于連強(qiáng)

（唐山開灤鐵拓重型機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北 唐山 063100）

在綜采工作面回采過程中，液壓支架為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及人員作業(yè)提供一個(gè)安全的作業(yè)空間，因此，液壓支架在綜采工作面發(fā)揮著極為重要的作用。受直接頂與老頂來壓的影響，支架可能長期處于高壓下工作。同時(shí)，隨著工作面回采，需要人員不斷地井下操作支架進(jìn)行推溜、移架工作，人員與設(shè)備的安全問題顯得異常重要，液壓支架的結(jié)構(gòu)件必須具備足夠的強(qiáng)度，因此，液壓支架的安全性就是液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重中之重。

該文引入ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架，在構(gòu)建有限元模型的基礎(chǔ)上，圍繞其展開分析。基于井下作業(yè)的惡劣條件，先以有限元分析軟件對(duì)ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架展開靜力學(xué)分析，然后立足于分析結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)件上的高應(yīng)力分布區(qū)域給出了板材選用的建議以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。

1 ZZ6200/20/42支撐掩護(hù)式液壓支架概況

ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架是該公司為蔚州單侯礦所生產(chǎn)的四柱支撐掩護(hù)式支架，由于支架強(qiáng)度理論計(jì)算時(shí)只能得到支架結(jié)構(gòu)件某些特殊截面處的應(yīng)力數(shù)據(jù)，無法獲取支架整機(jī)任意處的應(yīng)力數(shù)據(jù)，因此，該文擬采用較為先進(jìn)的有限元分析手段來恢復(fù)整個(gè)支架的應(yīng)力場，為支架的強(qiáng)度校核提供有力的參考。

2 ZZ6200/20/42支撐掩護(hù)式液壓支架有限元模型的構(gòu)建

在構(gòu)建ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架有限元模型時(shí)，對(duì)支架整體受力影響微乎其微的部件和結(jié)構(gòu)需進(jìn)行一定程度的簡化，將載荷直接加載到上、下柱窩處[1]。

當(dāng)對(duì)ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架頂梁、底座兩端進(jìn)行集中加載時(shí)，因載荷關(guān)于支架的對(duì)稱面對(duì)稱，同時(shí)，支架結(jié)構(gòu)、約束、材料都關(guān)于支架的對(duì)稱面對(duì)稱，因此可以采用對(duì)稱約束，即只分析支架結(jié)構(gòu)的一半來替代整個(gè)支架，這樣可以大大減少計(jì)算量、提高計(jì)算效率。

此外，支架在進(jìn)行加載前須在頂梁、底座的兩端按最新標(biāo)準(zhǔn)GB25974.1-2010 煤礦用液壓支架 第一部分：通用技術(shù)條件的規(guī)定中的位置放置墊塊，同時(shí)，為防止加載時(shí)底座的前后移動(dòng)，還須在底座的前后端放置墊塊卡住底座，以便加載時(shí)底座能夠正常承載，墊塊放置完畢后通過4 個(gè)立柱進(jìn)行內(nèi)加載。

該次分析采用Creo Simulate 進(jìn)行分析，其使用P 單元，傳統(tǒng)有限元軟件如Ansys/Abaqus 均采用H 單元，即需要反復(fù)不斷地加密網(wǎng)格來達(dá)到收斂，因此計(jì)算結(jié)果的精度過度依賴單元的精細(xì)程度。而P 單元?jiǎng)t不同，其采用高階單元（最低3 階，最高9 階），通過不斷提高單元階次來達(dá)到收斂的目的，因此不需要特別細(xì)化的網(wǎng)格就可以達(dá)到較高的應(yīng)力精度。

3 ZZ6200/20/42支撐掩護(hù)式液壓支架受力分析

在煤礦井下實(shí)際作業(yè)中，液壓支架的載荷主要來自直接頂與基本頂，從理論上來講，支架在受外力作用影響時(shí)，立柱上的安全閥會(huì)在過載時(shí)溢流以保持內(nèi)外載荷的平衡，因此，通常選擇以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷作為邊界條件來進(jìn)行支架的受力分析[2]。

4 有限元分析結(jié)果

在該階段對(duì)ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)大變形接觸分析，將摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15，材料設(shè)為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.3，支架高度為最大高度減去支架行程的1/3，立柱載荷按1.2 倍的額定工作壓力加載，得到支架整機(jī)的位移云圖與應(yīng)力云圖（如圖1、圖2所示）、頂梁和底座在兩端集中加載工況下的應(yīng)力云圖（如圖3、圖4 所示）。

