不同工況下大采高液壓支架的結(jié)構(gòu)分析

王東祥，劉 偉

（1.國能蒙西煤化工股份有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 014300；2.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島 266000）

0 引言

煤是世界上最主要的一種資源，它的安全和高效利用已成為世界各國研究的熱點。隨著中厚煤層開采機械化水平的提高，安全、高效、高采出率的開發(fā)，是當(dāng)今國內(nèi)外采掘工作的一個重要課題。根據(jù)國家節(jié)約能源政策，采用一次高頂方式，進行了大采高液壓支架的分析和試驗。因此，設(shè)計高性能、高可靠性的液壓支架是實現(xiàn)礦井機械化的關(guān)鍵。

楊曉東[1]以某礦18202 工作面8 號煤層為研究對象，自主研制了大采高綜采設(shè)備并進行了工業(yè)試驗。結(jié)果表明，該裝置工作良好，支護機構(gòu)能有效控制煤壁帶現(xiàn)象的發(fā)生，支撐效果理想；肖鋒等[2]為了確保百噸液壓叉車的安全性和可靠性，在綜采工作面上創(chuàng)建了三維底盤幾何結(jié)構(gòu)，簡化了基本分析，并允許在滿載操作和制動條件下進行應(yīng)力分布；許姣等[3]為確定超前液壓支護在高采工作面的工作阻力，采用現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察理論分析和數(shù)值模擬分析，對工作面巷道破壞和頂板位移進行了研究。趙峰等[4]為了提高液壓桿的可靠性，分析了ZY21000/38.5/83D 液壓桿在煤礦的實際使用情況，得出了在杠桿作用模型下蓋梁容易失效的結(jié)論；劉海勝等[5]為了快速有效地支撐大型煤礦的井壁和頂板，在分析大功率支柱液壓支撐原理的基礎(chǔ)上，采用確定支柱參數(shù)的方法，總結(jié)出“快、直、正、嚴、緊、凈”六字支撐技術(shù)；劉鑫志等[6]對不同工況下液壓支架性能進行動態(tài)仿真分析。在液壓支架的設(shè)計過程中，根據(jù)液壓支架的應(yīng)力分布和變形，需要不同的材料和結(jié)構(gòu)模型來提高液壓支架的整體性能，以滿足高機械恢復(fù)的需要；武云龍等[7]針對煤壁片幫和實際動載礦壓的問題，優(yōu)化了大采高液壓支架結(jié)構(gòu)，進行綜合設(shè)計，確保了煤層開采的高效和安全；文建國等[8]以霍州煤田甘河煤礦二礦區(qū)復(fù)雜的煤層地質(zhì)條件為背景，采用系統(tǒng)分析比較的方法進行支護選擇。計算了液壓支架的基本參數(shù)，分析了其結(jié)構(gòu)要求。李小磊等[9]介紹了ZE07 液壓支架液壓控制系統(tǒng)的組成及功能，液壓支架自動化及機架優(yōu)化，保證了大型采煤庫智能車間的安全高效生產(chǎn)；呂小廣等[10]針對大采高工作面頂板出界和支架不穩(wěn)等問題，利用支架的自動控制能力管理工作面頂板和煤壁的位置，做好液壓支架的防滑控制和防卸控制；王小雷等[11]研究了工作面液壓支架液壓8303 的系統(tǒng)檢測徹底密封了液壓支架張力規(guī)律和頂板支撐效果，為頂板控制和工作面液壓分析提供了可靠的設(shè)備和數(shù)據(jù)支持；仉志強等[12]在大直徑水力管道的試驗中，確定了Amesim管道模型和系統(tǒng)模型，管徑和初始壓力對液壓柱動態(tài)特性的影響，模擬結(jié)果表明，管道越長、管道直徑越大，初始管道壓力越高，提升過程越穩(wěn)定；雷照源等[13]研究了液壓支架在智能方面的應(yīng)用，根據(jù)智能組件和組件完成SAC 系統(tǒng)的邏輯優(yōu)化了支持SAC 系統(tǒng)的時間屬性；潘哲等[14]選擇12401 高層礦井液壓支架，分析支護圍巖系統(tǒng)的剛度特性，建立力學(xué)模型，研究支護圍巖體系作用機理，計算合理強度，選擇初始支護強度和極限強度分布規(guī)律。

液壓支架是各種工作面的主要設(shè)備，既要保證頂板的安全和采煤機的運動，又要保證其在大、高條件下的快速推進和提高。因此，液壓支架的適應(yīng)性和可靠性是該項工作的關(guān)鍵。為此改善大采高開采技術(shù)可靠性、高可靠性、高阻力、高功率、高自動化、高護頂和護幫效果。

