大采高液壓支架主體結構件的有限元分析

曹連民，魏翠翠，王鵬懷，黃利民，劉旭東

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.陜西煤業化工集團神南產業發展有限公司，陜西 榆林 719300)

大采高液壓支架主體結構件的有限元分析

曹連民1，魏翠翠1，王鵬懷1，黃利民2，劉旭東2

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.陜西煤業化工集團神南產業發展有限公司，陜西 榆林 719300)

大采高綜采工作面采高較大，煤壁片幫、冒頂概率增大，使大采高支架受力狀態惡化，對支架主體結構件的可靠性提出更高要求。針對這一問題，以ZY10000/26/55型掩護式液壓支架為研究對象，運用SolidWorks三維建模軟件建立虛擬樣機，運用ANSYS Workbench軟件建立支架有限元模型，定義液壓支架結構件間的接觸為柔性體的面-面接觸，對支架在頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載兩種內加載工況下的受力狀態進行整架數值模擬，分析得出大采高液壓支架的應力和變形特點，為高可靠性液壓支架的優化設計提供參考依據。

大采高；液壓支架；可靠性；有限元分析

隨著我國厚煤層礦井開采的發展，煤炭開采高度逐漸增大，大采高液壓支架技術成為厚煤層開采中的重要技術發展方向。但大采高工作面易發生煤壁片幫、端面冒頂，使液壓支架受載復雜，易引起支架結構件的變形與破壞，導致強度下降，帶來安全隱患[1]。而液壓支架傳統力學計算只能得出其外部力學特征及某一截面的應力和變形狀況，無法得出結構件整體的應力分布情況，這給高可靠性液壓支架設計帶來極大盲目性[2-3]。曹方梅等[4]采用SolidWorks與CosmosWorks軟件相結合對ZY8800/22/45D型液壓支架在11種單一工況下有限元分析，為支架結構的改進設計提供了依據，但未考慮銷軸處的接觸問題，導致計算精度降低；劉新華等[5]運用Pro/E與ANSYS軟件相結合對液壓支架的整架有限元計算，得到支架在兩種組合工況下的應力應變規律，為支架的結構設計和材料配置提供了理論依據；李奇等[6]根據數值模擬與加載試驗相結合的方法探討了某型液壓支架在惡劣工況下的應力應變情況，有限元仿真結果與試驗結果誤差較小，驗證了有限元分析的準確性，為支架的設計、分析與優化提供了理論與試驗依據。

上述研究針對液壓支架仿真分析提出了理論和方法，為大采高支架的有限元分析提供了借鑒，但在具體分析中不能盲目借用，應結合支架具體受載工況、架型、結構特點等提出適用的仿真分析處理方法。本研究以ZY10000/26/55型兩柱掩護式液壓支架為研究對象，應用SolidWorks三維建模軟件結合ANSYS Workbench對支架在頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載兩種工況進行整架有限元分析，分析并總結受力結構件的應力和變形情況，找出支架結構件的薄弱環節，為大采高液壓支架優化設計提供參考。

1 線性靜力分析理論基礎

線性靜力分析用于線性彈性材料，靜態加載的情況。靜力就是結構受到靜態載荷作用，忽略慣性和阻尼，在靜態載荷作用下，結構處于靜力平衡狀態，此時必須充分約束，由于不考慮慣性，則質量對結構無影響。對于液壓支架，由于其荷載周期遠大于結構自振周期(即緩慢加載)，結構的慣性效應可忽略，從而簡化為線性靜力分析來進行。ANSYS Workbench的線性靜力分析可將多種載荷組合到一起分析，即可以進行液壓支架在多工況下的力學分析[7]。

由經典力學理論可知，物體的動力學通用方程為：

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}。

(1)

其中：[M]是質量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

在液壓支架結構分析中，可忽略與時間t相關的量，于是上式簡化為：

[K]{x}={F}。

(2)

2 液壓支架有限元模型的建立

2.1 液壓支架三維模型的建立

應用SolidWorks三維建模軟件創建大采高液壓支架實體模型，依據簡化原則簡化支架結構[8-9]，定義模型幾何邊界，控制單元大小與形狀，建立液壓支架各金屬結構件的三維模型，然后虛擬裝配及干涉檢查，無干涉現象的實體建模如圖1(a)所示。

