徐貴旭

(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030000)

0 引言

大采高綜采作為一種對厚煤層進(jìn)行一次采全高的綜合機(jī)械化開采技術(shù)，生產(chǎn)效率高，安全性能好。而大采高液壓支架的發(fā)展嚴(yán)重制約著大采高綜采技術(shù)的發(fā)展。大采高液壓支架是一種利用液壓機(jī)構(gòu)對工作頂板進(jìn)行支撐并與采煤機(jī)相互配合使用的支護(hù)設(shè)備。因此大采高液壓支架的設(shè)計至關(guān)重要。利用有限元的方法可對大采高液壓支架的不同工況進(jìn)行受力分析，可大大的節(jié)約成本，同時也為大采高液壓支架的設(shè)計提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)［1］。

1 大采高液壓支架的有限元分析

1.1 大采高液壓支架力學(xué)模型的建立

利用有限元進(jìn)行分析計算的過程中，模型的建立直接關(guān)系到計算結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。因此，在對液壓支架進(jìn)行建模前應(yīng)對其力學(xué)模型進(jìn)行簡化。筆者主要分析大采高液壓支架受頂梁扭轉(zhuǎn)載荷且底座兩端受載的工況，其力學(xué)模型如圖1、2所示［2］。

其中頂梁上墊塊a=150 mm，高度h=50 mm，d=50 mm，c=300 mm。底座上墊塊寬度a=150 mm，厚度h=50 mm，d=50 mm。該工況下大采高液壓支架的高度為5 200 mm。

圖1 大采高液壓支架頂梁扭轉(zhuǎn)載荷

圖2 大采高液壓支架底座兩端加載

1.2 材料特性的確定和單元類型的選擇

大采高液壓支架主要材料是由Q690和Q550組成，其材料屬性如表1所列［3］。

表1 材料屬性

筆者對大采高液壓支架的三維模型進(jìn)行力學(xué)分析，因此應(yīng)該選用三維實體單位作為其單元類型。ANSYS軟件中常用的三維實體單元有Solid45，Solid85，Solid95等。筆者選用較為常用的Solid45單元。

2 大采高液壓支架的分析結(jié)果

在大采高液壓支架單根立柱上施加的載荷為7 200 KN。液壓支架在頂梁受扭轉(zhuǎn)且底座兩端受載工況下的應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3可看出大采高液壓支架在此工況下其應(yīng)力分布主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn):底座和頂梁應(yīng)力較大且最大應(yīng)力值發(fā)生在頂梁處。此時液壓支架的立柱應(yīng)力最小。分別對液壓支架的頂梁和底座的應(yīng)力進(jìn)行分析如圖4和5所示。

圖3 大采高液壓支架在頂梁受扭轉(zhuǎn)且底座兩端受載的整體應(yīng)力分布圖

圖4 大采高液壓支架的頂梁應(yīng)力分布圖

圖5 大采高液壓支架的底座應(yīng)力分布圖

由于大采高液壓支架在頂梁受扭轉(zhuǎn)，從圖4可看出液壓支架的頂梁應(yīng)力分布呈不對稱分布。其最大應(yīng)力發(fā)生在與墊塊連接處，最大應(yīng)力為882.263 MPa。另外頂梁的主筋和蓋板處的應(yīng)力也相對較大?？紤]到液壓支架工作過程中可能會出現(xiàn)動載荷的現(xiàn)象，必須對頂梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對頂梁的板筋進(jìn)行加厚10 mm。大采高液壓支架底座兩端受載，從圖5可看出其應(yīng)力呈對稱分布。應(yīng)力主要集中在底座主筋上端且最大應(yīng)力值為346.977 MPa。從應(yīng)力結(jié)果可看出液壓支架的底座設(shè)計能滿足使用要求［4］。

3 大采高液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

對大采高液壓支架的頂梁板筋進(jìn)行加厚10 mm后，對其在頂梁受扭轉(zhuǎn)且底座兩端受載的工況再次進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力分布圖如圖6所示。

從圖6可看出優(yōu)化后的大采高液壓支架在頂梁受扭轉(zhuǎn)且底座兩端受載的工況下整體應(yīng)力分布基本不變，同樣是底座和頂梁應(yīng)力分布較為嚴(yán)重且最大應(yīng)力值發(fā)生在頂梁處。但是頂梁的最大應(yīng)力由882.263 MPa降低到691.584 MPa。此時可以看出對大采高液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)起到了顯著地作用。分別對液壓支架的頂梁和底座進(jìn)行分析如圖7和8所示［5］。

圖6 改進(jìn)后的大采高液壓支架在頂梁受扭轉(zhuǎn)且底座兩端受載的整體應(yīng)力分布圖

圖7 改進(jìn)后的大采高液壓支架的頂梁應(yīng)力分布圖

圖8 改進(jìn)后的大采高液壓支架的底座應(yīng)力分布圖

從圖7可看出大采高液壓支架的頂梁的最大應(yīng)力同樣發(fā)生在與墊塊連接處且最大值為691.584 MPa。同時由于ANSYS分析結(jié)果顯示的狀態(tài)為液壓支架在該載荷下的最終應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，因此從圖4、7可看出液壓支架在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后其頂梁的位移整體變小，也從另一方面證明了對液壓支架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果明顯提高。通過對圖5和圖8的對比可看出大采高液壓支架的底座整體應(yīng)力分布基本保持不變，應(yīng)力主要集中在底座主筋上端且最大應(yīng)力值為338.289 MPa，其應(yīng)力值與改進(jìn)前基本保持一致。

4 結(jié)語

主要介紹了利用有限元分析軟件ANSYS對大采高液壓支架在頂梁受扭轉(zhuǎn)載荷且底座兩端受載工況下的應(yīng)力分布情況。發(fā)現(xiàn)在該工況下大采高液壓支架的頂梁和底座應(yīng)力較大且最大應(yīng)力發(fā)生在頂梁處。由于液壓支架在工作過程中會出現(xiàn)動載荷的現(xiàn)象，因此對其頂梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從優(yōu)化的應(yīng)力分析圖可看出優(yōu)化后的大采高液壓支架應(yīng)力分布基本保持不變，但是最大應(yīng)力卻有顯著降低。

［1］ 謝錫純，李曉豁.礦山機(jī)械與設(shè)備［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［2］ 王忠賓，趙啦啦，李舒斌，等.支撐掩護(hù)式液壓支架的優(yōu)化設(shè)計［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2009，32(9):48 －51.

［3］ 趙衡山.國內(nèi)外液壓支架試驗規(guī)范淺析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25(1):48－51.

［4］ 傅永華.有限元分析基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［5］ 王 帥，文繼成，高婷婷.ZF4200/17/28型液壓支架有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2013，34(2):97－99.