曹萍萍

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架作為綜采工作面不可或缺的構(gòu)成部分，對(duì)其可靠性的要求日益提升[1]。而掩護(hù)梁是液壓支架的承重結(jié)構(gòu)件，其服役過(guò)程的可靠性直接決定著液壓支架的安全性[2]。鑒于液壓支架掩護(hù)梁的重要性，學(xué)者們對(duì)其開(kāi)展了很多研究，也取得了一定的研究成果[3-4]。然而在實(shí)踐過(guò)程中，偶爾還會(huì)出現(xiàn)由于掩護(hù)梁剛度和強(qiáng)度不夠而出現(xiàn)的故障問(wèn)題，威脅著液壓支架的安全使用[5]?；诖?，本文對(duì)某型號(hào)液壓支架的掩護(hù)梁進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的不足之處，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 液壓支架掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)和主要功能

掩護(hù)梁是液壓支架的重要構(gòu)成部分，主要起到承重的作用。整體上掩護(hù)梁為箱體結(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)鋼板焊接制作而成。底部有4根較長(zhǎng)的主筋貫穿整個(gè)箱體，主筋的上部和下部分別與整體背板和腹板進(jìn)行焊接處理，不同主筋之間每間隔一段距離還設(shè)置有加強(qiáng)筋，通過(guò)這些主筋和加強(qiáng)筋可以保證掩護(hù)梁擁有足夠的強(qiáng)度和剛度以滿(mǎn)足使用要求。上端的左右兩側(cè)設(shè)置有相互對(duì)稱(chēng)的耳座，通過(guò)耳座實(shí)現(xiàn)與頂梁的連接，下端同樣設(shè)置有耳座實(shí)現(xiàn)與前后連桿的連接。腹板中間位置設(shè)置了一個(gè)區(qū)域用來(lái)固定千斤頂，這種連接方式與插銷(xiāo)耳座式連接方式相比較而言能夠承受更大的載荷，可靠性更好。

掩護(hù)梁在液壓支架中的作用是多方面的，其中最重要的作用就是避免液壓支架工作過(guò)程中采空區(qū)石塊掉落時(shí)對(duì)液壓支架造成較大的沖擊，從而對(duì)液壓支架的零部件造成損壞，確保采煤過(guò)程中液壓之間的可靠性和安全性。由此可見(jiàn)，掩護(hù)梁在保護(hù)液壓支架方面發(fā)揮著重要作用，為液壓支架的安全工作提供了堅(jiān)實(shí)的保障。但是，只要掩護(hù)梁自身具備足夠強(qiáng)度和剛度，才能夠更好地保護(hù)液壓支架[6]。

2 液壓支架掩護(hù)梁模型的建立及計(jì)算

2.1 三維模型的建立

建立液壓支架掩護(hù)梁有限元模型首先需要利用三維造型軟件建立其三維實(shí)體模型，本文利用PRO/E軟件完成建模工作。為了保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型尺寸全部來(lái)自真實(shí)的液壓直接尺寸。由于實(shí)際的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，存在很多倒角等細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)的存在會(huì)顯著降低模型計(jì)算速度，但不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此本文在建立三維模型時(shí)對(duì)那些不影響計(jì)算結(jié)果的細(xì)節(jié)之處做省略處理，以提升有限元模型的計(jì)算速度。結(jié)合具體情況，如果細(xì)節(jié)之處可能影響掩護(hù)梁強(qiáng)度則不能省略。

2.2 有限元模型的建立

本文利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬分析，將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行后續(xù)處理，第一步就是劃分單元。該軟件中包含有很多種單元類(lèi)型且每種類(lèi)型的單元都有其特點(diǎn)和適用范圍，合理選用單元類(lèi)型對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果都有直接影響。在綜合考慮多方面因素的基礎(chǔ)上，本文利用殼單元SHELL63和體單元SOLID45完成網(wǎng)格劃分，這兩種單元類(lèi)型都具有較好的形變能力和強(qiáng)度，能夠滿(mǎn)足本文使用要求。如圖1所示為掩護(hù)梁網(wǎng)格劃分情況。網(wǎng)格劃分后統(tǒng)計(jì)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和單元數(shù)量分別為50 566和 97 743。

圖1 液壓支架掩護(hù)梁網(wǎng)格劃分情況

在實(shí)際生產(chǎn)制作中，掩護(hù)梁使用的鋼材需要調(diào)質(zhì)處理，其主要的材料屬性按以下數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置：彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa和0.3，屈服強(qiáng)度和密度分別為480 MPa和7.85 g/cm3。根據(jù)液壓支架的實(shí)際使用工況設(shè)置邊界條件，其中掩護(hù)梁主要受到表面的作用力，其垂直方向和水平方向的力分別設(shè)置為320 t和80 t。

3 模擬結(jié)果分析

在設(shè)置相關(guān)的屬性后，利用軟件中的求解器對(duì)模型進(jìn)行求解分析，如圖2所示為液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)變和應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，基于真實(shí)情況建立的模型和設(shè)置的參數(shù)，掩護(hù)梁的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力分別為0.002 172 8 mm和434.55 MPa。最大應(yīng)變量相對(duì)較小，基本可以忽略不計(jì)，最大應(yīng)力雖然沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度值，但是已經(jīng)非常接近，處于比較危險(xiǎn)的狀態(tài)，必須引起重視。進(jìn)一步分析可知，液壓支架掩護(hù)梁發(fā)生最大應(yīng)力的區(qū)域?yàn)殂q接部位和掩護(hù)梁板的表面?；谝陨戏治稣J(rèn)為需要對(duì)上述兩個(gè)位置進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖2 液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)變和應(yīng)力分析結(jié)果

