考虑疲劳寿命的液压支架掩护梁结构优化改进研究.pdf

自动化应用数据处理与人工智能考虑疲劳寿命的液压支架掩护梁结构优化改进研究牛飞,牛进忠（山西高平科兴米山煤业有限责任公司，山西高平0 46 7 0 0）摘要：本文以煤矿中使用的ZY29000/45/100D型液压支架掩护梁为研究对象，利用Creo和ANSYS软件建立了掩护梁的疲劳分析有限元模型，分析发现掩护梁不同位置的疲劳寿命分布不均匀，中间位置的寿命相对较短，最短的疲劳寿命为9 7 36 6 次。通过在中间区域设置2 根纵向加强筋，优化改进掩护梁，改进后掩护梁最短疲劳寿命增加到6 59582次。将新的掩护梁结构应用到液压支架工程实践中，经3个月时间的工业验证，发现具有良好的运行效果，其使用寿命预计可以延长3倍以上，为企业创造了良好的安全效益和经济效益。关键词：疲劳寿命，液压支架，掩护梁，结构优化中图分类号：TD355Research on Optimization and Improvement of Hydraulic Support Shield Beam StructureAbstract:This paper takes the ZY29000/45/100D hydraulic support shield beam used in coal mines as the research object,and establishes a fatigue analysis finite element model of the shield beam using Creo and ANSYS software.The analysis foundthat the fatigue life distribution at different positions of the shield beam is uneven,and the life at the middle position isrelatively short,with the shortest fatigue life of 97 366 times.Optimize and improve the cover beam by setting two longitudinalreinforcing bars in the middle area.After improvement,the minimum fatigue life of the shield beam has been increased up to659 582 times.The new shield beam structure was applied to the hydraulic support engineering practice,and after threemonths of industrial verification,it was found to have good operating effects.Its service life is expected to be extended bymore than three times,creating good safety and economic benefits for the enterprise.Key words:fatigue life,hydraulic support,cover beam,structural optimization文献标识码：AConsidering Fatigue LifeNIU Fei,NIU Jinzhong(Shanxi Gaoping Kexing Mishan Coal Industry Co.,Ltd.,Gaoping,Shanxi 046700,China)0引言液压支架是煤矿工作面中非常重要的“三机”装备之一，在保障煤矿工作面安全方面发挥着不可替代的作用，因此,对其综合力学性能要求非常高。