圖1 液壓支架實體模型和有限元模型

2.2 劃分網格生成有限元模型

材料彈性模量和泊松比分別取210 GPa和0.3，各種參數設置好后，對實體模型進行網格劃分[10]，為提高計算速度、提高計算的準確性，采取2種措施：一是簡化非關鍵部位的結構，二是細化重點關注區域的網格密度。對于較為規則的結構，如連桿采用四面體網格，而對于護幫板這樣較為復雜的結構則采用隨機劃分的三角形網格。單元的尺寸根據結構件的具體尺寸確定，并對應力集中的位置進行網格細化處理。整架網格劃分后，生成有限元模型，如圖1(b)所示。

3 接觸與邊界條件

3.1 結構件間接觸處理

有限元分析時，將液壓支架結構件視為變形體，接觸件間有近似的剛度，定義液壓支架結構件間的接觸為柔性體的面-面接觸，并根據經驗設置接觸面間的預載荷、動、靜摩擦系數、開放接觸剛度、封閉接觸硬度和最大凹陷的具體值。

接觸類型在支架分析中主要有兩種：Bonded(綁定)和No separation(不分離)兩類。前者用于兩個接觸零件間無相對運動的情況；后者用于接觸零件接觸面間具有切向運動的情況，如銷軸和孔之間的相互轉動。典型支架自身零件間的接觸有29個，其他接觸根據實驗內容的不同而有所不同。圖2為支架上接觸分布情況的示例。

圖2 支架上接觸情況分布示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the distribution of contact on the hydraulic support

3.2 邊界條件確定

實際工作中，支架承受工作面圍巖的壓力載荷和立柱支撐載荷[11]。支架的型式強度試驗中，在不同位置上放置墊塊來模擬支架在井下的受力工況[12]。為了便于計算和比較有限元和傳統力學計算的結果，有限元分析邊界條件是依據液壓支架試驗標準GB25974.1—2010技術要求中規定的支架型式試驗條件來確定[13-14]。對液壓支架進行仿真試驗時，為模擬液壓支架在大采高工作面的實際受力情況，加載力應為外載荷(即外加載)，由于受現有的液壓支架試驗條件和計算機仿真技術水平所限，還不能簡單的采用外加載方式。在采用有限元法對液壓支架受力分析時，為了能夠與目前我國液壓支架型式試驗加載方法一致，把墊塊對支架的作用當作邊界約束條件來處理，支架所受外載為兩根立柱所施加的力，即內加載工況[15]，可以很好地逼近支架實際受力狀態，滿足支架型式試驗要求。支架在頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載兩種工況下的加載模型如圖3、圖4。

圖3 頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載模型Fig.3 Loading model of top-beam three point and base concentrated load

圖4 頂梁偏載下支架的加載模型

4 計算結果分析

本部分運用應力色譜圖描述了支架結構件在兩種工況下的應力，圖5、圖6分別為頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載工況下的等效應力、應變云圖。

頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載試驗載荷為1.2倍工作阻力，主要考察結構件是頂梁和底座。從圖5可以看出，頂梁和底座的應力值比較大(后續分析中均不考慮墊塊與頂梁接觸產生的附近高應力值，即圖中Max點處的值)，在該工況下，兩頂梁柱帽間蓋板上的應力值比較大，主要在320～500 MPa之間，另外，左右兩側筋板邊緣處的應力值也較大，這也是此處放置加強筋的原因；底座應力較大的區域主要集中在底座后部，柱窩內側主筋上部分應力值比較大，主要分布在300～500 MPa之間，在局部位置達到508 MPa；掩護梁主要承受由頂梁摩擦力產生的向后的彎曲力作用，整體應力值不大，應力較大的區域主要集中在掩護梁后部銷軸孔附近的主筋板上，最大為295 MPa；前連桿主要受拉力的作用，后連桿受壓力的作用，除去局部應力集中點的應力值較高外，前后連桿整體應力分布較為均勻，應力值都在100～200 MPa之間。

