不同加載條件對礦用液壓支架結構強度的影響研究

張曉菲

（大同煤礦集團機電裝備同吉液壓有限公司， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架作為煤礦環境中的重要設備，對井下工作面起到了重要的支撐和防護作用，較好地保障了井下作業的安全性。在液壓支架實際使用過程中，其工作環境較為復雜，要求液壓支架整體結構具有較好的結構強度，因此，需開展不同加載條件下的結構強度分析研究。

1 礦用液壓支架研究現狀

關于礦用液壓支架，我國于1958年開始著手設計，截止目前，所設計的液壓支架已達到較高的技術水平。2009年，中煤集團成功研制了工作阻力為1.7×104kN，支護高度達7.5 m的電液壓支架，該支架采用三級復合防片幫裝置和微間隙配合技術，在當時達到國際先進水平[1]。2013年，平頂山煤礦機械公司與德國簽訂了12套兩柱掩護式液壓支架的訂單，并成功設計制造完成和產品交付，該設備得到了德國企業的高度好評[2]。同年，鄭州煤機集團成功設計研發了國內首套放頂煤液壓支架，該支架支護范圍達到3.9 m，中間距較普通的液壓支架更寬，達到2.05 m，可對60 t以上的物體進行支護，是當時國內放頂煤液壓支架中承載能力較強、單臺寬度最寬的液壓支架[3]。2014年，中煤北京煤礦機械公司設計工作阻力為2×104kN、支護范圍為2.8～5.5 m，超過了之前其他公司的產品，是當時5.5 m范圍工作阻力較大、支護寬度最寬的液壓支架，該支架在后期煤礦行業中得到了較為廣泛的應用[4]。

2 液壓支架結構特點

液壓支架中支撐掩護式支架集成了支撐式支架和掩護式支架的特點，可利用支架的支撐和掩護共同作用，以此保障井下工作面的安全。同時，其結構上擁有兩排立柱，其中一根立柱能傾斜，可實現對井下工作面的支撐和掩護作用，對工作面的整體支撐力較大，具有較高的防護性能和穩定性，可用于底板較硬的中厚煤層[4]。但該結構具有升降速度較慢、立柱受力不均勻、支撐范圍較小和支撐效果較差等缺點，且整套產品的生產成本較高，結構較為復雜，在運輸過程中較難運輸，后期維修也存在一定難度，不適用于較厚的煤層開采[5]。

3 液壓支架模型建立

3.1 三維模型建立

根據煤礦井下環境中的煤層地質條件、煤層厚度及采礦要求，結合現有液壓支架產品型號和性能特點，采用Solidworks軟件建立了液壓支架的三維模型?？紤]后期液壓支架仿真的速度和難度較多，而液壓支架上非關鍵部件對仿真結果影響較小，如支架上的圓角、倒角、小孔及護幫裝置等，因此，對液壓支架三維模型進行了簡化，在不改變其整體結構性能的基礎上，建立了包含底座、連桿、頂梁等主要部件的簡化版模型，如圖1所示。

圖1 礦用液壓支架三維模型示意圖

3.2 液壓支架仿真模型建立

1）網格劃分。將所建立的液壓支架三維模型保存相應格式后，導入到Hypermesh軟件中，對液壓支架三維模型進行網格劃分，考慮到網格尺寸越小，模型仿真速度越慢且對仿真結果精度提升較小，同時，對仿真所用硬件要求較高。因此，在綜合計算和分析仿真精度和仿真準確性后，將模型設置為四面體網格，并對關鍵部位進行加密處理，網格單元大小設置為40 mm。

2）材料定義。結合工程實際，液壓支架各部件的材料屬性均具有較高的要求且各部件組成不一致，為提高模型的仿真速度，將液壓支架材料統一設置為Q550材料[6]，其材料參數如表1所示。

表1 礦用液壓支架材料屬性參數

3）仿真模型建立。為使仿真結果與實際工程相近，對液壓支架的頂梁上墊塊位置進行施加載荷，對整個結構進行邊界條件設置，并對底座進行兩端加載和扭轉加載等前處理，其加載簡圖如圖2所示。由此，建立了包含168 150個單元的液壓支架有限元仿真模型，如圖3所示。

圖2 底座兩端加載和扭轉加載簡圖

4 液壓支架結構強度分析

結合建立的液壓支架仿真模型，采用Abaqus仿真軟件，對液壓支架進行了底座兩端加載和扭轉加載條件下的仿真分析研究。

4.1 底座兩端加載影響分析

圖4和圖5分別為液壓支架在底座扭轉加載條件下整體結構應力圖和底座應力圖。由圖可知，在該種條件下，液壓支架的底座、掩護梁及頂梁等部件均發生了較大的應力集中現象。其中，底座的左右兩側中間部位及與前連桿之間的圓弧連接處呈現應力左右對稱現象，分布較為均勻，而掩護梁上豎直板前端、與千斤頂連接處及部分焊接處均也出現了較大的應力，支架頂梁的后端結構的應力相對較小。支架上的應力分布較為均勻，均在材料屈服強度范圍內，可滿足使用要求。企業在使用過程中，可以此仿真結果作為參考，加強對底座及掩護梁上應力較大區域的結構保護，以保證液壓支架的使用安全，提高液壓支架的使用性能。

4.2 底座扭轉加載影響分析

圖6和圖7分別為液壓支架在底座扭轉加載條件下整體結構應力圖和底座應力圖。由圖可知，在該種工況條件下，液壓支架的底座發生了較大的應力集中現象，主要出現在底座的左右兩側中間部位及與前連桿之間的圓弧連接處，且左右呈現應力對稱現象，分布較為均勻，同時，在底座部分焊接處也出現了輕微的應力集中現象。而液壓支架上頂梁、連桿等部件上的應力均較小。但液壓支架上各部件的應力均沒有超過材料屈服強度，能滿足使用要求。企業在使用過程中，可參考此仿真結果，加強對底座中部的結構保護，提高焊接部位的焊接質量，以保證液壓支架的結構性能和使用安全。

圖4 礦用液壓支架整體應力分布圖

圖5 礦用液壓支架底座應力分布圖

圖6 礦用液壓支架整體應力分布圖

圖7 礦用液壓支架底座應力分布圖

5 結論

液壓支架在兩種工況下，各主要部件均存在不同程度的應力集中現象，但均在材料屬性范圍內，可滿足實際使用需求，而企業在使用過程中，可參考此仿真結果，加強對各主要部件應力較大區域的結構保護，提高焊接部位的焊接質量，以保證液壓支架的使用安全和使用性能。該研究可為企業加強對液壓支架的結構保護提供理論參考，對提高液壓支架的使用壽命和保障井下作業的安全性具有重要意義。