極薄煤層液壓支架的研究

孫玉祥

（山西博大集團壽陽京魯煤業(yè)有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

與厚煤層和中厚煤層相比，極薄和薄煤層開采存在以下難點：機器設備移動困難，采高低，工作環(huán)境條件差。人在工作面難以站立，只能爬行，甚至以臥姿作業(yè)。特別是在薄煤層綜采工作面，當采高低于1 m以下時，人在工作面工作或者出行都非常困難。而且薄煤層綜機設備由于受空間限制，設計難度大。薄煤層的液壓支架立柱通常要雙伸縮甚至三伸縮，增加了加工和制造的難度，采掘比大、掘進率高，采煤工作面接替困難[1]。因此，研究極薄煤層液壓支架對工作面安全高效開采具有重要的意義。

1 支架和泵的三維建模

1.1 支架的三維建模和虛擬裝配

建立其三維模型，其中頂梁采用分體式結(jié)構可以適應不平的頂板條件，底座采用整體式可以增加其整體剛性，便于降架后拉架。千斤頂?shù)耐埔品绞绞怯脙蓚€推移千斤頂剪叉式伸縮推移，增加推移導向和有利于推移后保持支架的正確的姿勢[2]。如圖1所示。

1.2 雙柱塞泵的三維建模和虛擬裝配

為了加強齒輪和軸的配合精度與傳動平穩(wěn)性等，齒輪和軸做成一個整體，泵蓋內(nèi)有液壓泵的各個油路，且加工后的柱塞需焊接固定在泵蓋的兩個圓孔中，在焊接之前需先裝配好單向閥和彈簧，如圖2所示。

圖1 支架整體三維模型

2 頂梁和底座的有限元分析

2.1 Solidworks模型的導入和材料的添加

1）在workbench里選擇static structural（靜力分析），如圖3所示。

圖2 雙柱塞泵總裝圖

圖3 建立結(jié)構靜力分析項目

2）雙擊B2欄進入EngineeringData(材料數(shù)據(jù))界面，因為頂梁和底座都是使用15MnVN等普通低合金結(jié)構鋼板焊接而成，其力學性能和楊氏模量以及泊松比和系統(tǒng)自帶的結(jié)構鋼基本相同，彈性模量E為206 GPa，泊松比0.3，添加系統(tǒng)自帶的材料structalsteel，如下頁圖4所示。

3）直接從 solidworks三維設計界面進入，workbench在安裝后自動嵌入solidworks一個無縫連接插件，如圖點擊界面上的workbench即可進入。

2.2 網(wǎng)格的劃分及仿真環(huán)境的設置

對于結(jié)構網(wǎng)絡大部分可以劃分為四面體，首選是六面體單元。而四面體由于部件通常的非均質(zhì)性，使網(wǎng)格不可能在一個方向排列，故不適用于薄實體或環(huán)形體。在使用等向細化時網(wǎng)格數(shù)量急劇上升。用系統(tǒng)智能網(wǎng)格劃分，Physics Preference下設置物理類型為Mechanical，Relevance Cente設為Medium，Smoothing設為Medium，頂梁網(wǎng)格劃分效果如圖5所示。

圖4 材料的添加

圖5 頂梁和底座的網(wǎng)格

施加載荷和約束：經(jīng)計算得頂板施加于頂梁的均布載荷為0.7 MPa，以及設置重力環(huán)境，在模型的立柱半球鉸接面施加X、Y、Z方向的約束；底座的約束設置在底座底面，柱窩鉸接面及立柱導向限位筒分別加載2 MPa以及0.3 MPa。

2.3 求解結(jié)果

從分析結(jié)果（見圖6）可以看到，頂梁的最大等效應力（Von-Mises）為185.08 MPa，最大等效總體變形為1.56 mm。底座最大等效應力（Von-Mises）為46.66 MPa，最大等效總體變形為0.002 mm，底座安全程度較高，由于柱窩位置鋼板后達20 mm，故變形不大，而頂梁前柱窩位置有些偏里，導致頂梁在受頂板載荷特別是兩端集中載荷時容易受彎曲而下垂，所以需要改進頂梁柱窩位置。

3 支架整體的有限元分析

由于需要細化裝配體接觸區(qū)域的網(wǎng)格，需打開網(wǎng)格高級尺寸功能，設置Proximity和Curvature為0.5°和18°，然后選中分析樹中的Mesh選項，單擊Mesh control中的sizing命令，用Edit中的select all選擇所有的體，設置Element Size為5 mm，加載于頂梁上表面0.7 MPa壓力，施加固定約束于支架底座底面，如圖7所示。

模擬結(jié)果如圖8所示。

從分析結(jié)果可以看出，支架的最大應力為243MPa，最大應變?yōu)?.001 2 mm，最大整體形變?yōu)?.032 mm，由于前立柱的的頂梁的柱窩處的應力偏大，材料厚度不足。頂板對于支架頂梁的均布壓力使頂梁和立柱以及立柱和底座的柱窩處應力和應變最大，在實際焊接時一定要保證柱窩處的焊縫強度[3]。

圖6 頂梁和底座的分析結(jié)果

圖7 支架的網(wǎng)格劃分和邊界條件

圖8 支架整體變形圖（mm）

4 結(jié)語

在煤炭開采中，液壓支架占據(jù)著非常重要的位置。在支撐圍巖頂板的同時，還能使刮板輸送機不斷推移，始終保持工作面的安全性與可靠性，其性能也直接影響著煤炭開采的安全性與經(jīng)濟效益。因此，對極薄煤層液壓支架的分析，對我國煤炭開采的提高具有重要意義。

[1] 屈曄晟，潘澤.液壓支架結(jié)構設計改進初探[J].同煤科技，2004（3）：29-31.

[2] 候光軍.液壓支架結(jié)構件的受力分析[J].煤礦現(xiàn)代化，2001（3）：23-25.

[3] 寧桂峰.液壓支架三維動態(tài)設計及力學仿真研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2004.