張海斌

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 一號煤礦，陜西 黃陵 727307）

1 概 況

煤炭資源是我國整個能源結構體系中的重要部分，液壓支架是煤礦開采作業(yè)中非常重要的安全保障裝備，對可靠性要求非常高。頂梁是液壓支架中重要的承力結構件，與工作面頂板直接接觸，所以必須確保頂梁的力學性能滿足實際使用的要求。利用傳統(tǒng)設計方法對液壓支架頂梁結構進行設計時，不可避免地存在一些缺陷問題，對安全可靠運行構成了一定的威脅。本文對黃陵一號煤礦ZY9200/25/50D液壓支架進行分析研究，利用有限元方法對該礦用液壓支架頂梁進行優(yōu)化設計，取得了良好的效果。

2 液壓支架頂梁有限元模型建立

2.1 三維幾何模型建立

黃陵一號煤礦ZY9200/25/50D液壓支架支護寬度為1.66～1.86 m，支撐高度為2.5～5 m，初撐力為7 916 kN，工作阻力9 200 kN。以該支架頂梁結構實際尺寸為基準，利用SolidWorks軟件建立三維幾何模型。為了確保模型能準確無誤地導入Ansys軟件中進行有限元模型建立，忽略頂梁中存在的小倒角、小孔、小倒圓等對整體影響不大的結構，已有的實踐經驗表明，這種忽略不會對最終計算結果產生顯著影響。

2.2 有限元模型建立

將模型導入Ansys軟件后，首先需要進行網(wǎng)格劃分，Ansys軟件提供了多種類型的網(wǎng)格單元，不同類型單元對計算過程和結果均會產生影響。結合實際情況確定的網(wǎng)格單元類型為Solid 95，網(wǎng)格尺寸由軟件自動確定，劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為13 244個，節(jié)點數(shù)量為15 923個。ZY9200/25/50D液壓支架頂梁使用的鋼材為Q550，此材料的彈性模量和泊松比分別為210 GPa和0.28，密度為7.9×103 kg/m3，屈服強度和抗拉強度分別為550 MPa和830 MPa。建立的ZY9200/25/50D液壓支架頂梁有限元模型如圖1所示。

圖1 液壓支架頂梁有限元模型Fig.1 Finite element model of hydraulic support canopy

3 液壓支架頂梁受力結果分析

3.1 受力結果

完成液壓支架頂梁結構模型的分析工作后，通過后處理模塊可以對計算結果進行分析，由于此次是分析頂梁的受力情況，因此提取應力分布云圖，如圖2所示。

圖2 液壓支架頂梁應力分布云圖Fig.2 Stress distribution nephogram of hydraulic support canopy

由圖2可知，頂梁結構工作過程中，不同部位承受的作用力存在差異，絕大部分位置的應力相對較小，但局部位置出現(xiàn)了應力較大的情況，稱之為應力集中現(xiàn)象，具體位置在中間縱向筋板與前端橫向筋板相交結的部位，最大應力值達到了516.517 MPa。

3.2 存在的問題

液壓支架的加工材料為Q550鋼材，對應的屈服強度為550 MPa。通過上文分析可知，正常工況條件下，頂梁結構的最大應力值為516.517 MPa，雖然沒有超過材料的屈服強度，但是已經非常接近。礦井工作環(huán)境比較復雜，液壓支架服役過程中特別容易受到沖擊載荷影響，一旦出現(xiàn)比較極端的工況條件，頂梁結構應力集中部位的應力值就可能超過材料的屈服強度，導致該部位出現(xiàn)塑性變形，引發(fā)故障問題，影響煤礦安全高效開采。

4 液壓支架頂梁優(yōu)化改進分析

4.1 優(yōu)化改進方案

考慮到液壓支架頂梁的生產加工工藝過程已經比較成熟，結構已基本定型，因此在對頂梁進行優(yōu)化改進時，不宜做過大的改動，影響整個生產工藝過程。基于復合板材的思路，在頂梁中出現(xiàn)應力集中的板材處平行焊接1塊性能更優(yōu)的板材，使兩塊板材形成復合板材，提升應力集中部位的整體剛度和強度。經過分析調研，焊接板材選為Q690，屈服強度為690 MPa。

