液壓支架掩護梁優化設計研究

導語：液壓支架掩護梁優化設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為了提高ZY6400型液壓支架支護強度，采用有限元分析計算方法對支架掩護梁受力分布規律和疲勞壽命進行了模擬研究，并提出了優化措施。優化后的液壓支架在1-101工作面進行了工業性實踐，在試驗期間支架掩護梁結構完好，支護強度高，安全性好，確保了礦井安全生產。

關鍵詞：液壓支架；數值模擬；疲勞壽命；掩護梁

在當前，對煤炭開采的標準和細節要求不斷提高，對于井下的安全性能、生產效率和經濟收益要求也在不斷提高，在這樣的趨勢下，支護問題成為了一個越來越受到關注的問題，也成為了開采工作的一個核心性問題，在這個過程中，液壓支架掩護梁毫無疑問扮演者重要的角色。支架支護是否安全、可靠，也與掩護梁有著密不可分的聯系，ZY6400型液壓支架結構性能好壞對于支護可靠性有著極大的影響，又特別是掩護梁常因載荷遭受損傷，因此如何對煤礦井下ZY6400型液壓支架掩護梁的結構進行優化，提高其工作穩定和可靠性，成為煤礦企業迫切需要解決的核心關鍵問題[1]。論文利用有限元分析方法對ZY6400型液壓支架掩護梁進行優化研究，以期優化后的掩護梁滿足礦井需求，確保礦井安全開采。

1有限元計算方法

有限元計算時，發現變量和約束過多是掩護梁的典型特征，掩護梁在工作時不是孤立的，它和連桿、千斤頂以及頂梁都有著密切的聯系，所以系統整體上看比較復雜，想要實現真正的優化依然是一件比較困難的事，而且采用原始的分析方法無法準確的分析和優化液壓支架掩護[2,3]。對于這種情況，采取什么樣的計算方法就成為了重中之重，論文借鑒許多研究者采用的有限元數值分析方法來對液壓支架掩護梁進行計算，通過眾多例子和實踐證明，有限元計算方法確實是一種有效的計算方式，具有良好的分析效果，具備控制變量條件、計算效率高以及最終結果真實靠譜等優點。通過模型方式能夠直觀的查看、分析、判斷，了解其應力的分布狀況與規律，預測風險、規避風險，及時找出其中的相應隱患[4]，提前做好改進準備，這樣可以讓機構改進更具有科學性和說服力。整個優化過程分為三個主要步驟：1）在SolidWorks中建起完善液壓支架掩護梁三維模型，設置相應的變量和不變量，通過確定的分析，結合有關力學的原理對掩護梁應力分布規律進行模擬分析，最終得出應力分布結果[5]。2）將SolidWorks中建立的三維模型導入到Simulation中，對其進行模塊優化，設置相應的參數和邊界條件，其中總載荷被設定為目標函數，并根據實際要求給出相應的變化范圍，運用有關程序進行細致計算，逐層推進，最終找出問題的關鍵點[6]。3）加強對有關變量的分析，根據實際的研究和需求，建立疲勞壽命關系式，通過仿真模擬研究，確定液壓支架掩護梁的壽命極限，通過改善掩護梁缺陷，來達到增強疲勞壽命，減小應力集中，確定最優改進方案。

