復合工況下液壓支架頂梁及底座的應力作用仿真分析

張 榮

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037003）

0 引言

我國具有大量的地下開采煤礦，在煤礦開采過程中，液壓支架是進行礦井支護重要的設備，對礦井的工作面頂板進行支護并保證工作面的作業空間，是進行煤礦開采的重要安全保障[1]。隨著綜采自動化技術的發展進步，煤礦進行綜采的高度不斷增加，液壓支架的支護高度也隨之增加，且液壓支架的承載也隨之增加，對液壓支架的性能具有較高的要求。液壓支架進行支護的過程中，頂梁作用于頂板，承受來自頂板的壓力作用[2]，底座固定于工作面底面上，承受來自底面的反作用力，在整個支護高度上依靠液壓支架自身的結構進行支撐。針對液壓支架頂梁及底座同時受到載荷作用的復合工況下受到的應力作用進行仿真模擬[3]，從而分析液壓支架的結構承載能力，為煤礦的安全支護開采提供理論依據，提高煤礦開采的安全性。

1 復合工況下液壓支架分析模型的建立

針對某煤礦工作面使用的兩柱掩護式液壓支架為例進行分析，頂梁與掩護梁通過平衡千斤頂進行連接，立柱進行伸縮實現支護高度的調整，這種液壓支架的移動速度快，可以較快實現不同工作面的移動及支護高度的調整[4]，采用雙立柱的結構形式，具有較強的穩定性，對頂板具有較強的支撐作用。液壓支架的頂梁承受工作面頂板的來壓作用，同時對采空區的頂板起到隔離作用，保證工作面充足的作業空間[5]。液壓支架的底座將頂板的來壓傳遞至工作面底面、頂梁及底座必須具有足夠的強度特性，保證支護的安全。由于工作面頂板及底面的不平整，常造成液壓支架受到頂梁底座載荷的作用，在復合工況下，液壓支架承受的載荷值要大于其他工況，對液壓支架的承載能力要求較高[6]。

采用三維建模軟件Pro/E 進行液壓支架結構模型的建立，液壓支架的頂梁采用整體梁的形式，掩護梁通過鋼板焊接而成，與底座之間采用連桿進行連接，從而增加液壓支架整體結構的強度及穩定性，采用底分式剛性底座，可進行底座的自動清掃[7]，提高液壓支架的效率。采用Pro/E 參數化建模的特點進行液壓支架模型的建立，將液壓支架的焊接結構作為整體進行建模分析，在不影響整體性能的基礎上，對液壓支架的結構進行一定地簡化處理，建立各關鍵零部件的模型并進行裝配處理，得到液壓支架的整體結構模型[8]，并且可依據有限元復合工況的分析進行液壓支架支護高度地調整，在模型中進行干涉檢查，確保支架結構的正確性。

依據復合工況的條件對液壓支架應力進行分析，在頂梁承受扭轉載荷及底座承受兩端載荷作用的復合工況下，液壓支架的分析高度為最低工作高度增加300 mm，選定的液壓支架的最低工作高度為3 500 m，由此確定液壓支架進行仿真分析的高度為3 800 mm[9]。采用ANSYS Workbench 進行液壓支架的模擬分析，Workbench 與Pro/E 具有直接交互的接口，可將模型直接導入到Workbench 中，對其進行有限元模型的設定。

對液壓支架使用的材質進行設定，以高強度結構鋼Q890 作為液壓支架使用的材質，其屈服強度為890 MPa，抗拉強度為1 200 MPa，采用接觸法對液壓支架連接銷孔進行處理，銷軸處的連接設定為摩擦連接[10]，摩擦系數為0.15，其余各部件之間的連接為無摩擦的連接。采用自由網格的形式對液壓支架進行網格劃分處理[11]，從而提高液壓支架復雜系統網格的劃分精度及準確性，設定網格的大小為30 mm，經過網格劃分處理得到液壓支架的有限元分析模型如圖1 所示。

圖1 復合工況液壓支架網格劃分模型

在頂梁承受扭轉載荷及底座承受兩端載荷作用的復合工況下對液壓支架的加載條件進行分析，在分析過程中采用墊塊的形式模擬煤礦開采中液壓支架的承載狀態，墊塊與頂梁及底座的接觸采用真實接觸處理，墊塊的表面進行固定約束，液壓支架的頂梁扭轉及底座兩端加載，采用墊塊分別對液壓支架的頂梁及底座進行加載分析[12]，液壓支架單個立柱的外力作用為12 600 kN，為額定工作壓力的1.2 倍，從而保證液壓支架具有一定的安全系數。

2 復合工況下液壓支架應力作用仿真分析

對液壓支架在復合工況下的應力作用進行模擬仿真，經過計算得到液壓支架整體的應力分布如圖2所示。從圖2 中可以看出，在液壓支架的整體應力分布中，產生的最大應力為969 MPa，最大應力位于頂梁與墊塊接觸的位置處及頂梁后端的銷孔連接位置處，頂梁與墊塊接觸位置產生的高應力區域在實際的應用過程中不存在墊塊加載的區域，且此區域的應力分布對頂梁后端的影響較小，對其高應力區域可不進行處理；在頂梁后端銷孔位置處的高應力區域，在實際應用中銷孔連接處采用套筒的結構，且頂梁的抗拉強度達1 200 MPa，銷孔位置的高應力不會對頂梁產生破壞，滿足系統的使用要求。

圖2 液壓支架整體應力分布云圖

液壓支架的掩護梁作為重要的支撐結構，對其應力進行分析，得到掩護梁的應力分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，掩護梁受到的最大應力作用為147 MPa，最大應力位于掩護梁與千斤頂進行連接的銷孔位置處，最大應力值小于掩護梁的屈服強度，滿足系統的使用要求。

圖3 液壓支架掩護梁應力分布云圖

液壓支架的底座作為整體的支撐結構部件，對其應力進行分析，得到底座的應力分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，底座受到的最大應力作用為373.6 MPa，最大應力位于底座的內側靠近邊緣的位置處，最大應力值小于底座的屈服強度，滿足系統的使用要求。

圖4 液壓支架底座應力分布云圖

通過上述的分析可知，液壓支架的整體結構以頂梁受到的應力作用最大，由于銷孔結構采用套筒進行連接，滿足系統的使用要求，其余部件的最大應力均小于頂梁的應力作用，滿足系統的使用要求，但同時可以發現，液壓支架的各結構件應力分布存在較大的梯度，具有一定的應力集中現象，可對液壓支架結構應力較大的區域進行一定的結構優化處理，從而可以改善應力集中現象，從而進一步提高液壓支架使用的安全可靠性。

3 結語

液壓支架是進行煤礦開采過程中重要的支護設備，在進行頂板支護的過程中，底座同樣受到工作面底板的反作用力，當工作面底板不平整時，液壓支架的頂梁及底座承受同時加載的作用，對液壓支架的結構承載性能具有較高的要求。采用有限元模擬仿真的形式對頂梁承受扭轉載荷及底座承受兩端載荷作用的復合工況下液壓支架的應力分布進行分析。結果表明，在復合工況作用下，液壓支架的最大應力位于頂梁的位置處，液壓支架的整體應力滿足工作強度的需求，同時存在一定的應力集中現象，可對液壓支架的結構進行優化處理，從而進一步提高液壓支架的可靠性，保證煤礦的安全支護。