圖1 支架位移云圖

圖2 支架應(yīng)力云圖

圖3 支架頂梁應(yīng)力云圖

圖4 支架底座應(yīng)力云圖

觀察圖1、圖2 可知，支架頂梁、底座兩端集中加載時(shí)頂梁、底座的變形最大，應(yīng)力也最大。由圖3、圖4 可知，頂梁的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在頂板與蓋板上，底座高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在柱窩兩側(cè)的主筋、蓋板處。由圖2 可知，掩護(hù)梁與前、后連桿受力較小，應(yīng)力相對(duì)較低，高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在掩護(hù)梁與前、后連桿鉸接孔處。這些應(yīng)力數(shù)值的量級(jí)和應(yīng)力場分布規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果十分吻合，因此分析結(jié)果的準(zhǔn)確度與可信度很高。

5 ZZ6200/20/42支撐掩護(hù)式液壓支架整機(jī)應(yīng)力試驗(yàn)

在井下回采作業(yè)中，工作面的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，導(dǎo)致液壓支架的頂梁和底座經(jīng)常存在2 點(diǎn)或3 點(diǎn)接觸的惡劣條件。因此，在進(jìn)行液壓支架整機(jī)試驗(yàn)時(shí)，要遵循煤炭行業(yè)的最新標(biāo)準(zhǔn)GB25974.1—2010 煤礦用液壓支架 第一部分：通用技術(shù)條件的要求，來模擬等效的惡劣工況，即將支架移動(dòng)至試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)，在頂梁上和底座下規(guī)定的位置各放置兩塊窄長墊塊，當(dāng)立柱加載時(shí)，頂梁慢慢上升并托起墊塊與試驗(yàn)臺(tái)上頂面相接觸，在兩端集中加載的工況下，頂梁、底座發(fā)生較大的彎曲形變，進(jìn)而等效于實(shí)際工況。

壓架時(shí)采用1 500 t 的壓架試驗(yàn)臺(tái)來對(duì)液壓支架的整體強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，具體有3 個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟。1）將支架放置于試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，打磨貼片點(diǎn)位并貼片。2）通過立柱下腔為支架打壓，壓力達(dá)到31.5 MPa 后保壓5 min，待應(yīng)變片輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，可以選取被測(cè)點(diǎn)的3 個(gè)方向，使用靜態(tài)應(yīng)變儀和應(yīng)變片對(duì)各點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行采集。3）將試驗(yàn)所得的應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力數(shù)據(jù)。

6 ZZ6200/20/42支撐掩護(hù)式液壓支架應(yīng)力特點(diǎn)

經(jīng)過以上各項(xiàng)研究后，可以總結(jié)出ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架在頂梁、底座兩端集中加載工況下有3 個(gè)應(yīng)力特點(diǎn)。1）頂梁、底座的變形較大，應(yīng)力較高，高應(yīng)力區(qū)域具體出現(xiàn)在頂梁、底座上柱窩處的主筋、蓋板處。2）掩護(hù)梁與前、后連桿的變形較小、應(yīng)力較低，高應(yīng)力區(qū)域具體表現(xiàn)在掩護(hù)梁與前、后連桿的鉸接處。3）頂梁、底座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在其與墊塊接觸的區(qū)域附近。

針對(duì)以上應(yīng)力場特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取3 個(gè)解決辦法。1）對(duì)于變形較大部件須采用塑性較好的板材，對(duì)于應(yīng)力較大部件須采用屈服強(qiáng)度較高的板材，例如Q690、Q890 等。2）對(duì)于鉸接處，需要盡量增加鉸接處的接觸面積以降低接觸壓力，例如增加貼板或貼環(huán)來增加接觸面積。3）對(duì)于與墊塊接觸的高應(yīng)力區(qū)域，頂梁、底座的頂板與底板，可以適當(dāng)增加板材的厚度，避免因材料局部的屈服而導(dǎo)致的失效。

7 結(jié)語

在進(jìn)行整架有限元分析時(shí)，為了提升計(jì)算效率，可以針對(duì)支架模型作一系列的簡化處理，簡化后，求解結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也是可以保證的。通過有限元分析的計(jì)算方法，可以更加準(zhǔn)確地將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力場全部展現(xiàn)出來，突破了理論計(jì)算只能獲得某些特定截面上的應(yīng)力的局限性，使支架強(qiáng)度校核結(jié)果更直觀、更加貼合實(shí)際、更為可靠。

總而言之，通過有限元分析，得出了ZZ6200/20/42 支撐掩護(hù)式液壓支架的變形與應(yīng)力特點(diǎn)，可以為支架材料的合理布置以及材料性能等級(jí)的選取提供科學(xué)依據(jù)，為后續(xù)的支架優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了可靠的理論參考，達(dá)到了對(duì)支架進(jìn)行整機(jī)有限元分析的目的。