基于有限元计算方法对液压支架掩护梁优化设计研究

边志雄

（霍州煤电集团洪洞亿隆煤业有限责任公司 ，山西 洪洞 041699）

0 引 言

在当前，对煤炭开采的标准和细节要求不断提高，对于井下的安全性能、生产效率和经济收益要求也在不断提高，在这样的趋势下，支护问题成为了一个越来越受到关注的问题，也成为了开采工作的一个核心性问题，在这个过程中，液压支架掩护梁毫无疑问扮演者重要的角色。支架支护是否安全、可靠，也与掩护梁有着密不可分的联系，ZY6400型液压支架结构性能好坏对于支护可靠性有着极大的影响，又特别是掩护梁常因载荷遭受损伤，因此如何对煤矿井下ZY6400型液压支架掩护梁的结构进行优化，提高其工作稳定和可靠性，成为煤矿企业迫切需要解决的核心关键问题[1]。论文利用有限元分析方法对ZY6400型液压支架掩护梁进行优化研究，以期优化后的掩护梁满足矿井需求，确保矿井安全开采。

1 有限元计算方法

有限元计算时，发现变量和约束过多是掩护梁的典型特征，掩护梁在工作时不是孤立的，它和连杆、千斤顶以及顶梁都有着密切的联系，所以系统整体上看比较复杂，想要实现真正的优化依然是一件比较困难的事，而且采用原始的分析方法无法准确的分析和优化液压支架掩护[2,3]。对于这种情况，采取什么样的计算方法就成为了重中之重，论文借鉴许多研究者采用的有限元数值分析方法来对液压支架掩护梁进行计算，通过众多例子和实践证明，有限元计算方法确实是一种有效的计算方式，具有良好的分析效果，具备控制变量条件、计算效率高以及最终结果真实靠谱等优点。通过模型方式能够直观的查看、分析、判断，了解其应力的分布状况与规律，预测风险、规避风险，及时找出其中的相应隐患[4]，提前做好改进准备，这样可以让机构改进更具有科学性和说服力。

整个优化过程分为三个主要步骤：

1）在SolidWorks中建起完善液压支架掩护梁三维模型，设置相应的变量和不变量，通过确定的分析，结合有关力学的原理对掩护梁应力分布规律进行模拟分析，最终得出应力分布结果[5]。

2）将 SolidWorks中建立的三维模型导入到Simulation中，对其进行模块优化，设置相应的参数和边界条件，其中总载荷被设定为目标函数，并根据实际要求给出相应的变化范围，运用有关程序进行细致计算，逐层推进，最终找出问题的关键点[6]。

3）加强对有关变量的分析，根据实际的研究和需求，建立疲劳寿命关系式，通过仿真模拟研究，确定液压支架掩护梁的寿命极限，通过改善掩护梁缺陷，来达到增强疲劳寿命，减小应力集中，确定最优改进方案。

2 液压支架掩护梁优化

2.1 掩护梁应力分析

为了全面了解液压支架受力状况，重点研究了ZY6400型液压支架的相应组成部分，发现在工作过程中受压力最大的是掩护梁，其所处的环境和情况也相对较差，所以在对机构进行系统性优化的时候，对掩护梁的优化和作用提升就成为了一项非常重要的工作，在研究掩护梁上选取了两个探测点（如图1所示），模拟液压支架在受到载荷作用的整个过程液压支架受力分布情况。

图1 ZY6400型液压支架受力分布情况

从有限元模拟看出，ZY6400型液压支架前端耳板附近的损坏是掩护梁被破坏的重要表现，掩护梁腹板是应力集中区。所以为了优化液压支架掩护梁受力，避免应力集中，确保发挥其优良性能，根据掩护梁的应力规律，在掩护梁和竖筋板之间应该放几块斜筋板，从而确定最佳的力学性能，不断改进装置结构，使其强度和稳定性都能达到明显提高，

根据实际应用反馈，ZY6400型液压支架掩护梁损坏常常发生在掩护梁前端耳板周围，为了改善耳板周围受力，优化掩护梁力学性能，采用有限元计算分析得出，可以采取以下措施来提高掩护梁的力学性能：掩护梁采用不同结构组成，并且在掩护梁腹板上增设钢板；在支架顶梁连接的结构处分别增设两条斜筋，目的是来分解支架顶梁所受的载荷，另外该斜筋还具有稳定性的功能；同时在掩护梁结构上增设横板和斜筋板复合体。根据有限元计算要求，对改进的支架掩护梁、强度改善的模型进行了简化，ZY6400型液压支架掩护梁改进后建立的模型如图2所示。

