基于Hyper Works 的液壓支架強度及敏感性的研究

魏佳鵬

（晉能控股煤業集團精通興旺煤業有限公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著綜采作業深度的不斷增加，井下巷道地質條件愈加復雜，在開采過程中發生冒頂事故的概率不斷增加，對煤礦井下的支護作業提出了更高的要求。液壓支架作為井下最重要的支護設備，其工作可靠性直接關系到了煤礦井下綜采作業的安全，傳統液壓支架主要依靠加大安全冗余度的方法確保支護可靠性，但也造成了液壓支架結構重量大，強度分布不均，不僅無法確保復雜承力條件下的支護穩定性，而且也嚴重限制了液壓支架在收撤作業時的靈活性[1]。因此本文提出了基于Hyper Works 仿真分析軟件對液壓支架的強度和敏感性進行分析的方法，對其受力條件下的結構強度和敏感度進行分析，為優化液壓支架結構，提高其工作可靠性提供了依據。

1 液壓支架的力學工況分析及仿真模型建立

液壓支架在工作時的主要受力來自于頂板礦壓，當采煤機在綜采過程中不斷對煤壁施加力的作用，隨著綜采過程的深入，巷道頂板在沖擊作用下產生一定下沉，使作用在液壓支架上的壓力不斷加大，逐漸達到系統所設定的最大承壓值。由于井下的地質條件復雜且各處的煤層的地質壓力差異性較大，因此很難確定作用在液壓支架上的實際受力大小，結合長期研究成果，在液壓支架支護過程中對其影響最大的力學工況主要為非對稱的集中載荷的作用。

利用Preo 三維建模軟件建立液壓支架的三維結構模型，然后利用HyperWorks 軟件[2]對液壓支架進行手動的網格劃分，其結構劃分為六面體結構，采用對稱式的結構布局，重點對液壓支架的頂梁和立柱部分進行細致的網格劃分，確保受力分析時的數字的準確性，共生成208552 個，生成節點299831 個。其三維結構有限元模型如圖1 所示。

圖1 液壓支架有限元分析模型

2 液壓支架強度的有限元分析

根據液壓支架在井下工作時的典型受力工況受力分析[3]，液壓支架在工作時的整體受力分有限元分析結果如圖2 所示。

圖2 液壓支架整體應力分布示意圖

由仿真分析結果可知，在非對稱的集中載荷的作用下液壓支架工作時的最大應力約為463 MPa，其主要集中在頂梁的位置，位于第38003 個節點和第47843 的位置，這主要是在非對稱的偏載作用下導致液壓支架的頂梁受到一個偏載作用，使其在受力點位置產生了較大的應力集中導致的。

針對受力最大的頂梁，其應力分布如圖3 所示。

圖3 頂梁應力分布示意圖

由仿真分析結果可知，當液壓支架的頂梁在偏載的作用下，其應力主要分布在頂梁左側位置的柱窩區及頂梁的中間肋板上，而在其他位置的應力分布相對較小。同時在液壓支架頂梁的柱窩區的前端的應力要大于柱窩區后側的應力分布，其應力在柱窩區處達到最大應力狀態。從頂板的前端到柱窩區處的應力呈逐漸增加的趨勢，從柱窩區到后側的應力變化較為平緩。

3 液壓支架的敏感度分析

根據某礦所用的液壓支架的實際情況，設置其彈性模量為E=2.01×105MPa，其工作時后立柱對地座的作用力F1=14779 N，立柱對底座作用力在水平方向上的分量F2=1974 N，其在垂直方向上的分量為F3=27 N，立柱對頂梁作用力在水平方向上的分量F6=2114 N，其在垂直方向上的分量為F7=27N，后立柱對頂梁的作用力F4=14783 N，前立柱在豎直方向對液壓支架底座的力F5=12667 N，前立柱在豎直方向對液壓支架頂梁的力F5=12491 N。

為了研究液壓支架工作時輸入量變化對于其輸出量變化所產生的影響（敏感度）[4]，本文對液壓支架工作過程中對應力分布集中位置影響程度進行分析，根據以上分析結果，液壓支架頂梁受力情況下的應力集中主要體現在38003 節點和47843 節點位置，各受力參數對38003 節點影響敏感度分布如圖4 所示（significant 表示重點因素，insignificant 表示非重點因素），圖中E 表示彈性模量。

圖4 各力對38003 節點的敏感性分布

由圖4 可知，對該節點影響最大的系統變量為后立柱對頂梁的作用力F4，其次為材料的屈服強度MAT 以及后立柱對底座的作用力F1，由圖示可知MAT 及F1對該節點影響的程度相差不大。

各受力參數對47843 節點影響敏感度分布如圖5 所示。

由圖5 可知，對該節點影響最大的系統變量為后立柱對頂梁的作用力F4，其次為材料的屈服強度MAT 以及后立柱對底座的作用力F1，其中F4對兩個節點應力的影響程度相差不大，但兩個節點位置對材料的屈服強度和立柱對底座的作用力的影響相差較為明顯。

圖5 各力對47843 節點的敏感性分布

綜合分析可知，當液壓支架在支護作業時，對其頂梁的應力影響最大的變量為立柱對頂梁的作用力F4，其次為液壓支架材料的屈服強度、后立柱對底座的作用力F1，由此可知提高液壓支架支護穩定性和可靠性的關鍵在于優化液壓支架結構，降低工作時立柱對頂梁的作用力F4，同時采用高強度材料提升材料的屈服強度。

4 結論

本文通過對液壓支架工作時的應力特性的分析，建立了其三維結構模型，對其典型載荷工況下的應力分布情況進行了分析，同時對不同作用力對受力最集中處的的敏感性進行分析，結果表明：

1）在非對稱的集中載荷的作用下液壓支架工作時的最大應力約為463 MPa，其主要集中在頂梁的位置；

2）當液壓支架的頂梁在偏載的作用下，其應力主要分布在頂梁左側位置的柱窩區及頂梁的中間肋板上；

3）當液壓支架在支護作業時，對其頂梁的應力影響最大的變量為立柱對頂梁的作用力，其次為液壓支架材料的屈服強度、后立柱對底座的作用力。