1 大采高液壓支架三維建模

1.1 基于SolidWorks 的三維模型建立

SolidWorks 有兩種模式，分別為從頂?shù)巾敽蛷牡紫蛏?。由上而下的模型，需要從裝配好的結(jié)構(gòu)圖入手，增加新的部件，建立相應(yīng)的特性。從底部到頂部模型，需要先從構(gòu)件入手，確定構(gòu)件的特征，再進行裝配。本文的重點在于構(gòu)建一個由下至上的模式，采用SolidWorks，通過拉伸、切割、鏡像和掃描等方法，對各個部件進行三維建模。所有的部件都繪制好后，再根據(jù)圖紙上的機械裝配方式進行裝配（圖1）。

1.2 大采高液壓支架的受載工況

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范的要求，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的外部載荷特點，選取4 種不同的工作狀態(tài)（圖2～圖5，其中，頂梁、底座墊塊厚度50 mm），即上梁和下梁承受集中荷載，上梁偏心，下梁兩端集中，上梁偏心，下梁受扭矩負載。

圖2 工況Ⅰ（頂梁偏心加載、底座兩端加載）墊塊位置

圖3 工況Ⅱ（頂梁偏心加載、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷）墊塊位置

圖5 工況Ⅳ（頂梁、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷）墊塊位置

根據(jù)GB/T 3766—2001《液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件》可知，頂梁做偏載實驗，支架工作高度是在最小極限高度上增加300 mm，即3600 mm；而在其他實驗中，支架工作高度是在最大極限高度上減少300 mm（支架行程的1/3）、即5900 mm。

根據(jù)GB/T 3766—2001《液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，上橫梁支架的工作高度在最小極限高度增加300 mm，即3600 mm；對于其他試驗，工作高度為距最大極限高度降低300 mm（支架運動的1/3），為5900 mm。

2 有限元模型的建立

第1 步，進行模型輸入。

第2 步，進行材料屬性設(shè)置，ZY12000 掩護式油壓支架的主體材料按照Q690 為原料，其他材料為Q460，Q460 材料的結(jié)構(gòu)受力比較低，因此在模型中設(shè)定為Q690。這種物質(zhì)的彈性系數(shù)是2.1×10-10MPa，泊松比是0.3，密度為7850 kg/m3。

第3 步，選擇網(wǎng)格單元類型并進行劃分，ANSYS 軟件具有上百個單元類型，可用于各類實際問題的計算。SOLID45 是包含8 個結(jié)點的六面體形元件，精度較高，能夠滿足需要，因此本次選用SOLID45 的實體單位。

一般情況下，網(wǎng)格小，計算結(jié)果更精確，但網(wǎng)格太小，不僅不能改善分析的準確性，還會造成運算量的增大；網(wǎng)格太大，計算工作量減少，但計算的準確性下降，導(dǎo)致計算的錯誤增加。經(jīng)過多次篩分實驗，通常采用40～60 mm 的網(wǎng)孔，而這一次選擇50 mm的網(wǎng)孔，既能保證精度又能保證經(jīng)濟。

其次是對柵格進行分割，將其分成兩類：投影柵格和自由柵格。前者需要有規(guī)則形狀、排列均勻的單元，而后者沒有特別的需求。由于該支架的構(gòu)造比較復(fù)雜，故本次設(shè)計中采取了自由網(wǎng)格法（圖6）。

圖6 液壓支架自由網(wǎng)格劃分

第4 步，添加約束與載荷，按照GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第1 部分：通用技術(shù)條件》的規(guī)定，在支架的頂部和底部安裝4 個不同的墊片，以模擬井下的實際工作狀態(tài)，如果將墊片上的壓力作為外力來處理，則不能用力學(xué)分析的方法來解決。因此，在隨后的分析中，將墊片所受的負荷視為一個邊界條件。添加約束與外載荷見圖7。

圖7 添加約束與外載荷

根據(jù)GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第1 部分：通用技術(shù)條件》規(guī)范要求，頂梁偏載實驗的外載荷按1.1 倍額定工作阻力計算，其余實驗按1.2 倍額定工作阻力計算。

頂梁偏載數(shù)據(jù)計算：

其中，P1、P2分別為頂梁和底座的載荷，Q 為立柱額定工作阻力，A1為活柱橫截面積，A2為立柱缸體橫截面積，θ1為立柱與頂梁在豎直方向的夾角，θ2為立柱與底座在豎直方向的夾角。