ZY6400型液压支架掩护梁所用材料性质在有限元软件中的设定如表1所示。

图2 ZY6400型液压支架掩护梁改进后建立的模型

表1 ZY6400型液压支架参数设置

为了研究改进后的掩护梁力学性能，采用有限元计算方法对ZY6400型液压支架掩护梁进行了仿真模拟，其模拟结果详见图3所示。根据有限元计算得出，液压支架掩护梁上的探测点1最大应力为399MPa，探测点2最大应力为414MPa，两个探测点应力均小于460MPa，小于掩护梁材质屈服强度，无论板厚如何，其各种组合都比极限的强度要小，整体上来看，应力均在可承受范围内。说明优化选用材质满足要求，各个组合结构均小于材质屈服强度极限，增设结构合理。

图3 ZY6400型液压支架掩护梁应力有限元计算结果

2.2 掩护梁疲劳寿命分析

在可靠性能和优化的研究中，对于疲劳寿命的考察是比较常见的，也是最有效的研究之一，ZY6400型液压支架掩护梁与顶梁、前后连杆共同组成了一个四连杆机构，根据有限元计算发现，在支护过程中，其受到的最大接触应力是连接销和掩护梁，为了优化连接销点的接触应力，在掩护梁销连接处提高厚度，同时在设计过程中选用高强度的材质制作掩护梁和连接销，优化改进后的ZY6400型液压支架掩护梁运用有限元进行模拟分析。ZY6400型液压支架掩护梁疲劳寿命有限元分析结果如图4所示，结果显示销连接处接触应力有明显降低趋势，且整个掩护梁受力分布较改进前均匀。

图4 支架掩护梁疲劳寿命有限元计算结果

3 综合分析

本次研究主要运用有限元的分析法，在模拟过程中对ZY6400型的液压支架掩护梁进行了可靠性的优化设计，为了进一步提升液压支架掩护梁的使用效率和使用性能，研究采用三维建模，同时根据掩护梁的实际要求采用了有限元分析与计算，通过实际研究和具体过程的模拟，可以清楚了解结构在掩护梁中被破坏的部分，同时根据应力分布规律和容易遭受损伤的结果，针对性地给出了结构优化措施，极大地提高了ZY6400型液压支架掩护梁的可靠性。

优化后的ZY6400型液压支架掩护梁在矿井10-101工作面进行了工业性实践，为了观测、验证该支架掩护梁支护效果，在10-101工作面进行了矿压观测，矿压观测表明，优化后的ZY6400型液压支架掩护梁得到了明显改善，改进的掩护梁支护强度高，安全性好，有利于维护工作面稳定。10-101综采工作面从2018年10月起开始上了优化后的ZY6400型液压支架，截止2019年4月，至今在矿井下作业已有7个月，改进后的ZY6400型液压支架掩护梁有效保护了综采设备和人员安全。既保证了矿井作业人员的人身安全，又满足工作面顶板支护需求，这对煤矿安全生产具有重要的意义！

4 结 论

为了提高ZY6400型液压支架支护强度，保护综采工作面安全生产，论文采用有限元分析计算方法对支架掩护梁受力分布规律和疲劳寿命进行了模拟研究，并提出了优化措施。改进后的液压支架掩护梁支护强度高，安全性好。

1）在SolidWorks软件建立液压支架掩护梁三维模型，设置边界条件和初始参数，结合Simulation软件综合分析掩护梁应力状况，找出掩护梁存在的不足，进而提出优化措施。

2）利用有限元计算方法对ZY6400型液压支架掩护梁应力和疲劳寿命进行了模拟分析，分析了应力分布规律，根据模拟结果提出了对ZY6400型液压支架掩护梁优化方案。

3）ZY6400型液压支架在使用过程中矿压观测表明，优化后的掩护梁支护强度高，在试验的7个月期间为发生顶梁断裂、掩护梁损伤的情况，掩护梁优化效果理想。