2液壓支架掩護梁優化

2.1掩護梁應力分析。為了全面了解液壓支架受力狀況，重點研究了ZY6400型液壓支架的相應組成部分，發現在工作過程中受壓力最大的是掩護梁，其所處的環境和情況也相對較差，所以在對機構進行系統性優化的時候，對掩護梁的優化和作用提升就成為了一項非常重要的工作，在研究掩護梁上選取了兩個探測點（如圖1所示），模擬液壓支架在受到載荷作用的整個過程液壓支架受力分布情況。圖1ZY6400型液壓支架受力分布情況從有限元模擬看出，ZY6400型液壓支架前端耳板附近的損壞是掩護梁被破壞的重要表現，掩護梁腹板是應力集中區。所以為了優化液壓支架掩護梁受力，避免應力集中，確保發揮其優良性能，根據掩護梁的應力規律，在掩護梁和豎筋板之間應該放幾塊斜筋板，從而確定最佳的力學性能，不斷改進裝置結構，使其強度和穩定性都能達到明顯提高，根據實際應用反饋，ZY6400型液壓支架掩護梁損壞常常發生在掩護梁前端耳板周圍，為了改善耳板周圍受力，優化掩護梁力學性能，采用有限元計算分析得出，可以采取以下措施來提高掩護梁的力學性能：掩護梁采用不同結構組成，并且在掩護梁腹板上增設鋼板；在支架頂梁連接的結構處分別增設兩條斜筋，目的是來分解支架頂梁所受的載荷，另外該斜筋還具有穩定性的功能；同時在掩護梁結構上增設橫板和斜筋板復合體。根據有限元計算要求，對改進的支架掩護梁、強度改善的模型進行了簡化，ZY6400型液壓支架掩護梁改進后建立的模型如圖2所示。ZY6400型液壓支架掩護梁所用材料性質在有限元軟件中的設定如表1所示。（a）改進后的模型外形（b）改進后的模型內部圖2ZY6400型液壓支架掩護梁改進后建立的模型表1ZY6400型液壓支架參數設置為了研究改進后的掩護梁力學性能，采用有限元計算方法對ZY6400型液壓支架掩護梁進行了仿真模擬，其模擬結果詳見圖3所示。根據有限元計算得出，液壓支架掩護梁上的探測點1最大應力為399MPa，探測點2最大應力為414MPa，兩個探測點應力均小于460MPa，小于掩護梁材質屈服強度，無論板厚如何，其各種組合都比極限的強度要小，整體上來看，應力均在可承受范圍內。說明優化選用材質滿足要求，各個組合結構均小于材質屈服強度極限，增設結構合理。2.2掩護梁疲勞壽命分析。在可靠性能和優化的研究中，對于疲勞壽命的考察是比較常見的，也是最有效的研究之一，ZY6400型液壓支架掩護梁與頂梁、前后連桿共同組成了一個四連桿機構，根據有限元計算發現，在支護過程中，其受到的最大接觸應力是連接銷和掩護梁，為了優化連接銷點的接觸應力，在掩護梁銷連接處提高厚度，同時在設計過程中選用高強度的材質制作掩護梁和連接銷，優化改進后的ZY6400型液壓支架掩護梁運用有限元進行模擬分析。ZY6400型液壓支架掩護梁疲勞壽命有限元分析結果如圖4所示，結果顯示銷連接處接觸應力有明顯降低趨勢，且整個掩護梁受力分布較改進前均勻。

3綜合分析

本次研究主要運用有限元的分析法，在模擬過程中對ZY6400型的液壓支架掩護梁進行了可靠性的優化設計，為了進一步提升液壓支架掩護梁的使用效率和使用性能，研究采用三維建模，同時根據掩護梁的實際要求采用了有限元分析與計算，通過實際研究和具體過程的模擬，可以清楚了解結構在掩護梁中被破壞的部分，同時根據應力分布規律和容易遭受損傷的結果，針對性地給出了結構優化措施，極大地提高了ZY6400型液壓支架掩護梁的可靠性。優化后的ZY6400型液壓支架掩護梁在礦井10-101工作面進行了工業性實踐，為了觀測、驗證該支架掩護梁支護效果，在10-101工作面進行了礦壓觀測，礦壓觀測表明，優化后的ZY6400型液壓支架掩護梁得到了明顯改善，改進的掩護梁支護強度高，安全性好，有利于維護工作面穩定。10-101綜采工作面從2018年10月起開始上了優化后的ZY6400型液壓支架，截止2019年4月，至今在礦井下作業已有7個月，改進后的ZY6400型液壓支架掩護梁有效保護了綜采設備和人員安全。既保證了礦井作業人員的人身安全，又滿足工作面頂板支護需求，這對煤礦安全生產具有重要的意義！

4結論

為了提高ZY6400型液壓支架支護強度，保護綜采工作面安全生產，論文采用有限元分析計算方法對支架掩護梁受力分布規律和疲勞壽命進行了模擬研究，并提出了優化措施。改進后的液壓支架掩護梁支護強度高，安全性好。1）在SolidWorks軟件建立液壓支架掩護梁三維模型，設置邊界條件和初始參數，結合Simulation軟件綜合分析掩護梁應力狀況，找出掩護梁存在的不足，進而提出優化措施。2）利用有限元計算方法對ZY6400型液壓支架掩護梁應力和疲勞壽命進行了模擬分析，分析了應力分布規律，根據模擬結果提出了對ZY6400型液壓支架掩護梁優化方案。3）ZY6400型液壓支架在使用過程中礦壓觀測表明，優化后的掩護梁支護強度高，在試驗的7個月期間為發生頂梁斷裂、掩護梁損傷的情況，掩護梁優化效果理想。

參考文獻：

[1]高郁.我國液壓支架技術現狀及發展[J].煤炭技術,2003,22（7）:4-6.

[2]石哲敏.液壓支架可靠性優化設計方法的研究[D].中國礦業大學（北京）,2012.

[3]謝里陽,王正,周金宇,等.機械可靠性基本理論與方法[M].北京:科學出版社,2009.

[4]王謙.液壓支架頂梁危險截面疲勞可靠性預測方法研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2016.

[5]武紅霞,秦冬晨.基于有限元的液壓支架頂梁可靠性分析[J].煤礦機械,2010,31（10）:98-99.

[6]馬園園,謝里陽,林文強.液壓支架隨機載荷歷程及Monte-Carlo法的應用[J].東北大學學報(自然科學版),2014,35（1）:93-195.

作者:邊志雄 單位:霍州煤電集團洪洞億隆煤業有限責任公司