大采高液壓支架的安全可靠性分析

史 姣，李 曉

(1.山西科技學院，山西 晉城 048000； 2.浙江海利普電子科技有限公司，浙江 嘉興 310007)

在工程機械中，結構的安全可靠性是由強度、剛度和穩(wěn)定性決定的，但對具體構件往往側(cè)重點有所不同，因此研究構件在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等力學性能顯得尤為重要[1]。目前，由于工作面的采高和跨度逐步加大、開采的深度逐漸增加、分層次開采等對覆巖層的擾動都會增加工作面的壓力，而液壓支架作為煤炭行業(yè)中的礦井支護設備，其力學性能的影響占有舉足輕重的地位。本文主要針對液壓支架在危險工況條件下，頂梁、掩護梁、底座分別所承受的強度、剛度狀況作出分析，并進行合理優(yōu)化[2]。

1 液壓支架

液壓支架主要工作于地下礦井開采過程，是用來控制采煤工作面礦山壓力的機器，其組成部分為頂梁、掩護梁、底座、金屬構件和若干液壓元件。液壓支架的功能主要包括支撐和保護，當支架進行工作時，以高壓液體的壓力作為支撐力從而控制工作面的頂板，將工作區(qū)域與采空區(qū)域分開，留有相應的安全工作面空間，確保工作人員的安全以及正常進行各項作業(yè)[3]。

2 大采高液壓支架的結構

大采高液壓支架在工作過程中的受力多為組合變形，且與圍巖之間的相互作用情況比較復雜，邊界條件設置困難。在采煤過程中，隨著采煤機的前行移動，采煤過程中隨時會有煤矸石的掉落，支架結構與圍巖的相互接觸情況也不斷改變，導致液壓支架不僅承受豎向荷載，還有水平方向的受力，其情況極其不穩(wěn)定，受力往往比較復雜，僅僅將液壓支架的受力簡化為平面力系具有局限性。為了確保液壓支架可以在礦井下正常工作，必須對不同工況條件下液壓支架的力學結構及特性進行理論分析[4]。

本文選取的ZY12000/28/64D型液壓支架(見圖1)為兩柱掩護式液壓支架，以單排立柱為主要支撐部件并帶有掩護梁，整體質(zhì)量較輕，結構簡單，安裝、操作均比較方便，穩(wěn)定性強，工作最大高度為6400 mm，最小高度為2800 mm，支架的行程為3600 mm，適合頂板不穩(wěn)定的工作面。分析其結構可以得出：頂梁直接與頂板相接觸，是承受頂板巖石載荷的支架部件，其柱窩與立柱相連接；掩護梁是阻擋采空區(qū)冒落矸石不涌入工作面空間，并承受冒落矸石的載荷，以承受頂板水平推力的部件，通過平衡千斤頂與頂梁相連接；底座直接與地板相接觸，傳遞頂板壓力到底板并承受頂板壓力的支架部件；立柱是支撐在頂梁和底座之間或間接承受頂板載荷的油缸壓力，是支架的主要動力執(zhí)行元件，可以獨立運動；千斤頂是除了立柱之外的各種油缸，主要任務是完成推移刮板輸送機、移設支架、調(diào)整支架及保護動作。支架在運動過程中速度較快，工作面之間的來回切換也比較方便。

圖1 大采高液壓支架結構示意圖

3 建立液壓支架模型

3.1 簡化液壓支架

在研究力學問題時，首先應該對結構或構件進行簡化處理。由于實際工作過程中液壓支架多為整體焊接構件，其結構比較復雜，組成的零件較多，在建立液壓支架模型前需要進行部分科學、合理的簡化處理，這樣不僅可以保證計算的精度，而且可以減少建模所用時間，降低建模成本。

支架建立模型的簡化規(guī)定包括：

(1)在建立模型的過程中，對液壓支架的主要承載結構進行保留處理，包括頂梁、掩護梁、底座、立柱以及支架連桿，放棄擋銷座、吊環(huán)等對液壓支架的受力分析作用不大的零件；

(2)分析液壓支架在升架、卸載降架、移架和推溜移架輸送機等過程的工作流程，平衡千斤頂上下腔的油液壓力如果保持在安全閥的設置數(shù)值范圍之內(nèi)時，其上下腔通過雙向鎖閉鎖，平衡千斤頂將會被動受力，此時可以將平衡千斤頂簡化為實體桿件，液壓支架在不同高度進行工作時，其伸縮長度為一定值，不可改變；