圖5 頂梁三點加載、底座集中載荷組合加載整架應力分布圖Fig.5 The stress distribution of hydraulic support under top-beam three point loading and base concentrated loading condition

液壓支架頂梁偏載主要考察的結構件是頂梁、掩護梁和前、后連桿，該工況加載力為1.1倍工作阻力。從圖6(a)可以看出，忽略墊塊與頂梁接觸處的最大應力值724 MPa，頂梁應力較大區域出現在平衡千斤頂兩側的蓋板處，大小為450～500 MPa；掩護梁主要承受扭轉作用，除去耳板上的應力集中點的局部應力極值630 MPa外，掩護梁應力值一般在480 MPa以下，其中，中間蓋板的應力值最大，為480.37 MPa，前端中檔處幾塊蓋板上的應力也比較大，且應力分布形狀基本與蓋板形狀相同，使得蓋板周圍的焊縫處于同一等強度曲線上，另外，前端中檔處的焊縫較多，因此，如果焊縫質量得不到保證，易發生應力集中現象，若掩護梁再受到意外的載荷沖擊，則會發生損壞；前連桿最大應力值為285 MPa，后連桿最大應力值為402.41 MPa，應力分布趨勢都與其扭轉方向保持一致。圖6(b)所示的位移分布圖顯示，支架的最大位移為48.4 mm，位于頂梁前端，且從上到下(頂梁-掩護梁-前后連桿-底座)變形量逐減。

圖6 頂梁偏載整架應力與位移

兩種工況下，該支架的頂梁、掩護梁、前后連桿、底座都存在局部性的高應力區域。前連桿和后連桿的受力狀況比底座小的多，建議以后改進設計時，通過有限元計算結果，適當減小前連桿和后連桿結構件的厚度和重量；掩護梁制造時，可采用合適的加工工藝，保證焊接質量；底座前大腳在批量投產時可適當加強板材的等級與厚度，防止疲勞失效；從而保證設計的高可靠性和經濟性。

5 結論

1) 兩種工況下，液壓支架結構件強度總體是安全的，其受力分布呈區域性，底座應力值較大，頂梁變形量較高，設計時，支架應力高且變形小的部位應選擇高強度板或適當改進結構，變形大的部位應多用塑性好的材料。

2) 仿真結果顯示，支架模型簡化處理，支架部件間接觸方式采用柔性體的面-面接觸法是可行的，能夠很好地滿足有限元法在液壓支架結構強度分析應用中的需要。

3) 液壓支架設計工作中，運用三維建模結合有限元分析計算法，可準確找出液壓支架在受載工況下的薄弱環節，有利于對液壓支架進行全面優化設計,從而在達到提高支架性能的同時，有效降低支架的重量及其制造成本。

[1]王國法.液壓支架技術研究體系與實踐[J].煤炭學報,2010,35(11):1903-1908. WANG Guofa.Study and practices on technical system of hydraulic powered supports[J].Journal of China Coal Society,2010,35(11):1903-1908.

[2]陳靜.液壓支架強度可靠性優化設計方法研究[D].北京:中國礦業大學,2014.

[3]王國法.工作面支護與液壓支架技術理論體系[J].煤炭學報,2014,39(8):1593-1601. WANG Guofa.Theory system of working face support system and hydraulic roof support technology[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1593-1601.

[4]曹方梅.ZY8800/22/45D型液壓支架有限元分析及強度優化[D].成都:電子科技大學,2008．

[5]劉新華,王國法,劉成峰,等.兩柱大采高液壓支架的整架有限元分析[J].煤炭科學技術,2010,38(8):93-96. LIU Xinhua,WANG Guofa,LIU Chengfeng,et al.Full set finite element analysis on two-leg high cutting hydraulic powered support[J].Coal Science and Technology,2010,38(8):93-96.

[6]李奇,李祥松.礦用液壓支架的整機有限元分析與加載試驗[J].機械制造,2015(5):73-75. LI Qi,LI Xiangsong.Finite element analysis and loading test of mining hydraulic support[J].Machinery Manufacturing,2015(5):73-75.

