基于ANSYS Workbench的四柱支撑掩护式液压支架顶梁分析与优化杨洪涛 崔文宝 陈邦晟

Sci ence &Technol ogy V i s i on
科技视界0引言
液压支架是综采工作面的关键支护装备,是煤矿
能否实现高产高效的保证。

煤矿井下地质条件复杂、工作面长度加大以及煤壁片帮加剧,这些因素都导致
液压支架工作受载明显、工作环境越发恶劣[1]。

而顶梁
又是液压支架的重要部件,承担着接受顶板岩石载荷,重复支撑顶板的作用,为工作面提供足够的安全环境
[2]。

因此液压支架顶梁的承载状况对于综采工作
面的安全起着至关重要的作用。

1液压支架承载结构件与工作原理
ZZ7200/22/45四柱支撑掩护式液压支架承载结构
件主要由顶梁、掩护梁、连杆、底座等部分组成,其中顶梁与顶板接触,承接来自顶板岩石和煤的压力;掩护梁的主要作用是防止破碎顶板岩石掉入支撑工作面,为工作人员提供安全空间。

连杆与掩护梁、底座组成四连杆结构,控制支架的运动;底座与地板接触,通过顶梁将顶板的压力、载荷传递给地板。

而立柱是液压支架最重要的部分,给顶梁提供足够的支撑力,决定了支架的支撑高度与工作阻力。

在液压支架的组件支持下,液压支架主要靠初撑、增阻承载、恒阻承载、拉架、推溜等几个动作交替进行作业,实现机械化过程[6]。

顶梁、掩护梁和平衡缸形成稳定的三角形结构,
借助连杆使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双扭线,从而使支架顶梁前端点与煤壁间的距离变化大大减小,提高对顶板支护的可靠性。

而顶梁又是组成液压支架的重要部件,主要作用是承接顶板岩石的载荷,反复支撑顶板,为工作面提供足够的安全环境。

因此顶梁结构的受力情况、稳定性和安全性至关重要,其对于综采工作面的安全起着至关重要的作用。

2
顶梁有限元分析
2.1
模型简化
顶梁是通过将顶板、盖板、柱窝等部件拼焊而成,
在支护的过程中直接与顶板接触,承接来自顶板岩石和煤的压力,对液压支架的整体稳定性起着至关重要的作用。

本文所选取的四柱式液压支架顶梁部分长4523m m 、宽1607m m 、主要承力部分厚度为453m m ,承载能力为200t 。

顶梁三维模型中包含大量倒角、圆孔、焊接坡口等结构特征,在进行有限元分析时,分析效率会受到这些结构特征的影响导致效率降低,所以需要对顶梁模型进行简化。

2.2
添加约束与载荷
在工作面开采的过程中,顶梁不仅受到来自立柱的支撑载荷,也承受来自工作面围岩的压力载荷。

在对支架进行试验时,通过加不同垫块来反映支架受围岩作用力的不同工况。

但是若把垫块施加的载荷当做外力来处理,该状况属于超静定系统,那么无法用力的平衡方程求出垫块对支架的作用力;因此不把垫块的作用力当作外力来考虑,而是把垫块的作用当作边界条件来处理[7]。

顶梁的一侧为接触面,垫块的一侧为
目标面,同时约束垫块下表面的Y 方向自由度并将垫块的上表面进行全约束。

2.3
结果分析
(1)顶梁两端集中加载
液压支架在顶梁两端集中加载的应力云图和变形量结果如图4所示,此工况中,长垫块置于顶梁两端。

作者简介:杨洪涛(1972—),男,福建莆田人,教授,博士生导师。

基于A N SY S W orkbench 的四柱支撑掩护式
液压支架顶梁分析与优化
杨洪涛崔文宝陈邦晟江磊
(安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001)
【摘
要】文章以四柱支撑掩护式液压支架Z Z 7200/22/45为研究对象,分析了支架的承载结构件和工作原
理,研究了基于有限元分析的支架顶梁在顶梁两端集中加载、顶梁扭转、顶梁偏载3种较危险工况下应力分布和变形量云图,进而找出了顶梁结构发生破坏的位置,并对顶梁结构提出了优化措施。

