型仿真分析中计算机的计算规模，避免模型整体分析所导致的硬件性能不足等问题。矿用液压支架各部分网格划分结果见图2。

图2 矿用液压支架各部件网格划分结果

2.2 掩护梁模型构建及网格优化

在ANSYS 软件中，随着网格划分尺寸的不断减小，其模型单元格数量不断增加，最终求解的插值函数精度也将会持续提升，进而使得最终所获取的求解值与真实值的差异越小。在研究中为保障网格划分的有效性，将会通过3 次网格划分。第一次网格划分中将单元格大小设置为40 mm；在第一次网格划分的基础上开始第二次网格划分，并将第二次网格划分中的单元格大小设置为20 mm；最后，在第二次网格划分的基础上开始第三次网格划分，并将第三次网格划分中的单元格大小设置为15 mm。第三次网格划分后获取的仿真模型如图3 所示，此次网格划分结果将会作为后续优化模型。

图3 第三次网格优化中的变形、应力图

由图3 可知，在15 mm 网格尺寸下的变形-应力图的最大变形为0.002 172 8 mm，最大局部应力为434.56 MPa。由于掩护梁材料的局部最大屈服强度为580 MPa，大于变形-应力图中的最大局部应力值，说明应力值未超过材料最大屈服强度，此网格划分方案可在后续优化中进行应用。

3 矿用液压支架掩护梁优化

3.1 掩护梁连接处优化

在上述模型构建及网格优化过程中，为方便模拟分析，适当舍去掩护梁侧护板，但结合掩护梁变形-应力图中可以发现，掩护梁最大受力区域处于掩护梁板面及铰接区域。基于此特点，结合掩护梁在矿用液压支架四连杆中的特殊性及其所承受的最大应力特征，以下将开展掩护梁连接处优化。具体研究中会将掩护梁铰接处的连接销轴厚度分别设定为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm，并分别获取局部最大应力值，实际结果如表1 所示。

由表1 可知，随着掩护梁铰接处的连接销轴厚度持续增加，其所承受的局部最大应力值也会随之下降，但下降幅度却会持续减弱，说明在掩护梁连接处优化时一味增加铰接处的连接销轴厚度的效果将会越来越不明显。

表1 随着掩护梁铰接处的连接销轴厚度增加，局部最大应力情况

3.2 掩护梁顶板优化

由图3 可知，掩护梁顶板所承受的局部应力也会大于其他区域所承受的应力值，所以在研究中也需要对掩护梁顶板进行合理优化。结合某矿用液压支架生产公司的实地调研结构，最终将优化中的假设掩护梁顶板厚度分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，进而获取到变形分析结果如表2 所示。

表2 随着掩护梁顶板厚度增加，局部最大变形情况

由表2 可知，随着掩护梁顶板厚度的持续增加，掩护梁局部最大变形值也会随之增加，但增加较不明显，说明掩护梁顶板厚度调整对掩护梁整体性能影响相对较小。

总体来说，由于矿用液压支架掩护梁为非对称箱型结构，所以通过改变局部特征并不能有效改变掩护梁整体应力及应变分布情况。因此，在进行掩护梁优化时，可以通过改变掩护梁孔轴尺寸、优化箱梁内部结构等方式来实现掩护梁优化效果。除此之外，还可以采用整体性能更加优秀的材料来增强掩护梁整体性能，进而达成降低掩护梁局部应力的效果，改善掩护梁整体性能。

4 应用效果评价

基于上文所提出的优化发展进行矿用液压支架掩护梁改进，并将改进后矿用液压支架应用于工程实际，开展连续6 个月的数据采集和综合分析。根据测试结果来看，改进后的矿用液压支架整体性能提升明显，可以有效提高掩护梁整体性能，降低掩护梁所承受的局部应力，说明此优化方案较为有效。此外，在整体测试期间中，改进后的矿用液压支架整体未出现较为显著的故障问题，说明此改进方案可以在一定程度上保障矿用液压支架的具体应用效果，不会对其他部件的正常运行造成影响。

5 结论

本文通过模型仿真分析的方式对矿用液压支架进行分析研究，进而获取以下研究结果。

1）随着掩护梁铰接处的连接销轴厚度持续增加，其所承受的局部最大应力值也会随之下降，但下降幅度却会持续减弱，说明在掩护梁连接处优化时一味增加铰接处的连接销轴厚度的效果将会越来越不明显。

2）随着掩护梁顶板厚度的持续增加，掩护梁局部最大变形值也会随之增加，但增加较不明显，说明掩护梁顶板厚度调整对掩护梁整体性能影响相对较小。

针对以上分析结果，在对矿用液压支架进行优化时，应通过改变掩护梁孔轴尺寸、优化箱梁内部结构等方式来实现，或者采用整体性能更加优秀的材料来达成掩护梁优化目标，进而综合提升矿用液压支架整体性能。