不同工況下的礦用液壓支架結(jié)構(gòu)性能研究

李志勇

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034114）

引言

礦用液壓支架是井下作業(yè)中的重要支護(hù)設(shè)備，在煤礦環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。但由于井下環(huán)境的惡劣性，液壓支架經(jīng)常因受力過大、安裝不合理等因素而出現(xiàn)較大的整體結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致坍井事故發(fā)生，液壓支架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著井下作業(yè)的安全。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成

礦用液壓支架是支撐井下工作面頂板的主要液壓支撐設(shè)備，該設(shè)備主要由頂梁、底座、掩護(hù)梁、立柱、推移裝置等部件組成，如圖1所示。具有前后移動(dòng)靈活、支撐效果好、推動(dòng)其他設(shè)備效率高等特點(diǎn)，在煤礦中得到廣泛應(yīng)用。其各關(guān)鍵部件主要作用如下[1]。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成圖

1）頂梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)下表面設(shè)置連接接口，可與掩護(hù)梁、立柱等結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，其上表面為平整平面，直接用于承受來自上部煤層的壓力，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支撐力。

2）掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)上部與頂梁連接，下部與四連桿機(jī)構(gòu)連接，主要用于承受頂部煤巖掉落所產(chǎn)生的壓力和來自頂梁所產(chǎn)生的作用分力，并為工作人員工作環(huán)境提供了更高的安全工作空間。

3）底座結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)底部作用于地面，上部通過立柱連接頂梁，可將頂梁承受的外界壓力傳遞至地面，并在立柱作用下給其他設(shè)備提供強(qiáng)大的推動(dòng)作用力，整體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載能力。

4）立柱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)兩端分別連接頂梁和底座，是液壓支架中的關(guān)鍵部件，設(shè)置由強(qiáng)大液壓推力的液壓千斤頂，可為液壓支架提供較大的支撐力和推力，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂梁不同位置的調(diào)節(jié)和變化[2]。

2 液壓支架模型建立

2.1 液壓支架主要參數(shù)確定

結(jié)合工程實(shí)際，選用ZY4000型掩護(hù)式液壓支架作為研究對(duì)象，對(duì)液壓支架的主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，初步確定了液壓支架的支架高度、支架中心距、底座尺寸、頂梁尺寸等，具體參數(shù)值如表1所示。

表1 液壓支架主要參數(shù)值

2.2 液壓支架三維模型建立

根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)組成和主要參數(shù)值，結(jié)合支架的工程實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用SolidWorks三維建模軟件，建立了包含頂梁、底座、掩護(hù)梁、立柱、推移裝置等關(guān)鍵部件的液壓支架三維模型，而其他非關(guān)鍵部件進(jìn)行了簡化，具體模型如下頁圖2所示。

2.3 液壓支架工況確定

由于礦用液壓支架在實(shí)際工作過程中，其工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，具有多種工況條件。因此，根據(jù)《液壓技術(shù)通用技術(shù)條件》、《煤礦用液壓支架》，結(jié)合工程實(shí)際，選擇了頂梁和底座集中加載和頂梁偏心加載與底座受扭轉(zhuǎn)載荷兩種工況作為液壓支架的分析工況，并對(duì)不同工況下的墊塊尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其具體說明如下[3]。

圖2 液壓支架三維模型圖

2.3.1 頂梁和底座集中加載工況（圖3）說明

圖3 頂梁和底座集中加載工況

圖3中墊塊的主要參數(shù)值如表2所示。

表2 液壓支架中墊塊主要參數(shù)值

2.3.2 頂梁偏心加載與底座受扭轉(zhuǎn)載荷工況（圖4）說明

圖4 頂梁偏心加載、底座兩端受扭轉(zhuǎn)載荷工況

圖4中墊塊的主要參數(shù)值如表3所示。

表3 液壓支架中墊塊主要參數(shù)值

2.4 液壓支架仿真模型建立

結(jié)合ZY4000型掩護(hù)式液壓支架的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將模型的材料屬性設(shè)置為了Q690材料，選用了SOLID45實(shí)體單元類型，網(wǎng)格尺寸取45 mm，采用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。經(jīng)過理論計(jì)算，確定了施加在液壓支架上的頂梁和底座上的載荷大小，其值分別為94.7 MPa和23.7 MPa。由此，建立了礦用液壓支架的仿真模型，如圖5和圖6所示。

圖5 液壓支架網(wǎng)格劃分圖

圖6 液壓支架仿真模型圖

3 液壓支架不同工況下的仿真分析

3.1 頂梁和底座集中加載

圖7和圖8分別為液壓支架頂梁和底座均受集中載荷作用下的應(yīng)力云圖和位移變化云圖。由圖7可知，液壓支架的整體受力較大，最大應(yīng)力主要集中在頂梁的上表面，最大應(yīng)力值為1 110 MPa，已超過液壓支架Q690材料的屈服強(qiáng)度690 MPa；且頂梁的中部、前端及后端也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象；而液壓支架的底座、四連桿、掩護(hù)梁等部件上的應(yīng)力相對(duì)較小。由圖8可知，液壓支架的最大變形位移量為13.1 mm，主要發(fā)生在支架頂梁的中部，并向頂梁的前后兩端進(jìn)行擴(kuò)展；而液壓支架的其他關(guān)鍵部件的位移變化量相對(duì)較小。由此表明，在該種工況下，頂梁為最容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的部件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)際使用過程中，需進(jìn)一步加強(qiáng)頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以此保障液壓支架在實(shí)際使用過程中的可靠性和安全性[4]。

3.2 頂梁偏心加載與底座受扭轉(zhuǎn)載荷

下頁圖9和圖10分別為液壓支架字頂梁和底座均受集中載荷作用下的應(yīng)力云圖和位移變化云圖。由圖9可知，液壓支架的應(yīng)力分布較為廣泛且分布不均勻，應(yīng)力主要分布集中在頂梁、掩護(hù)梁、底座等關(guān)鍵部件上，其整體的最大應(yīng)力主要集中在底座上值為913.1 MPa，超過了液壓支架Q690材料的屈服強(qiáng)度690 MPa，表明液壓支架的不同部位承受著不同大小、分布不均勻的應(yīng)力現(xiàn)象。由圖10可知，液壓支架的頂梁右側(cè)發(fā)生了較大的位移變化，其最大位移量為21.5 mm，并逐步向頂梁左側(cè)、掩護(hù)梁處進(jìn)行擴(kuò)展；而支架的連桿、底座及掩護(hù)梁上位移量相對(duì)較小。由此表明，在該種工況下底座及頂梁為最容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的部件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)際使用過程中需進(jìn)一步加強(qiáng)底座、頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)保護(hù)措施，以此保障液壓支架在實(shí)際使用過程中的可靠性和安全性[5]。

圖7 液壓支架整體應(yīng)力（MPa）云圖

圖8 液壓支架整體位移（mm）云圖

圖9 液壓支架整體應(yīng)力（MPa）云圖

圖10 液壓支架整體位移（mm）云圖

4 結(jié)論

通過ANSYS軟件對(duì)ZY4000型掩護(hù)式液壓支架在不同工況下的仿真分析研究，結(jié)果顯示礦用液壓支架的頂梁、底座均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中和位移變化現(xiàn)象，在不同工況下均為主要的受力部件；在產(chǎn)品實(shí)際使用過程中，需加強(qiáng)液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，正確布置液壓支架的安裝位置，才能提高液壓支架的可靠性和使用壽命、保障井下作業(yè)安全。