液壓支架梁平衡耳座結構優(yōu)化設計
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摘要：針對液壓支架掩護梁平衡耳座受力集中、結構復雜、焊接工藝性差的問題，介紹了一種新型平衡耳座結構。通過對坡口及結構進行優(yōu)化設計，使耳座焊接工藝性得到較大提高，其結構復雜性、板材坡口數(shù)量、組對工序和生產(chǎn)制造成本大大降低，對于減少企業(yè)投資和提高產(chǎn)品競爭力有著重要意義。同時利用ANSYS軟件對新、舊2種耳座結構進行有限元仿真分析，通過對比相同工況條件下耳座的應力分布，驗證了新型平衡耳座結構的可靠性。
關鍵詞：平衡耳座；掩護梁；焊接工藝性；有限元仿真
0引言
液壓支架是綜采三機中起到支護作用的主要設備，其主要作用是支護頂板，為采煤機、刮板輸送機和工作人員提供安全的工作和維修空間。隨著煤礦開采的不斷發(fā)展，對液壓支架的要求也越來越高。掩護梁是頂梁與底座過渡的重要支撐部件，其用于高工作阻力環(huán)境下。目前，煤炭開采過程中，液壓支架生產(chǎn)、制造及使用主要存在以下幾個問題：①支架生產(chǎn)廠家只關注自身利益，選材低配，設計粗糙，重量偏重，最終導致產(chǎn)品投資較高；②平衡耳座結構復雜，鋼板坡口較多，大大增加了支架產(chǎn)品的焊接難度、備料和生產(chǎn)制造時間；③掩護梁耳板組件應力集中，焊縫多，受力后容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。針對以上問題，通過對已有掩護梁平衡耳座結構進行深入研究，本文提出一種新型平衡耳座結構，通過改變其連接結構及焊接工藝，將原組件結構改為零件，減少鋼板、坡口數(shù)量、組對次數(shù)，達到保證結構強度的同時，降低了結構件的重量，簡化了生產(chǎn)制造的難度，最終使得產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本大幅降低。
1平衡耳座結構優(yōu)化設計
（1）原平衡耳座結構分析原掩護梁結構具體如圖1所示，其平衡耳座由2塊夾板與2塊耳板組成，并直接與掩護梁焊接成為組件，最后通過2個橫肋板進行補強。平衡耳座組件的具體結構如圖2所示，采用多層夾板帶耳板的形式。由該結構能夠清晰看出，該結構坡口數(shù)量較多，需多次組對拼焊，耗費工時，同時隨著焊縫的增加，對焊接質(zhì)量的要求也大大增加。（2）平衡耳座新結構本文提出的平衡耳座新結構如圖3所示，將耳板中間的2塊夾板取消，增大耳板長度至頂板，此結構使得耳板與掩護梁焊接長度大幅度增加，其焊接強度得到良好的改善，結構更加緊湊，坡口數(shù)量大大減少，同時用橫肋板替代夾板，整體重量減輕約30%，對于成本的降低有著重要意義。
2平衡耳座有限元分析
（1）模型建立分別建立優(yōu)化前、后2種平衡耳座結構三維模型，進行ANSYS有限元分析前，在保證仿真計算精度的前提下，對數(shù)模進行簡化處理，具體原則：①忽略焊縫影響，將平衡耳座焊接結構件作為整體結構件；②忽略工作過程中非受力的孔、擋銷座、吊環(huán)等結構和零部件；③保留掩護梁危險截面及耳座周邊的詳細結構。經(jīng)過簡化后的三維模型如圖4所示。（2）網(wǎng)格劃分及邊界條件的施加將上述2種三維模型導入ANSYSWorkbench中生成有限元模型。網(wǎng)格尺寸設定為10mm，采用自由劃分的方法獲得非結構網(wǎng)格模型；運用內(nèi)加載的方式分別對掩護梁優(yōu)化前、后的平衡耳座結構進行等效載荷加載，按實際載荷的1.5倍進行加載；各板材材料設置為HG785，該型號鋼材廣泛應用于液壓支架當中。（3）結果對比分析 掩護梁耳座在1.5倍實際載荷加載情況下進行應力分析，其應力云圖如圖5所示。從圖5結果對比可知，2種結構最大應力位置變化不大，舊結構平衡耳座最大應力值為2311.7MPa，新結構耳座最大應力值為2887MPa，兩者存在差異的根本原因在于原結構所用的拼焊結構件較多，因此其強度相對較高，應力分布更加均勻；優(yōu)化后結構平衡耳座強度相比原結構平衡耳座雖略微降低，但依然在安全范圍內(nèi)，且減輕了重量，能夠保證正常的生產(chǎn)和使用。
3結語
（1）在相同工況條件下，本文提出的掩護梁平衡耳座新結構在保證結構強度的同時，能夠減少鋼板、坡口數(shù)量、組對次數(shù)，最終使得產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本大幅降低；（2）該結構不僅能夠應用于掩護梁中，還能夠應用于頂梁中，同時該結構支架已經(jīng)取得國家煤礦安全標志證書，并在貴州共興煤礦公司投入生產(chǎn)使用，設備運行可靠、穩(wěn)定，無開裂現(xiàn)象。經(jīng)對比核算，新結構支架成本相比于原結構支架降低了約1000元/臺，這對于具有大批量特點的綜采設備制造，其成本節(jié)約及產(chǎn)品市場競爭力的提升有著重大意義。
作者:孫彬 鮑鵬飛 裴群武 王鵬 魏來 單位:三一重型裝備有限公司
