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摘要：顶梁结构则是液压支架结构中的重要部件，导致顶梁的结构变形或结构开裂等现象严重影响着液压支架的作业安全。本文以ZY8640型液压支架为研究对象，在分析顶梁结构特点基础上，对顶梁开展了分析研究，并有针对性的进行了顶梁结构的优化计，由此有效改善、提升了顶梁的结构性及液压支架的支撑安全性。
关键词：液压支架；顶梁结构；结构性能；分析
引 言
液压支架是煤矿开采中重要的支撑设备，提高其设备的整体支撑性能，保证各部件的结构强度，能大大提高井下的作业安全。连杆是液压支架中的重要部件，由于井下经常有煤石掉落，加上其作业时间较长，导致其在作业过程中经常出现结构变形、开裂等故障现象，严重影响着液压支架的工作安全。因此提高连杆的结构性能，能有效提高液压支架的支撑性能。
一、液压支架顶梁结构特点分析
液压支架是煤矿井下的重要支撑设备，在煤矿开采中起到了举足轻重的作用。目前，液压支架的结构类型包括掩护式、支撑式、支撑掩护式等结构类型，具有稳定性、支撑效果佳、移架速度快等特点，能有效保证煤矿井下的支撑安全性。液压支架的结构主要包括顶梁、掩护梁、立柱、底座、四连杆机构等组成，而顶梁则是整个液压支架中直接承受外部载荷作用的受力部件。顶梁结构主要包括横向主筋、纵向主筋、柱窝、上顶板和下底板组成，顶板上会根据井下的实际受力情况安装垫块，矿井中顶部的外界载荷直接与垫块接触，并将压力传递至顶梁，顶梁的4个柱窝与立柱进行球铰连接，以此来将外界压力传递至地面，实现对煤矿开采中矿井的有效支撑。通过查阅资料，顶梁在使用过程中，经常因受到来自顶部的较大外界冲击压力作用，加上其自身结构的长时间超负荷作业和井下移动过程的不平稳，导致顶梁出现了局部弯曲，严重时在顶梁的前端支撑处出现了局部的开裂现象，这对液压支架的支撑作业构成了严重威胁。据统计，全国煤矿中因顶梁出现变形或局部开裂等故障现象而对矿用液压支架设备进行拆卸、维修更换的故障事件占整个设备故障的30%，给企业的煤矿开采效率及维修费用支出构成了重要影响。因此，对顶梁结构使用中的结构强度开展分析研究显得尤为重要。
二、顶梁模型建立
1.顶梁三维模型建立
液压支架在使用中经常会受到顶梁扭转载荷及顶梁偏心载荷作用，导致顶梁因受到不同大小的外部载荷作用而出现不同程度的结构变形。由此，本文结合ZF12000型液压支架的结构特点，分析其顶梁在受到偏心加载工况下的结构强度情况。首先，采用了PROE软件，进行了整个液压支架的三维模型建立，主要包括顶梁、掩护梁、底座等结构，而顶梁在建模时，对其结构中的较小圆角、倒角、较小螺栓孔等进行了模型简化，仅保留顶梁的顶板、横向筋板、纵向筋板等关键部件，可有效满足顶梁在仿真分析过程中的仿真结果精度。液压支架及顶梁的三维模型。
2.顶梁仿真模型建立
根据建立的顶梁三维模型，将其导致至Workbench软件中，对顶梁开展仿真模型建立。由于该型号的顶梁主要采用的是Q345、45号钢等材料，故将顶梁结构的材料设置为了Q345材料，其材料的主要性能参数如表所示。在该软件中，将各个零件之间进行了绑定设置，并对顶梁中横隔板与主筋之间进行了焊缝设置，以此模拟顶梁的实际状况。另外，采用了四面体网格类型，实体单元类型为solid86，网格尺寸为20 mm，划分网格后的模型如图2所示。仿真的分析函数采用了罚函数法。最后，在顶梁的两处柱窝处施加了2.5e6 kN的载荷力，由此，完成了顶梁的仿真模型建立。
3.顶梁网格划分
在ABQUS软件中，利用该软件中六面体、四面体网格类型，对液压支架进行了网格划分。根据液压支架及顶梁的结构特点，选用了六面体网格类型，对其进行网格划分，网格大小设置为10 mm，网格划分方式为自动切割，最终网格单元达到了200万个，由此完成了液压支架网格划分。
