5.6 m液压支架掩护梁静力学分析

崔拥军

（山西晋煤集团金鼎煤机矿业有限责任公司，山西 晋城048006）

引言

综采支护设备中使用数量最多、投资最多的设备就是液压支架，并作为综采工作面三大配套设备之一。液压支架[1]能够有效并可靠地隔离采空区，支撑和控制巷道顶板，推进输送机和防止矸石进入回采工作面。而掩护梁与底座和前后连杆形成四连杆机构，该机构使液压支架在升降时，与顶梁的运动形成一条双扭线轨迹[2]，从而保证液压支架能在工作面正常运行。

在实际工作中，井下工作状况复杂多变，掩护梁会出现损坏情况。为满足工作要求，本文在传统设计的基础上，使用Pro/E三维软件和ANSYS有限元分析软件，以ZY1300/28/56液压支架掩护梁为研究对象，对其掩护梁作ANSYS有限元分析，获得其应力云图，通过该云图可对掩护梁作优化设计，以提高掩护梁结构的稳定性和可靠性，对液压支架掩护梁后续的分级计算具有一定的参考价值。

1 液压支架结构及受力

1.1 液压支架结构

图1为5.6 m液压支架组成。

图1 5.6 m液压支架组成

1.2 液压支架受力状况

支架各零部件的受力均是在支架处于最大高度时，并且以运行环境最恶劣时为基础计算的。首先要对支架结构作平面受力分析，需作如下假设：将掩护梁、顶梁及底座的载荷设置为线性分布的载荷，将支架的空间结构设置为平面杆系，将箱型结构设置为梁的结构件。

液压支架的整体结构受力简图如图2所示，以掩护梁为研究对象，其力学简图如图3所示。

图2 液压支架平面受力简图

图3 掩护梁的空间力学模型简图

根据掩护梁空间力学模型建立平衡方程：

根据掩护梁空间力学模型的平衡方程，并参照ZY1300/28/56过渡支架掩护梁已知参数，即可获得掩护梁受力情况，如表1及表2所示。

表1 顶梁与掩护梁受力情况 kN

表2 掩护梁与前后连杆及千斤顶受力情况 kN

1.3 建立掩护梁实体模型

液压支架掩护梁为箱体，其结构比较复杂，通过Pro/E建立三维模型[3]，如图4所示。在保证液压支架运行正常及受力不变的情况下，作简化处理：省略侧护板，省略掩护梁上的圆角和部分孔，省略或简化螺纹、焊缝及管线，简化起加强作用的筋板。

图4 掩护梁3维模型

简化之后，掩护梁受载荷的能力不受影响，并且对整架的受力情况影响也不大，同时可减小有限元分析计算的时间，计算效率明显提高。

2 有限元分析

2.1 建立模型

1）属性定义。定义材料为Q590，其抗拉强度为670～830 MPa，屈服强度为590 MPa。

2）网格划分。对掩护梁进行网格划分[4]能够比较真实地仿真出在外载荷作用下掩护梁的受力情况，掩护梁网格图如图5所示。

图5 掩护梁的网格图

2.2 定义边界约束和载荷

1）设置边界约束：约束掩护梁和顶梁铰接处x、y、z三方向的移动自由度。

2）施加载荷：根据铰接处受力情况，将表1和表2所获得的力加载在掩护梁的受力位置。

2.3 求解及分析结果

经过ANSYS有限元分析计算，获得了掩护梁的受力应力云图，如图6所示。从图6可知，掩护梁的应力分布值在0～567.55 MPa；较大应力出现在顶梁和掩护梁铰接孔以及掩护梁和前、后连杆等位置，其中掩护梁和铰接孔处的应力最大，其值达到567.55 MPa，虽然在钢材的强度范围内，但已接近上限，需加强其结构。

图6 掩护梁应力云图

根据分析结果，在保证支架强度的情况下，对掩护梁结构进行优化：

1）掩护梁整体受力不大，应选择与其应力相匹配的材料，或按照应力值调整钢板厚度，对应力较小处可用薄板，对应力大的位置可加厚或增加筋板。

2）在掩护梁和前、后连杆铰接孔及掩护梁与顶梁铰接孔等处，所承受的应力较大，应对这些位置进行局部加强，比如选用强度更高的钢材或焊接加筋板等，以确保掩护梁连接处的强度。

3 结论

通过分析计算，可知掩护梁与前后连杆及顶梁铰接处应力较大，需加强其强度；其受力分析结果，可为掩护梁后续结构优化，提高掩护梁结构的稳定性和可靠性提供一定的理论基础。