液压支架掩护梁结构性能分析与优化

梁 宇

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业公司，山西 忻州 036702）

引言

液压支架是进行煤矿综采的重要设备，其所处工作环境相对复杂恶劣，受到开采顶板的压力载荷较大，在实际应用中存在突发的危险工况易造成液压支架的损坏[1]。煤层的分布复杂多变，对于液压支架的承载变化较大，对液压支架的性能具有较高的要求。掩护梁作为液压支架的主要部件，是顶梁和连杆的重要连接零件。掩护梁对顶梁起到主要的支撑作用，采用有限元分析的方式对掩护梁的性能进行分析，从而对掩护梁进行一定的优化，提高其支撑性能，进一步提高液压支架的综合性能[2]。

1 液压支架掩护梁分析模型的构建

对掩护梁的性能进行分析，需首先建立掩护梁的三维模型。采用三维建模Pro/E进行掩护梁模型的构建，Pro/E是被广泛使用的参数化建模软件，采用基于特征的实体化建模，可以方便对掩护梁生成模型。在进行模型构建的过程中，对掩护梁的实体结构进行一定的简化处理，对于圆角、倒角等细小结构忽略，仅保留主要的结构特征进行建模。选取合适的基准面，绘制相应的零件草图，然后通过拉伸、旋转等特征构建掩护梁模型[3]。

采用有限元分析软件ANSYS对掩护梁的结构性能进行分析，ANSYS具有强大的线性和非线性分析能力，在结构分析中具有较高的使用率，可将结果以多种图形的样式显示，方便进行分析对比。ANSYS与Pro/E具有直接的接口，可将掩护梁的模型直接导入到ANSYS中进行处理。对导入的模型，进行单元网格的划分，由于掩护梁常采用非对称的网格结构，采用板壳结构进行网格划分，得到掩护梁的网格划分模型如图1所示。对掩护梁模型进行材质的设定，设定弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，对掩护梁销孔处进行限定，承受来自顶梁的压力载荷作用，由此进行结构性能的模拟仿真[4]。

图1 掩护梁网格划分模型

2 液压支架掩护梁结构分析与优化

采用ANSYS进行掩护梁的分析运算，提取应力结果如图2所示。从图2中可以看出，掩护梁的整体应力值不大，在掩护梁与前后连杆连接的销轴位置处出现最大应力，最大应力值为436 MPa，销轴处的应力分布状态如下页图3所示。

图2 掩护梁应力（MPa）分布云图

通过图3可知，销轴位置处受到的应力值较大，对销轴位置处的板厚进行处理，以期改善销轴位置处的应力分布，对掩护梁的结构进行优化。为了确定板厚与应力的关系，选择板厚在10~90 mm之间进行取值，对不同情形下的应力状态进行分析计算，得到应力的大小变化如图4所示。

图3 掩护梁销轴最大应力（MPa）放大图

图4 最大应力值随板厚的变化曲线

从图4中可以看出，随着销轴位置板厚的增加，销轴受到的最大应力值有所降低，同时可以看到，随着板厚的增加，最大应力值降低的幅度并不大，且降低的幅度越来越小，这表明，增加销轴位置的板厚，并不能有效地降低销轴的应力值。这是由于掩护梁的结构为非对称的箱体结构，增加局部的板厚对整体结构的应力影响较小，在实际使用时，应依据掩护梁的整体结构适当地增加连接销轴位置处的板厚，从而减小局部的最大应力值[5]。

进一步对液压支架掩护梁的结构优化进行研究，在对掩护梁分析过程中，对圆角等结构没有进行处理，对较为重要的上下销轴处的钢板过渡进行圆角设置，且相应地增加圆角的半径值，选择前后板连接处的过渡半径为500 mm，查看细节设置对掩护梁分析结果的影响[6]。修改模型通过计算，得到增加过渡圆角的模型的应力分布如图5所示，从图中可以看出，改进后的模型的最大应力值为424 MPa，最大应力值相对初始结构有一定减小，对销轴位置处的应力具有改善作用。

图5 增加过渡圆角后掩护梁的应力（MPa）分布

通过上述分析可知，增加了上下销轴处的钢板过渡圆角，对于掩护梁的最大应力具有减小的作用，可以改善掩护梁的应力分布状态。在进行掩护梁的初始分析时，忽略了圆角的结构，有利于建模的简化及计算结果的快速输出，得到掩护梁的整体应力状态。针对销轴位置处的最大应力，对细小结构进行针对性优化，增加了圆角的过渡，降低了最大应力值，从而改善了掩护梁的应力分布。

3 结论

采用ANSYS有限元分析的方式对掩护梁的应力分布进行模拟仿真，结果显示掩护梁销轴位置处受到的应力最大。为改善销轴处的应力分布，对掩护梁进行结构优化。首先对改变销轴位置处的板厚进行分析，结果显示板厚的增加，对最大应力有减小的作用，但改善效果不明显。对前后梁增加过渡圆角结构进行分析，最大应力值具有一定的减小，改善了局部应力分布状态。由此可知，在对掩护梁进行设计的过程中，应依据整体结构，选择适当的板厚，并对连接过渡处采用圆角设置，这样不仅可以优化掩护梁的外观设计，同时还可以改善应力状态，有利于掩护梁性能的提升，提高液压支架的使用性能。