煤礦井下放頂煤液壓支架柱窩區結構的優化與仿真研究

劉利彥

（山西省晉能控股煤業集團四臺礦,山西 大同 037003）

引言

液壓支架是煤礦井下支護的核心，其工作的穩定性直接決定了煤礦井下綜采作業的安全性，由于煤礦井下地質條件復雜，特別是當在出現礦壓波動時，液壓支架將承受極大的沖擊載荷，導致液壓支架的柱窩區損壞、支架壓死，嚴重時將導致柱窩區的頂板被壓穿，給井下的綜采作業帶來了嚴重的隱患。為了防止柱窩區出現損壞，主要采用增加柱窩區厚度、加強頂梁柱帽的方式，雖然在一定程度上提升了柱窩區的使用壽命，但也極大地增加了液壓支架的整體重量，影響了支架在使用過程中的靈活性和經濟性。本文以Hertz 接觸模型為基礎，對支架柱窩區在礦壓波動下的受力和載荷分布情況進行研究，針對性地提出了結構優化和一次鍛造成型的方案。

1 柱窩區受力分析

液壓支架的柱窩和柱帽在接觸位置為球面接觸結構，在受力后可歸結為彈性體的接觸，因此可采用Hertz 接觸模型對其受力時的狀態進行分析，液壓支架柱窩和柱帽的接觸模型受力如圖1 所示。

由圖1 可知，當支架立柱的柱窩區和柱帽接觸時，會受到從立柱上傳來的支撐載荷P的作用，使二者在接觸位置產生局部的彈性變形，該彈性變形區域的半徑r 要遠小于柱窩區和柱帽的半徑R1、R2[1-2]。柱窩區接觸半徑r 公式為：

圖1 柱窩區接觸受力模型

由于球面接觸在受力變形區具有對稱的特性，因此可計算出在接觸變形區域內的最大接觸力q0，其計算公式為：

式中：μ1為柱帽材料的泊松比，取0.1；μ2為柱帽材料的泊松比，取0.3；E1為柱帽材料的彈性模量，取210 GPa；E2為柱帽材料的彈性模量，取210 GPa。

由于在接觸過程中的最大接觸應力是發生在接觸面的中心位置，因此根據力的分解理論，在接觸位置的最大剪切應力公式為：

由此可獲得液壓支架立柱在不同受力作用下柱窩區的最大應力變化情況如圖2 所示。

圖2 不同受力情況下柱窩區最大應力變化示意圖

由實際分析結果可知，隨著液壓支架立柱受力的增加，在立柱柱窩區的受力會呈非線性的增大，且增大幅度隨著接觸應力的增加而逐漸的下降。作用在柱窩區的最大接觸應力和立柱上的壓力呈現了1/3 次方的關系[3-4]。

同時根據分析結果可知，在相同情況下柱窩處的受力是小于柱帽處的受力，因此可以適當對柱帽位置的結構強度進行加強并適當降低柱窩處的結構強度，實現在平衡結構強度的前提下提升柱窩區的使用安全性。

2 柱窩區結構優化

由于柱帽和柱窩的結構相對復雜，因此一般采用鑄造成型的工藝，雖然該工藝流程相對簡單但鑄造件的質量穩定性差、機械性能布置、內部氣孔、裂紋較多，限制了鑄件結構強度的進一步提升。因此，本文提出了采用鍛造加工工藝，通過鍛造來改善在加工過程中的內應力，提高結構穩定性。同時為了提升鍛造加工的效率，對柱帽和柱窩的結構進行了同步的優化，在其下側采用了箱型結構，在兩旁進行了加強筋加固，從而進一步提升了柱窩和柱帽的結構強度，優化后的柱窩和柱帽結構如圖3 所示。

圖3 優化后的柱窩、柱帽結構示意圖

3 優化后仿真分析

利用ANSYS 仿真分析軟件對優化后的液壓支架柱窩區受力情況進行分析，假設此時作用在液壓支柱上的壓力為1 000 kN，此時作用在柱帽上的接觸應力為155.4 MPa，比優化前的192 MPa 降低了約19.1%。作用在柱窩位置的接觸應力約為216.6 MPa，比優化前的281 MPa 降低了約22.9%，接觸應力降低顯著。同時由于采用了鍛造+結構優化的方案，使柱窩區的力學性能比優化前提升了約9.7%，頂梁柱帽的重量比優化前降低了約31.5%，底座柱窩的結構重量比優化前降低了約23.6%，不僅有效地降低了支架的整體重量，而且也極大地提升了支架工作的穩定性和使用壽命，仿真分析結果如圖4 所示。

圖4 柱窩區受力仿真分析示意圖

4 結論

1）隨著液壓支架立柱受力的增加，在立柱柱窩區的受力會呈非線性的增大，且增大幅度隨著接觸應力的增加而逐漸的下降；

2）在相同情況下柱窩處的受力是小于柱帽處的受力，因此可以適當對柱帽位置的結構強度進行加強并適當降低柱窩處的結構強度；

3）采用了鍛造+結構優化的方案，使柱窩區的力學性能比優化前提升了約9.7%，頂梁柱帽的重量比優化前降低了約11.5%，底座柱窩的結構重量比優化前降低了約13.6%；

4）優化后作用在柱帽上的接觸應力比優化前降低了約19.1%。作用在柱窩位置的接觸應力比優化前降低了約22.9%。