矿用液压支架顶梁柱窝结构的分析与优化设计

张佳瑶

（大同煤矿集团机电装备力泰有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

对于综合采煤工作面而言，液压支架是其中非常关键的设施之一，在整个采煤工作中发挥着极其重要的作用。鉴于液压支架的极端重要性，一旦液压支架在工作中发生故障损坏就会对整个采煤过程产生不良负面影响[1]。以往的采煤设备主要靠进口，但随着我国科学技术的进步，目前我国很多采煤设备都实现了国产化[2]。与此同时，为了提升采煤效率，采高也在逐渐升高，使得工作面矿压也随之显著提升，这对工作面支护工作提出了更高的要求，加大了工作面支护的难度[3]，要求支护设备液压支架能够抵抗更大的外力。在国产的液压支架中，顶梁柱窝是经常出现故障问题的部位。一直以来，顶梁柱窝故障问题都是困扰设备生产商和使用者的难题，针对该问题开展了很多分析和研究，并利用ANSYS 非线性有限元软件对传统的顶梁柱窝结构进行了受力分析，从中发现问题，并对其机构形式进行优化改进。

1 传统顶梁柱窝的结构形式

如图1 所示为传统的顶梁柱窝结构形式，这种结构形式中顶梁柱窝直接与顶梁顶板接触[5]。整体结构形式比较简单，其生产加工成本也不高。另外，利用传统设计方法对顶梁柱窝进行结构设计时并没有考虑一些特殊的情况。比如质量较大的悬臂老顶岩石出现突然断裂对支架造成的瞬间冲击作用，这种瞬间的冲击作用会使相关结构件承受较大的作用力。传统顶梁柱窝都是通过铸造的方式进行生产加工，铸造工艺不良会导致铸造顶梁柱窝内部存在缺陷，使得顶梁柱窝的设计承受能力大打折扣[6]。如果突然遇到较大的外部冲击力，很有可能导致顶梁柱窝在内部缺陷位置发生裂纹最终导致断裂，如图2所示为顶梁柱窝发生损坏的现场图片。严重的时候可能导致整个顶梁柱板发生断裂，从而引发重大安全生产事故，严重威胁着生产工人的生命安全。随着时代的发展，矿业液压支架的工作阻力越来越大，尤其是当液压支架立柱直径超过360 mm 时，传统的单体柱窝结构无法达到实际工作需要。因此，需要对传统顶梁柱窝的结构形式进行优化设计。

图1 传统的顶梁柱窝结构形式

图2 顶梁柱窝发生损坏的现场图片

2 顶梁柱窝结构模型的建立

2.1 三维模型的建立与导入

利用PRO/E 三维造型软件建立顶梁柱窝的三维模型，其结构形式见图1。首先需要在PRO/E 软件中将建立好的三维模型导出为ANSYS 软件可以识别的格式文件，再将导出的具有专门格式的三维模型导入到ANSYS 有限元软件中进行后续的材料设置、网格划分、边界条件和初始条件设置等，最后进行分析计算并得到对应的结果，以下对有限元模型的建立过程进行详细介绍。

2.2 材料类型的确定

以某公司生产的压夜支架为研究对象，其生产制作材料主要为Q550，该种材料的主要力学性能指标分别如下：弹性模量为2.06×1011Pa，屈服强度和抗拉强度分别为550 MPa 和670～830 MPa，伸长率为16%。利用软件对结构件进行分析计算时，材料设置非常关键，直接关系到计算结果的准确性。因此，必须根据实际情况来设置材料的属性。在建立的模型中按照上述的力学性能指标进行设置，以保证分析计算得到的结果能够符合实际情况。

2.3 网格的划分

在有限元模型中，网格类型和大小对计算过程和结果有着非常关键的作用。在选用网格类型时需要综合考虑多方面因素，比如对精度的要求、材料类型等。结合所选择的材料和计算需要最终选择的网格类型为Solid186 的20 节点实体单元，该种类型的网格可以得到较为准确的结果并确保计算过程的顺利进行。网格尺寸越大则计算时间越小，所得结果精度也相对较低。相反的，网格尺寸越小则计算时间越长，所得结果精度就越高。网格尺寸和计算时间是两者之间相互矛盾，需要结合具体情况进行平衡选择。综合考虑计算速度和精度要求，最终设置的网格尺寸在30 mm 左右。

