不同加载条件下液压支架结构的强度分析与优化设计

谢圣贺

（同煤集团机电装备公司中央机厂， 山西 大同 037001）

引言

随着国家综合国力的不断提升，对煤矿的需求量也呈逐渐增长趋势。各类煤矿设备被广泛应用到煤矿开采中，而矿用液压支架作为井下重要的支撑设备，保证其结构具有较高的支撑性能，成为当下提高煤矿产量及井下作业安全的重点[1]。液压支架在使用中，经常因长期处于超负荷支撑状态，加上长时间的支撑，导致其结构的局部区域极容易出现结构变形或疲劳失效现象[2]。据统计，单个煤矿中，有将近一半的液压支架出现了局部区域变形及开裂现象，液压支架一旦发生结构断裂，将对井下的安全构成重要威胁[3]。因此，对矿用液压支架结构强度进行研究。

1 液压支架结构组成

矿用液压支架是煤矿井下重要的支撑设备，根据其支撑作用的不同，可将其分为支撑式、掩护式、支撑掩护式等结构类型，但所有类型的液压支架的结构基本都由顶梁、掩护梁、尾梁、立柱、底座、插槽、千斤顶等结构组成，其结构组成如图1 所示，较高结构强度的液压支架，可有效实现对井下环境的支撑需求[4]。液压支架的工作过程包括：上升、下降、前进、移动等过程，首先通过立柱上操纵阀将高压液压油灌入至单向阀中，使顶梁快速升起；当液压油进入立柱的上腔时，可使单向阀处于开启状态，立柱的下降，实现液压支架的整体下降；而液压支架的前进和推移则主要通过千斤顶来完成。液压支架中各部件的相互配合，有效实现了对顶梁的支撑作用[5]。保证液压支架在使用过程中具有较高的结构强度及支撑效果，对保障井下的作业安全至关重要。

2 液压支架模型的建立

2.1 三维模型的建立

根据市场上常用的ZY12000 型矿用液压支架结构特点及结构尺寸[6]，采用Solidworks 软件，建立了包含液压支架上顶梁、掩护梁、立柱组件、尾梁、底座等关键部件，而对其内部的螺钉、螺母、焊缝、较小圆角、小孔等特征进行了省略，并在不考虑液压油推动作用基础上，完成了矿用液压支架的整体模型建立，为开展整个结构的性能研究提供有利支撑，液压支架三维模型如图2 所示。

图1 矿用液压支架结构组成示意图

图2 矿用液压支架三维模型图

2.2 仿真模型的建立

结合建立的液压支架三维模型，将其导入至ABAQUS 软件中，进行了结构性能仿真模型建立。在该软件中，首先将液压支架整体模型的材料统一设置为Q345 材料，材料的主要性能参数参数如下页表1 所示。在模型的网格划分中，网格类型设置成了四面体网格，网格大小设置为30 mm，其网格划分图如下页图3 所示；为提高整个模型的仿真精度，对模型的中的关键部位进行了网格加密处理，整个模型的网格数量为134 565 个。另外，由于下文将重点对顶梁不同加载条件下的情况进行分析，故将底座进行了完全约束，其他连接部位也为固定约束。由此，建立了矿用液压支架的仿真模型。

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表1 Q345 材料主要性能参数

图3 液压支架网格划分图

3 不同加载条件下的结构性能分析

3.1 顶梁加载条件工况下

通过仿真分析，得到了液压支架在顶梁加载工况下的应力变化及结构位移变化情况。如图5 和图6 所示。由图5 可知，液压支架顶梁与压块之间的接触部位出现了较大的应力集中，其最大应力达到了545.79 MPa，超过的材料的并延接触四周呈逐渐减小的变化趋势；液压支架的底座、立柱、掩护梁等结构部位的应力集中程度相对较小。由图6 可知，液压支架顶梁的前端出现了较大的结构变形，其最大变形位移为19.283 mm，并延顶梁的后端呈逐渐减小趋势，而掩护梁、底座、立柱等部件的结构变形位移相对较小。由此可知，液压支架顶梁上的受力部位在使用过程中，将极容易率先发生结构疲劳失效现象，最终出现结构开裂现象，而顶梁前端的结构变形也将对液压支架的支撑效果造成重要影响。

