ZF13000/21/40型放頂煤液壓支架仿真分析

李再蕾

（山西省潞寧煤業公司，山西 寧武 036700）

采煤機械化的推進，促進了我國煤炭綜采技術的發展，大大地提高生產率的同時，而且有利于煤炭開采現代化的戰略布置。機械化開采中液壓支架有著決定性的作用［1］，液壓支架對井下礦井開采的安全防護起著重要的作用。液壓支架在工作過程中受到的力主要為頂煤帶來的壓力，因煤層的變化而受力不均，產生偏載或扭轉，對液壓支架的安全影響較大。因此，如何對液壓支架進行進一步的結構改進，提高工況工作阻力，增強承載能力，適應多種工作環境至關重要。

自從1964年我國研究液壓支架以來，直至今日已經取得了良好的研究成果。國內學者對液壓支架做了大量的研究。閆洪元［2］等對液壓支架的俯采仰采受力狀況進行分析，結果表明液壓支架設計俯采時可能引起液壓支架的載頭或傾倒，仰采時可能導致支架的后翻和構件損壞；孫江鑫［3］對超靜定液壓支架立柱進行有限元分析，結果表明沖擊載荷對液壓支架有較大的影響，并提出相應的改進辦法；常曉宇［4］等通過對ZBD型液壓支架進行運動學分析與動力學分析，驗證支架結構參數設計的合理性和可靠性。

本文利用仿真分析軟件對ZF13000/21/40型放頂液壓支架在受到扭轉和偏載力時的變形應力情況進行研究，根據分析結果提出相應的改進方案，對液壓支架的設計完善有積極的意義。

1 液壓支架結構

液壓支架主要部分為：頂梁、掩護梁、底座、液壓支柱、推移設備、控制管路、各部件的連接設備和其他各種輔助裝置。頂梁、掩護梁和底座為主要的承載構件，頂梁與支護頂板接觸，起主要的承載作用，是頂部直接受力點，同時為掩護梁和支柱提供連接部件。底座與地面底板接觸，將頂板所受的力直接傳遞到地面，底座要為支柱和掩護梁提供連接座，同時需要安設千斤頂等輔助部件。支柱處于頂梁和底座之間，是液壓支架承力的主要部件，是頂梁與立柱力傳遞的媒介。支柱的結構尺寸決定著液壓支架的承載高度和承載重量。千斤頂是液壓支架輔助原件，是除支柱外的液壓設備，主要完成支架的移設、平衡、展開與收縮、定位等動作，是液壓支架安全可靠工作的重要部件。

2 液壓支架工作原理

液壓支架以液壓油為動力，利用液壓缸和多種閥的組合完成液壓支架的升降、支撐、推移運輸機等相關工作。液壓作為機械設備的主要驅動方式有著安全可靠、經濟合理、技術先進等優點，在當前的機械設備上運用較廣泛。

液壓支架的動作主要分為升、降、推、移四大過程，運動過程中油液壓泵站的高壓液壓油提供動力，由各種閥控制支架上的液壓缸進行伸縮，完成支架的不同功能。液壓支架的承載性能主要取決于液壓支架和礦井支護處的相互作用力，支撐過程主要分為三個階段，分別為初撐、承載和恒定承載。初撐階段是升柱過程中，頂梁初步接觸頂板起到支柱內液壓油的壓力達到工作壓力為止，停止供油，管路液控單向閥關閉，達到保壓狀態。支架初撐完成后，頂板的下沉會給頂板帶來額外的工作壓力，使支柱中液壓油壓縮，油壓增大，呈現出承載狀態。支架完全支撐頂板后，需要保持液壓支架位置不變，不會下沉，液壓油壓力為恒壓，稱為恒壓階段［5］。

圖1 液壓支架支護

液壓支架工作時的頂板受力情況見圖1，當煤層開采后，支架頂梁受到頂板巖石壓力。支架上的作用載荷主要分為兩大部分，一部分為直接頂作用產生的壓力Q1，另一部分為老頂產生的額外的壓力Q2。如果直接支撐頂比較完整，工作面上方為懸臂狀態，此時，Q1的壓力作用在工作面和支架。如果直接支撐頂比較碎散，工作面上方的頂煤已經斷裂，此時，Q1的壓力只作用在支架上。位于直接支撐頂上的老頂一般不與直接頂有聯系。當直接支撐頂在支架頂梁冒落時，老頂則呈現出懸臂梁狀態。老頂一邊支撐在垮落的碎煤上，另一端支撐在支架上的直接支撐頂上，由此形成載荷Q2，隨著開采的進度，老頂懸臂部分加長，Q2增大。老頂的懸臂增大到一定程度時，老頂斷裂，懸臂減小，Q2隨之減小。工作過程中，老頂產生的載荷Q2便一直處于增大、減小的反復過程中。

