大采高采場液壓支架的靜力學分析

劉錦武

（西山煤電西曲礦綜采二隊， 山西 古交 030200）

引言

礦井工作面開采所需的采掘設備之一為液壓支架，其主要負責采空區覆巖支撐以及保護開采設備和工作人員的安全。大采高采場煤層厚度較大，與普通采高工作面相比，其開采過程會引起更加強烈的沖擊載荷作用，同時煤壁發生失穩破壞的范圍和概率均較大，工作人員的安全也存在較大隱患；一般的液壓支架在大采高條件下容易發生壓架以及護幫板損壞等現象，故對液壓支架工作穩定性要求更高，大采高條件下液壓支架需要有較大的功率、較高的支護阻力以及運行的可靠性。在液壓支架完成其內部的結構設計后需要進行強度檢驗[1-3]，審核各個構件在采場礦壓的作用下是否可以保持較為穩定的工作狀態，而檢驗的主要方法就是對支架進行靜力學分析。本文以大采高采場超靜定液壓支架為研究對象，主要通過數值模擬的方法對支架進行靜力學分析。

1 支架介紹

本文研究的支架結構如圖1所示。該支架的主要結構包括立柱、千斤頂、底座以及伸縮掩護梁等。該支架設計支撐立柱數為8，這樣對頂梁施加的載荷分布較為均勻，支架支護阻力通過立柱和安全閥來調節；該支架為超靜定液壓支架，控制覆巖變形的效果更好；支架立柱內部的液柱較長，受力時的壓縮性較好，故可承受較強烈的沖擊載荷作用，該立柱同時通過銷軸與頂梁和底座連接，故支架在采場覆巖運移變形的作用下所受載荷依然會平行于立柱軸線方向，發生偏載的可能性大大減小，故立柱工作的穩定性得到提升。

在數值模擬過程中可得到支架主要構件的受力和變形特征，在監測支架強度的同時還能及時發現工作強度較為薄弱的構件，為支架在采場中工作的穩定性提供一定依據。

圖1 大采高采場支架結構簡圖

2 有限元法介紹

有限元法對研究對象的應力和變形特征[4]進行分析時可劃分為以下5個流程：

1）認為研究對象由許多多面體單元構成，各單元之間的接觸方式為點接觸。同時數值模擬計算結果的精確程度隨著劃分單元數目的增加而提高。

2）建立單元剛度矩陣，如式（1）所示，通過位移模式對研究對象的各個單元進行分析。

3）確定研究對象的邊界約束條件，根據應力平衡方程推導研究對象的有限元如式（2）所示。

4）通過合理的算法和邊界條件來求解式（2），從而得到單元節點的變形情況。

5）基于彈性力學相關知識得到單元的應力和變形值。具體分析流程如下頁圖2所示。

由于液壓支架的組成構件數量太多，故對大采高采場超靜定支架進行有限元分析時需要對支架進行結構的合理簡化，對模擬結果影響較小的構件進行去除。本文所做的簡化如下所示：

圖2 有限元分析的流程示意圖

1）去除次要承載構件（護幫板、伸縮梁等），通過立柱內部的液柱進行載荷施加。

2）對各個構件的尖角和圓角等進行適當處理，從而簡化模型網格的劃分過程。

3）支架主要的承載構件均為箱式結構，模擬時認為承載構件的每一部分均為一個整體。

4）忽略支架內部銷軸等與鉆孔間的空隙。

本次對支架進行靜力學數值模擬時設置支架支撐高度為5.67 m，劃分單元體主要為四面體，由此建立的支架模型如圖3所示。

圖3 5.67 m支撐高度支架模型示意圖

礦井手冊中要求支架加載力為支護阻力的1.2倍，本次模擬通過立柱內部的液柱施加加載力，故確定加載力為55 MPa，對支架上部的頂梁和下部的底座施加速度和變形約束條件，則該支撐高度下模型的受載情況如圖4所示。