2.4 载荷条件的设置

针对直径为360 mm 的立柱进行模拟分析。为了模拟顶梁柱窝的受力情况，需要设置其外界施加的载荷情况。为了更好地模拟外部瞬间较大冲击载荷的影响，在设置外界载荷时，其大小按照额定载荷大小的1.3 倍进行设置，其中单根立柱额定工作压力为3.75×106N，那么施加的载荷力为1.3×3.75×106N=4.875×106N。将加载力集中施加在顶梁两端。

3 顶梁柱窝结构受力结果的分析

传统顶梁柱窝直接焊接在顶梁板上，这种结构形式的顶梁柱窝其受力分析结果如图3 所示。从图中可以看出，整个顶梁柱窝不同位置的受力非常不均匀，很多部位几乎没有承受外部加载力，其应力值非常小，而绝大部分部位会承受一定程度的应力。其中整个顶梁柱窝的最大应力大小为524.23 MPa。焊缝部位的最大应力值是406.05 MPa，进一步查看焊缝部位的受力情况可以发现，整个焊缝不同部位的受力同样非常不均匀。这对焊缝的质量提出了较高的要求，如果焊接质量不好很有可能在这一区域发生断裂，最终引发故障停机。从分析计算结果可以看出，传统的顶梁柱窝结构形式存在一定的缺陷，柱窝附近存在应力集中问题，焊缝位置的应力也相对较高。有必要采取措施对其结构形式进行优化，防止出现应力集中现象，尤其是要改善焊缝位置的用力集中问题。

4 顶梁柱窝结构的优化改进

当液压支架的工作阻力增加到一定程度，或者当立柱直径超过一定程度时，如果还是采用传统的顶梁柱窝结构形式，则很有可能无法满足实际需要。此时，可以针对传统的结构形式进行优化改进。可在柱窝与顶梁接触中间部位添加箱型结构，并设置加强筋，实现对箱型结构的有效支撑。通过增加设置箱型结构能够使柱窝更好的承受外界压力，使压力分布更加均匀。新结构形式的顶梁柱窝，通过立柱传递过来的作用力利用柱窝、箱体、加强筋板的传递后较分散的作用到量体主筋中，达到优化应力分布的目的。

作用力在整个传递过程中，焊缝质量是关键的影响因素。立柱传递过来的作用力能否较好的分散到顶梁板中关键看焊缝质量。在实际工作过程中，立柱通常都会受到非常大的作用力，针对液压支架进行焊接时，通常也是在顶窝附近开展焊接。基于此，需要对顶梁柱窝附近的焊缝形式进行科学设计，采取措施提升焊接效果，防止由于受到较大外界冲击而导致焊缝破坏。

针对改进后的顶梁柱窝结构形式，仍然采用上述的建模方法和步骤，对其受力情况进行计算分析，材料设置、网格划分和受力情况均与传统顶梁柱窝结构的受力分析相同。如图4 所示为优化改进后的顶梁柱窝结构的受力情况集散结果。

图3 传统顶梁柱窝结构的受力情况计算结果

图4 优化改进后的顶梁柱窝结构的受力情况集散结果

由图4 可知，通过对顶梁柱窝的结构进行优化改进后，在相同的受力情况下，柱窝附近最大的应力值降低了374.53 MPa，对比优化前的最大应力值可以发现其受力情况得到了很好的改善，最大应力值的降低幅度得到近50 MPa。同时，箱型结构和加强筋的受力比较均匀，没有出现应力集中现象或者应力突变的问题。提取焊缝位置的应力值发现，该部位最大的应力值为215.55 MPa，该数据与优化前的数据相比较同样有了大幅度降低。

通过对矿用液压支架顶梁柱窝结构进行优化改进后，其整体的受力情况有了很大改观。顶窝附近的受力更加均匀，焊缝位置的受力更小。有利于顶梁柱窝的使用稳定性，可以更好的抵抗外界的瞬时载荷冲击，延长其使用寿命。实践结果表明，通过对柱窝结构的改进使其使用寿命得到了显著延长。

5 结论

矿用液压支架顶梁柱窝其传统的结构形式在受到瞬间较大冲击力作用时容易发生破坏断裂的问题。通过对柱窝传统结构形式进行优化改进，在相同的工况条件下，柱窝附近和焊缝上的最大应力值分别有了不同程度的降低，尤其是后者降低幅度最大。实践结果表面，优化后的顶窝结构形式使用寿命有了大幅提升，可以抵抗更大的外部瞬间冲击载荷。