劉 怡

（鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 037200）

引言

液壓支架是進(jìn)行煤礦綜采的主要的支護(hù)設(shè)備，對煤礦井下的作業(yè)空間起到安全支撐的作用。在煤礦的開采過程中，液壓支架隨著采煤機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)工作的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)煤礦二代自動(dòng)化開采[1]。由于煤礦開采過程中井下的環(huán)境惡劣，液壓支架的承載復(fù)雜多變，對其支護(hù)性能具有較高的要求。液壓支架的主體結(jié)構(gòu)主要包括頂梁、掩護(hù)梁及底座，在液壓支架進(jìn)行支護(hù)的過程中，頂梁和底座承受的載荷較大[2]，且直接與煤礦的工作面接觸，其承載能力對煤礦的安全性具有重要的影響[3]。針對液壓支架的關(guān)鍵部件，采用有限元仿真的形式對其承載安全性進(jìn)行分析，從而保證液壓支架支護(hù)過程的安全性，保證煤礦的安全高效開采。

1 液壓支架關(guān)鍵部位承載分析模型的建立

液壓支架的結(jié)構(gòu)主要包括頂梁、立柱、連桿、掩護(hù)梁、底座及推移機(jī)構(gòu)，頂梁在工作過程中與頂板直接接觸，承受來自頂板的壓力，與立柱及掩護(hù)梁相連接；掩護(hù)梁可主要承受來自采空區(qū)巖層及頂板的水平載荷[4]，為井下的作業(yè)提供安全空間，上端與頂梁相連接，下端與前后連桿連接；立柱是液壓支架主要的部件，提供液壓支架升降的動(dòng)力，兩端分別與頂梁及底座相連接；底座與工作面的底板直接接觸，通過液壓支架的頂梁將頂板的壓力傳遞至地板[5]，同時(shí)，底座與刮板輸送機(jī)相連接，作為自身及刮板輸送機(jī)移動(dòng)的動(dòng)力源。

對液壓支架的頂梁及底座關(guān)鍵部件進(jìn)行承載安全性的分析，建立液壓支架的整體模型，在實(shí)際的工況中對其承載安全性進(jìn)行分析。采用PRO/E 軟件進(jìn)行液壓支架模型的建立，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化處理[6]，對承載時(shí)的關(guān)鍵部位進(jìn)行真實(shí)表達(dá)，非關(guān)鍵部位進(jìn)行簡化，主要結(jié)構(gòu)的尺寸保持一致，對液壓支架的焊縫將其強(qiáng)度視為高于零部件自身的材料強(qiáng)度，將液壓支架部件看作整體進(jìn)行建模。首先在軟件中進(jìn)行各零部件的建模，采用連接裝配的形式對液壓支架進(jìn)行裝配[7]，將底座固定，然后進(jìn)行掩護(hù)梁、連桿等零部件的裝配，采用銷釘連接的方式進(jìn)行裝配得到液壓支架的整體結(jié)構(gòu)模型。

液壓支架在不同的工況下所受到的載荷作用不同，針對承載最大的頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)的工況進(jìn)行關(guān)鍵零部件承載安全的分析。采用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行模擬分析，將所建立的模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。在ANSYS 中具有多種不同的單元類型適用于不同的模型分析中，針對液壓支架的分析，采用solid45 四面體實(shí)體單元的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8]，對網(wǎng)格的大小控制在50 mm，由于液壓支架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分，經(jīng)過網(wǎng)格劃分處理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

2 液壓支架關(guān)鍵部位承載安全性的仿真分析

液壓支架的主體結(jié)構(gòu)采用Q690 高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行制作，設(shè)定液壓支架材料參數(shù)為彈性模量為204 GPa，泊松比為0.3。針對頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)的工況進(jìn)行邊界條件的設(shè)定及載荷的施加，在液壓支架的頂梁及底座上設(shè)置墊塊組合模擬工況，對底座進(jìn)行固定約束，限制底面自由度[9]，其余限制整體的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。進(jìn)行偏載分析時(shí)，支架的工作高度為最小工作高度加300 mm，所分析的液壓支架的最低工作高度為1 700 mm，即設(shè)定支架的工作高度為2 000 mm。液壓支架頂梁及底座承受的載荷通過立柱進(jìn)行施加，頂梁的外載荷通過活柱施加，底座的外載荷由立柱的缸體進(jìn)行施加[10]。進(jìn)行偏載分析時(shí)外載荷以1.1 倍額定的工作壓力進(jìn)行計(jì)算，所分析的液壓支架的額定工作壓力為86 MPa，則計(jì)算時(shí)受到的載荷作用為94.6 MPa，由此可對液壓支架的承載進(jìn)行仿真計(jì)算，對頂梁及底座的承載安全性進(jìn)行分析。