优化结果表明,在将主肋板厚度增加10m m 后,达到了顶梁结构的强度要求,提高了顶梁的刚度。

为后续正确合理地设计液压支架顶梁结构提供了理论支持。

【关键词】支撑掩护式;有限元分析;应力分布;支架顶梁;主肋板;刚度中图分类号:T D 355.4
文献标识码:A
文章编号:2095-2457(2019)01-0152-002
D O I :10.19694/j .cnki .i ssn2095-
2457.2019.01.065
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Sci ence &Technol ogy V i s i on 科技视界由图4可以看出,在顶梁两端施加集中载荷时,应力主要集中在顶梁两端靠近垫块处,其最大应力值为349.50M Pa ,没有达到材料的屈服极限,其他部位应力值也不大。

顶梁的变形量最大为2.36m m ,主要集中在顶梁的中部,向顶梁两侧逐渐递减,而其他部件的变形很小,顶梁沿支架纵向的整体变形呈弓形。

(2)顶梁扭转加载
对液压支架顶梁施加扭转载荷的应力和变形量云图如图5所示。

由图5可以看出,应力最大值为576.54M Pa ,主要集中在方垫块与主肋板处,超过了材料的屈服极限460M Pa ,因此此处为薄弱环节,可以适当增加主肋板的厚度进行改善。

其他部位受力均匀,没有出现大的应力集中现象。

顶梁的中部偏离方形垫块的一侧位移最大,为3.68m m ,且顶梁从方垫块另一侧顶梁侧板处开始变形,向顶梁两端和垫块一侧变形逐渐减小。

此时,顶梁中部一侧翘起变形。

在顶梁扭转加载工况下,原来的材料并不能满足顶梁的强度要求,在主肋板处最大应力值达到576.54M Pa ,已经超出了材料的屈服强度极限。

目前采用的措施是将主肋板厚度增加10m m 对其结构进行优化,在增加顶梁主肋板的厚度后,应力分布云图形状基本保持不变,但最大应力值降为384.36M Pa,没有达到材料的屈服强度极限,从而满足强度要求。

且最大
位移量也降为2.45m m ,减小了顶梁的变形,提高了顶
梁的刚度。

(3)顶梁偏心加载
应力分布主要集中在顶梁中盖板附近,靠近顶梁端头处应力最大,其值为233.40M Pa 。

没有达到材料的屈服强度极限,其他部位应力不大。

液压支架顶梁的
总体变形量不大,最大变形发生在在一侧销孔处,为1.00m m ,且顶梁向另一侧位移在逐渐减小。

此时顶梁沿支架对角线翘起变形。

3结论
本文分析了液压支架的承载结构件和工作原理,
研究了基于有限元分析的支架顶梁在顶梁两端集中加载、顶梁扭转、顶梁偏载3种较危险工况下应力分布和变形量云图,进而找出了顶梁结构发生破坏的位置,并对顶梁结构提出了优化措施。

,可以得到以下结论:
(1)在顶梁两端受载时,应力主要集中在顶梁两端
靠近垫块处,但没有达到材料的屈服极限。

顶梁中部相较于两端有较大变形。

(2)在顶梁扭转加载时,顶梁的主肋板处出现了应力集中现象,处于危险状态,而在将主肋板的厚度增加10m m 后,最大应力由原来的576.54M Pa 降低到384.36M Pa ,减小了应力集中影响,满足了材料强度要求。

变形量也有原来的3.68m m 降低到2.45m m ,提高了顶梁的刚度。

(3)在顶梁偏心加载时,顶梁较两端受载和扭转工况的应力和变形均小,此时顶梁中盖板附近有较大变形,柱窝、铰接及肋板处均安全。

【参考文献】
[1]邵明远,李炳文,种法洋.基于Pr o /E 及A N SY S W or kbench 的液压支架顶梁的静力与疲劳分析[J].煤矿机械,2014,35
(10):226-228.
[2]董营,周毅钧,郁向红.基于A N SY S W or kbench 放顶煤液压支架顶梁有限元分析[J].煤矿机械,2013,34(2):99-100.
图2(a )应力云图(b )总变形量
图1(a )应力云图(b )总变形
量
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