趙元江

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037101）

引言

液壓支架是進行煤礦綜采的重要支撐設(shè)備，在我國的煤礦生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。液壓支架對井下的作業(yè)人員及采掘設(shè)備提供安全的作業(yè)空間，在煤礦的生產(chǎn)中承受的載荷較多，對其承載性能具有較高的要求[1]。液壓支架的生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，在保證液壓支架承載能力的同時，應(yīng)盡量優(yōu)化液壓支架的結(jié)構(gòu)，降低其重量，提高其可靠性及使用壽命[2]。針對液壓支架在生產(chǎn)過程中不同工況下的承載能力，采用有限元仿真的形式進行分析，從而提高液壓支架的設(shè)計水平[3]，為液壓支架的優(yōu)化提供參考，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保障。

1 液壓支架仿真分析模型的建立

液壓支架的組成主要包括承載結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件及傳動介質(zhì)，對液壓支架的承載能力進行分析，主要對承載結(jié)構(gòu)件進行建模分析，主要包括頂梁、掩護梁、連桿及底座等部件[4]。采用CATIA 軟件對液壓支架進行三維模型的建立，建模過程中，對液壓支架的結(jié)構(gòu)進行一定的簡化，從而可以節(jié)約后續(xù)的仿真計算時間。在保證主要的承載結(jié)構(gòu)件主體結(jié)構(gòu)不變的前提下[5]，對圓角、小孔等進行簡化忽略，依據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)尺寸進行模型的建立。

采用有限元分析的方式對液壓支架的承載能力進行分析，即將連續(xù)變化的求解區(qū)域進行離散化，將計算域劃分為有限的相互關(guān)聯(lián)的子域[6]，將問題進行簡化求解。采用有限元分析軟件ABAQUS 進行液壓支架承載能力的仿真分析，ABAQUS 是進行有限元分析常用的軟件，具有較多的單元種類及材料模型[7]，對模型的接觸具有更多的定義，并對斷裂及疲勞分析等較為有效，適用于對液壓支架的承載力進行分析。

將在CATIA 中建立的模型導入到ABAQUS 中，對液壓支架模型進行網(wǎng)格劃分處理。對液壓支架進行靜態(tài)承載能力的分析，選擇使用四面體縮減積分單元進行網(wǎng)格劃分，這樣可以避免由于液壓支架的結(jié)構(gòu)較大，造成劃分網(wǎng)格時間過長[8]，且具有較好的分析精度。針對液壓支架主要的結(jié)構(gòu)連接位置進行一定的網(wǎng)格細化處理，從而改善網(wǎng)格的質(zhì)量，提高計算的精度，經(jīng)網(wǎng)格劃分得到液壓支架的模型如圖1 所示。

圖1 液壓支架網(wǎng)格劃分模型

對液壓支架進行計算分析時，首先需在ABAQUS中進行一定的前處理。對液壓支架的材料進行設(shè)定，選擇線彈性的材料屬性[9]，液壓支架的主要材料為Q550 高強度結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為550 MPa。

針對液壓支架的承載能力進行分析，對液壓支架兩種最危險的工況進行分析，即液壓支架的頂梁偏載和頂梁扭轉(zhuǎn)工況。液壓支架的承載分析屬于靜力學分析，ABAQUS 中的時間步設(shè)定沒有實際的物理意義。為便于分析，設(shè)定分析步的時間為1，最大的增量步設(shè)置為1 000，最小的增量尺寸為0.01，最大的增量尺寸為0.02。對液壓支架間的接觸采用虛擬銷軸連接器的形式進行計算[10]，采用鉸接的方式進行處理，約束銷軸的5 個自由度[11]，可繞軸心進行轉(zhuǎn)動，所分析的液壓支架的額定工作壓力為6 800 kN，工作時的最低高度為15 000 mm、最大高度為32 000 mm。

