基于有限元计算方法对液压支架掩护梁优化设计研究.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 在当前，对煤炭开采的标准和细节要求不断提 高， 对于井下的安全性能、 生产效率和经济收益要求 也在不断提高， 在这样的趋势下， 支护问题成为了一 个越来越受到关注的问题，也成为了开采工作的一 个核心性问题， 在这个过程中， 液压支架掩护梁毫无 疑问扮演者重要的角色。支架支护是否安全、 可靠， 也与掩护梁有着密不可分的联系， ZY6400 型液压支 架结构性能好坏对于支护可靠性有着极大的影响， 又特别是掩护梁常因载荷遭受损伤，因此如何对煤 矿井下 ZY6400 型液压支架掩护梁的结构进行优 化， 提高其工作稳定和可靠性， 成为煤矿企业迫切需 要解决的核心关键问题[1]。 论文利用有限元分析方法 对 ZY6400 型液压支架掩护梁进行优化研究，以期 优化后的掩护梁满足矿井需求， 确保矿井安全开采。 1有限元计算方法 有限元计算时，发现变量和约束过多是掩护梁 的典型特征，掩护梁在工作时不是孤立的，它和连 杆、 千斤顶以及顶梁都有着密切的联系， 所以系统整 体上看比较复杂，想要实现真正的优化依然是一件 比较困难的事，而且采用原始的分析方法无法准确 的分析和优化液压支架掩护[2,3]。 对于这种情况， 采取 什么样的计算方法就成为了重中之重，论文借鉴许 多研究者采用的有限元数值分析方法来对液压支架 掩护梁进行计算， 通过众多例子和实践证明， 有限元 计算方法确实是一种有效的计算方式，具有良好的 分析效果， 具备控制变量条件、 计算效率高以及最终 结果真实靠谱等优点。通过模型方式能够直观的查 看、 分析、 判断， 了解其应力的分布状况与规律， 预测 风险、 规避风险， 及时找出其中的相应隐患[4]， 提前做 好改进准备，这样可以让机构改进更具有科学性和 说服力。 整个优化过程分为三个主要步骤 1） 在 SolidWorks 中建起完善液压支架掩护梁三 维模型，设置相应的变量和不变量，通过确定的分 析，结合有关力学的原理对掩护梁应力分布规律进 行模拟分析， 最终得出应力分布结果[5]。 2）将 SolidWorks 中建立的三维模型导入到 Simulation 中， 对其进行模块优化， 设置相应的参数 和边界条件， 其中总载荷被设定为目标函数， 并根据 实际要求给出相应的变化范围，运用有关程序进行 细致计算， 逐层推进， 最终找出问题的关键点[6]。 3）加强对有关变量的分析， 根据实际的研究和 需求， 建立疲劳寿命关系式， 通过仿真模拟研究， 确 定液压支架掩护梁的寿命极限，通过改善掩护梁缺 陷， 来达到增强疲劳寿命， 减小应力集中， 确定最优 基于有限元计算方法对液压支架掩护梁优化设计研究 边 志 雄 （霍州煤电集团洪洞亿隆煤业有限责任公司 ，山西 洪洞 041699） 摘要 为了提高 ZY6400 型液压支架支护强度， 采用有限元分析计算方法对支架掩护梁受力分布规 律和疲劳寿命进行了模拟研究， 并提出了优化措施。优化后的液压支架在 1-101 工作面进行了工业 性实践， 在试验期间支架掩护梁结构完好， 支护强度高， 安全性好， 确保了矿井安全生产。 关键词 液压支架 ； 数值模拟 ； 疲劳寿命 ； 掩护梁 中图分类号 TD265文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020） 03-0142-03 Optimum Design of Shield Beam in the Hydraulic Support Based on Finite Element BIAN Zhixiong （Hongdong Yilong Coal Industry Co., Ltd., Huozhou Coal and Electricity Group , Hongdong 041699 , China） Abstract In order to improve the support strength of ZY6400 