4.顶梁载荷施加
由于本文分析的是液压支架在顶梁受到偏心的外部载荷作用，根据国家相关试验规定，要求在理论研究时，所施加的偏心外部载荷力应为设备现有工作压力的1.2倍，并保证液压支架的支出高度达到300 mm以上。因此，在仿真模型建立中，对顶梁偏心处的外部载荷施加为7 200 kN，直接作用于顶梁的一侧顶板上。
三、顶梁的结构强度的分析
1.应力变化
通过连杆的仿真分析，得到连杆的应力变化图，如图1所示。由图可知，连杆整体的应力呈分布不均匀状态，其中，连杆的后端销孔左右两侧出现了较大的应力集中现象，而中间的应力则相对较小；同时，在销孔周边的杆壁上也出现了较为明显的应力集中现象。整个结构的应力从后端沿前端呈逐渐减小的变化趋势。由此可知，连杆的后端销轴部位为整个结构的薄弱部位，在连杆长期作业过程中，易在此端发生疲劳失效现象，对液压支架的正常作业将产生重要影响。因此，有必要对连杆结构进行优化改进设计。
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图1连杆应力变化图
2.应变变化
通过仿真分析，得到了连杆的应变变化图，如图2所示。由图可知，连杆整体结构的应变呈不均匀的分布状态，其中，连杆前端销轴处出现了较大的应力集中，并主要分布在前端销轴末端，连杆结构变形由前端销轴向后端销轴呈逐渐减小的变化趋势，在连杆后端销轴处几乎不发生结构变形。整个连杆变化过程中的安全系数为1.3，能满足连杆的使用强度要求。但由于连杆为长时间运行件，整个运动幅度相对较高，在其长时间运动过程中，极容易产生结构的较大变形、开裂，甚至断裂等故障现象，严重影响着液压支架的使用安全。因此，需对连杆的整体结构强度进行优化改进设计。
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图二连杆应变变化图
四、连杆的改进设计
结合前文仿真分析可知，连杆在使用过程中，易在其前后两端的销轴处产生较大的应力集中及结构变形现象，为整个结构的薄弱点，连杆长时间的作业，极易导致其结构发生故障失效现象，因此，有必要对连杆的结构强度进行改进设计，具体如下：
1）在不影响连杆正常运动情况下，适当改变连杆上施加载荷的作用位置，使作用在连杆上的作用力能更加均匀的分布在连杆上；
2）增加连杆上下钢板、销轴的结构厚度和壁厚，在销轴孔内安装铜套，并在连杆后端销轴应力集中附近开设孔径为2.5 mm的圆孔，促使集中的应力向圆孔处进行转移；
3）在两端销轴焊接前，对其进行淬火和调质处理，保证其结构具有较高的耐磨性和结构强度；
4）整个连杆的材料可改为结构性能更由的材料，如40Cr材料等，并在焊接时，适当在上下钢板内部焊接加强筋结构；
5）在两端的销轴孔内定期添加润滑油，保证孔内具有一定的润滑效果；同时，对连杆进行使用情况进行定期检查，当连杆发生结构变形或开裂等故障现象时，应及时停止作业，并进行连杆的维修或更换。
结束语：顶梁作为液压支架上的重点部件，由于其使用中会受到较大的冲击作用，导致其结构极容易出现结构变形或开裂等故障现象，保证其在使用过程中具有较高的结构性能，已成为当下重要的研究方向。由此，在分析顶梁结构特点基础上，以ZY8640型液压支架为研究对象，开展了顶梁的结构强度及焊缝是否对顶梁有影响的分析研究，得到了顶梁的柱窝附近、前端中部斜支撑等部位均是整个结构的薄弱部位，且研究分析时，若不考虑焊缝影响，将会增加顶梁结构的危险性。由此，有针对性的开展顶梁结构的优化改进设计，这对提升顶梁的结构性能及使用安全起到了重要作用。
参考文献：
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