矿用液压支架顶梁结构强度仿真分析及优化

2021-09-08申榕容

机械管理开发 2021年7期

申榕容

（山西新村煤业有限公司，山西长治 046000）

引言

液压支架是煤矿综采工作面的重要设备，主要负责工作面支护，为工作面回采提供作业空间，其支护可靠性直接影响工作面安全生产。顶梁作为液压支架的重要组成部分，是直接承受载荷的部件[1]，在生产过程中，由于煤矿工作环境恶劣，液压支架顶梁受力存在多样性和复杂性，主要存在负载过大、瞬间冲击、偏心承载等情况，在长期不同工况负载情况下可能出现顶梁结构变形、局部开裂现象，威胁工作面安全生产。以ZY12000型液压支架为例，采用有限元分析法分析支架顶梁在不同工况下的受力强度，并对顶梁存在的薄弱点进行优化改造，以满足复杂条件下的承载强度，保证工作面安全生产。

1 顶梁结构分析与模型建立

1.1 顶梁结构分析

矿用ZY12000型液压支架顶梁主要由顶板、连接板、主筋板、横筋板等组成，材质为Q345 钢，顶板采用整块钢板直接焊接在上部，主筋板为整条钢板焊接在顶板下部，横筋板位置根据侧推装置及立足支撑位置焊接在顶板下部，主筋板与横筋板通过与顶板的焊接形成顶梁的箱式结构，并在顶梁主筋板上留设与液压立柱连接的柱窝销轴孔。顶梁结构如图1 所示。

图1 顶梁结构示意图

1.2 顶梁结构三维模型建立

按照顶梁结构特点，采用Solid Works 软件建立顶梁三维模型，在建模过程中，为提高分析精度，将顶梁上的过渡圆角及倒角进行简化，对非关键孔位进行省略，仅保留顶梁主体结构[2]。顶梁主体结构三维模型如图2 所示。

图2 顶梁主体结构三维模型

1.3 顶梁结构仿真模型建立

将建立的顶梁结构三维模型导入Anasys Workbench16.0 有限元分析软件中建立仿真模型，为全面分析支架顶梁在不同工况下的受力状态，仿真模型中还需建立立柱、底座等支架全部构件，设置顶梁与立柱之间为铰接约束，顶梁表面设置为接触约束，顶梁材质属性设置为Q345。仿真模型中网格划分大小设置为10 mm，并对柱窝、顶梁与尾梁铰接等关键部位网格进行加密处理。液压支架仿真模型如图3 所示，顶梁材质参数如表1 所示。

图3 液压仿真模型网格图

表1 顶梁材质参数表

2 不同工况下顶梁结构强度分析

液压支架在实际工作中顶梁工况主要分为顶梁均匀承载和偏心载荷，对顶梁造成破坏的主要工况无疑为偏心载荷，而底座承载方式主要为底座两端集中载荷和底座中间集中载荷，故设置顶梁在偏心加载下底座两端集中载荷和底座中间集中载荷两种工况下进行受力分析，两种工况下顶梁加载受力情况如图4 所示。

图4 顶梁不同工况加载受力

2.1 顶梁偏心载荷+底座两端集中载荷工况分析

顶梁偏心载荷+底座两端集中载荷仿真模型如图5 所示，据图5 所示，在该加载工况下，顶梁承载应力从顶梁后部至前部呈从高到低的变化趋势，即中部和后部承载应力较高，前部承载应力较小，最大承载应力位置为顶梁与尾梁铰接处的偏心加载侧，最大应力值为368.78 MPa，该值超过顶梁材质的屈服强度345 MPa，故该工况下顶梁结构薄弱点为中部至后部区域，顶梁在该工况下长期受载使用则可能发生中部至后部区域结构变形、开裂现象，对顶梁结构稳定性和支护能力产生严重影响[3-5]。