矿用液压支架顶梁结构强度优化措施

孙雪峰

（吕梁市煤矿瓦斯监控系统维修校验中心， 山西 吕梁 033000）

0 引言

矿用液压支架是煤矿开采过程当中的主要设备，在实际工作期间，受采空区矸石撞击、顶板强度压力等影响，再加上其长时间处于超负荷、超长时间的作业状态，使得其内部结构特别容易发生变形与断裂现象。为保证矿用液压支架顶梁结构更加稳定，本文主要分析矿用液压支架强化优化措施。

1 矿用液压支架顶梁结构特点

顶梁是矿用液压支架的核心组成部分，可以直接承受上部荷载，若其可靠性与安全性比较差，会严重影响矿用液压支架的正常运行[1]。因为顶梁的作业环境较为恶劣，受力条件复杂，所以其对结构强度要求比较高，结合矿用液压支架的运行现状可以得知，如果顶梁出现破坏，会给综采作业面内部各项设备的可靠运行带来较大影响，严重的还会引发大规模安全事故。

通常来讲，顶梁结构形式主要包含刚性顶梁、铰接式顶梁与伸缩铰接顶梁，三种结构形式的共同点是全部由钢板焊接而成，表现为箱式结构，在箱体内部焊接加强筋，可显著提升顶梁的强度与刚度。顶梁前端形状采用滑撬形式，也可以将其制作为圆弧形式，主要目的是有效降低支架移动期间产生的阻力。在顶梁内部表面焊接柱窝，在其两侧设计成连接销孔，利用销轴，将顶梁和立柱有效连接，使得顶梁的实际高度得到良好调整[2]。同时，在顶梁尾部的两侧，还要设计为两个连接孔，采取销轴，将掩护梁和顶梁稳定连接，对顶梁起到固定作用，在顶梁的尾部中间位置设计连接孔，用来连接千斤顶，实现顶梁作业期间俯仰角的有效调整[3]。

2 优化措施分析

2.1 建立有限元仿真模型

2.1.1 构建三维几何模型

因为矿用液压支架顶梁结构比较复杂，在构建三维几何模型期间，模型导入环节，可能会丢失较多数据，也会明显增加仿真计算量，消耗较多时间，所以，为全面提升仿真效率，工作人员需要对模型进行简化处理，将其倒角与焊缝直接省略，包括对静力学影响比较小的孔洞，也需要直接省略，将矿用液压支架顶梁简化为一个整体结构，提升网格划分水平。2

.1.2 建立有限元仿真模型

针对工作人员，需要将之前简化之后的顶梁模型有序导入至有限元软件之中，构建结构性能仿真模型，假设仿真模型材料为Q690，材料的具体性能见表1。

表1 Q690 材料性能分析

针对此模型实施网格划分，网格类型是四面体，其实际大小为30 mm，为了更好提升模型仿真精度，工作人员还要对部分关键部位网格实施加密处理，仿真模型主要包括134 656 个网格，可以对支架的底座进行有效约束，其余部件实施固定约束。

2.1.3 分析结构性能

针对矿用液压支架顶梁的加载工况进行分析，可以在顶梁上部增加一根压条，同时施加65 MPa 压力，观察结构性能变化情况，通过加强仿真分析，获得加载条件工况下，顶梁的应力变化情况，具体见图1。

图1 顶梁在加载条件下的变化示意图

结合仿真分析可以得知，在矿用液压支架顶梁与压块接触位置，容易出现较大面积应力集中现象，最大的应力可以达到745.68 MPa，此应力向四周方向逐渐地减小，支架底座、立柱与掩护梁等位置的应力值比较小。同时，在顶梁的前端，结构变形比较严重，最大的位移可以达到18.54 mm，沿顶梁的后端，结构变形量逐渐地减小。在矿用液压支架顶梁受力期间，顶梁特别容易发生疲劳失效现象，严重的还会出现大面积开裂，影响液压支架的整体支撑效果。

通过对矿用液压支架顶梁所承受的扭矩工况下结构性能进行合理分析可以得知，在顶梁左端设置一个局部的压块，在其右端设置一个条形的压块，让顶梁发生扭矩，具体的受力示意图见图2。通过进行仿真分析，可以获得承受扭矩工况下应力变化与结构位移情况。

