張 榮

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037003）

0 引言

我國具有大量的地下開采煤礦，在煤礦開采過程中，液壓支架是進(jìn)行礦井支護(hù)重要的設(shè)備，對礦井的工作面頂板進(jìn)行支護(hù)并保證工作面的作業(yè)空間，是進(jìn)行煤礦開采的重要安全保障[1]。隨著綜采自動化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，煤礦進(jìn)行綜采的高度不斷增加，液壓支架的支護(hù)高度也隨之增加，且液壓支架的承載也隨之增加，對液壓支架的性能具有較高的要求。液壓支架進(jìn)行支護(hù)的過程中，頂梁作用于頂板，承受來自頂板的壓力作用[2]，底座固定于工作面底面上，承受來自底面的反作用力，在整個支護(hù)高度上依靠液壓支架自身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。針對液壓支架頂梁及底座同時受到載荷作用的復(fù)合工況下受到的應(yīng)力作用進(jìn)行仿真模擬[3]，從而分析液壓支架的結(jié)構(gòu)承載能力，為煤礦的安全支護(hù)開采提供理論依據(jù)，提高煤礦開采的安全性。

1 復(fù)合工況下液壓支架分析模型的建立

針對某煤礦工作面使用的兩柱掩護(hù)式液壓支架為例進(jìn)行分析，頂梁與掩護(hù)梁通過平衡千斤頂進(jìn)行連接，立柱進(jìn)行伸縮實現(xiàn)支護(hù)高度的調(diào)整，這種液壓支架的移動速度快，可以較快實現(xiàn)不同工作面的移動及支護(hù)高度的調(diào)整[4]，采用雙立柱的結(jié)構(gòu)形式，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，對頂板具有較強(qiáng)的支撐作用。液壓支架的頂梁承受工作面頂板的來壓作用，同時對采空區(qū)的頂板起到隔離作用，保證工作面充足的作業(yè)空間[5]。液壓支架的底座將頂板的來壓傳遞至工作面底面、頂梁及底座必須具有足夠的強(qiáng)度特性，保證支護(hù)的安全。由于工作面頂板及底面的不平整，常造成液壓支架受到頂梁底座載荷的作用，在復(fù)合工況下，液壓支架承受的載荷值要大于其他工況，對液壓支架的承載能力要求較高[6]。

采用三維建模軟件Pro/E 進(jìn)行液壓支架結(jié)構(gòu)模型的建立，液壓支架的頂梁采用整體梁的形式，掩護(hù)梁通過鋼板焊接而成，與底座之間采用連桿進(jìn)行連接，從而增加液壓支架整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，采用底分式剛性底座，可進(jìn)行底座的自動清掃[7]，提高液壓支架的效率。采用Pro/E 參數(shù)化建模的特點進(jìn)行液壓支架模型的建立，將液壓支架的焊接結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行建模分析，在不影響整體性能的基礎(chǔ)上，對液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定地簡化處理，建立各關(guān)鍵零部件的模型并進(jìn)行裝配處理，得到液壓支架的整體結(jié)構(gòu)模型[8]，并且可依據(jù)有限元復(fù)合工況的分析進(jìn)行液壓支架支護(hù)高度地調(diào)整，在模型中進(jìn)行干涉檢查，確保支架結(jié)構(gòu)的正確性。

依據(jù)復(fù)合工況的條件對液壓支架應(yīng)力進(jìn)行分析，在頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷及底座承受兩端載荷作用的復(fù)合工況下，液壓支架的分析高度為最低工作高度增加300 mm，選定的液壓支架的最低工作高度為3 500 m，由此確定液壓支架進(jìn)行仿真分析的高度為3 800 mm[9]。采用ANSYS Workbench 進(jìn)行液壓支架的模擬分析，Workbench 與Pro/E 具有直接交互的接口，可將模型直接導(dǎo)入到Workbench 中，對其進(jìn)行有限元模型的設(shè)定。

對液壓支架使用的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，以高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q890 作為液壓支架使用的材質(zhì)，其屈服強(qiáng)度為890 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa，采用接觸法對液壓支架連接銷孔進(jìn)行處理，銷軸處的連接設(shè)定為摩擦連接[10]，摩擦系數(shù)為0.15，其余各部件之間的連接為無摩擦的連接。采用自由網(wǎng)格的形式對液壓支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[11]，從而提高液壓支架復(fù)雜系統(tǒng)網(wǎng)格的劃分精度及準(zhǔn)確性，設(shè)定網(wǎng)格的大小為30 mm，經(jīng)過網(wǎng)格劃分處理得到液壓支架的有限元分析模型如圖1 所示。

