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三角區(qū)掩護(hù)支架與回撤端頭支架配合使用，是對回撤端頭三角區(qū)頂板實(shí)現(xiàn)機(jī)械化支護(hù)的重要設(shè)備。液壓支架的掩護(hù)梁是掩護(hù)采面工作空間密封隔離采空區(qū)的重要梁體，它與底座、前后連桿形成四連桿結(jié)構(gòu)，控制頂梁前段的運(yùn)動軌跡，保證支架運(yùn)動的穩(wěn)定性。掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接關(guān)系到液壓支架的支護(hù)性能，因而掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對液壓支架設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)礦方要求及工作阻力合理設(shè)計四連桿參數(shù)，控制頂梁前端的運(yùn)動軌跡，設(shè)計ZZ9000/20/40型掩護(hù)式液壓支架。支架主要技術(shù)參數(shù)支架架型四柱支撐掩護(hù)式支架工作阻力、支架初撐力、支架高度、支架寬度、支護(hù)強(qiáng)度、支架操縱方式本架手動/無線遙控/本架電液控制。
根據(jù)液壓支架的總體設(shè)計，設(shè)計掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)如圖所示。利用Solidworks建立掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)件三維模型，對其結(jié)構(gòu)簡化，去掉對強(qiáng)度計算結(jié)果影響不大的倒角，用于吊裝的吊環(huán)、吊環(huán)扣，以便減小有限元計算規(guī)模，這些簡化工作在建模時完成。Cosmosworks是一種基于結(jié)構(gòu)離散化的有限元分析軟件，是Solidworks的插入式分析軟件，分析的模型和結(jié)果與Solidworks共享一個數(shù)據(jù)庫，而在Solidworks中建模便捷、高效，設(shè)計與分析數(shù)據(jù)沒有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)化操作。在Solidworks環(huán)境下建立掩護(hù)梁模型，這里進(jìn)行整體建模，不必把零件拆散分別處理，對掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)采用自頂向下的整體建模方式建模，避免了復(fù)雜的裝配分析，結(jié)構(gòu)相對裝配體簡化，能更好地模擬真實(shí)情況，結(jié)果更加精確，建立的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)件模型。
掩護(hù)梁是傳力構(gòu)件，不直接受載，這里旨在分析其結(jié)構(gòu)合理性，本研究分2種情況進(jìn)行加載：(1)頂板受沖擊載荷情況三角區(qū)漏研石的情況時有發(fā)生，掩護(hù)梁頂板要承受沖擊載荷。固定兩端連接耳處，劃分網(wǎng)格，將掩護(hù)梁實(shí)體剖分成相對小的有限單元，F(xiàn)EA求解器通過對單個單元的簡單解綜合成對整個模型的解。在劃分網(wǎng)格時，由于采用了整體建模，避免了裝配體間的縫隙，設(shè)定雅各賓式檢查為“4點(diǎn)”，“網(wǎng)格品質(zhì)”欄中選擇“高”。經(jīng)過運(yùn)算獲得應(yīng)力云圖。由圖可看出，頂板受力后，應(yīng)力明顯增加，主肋板彎曲處應(yīng)力集中。(2)扭轉(zhuǎn)工況在液壓支架頂梁承受偏載時，掩護(hù)梁承受因頂梁偏載作用而引起的扭轉(zhuǎn)載荷。固定掩護(hù)梁和連桿連接處，以便與頂梁連接軸為軸對掩護(hù)梁實(shí)施扭轉(zhuǎn)。根據(jù)實(shí)際工作阻力計算符合實(shí)際的扭矩，得到扭轉(zhuǎn)工況的應(yīng)力云圖。
從圖可看出，連接耳、主肋板彎曲處應(yīng)力集中。掩護(hù)梁主肋板彎曲處應(yīng)力明顯增加，在受沖擊載荷工況和扭轉(zhuǎn)工況，連接耳處、主肋板彎曲處應(yīng)力集中。優(yōu)化掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)，為改善主肋板處扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力集中情況，改進(jìn)主肋板為平直的肋板，在主肋板外側(cè)加箱形結(jié)構(gòu)，滿足掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計，通過改變主肋板的設(shè)計結(jié)構(gòu)改善掩護(hù)梁整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖為改進(jìn)后的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)示意圖。建立改進(jìn)后掩護(hù)梁的整體三維模型，施加與之前相同的載荷，分析其受沖擊載荷工況和扭轉(zhuǎn)工況，得到應(yīng)力云圖。由圖可看出，改進(jìn)后的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)在承受沖擊載荷時，頂板受沖擊，應(yīng)力增加，考慮到掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計，頂板箱形結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計。在掩護(hù)梁承受扭轉(zhuǎn)時，主肋板應(yīng)力有明顯改善，掩護(hù)梁整體受力，在連接耳處沒有明顯的應(yīng)力集中部位，改進(jìn)了掩護(hù)梁主肋直接受扭轉(zhuǎn)的工況，提高了掩護(hù)梁的整體強(qiáng)度。目前該液壓支架在神華集團(tuán)多個工作面使用，成功回撤綜采液壓支架多套，使用狀況良好。三角區(qū)液壓支架代替了部分木垛，有效地減少了木垛和圓木的使用量，提高了工效和工作面搬家速度，社會效益顯著。
利用Cosmosworks軟件對三角區(qū)掩護(hù)支架的掩護(hù)梁進(jìn)行有限元分析，對掩護(hù)梁主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對比2種結(jié)構(gòu)在受沖擊工況和扭轉(zhuǎn)工況的應(yīng)力集中情況，并對其進(jìn)行分析。得出結(jié)論，在掩護(hù)梁承受載荷時，掩護(hù)梁的主肋板盡可能使其整體受載，避免連接耳處的應(yīng)力集中，可通過改進(jìn)主肋板、加側(cè)板、增加箱形結(jié)構(gòu)的方式滿足強(qiáng)度設(shè)計要求，從而改善掩護(hù)梁在受扭轉(zhuǎn)時連接耳處的應(yīng)力集中情況，為掩護(hù)梁設(shè)計提供依據(jù)。
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