袁慧娟，劉向麗

（1.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，山西大同 037000；2.山西大同大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心，山西大同 037000）

0 引言

液壓支架在煤礦綜采工作面主要發(fā)揮支護(hù)作用，是綜采工作面必不可少的重要設(shè)備，液壓支架的掩護(hù)梁主要負(fù)責(zé)工作面前端的頂板支護(hù)和擠壓煤墻防止片幫冒頂。在實(shí)際使用過(guò)程中，液壓支架可能發(fā)生偏心加載以及掩護(hù)梁長(zhǎng)期的高負(fù)載和矸石的撞擊等因素導(dǎo)致掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至斷裂等情況，一旦發(fā)生此情況，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)構(gòu)成很大威脅，更換液壓支架也嚴(yán)重影響生產(chǎn)。因此，通過(guò)仿真模擬液壓支架掩護(hù)梁的受力并分析掩護(hù)梁變形、斷裂的原因，提出掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造方案，增加掩護(hù)梁的支撐強(qiáng)度。

1 液壓支架掩護(hù)梁變形原因分析

造成液壓支架掩護(hù)梁變形、開(kāi)裂有多方面的原因，主要包括以下3 點(diǎn)：

（1）掩護(hù)梁長(zhǎng)期處于高負(fù)荷加載支撐，掩護(hù)梁出現(xiàn)金屬疲勞造成支撐強(qiáng)度下降，當(dāng)頂板壓力超過(guò)其支撐強(qiáng)度能力時(shí)，掩護(hù)梁則會(huì)出現(xiàn)變形、斷裂。

（2）掩護(hù)梁受力不均，出現(xiàn)偏心加載的情況，導(dǎo)致掩護(hù)梁所受扭矩較大，出現(xiàn)掩護(hù)梁扭轉(zhuǎn)變形。

（3）液壓支架后部過(guò)度放煤且頂板未垮落以及支架立柱的支撐高度不足導(dǎo)致液壓支架整體呈前低后高的情況，均會(huì)造成頂板壓力集中到煤墻及掩護(hù)梁上方，導(dǎo)致掩護(hù)梁受力過(guò)大。

以上3 種情況，均會(huì)造成掩護(hù)梁的變形、斷裂，除第一種難以避免的情況外，其余均可認(rèn)為是對(duì)液壓支架的使用及管理不當(dāng)造成。因此，以ZY6400/21/45型液壓支架為例，通過(guò)仿真模擬軟件對(duì)液壓支架進(jìn)行模擬加載，找出掩護(hù)梁應(yīng)力最大位置及薄弱易變形破壞位置，然后提出優(yōu)化改造方案。

2 液壓支架支撐強(qiáng)度的分析

2.1 掩護(hù)梁不同工況下的受力載荷

根據(jù)ZY6400/21/45型液壓支架的設(shè)備參數(shù)，設(shè)立掩護(hù)梁扭轉(zhuǎn)加載和偏心加載兩種極限工況，分析其受力載荷。掩護(hù)梁扭轉(zhuǎn)加載和偏心加載受力位置如圖1、圖2 所示。

按照?qǐng)D1、圖2 兩種不同受力工況下，結(jié)合ZY6400/21/45型液壓支架的工作參數(shù)，按照極限工況，計(jì)算在極限扭轉(zhuǎn)加載和極限偏心加載情況下掩護(hù)梁受力位置所受的載荷大小見(jiàn)表1。

