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掩護梁是二柱掩護式液壓支架的主要受力件之一，在液壓支架的工作中起著非常重要的作用。由于掩護梁要與頂梁、連桿及千斤頂?shù)炔考噙B，在液壓支架各部件中處于最復(fù)雜、最惡劣的受力狀況。本文利用有限元分析法，將不同結(jié)構(gòu)的掩護梁對其變形和應(yīng)力的影響做對比分析，探討不同結(jié)構(gòu)下掩護梁受力狀況及改善的途徑。
液壓支架的掩護梁在實際使用中，曾出現(xiàn)掩護梁前端的耳板附近開裂等危險狀況。根據(jù) GB25974.1-2010《煤礦用液壓支架第一部分：通用技術(shù)條件》，采用SolidWorks結(jié)合simulation軟件，對液壓支架進(jìn)行整架強度有限元分析。
液壓支架的強度試驗是模擬井下各種危險工況，如頂梁兩端載荷和底座兩端載荷，頂梁扭轉(zhuǎn)和底座兩端載荷，頂梁偏載和底座兩端載荷，頂梁中部載架的設(shè)計和制造質(zhì)量檢驗的重要方式。
對于二柱掩護式液壓支架，掩護梁在頂梁扭轉(zhuǎn)和底座兩端集中載荷工況下受力最大而容易損壞。筆者選取該工況進(jìn)行有限元分析。GB25974.1-2010規(guī)定的工況加載時墊塊位置如圖所示，試驗壓力為1.2倍工作壓力，支架高度為最大高度減去行程的1/3。
原掩護梁的箱體結(jié)構(gòu)如圖所示。由于掩護梁的損壞大多出現(xiàn)在掩護梁前端的耳板附近，為了最大程度改善耳板附近的受力，通過多次力學(xué)分析計算，分別選擇在掩護梁兩個主肋板之間靠近腹板的位置添加1塊鋼板、在與頂梁連接處的箱體內(nèi)添加塊斜肋板及既添加橫板又添加2塊斜肋板的組合結(jié)構(gòu)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，對這3種結(jié)構(gòu)的掩護梁進(jìn)行應(yīng)力有限元對比分析，以確定最佳結(jié)構(gòu)，改善掩護梁的力學(xué)性能。
建立了掩護梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的4種數(shù)學(xué)模型及液壓支架整體模型，完成頂梁扭轉(zhuǎn)加載+底座兩端加載工況下的強度有限元計算。通過分析比較不同結(jié)構(gòu)的掩護梁對其應(yīng)力的影響，為優(yōu)化掩護梁箱體結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能提供依據(jù)。
(1) 建立模型液壓支架模型如圖所示，該模型需要進(jìn)行簡化才能用于有根據(jù) GB25974.1-2010，對設(shè)計模型進(jìn)行簡化。每個構(gòu)件都去除不承載的結(jié)構(gòu)和不影響主體強度與應(yīng)力的細(xì)小結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角及小孔等，除非焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，否則主體構(gòu)件的焊縫不建模。試驗采用內(nèi)加載方式，因此立柱不需建立模型，而用載荷進(jìn)行替代。
分別將優(yōu)化前后的4種掩護梁結(jié)構(gòu)與其他主要構(gòu)件裝配成4個裝配體，液壓支架高度H=4500-(4500-2100)/3=3700 mm。
(2) 加載試驗采用內(nèi)加載的方式，載荷為6400×1.2=7680 kN，載荷施加在柱窩的球面上，力的作用線沿立柱的軸線方向。
結(jié)果分析強度分析顯示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的掩護梁最大應(yīng)力均有所減小，受力得到改善，其中效果最顯著的結(jié)構(gòu)為添加橫隔板及斜肋板組合。在此僅對這種最優(yōu)結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行比較，優(yōu)化前、后的液壓支架整機和掩護梁應(yīng)力云圖。
由圖可以看出，掩護梁的最大應(yīng)力為497 MPa，出現(xiàn)在掩護梁耳板附近。由圖可以看出，掩護梁的最大應(yīng)力為442 MPa，最容易發(fā)生損壞的耳板處的應(yīng)力降至415 MPa，有效地提高了掩護梁的強度。
對掩護梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，最大應(yīng)力值減少了11%，現(xiàn)場實際使用效果良好，為提高掩護梁的力學(xué)性能提供了依據(jù)。
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