多工況下礦用液壓支架承載性能分析及優(yōu)化

吳森茂

(山西焦煤集團有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

0 引 言

隨著煤礦開采技術(shù)的科技進步，煤礦綜采方式能夠提高采煤作業(yè)的效率，實現(xiàn)自動化開采，不僅減輕井下作業(yè)人員的勞動強度，也大幅度提高了煤礦的生產(chǎn)安全。在進行煤礦綜采的過程中，液壓支架是重要的頂板支撐設(shè)備，液壓支架通過金屬構(gòu)件的作用對頂板進行支撐，將采空區(qū)進行有效的隔離，保證作業(yè)面開采的安全。井下開采過程中，作業(yè)環(huán)境惡劣，液壓支架的承載較大，因此，液壓支架的承載應(yīng)力和性能優(yōu)劣是關(guān)鍵。液壓支架的主要承載構(gòu)件包括頂梁、掩護梁、底座和連桿等，這些構(gòu)件的承載性能決定了的液壓支架整體功能和作用[1]。

筆者針對液壓支架的結(jié)構(gòu)和承載性能，采用有限元方式進行分析，確定液壓支架的應(yīng)力狀況，改善液壓支架的承載狀態(tài)，為液壓支架的優(yōu)化設(shè)計提供參考，為煤礦的綜合機械化開采提供保障和安全。

1 液壓支架有限元分析模型的建立

采用計算機信息技術(shù)，對液壓支架的模型進行數(shù)字化設(shè)計，結(jié)合先進的制造、仿真技術(shù)，并將這種信息技術(shù)用于液壓支架的全生命周期中，實現(xiàn)對液壓支架的全方位管理。首先對液壓支架的承載性能進行分析，采用Solidworks三維建模軟件建立液壓支架的整體模型，采用Simulation功能可以直接對模型進行有限元分析[2]。

為了簡化有限元分析進程，對液壓支架模型需要進行一定的簡化處理。在建模時，對液壓支架的承載性能進行分析，非承載部件需要進行簡化，對于整體受力結(jié)構(gòu)影響不大的細小結(jié)構(gòu)也進行一定的簡化[3]。首先液壓支架采用自下而上的方式對主要構(gòu)件進行建模，然后進行裝配，對裝配完成后的模型需要采用干涉進行檢查，得到液壓支架的整體模型如圖1所示。

圖1 液壓支架整體裝配模型

采用Simulation對液壓支架的承載性能進行模擬分析時需要進行網(wǎng)格劃分。采用基于曲率的網(wǎng)格劃分形式進行網(wǎng)格劃分處理，設(shè)定網(wǎng)格單元的大小。

設(shè)定選用的鋼板材質(zhì)為Q690，液壓支架承受的載荷作用為立柱及頂板對支架的作用力，設(shè)定底座為固定約束，對于液壓支架構(gòu)件間的銷軸添加為剛性連接，允許構(gòu)件間的轉(zhuǎn)動，但不允許相互間的平移[4]。由此，對不同工況下的液壓支架的承載進行模擬分析。

2 液壓支架三種工況下的承載性能分析

2.1 液壓支架承載的工況劃分

液壓支架承受來自頂板的壓力，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，液壓支架承載的工況隨機多變。當(dāng)液壓支架承受集中載荷作用時，由于頂板的高度不一致，容易造成液壓支架的頂梁的單點接觸或單線接觸，承載工況較為惡劣。當(dāng)頂板松動或者冒落時，頂板的集中載荷作用于液壓支架的一點一線或者兩點兩線。當(dāng)煤層厚度不均，造成頂板不穩(wěn)定的開采面時，使得液壓支架的承載變?yōu)榉菍ΨQ的集中載荷作用，此時頂板對于液壓支架不僅有縱向載荷的作用，還有橫向扭轉(zhuǎn)載荷的作用，此時液壓支架容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)損壞[5]。

依據(jù)液壓支架承載作用的不同，結(jié)合液壓支架的特性，選取三種液壓支架典型工況，分別為頂梁和底座兩端集中載荷作用，頂梁偏心底座兩端集中載荷作用，頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷作用。對于所建立的液壓支架模型，分別施加此三種典型工況的載荷作用進行分析[6]。

2.2 液壓支架不同工況的承載性能模擬分析

依據(jù)三種不同的典型工況對液壓支架承受應(yīng)力變化進行分析，得到頂梁和底座兩端集中載荷作用時液壓支架的應(yīng)力變化如圖2所示。從圖2中可以看出，此種工況下，應(yīng)力主要分布在頂梁和底座上，其他構(gòu)件受到的應(yīng)力較小。液壓支架的最大應(yīng)力為662 MPa，不同構(gòu)件上的應(yīng)力差異較大，且應(yīng)力的分布不均，具有一定的梯度。

圖2 工況一液壓支架的應(yīng)力變化圖

頂梁偏心底座兩端集中載荷作用時液壓支架的應(yīng)力變化如圖3所示。從圖3中可以看出，此種工況下的應(yīng)力同樣主要分布在頂梁和底座上，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在掩護梁上，最大應(yīng)力值為632 MPa，其余構(gòu)件上的應(yīng)力值較小。

圖3 工況二液壓支架的應(yīng)力變化圖

頂梁偏心底座扭轉(zhuǎn)載荷作用時液壓支架的應(yīng)力變化如圖4所示。從圖4中可以看出，此種工況下同樣頂梁和底座承受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂梁的頂板上，最大應(yīng)力值為675 MPa，其余構(gòu)件的應(yīng)力值較小。

圖4 工況三液壓支架的應(yīng)力變化圖

通過以上分析可知，在三種不同的典型工況下，液壓支架的頂梁和底座承受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值均滿足使用的需求，但液壓支架的其余構(gòu)件承受的應(yīng)力較小，應(yīng)力分布不均。這種應(yīng)力間的梯度的分布，不利于液壓支架的整體使用，因此，應(yīng)對液壓支架的結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化，減少應(yīng)力分布不均，從整體上提高液壓支架的使用性能。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用

對液壓支架的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以支架承受的附加力最小為目標(biāo)，選擇掩護梁、底座的結(jié)構(gòu)及四連桿結(jié)構(gòu)作為設(shè)計變量，結(jié)構(gòu)件的相對尺寸關(guān)系為約束條件，采用SolidWorks對支架的主體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化迭代，得到優(yōu)化后的液壓支架結(jié)構(gòu)。依據(jù)受應(yīng)力最大的工況三的條件進行優(yōu)化后的應(yīng)力分析，得到如圖5所示的應(yīng)力分布。

圖5 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖

從圖5中可以看出，液壓支架的最大應(yīng)力為640 MPa，最大應(yīng)力值有所減小，且支架的整體應(yīng)力分布較為均勻，改善了支架應(yīng)力分布的不均性。通過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以減少液壓支架承受的最大應(yīng)力，降低應(yīng)力分布的不均性，提高了液壓支架的使用性能。

4 結(jié) 語

針對液壓支架的三種典型工況進行承載性能的分析，并依據(jù)分析結(jié)果對液壓支架的結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以減少液壓支架承受的最大應(yīng)力，降低應(yīng)力分布的不均性，提高了液壓支架的使用性能。采用SolidWorks自帶有限元分析及優(yōu)化功能，在對液壓支架進行應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，通過新建算例完成了液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供了一種高效便捷的途徑，可以為實際的工程應(yīng)用提供更加合理的設(shè)計方案，具有廣泛的參考價值。