(3)立柱在有限元分析過程為了方便加載，可以將其簡化為僅建立立柱的頂端、末端分別與柱窩相互配合的部分，此時立柱受到頂梁、底座的壓力可以簡化為施加在立柱的橫截面上；

(4)保留工作過程中受力影響比較大的支架危險區(qū)域的部分細節(jié)結構，忽略某些工藝構造、對受力分析影響不大的小孔及小尺寸結構；

(5)對于液壓支架重要承受載荷的部件尺寸不應改變，各個金屬結構之間的位置及其軸心的位置應與原有數(shù)據(jù)相同；

(6)液壓支架在使用過程中，焊縫處會發(fā)生開裂，若采用合格的焊接工藝[5]，則焊縫處的強度通常是比母材的強度大，因此在建造模型的過程中可以忽略焊縫影響，把結構看做一個整體進行建模。

3.2 建立液壓支架三維模型

本論文采用Pro/E軟件進行建模導入ANSYS中，Pro/E的操作過程簡單，適合設計者采用模塊化方式根據(jù)需要進行參數(shù)化設計選擇，并按照自身要求分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等。基于Pro/E的特征方式，能夠?qū)⒃O計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)工程設計、進行直觀裝配管理且易于使用。通過分析各個結構的特征，確定創(chuàng)建順序和特征類型，確定參考平面，進行繪制、保存和尺寸標注，完成零部件的圖形繪制，然后通過銷釘連接方式進行裝配，得到液壓支架的三維模型如圖2所示。通過設置參數(shù)，液壓支架的模型可實現(xiàn)升降過程的運動和任意一點的運動軌跡。

圖2 液壓支架三維模型

4 液壓支架有限元分析

有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。將Pro/E軟件中的三維模型導入ANSYS中，通過設置參數(shù)，避免數(shù)據(jù)丟失。由于液壓支架在不同工況的有限元分析過程中支架高度有所調(diào)整，在導入過程中還需完成高度設置，支架高度設置原則為最低高度加300 mm，即為2800 mm+300 mm=3100 mm。然后進行材料屬性設置，ZY12000/28/64D型兩柱掩護式液壓支架各金屬結構構件的材料設置為低合金高強度鋼Q550和Q460，其屈服強度分別為550和460 MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.2。根據(jù)材料屬性定義單元屬性和網(wǎng)格尺寸，最后進行接觸和邊界條件的處理，將墊塊對液壓支架的外力作為邊界條件，外載荷則為兩根立柱對頂梁和底座的作用力，根據(jù)《液壓支架通用技術條件》可以得到有限元實驗的加載壓力為1.2倍的額定工作壓力，即為1.2×6000 kN=7200 kN。最后對求解參數(shù)進行設置，設定打開自動時間步長，平衡迭代次數(shù)等，最終得到強度、剛度云圖。

當頂梁受到偏心載荷，同時底座兩端受到載荷作用時，液壓支架整體的應力分布情況見圖3。

圖3 液壓支架整體應力云圖

由圖3可知，不同部位的應力分布不均勻，整體液壓支架最大應力與最小應力相差約753 MPa，最小應力為0.002587 MPa，幾乎接近于零，最大應力為753.658 MPa，液壓支架整體結構也發(fā)生了較為明顯的應力集中現(xiàn)象。由圖3中不能清楚看到支架各個構件之間的受力特點及應力分布，因此需要分析頂梁、掩護梁、連桿和底座的應力云圖。

當頂梁受到偏心荷載，同時底座兩端受到載荷作用時，頂梁、掩護梁、連桿、底座的應力云圖分布見圖4～圖7。

圖4 液壓支架頂梁應力云圖

圖5 液壓支架掩護梁應力云圖

圖6 液壓支架連桿應力云圖

圖7 液壓支架底座應力云圖

由圖4可知，頂梁前端所受應力為0.002587 MPa，接近于零，箱體內(nèi)部筋板受力也比較小，后端所受應力比較大，最大為738.971 MPa，頂梁與墊塊相接觸的部位附近應力比較大，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。結構件由塑性材料制作而成時，在靜載荷作用下應力集中不會產(chǎn)生特別明顯的作用；但在工作過程中會承受動載荷，可能會損壞部件，其余地方應力數(shù)值相對較小。此外在頂梁的受力過程中，隨著時間的延長，很容易出現(xiàn)疲勞失效的現(xiàn)象，嚴重的會造成頂梁開裂，最終會對支架的支撐產(chǎn)生影響。

