液压支架关键部位承载安全性的研究

时间：2023-03-03 16:05:06 来源：千叶帆本文已影响人

刘怡

（铁峰煤业有限公司，山西朔州 037200）

液压支架是进行煤矿综采的主要的支护设备，对煤矿井下的作业空间起到安全支撑的作用。在煤矿的开采过程中，液压支架随着采煤机的位置进行实时工作的调整，实现煤矿二代自动化开采[1]。由于煤矿开采过程中井下的环境恶劣，液压支架的承载复杂多变，对其支护性能具有较高的要求。液压支架的主体结构主要包括顶梁、掩护梁及底座，在液压支架进行支护的过程中，顶梁和底座承受的载荷较大[2]，且直接与煤矿的工作面接触，其承载能力对煤矿的安全性具有重要的影响[3]。针对液压支架的关键部件，采用有限元仿真的形式对其承载安全性进行分析，从而保证液压支架支护过程的安全性，保证煤矿的安全高效开采。

液压支架的结构主要包括顶梁、立柱、连杆、掩护梁、底座及推移机构，顶梁在工作过程中与顶板直接接触，承受来自顶板的压力，与立柱及掩护梁相连接；
掩护梁可主要承受来自采空区岩层及顶板的水平载荷[4]，为井下的作业提供安全空间，上端与顶梁相连接，下端与前后连杆连接；
立柱是液压支架主要的部件，提供液压支架升降的动力，两端分别与顶梁及底座相连接；
底座与工作面的底板直接接触，通过液压支架的顶梁将顶板的压力传递至地板[5]，同时，底座与刮板输送机相连接，作为自身及刮板输送机移动的动力源。

对液压支架的顶梁及底座关键部件进行承载安全性的分析，建立液压支架的整体模型，在实际的工况中对其承载安全性进行分析。采用PRO/E 软件进行液压支架模型的建立，对其结构进行一定的简化处理[6]，对承载时的关键部位进行真实表达，非关键部位进行简化，主要结构的尺寸保持一致，对液压支架的焊缝将其强度视为高于零部件自身的材料强度，将液压支架部件看作整体进行建模。首先在软件中进行各零部件的建模，采用连接装配的形式对液压支架进行装配[7]，将底座固定，然后进行掩护梁、连杆等零部件的装配，采用销钉连接的方式进行装配得到液压支架的整体结构模型。

液压支架在不同的工况下所受到的载荷作用不同，针对承载最大的顶梁偏载、底座扭转的工况进行关键零部件承载安全的分析。采用有限元分析软件ANSYS 进行模拟分析，将所建立的模型导入到ANSYS 软件中，对其进行网格划分处理。在ANSYS 中具有多种不同的单元类型适用于不同的模型分析中，针对液压支架的分析，采用solid45 四面体实体单元的形式进行网格划分[8]，对网格的大小控制在50 mm，由于液压支架的结构较为复杂，采用自由网格的形式进行划分，经过网格划分处理得到液压支架的模型如图1 所示。

图1 液压支架网格划分模型

液压支架的主体结构采用Q690 高强度焊接结构钢进行制作，设定液压支架材料参数为弹性模量为204 GPa，泊松比为0.3。针对顶梁偏载、底座扭转的工况进行边界条件的设定及载荷的施加，在液压支架的顶梁及底座上设置垫块组合模拟工况，对底座进行固定约束，限制底面自由度[9]，其余限制整体的转动自由度。进行偏载分析时，支架的工作高度为最小工作高度加300 mm，所分析的液压支架的最低工作高度为1 700 mm，即设定支架的工作高度为2 000 mm。液压支架顶梁及底座承受的载荷通过立柱进行施加，顶梁的外载荷通过活柱施加，底座的外载荷由立柱的缸体进行施加[10]。进行偏载分析时外载荷以1.1 倍额定的工作压力进行计算，所分析的液压支架的额定工作压力为86 MPa，则计算时受到的载荷作用为94.6 MPa，由此可对液压支架的承载进行仿真计算，对顶梁及底座的承载安全性进行分析。

2.1 液压支架顶梁的承载安全性结果分析

依据顶梁偏载、底座扭转的工况对液压支架进行加载计算，对顶梁的应力及位移进行提取，得到顶梁的承载安全性如图2 所示。从图2-1 中可以看出，将顶梁进行剖开分析应力变化，顶梁受到的应力主要集中在顶梁的左侧附件的筋板位置，最大的应力值为881.6 MPa，然后为顶梁的下盖板的位置处，其应力值为710 MPa，顶梁两端的应力值较小。顶梁受到的最大应力值小于材料的抗拉强度920 MPa，可满足液压支架的使用[11]，但由于支架在工作过程中承受动载荷的作业，最大的应力值接近于材料的抗拉强度[12]，在承受动载荷时，存在发生破坏的危险，可对顶梁的结构进行进一步的优化，降低其应力集中的程度，使顶梁的应力分布更加均匀。从图2-2 中可以看出，顶梁的位移沿着右侧护板逐渐降低，最大的位移量为21.4 mm，相对顶梁的整体尺寸，位移变化量较小，满足顶梁的安全承载要求。

图2 顶梁承载安全性分布

2.2 液压支架底座的承载安全性结果分析

依据顶梁偏载、底座扭转的工况对液压支架进行加载计算，对底座的应力及位移进行提取，得到底座的承载安全性如图3 所示。从图3-1 中可以看出，在扭转载荷的作用下，底座在过桥位置处受到的应力值最大，最大的应力值为913 MPa，然后为底座的小孔连接的位置处，其应力值为325 MPa，底座其余位置所受到的应力值较小。底座受到的最大应力值同样小于材料的抗拉强度920 MPa，可满足液压支架的使用，但最大的应力值接近于材料的抗拉强度，在承受动载荷作用时，薄弱的区域容易产生破坏，影响液压支架支护的安全性，应对底座的结构进行进一步的优化，使底座的应力分布更加均匀，减小所受到的最大应力作用。从图3-2 中可以看出，底座的位移主要发生在右侧部分，最大的位移量为11.9 mm，相对底座的整体尺寸，位移变化量较小，满足底座的安全承载要求。

图3 底座承载安全性分布

液压支架是进行煤矿支护的重要设备，在使用过程中，承受的载荷较多且复杂多变，对液压支架的零部件承载性能具有较高的要求。液压支架的顶板及底座作为与顶板与地板直接接触的部件，其承载的安全性对液压支架的整体性能具有重要的影响。采用ANSYS 有限元分析的形式对液压支架在承载较大的顶梁偏转、底座扭转的工况进行仿真分析，结果表明顶梁及底座的位移变形量均较小，满足液压支架的使用需求；
顶梁存在一定的应力集中现象，顶梁及底座的最大应力值小于材料的抗拉强度，但承受动载荷作用时，存在破坏的危险，需对顶梁及底座的结构进行一定的优化，减小应力分布的梯度。通过结构优化提高液压支架关键部件的承载能力，从而保证煤矿整体支护的安全性。

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