hydraulic support, the stress distribution and fatigue life of support shield beam were simulated by finite element analysis , and the optimization measures were put forward. The optimized hydraulic support has been put into industrial practice in 10-101 working face. During the test, the shield beam of the support has good structure, high support strength and good safety, which ensures the safety of mine production. Key words Hydraulic support ; numerical simulation ; fatigue life ; shield beam 142 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 改进方案。 2液压支架掩护梁优化 2.1掩护梁应力分析 为了全面了解液压支架受力状况，重点研究了 ZY6400 型液压支架的相应组成部分， 发现在工作过 程中受压力最大的是掩护梁，其所处的环境和情况 也相对较差， 所以在对机构进行系统性优化的时候， 对掩护梁的优化和作用提升就成为了一项非常重要 的工作， 在研究掩护梁上选取了两个探测点 （如图 1 所示） ， 模拟液压支架在受到载荷作用的整个过程液 压支架受力分布情况。 图 1ZY6400 型液压支架受力分布情况 从有限元模拟看出， ZY6400 型液压支架前端耳 板附近的损坏是掩护梁被破坏的重要表现，掩护梁 腹板是应力集中区。所以为了优化液压支架掩护梁 受力， 避免应力集中， 确保发挥其优良性能， 根据掩 护梁的应力规律，在掩护梁和竖筋板之间应该放几 块斜筋板， 从而确定最佳的力学性能， 不断改进装置 结构， 使其强度和稳定性都能达到明显提高， 根据实际应用反馈， ZY6400 型液压支架掩护梁 损坏常常发生在掩护梁前端耳板周围，为了改善耳 板周围受力， 优化掩护梁力学性能， 采用有限元计算 分析得出，可以采取以下措施来提高掩护梁的力学 性能 掩护梁采用不同结构组成， 并且在掩护梁腹板 上增设钢板；在支架顶梁连接的结构处分别增设两 条斜筋， 目的是来分解支架顶梁所受的载荷， 另外该 斜筋还具有稳定性的功能；同时在掩护梁结构上增 设横板和斜筋板复合体。 根据有限元计算要求， 对改 进的支架掩护梁、强度改善的模型进行了简化， ZY6400 型液压支架掩护梁改进后建立的模型如图 2 所示。 ZY6400 型液压支架掩护梁所用材料性质在有 限元软件中的设定如表 1 所示。 （a）改进后的模型外形 （b）改进后的模型内部 图 2ZY6400 型液压支架掩护梁改进后建立的模型 表 1ZY6400 型液压支架参数设置 为了研究改进后的掩护梁力学性能，采用有限 元计算方法对 ZY6400 型液压支架掩护梁进行了仿 真模拟， 其模拟结果详见图 3 所示。 根据有限元计算 得出，液压支架掩护梁上的探测点 1 最大应力为 399MPa， 探测点 2 最大应力为 414MPa， 两个探测点 应力均小于 460MPa，小于掩护梁材质屈服强度， 无 论板厚如何， 其各种组合都比极限的强度要小， 整体 上来看， 应力均在可承受范围内。 说明优化选用材质 满足要求， 各个组合结构均小于材质屈服强度极限， 增设结构合理。 