煤矿用滑移液压支架顶梁有限元强度分析_张勇.pdf

煤矿用滑移液压支架顶梁有限元强度分析张勇（霍州煤电集团鑫钜煤机装备制造有限责任公司，山西霍州031400）摘要：基于煤矿用滑移液压支架的基本结构及特点，构建滑移液压支架顶梁的三维模型和有限元模型，进而以此为基础实施滑移液压支架顶梁有限元强度分析。根据分析结果提出煤矿用滑移液压支架顶梁改进方案，并将其应用于工程实践，检验改进方案的有效性。关键词：煤矿；液压支架；滑移；顶梁；有限元中图分类号：TD355文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0025-030引言现阶段，煤矿用液压支架作为煤矿工作面的重要组成，其主要发挥顶板支护、防止顶板垮落等作用，不仅可以保障生产工作现场人员及设备的安全性，还可以一定程度上提高生产工作效率。因此，通过有限元分析方法对煤矿用液压支架中的滑移液压支架顶梁进行分析研究，进而提出针对性的改进方案，提高煤矿用滑移液压支架顶梁强度及性能，将有着一定的现实意义。1煤矿用滑移液压支架的基本结构及特点现有的煤矿用滑移液压支架主要分为顶梁、前伸梁、滑动梁、托梁以及双向液压支柱等部分，相对于综采工作面中常用的液压支架来说，滑移液压支架具有结构简单、体积小、使用灵活等特点1。对市面上的各类滑移液压支架大体划分后，可将所有滑移液压支架大致分为单列滑移顶梁液压支架和并列滑移顶梁液压支架两大类，而随着科学技术的持续发展，越来越多的新型技术手段开始运用到滑移液压支架改进中，进而促使新出现的滑移液压支架逐步解决传统滑移液压支架存在的稳定性差、插底严重等问题。如通过在定量上装配前伸梁来实现临时支护，支架上装设托梁解决倒架等问题。2煤矿用滑移液压支架顶梁模型构建由于传统煤矿用滑移液压支架中所存在的各类问题基本得到解决，所以在研究中将采用近年来所出现的 ZH2600/20/28Z 型整体顶梁滑移液压支架作为研究对象，以此来保证研究的前瞻性和有效性。2.1三维模型构建三维模型作为煤矿用滑移液压支架有限元分析的前提，其构建效果将会直接影响到后续有限元分析精度和有效性。因此，在具体研究前，需要对三维模型构建进行综合分析研究，进而从当前市场上常用的多种三维建模软件中选择出最适用于本研究的软件，并以此为基础实施滑移液压支架三维模型构建2-3。综合分析后，选用当前国际上较为常用，并且可以与有限元软件实现无缝对接的软件Pro/E 作为本研究中的三维模型构建软件。最终所构建出的滑移液压支架模型如图 1 所示。2.2有限元模型构建首先，在 ANSYS 软件中安装 Pro/E 软件接口，然后将 Pro/E 软件中所构建出的滑移液压支架三维模型导入到 ANYSY 软件中。其次，根据滑移液压支架的材料性能及整体特点，合理选择有限元模型构建中的单元类型，最终选用 Solid92 实体单元，此单元作为一种设置有 10 个节点的四面体单元，其在每个节点均有着 X 轴、Y 轴以及 Z 轴三个方向的平移自由度，可以满足本研究的具体单元类型要求。再次，需要为有限元模型配置各类参数变量，其中材料弹性模量、泊松比、密度、屈服强度以及拉伸强度等关键参数分别为 210 GPa、0.29、7.8 g/cm3、345 MPa、510660 MPa。最后，为降低有限元分析过程中计算机计算压力，还需要对构建的有限元模型进行网格划分处理，具体网格划分长度确定为 25，实际划分中采用自由网格划分模式，最终所获取到的有限元网格划分模型如下页图 2、图 3 所示。3煤矿用滑移液压支架顶梁有限元强度分析结果3.1顶梁的外载荷特征结合煤矿用滑移液压支架顶梁生产实际工作，最终发现顶梁的外载荷特征主要表现在以下四个方面。3.1.1顶梁两端承受集中载荷当工作面放顶煤开采时，顶梁受力通常集中在两收稿日期：2022-08-21作者简介：张勇（1990），男，山东菏泽人，本科，毕业于中国矿业大学机械电子专业，助理工程师，从事液压支架和皮带机方面的工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.010图 1煤矿用滑移液压支架三维模型试验研究机械管理开发第 38 卷端，此时若是受力超过顶梁承受限值，则会导致顶梁损坏破碎。3.1.2顶梁中间承受集中载荷滑移液压支架顶梁主要承担顶板支护作用，但井下工作环境极为复杂，经常会出现不稳固矸石脱落情况，当矸石与液压支架顶梁的接触点位于顶梁中间区域时，则顶梁出现受力集中情况，极易导致顶梁损坏。3.1.3顶梁承受单侧载荷井下复杂的工作环境使得煤层的厚度和倾角变化较大，以至于工作面顶板普遍存在不对称性，以至于顶梁支护时受力较不集中，极易导致倒架、垮塌等安全事故问题。3.1.4顶梁承受扭转载荷开采工作面顶板进程会存在浮矸情况，而在支架前移过程中，不平整的顶板将会导致顶梁承受扭转力，以至于支架出现一侧倾斜的风险。3.2有限元强度分析结果3.2.1顶梁两端承受集中载荷在顶梁两端承受集中载荷工况条件下，煤矿用滑移液压支架顶梁有限元强度分析结果如图 4 和图 5所示。如图 4 所示，在顶梁两端承受集中载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁所承受的最大应力值为296MPa，实际应力集中点位于顶梁内侧板与窝柱相互连接区域；如图 5 所示，在顶梁两端承受集中载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁受力时的最大位移值为0.86 mm，最大位移点处于顶梁一侧的窝柱内表面，并且位移变化呈现出中间大两端小的特征。3.2.2顶梁中间承受集中载荷顶梁中间承受集中载荷工况条件下有限元分析方法与顶梁两端承受集中载荷工况的有限元分析方法基本相关。通过有限元分析可知，在顶梁中间承受集中载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁所承受的最大应力值为 383 MPa，实际应力集中点位于顶梁内侧临近尾部窝柱区域；在顶梁中间承受集中载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁受力时的最大位移值为 0.83 mm，最大位移点处于应力集中区域，即顶梁顶部的立板区域4-5。