液压支架掩护梁的强度分析与优化.pdf

186/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备1 液压支架的基本箱型结构箱型结构具有较强的抗扭矩、抗弯矩性能，在现有的液压支架关键结构部件大多采用箱型结构，如掩护梁、顶梁、底座、前后连杆等。相关结构均是采用钢板焊接的方式形成箱型多腔体结构，这种结构可以占据液压支架总重量的 70%以上。结合实际情况来看，现有的液压支架箱体结构大多是以箱体内的腔体数量进行划分，进而划分为单腔体截面结构、双腔体截面结构、多腔体对称式箱型截面结构、多腔体非对称式箱型截面结构、多腔体局部开口截面结构等。2 ZY6400/21/45 型液压支架模型构建现阶段，ZY6400/21/45 型液压支架在应用中经常会出现掩护梁损坏情况，并且损坏区域大多出现于掩护梁前端的耳板附近区域，为了有效改善掩护梁耳板附近区域的受力情况，改变当前掩护梁损坏问题，本文分别提出三种结构优化方案：分别在掩护梁两竖筋板之间、邻近腹板区域添加一块钢板，具体情况如图 1（b）所示。在掩护梁顶梁与箱体邻近区域添加两块斜筋板，具体情况如图 1（c）所示。将优化方案一和优化方案二相结合，具体情况如图 1（d）所示。基于图 1 中的掩护梁优化前结构及优化方案示意图，通过 Simulation 软件实时有限元分析，并且为降低有限元分析时计算机运行压力，会对结构中不影响主体结构性能及不参加承载的结构部件进行合理优化，省略如倒角、圆角、小孔等结构，并将掩护梁视作为整体结构。此外，有限元分析中掩护梁主体材料将会选用 Q460 材料，此种材料的弹性模量、密度、泊松比以及屈服强度分别为 2.1105MPa、7.85kg/mm3、0.3、460MPa。3 ZY6400/21/45型液压支架掩护梁的强度分析3.1 偏载工况条件下掩护梁强度分析ZY6400/21/45 型液压支架在运用过程中会涉及到多种工况条件，其中，偏载工况作为液压支架受力最危险许晓明（山西铺龙湾煤业有限公司，山西大同 037100）摘要：基于液压支架的基本箱型结构，以 ZY6400/21/45 型液压支架为例，基于现有液压支架的结构特点，提出三种不同的掩护梁结构优化方案，并分别构建液压支架三维立体模型，以此为基础实施液压支架掩护梁强度有限元分析，确认三种优化方案的有效性，并将优化方案应用于实践，以期能够提升 ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁强度性能。关键词：液压支架；掩护梁；强度分析；有限元分析；结构优化液压支架掩护梁的强度分析与优化图1 掩护梁优化前结构及优化方案示意图d 方案三c 方案二 b 方案一a 优化前 2023.7 矿业装备/187的工况条件，极易引发液压支架倒架等安全事故1。以下将以偏载工况为有限元分析中的工况条件，进而完成以下研究过程。在偏载工况条件下，优化前的掩护梁所承受的最大应力值为 398MPa，最大应力点位于掩护梁中部区域；优化方案一的掩护梁所承受的最大应力值为 362MPa，最大应力点位于掩护梁中部区域。虽然最大应力点集中区域未出现较大改变，但相对于优化前来说，优化方案一的掩护梁所承受最大应力值得到有效降低，说明优化方案具有一定有效性。优化方案二与优化方案一的有限元分析过程大致相同，在此将不再另行说明，下同。在偏载工况条件下，优化方案二的掩护梁所承受的最大应力值为 376MPa，最大应力点位于掩护梁中部区域。相对于优化前来说，优化方案二的掩护梁所承受最大应力值得到有效降低，说明优化方案具有一定有效性，但相对于优化方案一来说，优化方案二的掩护梁所承受的最大应力值相对较大，说明此优化方案存在较大不足。在偏载工况条件下，优化方案三的掩护梁所承受的最大应力值为 351MPa，最大应力点位于掩护梁中部区域。相对于优化前来说，优化方案三的掩护梁所承受最大应力值得到有效降低，说明优化方案具有一定有效性。同时，相对于优化方案一和优化方案二来说，优化方案三的掩护梁所承受的最大应力值更小，说明此优化方案存在较强优势。3.2 顶梁偏心载荷工况下掩护梁强度分析顶梁偏心载荷工况也会为 ZY6400/21/45 型液压支架的工程应用造成较大的安全风险，以下将结合顶梁偏心载荷工况条件实施掩护梁强度有限元分析。在顶梁偏心载荷工况下，优化前的掩护梁所承受的最大应力值为 451MPa，最大应力点位于掩护梁中间偏右区域，并且受力分布较为均匀。但 Q460 材料的最大许用应力为 460MPa，此应力值已经临近最大许用应力，考虑到具体液压支架极为复杂的工作环境，极易可能会出现超出限值的情况，所以必须要进行优化完善。在顶梁偏心载荷工况下，优化方案一的掩护梁所承受的最大应力值为 391MPa，最大应力点位于掩护梁后端临近中心区域。相对于优化前来说，优化方案一的掩护梁所承受最大应力值得到有效降低，说明优化方案具有一定有效性。在顶梁偏心载荷工况下，优化方案二的掩护梁所承受的最大应力值为 428MPa，最大应力点位于掩护梁中部周边区域以及临近后端区域。相对于优化前来说，优化方案二的掩护梁所承受最大应力值得到有效降低，说明优化方案具有一定有效性，但相对于优化方案一来说，优化方案二的掩护梁所承受的最大应力值相对较大。在顶梁偏心载荷工况下，优化方案三的掩护梁所承受的最大应力值为 367MPa，最大应力点位于掩护梁后端临近中心区域。相对于优化前来说，优化方案三的掩护梁所承受最大应力值得到有效降低，说明优化方案具有一定有效性。同时，相对于优化方案一和优化方案二来说，优化方案三的掩护梁所承受的最大应力值更小，说明此优化方案存在较强优势。4 ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁优化方案工程应用在本文所提出的三种优化方案中，优化方案三无论是在偏载工况条件下，还是在顶梁偏心载荷工况条件下均表现出较强的受力优势。因此，最终在综合分析后确认以优化方案三为实际优化方案。将优化后的掩护梁应用工程实践，进而检验优化后的掩护梁具体应用成效。结合应用结果来看，相对于现有的掩护梁结构来说，优化后的掩护梁结构在受力性能方面得到有效提升，进而促使整个 ZY6400/21/45 型液压支架综合性能得到提升，一定程度上避免液压支架在应用中存在的掩护梁损坏等安全风险，具有较强的应用有效性，值得在后续ZY6400/21/45 型液压支架结构优化中进行参考应用。5 结束语针对当前 ZY6400/21/45 型液压支架在应用中所存在的掩护梁损坏等问题，基于现有掩护梁结构特点，提出三种掩护梁优化方案，并分别对四种掩护梁进行有限元分析。最终发现三种优化方案中优化方案三在无论是在偏载工况条件下，还是在顶梁偏心载荷工况条件下均表现出较强的受力优势，并且在后续的工程实践中也进一步确认此特点，说明此优化方案具有较强的有效性，值得在后续掩护梁结构设计与性能改进中进行参考应用。参考文献1 刘向丽,董峰,袁慧娟.掩护式液压支架掩护梁受力有限元分析及其结构优化 J.煤矿机械,2021,42(4):126-130.