煤礦開采液壓支架底座受力仿真分析

楊曉君

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司東曲煤礦安監(jiān)處技術(shù)培訓(xùn)科，山西 太原 030200）

引言

在煤炭的綜采設(shè)備中，液壓支架作為采空區(qū)的支撐設(shè)備及采煤機(jī)等的傳送設(shè)備，在礦井中受到的作用力較為復(fù)雜[1]。液壓支架的性能，對(duì)于煤礦開采的安全性及生產(chǎn)效率都具有重要的影響，由于工作人員常采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，較大的安全系數(shù)常造成液壓支架粗大笨重，不利于節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展。底座是液壓支架的重要組成部分，承受較大的支撐力，由于礦井中環(huán)境的復(fù)雜性[2]，對(duì)于底座的承載性能具有較高的要求。針對(duì)液壓支架底座不同工況下的靜力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)液壓支架底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，可提高液壓支架的安全性及使用壽命，保證煤礦綜采工作的穩(wěn)定。

1 液壓支架模型的建立

對(duì)液壓支架底座進(jìn)行受力分析，首先要建立底座的結(jié)構(gòu)模型，由于底座的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，無需將底座的結(jié)構(gòu)完全呈現(xiàn)[3]，這是因?yàn)榧?xì)化的結(jié)構(gòu)對(duì)于底座的承載能力影響不大，同時(shí)在仿真計(jì)算中會(huì)造成計(jì)算量的急劇增加，不利于進(jìn)行問題的分析。對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留底座的主要結(jié)構(gòu)部分，細(xì)小的孔洞及圓角等結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略，焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化處理，對(duì)底座的承載能力進(jìn)行整體分析，建立液壓支架底座的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

建立液壓支架的結(jié)構(gòu)模型后，將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行仿真分析的預(yù)處理工作，主要包括對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及材料屬性設(shè)定。液壓支架底座采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板焊接而成，采用各向同性的高強(qiáng)度鋼進(jìn)行屬性設(shè)定[4]，包括底座的密度為7.85 g/cm3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28。對(duì)液壓支架底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS Workbench中自帶的自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法對(duì)底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)采用尺寸控制的方式對(duì)網(wǎng)格大小進(jìn)行設(shè)定，在連接孔、耳板等位置處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，保證計(jì)算中結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過網(wǎng)格劃分，得到底座的有限元模型如圖2所示。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)模型

圖2 液壓支架底座有限元模型

2 液壓支架底座的受力仿真分析

液壓支架在工作過程中，由于受到井下復(fù)雜工況的影響，對(duì)其真實(shí)的受力情況難以進(jìn)行有效的模擬，依據(jù)液壓支架的設(shè)計(jì)要求[5]，針對(duì)液壓支架的支撐性能，底座主要承受著前扭轉(zhuǎn)載荷、后扭轉(zhuǎn)載荷及兩端集中載荷的影響。在三種不同工況下的載荷作用中，由于液壓支架底座的結(jié)構(gòu)具有前開后閉的特點(diǎn)，因此在底座承受前扭轉(zhuǎn)載荷的工況下，底座所受到的應(yīng)力最大，針對(duì)底座承受前扭轉(zhuǎn)載荷的工況進(jìn)行仿真分析。

依據(jù)設(shè)定的條件，采用ANSYS Workbench進(jìn)行仿真運(yùn)算分析，經(jīng)過計(jì)算得到液壓支架底座的應(yīng)力及變形云圖分別如圖3、圖4中所示。從圖3底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力云圖中可以看出，底座所受到的整體應(yīng)力值較低，最大應(yīng)力值為515 MPa，低于材料的許用應(yīng)力，滿足底座的使用強(qiáng)度需求，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在耳板連接的位置處，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對(duì)于底座的使用壽命及安全是不利的[6]。針對(duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以針對(duì)耳板的結(jié)構(gòu)及與底座主板的連接方式進(jìn)行優(yōu)化，避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)，從結(jié)構(gòu)上改善液壓支架底座的整體受力，從而可以提高底座使用的壽命及安全性。

圖3 液壓支架底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力云圖

圖4 底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的變形云圖

從圖4底座前扭轉(zhuǎn)載荷工況下的變形云圖中可以看出，液壓支架底座的整體變形量較小，變形量的最大值為4.14 mm，滿足底座的設(shè)計(jì)使用要求，最大變形量的位置出現(xiàn)在液壓支架底座的前部一側(cè)，在整體上，底座的變形呈現(xiàn)沿一側(cè)分布的現(xiàn)象，這是由于底座受到前部扭轉(zhuǎn)載荷的作用造成的，對(duì)底座的整體變形量影響不大，但在長(zhǎng)期的使用過程中，要注意底座的工作方向，避免出現(xiàn)長(zhǎng)期使用疲勞的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）底座所受到的整體應(yīng)力值較低，滿足底座的使用強(qiáng)度需求，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在耳板連接的位置處，存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。針對(duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以針對(duì)耳板的結(jié)構(gòu)及與底座主板的連接方式進(jìn)行優(yōu)化，從結(jié)構(gòu)上改善液壓支架底座的整體受力。

2）液壓支架底座的整體變形量較小，滿足底座的設(shè)計(jì)使用要求，最大變形量的位置出現(xiàn)在液壓支架底座的前部一側(cè)，在整體上，底座的變形呈現(xiàn)沿一側(cè)分布的現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的使用過程中，要注意底座的工作方向，避免出現(xiàn)長(zhǎng)期使用疲勞的現(xiàn)象。