大采高液壓支架在不同工況下的性能分析

劉鑫志

（同煤集團(tuán)臨汾宏大豁口煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

隨著自動(dòng)化開采技術(shù)的進(jìn)步，大采高綜采在厚煤層開采中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大采高綜采可以大幅度提高工作面的效率，并且對(duì)巷道的掘進(jìn)快速，減少了綜采設(shè)備的移動(dòng)時(shí)間，節(jié)約了生產(chǎn)的輔助時(shí)間[1]。大采高綜采的廣泛應(yīng)用離不開大采高液壓支架的使用，作為大采高開采的關(guān)鍵裝備，液壓支架的性能對(duì)于煤礦的開采具有重要的影響。在開采過(guò)程中，液壓支架的承載復(fù)雜多變，為判定液壓支架的性能，對(duì)不同工況下的應(yīng)力變形進(jìn)行分析，從而更好地改進(jìn)液壓支架的結(jié)構(gòu)及性能，為煤礦的高效開采提供支撐。

1 液壓支架的工況劃分及建模

液壓支架作為礦井的支撐設(shè)備，由于煤層的賦存條件及地質(zhì)條件的變化，使得液壓支架的承載復(fù)雜，且具有一定的隨機(jī)性。在開采過(guò)程中，液壓支架提供工作面的保護(hù)，且考慮到開采效率，液壓支架不得影響采煤作業(yè)的過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤作業(yè)。在液壓支架的使用過(guò)程中，對(duì)支架性能影響較大的主要有對(duì)稱集中載荷和非對(duì)稱集中載荷[2]。

液壓支架在支撐過(guò)程中，由于頂板的位置變化，使得液壓支架的承載呈點(diǎn)接觸或者線接觸的形式，工況十分惡劣。集中載荷是頂梁與頂板之間呈兩點(diǎn)或者兩線接觸，非對(duì)稱的集中載荷是在煤層的厚度變化或者煤層傾角較大時(shí)，頂梁和頂板的不對(duì)稱接觸，使得液壓支架在承受垂直載荷作用的同時(shí)，還要承受扭轉(zhuǎn)載荷的作用，加劇了液壓支架的破壞。依據(jù)液壓支架的承載不同，劃分液壓支架的三種不同的典型工況，分別為頂梁偏載底座集中、頂梁扭轉(zhuǎn)底座集中及頂梁集中底座扭轉(zhuǎn)三種不同的工況[3]，見表1，依此對(duì)液壓支架的性能進(jìn)行仿真分析。

表1 液壓支架的工況劃分

采用Pro/E軟件建立液壓支架的三維模型，在建模過(guò)程中，對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，將鋼板的焊接件作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行，忽略焊縫等的影響，對(duì)液壓支架的細(xì)小結(jié)構(gòu)在不影響受力的情況下進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立液壓支架的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，以此進(jìn)行仿真模型的分析[4]。

圖1 液壓支架模型圖

2 不同工況下液壓支架性能分析

依據(jù)建立的液壓支架模型，將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，ANSYS是進(jìn)行有限元分析的大型軟件，可與Pro/E等繪圖軟件直接通信，可以快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享使用。對(duì)導(dǎo)入到ANSYS中的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行液壓支架的網(wǎng)格劃分[5]。依照材料的形式，設(shè)定液壓支架的材料特性，對(duì)液壓支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，不考慮液壓支架的移動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行固定約束[6]，對(duì)三種不同的工況進(jìn)行加載分析。

對(duì)三種不同工況下的液壓支架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，對(duì)得到的應(yīng)力及變形結(jié)果進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)ANSYS計(jì)算，得到液壓支架的應(yīng)力變化如下頁(yè)圖2中所示。從圖2中可以看出，三種不同的工況中，最大的應(yīng)力值出現(xiàn)在頂梁偏載底座集中載荷的工況下，此時(shí)的應(yīng)力最大值應(yīng)為1 082 MPa，其余兩種工況下的應(yīng)力最大值分別為785 MPa、719 MPa。從液壓支架的應(yīng)力整體分布來(lái)看，三種不同的工況下，支架的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)的位置各不相同，高應(yīng)力的位置分別出現(xiàn)在液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、連桿和底座，具有一定的局部特性，支架整體的應(yīng)力值不高，在頂梁片偏載底座扭轉(zhuǎn)的工況下局部特性更加明顯。

圖2 不同工況下的應(yīng)力（MPa）分布

對(duì)液壓支架的變形記性分析，為支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。經(jīng)過(guò)ANSYS的計(jì)算分析，得到三種不同工況下的變形分布如圖3所示。從圖3中可以看出，在工況一的情況下液壓支架的變形最大，最大的位移值約為30 mm，其他兩種工況下的液壓支架的變形相對(duì)較小，約為13 mm。從三種工況的液壓支架變形整體分析，三者的變形趨勢(shì)分布一致，由支架的頂梁位置處向底座逐漸過(guò)渡，變形量逐漸減小。液壓支架在工作過(guò)程中，隨著承載工況的不同，液壓支架的高度隨之發(fā)生變化，隨著工作高度的減小，整體的變形量逐漸減小，并且在液壓支架內(nèi)部，各部件的變形量也由頂部向著底座逐漸減小。在進(jìn)行液壓支架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)變形量的大小，進(jìn)行不同材料的選擇，逐漸選用強(qiáng)度高的材料或結(jié)構(gòu)，提高液壓支架的性能。

圖3 不同工況下的變形（mm）分布

3 結(jié)論

仿真分析的結(jié)果顯示，在液壓支架的不同工況下，液壓支架應(yīng)力最大時(shí)出現(xiàn)在頂梁偏載底座集中載荷的工況下，從液壓支架的應(yīng)力整體分布來(lái)看液壓支架的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)的位置各不相同，呈現(xiàn)一定的局部分布特性。液壓支架的最大變形量同樣出現(xiàn)在頂梁偏載底座集中載荷的工況下，液壓支架在工作過(guò)程中，各部件之間的變形量也由頂部向著底座逐漸減小。在進(jìn)行液壓支架的設(shè)計(jì)使用過(guò)程中，依據(jù)液壓支架的應(yīng)力及變形分布，要采用不同的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能提高液壓支架的整體性能，滿足大采高綜采的需求，從而提高煤炭開采的效率。