2 不同工況下液壓支架承載仿真結(jié)果分析

2.1 頂梁偏載工況下的仿真結(jié)果

依據(jù)液壓支架的測試標準，頂梁偏載試驗時，支架的高度為最低高度上升300 mm，施加載荷時，以1.2 倍的額定工作壓力進行加載，將載荷直接作用在底座的柱窩及頂梁的柱帽內(nèi)表面[12]。液壓支架在頂梁偏載的工況下限制底座在地面的6 個自由度，約束頂梁墊塊沿水平兩個方向的移動自由度，對液壓支架的應(yīng)力及變形進行計算分析，對結(jié)果進行后處理得到液壓支架頂梁偏載工況下的變形及應(yīng)力分布如圖2 所示。

圖2 頂梁偏載工況下液壓支架整體應(yīng)力及變形分布

從圖2 中可以看出，在頂梁偏載的工況下，液壓支架與立柱相連接處的底座柱窩和頂梁的柱帽處所受到的應(yīng)力值較大，最大應(yīng)力為453 MPa 及608 MPa，這兩處連接位置存在一定的應(yīng)力集中，且是主要的承受載荷施加的位置，所受到的應(yīng)力值較大，應(yīng)力值小于材料的屈服極限，不存在材料屈服的問題。液壓支架整體的變形量較小，最大的變形量為7.6 mm，相對液壓支架的整體尺寸，此工況下所產(chǎn)生的變形量較小。

2.2 頂梁扭轉(zhuǎn)工況下的仿真結(jié)果

依據(jù)液壓支架的測試標準，頂梁扭轉(zhuǎn)試驗時，支架的高度為最大工作高度減去行程的1/3。施加載荷時，以1.2 倍的額定工作壓力進行加載，將載荷直接作用在底座的柱窩及頂梁的柱帽內(nèi)表面。液壓支架在頂梁扭轉(zhuǎn)的工況下限制底座在地面的6 個自由度，增加兩處頂梁墊塊，約束頂梁墊塊沿水平兩個方向的移動自由度，對液壓支架的應(yīng)力及變形進行計算分析，對結(jié)果進行后處理得到液壓支架頂梁扭轉(zhuǎn)工況下的變形及應(yīng)力分布如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，在頂梁扭轉(zhuǎn)的工況下，液壓支架整體受到的最大應(yīng)力位于頂梁底部兩柱帽中間位置的腹板及頂梁柱帽兩側(cè)的邊板與掩護梁相連接的銷孔位置，最大應(yīng)力值為750 MPa，這一應(yīng)力值超出了液壓支架材料的許用應(yīng)力，但位于頂梁前后端墊塊的位置。在分析過程中，為便于分析，施加載荷的墊塊設(shè)定為5 mm，是造成應(yīng)力較大的主要原因，實際加載時沒有厚度差的存在，整體應(yīng)力滿足材料的使用需求。液壓支架整體的變形量較小，最大的位移變形量為1.3 mm，相對液壓支架的整體尺寸，此工況下所產(chǎn)生的變形量較小。

圖3 頂梁扭轉(zhuǎn)工況下液壓支架整體應(yīng)力及變形分布

3 結(jié)語

液壓支架是煤礦開采過程中重要的支護設(shè)備，對煤礦的安全具有重要的影響。液壓支架在工作過程中受到的載荷作用復(fù)雜多變，對其承載能力具有較高的要求。針對液壓支架承載最大的頂梁偏載及頂梁扭轉(zhuǎn)工況進行承載性能的分析，采用有限元仿真分析的形式對液壓支架進行建模分析。結(jié)果表明，液壓支架在頂梁偏載的工況下最大應(yīng)力位于液壓支架與立柱相連接處的底座柱窩和頂梁的柱帽處；頂梁扭轉(zhuǎn)的工況下最大應(yīng)力位于頂梁腹板及邊板與掩護梁相連接的銷孔位置，承受的有效應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，液壓支架的整體變形量較小，承載能力滿足系統(tǒng)的使用需求。