基于ANSYS Workbench的四柱支撑掩护式液压支架顶梁分析与优化

杨洪涛　崔文宝　陈邦晟　江磊

【摘 要】文章以四柱支撑掩护式液压支架ZZ7200/22/45为研究对象，分析了支架的承载结构件和工作原理，研究了基于有限元分析的支架顶梁在顶梁两端集中加载、顶梁扭转、顶梁偏载3种较危险工况下应力分布和变形量云图，进而找出了顶梁结构发生破坏的位置，并对顶梁结构提出了优化措施。优化结果表明，在将主肋板厚度增加10mm后，达到了顶梁结构的强度要求，提高了顶梁的刚度。为后续正确合理地设计液压支架顶梁结构提供了理论支持。

【关键词】支撑掩护式;有限元分析;应力分布;支架顶梁;主肋板;刚度

中图分类号： TD355.4文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）01-0152-002

0 引言

液压支架是综采工作面的关键支护装备，是煤矿能否实现高产高效的保证。煤矿井下地质条件复杂、工作面长度加大以及煤壁片帮加剧，这些因素都导致液压支架工作受载明显、工作环境越发恶劣[1]。而顶梁又是液压支架的重要部件，承担着接受顶板岩石载荷，重复支撑顶板的作用，为工作面提供足够的安全环境[2]。因此液压支架顶梁的承载状况对于综采工作面的安全起着至关重要的作用。

1 液压支架承载结构件与工作原理

ZZ7200/22/45四柱支撑掩护式液压支架承载结构件主要由顶梁、掩护梁、连杆、底座等部分组成，其中顶梁与顶板接触，承接来自顶板岩石和煤的压力;掩护梁的主要作用是防止破碎顶板岩石掉入支撑工作面，为工作人员提供安全空间。连杆与掩护梁、底座组成四连杆结构，控制支架的运动;底座与地板接触，通过顶梁将顶板的压力、载荷传递给地板。而立柱是液压支架最重要的部分，给顶梁提供足够的支撑力，决定了支架的支撑高度与工作阻力。在液压支架的组件支持下，液压支架主要靠初撑、增阻承载、恒阻承载、拉架、推溜等几个动作交替进行作业，实现机械化过程[6]。顶梁、掩护梁和平衡缸形成稳定的三角形结构，借助连杆使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双扭线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间的距离变化大大减小，提高对顶板支护的可靠性。而顶梁又是组成液压支架的重要部件，主要作用是承接顶板岩石的载荷，反复支撑顶板，为工作面提供足够的安全环境。因此顶梁结构的受力情况、稳定性和安全性至关重要，其对于综采工作面的安全起着至关重要的作用。

2 顶梁有限元分析

2.1 模型简化

顶梁是通过将顶板、盖板、柱窝等部件拼焊而成，在支护的过程中直接与顶板接触，承接来自顶板岩石和煤的压力，对液压支架的整体稳定性起着至关重要的作用。本文所选取的四柱式液压支架顶梁部分长4523mm、宽1607mm、主要承力部分厚度为453mm，承载能力为200t。顶梁三维模型中包含大量倒角、圆孔、焊接坡口等结构特征，在进行有限元分析时，分析效率会受到这些结构特征的影响导致效率降低，所以需要对顶梁模型进行简化。

2.2 添加约束与载荷

在工作面开采的过程中，顶梁不仅受到来自立柱的支撑载荷，也承受来自工作面围岩的压力载荷。在对支架进行试验时，通过加不同垫块来反映支架受围岩作用力的不同工况。但是若把垫块施加的载荷当做外力来处理，该状况属于超静定系统，那么无法用力的平衡方程求出垫块对支架的作用力;因此不把垫块的作用力当作外力来考虑，而是把垫块的作用当作边界条件来处理[7]。顶梁的一侧为接触面，垫块的一侧为目标面，同时约束垫块下表面的Y方向自由度并将垫块的上表面进行全约束。

2.3 结果分析

（1）顶梁两端集中加载

液压支架在顶梁两端集中加载的应力云图和变形量结果如图4所示，此工况中，长垫块置于顶梁两端。由图4可以看出，在顶梁两端施加集中载荷时，应力主要集中在顶梁两端靠近垫块处，其最大应力值为349.50MPa，没有达到材料的屈服极限，其他部位应力值也不大。頂梁的变形量最大为2.36mm，主要集中在顶梁的中部，向顶梁两侧逐渐递减，而其他部件的变形很小，顶梁沿支架纵向的整体变形呈弓形。

（2）顶梁扭转加载

对液压支架顶梁施加扭转载荷的应力和变形量云图如图5所示。由图5可以看出，应力最大值为576.54MPa，主要集中在方垫块与主肋板处，超过了材料的屈服极限460MPa，因此此处为薄弱环节，可以适当增加主肋板的厚度进行改善。其他部位受力均匀，没有出现大的应力集中现象。顶梁的中部偏离方形垫块的一侧位移最大，为3.68mm，且顶梁从方垫块另一侧顶梁侧板处开始变形，向顶梁两端和垫块一侧变形逐渐减小。此时，顶梁中部一侧翘起变形。

在顶梁扭转加载工况下，原来的材料并不能满足顶梁的强度要求，在主肋板处最大应力值达到576.54MPa，已经超出了材料的屈服强度极限。目前采用的措施是将主肋板厚度增加10mm对其结构进行优化， 在增加顶梁主肋板的厚度后，应力分布云图形状基本保持不变，但最大应力值降为384.36MPa，没有达到材料的屈服强度极限，从而满足强度要求。且最大位移量也降为2.45mm，减小了顶梁的变形，提高了顶梁的刚度。

（3）顶梁偏心加载

应力分布主要集中在顶梁中盖板附近，靠近顶梁端头处应力最大，其值为233.40MPa。没有达到材料的屈服强度极限，其他部位应力不大。液压支架顶梁的总体变形量不大，最大变形发生在在一侧销孔处，为1.00mm，且顶梁向另一侧位移在逐渐减小。此时顶梁沿支架对角线翘起变形。

3 结论

本文分析了液压支架的承载结构件和工作原理，研究了基于有限元分析的支架顶梁在顶梁两端集中加载、顶梁扭转、顶梁偏载3种较危险工况下应力分布和变形量云图，进而找出了顶梁结构发生破坏的位置，并对顶梁结构提出了优化措施。，可以得到以下结论：

（1）在顶梁两端受载时，应力主要集中在顶梁两端靠近垫块处，但没有达到材料的屈服极限。顶梁中部相较于两端有较大变形。

（2）在顶梁扭转加载时，顶梁的主肋板处出现了应力集中现象，处于危险状态，而在将主肋板的厚度增加10mm后，最大应力由原来的576.54MPa降低到384.36MPa，减小了应力集中影响，满足了材料强度要求。变形量也有原来的3.68mm降低到2.45mm，提高了顶梁的刚度。

（3）在顶梁偏心加载时，顶梁较两端受载和扭转工况的应力和变形均小，此时顶梁中盖板附近有较大变形，柱窝、铰接及肋板处均安全。

【参考文献】

[1]邵明远，李炳文，种法洋.基于Pro/E及ANSYS Workbench的液压支架顶梁的静力与疲劳分析[J].煤矿机械，2014，35（10）：226-228.

[2]董营，周毅钧，郁向红.基于ANSYS Workbench放顶煤液压支架顶梁有限元分析[J].煤矿机械，2013，34（2）：99-100.