图2 顶梁承受扭矩示意图

结合以上的仿真模型能够得知，在顶梁的中部、顶梁和掩护梁的连接位置，包括底座中间部位，全部发生较为显著的应力分布，同时应力变化没有任何规律。顶梁承受外界扭矩工况下，因为对底座进行有效约束，使得最大应力直接作用下底座上部，其实际应力值大约为780 MPa，远远超出材料自身的屈服强度。在顶梁中间部位，结构变形比较严重，最大位移可以达到8.57 mm，立柱和顶梁的连接部位，也发生比较大的结构变形现象。顶梁承受扭矩工况之下，顶梁中部与底座表现为不同程度的疲劳断裂，以及较为显著的结构变形，影响液压支架的可靠性与安全性。

2.2 仿真效果

结合仿真结果可以得知，矿用液压支架顶梁在加载工况下，以及承受扭矩工况下，均表现为不同程度应力集中与结构变形现象，长时间作用下，容易出现疲劳失效现象，使得液压支架的安全性不断下降。所以，针对矿用液压支架顶梁结构进行优化，保证顶梁在实际工况条件下，其所承受的最大应力低于材料自身的屈服强度，工作人员也可以结合具体情况，针对前侧板与柱窝两侧钢筋进行调整，进而取得较好的优化效果[4]。

2.3 改进要点

2.3.1 对顶梁前端盖板进行优化

根据以上的分析可以得知，在矿用液压支架顶梁前侧板与柱窝两侧加强筋部位，通过适当增加其实际厚度，并加强优化设计，可以明显提升顶梁的施工强度，确保顶梁在具体工作期间保持稳定。工作人员通过详细查阅工程图纸可以得知，现阶段顶梁前侧板设计厚度是15 mm，柱窝两侧的加强筋厚度是25 mm，综合考虑到矿用液压支架顶梁在实际作业期间，前侧板与筋板针对顶板承受荷载，包括增厚，均会对顶梁自身重量产生一定影响，故决定适当增加矿用液压支架顶梁前侧板厚度，增加15 mm 的厚度，同时增加柱窝的两侧加强筋厚度，增加5 mm 左右，然后对有限元仿真分析模型进行调整，通过对优化后的矿用液压支架顶梁实施仿真分析，详细记录下顶梁应力的最大值。

2.3.2 仿真验证

通过加强有限元仿真分析可以得知，通过采取以上改进措施，矿用液压支架顶梁的应力状态得到良好改善，其前侧板部位的应力由改进前的1 440 MPa 降低到480 MPa，这也是顶梁改进后期结构中的最大应力，明显低于矿用液压支架顶梁材料自身的屈服强度，柱窝两侧的加强筋部位应力，由改进前的980 MPa 降低到310 MPa，由此可以得知，改进效果比较好，可以明显提升矿用液压支架顶梁结构强度，避免矿用液压支架顶梁结构在后续运行期间出现严重的失稳现象，提高其安全性与稳定性。

2.3.3 改进效果验证

结合具体仿真结果，针对液压支架顶梁进行合理的改进与优化，在前侧板的基础上部直接焊接15 mm的Q690 板，与此同时，在既有顶梁柱窝的两侧焊接厚度为5 mm 的Q690 板，能够取得比较好的优化效果。通过对改造效果进行分析可以得知，针对液压支架的具体工作情况，可以判断出顶梁实际改造效果，通过加强改进，可以进一步降低液压支架维护成本，减少维修次数，使得矿用液压支架的安全性与稳定性得到双重提高，为综采作业面内部的工作人员提供良好保障，显著减少安全事故的发生[5]。

3 结语

本文主要对矿用液压支架顶梁结构强度优化措施进行分析，利用专业软件，完成矿用液压支架顶梁建模作业，确定出顶梁结构前侧板和柱窝两侧筋板位置的最大应力值是1 440 MPa，明显超出顶梁材料自身的抗拉强度，存在较为严重的设计缺陷。通过增加前侧板与柱窝两侧筋板的厚度，针对顶梁结构进行优化改进，顶梁前侧板与柱窝两侧的筋板厚度增加到30 mm，结合最终的分析结果可知，优化改进效果较为明显，最大应力达到480 MPa，结合实践，通过采取科学的改进措施，矿用液压支架顶梁结构强度得到明显提升，液压支架的安全性与稳定性得到良好提高，故可以为相关工作人员提供一定的帮助和参考。