煤矿综采工作面液压支架顶梁的强度分析及结构优化

穆波波

（阳泉市大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

引言

液压支架作为煤矿综采工作面的重要组成设备，其整体设计结构极为复杂，而煤矿综采工作面的实际工作环境又较为恶劣，使得液压支架在生产工作中极易出现故障情况。其中顶梁作为液压支架的主体结构之一，其主要发挥出受力传递以及顶板支护等作用，在实际应用中极易出现顶梁窝柱及周边区域的损坏情况。对此，本文将基于此问题，提出三种优化方案，进而解决顶梁损坏问题，保障液压支架的使用寿命。

1 煤矿综采工作面液压支架生产工作中存在的问题

在煤矿综采工作面生产工作中，液压支架作为主要设备之一，其主要发挥着顶板支护、隔离采空区、维持井下作业空间、推移刮板输送机等多种作用，是综采工作面中使用数量最多的设备。然而因为综采工作面的实际工作环境极为恶劣，使得液压支架在应用中经常会承受诸多超出设计范围内的外载荷，使得液压支架极易出现损坏情况，其将会为煤矿生产留有极为严重的安全隐患。其中顶梁作为液压支架主体结构之一，在应用过程中也会出现损坏故障问题，具体表现为顶梁窝柱及周边区域损坏等情况。

2 煤矿综采工作面液压支架顶梁有限元模型构建

针对煤矿综采工作面生产中顶梁存在的顶梁窝柱及周边区域损坏等情况，本文将基于现有顶梁结构特征，提出以下三种结构优化方案：

优化方案一：在顶板窝柱结构上设置侧板以及底部筋板结构，具体结构情况如图1-2 所示；

优化方案二：对原有顶板窝柱结构实施改进优化，具体结构情况如图1-3 所示；

优化方案三：对原有顶板薄柱窝加侧板结构进行改进优化，具体结构情况如图1-4 所示。

基于图1 中的四种顶梁结构，通过Simulation 软件开展有限元分析。同时，在具体有限元分析前，为能够有效降低有限元分析时的计算压力，还需要将顶梁结构中的对主体结构性能影响较小或者不参与承载结构的部件进行适当省略，进而构建有限元分析模型，以此开展有限元仿真模拟分析。

图1 顶梁优化前结构及三种优化方案结构示意图

3 煤矿综采工作面液压支架顶梁的强度有限元分析

在煤矿综采工作面生产工作中，在不同的外载荷作用下，液压支架的实际工况也多种多样，其中顶梁扭转载荷工况和顶梁偏心载荷工况作为两种最容易导致顶梁结构出现损坏的工况条件，对两种工况条件下液压支架顶梁结构强度性能进行有限元分析，将可以为后续顶梁结构优化提供相应参考。因此，本文将选取两种工况条件进行有限元分析，具体内容如下：

3.1 顶梁扭转载荷工况条件下顶梁强度有限元分析

如下页图2 所示，在顶梁扭转载荷工况条件下，优化前液压支架顶梁结构有限元分析结果中所承受的最大应力值为436 MPa，最大应力点位于顶梁的中部偏右端位置。因为有限元分析中顶板所采用的材料为Q460 材料，此种材料的最大许用应力值为460 MPa，所以优化前的顶板结构最大应力值未超过限值，但考虑到液压支架极为复杂的工作环境，还需要实施适当的结构优化调整。

图2 优化前结构应力云图

如图3 所示，在顶梁扭转载荷工况条件下，优化方案一结构的有限元分析结果中最大应力值为421 MPa，相对于顶梁结构优化前的436 MPa 最大应力值来说，优化后的受力情况得到一定改善，说明此优化方案具有一定有效性。

图3 优化方案一结构的应力云图

优化方案二的有限元分析过程与优化方案一的有限元分析过程大致相关，所以对于优化方案将不再具体描述说明，以下将直接说明有限元分析结果，后续有限元分析均相同。在顶梁扭转载荷工况条件下，优化方案二结构的有限元分析结果中最大应力值为409 MPa，相对于顶梁优化前的结构受力来说，优化后的受力情况得到一定改善，说明此优化方案具有一定有效性。同时，相对于优化方案一来说，优化方案二也具有更强的结构受力改善效果。

在顶梁扭转载荷工况条件下，优化方案三结构的有限元分析结果中最大应力值为398 MPa，相对于顶梁优化前的结构受力来说，优化后的受力情况得到一定改善，说明此优化方案具有一定有效性。同时，相对于优化方案一和优化方案二来说，优化方案三具有更好的顶梁结构受力改善效果。

3.2 顶梁偏心载荷工况条件下顶梁强度有限元分析

如图4 所示，在顶梁偏心载荷工况条件下，优化前液压支架顶梁结构有限元分析结果中所承受的最大应力值为366 MPa，最大应力点位于顶梁的中部偏右端位置。因为有限元分析中顶板所采用的材料为Q460 材料，此种材料的最大许用应力值为460 MPa，所以优化前的顶板结构最大应力值未超过限值。

图4 优化前结构应力云图

如图5 所示，在顶梁偏心载荷工况条件下，优化方案一结构的有限元分析结果中最大应力值为368 MPa，相对于顶梁结构优化前的366 MPa 最大应力值来说，实际受力情况不仅没有得到改善，反而出现一定的反作用，说明此种优化方案较不合理。

图5 优化方案一结构的应力云图

在顶梁偏心载荷工况条件下，优化方案二结构的有限元分析结果中最大应力值为343 MPa，相对于顶梁优化前的结构受力来说，优化后的受力情况得到一定改善，说明此优化方案具有一定有效性。

在顶梁偏心载荷工况条件下，优化方案三结构的有限元分析结果中最大应力值为339 MPa，相对于顶梁优化前的结构受力来说，优化后的受力情况得到一定改善，说明此优化方案具有一定有效性。同时，相对于优化方案二来说，优化方案三具有更好的顶梁结构受力改善效果。

4 煤矿综采工作面液压支架顶梁优化方案工程应用

总体来说，在三种顶梁结构优化方案中，优化方案三最具有效性，所以将会直接选取此种方案作为顶梁最佳优化方案。此外，鉴于有限元分析结果较为理想化，可能会与煤矿综采工作面中液压支架实际工作条件存在一定差异，导致有限元分析结果与实际情况存在较大差异。对此，实际研究中还会根据优化方案三制作实物，然后将实物应用于工程实践。具体工程实践周期为6 个月，通过实践应用发现，相对于现有液压支架顶梁结构来说，优化方案三中的顶梁结构更具科学性，可以将顶梁所承受的各种外载荷进行分摊受力，进而降低顶梁所承受的最大载荷，保障液压支架顶梁的应用安全性。由此可见，本文所提出的优化方案较具有效性，可以在后续液压支架顶梁结构优化中进行参考应用。

5 结语

本文基于当前煤矿综采工作面中液压支架顶梁结构应用中存在的顶梁窝柱及周边区域损坏等情况，合理提出三种顶梁结构优化方案，并对三种顶梁结构优化方案开展有限元分析，最终发现，在三种优化方案中，以优化方案三最具实用优势，所以研究中将此种顶梁结构优化方案作为最佳优化方案。同时为能够进一步确认此优化方案的有效性，还将最佳优化方案应用于工程实践，进一步确认最佳优化方案的有效性，证明此种方案较为科学合理，可在煤矿综采工作面液压支架顶梁结构或者整体结构优化中进行参考应用。