2.1 液壓支架頂梁的承載安全性結(jié)果分析

依據(jù)頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)的工況對液壓支架進(jìn)行加載計(jì)算，對頂梁的應(yīng)力及位移進(jìn)行提取，得到頂梁的承載安全性如圖2 所示。從圖2-1 中可以看出，將頂梁進(jìn)行剖開分析應(yīng)力變化，頂梁受到的應(yīng)力主要集中在頂梁的左側(cè)附件的筋板位置，最大的應(yīng)力值為881.6 MPa，然后為頂梁的下蓋板的位置處，其應(yīng)力值為710 MPa，頂梁兩端的應(yīng)力值較小。頂梁受到的最大應(yīng)力值小于材料的抗拉強(qiáng)度920 MPa，可滿足液壓支架的使用[11]，但由于支架在工作過程中承受動(dòng)載荷的作業(yè)，最大的應(yīng)力值接近于材料的抗拉強(qiáng)度[12]，在承受動(dòng)載荷時(shí)，存在發(fā)生破壞的危險(xiǎn)，可對頂梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，降低其應(yīng)力集中的程度，使頂梁的應(yīng)力分布更加均勻。從圖2-2 中可以看出，頂梁的位移沿著右側(cè)護(hù)板逐漸降低，最大的位移量為21.4 mm，相對頂梁的整體尺寸，位移變化量較小，滿足頂梁的安全承載要求。

圖2 頂梁承載安全性分布

2.2 液壓支架底座的承載安全性結(jié)果分析

依據(jù)頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)的工況對液壓支架進(jìn)行加載計(jì)算，對底座的應(yīng)力及位移進(jìn)行提取，得到底座的承載安全性如圖3 所示。從圖3-1 中可以看出，在扭轉(zhuǎn)載荷的作用下，底座在過橋位置處受到的應(yīng)力值最大，最大的應(yīng)力值為913 MPa，然后為底座的小孔連接的位置處，其應(yīng)力值為325 MPa，底座其余位置所受到的應(yīng)力值較小。底座受到的最大應(yīng)力值同樣小于材料的抗拉強(qiáng)度920 MPa，可滿足液壓支架的使用，但最大的應(yīng)力值接近于材料的抗拉強(qiáng)度，在承受動(dòng)載荷作用時(shí)，薄弱的區(qū)域容易產(chǎn)生破壞，影響液壓支架支護(hù)的安全性，應(yīng)對底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使底座的應(yīng)力分布更加均勻，減小所受到的最大應(yīng)力作用。從圖3-2 中可以看出，底座的位移主要發(fā)生在右側(cè)部分，最大的位移量為11.9 mm，相對底座的整體尺寸，位移變化量較小，滿足底座的安全承載要求。

圖3 底座承載安全性分布

3 結(jié)語

液壓支架是進(jìn)行煤礦支護(hù)的重要設(shè)備，在使用過程中，承受的載荷較多且復(fù)雜多變，對液壓支架的零部件承載性能具有較高的要求。液壓支架的頂板及底座作為與頂板與地板直接接觸的部件，其承載的安全性對液壓支架的整體性能具有重要的影響。采用ANSYS 有限元分析的形式對液壓支架在承載較大的頂梁偏轉(zhuǎn)、底座扭轉(zhuǎn)的工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明頂梁及底座的位移變形量均較小，滿足液壓支架的使用需求；頂梁存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂梁及底座的最大應(yīng)力值小于材料的抗拉強(qiáng)度，但承受動(dòng)載荷作用時(shí)，存在破壞的危險(xiǎn)，需對頂梁及底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，減小應(yīng)力分布的梯度。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高液壓支架關(guān)鍵部件的承載能力，從而保證煤礦整體支護(hù)的安全性。