張曉菲

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備同吉液壓有限公司， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架作為煤礦環(huán)境中的重要設(shè)備，對井下工作面起到了重要的支撐和防護(hù)作用，較好地保障了井下作業(yè)的安全性。在液壓支架實(shí)際使用過程中，其工作環(huán)境較為復(fù)雜，要求液壓支架整體結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，需開展不同加載條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。

1 礦用液壓支架研究現(xiàn)狀

關(guān)于礦用液壓支架，我國于1958年開始著手設(shè)計(jì)，截止目前，所設(shè)計(jì)的液壓支架已達(dá)到較高的技術(shù)水平。2009年，中煤集團(tuán)成功研制了工作阻力為1.7×104kN，支護(hù)高度達(dá)7.5 m的電液壓支架，該支架采用三級復(fù)合防片幫裝置和微間隙配合技術(shù)，在當(dāng)時(shí)達(dá)到國際先進(jìn)水平[1]。2013年，平頂山煤礦機(jī)械公司與德國簽訂了12套兩柱掩護(hù)式液壓支架的訂單，并成功設(shè)計(jì)制造完成和產(chǎn)品交付，該設(shè)備得到了德國企業(yè)的高度好評[2]。同年，鄭州煤機(jī)集團(tuán)成功設(shè)計(jì)研發(fā)了國內(nèi)首套放頂煤液壓支架，該支架支護(hù)范圍達(dá)到3.9 m，中間距較普通的液壓支架更寬，達(dá)到2.05 m，可對60 t以上的物體進(jìn)行支護(hù)，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)放頂煤液壓支架中承載能力較強(qiáng)、單臺寬度最寬的液壓支架[3]。2014年，中煤北京煤礦機(jī)械公司設(shè)計(jì)工作阻力為2×104kN、支護(hù)范圍為2.8～5.5 m，超過了之前其他公司的產(chǎn)品，是當(dāng)時(shí)5.5 m范圍工作阻力較大、支護(hù)寬度最寬的液壓支架，該支架在后期煤礦行業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[4]。

2 液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液壓支架中支撐掩護(hù)式支架集成了支撐式支架和掩護(hù)式支架的特點(diǎn)，可利用支架的支撐和掩護(hù)共同作用，以此保障井下工作面的安全。同時(shí)，其結(jié)構(gòu)上擁有兩排立柱，其中一根立柱能傾斜，可實(shí)現(xiàn)對井下工作面的支撐和掩護(hù)作用，對工作面的整體支撐力較大，具有較高的防護(hù)性能和穩(wěn)定性，可用于底板較硬的中厚煤層[4]。但該結(jié)構(gòu)具有升降速度較慢、立柱受力不均勻、支撐范圍較小和支撐效果較差等缺點(diǎn)，且整套產(chǎn)品的生產(chǎn)成本較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在運(yùn)輸過程中較難運(yùn)輸，后期維修也存在一定難度，不適用于較厚的煤層開采[5]。

3 液壓支架模型建立

3.1 三維模型建立

根據(jù)煤礦井下環(huán)境中的煤層地質(zhì)條件、煤層厚度及采礦要求，結(jié)合現(xiàn)有液壓支架產(chǎn)品型號和性能特點(diǎn)，采用Solidworks軟件建立了液壓支架的三維模型。考慮后期液壓支架仿真的速度和難度較多，而液壓支架上非關(guān)鍵部件對仿真結(jié)果影響較小，如支架上的圓角、倒角、小孔及護(hù)幫裝置等，因此，對液壓支架三維模型進(jìn)行了簡化，在不改變其整體結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，建立了包含底座、連桿、頂梁等主要部件的簡化版模型，如圖1所示。

圖1 礦用液壓支架三維模型示意圖

3.2 液壓支架仿真模型建立

1）網(wǎng)格劃分。將所建立的液壓支架三維模型保存相應(yīng)格式后，導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，對液壓支架三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到網(wǎng)格尺寸越小，模型仿真速度越慢且對仿真結(jié)果精度提升較小，同時(shí)，對仿真所用硬件要求較高。因此，在綜合計(jì)算和分析仿真精度和仿真準(zhǔn)確性后，將模型設(shè)置為四面體網(wǎng)格，并對關(guān)鍵部位進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格單元大小設(shè)置為40 mm。