掩护梁是液压支架中非常重要的构成部分，同样要求有非常高的性能，但利用传统方法设计的掩护梁结构存在一些缺陷，在煤矿复杂的工况环境下难以满足实际使用要求，导致掩护梁服役过程中容易出现各类故障，影响液压支架设备运行的稳定性2。随着有限元技术的发展,利用有限元方法可以模拟再现机械结构件服役时的受力及疲劳寿命情况，在此基础上优化改进结构件,能显著提升其疲劳使用寿命3。本文利用有限元方法分析液压支架掩护梁，考虑疲劳寿命优化改进液压支架结构，通过工业验证发现达到了预期效果，为企业创造了良好的经济效益。作者简介：牛飞，男，19 8 3年生，助理工程师，从事煤矿安全管理工作。190|自动化应用1液压支架掩护梁液压支架在煤矿工作面中是非常重要的构成部分，其主要作用是支撑工作面顶板，保障工作面人员和设备的安全。本文以煤矿中使用的ZY29000/45/100D型液压支架为研究对象，该支架的机械结构示意图如图1所示。由图1可知，液压支架机械结构层面主要包括顶梁、掩护梁、连杆、底座、立柱等,其中,顶梁的作用是支撑工作面顶板，掩护梁的作用是支撑工作面完成采煤工作后的陷，因此，掩护梁工作时遭受的是周期性、冲击性的载荷，对掩护梁结构的疲劳性能提出了非常高的要求42掩护梁疲劳分析有限元模型的建立2.1三维几何模型的建立利用ANSYS软件分析液压支架掩护梁结构的疲劳寿梁造成显著冲击，工作环境非常恶劣。工程实践表明，掩护数据处理与人工智能自动化应用命，但在ANSYS软件中难以建立复杂的液压支架三维几相对较长。由图3可知,掩护梁结构不同位置的疲劳寿命何模型，所以需要利用Creo三维造型软件根据ZY29000/分布存在很大差异，两端与液压支架顶梁、后连杆相连接45/100D型液压支架的实体结构尺寸，建立其三维几何模的区域比较安全，疲劳寿命相对较长，因为这些区域有其型。建立的液压支架的三维几何模型如图2 所示，完成模他结构件对其进行支撑。中间区域的安全性逐渐降低，疲型装配后液压支架的整体高度为48 0 0 mm。建立几何模劳寿命逐渐缩短。由图3可知疲劳寿命最短的节点编号型时，为了保证有限元模型网格的顺利划分以及计算过程为2 2 2 2 3,该节点在盖板、垫块以及主筋相交汇的部位,安的收敛性，可对部分细小结构进行忽略处理5全性最低，查询发现该节点的疲劳寿命为9 7 36 6 次。出现这种情况的主要原因是工作面顶板塌陷时，研石会对掩护护帮板顶梁平衡千斤顶立柱底座图1矿用液压支架机械结构示意图图2 液压支架的三维几何模型2.2有限元模型的建立准确的材料参数是获得精确结果的重要基础。本文的液压支架使用的主要材料为Q690,为简化模型,将所有结构件的材料全部设置为Q690。查阅材料手册可知，材料的弹性模量为2 0 4GPa、泊松比为0.3、材料密度为7 8 50 kg/m。本文需要分析掩护梁的疲劳寿命，所以在软件中选择合适的S-N曲线,选择的是Goodman型曲线，曲线反映的是结构件疲劳寿命与所受载荷之间的关系。在网格单元划分方面，需要设置网格单元类型和网格单元尺寸2 个关键参数。ANSYS软件有多种类型的网格单元，选用不同类型单元会对结果产生一定影响，本文结合实际情况选择六面体单元。网格尺寸方面，采用非均匀化网格方式,对于细小结构或重要结构，采用较小网格，网格尺寸设置为5mm，对于尺寸较大且不是重要的结构，采用较大网格，网格尺寸设置为2 0 mm。3掩护梁疲劳寿命分析结果在ANSYS软件中完成模型的分析计算工作后，可以利用后处理模块提取想要分析的结果。本文重点关注掩护梁结构的疲劳寿命情况,提取了掩护梁的疲劳寿命分布云图，结果如图3所示。图3中不同颜色代表疲劳寿命的长短,其中,红色区域表示构件比较危险,对应的疲劳寿命较短,蓝色区域表示结构件相对比较安全，对应的疲劳寿命梁在垫块、盖板以及主筋相交会的部位特别容易出现疲劳掩护染损伤，对掩护梁的正常稳定工作构成了严重威胁，可见本前连杆文利用有限元方法获得的结果与工程实际情况相吻合，验证了所述有限元模型的有效性。