王志強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為我國最為基礎(chǔ)的能源之一，其儲量在我國十分豐富，但整體存在賦存不均的情況。隨著開采深度及年限的增加，使得我國賦存條件較為簡單的煤層已經(jīng)逐步開采完畢，開采的重點逐步朝著三下煤層轉(zhuǎn)移。隨著充填技術(shù)的成熟，充填開采的配套機(jī)械液壓支架也在不斷發(fā)展。在礦井正常開采過程中，液壓支架的數(shù)量在煤礦機(jī)械中占據(jù)極大的比重，但由于礦井工作環(huán)境較為復(fù)雜，使得液壓支架的受力變化十分大，這無疑使得液壓支架的一些部件由于承載能力問題出現(xiàn)損壞，造成液壓支架無法正常工作[1-2]。同時由于底板及頂板都不是平整的，所以使得液壓支架底座或者頂梁存在一定的傾斜，從而出現(xiàn)一定的偏載及扭矩問題，嚴(yán)重威脅著人員及設(shè)備的安全[3-4]。為了提升液壓支架整體穩(wěn)定性，本文以塔山煤礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對液壓支架整體受力進(jìn)行分析，并對受力較為薄弱的點進(jìn)行優(yōu)化，為礦井安全開采提供一定的參考與借鑒。

1 數(shù)值模擬

液壓支架工作面位于塔山煤礦1070 水平三盤區(qū)，編號為8306 工作面，水平標(biāo)高968～994 m，2306 巷走向長1 627 m（巷道進(jìn)入2 號煤層處算起），5306 巷走向長1 692.5 m（巷道進(jìn)入2 號煤層處算起），可采走向長度1 497 m，傾向長度302.6 m，煤層傾角為1°～4°，平均傾角為2°，賦存面積為490 635.64 m2。

為了提升液壓支架底座的強(qiáng)度，首先要對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行一定分析，本文采用的數(shù)值模擬軟件為ANSYS，ANSYS 數(shù)值模擬分析軟件在機(jī)械強(qiáng)度分析部分應(yīng)用極其廣泛，其可能實現(xiàn)線性、非線性、靜力、動力等方面的分析，同時可以通過外接軟件進(jìn)行復(fù)雜模型的建立，非常符合本文的研究。首先要進(jìn)行液壓支架底座的模型建立，本文模型建立參照ZZC8000/20/38 型掩護(hù)式液壓支架，利用Pro/E 對支架的部件進(jìn)行建立。為了保證計算速度，在保證不影響模型計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，忽略模型的倒角、圓角、凹槽等細(xì)小部位。

建立底座模型，首先建立液壓支架底座的長寬高分別為3 300 mm、1 380 mm、1 220 mm，前頂梁與后頂梁長寬高分別為3 900 mm、1 440 mm、706 mm，3 300 mm、1 300 mm、420 mm。完成各部件的尺寸建立后對模型進(jìn)行裝配，之后對模型的材料進(jìn)行設(shè)定，在材料設(shè)定時考慮到Q550 鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、價位低廉、方便采購，所以本文選定材料為Q550，材料的力學(xué)屬性如下：密度為7.85 g/cm3、彈性模量為206 GPa、屈服強(qiáng)度為550 MPa、泊松比為0.28、抗拉強(qiáng)度為630 MPa，完成材料屬性設(shè)定后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時需要充分考慮計算時間及計算精度要求，在保證計算精度要求的同時盡量減少模擬的計算時間，本文經(jīng)過考慮后選定單元尺寸為30 mm的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。完成網(wǎng)格劃分后對模型的邊界條件及受力進(jìn)行加載，完成模型建立工作。網(wǎng)格劃分完成示意圖如下頁圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

首先對頂梁兩端集中加載工況下液壓支架整體受力及底座受力情況進(jìn)行分析研究，給出頂梁兩端集中加載工況下整體及底座的應(yīng)力云圖，如下頁圖2所示。

圖2 頂梁兩端集中加載下應(yīng)力云圖

從下頁圖2-1 可以看出，在頂梁兩端集中加載工況下，此時整個液壓支架的受力相對較為平均，而且應(yīng)力分布情況呈現(xiàn)對稱分布的特征，對稱軸為液壓支架的中軸線，此時在點A 的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，此位置為橫墊塊下方筋板位置，同時產(chǎn)生應(yīng)力集中位置是由于墊塊與頂梁接觸而產(chǎn)生，所以可以忽略。觀察圖2-2 底座的高應(yīng)力區(qū)為C 點位置，此位置為下后連桿與鉸接口的接觸位置。整體觀察可以看出，在靜力加載條件下的液壓支架整體符合設(shè)計要求。

對底座扭轉(zhuǎn)工況下的底座受力情況進(jìn)行分析，給出底座扭轉(zhuǎn)加載工況下整體應(yīng)力云圖，如圖3 所示。

從圖3 可以看出，當(dāng)采用底座扭轉(zhuǎn)工況加載時，此時應(yīng)力主要集中在底座主筋肋板及底座連桿上，此時整體液壓支架的受力較為復(fù)雜，在頂梁柱窩位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時正在墊塊位置，底座與后連桿的鉸接孔接觸位置如點A 出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時最大應(yīng)力值為766MPa，明顯大于材料的屈服強(qiáng)度550MPa，此外，在底座與墊塊位置也出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力的最大值為699 MPa，可以看出在底座扭轉(zhuǎn)的工況下，底座與后連桿接觸位置超過了材料的屈服強(qiáng)度，所以在此位置可以采用貼板或者更換材料，以此來保證液壓支架的安全運行。

圖3 底座扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力云圖

2 液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計

為了提升液壓支架底座的穩(wěn)定性，本文采用目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化，通過將內(nèi)主筋筋板厚度、底座底板厚度設(shè)定為目標(biāo)參數(shù)，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過計算機(jī)計算給出最佳參數(shù)配置，主筋筋板選定Q690 鋼，內(nèi)主筋筋板厚度設(shè)定為25.628 mm、底座底板厚度26.391 mm，對設(shè)計完成后的模型進(jìn)行模擬研究。優(yōu)化前后模型的應(yīng)力云圖如下頁圖4所示。

從下頁圖4 可以看出，優(yōu)化后較優(yōu)化前底座的受力有了明顯的改觀，優(yōu)化后應(yīng)力集中位置與優(yōu)化前相同，均為與墊塊接觸的位置，未經(jīng)優(yōu)化時最大應(yīng)力值為766 MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度690 MPa，經(jīng)過優(yōu)化后此時的最大應(yīng)力值為575 MPa，較未經(jīng)優(yōu)化時的最大應(yīng)力值降低了191 MPa，降低的幅度為33.2%，同時經(jīng)過優(yōu)化后主筋筋板的應(yīng)力分布較優(yōu)化前更加均勻，液壓支架的整體受力得到了較好的改善，達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo)，為液壓支架優(yōu)化提供了一定的參考。

圖4 優(yōu)化前后底座扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對頂梁兩端集中加載下液壓支架應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)，在頂梁兩端集中加載下液壓支架整體受力較為均勻，整體較為符合設(shè)計要求。

2）對底座扭轉(zhuǎn)工況加載下液壓支架應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)，在底座扭轉(zhuǎn)工況加載下底座與后連桿接觸位置超過了材料的屈服強(qiáng)度，為后續(xù)模擬研究提供了一定的參考。

3）對底座扭轉(zhuǎn)工況下底座進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后較優(yōu)化前底座的受力有了明顯的改觀，液壓支架的受力最大值有了明顯的降低，達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo)。