2）材料定義。結(jié)合工程實(shí)際，液壓支架各部件的材料屬性均具有較高的要求且各部件組成不一致，為提高模型的仿真速度，將液壓支架材料統(tǒng)一設(shè)置為Q550材料[6]，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 礦用液壓支架材料屬性參數(shù)

3）仿真模型建立。為使仿真結(jié)果與實(shí)際工程相近，對液壓支架的頂梁上墊塊位置進(jìn)行施加載荷，對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行邊界條件設(shè)置，并對底座進(jìn)行兩端加載和扭轉(zhuǎn)加載等前處理，其加載簡圖如圖2所示。由此，建立了包含168 150個(gè)單元的液壓支架有限元仿真模型，如圖3所示。

圖2 底座兩端加載和扭轉(zhuǎn)加載簡圖

4 液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

結(jié)合建立的液壓支架仿真模型，采用Abaqus仿真軟件，對液壓支架進(jìn)行了底座兩端加載和扭轉(zhuǎn)加載條件下的仿真分析研究。

4.1 底座兩端加載影響分析

圖4和圖5分別為液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)加載條件下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖和底座應(yīng)力圖。由圖可知，在該種條件下，液壓支架的底座、掩護(hù)梁及頂梁等部件均發(fā)生了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，底座的左右兩側(cè)中間部位及與前連桿之間的圓弧連接處呈現(xiàn)應(yīng)力左右對稱現(xiàn)象，分布較為均勻，而掩護(hù)梁上豎直板前端、與千斤頂連接處及部分焊接處均也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，支架頂梁的后端結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相對較小。支架上的應(yīng)力分布較為均勻，均在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，可滿足使用要求。企業(yè)在使用過程中，可以此仿真結(jié)果作為參考，加強(qiáng)對底座及掩護(hù)梁上應(yīng)力較大區(qū)域的結(jié)構(gòu)保護(hù)，以保證液壓支架的使用安全，提高液壓支架的使用性能。

4.2 底座扭轉(zhuǎn)加載影響分析

圖6和圖7分別為液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)加載條件下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖和底座應(yīng)力圖。由圖可知，在該種工況條件下，液壓支架的底座發(fā)生了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在底座的左右兩側(cè)中間部位及與前連桿之間的圓弧連接處，且左右呈現(xiàn)應(yīng)力對稱現(xiàn)象，分布較為均勻，同時(shí)，在底座部分焊接處也出現(xiàn)了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而液壓支架上頂梁、連桿等部件上的應(yīng)力均較小。但液壓支架上各部件的應(yīng)力均沒有超過材料屈服強(qiáng)度，能滿足使用要求。企業(yè)在使用過程中，可參考此仿真結(jié)果，加強(qiáng)對底座中部的結(jié)構(gòu)保護(hù)，提高焊接部位的焊接質(zhì)量，以保證液壓支架的結(jié)構(gòu)性能和使用安全。

圖4 礦用液壓支架整體應(yīng)力分布圖

圖5 礦用液壓支架底座應(yīng)力分布圖

圖6 礦用液壓支架整體應(yīng)力分布圖

圖7 礦用液壓支架底座應(yīng)力分布圖

5 結(jié)論

液壓支架在兩種工況下，各主要部件均存在不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但均在材料屬性范圍內(nèi)，可滿足實(shí)際使用需求，而企業(yè)在使用過程中，可參考此仿真結(jié)果，加強(qiáng)對各主要部件應(yīng)力較大區(qū)域的結(jié)構(gòu)保護(hù)，提高焊接部位的焊接質(zhì)量，以保證液壓支架的使用安全和使用性能。該研究可為企業(yè)加強(qiáng)對液壓支架的結(jié)構(gòu)保護(hù)提供理論參考，對提高液壓支架的使用壽命和保障井下作業(yè)的安全性具有重要意義。