液压支架掩护梁改进

产安全以及降低生产成本，由此可见，液压支架的设计情况能够对煤炭开采效率起到 决定性作用，特别是液压支架中的掩护梁，若能够对其进行有效改进，其可靠性可以

得到有效提升。1掩护梁的静力分析1.1问题描述在通常情况下，应釆用熔化焊的方式对液压 支架掩护梁的各个部分实施组装工作，熔化焊热

平衡千斤顶对于掩护梁所产生的较接作用力等效 为 P4X=285.5 kN, F4Y=449.55 kN。掩护梁和前

后连杆以及顶梁较接处的平行自由度（Uz）为限

定边界条件和全部转动自由度（Rx、Ry、Rz）o

能够产生的影响相对较小，所以掩护梁母材受到

1.2掩护梁的静力分析在ANSYS命令栏中输入掩护梁的三维造型 APDL命令语言，对掩护梁的弹性模型进行设 置，将其设置为2EllPa,且其泊松比为0.3。在

的热应力以及残余应力所产生的影响基本可以忽 略，也就可以认为其强度与母材强度相同。对掩护梁进行制作，其所应用的主要材料为 弹性模量为211 GPa的Q460高强度焊接结构钢，

对单元类型进行设置的过程中，需要对掩护梁于

其具有0.3的泊松比，四连杆机构由底座、前后 正常工况下的状态进行考虑。在正常工况的状态 下，掩护梁必然会受到振动场、温度场以及重力 场等多场的耦合作用影响，但是根据经工作实际,

连杆、顶梁以及掩护梁共同组成，液压支架进

行工作时，需要承受来自于顶梁、前后连杆以

及平衡千斤顶三个方面的荷载。与此同时，因为 工况通常是较为复杂的，所以，以此为基础对掩

SOLID186单元仅为实体单元之一，可有效支持

塑性，同时不仅具有大应变的能力，也能够有效 实现蠕变、超弹性等大变形，所以该单元十分适 合进行应用。护梁进行耦合加载处理，假想一质点将其设置于

受力位置中心处，之后将加载工作开展于质点的 位置上，通过对节点作用的应用，加载于质点上 的荷载能够本传输至下一个节点，并且，通过如 此的方式对荷载进行传递，能够有效实现对掩护

对尺寸为50 mm的三角形网格进行设置，

之后对网格进行自由化的范围内处理，划分成为

的单元数量为89 937个单元，共具有163 660个

梁荷载的施加工作，同时在此情况下，掩护梁 节点，将荷载以及边界条件上施加掩护梁、顶梁、 前后连杆较接处，之后即可对静力分析进行求解。根据实验数据，在距离顶梁较接销孔约

的作用力与施加于质点处沿X、Y方向的作用力 相等，所以顶梁对于掩护梁所产生的作用力等

效于巧x=208 kN, Fjy=215 kN,前连杆对于掩

1.6 cm的位置出现最大位移，最大位移量达到 0.475E-5 m,对于位移的标准已经满足，但是， 在掩护梁的耳板处为等效应力最大的位置，其大 小为485.414 MPa,所以掩护梁处的工况较为危

护梁所产生的较接作用力等效为F2x=160.75 kN, F”=355.6 kN,后连杆对于掩护梁所产生的较

接作用力等效为Fjx=223.68 kN, F3Y=95A7 kN,

150 / 矿业装备 MINING EQUIPMENT险，也就必须对掩护梁的尺寸进行优化处理，以 保障相应的材料力学性能能够得以满足。2掩护梁的改进设计在本文中对掩护梁进行优化设计，主要 应用的是Design/OPT模块，其属于经典软件

ANSYS的重要分支。对掩护梁进行尺寸组合优

化，在开展优化工作时，需要采用数学模型公式 （1）作为基础，设计中，较接处耳板的厚度、宽

度以及高度均为设计变量，也就是说，y~thick6.

y-width6以及均能够对设计工作产生 重要影响。将状态变量转化为掩护梁的最大应力 （MAX-EQV）,其相对于材料的屈服强度8较

小。将满足材料力学的性能条件作为重要基础， 寻找最为适宜的尺寸组合，以促使掩护梁的重量 降低，在此情况下，目前需要进行解决的改单目

标优化问题就是目标函数，以模块Design/OPT 为例，首先编写掩护梁命令流以及程序宏，在后

续文件分析的过程中，即可使其功能得到充分发

挥，并且在信息调用这一环节中，其能够发挥的 作用将达最大。完成以上工作之后，需要进行设置的，就是 “设计”、“状态”两个变量以及目标函数，为了

促使优化的效率能够得到提升，在实施优化处理 的过程当中，使控制工作得以有效实现的优化工 具就是蒙特卡罗技术的拉丁超立方随机法。设置 迭代次数为100,并根据此开展优化分析，对体

积最小的掩护梁数量值进行确定，并根据此获取 最佳的掩护梁尺寸组合。根据分析结果，最佳的掩护梁尺寸组合为75 mm、25 mm、26 mmo在公式（1 ）当中,掩护梁的总体积使用V（X）〃）=人0X = [y — thicks, y — width f>, y — high 或s,t< MAX-EQV<6

（1）55为y-width6,高度为y~high5,掩护梁所受应力 的最大值使用MAX-EQV进行表示，钢材屈服

强度为8 o优化工作完成后，于ANSYS之中导入参数

化模型，实施静力分析，距离顶梁較接销孔约 1.1 cm处为最大位移出现位置，0.432E-5 m为

在此位置上产生的最大位移量，由此，掩护梁对

于位移的要求能够得到有效满足。掩护梁的耳板处为等效应力最大的位置，其

大小为435.694 MPa,而掩护梁的材料许用屈服 强度为460 MPa,可见其更加有利于满足掩护梁

的力学性能要求，其尺寸组合能够得到合理改进。但是从事实上来看，交变载荷循环具有一定

的饿复杂性，受到其加载工作的影响，即使已经

实施相应的改进工作，也难以对掩护梁的实际使 用寿命进行保障，所以，为了保障掩护梁的可靠

性仍然能够得到有效提高，还应展开掩护梁的疲 劳寿命预测工作。3掩护梁的寿命预测即使在许用应力的范围之内，构件也有可能

出现失效的情况，这一情况可被称为“疲劳失效”。 掩护梁经过优化以后，为了对其使用效果提供保

障，则需对其疲劳寿命进行预测。在本次研究中, 主要进行应用的模块是ANSYS/Fatigue,进行静

力分析，过程中所获取的最大应力MAX-EQV, 可以作为进行疲劳分析的时间，并且进行疲劳分

析工作的位置，可以将其制定为掩护梁最大应力

的位置，在此之后，开展疲劳分析计算即可。4结语对液压支架掩护梁实施改进设计，不但能够

有效增强掩护梁的强度以及使用寿命，且能够有

效降低掩护梁的生产成本，具有较高的应用价值。

另外，因为掩护梁的实际使用情况能够受到一定 程度的影响，所以开展掩护梁寿命预测工作，更

加有利于提高液压支架掩护梁改进工作的说服力

并增强其合理性。g〔杜云强（1987—），男，山西省大同市人〕2019.5矿业装备/151