液壓支架關鍵部位承載安全性的研究

劉 怡

（鐵峰煤業有限公司，山西 朔州 037200）

引言

液壓支架是進行煤礦綜采的主要的支護設備，對煤礦井下的作業空間起到安全支撐的作用。在煤礦的開采過程中，液壓支架隨著采煤機的位置進行實時工作的調整，實現煤礦二代自動化開采[1]。由于煤礦開采過程中井下的環境惡劣，液壓支架的承載復雜多變，對其支護性能具有較高的要求。液壓支架的主體結構主要包括頂梁、掩護梁及底座，在液壓支架進行支護的過程中，頂梁和底座承受的載荷較大[2]，且直接與煤礦的工作面接觸，其承載能力對煤礦的安全性具有重要的影響[3]。針對液壓支架的關鍵部件，采用有限元仿真的形式對其承載安全性進行分析，從而保證液壓支架支護過程的安全性，保證煤礦的安全高效開采。

1 液壓支架關鍵部位承載分析模型的建立

液壓支架的結構主要包括頂梁、立柱、連桿、掩護梁、底座及推移機構，頂梁在工作過程中與頂板直接接觸，承受來自頂板的壓力，與立柱及掩護梁相連接；掩護梁可主要承受來自采空區巖層及頂板的水平載荷[4]，為井下的作業提供安全空間，上端與頂梁相連接，下端與前后連桿連接；立柱是液壓支架主要的部件，提供液壓支架升降的動力，兩端分別與頂梁及底座相連接；底座與工作面的底板直接接觸，通過液壓支架的頂梁將頂板的壓力傳遞至地板[5]，同時，底座與刮板輸送機相連接，作為自身及刮板輸送機移動的動力源。

對液壓支架的頂梁及底座關鍵部件進行承載安全性的分析，建立液壓支架的整體模型，在實際的工況中對其承載安全性進行分析。采用PRO/E 軟件進行液壓支架模型的建立，對其結構進行一定的簡化處理[6]，對承載時的關鍵部位進行真實表達，非關鍵部位進行簡化，主要結構的尺寸保持一致，對液壓支架的焊縫將其強度視為高于零部件自身的材料強度，將液壓支架部件看作整體進行建模。首先在軟件中進行各零部件的建模，采用連接裝配的形式對液壓支架進行裝配[7]，將底座固定，然后進行掩護梁、連桿等零部件的裝配，采用銷釘連接的方式進行裝配得到液壓支架的整體結構模型。

液壓支架在不同的工況下所受到的載荷作用不同，針對承載最大的頂梁偏載、底座扭轉的工況進行關鍵零部件承載安全的分析。采用有限元分析軟件ANSYS 進行模擬分析，將所建立的模型導入到ANSYS 軟件中，對其進行網格劃分處理。在ANSYS 中具有多種不同的單元類型適用于不同的模型分析中，針對液壓支架的分析，采用solid45 四面體實體單元的形式進行網格劃分[8]，對網格的大小控制在50 mm，由于液壓支架的結構較為復雜，采用自由網格的形式進行劃分，經過網格劃分處理得到液壓支架的模型如圖1 所示。

圖1 液壓支架網格劃分模型

2 液壓支架關鍵部位承載安全性的仿真分析

液壓支架的主體結構采用Q690 高強度焊接結構鋼進行制作，設定液壓支架材料參數為彈性模量為204 GPa，泊松比為0.3。針對頂梁偏載、底座扭轉的工況進行邊界條件的設定及載荷的施加，在液壓支架的頂梁及底座上設置墊塊組合模擬工況，對底座進行固定約束，限制底面自由度[9]，其余限制整體的轉動自由度。進行偏載分析時，支架的工作高度為最小工作高度加300 mm，所分析的液壓支架的最低工作高度為1 700 mm，即設定支架的工作高度為2 000 mm。液壓支架頂梁及底座承受的載荷通過立柱進行施加，頂梁的外載荷通過活柱施加，底座的外載荷由立柱的缸體進行施加[10]。進行偏載分析時外載荷以1.1 倍額定的工作壓力進行計算，所分析的液壓支架的額定工作壓力為86 MPa，則計算時受到的載荷作用為94.6 MPa，由此可對液壓支架的承載進行仿真計算，對頂梁及底座的承載安全性進行分析。

2.1 液壓支架頂梁的承載安全性結果分析

依據頂梁偏載、底座扭轉的工況對液壓支架進行加載計算，對頂梁的應力及位移進行提取，得到頂梁的承載安全性如圖2 所示。從圖2-1 中可以看出，將頂梁進行剖開分析應力變化，頂梁受到的應力主要集中在頂梁的左側附件的筋板位置，最大的應力值為881.6 MPa，然后為頂梁的下蓋板的位置處，其應力值為710 MPa，頂梁兩端的應力值較小。頂梁受到的最大應力值小于材料的抗拉強度920 MPa，可滿足液壓支架的使用[11]，但由于支架在工作過程中承受動載荷的作業，最大的應力值接近于材料的抗拉強度[12]，在承受動載荷時，存在發生破壞的危險，可對頂梁的結構進行進一步的優化，降低其應力集中的程度，使頂梁的應力分布更加均勻。從圖2-2 中可以看出，頂梁的位移沿著右側護板逐漸降低，最大的位移量為21.4 mm，相對頂梁的整體尺寸，位移變化量較小，滿足頂梁的安全承載要求。

圖2 頂梁承載安全性分布

2.2 液壓支架底座的承載安全性結果分析

依據頂梁偏載、底座扭轉的工況對液壓支架進行加載計算，對底座的應力及位移進行提取，得到底座的承載安全性如圖3 所示。從圖3-1 中可以看出，在扭轉載荷的作用下，底座在過橋位置處受到的應力值最大，最大的應力值為913 MPa，然后為底座的小孔連接的位置處，其應力值為325 MPa，底座其余位置所受到的應力值較小。底座受到的最大應力值同樣小于材料的抗拉強度920 MPa，可滿足液壓支架的使用，但最大的應力值接近于材料的抗拉強度，在承受動載荷作用時，薄弱的區域容易產生破壞，影響液壓支架支護的安全性，應對底座的結構進行進一步的優化，使底座的應力分布更加均勻，減小所受到的最大應力作用。從圖3-2 中可以看出，底座的位移主要發生在右側部分，最大的位移量為11.9 mm，相對底座的整體尺寸，位移變化量較小，滿足底座的安全承載要求。

圖3 底座承載安全性分布

3 結語

液壓支架是進行煤礦支護的重要設備，在使用過程中，承受的載荷較多且復雜多變，對液壓支架的零部件承載性能具有較高的要求。液壓支架的頂板及底座作為與頂板與地板直接接觸的部件，其承載的安全性對液壓支架的整體性能具有重要的影響。采用ANSYS 有限元分析的形式對液壓支架在承載較大的頂梁偏轉、底座扭轉的工況進行仿真分析，結果表明頂梁及底座的位移變形量均較小，滿足液壓支架的使用需求；頂梁存在一定的應力集中現象，頂梁及底座的最大應力值小于材料的抗拉強度，但承受動載荷作用時，存在破壞的危險，需對頂梁及底座的結構進行一定的優化，減小應力分布的梯度。通過結構優化提高液壓支架關鍵部件的承載能力，從而保證煤礦整體支護的安全性。