基于ANSYS的偏載條件下液壓支架仿真研究

王純 丁照龍

摘要：井下液壓支架的失效大都由于支架本身承受偏載作用力所引起。針對液壓支架偏載條件下的液壓支架整體進行結構分析，研究液壓支架在惡劣工況下的響應。首先，對于液壓支架及其井下所受的偏載工況進行了詳細介紹。其次，在ANSYS Workbench 中對各個部件進行單獨建模，帶入空間力系分析結果進行有限元分析。最后，建立起ZY20000 液壓支架整體分析模型，深入研究針對偏載試驗不同的邊界條件對其受力分析的影響。研究結果表明：液壓支架在偏載條件下，最大應力發生在支架頂梁承受偏載壓力附近。該研究結果為液壓支架結構優化設計提供了理論基礎。

關鍵詞：液壓支架;受力分析;ANSYS仿真

中圖分類號：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0082-02

0? 引言

據相關統計，截止目前我國大型煤炭企業采煤機械化程度達到96.1%，意味著包括液壓支架在內的三機配套作為機械化采煤的核心裝備得到廣泛的應用。液壓支架是保證煤礦井下安全作業的關鍵設備，主要作用包括支撐與控制工作面的頂板、實現對采空區的隔離、防止采空區頂部落下的矸石影響采煤工作面[1]。除此之外，液壓支架還能夠與采煤機配合，保證采煤作業的高效生產。

煤礦開采面的頂板存在離層和破碎現象，導致液壓支架整機承受單側受力的危險工況。并且，從液壓支架的型式試驗和井下作業的實際工況進行分析，井下液壓支架的失效大都由于支架本身承受偏載作用力所引起。

本文聚焦于液壓支架偏載條件下整體結構分析，研究液壓支架在惡劣工況下的響應，通過空間力學分析得出各個組件銷軸接觸部位的力、扭矩和約束條件，對液壓支架的各個組件進行有限元分析，然后對液壓支架整體進行建模分析，研究整個支架在偏載作用下的響應，對于提高支架的安全性、穩定性具有重要意義[2]。

1? 液壓支架及其偏載工況介紹

液壓支架是井下安全作業的重要支護設備。液壓支架工作原理是以高壓液體作為整機動作實現的驅動力。結合其他零件、部件以及液壓元件等部分組合形成的一套具有支撐與控制工作面的設備。其主要作用是支撐煤礦井下頂板不發生塌陷、保證井下工作人員與井下作業空間的安全以及確保井下工作面正常推進[3]。

從液壓支架的型式試驗和井下使用情況來看，支架的破壞部位多集中在掩護梁和四連桿焊縫處，液壓支架的失效大都由于支架本身承受偏載作用力所引起。

液壓支架整機包括9個主要組成部分，分別為頂梁、平衡千斤頂、掩護梁、后連桿、前連桿、底座、外缸體、中缸體、小柱等。液壓支架的底座通過和底板的相互作用傳遞支撐力。并且，底座位于整機結構的最底部，用于支撐其他的組成部件[4]。

液壓支架中，連桿的作用是連接掩護梁與底座。掩護梁、底座以及前、后連桿鉸接構成雙鉸式四連桿機構，以保證液壓支架在升降動作時，頂梁前端頂點的運動軌跡呈現直線特征。同時，四連桿機構還可改善支架的承載能力和增強支架的穩定性。

液壓支架的掩護梁與頂梁及底座相互連接。其作用是支撐整機受到的水平作用力以及由于垮落頂板時巖石的重力，起到防止井下采空區掉落的矸石進入液壓支架的作用[5]。 液壓支架的頂梁通過和頂板發生接觸，實現傳遞支撐力的作用，進而起到護頂正常作業的承載構件。針對不同架型的頂梁來講，液壓支架也具有不同的結構特點。若按照縱向的連接方式進行劃分，可將頂梁劃分為整體式與分段鉸接式兩種形式。整體式頂梁具有結構相對簡單、頂梁頂部提供支撐力相對較大以及人工操作較為方便的優點。但整體式結構在尺寸較大的情況下存在不便運輸與安裝的缺陷。相對整體式頂梁來講，鉸接式頂梁具有接頂能力較好、安裝運輸方便的優點。但鉸接式頂梁存在頂梁頂部提供支撐力較小、結構形式相對復雜的缺陷。

液壓支架的立柱是實現底座、頂梁以及掩護梁的連接部分。對其要求是能夠實現高度的調節，并且能夠在較強的壓力作用下保證變形最小。雙作用式是立柱的常見結構形式。并且有全液壓以及液壓加機械調整伸縮的兩種控制形式[6]。

液壓支架的千斤頂是實現支架整機（除立柱外）完成推移動作、護幫以及調架等功能的其它液壓缸的總稱。其工作原理與結構型式與立柱相似，并且多采用單伸縮雙作用的運動形式。千斤頂在實際工況條件下所承受的載荷通常要比立柱小。因此，千斤頂的缸徑相對較小，目前應用中，較為常用的缸體直徑一般為φ63～φ200。除此之外，千斤頂的兩端通常采用鉸接銷軸式的連接方式。