由圖5可知，掩護梁箱體內(nèi)部的橫筋受力不大，結構不會被損壞，最小應力為1.0481 MPa，后端的橫筋板與中間主筋垂直相交的地方應力局部增高導致應力最大，產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，主筋以及大部分蓋板上的應力也比較大，最大應力可達到497.702 MPa，超過材料的屈服強度，在長期工作過程中，容易造成金屬的疲勞，導致斷裂。

由圖6可知，連桿處的應力基本也是對稱分布，連桿與掩護梁相交的銷孔處應力最大，最大應力為227.832 MPa，最小應力為0.1917 MP。

由圖7可知，底座應力沒有明顯的規(guī)律性，前端蓋板和四根主筋處應力較大，箱體內(nèi)腔的橫筋板、底板、后端蓋板和底座柱窩處應力較小，主筋上端靠近柱窩處、底座箱體與墊塊相接觸的部位的應力較大，主要由墊塊與橫梁之間的固定約束引起，第二根主筋上的應力最大為357.703 MPa，長時間工作會產(chǎn)生疲勞失效現(xiàn)象，對其支撐性能會造成影響。

分析液壓支架的位移分布狀況可知，在頂梁受到偏心荷載，同時底座兩端受到載荷作用時，支架的位移最小值為0，最大值為33.889 mm，液壓支架整體結構發(fā)生了變形，頂梁結構的位移變化量最大，其次為掩護梁，底座的位移變化量比較小。頂梁的最大位移發(fā)生在遠離墊塊位置，掩護梁的最大位移出現(xiàn)在掩護梁的右前端位置，連桿的最大位移出現(xiàn)在右前連桿與掩護梁相連接的銷孔處附近，底座的最大位移出現(xiàn)在底座柱窩的位置，液壓支架整體的最大變形發(fā)生在頂梁的中部區(qū)域，沒有出現(xiàn)結構失效現(xiàn)象。

綜上所述，液壓支架的頂梁出現(xiàn)的最大應力值是液壓支架結構件中最大的，主要是因為頂梁是直接承受載荷的部件。頂梁與掩護梁之間的銷軸也會承受較大的載荷，有必要定期檢查和更新。掩護梁在銷孔和鋼板中間連接處應力值均較大，需要注意其形變。前后連桿應力值基本上不大，稍大的區(qū)域在連桿的銷孔處，為了防止連桿發(fā)生屈服現(xiàn)象，可以選擇增加連桿銷孔處的鋼板厚度。長時間的作業(yè)，頂梁、掩護梁、底座的應力集中現(xiàn)象加重，影響支架的整體性能和結構安全可靠性，因此必須對主要構件結構進行優(yōu)化改造設計，確保在實際工況過程中，頂梁、掩護梁、底座受到的最大應力不大于材料的屈服強度。通過對液壓支架結構進行分析，可以選擇屈服強度更高的材料，同時將產(chǎn)生應力集中嚴重的部，對其筋板由20 mm增加為30 mm，然后重新建模，分析液壓支架的頂梁、掩護梁、底座有限元情況，應力集中得到有效的改善。

5 結語

采用Pro/E與ANSYS軟件的聯(lián)合建模設置材料的屬性，劃分網(wǎng)格，施加載荷及邊界條件等，分析其強度、位移云圖，可以得到液壓支架的頂梁、掩護梁、底座結構滿足使用要求，但是各個構件受到的應力不均勻，容易出現(xiàn)應力集中。由于液壓支架可能會受到動載荷的影響，因此應該改進結構，通過增加應力集中嚴重部位的筋板厚度，然后重新建模，發(fā)現(xiàn)應力集中得到有效的改善。改造后的最大應力不超過材質(zhì)的屈服強度極限，受到的應力也更加均勻，提高了液壓支架的結構安全可靠性。