表1 兩種載荷工況

圖1 掩護(hù)梁扭轉(zhuǎn)加載受力位置

圖2 掩護(hù)梁偏心加載受力位置

2.2 掩護(hù)梁有限元強(qiáng)度分析

ZY6400/21/45型液壓支架掩護(hù)梁材質(zhì)為Q460金屬，查閱材料力學(xué)性能參數(shù)，其密度為7.85 kg/mm3，彈性模量為2.1 e5 MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為460 MPa。采用有限元構(gòu)建掩護(hù)梁模型，在極限工況下計(jì)算應(yīng)力最大的掩護(hù)梁位置，根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果，液壓支架掩護(hù)梁在極限扭轉(zhuǎn)載荷中結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力為398 MPa，最大應(yīng)力位置為掩護(hù)梁柱窩處；在極限偏心載荷中結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力為451 MPa，最大應(yīng)力位置為腹板底座處。通過(guò)對(duì)比得出，掩護(hù)梁所受最大應(yīng)力及位置為偏心載荷下的腹板底座處，此結(jié)果說(shuō)明掩護(hù)梁受偏心載荷期間承受應(yīng)力最大，和實(shí)際工作中掩護(hù)梁受偏心加載情況下容易造成掩護(hù)梁變形和斷裂是一致的。其次，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在極限偏心載荷中掩護(hù)梁所受最大應(yīng)力為451 MPa，經(jīng)對(duì)比已接近Q460 金屬的屈服強(qiáng)度為460 MPa，加上在長(zhǎng)期的負(fù)載情況下，造成金屬疲勞導(dǎo)致材質(zhì)的屈服強(qiáng)度下降，當(dāng)其屈服強(qiáng)度下降至451 MPa 以下時(shí)，若支架出現(xiàn)極限工況下的偏心載荷，則會(huì)發(fā)生支架掩護(hù)梁變形甚至斷裂。為加強(qiáng)掩護(hù)梁的承載強(qiáng)度，需對(duì)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造優(yōu)化。

2.3 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)圖1、圖2 計(jì)算及分析結(jié)果，掩護(hù)梁在極限工況下的扭轉(zhuǎn)載荷和偏心載荷最大應(yīng)力位置分別為掩護(hù)梁柱窩處及腹板底座，針對(duì)這兩個(gè)位置進(jìn)行改造優(yōu)化，主要方案為：

（1）在掩護(hù)梁前端箱體內(nèi)的各增加一塊筋板，筋板在箱體內(nèi)安設(shè)呈對(duì)角斜置，如圖3 所示。

圖3 掩護(hù)梁筋板安設(shè)位置

（2）掩護(hù)梁筋板位置對(duì)掩護(hù)梁的腹板材料進(jìn)行加厚，增強(qiáng)掩護(hù)梁的承載能力。該改造方案簡(jiǎn)單，改造成本低，易于實(shí)施。

2.4 改造后掩護(hù)梁強(qiáng)度分析及對(duì)比

將改造后的液壓支架掩護(hù)梁構(gòu)建有限元模型，然后采用極限工況下的扭轉(zhuǎn)加載和偏心加載，觀察其受最大應(yīng)力的大小和位置的變化，并與改造前的加載結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：

（1）掩護(hù)梁扭轉(zhuǎn)加載下的應(yīng)力結(jié)果分析及前后對(duì)比。在極限扭轉(zhuǎn)加載情況下，改造前所受最大應(yīng)力為398 MPa，最大應(yīng)力位置為掩護(hù)梁柱窩處。改造后，掩護(hù)梁最大應(yīng)力位置沒(méi)有改變，但所受最大應(yīng)力降低至346 MPa 。

（2）掩護(hù)梁偏心加載下的應(yīng)力結(jié)果分析及前后對(duì)比。在極限偏心加載情況下，改造前所受最大應(yīng)力為451 MPa，最大應(yīng)力位置為掩護(hù)梁腹板底座處。改造后，掩護(hù)梁最大應(yīng)力已降低至403 MPa，數(shù)值明顯降低，且遠(yuǎn)離Q460 金屬的屈服強(qiáng)度為460 MPa，在最大應(yīng)力位置上沒(méi)有改變，但應(yīng)力分布從整體來(lái)看更為均勻。通過(guò)改造前后的綜合對(duì)比，改造后掩護(hù)梁在極限扭轉(zhuǎn)加載情況下最大應(yīng)力降幅13.1%，在極限偏心加載情況下最大應(yīng)力降幅10.6%，液壓支架掩護(hù)梁改造前后應(yīng)力對(duì)比如表2 所示。

表2 液壓支架掩護(hù)梁改造前后應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)液壓支架掩護(hù)梁易變形斷裂問(wèn)題，通過(guò)有限元模型計(jì)算并分析其最大應(yīng)力值及受力位置，提出成本低、易于實(shí)施的優(yōu)化改造方案，改造后通過(guò)有限元計(jì)算并分析出掩護(hù)梁所受最大應(yīng)力值得以有效降低10%以上，改造后的最大應(yīng)力已遠(yuǎn)離掩護(hù)梁材質(zhì)的屈服強(qiáng)度極限，所受應(yīng)力也更加均勻，使液壓支架的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和掩護(hù)梁的支撐強(qiáng)度得到更大保障。