多種工況下液壓支架底座的性能分析

羅曉林

（晉能控股煤業集團有限公司忻州窯礦，山西 大同 037021）

引言

在進行機械化開采的過程中，液壓支架是重要設備，對頂板及圍巖起到支護作用，保證了工作面的安全及連續生產[1]。底座作為液壓支架的主要承載零件，承受頂板到底板的壓力的同時，還要保證足夠的剛強度，在不同的工況下，底座承受的載荷也隨之變化，對底座的結構及性能具有較高的要求。采用ANSYS有限元分析的方式，對不同工況下的液壓支架底座進行分析，據此對底座的結構進行優化，既可以節約液壓支架的生產成本，還可以提高其性能，提高液壓支架的穩定性及使用壽命，提高煤礦開采的效率和安全性。

1 液壓支架底座的模型建立

對液壓支架的底座性能進行分析，首先要建立底座的模型，采用Pro/E軟件進行建模。Pro/E在三維模型軟件中具有廣泛的使用，采用參數化的設計進行建模，可以方便地進行模型的構建[2]。選擇基準面進行草圖的繪制，通過拉伸、選擇等特征進行基本特征的創建，最后通過倒角、圓角等指令進行底座的造型設計。在進行建模的過程中，為了建模及后續計算的方便，對底座的細小結構特征進行一定的簡化處理，得到液壓支架的底座模型如圖1所示。

對于底座的三維模型，導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對于模型進行網格劃分。本次分析中選擇四面體單元網格對液壓支架底座進行網格劃分，由于單元網格的數量及網格的大小對計算的結果具有重要的影響[3]，在進行網格劃分的過程中，充分考慮計算的精度及所需的時間，選擇單元網格的大小為15 mm，對底座模型進行網格化處理。

圖1 液壓支架底座模型

底座的材料選用Q550高強度結構鋼，進行材料參數的設定。在工作過程中，液壓支架承受圍巖的壓力載荷，通過不斷地傳遞，底座承受主要的壓力作用，設定底座的底面為固定約束，在液壓支架承受不同類型的載荷作用時，分析底座的應力及變形情況[4]。

2 多種工況下液壓支架底座的性能仿真分析

底座隨著液壓支架受力作用的不同，其承受的載荷作用也不同，依據液壓支架的不同工況進行底座的性能分析。由于主要對底座的性能進行分析，選取液壓支架的典型工況形式為頂梁兩端集中載荷、頂梁偏載及底座扭轉載荷三種形式[5]，采用ANSYS Workbench進行底座的應力及變形分析。

2.1 頂梁兩端集中載荷作用分析

液壓支架在工作過程中，當工作面的頂板破碎度較高時，由于有冒頂現象的存在，使得頂梁與頂板之間存在一定的間隙，造成頂梁兩端受到集中載荷的作用。在此種工況下得到的底座的應力及變形情況如下頁圖2所示。從圖2中可以看出，液壓支架底座的整體受力較為均勻，筋板處的受力作用不大，底座承受的應力最大的位置在圖中C點處，即后連桿的鉸接孔處，并且在圖中所示的D點位置處存在著一定的應力集中現象，底座的整體變形量較小，最大位移位置位于圖中E點位置處，底座的整體應力及變形符合材料的使用要求[6]。

2.2 頂梁偏載作用分析

圖2 工況一時底座的性能分析

在煤層的傾角較大且煤層厚度較大時，液壓支架的頂梁與頂板之間形成不對稱的接觸，使得液壓支架受到扭轉載荷的作用，產生破壞作用。在此種工況下得到的底座的應力及變形情況如下頁圖3所示。從圖3中可以看出，底座的整體受力比較均勻，最大應力區域出現在圖中B點位置處，即后連桿鉸接處的內側位置，最大應力值小于材料的屈服強度，其余筋板位置處的應力均比較小。底座的最大變形量在圖中的C點處，最大變形量約為2.7 mm，相對底座的整體尺寸，變形量較小，滿足液壓支架的使用要求。

2.3 底座扭轉載荷作用分析

液壓支架的底座受到扭轉載荷的作用出現在開采中底板的不平整及存在著浮矸石作用的情況下。在此種工況下得到的底座的應力及變形情況如圖4所示。從圖4中可以看出，底座的應力變化較為復雜，應力主要集中在底座的主筋板位置處，在底座的A點位置，即后連桿鉸接孔的主筋板位置存在較大的應力集中，此時的最大應力超過了材料的屈服強度，在此處存在著破壞現象。針對這一問題，局部的應力集中不會使底座產生疲勞破壞，但在此工況下的工作狀態惡劣，應在結構上進行重新優化，或者更換采用Q690材料，提高材料的屈服強度，減小應力集中的破壞作用。底座的變形呈現不對稱分布的特征，最大變形量出現在C點位置處，最大值約為8 mm，底座的變形量滿足液壓支架的使用要求。

通過上述的仿真分析可知，液壓支架的底座在承受多種不同的載荷作用時，在不同的工況下，后連桿鉸接孔位置處的主筋板均是承載的應力比較大，是比較危險的區域，且在底座扭轉的工況下，應力集中較為嚴重，超出了材料的屈服極限。對于這一位置，應采取一定的措施，優化底座的結構，避免應力集中的現象，改善底座的受力情況。

圖3 工況二時底座的性能分析

圖4 工況三時底座的性能分析

3 結論

液壓支架是進行煤礦自動化綜采的重要設備，底座作為液壓支架的主要承載零件，其結構的強度、剛度性能對于液壓支架的使用具有重要的影響。針對液壓支架的不同工況，對底座的應力及變形進行有限元分析，結果顯示，在底座的后連桿鉸接孔位置處是底座較為危險的區域，需要進行結構的優化，提高底座的性能，更好地發揮液壓支架的作用。