不同工況條件下礦用液壓支架的整體結構性能研究

曾一鳴

(山西高河能源有限公司， 山西 長治 046000)

煤礦資源是推動國家發展的重要能源，也是當前國家主要使用的能源。經過多年的發展，逐步對煤礦資源的開采力度加大，越來越多的煤礦設備被應用到了煤礦開采中，其中，液壓支架是井下巷道作業中的重要支撐設備[1]。但由于井下環境的復雜性，液壓支架在作業過程中經常受到來自頂部的較大沖擊載荷作用，加上較多粉塵、瓦斯氣體的聚集，導致液壓支架經常出現結構變形、局部開裂、電機燒壞、立柱漏油等失效現象，一旦液壓支架的支撐性能降低，就會給井下的作業安全構成嚴重威脅。保證液壓支架具有較高的結構性能，成為當前企業須重點考慮的問題[2]。為此，在重點分析液壓支架工作原理的基礎上，采用有限元分析方法，開展了液壓支架在不同工況下的結構性能研究，提出了其設備的整體改進措施，這對提高液壓支架的支撐性能及使用壽命具有重要意義。

1 液壓支架工作原理分析

礦用液壓支架在煤礦開采中，主要負責對井下巷道的支撐作用，是保證巷道不發生坍塌事故的重要設備。目前，市場上應用較多的是支撐掩護式液壓支架，其結構主要包括頂梁、立柱、掩護梁、連板、底座、千斤頂、液壓系統、電氣系統等[3]。針對不同工況下的巷道高度，通過液壓系統來調節液壓支架頂梁高度，頂梁頂部與巷道頂板進行支撐接觸，底座底部與地面進行接觸，實現對巷道的支撐作用。當完成一個位置的煤礦開采后，液壓支架將隨采煤機一起向前移動，按照相同的操作步驟，完成對下一個工步的支撐作用。在井下的開采過程中，頂板經常會有大量的煤石掉落，直接沖擊在頂梁上，加上現場操作的不規范性，井下煤灰粉塵的聚集，導致液壓支架經常出現結構局部變形、局部開裂、電機燒壞、電路短路等問題，嚴重影響著其對巷道的支撐性能及安全性[4]。采用當前成熟的有限元分析方法，對液壓支架進行結構性能研究很有必要。

2 液壓支架結構分析模型建立

2.1 三維模型建立

由于井下工況的復雜性，為進一步、高效地掌握液壓支架在作業過程中的結構性能，采用了proe軟件，建立了三維模型。在建模過程中，主要包括了頂梁、底座、立柱、掩護梁、連板等結構部件，其他螺栓、銷軸等非關鍵部件均進行了模型省略。由于液壓支架部件中的圓角、倒角、非關鍵圓孔等特征均會影響液壓支架的分析速度及分析精度，故在建模時進行了模型簡化，僅保留了模型中的關鍵特征。所建立的液壓支架三維模型如圖1所示。

圖1 液壓支架三維模型

2.2 有限元分析模型

在完成液壓支架的模型建立后，將其保存為x-t格式，采用了ABAQUS有限元分析軟件，開展了液壓支架的仿真模型建立。在該軟件中，首先對模型中的各個部件進行約束連接，包括：頂梁與立柱之間為鉸接約束，頂梁與掩護梁之間為鉸接約束，立柱與底座之間進行鉸接約束，底座底部進行固定約束。根據液壓支架的實際使用材料，在軟件中，將其設置為Q345材料[5]，其材料的關鍵參數如表1所示。由于液壓支架中各部件均是實體結構，故對其進行網格劃分時，將其設置為實體單元類型，網格類型設置為四面體網格類型，網格大小為12 mm，并對部件的局部區域進行加密處理[6]。分析時間設置為10 s，分析步為0.05 s。由此，完成了液壓支架的有限元分析模型建立。