后连杆Life(Log Repeats Min at Node 222320.018.5红色17.015.513.0F12.5绿色一10.999.49-7.996.49蓝色一4.99图3液压支架掩护梁的疲劳寿命分布云图4掩护梁结构的优化改进研究4.1优化改进方法通过有限元分析发现掩护梁结构中间区域的疲劳寿命相对较短，最根本的原因是附近区域的强度和刚度不够,所以必须采取措施提升该区域的强度和刚度6。相关理论以及工程实践经验表明，通过增加掩护梁纵筋数量的方式可以显著提升其整体的力学性能，利用新设置的纵筋分担顶板冒落时的塌陷、研石的冲击力，提升掩护梁整体的承载能力。掩护梁结构的优化改进方案示意图如图4所示，主要是在垫块、盖板以及主筋附近增加设置2 块纵向筋板,筋板厚度与附近钢板厚度相同。图4掩护梁结构的优化改进方案示意图4.2优化改进结果为了验证优化改进方案的效果，再次利用Creo和ANSYS有限元软件建立掩护梁结构的疲劳分析模型，与上述模型相比，该模型主要区别在于掩护梁的结构，其他参数完全相同,所得结果具有对比性。优化改进后掩护梁的疲劳寿命分布云图如图5所示。由图5可知，优化后的蓝色绿色蓝色红色22023|16期/19 1自动化应用数据处理与人工智能掩护梁结构疲劳寿命仍然分布不均匀，两端区域疲劳寿命相对较长，安全性较高，中间区域的安全性相对较低,对应的疲劳寿命相对较短。寿命较短的区域仍然集中在盖板、垫块以及主筋相交汇的位置，最短的节点编号为8 330 1，查询该节点的疲劳寿命为6 59 58 2 次。与结构优化前的最短疲劳寿命相比,发现通过增加2 根纵向加强筋，使得掩护梁结构的最短疲劳寿命增加了一个数量级,效果非常显著。Life(Log Repeats)Min at Node 8330120.018.6817.3616.0514.7313.4112.0910.749.47一8.146.82图5优化改进后掩护梁的疲劳寿命分布云图4.3工业验证根据有限元分析发现，通过优化改进掩护梁结构，即增加2 根纵向加强筋，可以显著提升结构件的强度和刚度，在相同工况条件下掩护梁结构的疲劳寿命大幅度提升，为液压支架的稳定可靠运行奠定了良好基础。为了验证所述优化改进方案的可行性，按照该优化方案加工得到了新的掩护梁结构，并将其应用到ZY29000/45/100D型液压支架中，开展工业验证工作，时间持续3个月。工业验证期间，掩护梁整体运行稳定，未出现故障。基于工业验证期间产生的数据,将其与原掩护梁进行对比，发现新的结构具有更好的运行稳定性和可靠性,疲劳寿命预计可以延长3倍以上。综上所述，此次针对液压支架掩护梁的结构优化改进工作达到了预期效果，可以为相关企业创造良好的经济效益。5结语(1)掩护梁工作时疲劳寿命分布呈现不均匀性的特点，与两端相连接的区域疲劳寿命较长，中间区域受到研石冲击的影响,疲劳寿命相对较短；(2)通过在中间区域设置2 根纵向加强筋的方式强化掩护梁的综合力学性能，再次进行有限元分析发现疲劳寿命增加了一个数量级,效果非常显著；(3)将新的掩护梁结构部署到液压支架工程实践中，开展3个月时间的工业验证，结果发现新的掩护梁结构运行良好，达到了预期效果，使用寿命可以延长3倍以上，产生了很好的经济效益和安全效益。1曾小平.液压支架底座柱窝接触模型及有限元分析J.煤炭技术,2 0 2 3,42(4):2 37-2 40.2韩红心，彭帅.ZY6800/21/45型掩护式液压支架修理实例的研究与实施J.煤矿机械,2 0 2 2,43(11)：154-156.3刘芳芳.煤矿液压支架掩护梁强度分析与改进设计J.矿业装备,2 0 2 3(3):140-142.4曾庆良,徐鹏辉，孟昭胜，等.冲击载荷下四柱支撑掩护式液压支架动态响应特征分析J.煤炭科学技术,2 0 2 3,51(1)：437-445.5王炎.矿用液压支架掩护梁仿真及优化分析J.机械管理开发,2 0 2 2,37(10):118-119.6曾庆良，李兆基，万丽荣，等.不同加载条件下液压支架承载及铰接点载荷研究J,煤炭工程,2 0 2 2,54(8)：16 8-17 3.参考文献（责任编辑：李慧）192I自动化应用