[7]黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013:165-213.

[8]荊忠亮,趙彤涌,宋志強.基于SolidWorks和ANSYS Workbench的液壓支架頂梁負載仿真分析[J].煤礦機械,2015,36(5):240-242. JING Zhongliang,ZHAO Tongyong,SONG Zhiqiang.Load simulation analysis of top beam of hydraulic support based on solid works and ANSYS Workbench[J].Coal Mine Machinery,2015,36(5):240-242.

[9]李燦,茍曉明,雷剛,等.礦用液壓支架強度分析[J].重慶理工大學學報(自然科學),2014,28(5):44-47. LI Can,GOU Xiaoming,LEI Gang,et al.Strength analysis of mine hydraulic support[J].Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science),2014,28(5):44-47.

[10]王印軍,任勇生,孫丙磊,等.基于ANSYS的垂直軸風力機塔架的力學分析及結構優化[J].山東科技大學學報(自然科學版),2011,30(5):96-102. WANG Yinjun,REN Yongsheng,SUN Binglei,et al.Mechanical analysis and structure optimization of tower frame of vertical axial fan based on Ansys[J].Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science),2011,30(5):96-102.

[11]高有進.6.2米液壓支架關鍵技術研究與優化設計[D].武漢:華中科技大學,2008．

[12]呂根帥,周玉乾,李雪偉.顯式動態分析在液壓支架強度分析中的應用[J].煤礦機械,2011,32(1):28-30. Lü Genshuai,ZHOU Yuqian,LI Xuewei.The application of explicit dynamic analysis in the strength analysis of hydraulic support[J].Coal Mine Machinery,2011,32(1):28-30.

[13]賴周藝,吳培棟.ZY18000/32/70D型液壓支架主體結構件有限元分析及試驗研究[J].煤礦機械,2016,37(5):49-51. LAI Zhouyi,WU Peidong.Finite element analysis and experimental study on the main structure of ZY18000/32/70D hydraulic support[J].Coal Mine Machinery,2016,37(5):49-51.

[14]王國法,傅京昱.煤礦支護設備技術標準體系與試驗裝置研究[J].煤炭科學技術,2012,40(1):87-91. WANG Guofa,FU Jingyu.Study on technical standard system and test device of mine support equipment[J].Coal Science and Technology,2012,40(1):87-91.

[15]李翠勤.液壓支架主體結構件疲勞壽命分析[D].太原:太原理工大學,2012.

(責任編輯：李 磊)

Finite Element Analysis of the Main Components of Large Mining Height Hydraulic Support

CAO Lianmin1，WEI Cuicui1，WANG Penghuai1，HUANG Limin2，LIU Xudong2

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. Shennan Industrial Development Co. Ltd,Shanxi Coal Chemical Industry Group, Yulin, Shaanxi 719300, China)

The increased probability of side fall roof in thick coal and the deterioration of the force state of hydraulic support caused by the large working face mining height require higher reliability of main components of hydraulic support. To solve this problem, the ZY10000/26/55 hydraulic support was taken as the research object. A virtual prototype was established with the 3D modeling software of SolidWorks and a finite element model of hydraulic support was established with the ANSYS Workbench. The contact between the structural components of the hydraulic support was defined as surface-surface contact of the flexible body and the full set numerical simulation was carried out to study the stress states under two different inner loading conditions: the combined condition of top-beam three point loading and base concentrated loading and the beam deflection condition. By analyzing the calculation results, the stress and deformation characteristics of the large mining height hydraulic support were obtained, which could provide the reference for the optimal design of hydraulic support with higher reliability.

large mining height; hydraulic support; reliability; finite element analysis

2016-05-17

曹連民(1978—)，男，山東陵縣人，副教授，博士，主要從事礦山液壓支架、液壓傳動與控制等方面的教學和科研工作.E-mail:skdclm@163.com 魏翠翠(1990—)，女，山東鄄城人，碩士研究生，主要從事大采高液壓支架可靠性方面的研究，本文通信作者.E-mail:skdwxc@126.com

TD355

1672-3767(2017)01-0094-05