矿用液压支架顶梁的有限元分析及改进研究

侯亮科

（潞安化工集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

引言

液压支架作为综采工作面的关键设备之一，其不仅会直接影响到安全生产落实成效，还会涉及生产企业的资金投入和经济效益，是保障综采工作面安全、高效生产的关键所在[1-2]。因此，为提高矿用液压支架的安全性，降低支架使用成本，对其中重要部件之一的顶梁进行有限元分析，进而提出改进建议，此研究具有一定现实意义。

1 矿用液压支架顶梁结构的特点

矿用液压支架顶梁多采用箱型结构，一般由多块钢板焊接而成。为有效增强顶梁整体结构强度，会在顶梁上下盖板之间设置加强筋板，并将加强筋板以棋盘型方式布设。顶梁前端多采用圆弧形或者滑橇式设计，此种设计的主要目的在于减少液压支架移动过程中所产生的阻力。顶梁下方位置设置铸钢柱窝，两者之间采用焊接连接，并且铸钢柱窝两端分别连接顶梁和立柱。顶梁后端设置销孔，可通过销轴来实现顶梁与掩护梁之间的连接。

根据结构差异，可将现有矿用液压支架顶梁分为开式顶梁和闭式顶梁两种，具体情况如下：

1）开式顶梁：开式顶梁可有效降低液压支架顶梁的整体质量，并增强顶梁使用中的抗弯强度，部分开式顶梁上部会加设略厚于侧护板的钢板，以此来进一步提高顶梁结构强度，强化侧护板伸缩性能。

2）闭式顶梁：闭式顶梁的上下盖板与加强筋板均采用封闭型设计，此种顶梁可以细化为立筋凸出型和立筋凹下型两种，其中前者可有效增强顶梁整体焊接强度；后者虽然焊接强度略弱，但可以保障顶梁焊接后的平整性。

2 顶梁带焊缝模型构建

2.1 模型构建

在模型构建过程中，为减少模型计算数量，节约计算资源，将矿用液压支架顶梁实体上安装孔、凸台、倒角等对结构性能影响相对较小的部位进行有效简化。实际研究中将会以ZY8650型掩护梁液压支架顶梁为研究对象，通过Pro/E三维建模软件，根据顶梁的特点、尺寸及其他参数进行顶梁模型构建，而对于模型中加强筋板等具有相同结构特征的结构，则会采用阵列快速生成方式进行模型构建。在完成模型构建后将所构建的模型导入ANSYS Workbench程序，所构建出的模型如图1所示。

图1 顶梁带焊缝模型

2.2 模型接触处理

在模型导入ANSYS Workbench程序中后，程序会自动化探测模型的接触关系，其中模型接触区域将会被确定为面面关系，此默认关系可以通过ANSYS Workbench程序中的Option对话框进行合理更改，但一般情况下，程序默认关系已经基本可以满足各类模型接触关系设置需求。但程序中附加的接触关系则会拓宽模型中可以模拟的接触类型，进而对后续模型有限元分析结果造成影响。对此，在模型接触处理过程中还需要引入高级设定，在综合广义拉格朗日法、罚函数法、多点约束法、拉格朗日法等高级接触设定模拟方法的实际特点后，最终选择罚函数法作为研究高级接触设定模拟方法，其原因在于罚函数法在应用中不会增加程序求解规模，更有利于降低计算机运行压力。在完成各类参数设定后，将导入程序中的模型进行接触处理。

2.3 网格划分

构建顶梁三维几何模型后，若是直接将模型用于实际模型有限元计算分析，将会导致整体计算规模较大，增加计算机运行压力。因此，为降低计算规模，需要采用一定单位对模型进行网格划分，具体网格划分结果如图2所示。

图2 顶梁网格划分

3 顶梁受力结果的讨论与分析

为对比带焊缝和不带焊缝对顶梁应力所造成的影响，研究中将会在ANSYS Workbench程序中导入顶梁不带焊缝模型进行对比试验，如图3所示，并且所导入的不带焊缝模型的各种约束条件均与带焊缝模型基本一致。

图3 顶梁结构应力云图对比

通过有限元计算分析后，分别获取到不带焊缝顶梁结构应力和带焊缝顶梁结构应力为499.7 MPa和878.5 MPa；最大应力部位为顶梁后端垫块上和顶梁顶板角焊缝处；不带焊缝和带焊缝顶梁结构最大位移量为3.15 mm和3.82 mm。由此可见，相对于不带焊缝顶梁结构来说，带焊缝顶梁结构无论是结构应力，还是最大位移量均相对较大，并且最大应力部位处于顶梁顶板角焊缝位置，所以必须要考虑焊缝对矿用液压支架整体性能所造成的影响，以此来避免因计算考虑不周所带来的安全性问题。

4 矿用液压支架顶梁改进与实践应用

4.1 结构改进研究

基于上述研究结果可知，在矿用液压支架设计中必须要对顶梁焊缝进行综合考虑。对此，可以采用以下几种方法来改善矿用液压支架顶梁结构设计：

1）适当加强顶梁局部方法，其他部位尺寸减小，尤其是针对顶梁垫块到前端区域之间的焊缝尺寸更需要适当减小，以此来有效降低顶梁高应力区域，提高低应力区域，平衡整体应力水平。

2）将顶梁上的四条主筋加强耳板的长度进一步加长，促使加长后的耳板可以超过顶梁后端垫块位置。同时，将顶梁外侧加强条进一步加强，促使此加强条的长度也超过顶梁后端和前端的垫块，如此可以有效减小顶梁焊缝所承受的应力及结构整体最大应力。

3）根据顶梁实际结构及特点适当加厚垫块处横隔板。

在提出改进措施后，根据改进措施再次构建仿真模型，开展模型有限元分析，并提取仿真结果，最终确定改进后矿用液压支架顶梁最大应力点从原本的顶梁顶板角焊缝处转移到顶梁后端垫块上，实际顶梁结构应力为568.7 MPa，最大位移量为3.43 mm，相对于改进前顶梁结构应力的878.5 MPa和最大位移量3.82 mm来说，其改进效果较为显著。同时，在后续测试后确定，改进后的顶梁结构应力可以基本满足矿用液压支架的使用质量要求，确定此改进方案较为有效合理，可在后续矿用液压支架设计中进行合理采用。

4.2 应用效果评价

基于改进后的矿用液压支架设计方案应用到工程实践，并开展连续6个月的测试与数据采集。根据测试结果来看，改进后的矿用液压支架整体性能相对优秀，并且不存在原有设计中顶梁应力分布不均等问题，说明此改进方案较为有效。同时，在整体测试期间，改进后的矿用液压支架整体结构均没有出现较为显著的故障情况，说明此改进方案质量也可以得到一定保证。最后，将改进后方案的应用数据与改进前的应用数据进行匹配对比，最终发现改进后液压支架的使用寿命也得到进一步提升，整体提升幅度约为15%。综合多方面测试结果来看，采用改进后的矿用液压支架，不仅可以有效保障生产现场的安全性，保障生产人员人身安全，降低生产企业经济损失，还可以减少企业对于液压支架的维护成本和更换频率，进一步减少生产成本，综合提高生产企业经济效益。