通過對支架進行應力測試時發現，支架在偏載工況和其他復雜受力情況下，掩護梁和四連桿機構的相同測點的應力值可達支架正常受力狀態下的2～4倍。

2? 液壓支架偏載受力分析模型建立

本文以ZY20000/33.5/68D型大采高掩護式液壓支架作為研究對象，三維模型圖如圖1所示。該類型液壓支架為兩柱掩護式液壓支架，采高大，支護強度高，采用電液控制，預留各傳感器的安裝位，具備工作面升級自動化開采的條件，能夠滿足大采高以及一次采全高工作面的高產高效開采。

ZY20000型液壓支架的額定負載為20000kN。整機的最大高度為6.8m，最低高度為3.35m。其支護強度為 1.62～1.68MPa、中心距2.05m。由于本文聚焦于其結構分析，對立柱和千斤頂不進行研究，不失一般性。

對ZY20000支架的頂梁偏載做靜力分析，支架在偏載試驗時，頂梁上有偏載的垂直合力為P，水平摩擦合力為Pr，偏心距為e，每根立柱的支撐力為R，四根連桿分別受力為N1、N1’、N2、N2’，并設受拉為正，其受力分析如圖2所示。

在對液壓支架整機進行靜力學分析過程中，對于整機中各零件與部件之間的連接間隙相對較小，對于連接部分所造成的受力變形進行忽略處理即可。因此，可以認為兩側連桿延長線的交點C與C‘的連線與Y軸仍平行。按照圖2中對于液壓支架的靜力分析圖，可以明確液壓支架的載荷分布情況，對于后期液壓支架的有限元分析過程中邊界條件的施加提供了理論基礎。

3? 液壓支架偏載條件下的有限元分析

在 ANSYS Workbench中支持對連接處設置轉動副（joint-Revolute），通過對ZY20000型液壓支架整體建模，并對其中底梁、四連桿、掩護梁和頂梁的連接銷軸處設置相應的轉動副，可以對其進行非線性求解。并且需要在 ANSYS Workbench自帶的模型處理軟件中把頂梁實體化并 對其上表面進行分割，分割出需要進行側加載的墊塊面。

對于液壓支架底梁和四連桿轉動副的設置，需要對每個需要銷軸連接的不同的部件上的銷軸孔進行配對設置。四連桿與掩護梁、掩護梁與頂梁直接的轉動副設置同理。

設置轉動副后，對銷軸孔連接處的兩個相鄰屏幕設置 contacts參數。本文選擇Frictionless（無摩擦）接觸條件對底梁和四連桿進行設置，四連桿與掩護梁、掩護梁與頂梁的設置同理。設置完轉動副和接觸面后，即建立成功了 ZY20000型液壓支架的非線性整體分析模型。

施加約束和受力，本文在ANSYS Workbench中分別用固定約束條件、位移約束條件以及帶銷軸孔約束條件這三種方式進行計算。整體約束較為簡單，底梁和墊塊位置施加一個固定約束，在立柱的上下柱窩施加沿立柱方向的1.2倍的公稱阻力即24000kN的壓力。按照上述流程進行力學仿真的設置，提交分析可以得到液壓支架整機的應力云圖，如圖3所示。

從仿真結果可以看出，液壓支架在偏載條件下，最大應力發生在支架頂梁承受偏載壓力附近。液壓支架整機在受到偏載力的工況下最大應力為3339.4MPa。可見，偏載條件下液壓支架的最大應力要大于材料的屈服強度。因此，本文研究結果為液壓支架結構優化設計提供了理論基礎。

4? 結束語

本文基于ANSYS對偏載下的液壓支架進行有限元仿真分析。針對液壓支架及其井下所受的偏載工況進行了詳細介紹。以ZY20000型液壓支架為例建立了三維模型。基于三維模型，對偏載條件下液壓支架整機進行了有限元仿真分析。仿真結果顯示，液壓支架在偏載條件下，最大應力發生在支架頂梁承受偏載壓力附近。本文研究結果為液壓支架結構優化設計提供了理論基礎，對于指導液壓支架的結構設計具有重要的工程實際意義。

參考文獻：

[1]邢福康.煤礦支護手冊[M].煤炭工業出版社，2009.

[2]李炳文，王啟廣.礦山機械[M].中國礦業大學出版社，2011.

[3]高悅.綜放支架四連桿機構分析及程序設計[J].煤，2001 （02）：12-15.

[4]梁醒培，劉九豐，劉巖，朱詩順.液壓支架底座結構強度優化[J].礦山機械，1997（09）：4-6.

[5]梁超.液壓支架四連桿機構變參數化仿真分析[J].礦山機械，2011（03）：18-20.

[6]程居山，王錫法.液壓支架四連桿機構的優化設計[J].山東礦業學院學報，1991（01）：15-19.