礦井大采高工作面液壓支架結構優化設計

溫 鵬

(晉能控股裝備制造集團 中央機廠,山西 大同 037001)

0 引言

隨著對煤炭資源需求量的不斷增加，煤礦企業在開采煤炭過程中會采取更加高效的生產方式，其中大采高綜采的生產方式被煤礦企業逐漸接受并應用于實際生產中。大采高綜采的采煤方式需要更多的機械化設備作為保障，尤其是液壓支架在大采高綜采過程中所發揮的作用尤為關鍵。礦用液壓支架是由金屬結構和液壓元器件綜合組成的支撐設備，可以有效并安全地對工作面進行支撐，確保作業人員的安全，保障采煤過程的順利進行[1]。根據對實際工作現場調研發現，隨著大采高工作面的加長，對液壓支架的工作性能有了更高的要求。液壓支架長期在惡劣的環境中工作，受到了疲勞循環載荷的作用，導致液壓支架的關鍵零部件出現變形甚至是斷裂。為此，本文以煤礦企業常用的ZY12000/28/64D型液壓支架為研究對象，結合工程實際載荷的施加情況，采用有限元分析法得到該型號液壓支架頂梁受到扭轉作用力后的整體應力分布規律及結構的薄弱環節，并根據仿真分析結果對液壓支架的薄弱結構進行優化，減小整體結構的應力集中，有效提高液壓支架的使用壽命。

1 礦井液壓支架的工作原理及試驗標準

1.1 工作原理

液壓支架的工作過程包括升架、降架、移架和推移[2]，各種作業動作通過液壓泵站提供的液壓油的流動完成，其結構組成及工作原理如圖1所示。液壓支架的升降主要是依靠立柱完成，以實現對周圍巖層的承載作用；移架和推移動作是通過底座和液壓缸的聯合作業完成，此時的液壓管道和操縱閥等部件處于不同的工作狀態，配合完成支撐動作。

1.2 載荷特性

液壓支架和煤層的圍巖形成了相互作用力，在開采過程中圍巖的狀態變化決定著液壓支架所受載荷的變化[3]。因此分析液壓支架所受載荷的特性主要是分析頂梁、掩護梁和底座所受載荷的變化規律[4]。液壓支架處于惡劣的工作環境，所受到的載荷具有復雜性和隨機性，從實際工作的載荷分布來看分為對稱集中載荷和非對稱集中載荷[5]，無論哪種載荷都是液壓支架頂梁所受到的載荷作用力。

1-頂梁；2-立柱；3-輸送機；4-底座；5-液壓缸；6-乳化液泵；7，8-管道；9，10-操縱閥；11-單向閥；12-安全閥

1.3 試驗標準

根據國家關于液壓支架的相關技術標準，即《液壓支架型式試驗規范》和《液壓支架通用技術條件》等，結合現場實際工作情況，本文以液壓支架頂梁受到扭轉作用力的工況進行分析。為了滿足國家的技術試驗標準，建立液壓支架模型時在現有高度基礎上將液壓支架的最低高度增加300 mm[6]。ZY12000/28/64D型液壓支架的高度范圍為：2 800 mm～6 400 mm，支架的行程為3 600 mm,根據規范內的計算公式計算得到該工況的試驗高度為3 900 mm。

2 液壓支架有限元仿真分析

2.1 三維模型的建立

由于ZY12000/28/64D型液壓支架的結構較為復雜，為確保三維建模的精確性，在建立模型之前應對液壓支架的部分結構進行簡化，以提高仿真計算的效率。簡化原則為：①忽略焊縫結構的存在，將焊縫與材料結構視作一個整體；②對容易發生破壞的薄弱部位保留；③去除對整體結構受力無影響的零碎部件；④保持液壓支架主要承載部件結構尺寸的精確性。

采用Pro/E軟件建立液壓支架三維模型。首先建立液壓支架頂梁、掩護梁、底座、立柱等部件的三維模型，然后將各個部件的三維模型進行裝配，得到液壓支架的三維模型，如圖2所示。

圖2 ZY12000/28/64D液壓支架三維模型

2.2 有限元仿真模型的建立

將已建立的ZY12000/28/64D型液壓支架三維模型導入至ANSYS軟件，根據實際工況對液壓支架的初始作業形態進行設置。ZY12000/28/64D型液壓支架的材料設置為Q550，彈性模量和泊松比分別設置為2.10×105MPa和0.35。采用Solid45實體網格單元對液壓支架整體結構進行網格劃分，在網格劃分時應注意對重點分析區域進行網格細化。

2.3 仿真結果分析

為使液壓支架的分析結果與實際更加吻合，在頂梁中部上按照實際作業載荷進行施加，所施加載荷為10 000 N，得到了液壓支架頂梁以及底座的應力云圖，如圖3所示。

圖3 液壓支架頂梁及底座的應力云圖

由圖3(a)可以看出，頂梁結構前端筋板部位的應力很集中，應力值達到了882.263 MPa，容易發生破壞斷裂，影響整體結構的安全性。由3(b)可以看出，底座的應力滿足材料所能承受的載荷大小，可以確保工程中使用的安全性。根據仿真結果可對液壓支架的頂梁結構進行優化設計。

3 液壓支架結構優化

對ZY12000/28/64D型液壓支架頂梁容易發生斷裂的筋板處進行結構優化，將筋板厚度由原來的20 mm增加至30 mm，優化部位示意圖如圖4所示。

圖4 液壓支架頂梁結構的優化示意圖

將優化后的液壓支架按照優化前的相同仿真計算環境重新對頂梁結構進行仿真分析，仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，優化后液壓支架頂梁的最大應力為691.584 MPa，而原結構頂梁的最大應力為882.263 MPa，最大應力減少了190.679 MPa，改進后顯著減少了應力集中現象。

圖5 優化后液壓支架頂梁結構應力云圖

4 結語

針對大采高綜采液壓支架的實際工程應用情況，以ZY12000/28/64D型液壓支架為研究對象，采用有限元分析法對液壓支架在頂梁受到扭轉作用載荷時的應力分布狀況進行分析。結合液壓支架在實際使用過程中的損壞修復方法、有限元計算的結果以及工程中對應力集中的處理方法，選擇加厚支架中頂梁前端筋板的厚度以減小應力集中，降低了頂梁的最大載荷應力值。有限元數值模擬分析結果顯示結構優化后提升了ZY12000/28/64D型液壓支架在大采高綜采作業過程中的安全穩定性。