圖1 復(fù)合工況液壓支架網(wǎng)格劃分模型

在頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷及底座承受兩端載荷作用的復(fù)合工況下對液壓支架的加載條件進(jìn)行分析，在分析過程中采用墊塊的形式模擬煤礦開采中液壓支架的承載狀態(tài)，墊塊與頂梁及底座的接觸采用真實接觸處理，墊塊的表面進(jìn)行固定約束，液壓支架的頂梁扭轉(zhuǎn)及底座兩端加載，采用墊塊分別對液壓支架的頂梁及底座進(jìn)行加載分析[12]，液壓支架單個立柱的外力作用為12 600 kN，為額定工作壓力的1.2 倍，從而保證液壓支架具有一定的安全系數(shù)。

2 復(fù)合工況下液壓支架應(yīng)力作用仿真分析

對液壓支架在復(fù)合工況下的應(yīng)力作用進(jìn)行模擬仿真，經(jīng)過計算得到液壓支架整體的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2 中可以看出，在液壓支架的整體應(yīng)力分布中，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為969 MPa，最大應(yīng)力位于頂梁與墊塊接觸的位置處及頂梁后端的銷孔連接位置處，頂梁與墊塊接觸位置產(chǎn)生的高應(yīng)力區(qū)域在實際的應(yīng)用過程中不存在墊塊加載的區(qū)域，且此區(qū)域的應(yīng)力分布對頂梁后端的影響較小，對其高應(yīng)力區(qū)域可不進(jìn)行處理；在頂梁后端銷孔位置處的高應(yīng)力區(qū)域，在實際應(yīng)用中銷孔連接處采用套筒的結(jié)構(gòu)，且頂梁的抗拉強(qiáng)度達(dá)1 200 MPa，銷孔位置的高應(yīng)力不會對頂梁產(chǎn)生破壞，滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖2 液壓支架整體應(yīng)力分布云圖

液壓支架的掩護(hù)梁作為重要的支撐結(jié)構(gòu)，對其應(yīng)力進(jìn)行分析，得到掩護(hù)梁的應(yīng)力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，掩護(hù)梁受到的最大應(yīng)力作用為147 MPa，最大應(yīng)力位于掩護(hù)梁與千斤頂進(jìn)行連接的銷孔位置處，最大應(yīng)力值小于掩護(hù)梁的屈服強(qiáng)度，滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖3 液壓支架掩護(hù)梁應(yīng)力分布云圖

液壓支架的底座作為整體的支撐結(jié)構(gòu)部件，對其應(yīng)力進(jìn)行分析，得到底座的應(yīng)力分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，底座受到的最大應(yīng)力作用為373.6 MPa，最大應(yīng)力位于底座的內(nèi)側(cè)靠近邊緣的位置處，最大應(yīng)力值小于底座的屈服強(qiáng)度，滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖4 液壓支架底座應(yīng)力分布云圖

通過上述的分析可知，液壓支架的整體結(jié)構(gòu)以頂梁受到的應(yīng)力作用最大，由于銷孔結(jié)構(gòu)采用套筒進(jìn)行連接，滿足系統(tǒng)的使用要求，其余部件的最大應(yīng)力均小于頂梁的應(yīng)力作用，滿足系統(tǒng)的使用要求，但同時可以發(fā)現(xiàn)，液壓支架的各結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布存在較大的梯度，具有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可對液壓支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的區(qū)域進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，從而可以改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提高液壓支架使用的安全可靠性。

3 結(jié)語

液壓支架是進(jìn)行煤礦開采過程中重要的支護(hù)設(shè)備，在進(jìn)行頂板支護(hù)的過程中，底座同樣受到工作面底板的反作用力，當(dāng)工作面底板不平整時，液壓支架的頂梁及底座承受同時加載的作用，對液壓支架的結(jié)構(gòu)承載性能具有較高的要求。采用有限元模擬仿真的形式對頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷及底座承受兩端載荷作用的復(fù)合工況下液壓支架的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在復(fù)合工況作用下，液壓支架的最大應(yīng)力位于頂梁的位置處，液壓支架的整體應(yīng)力滿足工作強(qiáng)度的需求，同時存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可對液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而進(jìn)一步提高液壓支架的可靠性，保證煤礦的安全支護(hù)。