通常情況下，板材的規(guī)格尺寸越大，結構的剛度越好，但成本也越高，因此需要找到最優(yōu)的焊接板材規(guī)格尺寸，在滿足使用性能的條件下使成本最低。黃陵一號煤礦ZY9200/25/50D液壓支架頂梁應力集中部位板材承受的主要為彎矩，矩形板材的抗彎截面系數(shù)為：

式中：b為板材的寬度；h為板材的高度。可以看出，板材高度對抗彎性能影響最為顯著，所以取焊接板材高度的最大值，即280 mm，與原始板材高度相同。之后只需要以板材的寬度b和厚度t為優(yōu)化對象，確定最優(yōu)結果即可。頂梁優(yōu)化改進方案如圖3所示。

圖3 頂梁優(yōu)化改進方案示意Fig.3 Top beam optimization improvement scheme diagram

機械工程中為了確保結構運行的穩(wěn)定性和可靠性，通常需要設置安全系數(shù)，至少為1.5（所謂安全系數(shù)即材料屈服強度與實際承受最大應力之間的比值）。根據(jù)以上概念和基本要求，可以計算得到該頂梁的最大應力值不得超過366.67 MPa?；诖耍瑑?yōu)化改進時要求焊接板材規(guī)格尺寸最小的條件下，頂梁最大應力值低于366.67 MPa。優(yōu)化時板材寬度b在50～290 mm每間隔10 mm取值，厚度t在10～20 mm每間隔1 mm取值，建立對應的有限元模型并開展模擬分析工作。經過模擬結果對比，最終確定焊接板材寬度和厚度最優(yōu)值分別為280 mm和14 mm。。

4.2 優(yōu)化改進結果

液壓支架頂梁結構優(yōu)化前后最大應力的對比情況如圖4所示。由圖4可知，通過在應力集中部位焊接規(guī)格尺寸為280 mm×280 mm×14 mm的Q690板材，頂梁整體剛度和強度顯著提升，應力最大值降低到了355.793 MPa，與優(yōu)化前相比較降低了31.12%，且優(yōu)化后頂梁安全系數(shù)值為1.55，滿足機械工程中安全系數(shù)1.5的要求。

圖4 頂梁優(yōu)化前后最大應力對比情況Fig.4 Comparison of maximum stress of canopy before and after optimization

5 實踐應用效果分析

根據(jù)優(yōu)化方案加工制造了頂梁結構，并應用到黃陵一號煤礦工程實踐中，經調試無誤后投入使用，對工作面進行支護作業(yè)。工程實踐結果表明，優(yōu)化后的結構具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，完全能夠滿足黃陵一號煤礦工作面支護要求。與優(yōu)化前的結構相比，通過焊接板材形成復合板材結構，使頂梁關鍵部位的剛度和強度均有了一定的提升。根據(jù)專業(yè)技術人員的評估，優(yōu)化后的頂梁結構使用壽命在原有基礎上可以延長1 a，不僅有效保障了煤礦開采的安全，也為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益，取得了很好的實踐應用效果。

6 結 語

以黃陵一號煤礦ZY9200/25/50D液壓支架頂梁結構為研究對象，基于有限元方法對其進行優(yōu)化設計改進。利用SolidWorks和Ansys軟件建立了頂梁的有限元模型，進行受力分析發(fā)現(xiàn)存在應力集中現(xiàn)象，最大應力為516.517 MPa，接近Q550鋼材的屈服強度550 MPa，需要進行優(yōu)化改進；基于復合板材思想，在頂梁應力集中部位焊接Q690材料對其進行強化，利用Ansys軟件對焊板規(guī)格尺寸進行優(yōu)化，確定的最優(yōu)規(guī)格為280 mm×280 mm×14 mm；優(yōu)化后頂梁最大應力為355.793 MPa，與優(yōu)化前相比降低了31.12%，頂梁安全系數(shù)為1.55，滿足工程要求。將優(yōu)化后的頂梁應用到黃陵一號煤礦工程實踐中，經現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)效果良好，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全和經濟效益。