基于ANSYS Workbench的四柱支撑掩护式液压支架顶梁分析与优化

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。目前许多学者对于两柱掩护式液压支架顶梁在各种工况下的受力情况进行了较为深入的研究，利用有限元分析方法获得了顶梁在各种工况下的应力云图，明确了顶梁结构的薄弱位置^[3]。商献伟等对ZY7200/18/40型两柱掩护式液压支架顶梁进行了多工况下有限元分析，找到了液压支架顶梁容易产生损坏的位置^[4]；张欣等对ZY6800/19/40型液压支架顶梁进行了多工况下有限元分析，针对分析结构进行了顶梁结构的优化设计^[5]。但是由于不同液压支架存在不同的结构，上述研究成果不适用于四柱支撑掩护式液压支架顶梁的分析，因此本文利用Solidworks和ANSYS Workbench软件，对某厂设计的ZZ7200/22/45四柱支撑掩护式液压支架的关键部件顶梁部分进行三种不同工况下的静态受力仿真试验，分析其应力和变形分布，为提高液压支架的强度以及结构优化提供理论依据。

1  液压支架三维模型建立

1.1 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。

1.2 模型建立

ZZ7200/22/45液压支架的结构复杂、组成部件较多，想要建立与支架实物完全相同的模型，不仅需要大量的工作量，而且会降低有限元分析效率。所以需要对模型进行一定的简化。在不改变结构件的基础上，简化一些对后续有限元分析影响不大的特征如圆角、小工艺孔等。使用Solidworks软件对液压支架进行三维建模如图1所示。

图1 ZZ7200/22/45 三维模型

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4523mm、宽1607mm、主要承力部分厚度为453mm，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。简化后的顶梁模型如图2所示。

图2  顶梁简化模型

2.2 材料属性添加和网格划分

将简化后的顶梁模型导入到ANSYS Workbench平台中，添加材料属性。ZZ7200/22/45型液压支架顶梁的主要材料为Q460C合金钢，因此其弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，屈服强度460MPa,密度7850kg/m3，将材料属性定义到顶梁模型中。计算的精度和效率主要由网格划分的质量决定，由于顶梁结构较为，因此采用自动网格划分方式对顶梁进行网格划分。网格划分完成后，对关键的部位进行局部的网格细化。网格划分后的模型如图3所示，网格划分结果：226686个节点，82311个单元。

图3 顶梁模型网格划分

2.3 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。

煤矿井下工作时，液压支架的顶梁受力情况复杂，完全模拟其工作过程中真实的受力情况非常难。国标GB25794.1----2010《煤矿用液压支架 第一部分：通用技术条件》要求支架分别作顶梁两端集中加载、顶梁扭转加载和顶梁偏载等试验项目，其中强度试验规定，除了对柱窝加载按1.3倍额定工作压力进行试验外，其他加载按1.2倍额定工作压力进行试验。对于本文ZZ7200/22/45液压支架顶梁部分，三种计算工况下立柱对顶梁的作用力是相同的。立柱对顶梁的额定工作阻力为7200KN,按1.3倍的额定工作阻力施加在顶梁的柱窝表面上，即把工作阻力（F=1.37200=9360KN）的四分之一（2340KN）分别施加在顶梁的四个柱窝上，力的作用线与立柱轴线一致。

2.4 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。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349.50MPa，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2.36mm，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。

图4-1（a）应力云图                                  图4-1（b）总变形量

（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576.54MPa，主要集中在方垫块与主肋板处，超过了材料的屈服极限460MPa，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3.68mm，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。

图5-1（a）应力云图                                   图5-2（b）总变形量

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576.54MPa，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10mm对其结构进行优化，并对新的结构进行有限元分析得到对应的应力和变形量云图如图6所示。由图6可以看出，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384.36MPa,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2.45mm，减小了顶梁的变形，提高了顶梁的刚度。

图6-1（a）应力云图                                      图6-1（b）总变形量

（3）顶梁偏心加载

对液压支架顶梁施加偏心载荷的应力和变形量云图如图7所示。由图7可以看出，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233.40MPa。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1.00mm，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。

图7-1（a）应力云图                                    图7-2（b）总变形量

综上所述，得到液压支架顶梁在三种工况下，其结构件的最大应力和最大位移如表2-1所示。

表2-1 最大应力和最大位移

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10mm后，最大应力由原来的576.54MPa降低到384.36MPa，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3.68mm降低到2.45mm，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Pro/E及ANSYS Workbench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ANSYS Workbench放顶煤液压支架顶梁有限元分析[J]. 煤矿机械, 2013, 34(2):99-100.

 [3] 杨善文, 黄璞, 李萍,等. 基于ANSYS Workbench液压支架顶梁有限元分析[J]. 精密制造与自动化, 2013(3):15-18.

 [4] 商献伟. 基于ANSYS的ZY7200/18/40液压支架仿真分析[J]. 煤矿机械, 2015(9):80-82.

 [5]    张欣. 基于 ANSYS Workbench 的液压支架顶梁优化设计[J]. 机械设计与制造工程, 2014(9):79-82.

 [6]  何龙龙. 液压支架关键部位的有限元分析[D]. 西安科技大学, 2016.

[7]  钟佩思, 宋建东, 刘梅, et al. 基于ANSYS的薄煤层掩护式液压支架顶梁静态特性分析[J]. 煤矿机械, 2011, 32(4):84-87.