液壓支架的設計結構和液壓支架的液壓系統保壓能力，在開采一個步距后，支架需進行移架，滿足支護由開采而出現的新的頂板，必須能夠滿足支撐頂發生變化而引起的液壓支架受力不均或受扭轉作用力等各種情況。需要有足夠的安全系數設計。

3 液壓支架有限元分析

在頂板下沉過程中，受到頂板的壓力，可能支架頂梁與頂板有相對滑動現象，支架不僅受有垂直于頂梁的力 ，還受平行頂梁的力。而且液壓支架在實際工作過程中頂板可能會發生受力不均的情況。針對液壓支架受力不均的問題，對支架進行三維建模，并進行三維模型的簡化，通過有限元分析軟件對頂梁發生扭轉、偏載時的受力情況進行分析［6］。

支架有限元分析加載、約束條件按GB 25974.1-2010《煤礦用液壓支架 第1部分 通用技術條件》相關內容以及液壓支架現場實際使用時的實際受力數據在液壓支架模型上進行相應點位的設置。

3.1 頂梁扭轉分析

頂梁扭轉的液壓支架整體的應力云圖和頂梁的應力云圖見圖2、圖3。

仿真結果圖中，深藍色代表受到的應力較小，變形較小的區域，說明設計安全合理，青色為過度區域，黃色代表危險區域，液壓支架受力較為集中，液壓支架可能出現危險的情況，紅色代表液壓支架受力最為集中的區域，也是支架最危險的區域，結構有待改進和加強。

圖2 支架整體應力云圖

圖3 頂梁的應力云圖

通過分析各應力云圖，頂梁主筋、蓋板、頂板應力大小適中，局部達到400 MPa，彎板處應力過大，建議進行加厚或采用合理的結構設計減小應力；掩護梁頂梁主筋、蓋板、頂板應力大小適中，局部達到410 MPa，支架適應工作環境，工作穩定。

3.2 頂梁偏載分析

頂梁偏載時，支架整體應力圖、前連桿應力、掩護梁主筋，蓋板，頂板應力圖分別為見圖4、圖5、圖6。

圖4 支架整體應力云圖

圖5 前連桿應力云圖

圖6 掩護梁主筋、蓋板、頂板應力云圖

3.3 底座扭轉分析

圖7 底座扭轉應力云圖

通過分析各應力云圖，底座外主筋應力大小設計適中，前柱窩放水孔處應力稍大，整體在450 MPa左右，主筋貼板與主筋貼齊，可有效減少主筋上部拐點處應力；過橋板上有明顯的應力集中，集中區

通過分析選取應力較為集中的各部件應力云圖可知，頂梁主筋、蓋板、頂板應力大小適中，局部達到360 MPa；掩護梁蓋板處應力過大，應力范圍在670～780 MPa之間，此處需在結構上優化設計進行加強，掩護梁頂板中部箱體處也有相同問題，在結構上加強后可一并解決；前、后連桿上應力分布均勻、大小適中，局部達到280 MPa，較為安全。

底座扭轉的應力仿真分析，見圖7。域應力在800～1000 MPa，應對過橋板結構進行加強；底座內主筋在前部小墊塊處應力偏高，應力在1200 MPa左右，應對此處結構進行加強。

4 結語

本文對煤礦用液壓支架結構以及原理進行介紹，并對液壓支架進行三維建模，利用有限元仿真軟件對液壓支架工作過程中發生扭轉與偏移工況時，頂梁與底座進行應力分析。結果表明：

（1）在扭轉工況下頂梁的彎板處的彎板處應力過大，需采取合理的結構設計進行優化；

（2）在偏移工況下掩護梁蓋板和中部箱體處應力過大，應采取措施進行結構優化；

（3）在扭轉工況下底座過橋板上有明顯的應力集中，需采取措施進行結構性加強。