图 3ZY6400 型液压支架掩护梁应力有限元计算结果 2.2 掩护梁疲劳寿命分析 在可靠性能和优化的研究中，对于疲劳寿命的 考察是比较常见的，也是最有效的研究之一， ZY6400 型液压支架掩护梁与顶梁、 前后连杆共同组 成了一个四连杆机构， 根据有限元计算发现， 在支护 过程中， 其受到的最大接触应力是连接销和掩护梁， 为了优化连接销点的接触应力，在掩护梁销连接处 提高厚度，同时在设计过程中选用高强度的材质制 材料名称弹性模量密度泊松比屈服强度 Q460 钢 2.1伊105MPa7850g/mm30.35460MPa 143 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 作掩护梁和连接销，优化改进后的 ZY6400 型液压 支架掩护梁运用有限元进行模拟分析。 ZY6400 型液 压支架掩护梁疲劳寿命有限元分析结果如图 4 所 示， 结果显示销连接处接触应力有明显降低趋势， 且 整个掩护梁受力分布较改进前均匀。 图 4支架掩护梁疲劳寿命有限元计算结果 3综合分析 本次研究主要运用有限元的分析法，在模拟过 程中对 ZY6400 型的液压支架掩护梁进行了可靠性 的优化设计， 为了进一步提升液压支架掩护梁的使 用效率和使用性能， 研究采用三维建模， 同时根据 掩护梁的实际要求采用了有限元分析与计算， 通过 实际研究和具体过程的模拟， 可以清楚了解结构在 掩护梁中被破坏的部分， 同时根据应力分布规律和 容易遭受损伤的结果， 针对性地给出了结构优化措 施，极大地提高了 ZY6400 型液压支架掩护梁的可 靠性。 优化后的 ZY6400 型液压支架掩护梁在矿井 10-101 工作面进行了工业性实践， 为了观测、 验证 该支架掩护梁支护效果， 在 10-101 工作面进行了矿 压观测， 矿压观测表明， 优化后的 ZY6400 型液压支 架掩护梁得到了明显改善，改进的掩护梁支护强度 高， 安全性好， 有利于维护工作面稳定。10-101 综采 工 作 面 从 2018 年 10 月 起 开 始 上 了 优 化 后 的 ZY6400 型液压支架， 截止 2019 年 4 月， 至今在矿井 下作业已有 7 个月，改进后的 ZY6400 型液压支架 掩护梁有效保护了综采设备和人员安全。既保证了 矿井作业人员的人身安全，又满足工作面顶板支护 需求， 这对煤矿安全生产具有重要的意义 4结论 为了提高 ZY6400 型液压支架支护强度， 保护综 采工作面安全生产，论文采用有限元分析计算方法 对支架掩护梁受力分布规律和疲劳寿命进行了模拟 研究， 并提出了优化措施。 改进后的液压支架掩护梁 支护强度高， 安全性好。 1） 在 SolidWorks 软件建立液压支架掩护梁三维 模型， 设置边界条件和初始参数， 结合 Simulation 软 件综合分析掩护梁应力状况，找出掩护梁存在的不 足， 进而提出优化措施。 2）利用有限元计算方法对 ZY6400 型液压支架 掩护梁应力和疲劳寿命进行了模拟分析，分析了应 力分布规律，根据模拟结果提出了对 ZY6400 型液 压支架掩护梁优化方案。 3） ZY6400 型液压支架在使用过程中矿压观测 表明， 优化后的掩护梁支护强度高， 在试验的 7 个月 期间为发生顶梁断裂、 掩护梁损伤的情况， 掩护梁优 化效果理想。 参考文献 [1] 高郁.我国液压支架技术现状及发展[J].煤炭技术,2003,22 （7） 4-6. [2] 石哲敏.液压支架可靠性优化设计方法的研究[D].中国矿 业大学 （北京） ,2012. [3] 谢里阳,王正,周金宇,等.机械可靠性基本理论与方法[M]. 北京科学出版社,2009. [4] 王谦. 液压支架顶梁危险截面疲劳可靠性预测方法研究 [D].阜新辽宁工程技术大学,2016. [5] 武红霞,秦冬晨.基于有限元的液压支架顶梁可靠性分析 [J].煤矿机械,2010,31 （10） 98-99. [6] 马园园,谢里阳,林文强.液压支架随机载荷历程及 Monte- Carlo 法的应用 [J]. 东北大学学报 自然科学版,2014,35 （1） 93-195. 作者简介 边志雄， 男， 1985 年 9 月出生， 汉族， 山西朔州人， 2009 年 6 月毕业于山西电力职业技术学院， 发电厂及电力系统专 业， 专科学历， 助理工程师， 现任霍州煤电集团洪洞亿隆煤业 有限责任公司机电队队长。 （收稿日期 2019-7-2） 144