3.2.3顶梁承受单侧载荷通过有限元分析可知，在顶梁承受单侧载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁所承受的最大应力值为482 MPa，实际应力集中点位于顶梁受垫块约束一侧的顶板和立柱接触区域；在顶梁承受单侧载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁受力时的最大位移值为3.28mm，最大位移点处于受垫块约束一侧的顶梁外侧板上。而因为材料最大屈服强度为 345 MPa，则此应力值已经超过材料强度限值，需要进行针对性处理。3.2.4顶梁承受扭转载荷通过有限元分析可知，在顶梁承受单侧载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁所承受的最大应力值为351 MPa，实际应力集中点位于顶梁滑轨下表面与立柱相互连接区域；在顶梁承受单侧载荷工况条件下，滑移液压支架顶梁受力时的最大位移值为 0.65 mm，最大位移点处于应力集中区域，并且呈现出应力集中区域位移大，周边区域依次减小的特点，此种情况的产生根源在于约束在受力中产生对液压支架顶梁位图 3煤矿用滑移液压支架前伸梁网格划分模型图 2煤矿用滑移液压支架顶梁网格划分模型图 4顶梁两端承受集中载荷工况条件下等效应力（MPa）云图图 5顶梁两端承受集中载荷工况条件下等效位移（m）云图131.971197.957263.943164.964230.95296.93632.99398.97965.9860.193E-03.385E-03.578E-03.077E-03.963E-04.289E-03.481E-03.674E-03.866E-030262023 年第 6 期移的影响。而因为材料最大屈服强度为 345 MPa，此种工况条件下的最大应力值虽然超过此限值，但忽略应力集中后却发现顶梁所承受应力一般处于 275MPa 以内，所以确定顶梁强度符合要求。4煤矿用滑移液压支架顶梁结构改进及实践应用针对顶梁承受单侧载荷工况下最大受力超过材料最大屈服强度的情况，可在滑移液压支架顶梁窝柱附近焊接加强板来提高顶梁的整体强度性能。将改进后的顶梁结构运用到工程实践中，并开展为期六个月的工程实践应用试验，最终发现此改进方案可以有效提高滑移液压支架顶梁结构强度性能，并且在应用中未出现异常风险情况，说明此改进方面良好有效。5结语通过有限元分析可以发现顶梁在不同工况条件下的受力情况也不尽相同，在具体有限元分析过程中应对顶梁所承受的应力特点进行充分考虑，以此来发现当前结构中存在的不足，进而提出改进方案，保障改进方案的有效性。通过工程实践确定本文所提出的改进方案良好有效，可以在其他滑移液压支架顶梁结构改进中进行参考应用。参考文献1叶光莉.综放工作面液压支架底座对角加载模型及其有限元分析J.煤矿机械，2020（8）：80-83.2张强.F2400 型放顶煤液压支架顶梁破损原因分析与改进研究J.机械管理开发，2021，36（7）：83-84.3高耀东，关守太.液压支架承载后的变形和应力分布情况研究J.机械设计与制造，2020（6）：78-82.4刘军锋，余龙，张兴辉.基于有限元分析的顶梁柱窝研究及应用J.煤矿机械，2020，41（6）：158-160.5王芳.不同工况下 ZF13000 型矿用液压支架顶梁结构性能分析J.机械管理开发，2021，36（8）：89-91.（编辑：王婧）Finite Element Strength Analysis of the Top Beam of Sliding Hydraulic Support for MiningZhang Yong（Huozhou Coal Power Group Xinju Coal Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Huozhou Shanxi031400）Abstract:Based on the basic structure and characteristics of sliding hydraulic supports used in coal mines,a three-dimensional model andfinite element model of the top beam of the sliding hydraulic support are constructed,and then finite element strength analysis of the topbeam of the sliding hydraulic support is carried out on this basis.Finally,based on the analysis results,an improvement plan for the topbeam of the sliding hydraulic support used in coal mines is proposed and applied to engineering practice to verify the effectiveness of theimprovement plan.Key words:hydraulic support for coal mines;sliding;top beam;finite element3结论1）分析顶梁偏载工况下液压支架的 MISES 应力云图及位移变形云图，发现在与立柱接触的顶梁柱帽位置出现最大 MISES 应力值为 608.8 MPa，最大位移为 7.59 mm。2）顶板扭转工况下顶梁上最大应力值为整机中的最大值，为 750 MPa，最大的变形量为 13.1 mm。3）拟焊接下 MISES 应力值整体较一体化处理下焊缝应力值有了一定提升，在焊接 p1、p4这两条焊缝下时，需要进行一定的补强。参考文献1苏志辉.大工作阻力薄煤层液压支架推杆的改进设计J.煤矿机械，2022，43（8）：146-148.2董峰，刘向丽.大采高综采工作面液压支架优化设计J.设备管理与维修，2022（1