經(jīng)計算得出：P1=94.646 MPa，P2=28.604 MPa。

3 4種不同工況下的有限元分析

3.1 頂梁偏心、底座兩端加載

采用ANSYS 計算所有支架的應(yīng)力和位移，如圖8 所示。

圖8 液壓支架整體位移、應(yīng)力云圖（工況Ⅰ）

由圖8a）液壓支架的總體位移云圖可知，最大位移為44.635 mm，最大位移出現(xiàn)在頂梁右板，第二位在掩護梁右邊，其他部位的位移較小。由圖8b）液壓支架的總體應(yīng)力云圖可知，液壓支架各個構(gòu)件的應(yīng)力值差異很大，而且其應(yīng)力分布也不盡相同，最小應(yīng)力為2.62×10-5MPa，最大應(yīng)力為626.06 MPa，最大應(yīng)力集中在頂梁，最大應(yīng)力比Q690 低。

3.2 頂梁、底座兩端集中加載

采用ANSYS 對整個框架進行應(yīng)力和位移的計算，如圖9 所示。

圖9 液壓支架整體位移、應(yīng)力云圖（工況Ⅱ）

由圖9a）液壓支架的總體位移云圖可知，最大位移為31.22 mm，最大位移出現(xiàn)在頂梁中部，其他位置位移較少。由圖5b）液壓支架的總體應(yīng)力云圖可知，支架的最小應(yīng)力約為1.175×10-5MPa，最大應(yīng)力集中于頂部梁，已經(jīng)超過1289.7 MPa。而防護梁、連桿和底座受力比較小，說明各構(gòu)件的受力差異很大，同一構(gòu)件的應(yīng)力分布也不盡相同。

3.3 頂梁、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷

采用ANSYS 對液壓支架進行全面的分析，如圖10 所示。

圖10 液壓支架整體位移、應(yīng)力云圖（工況Ⅲ）

由圖10a）液壓支架的總體位移云圖可知，支架的最大位移為45.857 mm，最大位移出現(xiàn)在底座的后側(cè)，其次是后連桿的下部，頂梁、掩護梁和前連接件的位移最小。由圖10b）液壓支架的總體應(yīng)力云圖可知，支架最小應(yīng)力為6.98×10-10MPa，最大應(yīng)力809.26 MPa，最大應(yīng)力集中于底座，后連桿次之，頂梁、掩護梁和前桿受力比較低，說明各構(gòu)件的應(yīng)力分布差異很大，同一構(gòu)件的應(yīng)力分布也不盡相同。

3.4 頂梁偏心加載、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷

在頂梁偏心加載、底座承受扭轉(zhuǎn)狀態(tài)時，采用ANSYS 軟件建立位移云圖和應(yīng)力云圖，用于分析整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移（圖11）。

圖11 液壓支架整體位移、應(yīng)力云圖（工況Ⅳ）

由圖11a）液壓支架的總體位移云圖可知，支架的最大位移值為75.447 mm，最大值出現(xiàn)在梁的中間和右邊，接著是掩護梁和底座，最大位移最少。由圖11b）的液壓支架的總體應(yīng)力云圖可知，支架的最小應(yīng)力在1.5×10-5MPa 左右，最大應(yīng)力在1 488.4 MPa左右，在這種情況下液壓支架上的應(yīng)力分布非常復(fù)雜。頂梁、掩護梁、底座等處的應(yīng)力集中表明，構(gòu)件之間的應(yīng)力差較大，同一構(gòu)件上的應(yīng)力分布不均勻。在這些結(jié)構(gòu)中，最大的是頂梁，超過了Q690。

3.5 4 種工況結(jié)果分析（表1）

表1 液壓支架結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力和最大位移

由表1 可知，在4 種工況下，頂梁和底座受到扭轉(zhuǎn)載荷時，屋面梁和基礎(chǔ)受到扭轉(zhuǎn)載荷時，頂梁的應(yīng)力最大。根據(jù)ANSYS的液壓支架結(jié)構(gòu)的受力情況，發(fā)現(xiàn)其主要原因是受力的影響，如頂梁、底座等。在試驗條件下，各部件的最大應(yīng)力值均與Q690相近或超過，雖然應(yīng)力集中對各部件的受力無明顯的影響，但在動態(tài)荷載作用下，各部件均有損傷，因此必須加以改善。

4 結(jié)論

（1）將液壓支架測試準則與外部載荷分析相結(jié)合，選取4 種工況下的典型載荷，并使用ANSYS 分析，得出應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。由于液壓支撐受力區(qū)域內(nèi)的壓力大于其屈服強度，因此必須對其進行結(jié)構(gòu)改造，從而增加其安全性。

（2）液壓支架在4 種工況下模擬測試，結(jié)果表明：加強板、側(cè)板和定位側(cè)板頂梁的張力集中，參照ZY12000/33/62 大采高液壓支架頂梁優(yōu)化結(jié)果，將頂梁的筋板、側(cè)板及護板加厚到50 mm。改進后減少大采高液壓支架的質(zhì)量，提高了其承載能力，滿足實際工況要求。