煤礦液壓支架使用時整體結構性能分析

郝立光

（山西東江煤業集團有限公司， 山西 呂梁 033299）

0 引言

液壓支架作為綜放開采工作面的重要組成內容，其在綜放開采工作面中主要起到支護頂板、維護作用空間放煤、采煤機推移、運輸機推移等諸多方面作用。同時，液壓支架的投資占整個綜放開采工作面總投資的60%以上，所以對液壓支架在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下的結構性能進行研究分析，進而提出優化改進方案，增強液壓支架整體性能，不僅可以延長液壓支架的使用壽命，還可以有效降低整個綜放開采工作面的整體投資成本，所以本文研究分析具有一定的現實意義[1-3]。

1 液壓支架的結構組成

本文將以ZFS8000/23/37 型液壓支架為例，介紹液壓支架的結構組成。

1）頂梁：用于支撐頂板，是液壓支架主要承載部件。同時，頂梁還會在反復頂煤過程中對頂板煤層進行破碎，提高工作面生產效率。

2）前梁：用于保障液壓支架四根立柱受力均勻性，增強支架頂梁支頂性能，必要時可用于吊裝采煤設備。

3）掩護梁：用于承受液壓支架的水平力和側向力，在頂板巖石垮落時還可以承接垮落巖石壓力，為工作面營造安全空間。

4）底座：用于為立柱、推移等輔助裝置形成安全空間，保障液壓支架整體穩定性。

5）四連桿機構：用于調節頂梁與煤壁之間的距離和支護頂板，并在此過程中承受頂板的水平分力和側向力。

6）推移機構：用于推動刮板運輸機、液壓支架向工作面煤壁方向移動。

7）護幫裝置：用于實現護幫板的挑起和收平運動。

8）尾梁：用于支撐松動頂板，維護工作空間。上下擺動可控制支架后部放頂煤。

2 液壓支架有限元模型構建

2.1 軟件選擇

相對來說，UG 軟件可以有效考慮整體設計環境的協同性，并且液壓支架模型構建難度較低，可直接導入到HyperMesh 中，實現網格劃分。因此，根據液壓支架的結構及特點，綜合市面上多種有限元模型構建軟件，最終選用CAD 軟件UG 構建有限元模型。

2.2 網格劃分

液壓支架整體結構相對復雜，所以為保障有限元分析結構的精準性以及降低分析過程中計算機性能壓力，一方面需要對支架整體結構進行簡化，另一方面需要對模型進行網格劃分。根據支架結構及性能特點，模型構建中將只會考慮頂梁、底座、掩護梁、立柱、連桿等部分。在簡化結構后，對模型進行網格劃分，最終將整個液壓支架劃分為219 411 個單元和300 042個節點，進而獲取到如圖1 所示中網格劃分模型。

圖1 液壓支架網格劃分模型

3 液壓支架整體結構性能分析

如圖2 所示，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，頂梁1 處會約束支架X 方向的自由度，頂梁2 處會約束支架Y 方向的自由度，底座3 處會約束支架Y 方向和Z 方向的自由度，底座4 處會約束支架X方向的自由度。此種工況的加載方式主要用于獲取前連桿和后連桿強度，以此來保障頂梁受力均勻性以及底座前部受力時的整體強度性能。為能夠分析確認液壓支架在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下的結構強度，以下將利用OptiStruct 求解器對液壓支架進行有限元分析。

圖2 頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況加載方式示意圖

3.1 整架分析

在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，液壓支架進行有限元分析結構如圖3 所示。

圖3 整架應力（MPa）分布云圖

由圖3 可知，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況條件下，液壓支架的整體應力分布較為均勻，應力最大值點位于支架底座約束施加部位，該點應力值處于400 MPa 以上，而其他部位的應力相對較小，大致處于300 MPa 以下，并且應力分布呈現出兩端對稱分布。

3.2 頂梁分析

頂梁作為液壓支架的主要承載結構，其有限元分析過程同整架分析過程相類似，具體分析結果如圖4所示。

圖4 頂梁應力（MPa）分布云圖

由圖4 可知，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，頂梁約束部分存在較為明顯的應力集中情況，其中最大值約為394 MPa，小于頂梁屈服應力值450 MPa。此外，從載荷分布角度來看，應力分布主要集中在頂梁的前端和后端，最大應力點的實際應力值約為180 MPa，而頂梁的左右兩側應力分布則較為均勻，應力值均不超過120 MPa。

在頂梁主筋板方面，如圖5 所示，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，頂梁主筋板的應力集中點位于頂梁和掩護梁連接區域，最大應力值約為280MPa。

圖5 頂梁主筋板應力（MPa）分布云圖

3.3 掩護梁分析

掩護梁的有限元分析過程與整架和頂梁的有限元分析過程較為相似。通過有限元分析后發現，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，掩護梁的應力分布為兩側對稱分布，具體應力分布區域主要集中在前連桿和后連桿連接區域，其中最大應力點的應力值約為212 MPa，最大應力點位于掩護梁與后連桿連接的銷孔處。

3.4 底座分析

通過有限元分析后發現，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，底座的應力分布較為均勻，主要表現為左右兩側對稱分布，而在底座約束區域則存在應力集中點，其他位置的應力則相對較小。在底座主筋板方面，其應力分布主要集中在主筋板的約束部位，除約束部位以外的其他區域最大應力值為278 MPa，符合底座主筋板材料的屈服強度要求。

3.5 前后連桿分析

在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，液壓支架的前后連桿的應力分布均呈現出對稱分布，兩者的最大應力值分別為166 MPa 和347 MPa，最大應力點均位于與底座和掩護梁連接部位。此外，在比較分析后發現，后連桿所承受的應力值要大于前連桿所承受的應力值，所以在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況條件下應優先考慮后連桿的強度性能。

4 液壓支架優化方案及工程應用

綜合上述有限元分析結果，提出以下液壓支架優化方案，即在頂梁中間筋板和頂梁與掩護梁連接銷孔處替換高強度鋼或者增加零件厚度，提高整體性能；在主筋板的約束部位采用優質材料，并適當增大過橋處圓角尺寸；在前后連桿與掩護梁和底座連接銷孔位置則改進銷孔結構，增加銷孔尺寸。為驗證液壓支架優化方案的實用性，在初步驗證優化方案的有效性后，將液壓支架優化方案運用于工程實踐，具體實踐周期約為6 個月。在經過長達6 個月的實踐應用后，液壓支架優化方案表現出較強的性能水平，不僅整體結構強度得到明顯提升，而且還降低液壓支架的維修需求，延長支架的使用壽命，綜合降低支架使用成本。

5 結語

結合有限元分析結果可以發現在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，液壓支架的主要應力集中點位于頂梁中間筋板和頂梁與掩護梁連接銷孔處、主筋板的約束部位以及前后連桿與掩護梁和底座連接銷孔位置。基于此，為增強液壓支架整體結構性能，提出針對性優化方案，并將優化方案運用于工程實踐，確認此優化方案切實有效，可作為后續液壓支架優化改進以及結構設計中的重要理論參考方案。