煤礦開采液壓支架底座受力仿真分析

楊曉君

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司東曲煤礦安監處技術培訓科，山西 太原 030200）

引言

在煤炭的綜采設備中，液壓支架作為采空區的支撐設備及采煤機等的傳送設備，在礦井中受到的作用力較為復雜[1]。液壓支架的性能，對于煤礦開采的安全性及生產效率都具有重要的影響，由于工作人員常采用經驗法對液壓支架進行設計，較大的安全系數常造成液壓支架粗大笨重，不利于節約型社會的發展。底座是液壓支架的重要組成部分，承受較大的支撐力，由于礦井中環境的復雜性[2]，對于底座的承載性能具有較高的要求。針對液壓支架底座不同工況下的靜力學性能進行仿真分析，對液壓支架底座的結構進行一定的優化，可提高液壓支架的安全性及使用壽命，保證煤礦綜采工作的穩定。

1 液壓支架模型的建立

對液壓支架底座進行受力分析，首先要建立底座的結構模型，由于底座的結構較為復雜，在進行仿真分析時，無需將底座的結構完全呈現[3]，這是因為細化的結構對于底座的承載能力影響不大，同時在仿真計算中會造成計算量的急劇增加，不利于進行問題的分析。對液壓支架的結構進行簡化，只保留底座的主要結構部分，細小的孔洞及圓角等結構進行忽略，焊接結構進行一體化處理，對底座的承載能力進行整體分析，建立液壓支架底座的結構模型如圖1所示。

建立液壓支架的結構模型后，將結構模型導入到ANSYS Workbench中進行仿真分析的預處理工作，主要包括對模型進行網格劃分及材料屬性設定。液壓支架底座采用高強度結構鋼板焊接而成，采用各向同性的高強度鋼進行屬性設定[4]，包括底座的密度為7.85 g/cm3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28。對液壓支架底座進行網格劃分，采用ANSYS Workbench中自帶的自動劃分網格的方法對底座進行網格劃分，同時采用尺寸控制的方式對網格大小進行設定，在連接孔、耳板等位置處進行網格細化，保證計算中結果的準確性，經過網格劃分，得到底座的有限元模型如圖2所示。

圖1 液壓支架結構模型

圖2 液壓支架底座有限元模型

2 液壓支架底座的受力仿真分析

液壓支架在工作過程中，由于受到井下復雜工況的影響，對其真實的受力情況難以進行有效的模擬，依據液壓支架的設計要求[5]，針對液壓支架的支撐性能，底座主要承受著前扭轉載荷、后扭轉載荷及兩端集中載荷的影響。在三種不同工況下的載荷作用中，由于液壓支架底座的結構具有前開后閉的特點，因此在底座承受前扭轉載荷的工況下，底座所受到的應力最大，針對底座承受前扭轉載荷的工況進行仿真分析。

依據設定的條件，采用ANSYS Workbench進行仿真運算分析，經過計算得到液壓支架底座的應力及變形云圖分別如圖3、圖4中所示。從圖3底座前扭轉載荷工況下的應力云圖中可以看出，底座所受到的整體應力值較低，最大應力值為515 MPa，低于材料的許用應力，滿足底座的使用強度需求，最大應力值出現在耳板連接的位置處，存在一定的應力集中現象，這對于底座的使用壽命及安全是不利的[6]。針對應力集中現象，可以針對耳板的結構及與底座主板的連接方式進行優化，避免應力集中的出現，從結構上改善液壓支架底座的整體受力，從而可以提高底座使用的壽命及安全性。

圖3 液壓支架底座前扭轉載荷工況下的應力云圖

圖4 底座前扭轉載荷工況下的變形云圖

從圖4底座前扭轉載荷工況下的變形云圖中可以看出，液壓支架底座的整體變形量較小，變形量的最大值為4.14 mm，滿足底座的設計使用要求，最大變形量的位置出現在液壓支架底座的前部一側，在整體上，底座的變形呈現沿一側分布的現象，這是由于底座受到前部扭轉載荷的作用造成的，對底座的整體變形量影響不大，但在長期的使用過程中，要注意底座的工作方向，避免出現長期使用疲勞的現象。

3 結論

1）底座所受到的整體應力值較低，滿足底座的使用強度需求，最大應力值出現在耳板連接的位置處，存在一定的應力集中現象。針對應力集中現象，可以針對耳板的結構及與底座主板的連接方式進行優化，從結構上改善液壓支架底座的整體受力。

2）液壓支架底座的整體變形量較小，滿足底座的設計使用要求，最大變形量的位置出現在液壓支架底座的前部一側，在整體上，底座的變形呈現沿一側分布的現象，在長期的使用過程中，要注意底座的工作方向，避免出現長期使用疲勞的現象。