不同加载条件对矿用液压支架结构强度的影响研究

张晓菲

（大同煤矿集团机电装备同吉液压有限公司， 山西 大同 037000）

引言

液压支架作为煤矿环境中的重要设备，对井下工作面起到了重要的支撑和防护作用，较好地保障了井下作业的安全性。在液压支架实际使用过程中，其工作环境较为复杂，要求液压支架整体结构具有较好的结构强度，因此，需开展不同加载条件下的结构强度分析研究。

1 矿用液压支架研究现状

关于矿用液压支架，我国于1958年开始着手设计，截止目前，所设计的液压支架已达到较高的技术水平。2009年，中煤集团成功研制了工作阻力为1.7×104kN，支护高度达7.5 m的电液压支架，该支架采用三级复合防片帮装置和微间隙配合技术，在当时达到国际先进水平[1]。2013年，平顶山煤矿机械公司与德国签订了12套两柱掩护式液压支架的订单，并成功设计制造完成和产品交付，该设备得到了德国企业的高度好评[2]。同年，郑州煤机集团成功设计研发了国内首套放顶煤液压支架，该支架支护范围达到3.9 m，中间距较普通的液压支架更宽，达到2.05 m，可对60 t以上的物体进行支护，是当时国内放顶煤液压支架中承载能力较强、单台宽度最宽的液压支架[3]。2014年，中煤北京煤矿机械公司设计工作阻力为2×104kN、支护范围为2.8～5.5 m，超过了之前其他公司的产品，是当时5.5 m范围工作阻力较大、支护宽度最宽的液压支架，该支架在后期煤矿行业中得到了较为广泛的应用[4]。

2 液压支架结构特点

液压支架中支撑掩护式支架集成了支撑式支架和掩护式支架的特点，可利用支架的支撑和掩护共同作用，以此保障井下工作面的安全。同时，其结构上拥有两排立柱，其中一根立柱能倾斜，可实现对井下工作面的支撑和掩护作用，对工作面的整体支撑力较大，具有较高的防护性能和稳定性，可用于底板较硬的中厚煤层[4]。但该结构具有升降速度较慢、立柱受力不均匀、支撑范围较小和支撑效果较差等缺点，且整套产品的生产成本较高，结构较为复杂，在运输过程中较难运输，后期维修也存在一定难度，不适用于较厚的煤层开采[5]。

3 液压支架模型建立

3.1 三维模型建立

根据煤矿井下环境中的煤层地质条件、煤层厚度及采矿要求，结合现有液压支架产品型号和性能特点，采用Solidworks软件建立了液压支架的三维模型。考虑后期液压支架仿真的速度和难度较多，而液压支架上非关键部件对仿真结果影响较小，如支架上的圆角、倒角、小孔及护帮装置等，因此，对液压支架三维模型进行了简化，在不改变其整体结构性能的基础上，建立了包含底座、连杆、顶梁等主要部件的简化版模型，如图1所示。

图1 矿用液压支架三维模型示意图

3.2 液压支架仿真模型建立

1）网格划分。将所建立的液压支架三维模型保存相应格式后，导入到Hypermesh软件中，对液压支架三维模型进行网格划分，考虑到网格尺寸越小，模型仿真速度越慢且对仿真结果精度提升较小，同时，对仿真所用硬件要求较高。因此，在综合计算和分析仿真精度和仿真准确性后，将模型设置为四面体网格，并对关键部位进行加密处理，网格单元大小设置为40 mm。

2）材料定义。结合工程实际，液压支架各部件的材料属性均具有较高的要求且各部件组成不一致，为提高模型的仿真速度，将液压支架材料统一设置为Q550材料[6]，其材料参数如表1所示。

表1 矿用液压支架材料属性参数

3）仿真模型建立。为使仿真结果与实际工程相近，对液压支架的顶梁上垫块位置进行施加载荷，对整个结构进行边界条件设置，并对底座进行两端加载和扭转加载等前处理，其加载简图如图2所示。由此，建立了包含168 150个单元的液压支架有限元仿真模型，如图3所示。

图2 底座两端加载和扭转加载简图

4 液压支架结构强度分析

结合建立的液压支架仿真模型，采用Abaqus仿真软件，对液压支架进行了底座两端加载和扭转加载条件下的仿真分析研究。

4.1 底座两端加载影响分析

图4和图5分别为液压支架在底座扭转加载条件下整体结构应力图和底座应力图。由图可知，在该种条件下，液压支架的底座、掩护梁及顶梁等部件均发生了较大的应力集中现象。其中，底座的左右两侧中间部位及与前连杆之间的圆弧连接处呈现应力左右对称现象，分布较为均匀，而掩护梁上竖直板前端、与千斤顶连接处及部分焊接处均也出现了较大的应力，支架顶梁的后端结构的应力相对较小。支架上的应力分布较为均匀，均在材料屈服强度范围内，可满足使用要求。企业在使用过程中，可以此仿真结果作为参考，加强对底座及掩护梁上应力较大区域的结构保护，以保证液压支架的使用安全，提高液压支架的使用性能。

4.2 底座扭转加载影响分析

图6和图7分别为液压支架在底座扭转加载条件下整体结构应力图和底座应力图。由图可知，在该种工况条件下，液压支架的底座发生了较大的应力集中现象，主要出现在底座的左右两侧中间部位及与前连杆之间的圆弧连接处，且左右呈现应力对称现象，分布较为均匀，同时，在底座部分焊接处也出现了轻微的应力集中现象。而液压支架上顶梁、连杆等部件上的应力均较小。但液压支架上各部件的应力均没有超过材料屈服强度，能满足使用要求。企业在使用过程中，可参考此仿真结果，加强对底座中部的结构保护，提高焊接部位的焊接质量，以保证液压支架的结构性能和使用安全。

图4 矿用液压支架整体应力分布图

图5 矿用液压支架底座应力分布图

图6 矿用液压支架整体应力分布图

图7 矿用液压支架底座应力分布图

5 结论

液压支架在两种工况下，各主要部件均存在不同程度的应力集中现象，但均在材料属性范围内，可满足实际使用需求，而企业在使用过程中，可参考此仿真结果，加强对各主要部件应力较大区域的结构保护，提高焊接部位的焊接质量，以保证液压支架的使用安全和使用性能。该研究可为企业加强对液压支架的结构保护提供理论参考，对提高液压支架的使用寿命和保障井下作业的安全性具有重要意义。