表1 Q345材料關鍵參數

3 液壓支架不同工況下結構性能研究

3.1 底座前端及頂梁兩端受扭轉載荷工況

通過仿真分析，得到了液壓支架在底座前端及頂梁兩端受扭轉載荷工況下結構應力及變形結果。由圖2可知，液壓支架在此工況下出現了較為明顯的應力分布不均勻現象，最大應力值達到了471.56 MPa，已超過了其材料的屈服強度345 MPa，主要出現在頂梁的中部縱向筋板和尾端連接板、底座的縱向筋板等區域。由圖3可知，液壓支架整體結構發生了較為明顯的結構變形，最大變形位移為3.177 5 mm，主要發生在設備的頂梁中部區域，沿著前后兩端變形位移呈逐漸減小趨勢。液壓支架掩護梁也出現了較為明顯的結構變形。由此證明液壓支架在此工況下，局部區域已發生了部分或大面積的結構失效現象，導致其結構出現此失效現象的原因為頂梁及底座的受力不均勻。液壓支架在此狀態下長時間作業，將極易出現結構及井下垮塌事故，需進一步對液壓支架進行結構改進設計。

圖3 液壓支架位移變化

圖2 液壓支架應力變化

3.2 底座兩端及頂梁前端受向下載荷工況

通過仿真分析，得到了液壓支架在底座兩端及頂梁前端受向下載荷工況下的應力及位移變化圖。由圖4可知，液壓支架整體結構也出現了較為明顯的應力集中現象，最大應力出現在頂梁中部柱窩區域、底座縱向筋板上，但最大應力為291.87 MPa，未超過材料的屈服強度345 MPa；在液壓支架頂梁后端及底座前端也出現了較為明顯的應力集中現象。由圖5可知，液壓支架整體結構也出現了較為明顯的結構變形現象，最大變形為2.978 4 mm，出現在頂梁的中部柱窩區域。由此可證明液壓支架在此工況下結構性能相對較好，未發生結構失效現象。

圖4 液壓支架應力變化

圖5 液壓支架位移變化

4 液壓支架結構改進

結合前文分析，發現液壓支架在不同工況下，其結構中的頂梁中部柱窩、底座中部縱向筋板等區域是整個結構的薄弱部位，長時間的超負荷作業，極容易影響整個液壓支架的結構安全性，為此，需對液壓支架進行優化改進設計。

1) 可將頂梁、底座等關鍵部件的材料由當前的Q345提高至40Cr材料，以提高其結構材料的屈服強度；

2) 將頂梁的頂板、柱窩、底部筋板等區域的材料進行結構加厚，材料厚度可增加2～4 mm，并在關鍵受力區域焊接加強筋板；

3) 對底座的縱向筋板進行結構加厚，材料厚度可增加2 mm，可有效提高底座的整體結構強度；

4) 針對頂梁及底座柱窩處在加工環節進行淬火的熱處理操作，以提高該區域的材料強度；

5) 定期對頂梁及底座的結構變形及開裂等情況進行維護保養，針對出現了結構開裂等失效問題，應及時進行結構維修操作，保證液壓支架具有較強的支撐強度。

5 結 語

在分析液壓支架工作原理的基礎上，利用proe和ABAQUS軟件，采用有限元分析方法，通過建立液壓支架的有限元分析模型，開展了液壓支架在不同工況下的結構性能分析研究，得出如下結論：

1) 在底座前端及頂梁兩端受扭轉載荷工況下，液壓支架頂梁中部柱窩及底座中部縱向筋板均出現了較為明顯的結構失效現象，長時間作業，將極可能影響井下的作業安全；

2) 在底座兩端及頂梁前端受向下載荷工況下，液壓支架頂梁中部柱窩及底座應力在材料的屈服強度范圍內，整體結構相對安全，對井下作業安全性的安全影響相對較小；

3) 針對頂梁、底座等部件，從結構尺寸、材料屬性、緩解應力集中等方面開展了液壓支架整體結構的優化改進；

4) 此研究對液壓支架的進一步優化改進設計提供了重要指導，對提高液壓支架的使用壽命具有重要意義。