基于液压支架的结构组成,分别构建液压支架顶梁的三维模型和有限元模型,并以此为基础,通过ANSYS有限元分析软件,从顶梁端载试验、顶梁偏载试验、顶梁扭转试验以及顶梁集中载荷试验四个角度对液压支架顶梁强度进行有限元分析,进而指出当前液压支架顶梁结构中存在的不足,提出针对性改进方案,最后将改进方案应用于工程实践,检验改进方案的有效性。

为进一步掌握液压支架中顶梁在使用过程中的结构性能,在分析ZF12000/25/40型矿用液压支架及顶梁结构特点的基础上,开展了顶梁的结构性能研究,通过仿真分析得出:在顶梁的前柱窝、后柱窝出现了较为明显的应力集中区域,而顶梁前后端头变形量相对较大,极容易率先发生结构失效现象,是顶梁结构的薄弱点。为此,从材料属性、材料厚度、热处理等方面提出了顶梁的结构优化改进措施,对掌握顶梁在实际作业过程中的变化规律、进一步开展顶梁的结构优化改进研究具有重要指导作用。

基于煤矿用滑移液压支架的基本结构及特点,构建滑移液压支架顶梁的三维模型和有限元模型,进而以此为基础实施滑移液压支架顶梁有限元强度分析。根据分析结果提出煤矿用滑移液压支架顶梁改进方案,并将其应用于工程实践,检验改进方案的有效性。

根据煤矿液压支架顶梁结构特点,合理提出三种液压支架顶梁优化方案,通过有限元分析方法,分析液压支架顶梁在扭转载荷和偏心载荷两种工况下优化前与优化后强度性能,从中获取最佳优化方案,并将此方案应用于工程实践,检验有效性和实用价值。

由于液压支架进行煤矿开采支护过程中结构重量较大,对液压支架的承载造成一定影响。针对液压支架的顶梁结构,采用MATLAB工具库对其进行非线性优化,并采用敏感性分析对优化求解的合理性进行分析,在满足使用的基础上降低液压支架的顶梁重量,可以为液压支架的设计使用提供参考。

针对液压支架顶梁经常出现变形或开裂的现状,借助ANSYS有限元仿真分析软件,完成了顶梁强度分析工作。结果表明,顶梁工作时存在较大的应力集中情况,最大应力超出材料屈服强度是其出现变形或破坏的主要原因。之后通过将顶梁的筋板、侧板及护板加厚到30mm,顶梁前端盖板厚度减小到20mm的方法完成了顶梁改设计。结果表明,改进顶梁的最大应力降低至了338.64MPa,低于材料屈服强度,大大提高了液压支架顶梁工作的可靠性。

以ZY4000/13/28型液压支架为例,分析支架顶梁在偏载、扭转工况下的受力情况,优化顶梁的结构,消除顶梁的危险点,在保证顶梁结构强度的情况下减轻顶梁的质量,减少焊接量。借助有限元分析软件,分析顶梁的应力、变形,优化了顶梁的主肋/横肋分布、盖板等。通过优化设计,降低了顶梁结构折弯件处的应力值,同时顶梁部装的质量减轻了133.72 kg,达到了优化目标。

基于有限元分析理念,根据液压支架顶梁焊接工艺流程构建顶梁焊接变形有限元模型,并由此实施液压支架顶梁焊接变形仿真分析,根据分析结果确认现有焊接工艺中变形控制存在的不足,提出针对性液压支架顶梁焊接变形控制措施。

基于矿用液压支架的构成及分类,结合不同工况条件下液压支架受载情况,构建不同工况下矿用液压支架有限元分析模型,以此为基础分析不同工况下矿用液压支架顶梁结构性能,指出当前液压支架顶梁结构中存在的不足,提出改进建议,介绍改进后矿用液压支架的实践应用效果,以为后续矿用液压支架设计改进提供理论参考。

基于矿用液压支架顶梁结构的特点,以ZY8650型掩护梁液压支架为研究对象,构建矿用液压支架顶梁带焊缝模型,采用罚函数法对模型进行接触处理,并对所构建的模型进行网格划分,开展具体模型分析计算。根据分析计算结果来看,带焊缝顶梁的实际应力和位移均大于无焊缝顶梁。在矿用液压支架顶梁设计中必须要对焊缝所造成的影响进行综合考虑,以此来降低矿用液压支架的使用风险。