关于ZP4000型液压支架顶梁在不同工况下的强度分析

2021-06-05王艳

机械管理开发 2021年4期

王艳

（晋能控股装备制造集团，山西大同 037010）

引言

我国化石能源储量相对比较丰富，现在已探明的煤炭资源储量约为60 000亿t，但与此同时我国的消耗总量也比较大。消耗的一次性能源中，煤炭所占比例最大在60%左右，因此需要有效保障煤炭的产量。液压支架主要对煤矿巷道进行支护，有效保障采煤机等设备的正常运行与安全。

液压支架常与采煤机、带式输送机、掘进机等设备联合配合使用，液压支架在支护巷道的同时，也可作为掘进机前进的轨道，在煤矿的开采中发挥着重要作用。但是液压支架在实际使用过程中也常出现各类故障等问题，尤其是液压支架顶梁结构，在承受顶部不同的压力、冲击载荷时，会产生结构失效等故障，因此，针对ZP400型液压支架顶梁在不同工况下强度展开分析，此分析可用于提高结构承载能力[1]。

1 液压支架工作原理

矿用液压支架种类繁多，但其工作原理与结构组成（见图1）是类似的，一般包括顶梁、底座、支持立柱等结构。液压支架各动作部件由液压系统支撑可控制，主要是保证采煤机、输送机等设备的正常工作，液压支架可以实现升、推、降、移等四个动作。

液压支架上升主要是指顶梁在液压系统的驱动下上下移动，顶梁的升降最终与顶板相接触；推溜是指可借助于液压支架的推移千斤顶讲刮板输送机推移一定的距离；当液压支架需要向前移动时，顶梁与顶板会脱离，此时液压支架有个下降的动作；移架主要是由底座上的推移液压油缸实现液压支架在巷道内的移动[2]。

2 顶梁结构

图1 液压支架的工作原理

顶梁是钢结构焊接而成，根据其结构特点可以分为刚性顶梁、铰接式顶梁和可伸缩式铰接梁。作为大型薄壁结构，采用中间加筋板的方式多结构进行加强，如图2所示为ZP4000型液压支架的顶梁结构。

图2 铰接顶梁结构形式

该液压支架顶梁为刚性顶梁结构，具有结构简单、安全可靠、便于制造等特点。顶板上表面的平整度对液压支架的支撑能力影响较大，为了提高顶梁的承载能力，通常采用的解决办法是将顶梁的前端相对后端上翘1°～3°[3]。

3 有限元分析理论

有限元分析法（FEM，Finite Element Method）在数学中是一种求解偏微分方程边界值的一种方法，其基本原理是通过变分方法，使得误差函数的计算结果能够达到最小并且计算结果稳定可靠。该方法稳定可靠，计算结果与实际数值相差不大，因此被推广应用于复杂连续性的工程力学的计算之中。

随着有限元理论的不断发展与应用，逐步引入了矩阵计算理论，有限元分析方法是将复杂的连续体问题离散为单元和节点之间联系的关系，整体结构各单元之间的关系可以用一个刚度矩阵来表示，载荷施加在单元与节点之上，单元被赋予一定的属性即可模拟真实结构的受载荷情况。有限元分析计算可以整个结构的受载情况，计算结果可以直观反应结构应力、应变分布，对于结构力学等复杂问题的计算具有重要意义[3]。

采用了美国ANSYS公司的有限元分析软件Workbench，该软件具有操作流程简单、易于使用和学习等特点，对有限元的计算比较可靠，同时处理非线性问题具有明显优势。使用该软件分析的操作流程大致可以分为三维模型建立、有限元分析模型建立、计算求解、查看分析计算结果等步骤[4]。

4 有限元分析模型建立

4.1 三维模型的建立

目前三维建模软件应用较为广泛，现在技术比较成熟的软件包括：UG、SolidWorks、PRO/E、CATIA等软件，在此选择PRO/E软件建立液压支架三维模型，为了尽可能真实顶梁的应力分布情况，将液压支架整体作为分析对象，最后提取顶梁部分的计算结果。使用PRO/E的原因是可做到参数化建模的同时，与ANSYS Workbench有良好的兼容性[5]。

4.2 材料属性

ZP4000型液压支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服强度为690 MPa，材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量2.04×105MPa，泊松比为0.3。三维模型导入Workbench时需对液压支架各部件之间设置接触[6]。

4.3 网格划分

模型网格的处理对有限元分析计算结果影响较大，在不影响计算结果收敛性的问题下，控制网格大小。采用软件自主网格划分方法，设置网格参考尺寸为40 mm，设置网格网格畸变系数为0.9，单元类型设置为SOLID45实体单元。

4.4 载荷工况

目前对液压支架载荷的研究已经比较成熟，并形成了相关的标准，在分析该液压支架时参照国标《液压技术通用技术条件》，结构液压支架实际受载情况选择顶梁偏载工况和顶梁扭转工况两种工况进行分析，按照标准进行加载，在此不再对其载荷加载位置做过多说明[5]。

5 计算结果

基于第四强度理论对ZP4000型液压支架结构进行分析，根据强度分析结果可直观了解液压支架应力分布情况，下面分别对两种工况的计算情况进行说明。

5.1 顶梁偏载工况

顶梁在偏载工况下结构应力、应变分析结果如图3所示，由应力分布情况可知若不考虑垫块位置的话，顶梁应力分布较为对称，最大应力值为553.8 MPa，最大应力值位于顶梁左后方，两个加强筋板交汇位置。顶梁的其他位置应力较小，顶梁前半部分盖板应力较小，若考虑动载荷，应针对最大应力值点进行适当优化改进。

图3 偏载工况计算结果

顶梁在偏载工况下，结构发生一定的扭转，因此顶梁右侧变形明显大于左侧，最大变形量为18.81 mm，最大变形位于顶梁右前方。

5.2 顶梁承受扭转载荷

液压支架在顶梁承受扭转载荷工况下，根据Workbench计算分析结果，如下页图4所示，由应力云图可知，顶梁在此工况下最大应力为509.9 MPa，最大应力值位于顶梁底部右前位置与立柱相接触的区域，向顶梁两端依次减弱，其余位置应力较小。

顶梁在此工况下根据其位移分布云图可知，最大应变值为20.25 mm，最大应变区域位于顶梁左前侧，在Y轴与X轴方向顶梁的变形沿着长度方向依次减弱，呈阶梯形降低。

5.3 液压支架结构改进

根据对ZP4000顶梁的有限元分析结果可知，在两种工况下顶梁均出现了应力集中的情况，可能会导致结构产生破坏。因此，基于分析结果对顶梁结构提出优化改进方案。改进方案为：参照ZP4000型液压支架实际结构，为降低顶梁的应力集中，可将顶梁中后部的筋板、护板与侧板等增加到30 mm厚，顶梁前端受力较小，可将钢板厚度降低至20 mm，其优化位置如下页图5所示。对顶梁材料的合理优化可显著提高顶梁的承载能力与使用寿命，对其结构设计具有重要参考意义。