不同工況下的礦用液壓支架結構性能研究

李志勇

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034114）

引言

礦用液壓支架是井下作業中的重要支護設備，在煤礦環境中得到廣泛應用。但由于井下環境的惡劣性，液壓支架經常因受力過大、安裝不合理等因素而出現較大的整體結構變形，導致坍井事故發生，液壓支架結構性能的好壞直接影響著井下作業的安全。

1 液壓支架結構組成

礦用液壓支架是支撐井下工作面頂板的主要液壓支撐設備，該設備主要由頂梁、底座、掩護梁、立柱、推移裝置等部件組成，如圖1所示。具有前后移動靈活、支撐效果好、推動其他設備效率高等特點，在煤礦中得到廣泛應用。其各關鍵部件主要作用如下[1]。

圖1 液壓支架結構組成圖

1）頂梁結構。該結構下表面設置連接接口，可與掩護梁、立柱等結構進行連接，其上表面為平整平面，直接用于承受來自上部煤層的壓力，具有較強的結構強度和支撐力。

2）掩護梁結構。該結構上部與頂梁連接，下部與四連桿機構連接，主要用于承受頂部煤巖掉落所產生的壓力和來自頂梁所產生的作用分力，并為工作人員工作環境提供了更高的安全工作空間。

3）底座結構。該結構底部作用于地面，上部通過立柱連接頂梁，可將頂梁承受的外界壓力傳遞至地面，并在立柱作用下給其他設備提供強大的推動作用力，整體結構具有較強的剛度、強度、穩定性和承載能力。

4）立柱結構。該結構兩端分別連接頂梁和底座，是液壓支架中的關鍵部件，設置由強大液壓推力的液壓千斤頂，可為液壓支架提供較大的支撐力和推力，實現對頂梁不同位置的調節和變化[2]。

2 液壓支架模型建立

2.1 液壓支架主要參數確定

結合工程實際，選用ZY4000型掩護式液壓支架作為研究對象，對液壓支架的主要參數進行了設計計算，初步確定了液壓支架的支架高度、支架中心距、底座尺寸、頂梁尺寸等，具體參數值如表1所示。

表1 液壓支架主要參數值

2.2 液壓支架三維模型建立

根據液壓支架的結構組成和主要參數值，結合支架的工程實際結構，采用SolidWorks三維建模軟件，建立了包含頂梁、底座、掩護梁、立柱、推移裝置等關鍵部件的液壓支架三維模型，而其他非關鍵部件進行了簡化，具體模型如下頁圖2所示。

2.3 液壓支架工況確定

由于礦用液壓支架在實際工作過程中，其工作環境相當復雜，具有多種工況條件。因此，根據《液壓技術通用技術條件》、《煤礦用液壓支架》，結合工程實際，選擇了頂梁和底座集中加載和頂梁偏心加載與底座受扭轉載荷兩種工況作為液壓支架的分析工況，并對不同工況下的墊塊尺寸進行了設計，其具體說明如下[3]。

圖2 液壓支架三維模型圖

2.3.1 頂梁和底座集中加載工況（圖3）說明

圖3 頂梁和底座集中加載工況

圖3中墊塊的主要參數值如表2所示。

表2 液壓支架中墊塊主要參數值

2.3.2 頂梁偏心加載與底座受扭轉載荷工況（圖4）說明

圖4 頂梁偏心加載、底座兩端受扭轉載荷工況

圖4中墊塊的主要參數值如表3所示。

表3 液壓支架中墊塊主要參數值

2.4 液壓支架仿真模型建立

結合ZY4000型掩護式液壓支架的實際結構特點，將模型的材料屬性設置為了Q690材料，選用了SOLID45實體單元類型，網格尺寸取45 mm，采用ANSYS軟件對模型進行了網格劃分。經過理論計算，確定了施加在液壓支架上的頂梁和底座上的載荷大小，其值分別為94.7 MPa和23.7 MPa。由此，建立了礦用液壓支架的仿真模型，如圖5和圖6所示。

圖5 液壓支架網格劃分圖

圖6 液壓支架仿真模型圖

3 液壓支架不同工況下的仿真分析

3.1 頂梁和底座集中加載

圖7和圖8分別為液壓支架頂梁和底座均受集中載荷作用下的應力云圖和位移變化云圖。由圖7可知，液壓支架的整體受力較大，最大應力主要集中在頂梁的上表面，最大應力值為1 110 MPa，已超過液壓支架Q690材料的屈服強度690 MPa；且頂梁的中部、前端及后端也出現了較大的應力集中現象；而液壓支架的底座、四連桿、掩護梁等部件上的應力相對較小。由圖8可知，液壓支架的最大變形位移量為13.1 mm，主要發生在支架頂梁的中部，并向頂梁的前后兩端進行擴展；而液壓支架的其他關鍵部件的位移變化量相對較小。由此表明，在該種工況下，頂梁為最容易發生結構變形的部件，在產品設計及實際使用過程中，需進一步加強頂梁的結構強度，以此保障液壓支架在實際使用過程中的可靠性和安全性[4]。

3.2 頂梁偏心加載與底座受扭轉載荷

下頁圖9和圖10分別為液壓支架字頂梁和底座均受集中載荷作用下的應力云圖和位移變化云圖。由圖9可知，液壓支架的應力分布較為廣泛且分布不均勻，應力主要分布集中在頂梁、掩護梁、底座等關鍵部件上，其整體的最大應力主要集中在底座上值為913.1 MPa，超過了液壓支架Q690材料的屈服強度690 MPa，表明液壓支架的不同部位承受著不同大小、分布不均勻的應力現象。由圖10可知，液壓支架的頂梁右側發生了較大的位移變化，其最大位移量為21.5 mm，并逐步向頂梁左側、掩護梁處進行擴展；而支架的連桿、底座及掩護梁上位移量相對較小。由此表明，在該種工況下底座及頂梁為最容易發生結構變形的部件，在產品設計及實際使用過程中需進一步加強底座、頂梁的結構強度和結構保護措施，以此保障液壓支架在實際使用過程中的可靠性和安全性[5]。

圖7 液壓支架整體應力（MPa）云圖

圖8 液壓支架整體位移（mm）云圖

圖9 液壓支架整體應力（MPa）云圖

圖10 液壓支架整體位移（mm）云圖

4 結論

通過ANSYS軟件對ZY4000型掩護式液壓支架在不同工況下的仿真分析研究，結果顯示礦用液壓支架的頂梁、底座均出現了較大程度的應力集中和位移變化現象，在不同工況下均為主要的受力部件；在產品實際使用過程中，需加強液壓支架的結構強度，正確布置液壓支架的安裝位置，才能提高液壓支架的可靠性和使用壽命、保障井下作業安全。