基于ANSYS的大采高液壓支架的優化分析*

徐貴旭

(山西輕工職業技術學院，山西太原 030000)

0 引言

大采高綜采作為一種對厚煤層進行一次采全高的綜合機械化開采技術，生產效率高，安全性能好。而大采高液壓支架的發展嚴重制約著大采高綜采技術的發展。大采高液壓支架是一種利用液壓機構對工作頂板進行支撐并與采煤機相互配合使用的支護設備。因此大采高液壓支架的設計至關重要。利用有限元的方法可對大采高液壓支架的不同工況進行受力分析，可大大的節約成本，同時也為大采高液壓支架的設計提供強有力的理論依據［1］。

1 大采高液壓支架的有限元分析

1.1 大采高液壓支架力學模型的建立

利用有限元進行分析計算的過程中，模型的建立直接關系到計算結果的正確性和準確性。因此，在對液壓支架進行建模前應對其力學模型進行簡化。筆者主要分析大采高液壓支架受頂梁扭轉載荷且底座兩端受載的工況，其力學模型如圖1、2所示［2］。

其中頂梁上墊塊a=150 mm，高度h=50 mm，d=50 mm，c=300 mm。底座上墊塊寬度a=150 mm，厚度h=50 mm，d=50 mm。該工況下大采高液壓支架的高度為5 200 mm。

圖1 大采高液壓支架頂梁扭轉載荷

圖2 大采高液壓支架底座兩端加載

1.2 材料特性的確定和單元類型的選擇

大采高液壓支架主要材料是由Q690和Q550組成，其材料屬性如表1所列［3］。

表1 材料屬性

筆者對大采高液壓支架的三維模型進行力學分析，因此應該選用三維實體單位作為其單元類型。ANSYS軟件中常用的三維實體單元有Solid45，Solid85，Solid95等。筆者選用較為常用的Solid45單元。

2 大采高液壓支架的分析結果

在大采高液壓支架單根立柱上施加的載荷為7 200 KN。液壓支架在頂梁受扭轉且底座兩端受載工況下的應力分布如圖3所示。從圖3可看出大采高液壓支架在此工況下其應力分布主要呈現以下特點:底座和頂梁應力較大且最大應力值發生在頂梁處。此時液壓支架的立柱應力最小。分別對液壓支架的頂梁和底座的應力進行分析如圖4和5所示。

圖3 大采高液壓支架在頂梁受扭轉且底座兩端受載的整體應力分布圖

圖4 大采高液壓支架的頂梁應力分布圖

圖5 大采高液壓支架的底座應力分布圖

由于大采高液壓支架在頂梁受扭轉，從圖4可看出液壓支架的頂梁應力分布呈不對稱分布。其最大應力發生在與墊塊連接處，最大應力為882.263 MPa。另外頂梁的主筋和蓋板處的應力也相對較大。考慮到液壓支架工作過程中可能會出現動載荷的現象，必須對頂梁進行結構優化，對頂梁的板筋進行加厚10 mm。大采高液壓支架底座兩端受載，從圖5可看出其應力呈對稱分布。應力主要集中在底座主筋上端且最大應力值為346.977 MPa。從應力結果可看出液壓支架的底座設計能滿足使用要求［4］。

3 大采高液壓支架結構優化結果

對大采高液壓支架的頂梁板筋進行加厚10 mm后，對其在頂梁受扭轉且底座兩端受載的工況再次進行有限元分析，其應力分布圖如圖6所示。

從圖6可看出優化后的大采高液壓支架在頂梁受扭轉且底座兩端受載的工況下整體應力分布基本不變，同樣是底座和頂梁應力分布較為嚴重且最大應力值發生在頂梁處。但是頂梁的最大應力由882.263 MPa降低到691.584 MPa。此時可以看出對大采高液壓支架進行結構起到了顯著地作用。分別對液壓支架的頂梁和底座進行分析如圖7和8所示［5］。

圖6 改進后的大采高液壓支架在頂梁受扭轉且底座兩端受載的整體應力分布圖

圖7 改進后的大采高液壓支架的頂梁應力分布圖

圖8 改進后的大采高液壓支架的底座應力分布圖

從圖7可看出大采高液壓支架的頂梁的最大應力同樣發生在與墊塊連接處且最大值為691.584 MPa。同時由于ANSYS分析結果顯示的狀態為液壓支架在該載荷下的最終應力和應變狀態，因此從圖4、7可看出液壓支架在進行結構優化后其頂梁的位移整體變小，也從另一方面證明了對液壓支架的結構改進的效果明顯提高。通過對圖5和圖8的對比可看出大采高液壓支架的底座整體應力分布基本保持不變，應力主要集中在底座主筋上端且最大應力值為338.289 MPa，其應力值與改進前基本保持一致。

4 結語

主要介紹了利用有限元分析軟件ANSYS對大采高液壓支架在頂梁受扭轉載荷且底座兩端受載工況下的應力分布情況。發現在該工況下大采高液壓支架的頂梁和底座應力較大且最大應力發生在頂梁處。由于液壓支架在工作過程中會出現動載荷的現象，因此對其頂梁進行結構優化。從優化的應力分析圖可看出優化后的大采高液壓支架應力分布基本保持不變，但是最大應力卻有顯著降低。

［1］ 謝錫純，李曉豁.礦山機械與設備［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2002.

［2］ 王忠賓，趙啦啦，李舒斌，等.支撐掩護式液壓支架的優化設計［J］.重慶大學學報，2009，32(9):48 －51.

［3］ 趙衡山.國內外液壓支架試驗規范淺析［J］.煤炭科學技術，1997，25(1):48－51.

［4］ 傅永華.有限元分析基礎［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

［5］ 王 帥，文繼成，高婷婷.ZF4200/17/28型液壓支架有限元分析［J］.煤礦機械，2013，34(2):97－99.