基于Hyper Works 的液壓支架強(qiáng)度及敏感性的研究

魏佳鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)精通興旺煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著綜采作業(yè)深度的不斷增加，井下巷道地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生冒頂事故的概率不斷增加，對(duì)煤礦井下的支護(hù)作業(yè)提出了更高的要求。液壓支架作為井下最重要的支護(hù)設(shè)備，其工作可靠性直接關(guān)系到了煤礦井下綜采作業(yè)的安全，傳統(tǒng)液壓支架主要依靠加大安全冗余度的方法確保支護(hù)可靠性，但也造成了液壓支架結(jié)構(gòu)重量大，強(qiáng)度分布不均，不僅無(wú)法確保復(fù)雜承力條件下的支護(hù)穩(wěn)定性，而且也嚴(yán)重限制了液壓支架在收撤作業(yè)時(shí)的靈活性[1]。因此本文提出了基于Hyper Works 仿真分析軟件對(duì)液壓支架的強(qiáng)度和敏感性進(jìn)行分析的方法，對(duì)其受力條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和敏感度進(jìn)行分析，為優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)，提高其工作可靠性提供了依據(jù)。

1 液壓支架的力學(xué)工況分析及仿真模型建立

液壓支架在工作時(shí)的主要受力來(lái)自于頂板礦壓，當(dāng)采煤機(jī)在綜采過(guò)程中不斷對(duì)煤壁施加力的作用，隨著綜采過(guò)程的深入，巷道頂板在沖擊作用下產(chǎn)生一定下沉，使作用在液壓支架上的壓力不斷加大，逐漸達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的最大承壓值。由于井下的地質(zhì)條件復(fù)雜且各處的煤層的地質(zhì)壓力差異性較大，因此很難確定作用在液壓支架上的實(shí)際受力大小，結(jié)合長(zhǎng)期研究成果，在液壓支架支護(hù)過(guò)程中對(duì)其影響最大的力學(xué)工況主要為非對(duì)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(jié)構(gòu)模型，然后利用HyperWorks 軟件[2]對(duì)液壓支架進(jìn)行手動(dòng)的網(wǎng)格劃分，其結(jié)構(gòu)劃分為六面體結(jié)構(gòu)，采用對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)布局，重點(diǎn)對(duì)液壓支架的頂梁和立柱部分進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，確保受力分析時(shí)的數(shù)字的準(zhǔn)確性，共生成208552 個(gè)，生成節(jié)點(diǎn)299831 個(gè)。其三維結(jié)構(gòu)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(qiáng)度的有限元分析

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

圖2 液壓支架整體應(yīng)力分布示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，在非對(duì)稱的集中載荷的作用下液壓支架工作時(shí)的最大應(yīng)力約為463 MPa，其主要集中在頂梁的位置，位于第38003 個(gè)節(jié)點(diǎn)和第47843 的位置，這主要是在非對(duì)稱的偏載作用下導(dǎo)致液壓支架的頂梁受到一個(gè)偏載作用，使其在受力點(diǎn)位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。

針對(duì)受力最大的頂梁，其應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 頂梁應(yīng)力分布示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)液壓支架的頂梁在偏載的作用下，其應(yīng)力主要分布在頂梁左側(cè)位置的柱窩區(qū)及頂梁的中間肋板上，而在其他位置的應(yīng)力分布相對(duì)較小。同時(shí)在液壓支架頂梁的柱窩區(qū)的前端的應(yīng)力要大于柱窩區(qū)后側(cè)的應(yīng)力分布，其應(yīng)力在柱窩區(qū)處達(dá)到最大應(yīng)力狀態(tài)。從頂板的前端到柱窩區(qū)處的應(yīng)力呈逐漸增加的趨勢(shì)，從柱窩區(qū)到后側(cè)的應(yīng)力變化較為平緩。

3 液壓支架的敏感度分析

根據(jù)某礦所用的液壓支架的實(shí)際情況，設(shè)置其彈性模量為E=2.01×105MPa，其工作時(shí)后立柱對(duì)地座的作用力F1=14779 N，立柱對(duì)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(duì)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(duì)頂梁的作用力F4=14783 N，前立柱在豎直方向?qū)σ簤褐Ъ艿鬃牧5=12667 N，前立柱在豎直方向?qū)σ簤褐Ъ茼斄旱牧5=12491 N。

為了研究液壓支架工作時(shí)輸入量變化對(duì)于其輸出量變化所產(chǎn)生的影響（敏感度）[4]，本文對(duì)液壓支架工作過(guò)程中對(duì)應(yīng)力分布集中位置影響程度進(jìn)行分析，根據(jù)以上分析結(jié)果，液壓支架頂梁受力情況下的應(yīng)力集中主要體現(xiàn)在38003 節(jié)點(diǎn)和47843 節(jié)點(diǎn)位置，各受力參數(shù)對(duì)38003 節(jié)點(diǎn)影響敏感度分布如圖4 所示（significant 表示重點(diǎn)因素，insignificant 表示非重點(diǎn)因素），圖中E 表示彈性模量。

圖4 各力對(duì)38003 節(jié)點(diǎn)的敏感性分布

由圖4 可知，對(duì)該節(jié)點(diǎn)影響最大的系統(tǒng)變量為后立柱對(duì)頂梁的作用力F4，其次為材料的屈服強(qiáng)度MAT 以及后立柱對(duì)底座的作用力F1，由圖示可知MAT 及F1對(duì)該節(jié)點(diǎn)影響的程度相差不大。

各受力參數(shù)對(duì)47843 節(jié)點(diǎn)影響敏感度分布如圖5 所示。

由圖5 可知，對(duì)該節(jié)點(diǎn)影響最大的系統(tǒng)變量為后立柱對(duì)頂梁的作用力F4，其次為材料的屈服強(qiáng)度MAT 以及后立柱對(duì)底座的作用力F1，其中F4對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的影響程度相差不大，但兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置對(duì)材料的屈服強(qiáng)度和立柱對(duì)底座的作用力的影響相差較為明顯。

圖5 各力對(duì)47843 節(jié)點(diǎn)的敏感性分布

綜合分析可知，當(dāng)液壓支架在支護(hù)作業(yè)時(shí)，對(duì)其頂梁的應(yīng)力影響最大的變量為立柱對(duì)頂梁的作用力F4，其次為液壓支架材料的屈服強(qiáng)度、后立柱對(duì)底座的作用力F1，由此可知提高液壓支架支護(hù)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵在于優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)，降低工作時(shí)立柱對(duì)頂梁的作用力F4，同時(shí)采用高強(qiáng)度材料提升材料的屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)液壓支架工作時(shí)的應(yīng)力特性的分析，建立了其三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其典型載荷工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)不同作用力對(duì)受力最集中處的的敏感性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

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

2）當(dāng)液壓支架的頂梁在偏載的作用下，其應(yīng)力主要分布在頂梁左側(cè)位置的柱窩區(qū)及頂梁的中間肋板上；

3）當(dāng)液壓支架在支護(hù)作業(yè)時(shí)，對(duì)其頂梁的應(yīng)力影響最大的變量為立柱對(duì)頂梁的作用力，其次為液壓支架材料的屈服強(qiáng)度、后立柱對(duì)底座的作用力。