4 液壓支架掩護(hù)梁的優(yōu)化改進(jìn)

對(duì)于液壓支架掩護(hù)梁的應(yīng)力集中問(wèn)題，可以采取的優(yōu)化方法較多。比如可通過(guò)改變孔和軸的尺寸規(guī)格、優(yōu)化整個(gè)掩護(hù)梁的箱體結(jié)構(gòu)等都可以達(dá)到降低局部應(yīng)力的效果。此外，改變掩護(hù)梁的生產(chǎn)制作材料，提升零部件材料的許用應(yīng)力值，也可以達(dá)到提升其可靠性的目的。尤其是對(duì)于大高采工作面更應(yīng)該采用強(qiáng)度更高的材料來(lái)制作掩護(hù)梁。根據(jù)上文的分析計(jì)算結(jié)果可知，掩護(hù)梁的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在鉸接部位和掩護(hù)梁板的表面位置。因此，本文主要從這兩個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要思路就是提升鋼板的厚度。

4.1 鉸接位置的優(yōu)化改進(jìn)

在四連桿結(jié)構(gòu)中掩護(hù)梁發(fā)揮著重要作用，所承擔(dān)的應(yīng)力相對(duì)較大?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果可知，掩護(hù)梁鉸接位置存在較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，比較危險(xiǎn)，而其他部位的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，在安全范圍內(nèi)。為了提升鉸接位置強(qiáng)度確保掩護(hù)梁安全，在允許范圍內(nèi)可以適當(dāng)增加該部位鋼板的厚度，以分散該部位的應(yīng)力值，降低最大應(yīng)力值。即通過(guò)改變鉸接位置鋼板厚度實(shí)現(xiàn)最大應(yīng)力值的優(yōu)化。本文所述型號(hào)液壓支架掩護(hù)梁鉸接部位設(shè)計(jì)厚度為45 mm，為了分析該位置鋼板厚度對(duì)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，本文分別計(jì)算了鋼板厚度為10～80 mm時(shí)的情況下，如表1所示為掩護(hù)梁鉸接位置鋼板不同厚度時(shí)的最大應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)情況。

表1 鉸接位置鋼板不同厚度時(shí)的最大應(yīng)力值

由表中數(shù)據(jù)可知，隨著鉸接部位鋼板厚度的增加，該部位的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善，當(dāng)鋼板厚度為10 mm時(shí)，該位置的局部應(yīng)力最大值為492.38 MPa，當(dāng)鋼板厚度增加到80 mm時(shí)，該位置的局部應(yīng)力最大值降低到了420.94 MPa?？梢?jiàn)，通過(guò)增加鉸接位置的鋼板厚度可以在一定程度上降低該部位的最大應(yīng)力值，但是改善的效果有限，將鋼板厚度從10 mm增加到80 mm，最大應(yīng)力值只降低了71.44 MPa。因此，如果只是從增加鉸接部位鋼板厚度這一個(gè)層面進(jìn)行優(yōu)化效果不是非常顯著。

4.2 掩護(hù)梁板的優(yōu)化改進(jìn)

由圖2可知，掩護(hù)梁表面部位存在顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于掩護(hù)梁的安全。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)掩護(hù)梁內(nèi)部加強(qiáng)筋的厚度進(jìn)行提升達(dá)到優(yōu)化的目的。該型號(hào)液壓支架加強(qiáng)筋的厚度設(shè)計(jì)值為16 mm，為了分析加強(qiáng)筋厚度對(duì)應(yīng)力集中問(wèn)題的影響，本文分別分析計(jì)算了加強(qiáng)筋厚度在10～40 mm時(shí)的情況，如表2所示為掩護(hù)梁箱體內(nèi)部加強(qiáng)筋不同厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值情況。需要說(shuō)明的是，這些研究都是基于鉸接位置鋼板厚度為80 mm進(jìn)行計(jì)算的。

表2 加強(qiáng)筋不同厚度時(shí)的最大應(yīng)力值

由表中數(shù)據(jù)可知，加強(qiáng)筋厚度為10 mm時(shí)局部應(yīng)力最大值為437.06 MPa，當(dāng)厚度增加到40 mm時(shí)局部應(yīng)力最大值降低至350.26 MPa。可見(jiàn)，隨著加強(qiáng)筋厚度的逐漸增大，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的改善，加強(qiáng)筋厚度由10 mm增加到40 mm，局部最大應(yīng)力值降低了86.8 MPa，降低的幅度達(dá)到了19.86%。

可見(jiàn)，通過(guò)增加適當(dāng)增加鉸接位置和加強(qiáng)筋的鋼板厚度，可以有效降低掩護(hù)梁的局部應(yīng)力集中問(wèn)題。本文分別將鉸接位置和加強(qiáng)筋的鋼板厚度設(shè)計(jì)成80 mm和40 mm，并在實(shí)踐中得以應(yīng)用，結(jié)果表明，應(yīng)用效果顯著，通過(guò)增加鋼板厚度顯著提升了掩護(hù)梁的服役可靠性和安全性。

5 結(jié)論

掩護(hù)梁作為液壓支架的關(guān)鍵組成部分，其服役可靠性對(duì)整個(gè)設(shè)備都有重要影響，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的掩護(hù)梁進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)鉸接部位和掩護(hù)梁板的表面位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，威脅到了掩護(hù)梁的安全性。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這兩個(gè)位置的鋼板厚度分別增加至80 mm和40 mm，取得了良好的效果，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了很大程度的改善。實(shí)踐結(jié)果表明通過(guò)對(duì)掩護(hù)梁的優(yōu)化改進(jìn)能夠顯著提升其服役的安全性和可靠性。