大采高液壓支架在不同工況下的性能分析

劉鑫志

（同煤集團臨汾宏大豁口煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

隨著自動化開采技術的進步，大采高綜采在厚煤層開采中的應用越來越廣泛。大采高綜采可以大幅度提高工作面的效率，并且對巷道的掘進快速，減少了綜采設備的移動時間，節約了生產的輔助時間[1]。大采高綜采的廣泛應用離不開大采高液壓支架的使用，作為大采高開采的關鍵裝備，液壓支架的性能對于煤礦的開采具有重要的影響。在開采過程中，液壓支架的承載復雜多變，為判定液壓支架的性能，對不同工況下的應力變形進行分析，從而更好地改進液壓支架的結構及性能，為煤礦的高效開采提供支撐。

1 液壓支架的工況劃分及建模

液壓支架作為礦井的支撐設備，由于煤層的賦存條件及地質條件的變化，使得液壓支架的承載復雜，且具有一定的隨機性。在開采過程中，液壓支架提供工作面的保護，且考慮到開采效率，液壓支架不得影響采煤作業的過程，并實現連續采煤作業。在液壓支架的使用過程中，對支架性能影響較大的主要有對稱集中載荷和非對稱集中載荷[2]。

液壓支架在支撐過程中，由于頂板的位置變化，使得液壓支架的承載呈點接觸或者線接觸的形式，工況十分惡劣。集中載荷是頂梁與頂板之間呈兩點或者兩線接觸，非對稱的集中載荷是在煤層的厚度變化或者煤層傾角較大時，頂梁和頂板的不對稱接觸，使得液壓支架在承受垂直載荷作用的同時，還要承受扭轉載荷的作用，加劇了液壓支架的破壞。依據液壓支架的承載不同，劃分液壓支架的三種不同的典型工況，分別為頂梁偏載底座集中、頂梁扭轉底座集中及頂梁集中底座扭轉三種不同的工況[3]，見表1，依此對液壓支架的性能進行仿真分析。

表1 液壓支架的工況劃分

采用Pro/E軟件建立液壓支架的三維模型，在建模過程中，對液壓支架的結構進行一定的簡化處理，將鋼板的焊接件作為整體結構進行，忽略焊縫等的影響，對液壓支架的細小結構在不影響受力的情況下進行簡化，建立液壓支架的結構模型如圖1所示，以此進行仿真模型的分析[4]。

圖1 液壓支架模型圖

2 不同工況下液壓支架性能分析

依據建立的液壓支架模型，將其導入到ANSYS Workbench軟件中，ANSYS是進行有限元分析的大型軟件，可與Pro/E等繪圖軟件直接通信，可以快速的進行數據的共享使用。對導入到ANSYS中的模型進行網格劃分，采用自由網格的形式進行液壓支架的網格劃分[5]。依照材料的形式，設定液壓支架的材料特性，對液壓支架進行靜力學分析，不考慮液壓支架的移動狀態，對其進行固定約束[6]，對三種不同的工況進行加載分析。

對三種不同工況下的液壓支架進行有限元靜力學分析，對得到的應力及變形結果進行分析。經過ANSYS計算，得到液壓支架的應力變化如下頁圖2中所示。從圖2中可以看出，三種不同的工況中，最大的應力值出現在頂梁偏載底座集中載荷的工況下，此時的應力最大值應為1 082 MPa，其余兩種工況下的應力最大值分別為785 MPa、719 MPa。從液壓支架的應力整體分布來看，三種不同的工況下，支架的高應力區域出現的位置各不相同，高應力的位置分別出現在液壓支架的頂梁、掩護梁、連桿和底座，具有一定的局部特性，支架整體的應力值不高，在頂梁片偏載底座扭轉的工況下局部特性更加明顯。

圖2 不同工況下的應力（MPa）分布

對液壓支架的變形記性分析，為支架的結構設計提供相應的參考。經過ANSYS的計算分析，得到三種不同工況下的變形分布如圖3所示。從圖3中可以看出，在工況一的情況下液壓支架的變形最大，最大的位移值約為30 mm，其他兩種工況下的液壓支架的變形相對較小，約為13 mm。從三種工況的液壓支架變形整體分析，三者的變形趨勢分布一致，由支架的頂梁位置處向底座逐漸過渡，變形量逐漸減小。液壓支架在工作過程中，隨著承載工況的不同，液壓支架的高度隨之發生變化，隨著工作高度的減小，整體的變形量逐漸減小，并且在液壓支架內部，各部件的變形量也由頂部向著底座逐漸減小。在進行液壓支架的設計過程中，依據變形量的大小，進行不同材料的選擇，逐漸選用強度高的材料或結構，提高液壓支架的性能。

圖3 不同工況下的變形（mm）分布

3 結論

仿真分析的結果顯示，在液壓支架的不同工況下，液壓支架應力最大時出現在頂梁偏載底座集中載荷的工況下，從液壓支架的應力整體分布來看液壓支架的高應力區域出現的位置各不相同，呈現一定的局部分布特性。液壓支架的最大變形量同樣出現在頂梁偏載底座集中載荷的工況下，液壓支架在工作過程中，各部件之間的變形量也由頂部向著底座逐漸減小。在進行液壓支架的設計使用過程中，依據液壓支架的應力及變形分布，要采用不同的材料及結構設計，才能提高液壓支架的整體性能，滿足大采高綜采的需求，從而提高煤炭開采的效率。