ZY9000型掩護式液壓支架頂梁兩端承載能力仿真分析

王含梅 劉耀月

（棗莊礦業集團柴里煤礦，山東 棗莊 277519）

采煤機、刮板輸送機、液壓支架是井下采煤工作的三大核心，俗稱“井下三機”，液壓支架作為井下核心支護設備，又是三機中的關鍵[1]。ZY9000型液壓支架是一種井下常用的液壓支架系統，這種液壓支架廣泛應用于各種井下環境。但是，液壓支架在井下應用環境多變，支架在井下工作時由于復雜的地質情況，使得其支護條件十分惡劣，受載狀態也十分多樣。

本研究是建立在柴里煤礦的實際應用場合下，在這種工況下，支架頂梁兩端受載就是一種臨界危險的受載情況。為了分析在柴里煤礦井下ZY9000液壓支架的兩端承載狀態，本文擬采用虛擬樣機分析方法，基于ANSYS Workbench的有限元分析方法，對柴里煤礦實際工作條件下支架頂梁兩端受載工況進行仿真分析，得到其受力及變形情況，從而得出該液壓支架是否滿足作業要求，為實際作業提供參考。

1 ZY9000液壓支架虛擬樣機建模

利用SolidWorks對ZY9000型液壓支架進行虛擬樣機建模，ZY9000型液壓支架由底座、液壓千斤頂、支架系統以及護板等組成，其中最主要的力承載部位為支架頂梁部分，對頂梁部分進行單獨建模。

2 搭建仿真平臺

2.1 建立頂梁三維模型

在搭建仿真平臺之前，由于ANSYS Workbench有限元分析軟件的建模功能相對較弱，對于建立復雜的三維模型存在一定的困難，因此可以使用SolidWorks模型進行導入，進行模型簡化之后，ANSYS Workbench中的頂梁模型如圖1所示，其中頂梁兩端為加載墊塊，墊塊的位置以及大小嚴格按照《礦用液壓支架 第一部分：通用技術條件（GB 25974.1—2010）》來建立[2]。

圖1 頂梁模型

2.2 模型網格劃分、約束及加載

模型建立完成后，將模型保存為“.igs”格式并導入進workbench軟件中，通過自由網格劃分功能，得到模型的網格如圖2所示。

根據該礦井下的支架作業支撐情況，可以得到兩端加載的情況下，支架作業處于極限工況，在仿真中的處理方法為：

（1）全約束兩加載墊塊上頂面，根據柴里煤礦井下的實際操作情況，可以得到兩端的加載載荷大約是頂面載荷，對頂梁兩柱窩面施加正常工作阻力的1.2倍載荷；

（2）設定鋼制材料模型的屈服極限為690MPa，完成仿真平臺的搭建[3-4]。

圖2 網格模型

3 結果分析

根據上述仿真平臺，通過模擬分析后，得到支架頂梁兩端加載時的應力以及應變情況如圖3、4、5所示。

由圖3可看出，頂梁在此工況下的極限應力為584MPa，極限屈服應力較大，但小于其材料約定的屈服極限690MPa。

由圖4、5可以看出，頂梁在此工況下的最大變形為3mm，根據《礦用液壓支架 第一部分：通用技術條件（GB 25974.1—2010）》頂梁相對殘余變形量不得超過0.4%[5]，相對殘余變形量是頂梁變形量與兩墊塊之間距離的比值，經計算得允許的最大變形量為10mm，所以變形量也符合要求。

對仿真結果進行總結，可以得到，在該礦井的工況條件下，頂梁會出現適當變形，但變形范圍在許用范圍內，材料不會出現疲勞勞損等情況。

圖3 頂梁底面應力云圖

圖4 頂梁頂面應力云圖

圖5 頂梁應變云圖

4 仿真結論

通過對ZY9000型掩護式液壓支架進行SolidWorks建模，虛擬樣機建立，并對頂梁進行基于ANSYS Workwench仿真，可以得到以下結論：

（1）在柴里煤礦井下的實際工作環境中，頂梁兩端受載時，最大應力出現在頂梁柱窩附近下方筋板處，頂梁兩端應力變化較小，并且材料屈服極限小于極限應力。支架材料符合要求。

（2）頂梁兩端受載時，最大變形出現在頂梁中部及柱窩附近，整個頂梁呈現為一種“拱”形。并且最大變形量為3mm，小于許用變形量，變形量符合要求。

綜上所述，ZY9000型液壓支架適用于該礦井下的作業情況，能完全滿足兩端加載承載能力要求。

5 作業試驗

在該礦井的井下作業條件下，使用ZY9000液壓支架進行試驗作業，發現支架作業時牢固可靠，可抵消大量的頂端應力與載荷，并且該支架在用于本礦井作業時，不會出現機械不良震動與機械異響，未發現其他不良作業情況。通過試驗得出結論，仿真結果具有一定的參考意義，并且該支架完全可以符合當前的井下作業狀態。