结合前文仿真结果，得出在顶梁加载及承受扭矩工况条件下，液压支架顶梁的不同位置均出现了较大程度的应力集中及结构变形现象，在其长期使用过程中，更容易率先发生疲劳失效现象，对液压支架的支撑安全构成严重威胁。因此，在现有液压支架顶梁结构基础上，对其进行了优化设计，具体包括：

1）由于顶梁在受力过程中，应力集中及结构变形主要集中在顶梁的中部，故在顶梁中间添加了若干横向支撑筋板，而对顶梁上其他非关键部位进行了简化，仅保留了顶梁上关键部位的结构特征，以此来提高顶梁结构的整体结构强度及支撑刚度，如图10 所示；

图4 顶梁加载工况示意图

结合前文建立的液压支架仿真模型，首先对其在顶梁加载状况下情况的结构性能进行了分析。顶梁加载工况主要是在顶梁上端设置了一根压条，并在压条上施加65 MPa 的压力，其受力示意图如图4所示。在此工况下，开展了顶梁加载工况下的结构性能研究。

3.2 顶梁承受扭矩工况下

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图5 顶梁加载下的液压支架应力变化图

图6 顶梁加载下的液压支架位移变化图

图7 顶梁承受扭矩示意图

3）在顶梁上应力集中较大的部位开设了直径为3 mm 的小孔，可有效将集中的应力转移至小孔处，避免或减小了应力集中现象的发生；

4 液压支架结构的优化设计

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结合仿真模型，对顶梁承受扭矩工况条件进行了分析研究，主要是在顶梁的左端安装局部压块，右端安装条形压块，使顶梁整体结构出现扭矩现象，其工况示意图如图7 所示。

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图8 顶梁承受扭矩下的应力云图

图9 顶梁承受扭矩下的结构位移图

2）对顶梁中部上原有的加强筋结构进行了壁厚加强，并在筋板连接处增加了圆角、倒角特征，以此来减小顶梁结构上的应力集中现象；

通过分析，得到了液压支架在顶梁承受扭矩工况下的应力变化及结构位移变化图，如下页图8 和图9 所示。由图可知，液压支架顶梁中部、顶梁与掩护梁铰接、底座中部等区域均出现了较为明显的应力分布现象，且整体呈现无规律的变化趋势。而在此种工况中，最大应力出现在底座上，这是由于分析时底座采用了完全约束而导致的，但最大应力部位相对较小，大部分区域的应力值均在412 MPa 以内，超过了材料的屈服强度；由图可知，液压支架顶梁中部也出现了较大的结构变形，最大位移达到了8.9669 mm，且立柱与顶梁连接处的结构变形位移也相对较大。由此可知，在顶梁承受扭矩工况下，液压支架的顶梁中部、底座将率先发生结构的疲劳失效及开裂现象，顶梁中部及立柱顶部也将发生较为明显的结构变形，这将对液压支架的支撑效果及作用安全构成严重威胁。

4）将顶梁结构的材料改为45 号钢材，并对顶梁上主要的受力件进行淬火的热处理，以此来提高顶梁的整体结构强度；

5）加大对顶梁结构的巡检及检查，当其出现结构变形或失效现象时，应快速完成对顶梁结构的修护及保养。

图10 优化后顶梁结构图

5 结论

1）对液压支架在顶梁加载及受扭矩工况下的结构性能进行研究，结果表明，顶梁在两种工况下均出现了不同程度的应力集中及结构变形现象，是液压支架结构中最容易发生失效的结构件。

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2）根据液压支架结构性能研究结果，对顶梁结构进行了优化改进设计，这对提升液压支架的支撑性能及作业安全具有重要意义，也为后期进一步开展结构的优化改进设计提供重要参考。