圖4 5.67 m支撐高度支架模型受載情況示意圖

3 數值模擬結果分析

3.1 支架頂梁穩定性分析（如圖5所示）

在圖5中，支架定量兩側施加了位移約束，從圖5-1中可以看出，頂梁中間位置為應力集中位置，集中載荷達到了410 MPa，這是由于支架兩側的位移約束相當于對這兩處進行了鉸接，從而使支架定量等同于鉸支梁模型；從頂梁中部到兩側，所受的載荷逐漸減小，整體上頂梁中部蓋板所受的載荷較大，平均為275 MPa。本文研究大采高支架定量的極限強度為700 MPa，由此說明頂梁所受的應力在安全范圍之內。

圖5 支架頂梁穩定性云圖

從圖5-2可以發現，從兩邊到中間，頂梁的變形逐步增大，最大值為7.5 mm，這依然是由于支架頂梁兩側位移約束的緣故，鉸支梁發生彎曲時中間位置的撓度最大。

3.2 支架底座穩定性分析（如下頁圖6所示）

在圖6-1中可以看出，底座的千斤頂耳板位置為應力集中位置，集中載荷達到了530 MPa，這是因為在支架受載過程中，為了最大程度對底座不同構件處的強度進行測定，通過千斤頂進行應力施加；整體上立柱與底座連接的銷軸周圍容易發生應力集中現象，比如支架豎立的筋板位置，但集中應力值均處于底座的極限強度之下。從下頁圖6-2可以發現，同樣是底座的千斤頂耳板位置變形最為顯著，其值大約為6 mm，該值要低于頂梁的最大變形，同時位移分布并不對稱，整體上支架底座不同位置的位移均在彈性變形范圍內，故底座穩定性較高。

圖6 支架底座穩定性云圖

3.3 支架掩護梁穩定性分析（如圖7所示）

支架頂梁和底座直接受采場采動引起的載荷作用，而支架掩護梁雖然沒有直接承載，但對于載荷的傳遞起到至關重要的作用，故掩護梁的靜力學特征也顯得尤為重要。從圖7中可以看出，掩護梁在頂梁連接耳板處為應力集中位置，同時也是位移最大點，集中應力值為380 MPa，最大位移為3.25 mm；整體上掩護梁的位移分布較為對稱均勻，遠遠達不到材料的極限變形值，故支架掩護梁在載荷作用下變形特征表現為彈性變形。

圖7 支架掩護梁穩定性云圖

3.4 支架連桿穩定性分析（如圖8所示）

支架連桿的主要作用同樣是進行載荷的傳遞，從圖8中可以看出，連桿在底座連接耳板處為應力集中位置，同時也是位移最大點，集中應力值為446 MPa，最大位移為3.7 mm；整體上支架連桿的受載強度較小，位移也遠遠未達到極限變形值，故連桿的工作穩定性也較高。

圖8 支架連桿穩定性云圖

4 結論

大采高采場對支架工作穩定性的要求要高于普通采高采場，而在液壓支架完成其內部的結構設計后需要進行強度檢驗，主要方法就是對支架進行靜力學分析，故本文以大采高采場超靜定液壓支架為研究對象，主要通過數值模擬的方法對支架進行了靜力學分析。主要結論如下：

1）對支架直接的承載構件（頂梁和底座）的穩定性進行研究，認為頂梁中間位置為應力集中位置，集中載荷達到了410 MPa，位移最大值為7.5 mm；底座的千斤頂耳板位置為應力集中位置，集中載荷達到了530 MPa，位移最大值為6 mm。

2）對支架內部起載荷傳遞作用構件（掩護梁和連桿）的穩定性進行了研究，認為掩護梁在頂梁連接耳板處應力和位移均達到最大，分別為380 MPa和3.25 mm；連桿在底座連接耳板處應力和位移同樣達到最大，分別為446 MPa和3.7 mm。

3）整體上，支架各個構件所受的應力均處在極限強度之下，位移均在彈性變形范圍內，故各個構件的穩定性較高。

參考文獻

[1]張丹.液壓支架強度分析[J].機械工程與自動化，2017（4）：54-55.

[2]何龍龍.液壓支架關鍵部位的有限元分析[D].西安：西安科技大學，2016.

[3]崔浩洋,周莎莎.基于并聯機構液壓支架運動學及靜力學研究[J].煤礦機械，2015（9）：72-75.

[4]徐海洋.少自由度并聯液壓支架的設計與研究[D].淮南：安徽理工大學，2015.