煤礦液壓支架使用時(shí)整體結(jié)構(gòu)性能分析

郝立光

（山西東江煤業(yè)集團(tuán)有限公司， 山西 呂梁 033299）

0 引言

液壓支架作為綜放開(kāi)采工作面的重要組成內(nèi)容，其在綜放開(kāi)采工作面中主要起到支護(hù)頂板、維護(hù)作用空間放煤、采煤機(jī)推移、運(yùn)輸機(jī)推移等諸多方面作用。同時(shí)，液壓支架的投資占整個(gè)綜放開(kāi)采工作面總投資的60%以上，所以對(duì)液壓支架在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究分析，進(jìn)而提出優(yōu)化改進(jìn)方案，增強(qiáng)液壓支架整體性能，不僅可以延長(zhǎng)液壓支架的使用壽命，還可以有效降低整個(gè)綜放開(kāi)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(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

1 液壓支架的結(jié)構(gòu)組成

本文將以ZFS8000/23/37 型液壓支架為例，介紹液壓支架的結(jié)構(gòu)組成。

1）頂梁：用于支撐頂板，是液壓支架主要承載部件。同時(shí)，頂梁還會(huì)在反復(fù)頂煤過(guò)程中對(duì)頂板煤層進(jìn)行破碎，提高工作面生產(chǎn)效率。

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

3）掩護(hù)梁：用于承受液壓支架的水平力和側(cè)向力，在頂板巖石垮落時(shí)還可以承接垮落巖石壓力，為工作面營(yíng)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(wěn)定性。

5）四連桿機(jī)構(gòu)：用于調(diào)節(jié)頂梁與煤壁之間的距離和支護(hù)頂板，并在此過(guò)程中承受頂板的水平分力和側(cè)向力。

6）推移機(jī)構(gòu)：用于推動(dòng)刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架向工作面煤壁方向移動(dòng)。

7）護(hù)幫裝置：用于實(shí)現(xiàn)護(hù)幫板的挑起和收平運(yùn)動(dòng)。

8）尾梁：用于支撐松動(dòng)頂板，維護(hù)工作空間。上下擺動(dòng)可控制支架后部放頂煤。

2 液壓支架有限元模型構(gòu)建

2.1 軟件選擇

相對(duì)來(lái)說(shuō)，UG 軟件可以有效考慮整體設(shè)計(jì)環(huán)境的協(xié)同性，并且液壓支架模型構(gòu)建難度較低，可直接導(dǎo)入到HyperMesh 中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。因此，根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，綜合市面上多種有限元模型構(gòu)建軟件，最終選用CAD 軟件UG 構(gòu)建有限元模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

液壓支架整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所以為保障有限元分析結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性以及降低分析過(guò)程中計(jì)算機(jī)性能壓力，一方面需要對(duì)支架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，另一方面需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)支架結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，模型構(gòu)建中將只會(huì)考慮頂梁、底座、掩護(hù)梁、立柱、連桿等部分。在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終將整個(gè)液壓支架劃分為219 411 個(gè)單元和300 042個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而獲取到如圖1 所示中網(wǎng)格劃分模型。

圖1 液壓支架網(wǎng)格劃分模型

3 液壓支架整體結(jié)構(gòu)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(huì)約束支架X 方向的自由度，頂梁2 處會(huì)約束支架Y 方向的自由度，底座3 處會(huì)約束支架Y 方向和Z 方向的自由度，底座4 處會(huì)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(qiáng)度，以此來(lái)保障頂梁受力均勻性以及底座前部受力時(shí)的整體強(qiáng)度性能。為能夠分析確認(rèn)液壓支架在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以下將利用OptiStruct 求解器對(duì)液壓支架進(jìn)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(jìn)行有限元分析結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 整架應(yīng)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(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力最大值點(diǎn)位于支架底座約束施加部位，該點(diǎn)應(yīng)力值處于400 MPa 以上，而其他部位的應(yīng)力相對(duì)較小，大致處于300 MPa 以下，并且應(yīng)力分布呈現(xiàn)出兩端對(duì)稱(chēng)分布。

