液压支架梁平衡耳座结构优化设计

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摘要：针对液压支架掩护梁平衡耳座受力集中、结构复杂、焊接工艺性差的问题，介绍了一种新型平衡耳座结构。通过对坡口及结构进行优化设计，使耳座焊接工艺性得到较大提高，其结构复杂性、板材坡口数量、组对工序和生产制造成本大大降低，对于减少企业投资和提高产品竞争力有着重要意义。同时利用ANSYS软件对新、旧2种耳座结构进行有限元仿真分析，通过对比相同工况条件下耳座的应力分布，验证了新型平衡耳座结构的可靠性。

关键词：平衡耳座；掩护梁；焊接工艺性；有限元仿真

0引言

液压支架是综采三机中起到支护作用的主要设备，其主要作用是支护顶板，为采煤机、刮板输送机和工作人员提供安全的工作和维修空间。随着煤矿开采的不断发展，对液压支架的要求也越来越高。掩护梁是顶梁与底座过渡的重要支撑部件，其用于高工作阻力环境下。目前，煤炭开采过程中，液压支架生产、制造及使用主要存在以下几个问题：①支架生产厂家只关注自身利益，选材低配，设计粗糙，重量偏重，最终导致产品投资较高；②平衡耳座结构复杂，钢板坡口较多，大大增加了支架产品的焊接难度、备料和生产制造时间；③掩护梁耳板组件应力集中，焊缝多，受力后容易发生开裂现象。针对以上问题，通过对已有掩护梁平衡耳座结构进行深入研究，本文提出一种新型平衡耳座结构，通过改变其连接结构及焊接工艺，将原组件结构改为零件，减少钢板、坡口数量、组对次数，达到保证结构强度的同时，降低了结构件的重量，简化了生产制造的难度，最终使得产品的生产制造成本大幅降低。

1平衡耳座结构优化设计

（1）原平衡耳座结构分析原掩护梁结构具体如图1所示，其平衡耳座由2块夹板与2块耳板组成，并直接与掩护梁焊接成为组件，最后通过2个横肋板进行补强。平衡耳座组件的具体结构如图2所示，采用多层夹板带耳板的形式。由该结构能够清晰看出，该结构坡口数量较多，需多次组对拼焊，耗费工时，同时随着焊缝的增加，对焊接质量的要求也大大增加。（2）平衡耳座新结构本文提出的平衡耳座新结构如图3所示，将耳板中间的2块夹板取消，增大耳板长度至顶板，此结构使得耳板与掩护梁焊接长度大幅度增加，其焊接强度得到良好的改善，结构更加紧凑，坡口数量大大减少，同时用横肋板替代夹板，整体重量减轻约30%，对于成本的降低有着重要意义。

2平衡耳座有限元分析

（1）模型建立分别建立优化前、后2种平衡耳座结构三维模型，进行ANSYS有限元分析前，在保证仿真计算精度的前提下，对数模进行简化处理，具体原则：①忽略焊缝影响，将平衡耳座焊接结构件作为整体结构件；②忽略工作过程中非受力的孔、挡销座、吊环等结构和零部件；③保留掩护梁危险截面及耳座周边的详细结构。经过简化后的三维模型如图4所示。（2）网格划分及边界条件的施加将上述2种三维模型导入ANSYSWorkbench中生成有限元模型。网格尺寸设定为10mm，采用自由划分的方法获得非结构网格模型；运用内加载的方式分别对掩护梁优化前、后的平衡耳座结构进行等效载荷加载，按实际载荷的1.5倍进行加载；各板材材料设置为HG785，该型号钢材广泛应用于液压支架当中。（3）结果对比分析 掩护梁耳座在1.5倍实际载荷加载情况下进行应力分析，其应力云图如图5所示。从图5结果对比可知，2种结构最大应力位置变化不大，旧结构平衡耳座最大应力值为2311.7MPa，新结构耳座最大应力值为2887MPa，两者存在差异的根本原因在于原结构所用的拼焊结构件较多，因此其强度相对较高，应力分布更加均匀；优化后结构平衡耳座强度相比原结构平衡耳座虽略微降低，但依然在安全范围内，且减轻了重量，能够保证正常的生产和使用。

3结语

（1）在相同工况条件下，本文提出的掩护梁平衡耳座新结构在保证结构强度的同时，能够减少钢板、坡口数量、组对次数，最终使得产品的生产制造成本大幅降低；（2）该结构不仅能够应用于掩护梁中，还能够应用于顶梁中，同时该结构支架已经取得国家煤矿安全标志证书，并在贵州共兴煤矿公司投入生产使用，设备运行可靠、稳定，无开裂现象。经对比核算，新结构支架成本相比于原结构支架降低了约1000元/台，这对于具有大批量特点的综采设备制造，其成本节约及产品市场竞争力的提升有着重大意义。

作者:孙彬 鲍鹏飞 裴群武 王鹏 魏来 单位:三一重型装备有限公司