楊曉君

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責(zé)任公司東曲煤礦安監(jiān)處技術(shù)培訓(xùn)科，山西 太原 030200）

引言

在煤炭的綜采設(shè)備中，液壓支架作為采空區(qū)的支撐設(shè)備及采煤機等的傳送設(shè)備，在礦井中受到的作用力較為復(fù)雜[1]。液壓支架的性能，對于煤礦開采的安全性及生產(chǎn)效率都具有重要的影響，由于工作人員常采用經(jīng)驗法對液壓支架進行設(shè)計，較大的安全系數(shù)常造成液壓支架粗大笨重，不利于節(jié)約型社會的發(fā)展。底座是液壓支架的重要組成部分，承受較大的支撐力，由于礦井中環(huán)境的復(fù)雜性[2]，對于底座的承載性能具有較高的要求。針對液壓支架底座不同工況下的靜力學(xué)性能進行仿真分析，對液壓支架底座的結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化，可提高液壓支架的安全性及使用壽命，保證煤礦綜采工作的穩(wěn)定。

1 液壓支架模型的建立

對液壓支架底座進行受力分析，首先要建立底座的結(jié)構(gòu)模型，由于底座的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進行仿真分析時，無需將底座的結(jié)構(gòu)完全呈現(xiàn)[3]，這是因為細化的結(jié)構(gòu)對于底座的承載能力影響不大，同時在仿真計算中會造成計算量的急劇增加，不利于進行問題的分析。對液壓支架的結(jié)構(gòu)進行簡化，只保留底座的主要結(jié)構(gòu)部分，細小的孔洞及圓角等結(jié)構(gòu)進行忽略，焊接結(jié)構(gòu)進行一體化處理，對底座的承載能力進行整體分析，建立液壓支架底座的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

建立液壓支架的結(jié)構(gòu)模型后，將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行仿真分析的預(yù)處理工作，主要包括對模型進行網(wǎng)格劃分及材料屬性設(shè)定。液壓支架底座采用高強度結(jié)構(gòu)鋼板焊接而成，采用各向同性的高強度鋼進行屬性設(shè)定[4]，包括底座的密度為7.85 g/cm3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28。對液壓支架底座進行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS Workbench中自帶的自動劃分網(wǎng)格的方法對底座進行網(wǎng)格劃分，同時采用尺寸控制的方式對網(wǎng)格大小進行設(shè)定，在連接孔、耳板等位置處進行網(wǎng)格細化，保證計算中結(jié)果的準確性，經(jīng)過網(wǎng)格劃分，得到底座的有限元模型如圖2所示。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)模型

圖2 液壓支架底座有限元模型

2 液壓支架底座的受力仿真分析

液壓支架在工作過程中，由于受到井下復(fù)雜工況的影響，對其真實的受力情況難以進行有效的模擬，依據(jù)液壓支架的設(shè)計要求[5]，針對液壓支架的支撐性能，底座主要承受著前扭轉(zhuǎn)載荷、后扭轉(zhuǎn)載荷及兩端集中載荷的影響。在三種不同工況下的載荷作用中，由于液壓支架底座的結(jié)構(gòu)具有前開后閉的特點，因此在底座承受前扭轉(zhuǎn)載荷的工況下，底座所受到的應(yīng)力最大，針對底座承受前扭轉(zhuǎn)載荷的工況進行仿真分析。

依據(jù)設(shè)定的條件，采用ANSYS Workbench進行仿真運算分析，經(jīng)過計算得到液壓支架底座的應(yīng)力及變形云圖分別如圖3、圖4中所示。從圖3底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力云圖中可以看出，底座所受到的整體應(yīng)力值較低，最大應(yīng)力值為515 MPa，低于材料的許用應(yīng)力，滿足底座的使用強度需求，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在耳板連接的位置處，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對于底座的使用壽命及安全是不利的[6]。針對應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以針對耳板的結(jié)構(gòu)及與底座主板的連接方式進行優(yōu)化，避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)，從結(jié)構(gòu)上改善液壓支架底座的整體受力，從而可以提高底座使用的壽命及安全性。

圖3 液壓支架底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力云圖

圖4 底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的變形云圖

從圖4底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的變形云圖中可以看出，液壓支架底座的整體變形量較小，變形量的最大值為4.14 mm，滿足底座的設(shè)計使用要求，最大變形量的位置出現(xiàn)在液壓支架底座的前部一側(cè)，在整體上，底座的變形呈現(xiàn)沿一側(cè)分布的現(xiàn)象，這是由于底座受到前部扭轉(zhuǎn)載荷的作用造成的，對底座的整體變形量影響不大，但在長期的使用過程中，要注意底座的工作方向，避免出現(xiàn)長期使用疲勞的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）底座所受到的整體應(yīng)力值較低，滿足底座的使用強度需求，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在耳板連接的位置處，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。針對應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以針對耳板的結(jié)構(gòu)及與底座主板的連接方式進行優(yōu)化，從結(jié)構(gòu)上改善液壓支架底座的整體受力。

2）液壓支架底座的整體變形量較小，滿足底座的設(shè)計使用要求，最大變形量的位置出現(xiàn)在液壓支架底座的前部一側(cè)，在整體上，底座的變形呈現(xiàn)沿一側(cè)分布的現(xiàn)象，在長期的使用過程中，要注意底座的工作方向，避免出現(xiàn)長期使用疲勞的現(xiàn)象。