3.2 頂梁分析

頂梁作為液壓支架的主要承載結(jié)構(gòu)，其有限元分析過(guò)程同整架分析過(guò)程相類(lèi)似，具體分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 頂梁應(yīng)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(yīng)力集中情況，其中最大值約為394 MPa，小于頂梁屈服應(yīng)力值450 MPa。此外，從載荷分布角度來(lái)看，應(yīng)力分布主要集中在頂梁的前端和后端，最大應(yīng)力點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力值約為180 MPa，而頂梁的左右兩側(cè)應(yīng)力分布則較為均勻，應(yīng)力值均不超過(guò)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(yīng)力集中點(diǎn)位于頂梁和掩護(hù)梁連接區(qū)域，最大應(yīng)力值約為280MPa。

圖5 頂梁主筋板應(yīng)力（MPa）分布云圖

3.3 掩護(hù)梁分析

掩護(hù)梁的有限元分析過(guò)程與整架和頂梁的有限元分析過(guò)程較為相似。通過(guò)有限元分析后發(fā)現(xiàn)，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，掩護(hù)梁的應(yīng)力分布為兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，具體應(yīng)力分布區(qū)域主要集中在前連桿和后連桿連接區(qū)域，其中最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值約為212 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于掩護(hù)梁與后連桿連接的銷(xiāo)孔處。

3.4 底座分析

通過(guò)有限元分析后發(fā)現(xiàn)，在頂梁兩端承受集中載荷底座偏載工況下，底座的應(yīng)力分布較為均勻，主要表現(xiàn)為左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，而在底座約束區(qū)域則存在應(yīng)力集中點(diǎn)，其他位置的應(yīng)力則相對(duì)較小。在底座主筋板方面，其應(yīng)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(qū)域最大應(yīng)力值為278 MPa，符合底座主筋板材料的屈服強(qiáng)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(yīng)力分布均呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布，兩者的最大應(yīng)力值分別為166 MPa 和347 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)均位于與底座和掩護(hù)梁連接部位。此外，在比較分析后發(fā)現(xiàn)，后連桿所承受的應(yīng)力值要大于前連桿所承受的應(yīng)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(yīng)優(yōu)先考慮后連桿的強(qiáng)度性能。

4 液壓支架優(yōu)化方案及工程應(yīng)用

綜合上述有限元分析結(jié)果，提出以下液壓支架優(yōu)化方案，即在頂梁中間筋板和頂梁與掩護(hù)梁連接銷(xiāo)孔處替換高強(qiáng)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(yōu)質(zhì)材料，并適當(dāng)增大過(guò)橋處圓角尺寸；在前后連桿與掩護(hù)梁和底座連接銷(xiāo)孔位置則改進(jìn)銷(xiāo)孔結(jié)構(gòu)，增加銷(xiāo)孔尺寸。為驗(yàn)證液壓支架優(yōu)化方案的實(shí)用性，在初步驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性后，將液壓支架優(yōu)化方案運(yùn)用于工程實(shí)踐，具體實(shí)踐周期約為6 個(gè)月。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月的實(shí)踐應(yīng)用后，液壓支架優(yōu)化方案表現(xiàn)出較強(qiáng)的性能水平，不僅整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到明顯提升，而且還降低液壓支架的維修需求，延長(zhǎng)支架的使用壽命，綜合降低支架使用成本。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合有限元分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)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(yīng)力集中點(diǎn)位于頂梁中間筋板和頂梁與掩護(hù)梁連接銷(xiāo)孔處、主筋板的約束部位以及前后連桿與掩護(hù)梁和底座連接銷(xiāo)孔位置?；诖耍瑸樵鰪?qiáng)液壓支架整體結(jié)構(gòu)性能，提出針對(duì)性?xún)?yōu)化方案，并將優(yōu)化方案運(yùn)用于工程實(shí)踐，確認(rèn)此優(yōu)化方案切實(shí)有效，可作為后續(xù)液壓支架優(yōu)化改進(jìn)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要理論參考方案。