不同工况下的矿用液压支架结构性能研究

李志勇

（大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司梨园河煤矿， 山西 忻州 034114）

引言

矿用液压支架是井下作业中的重要支护设备，在煤矿环境中得到广泛应用。但由于井下环境的恶劣性，液压支架经常因受力过大、安装不合理等因素而出现较大的整体结构变形，导致坍井事故发生，液压支架结构性能的好坏直接影响着井下作业的安全。

1 液压支架结构组成

矿用液压支架是支撑井下工作面顶板的主要液压支撑设备，该设备主要由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置等部件组成，如图1所示。具有前后移动灵活、支撑效果好、推动其他设备效率高等特点，在煤矿中得到广泛应用。其各关键部件主要作用如下[1]。

图1 液压支架结构组成图

1）顶梁结构。该结构下表面设置连接接口，可与掩护梁、立柱等结构进行连接，其上表面为平整平面，直接用于承受来自上部煤层的压力，具有较强的结构强度和支撑力。

2）掩护梁结构。该结构上部与顶梁连接，下部与四连杆机构连接，主要用于承受顶部煤岩掉落所产生的压力和来自顶梁所产生的作用分力，并为工作人员工作环境提供了更高的安全工作空间。

3）底座结构。该结构底部作用于地面，上部通过立柱连接顶梁，可将顶梁承受的外界压力传递至地面，并在立柱作用下给其他设备提供强大的推动作用力，整体结构具有较强的刚度、强度、稳定性和承载能力。

4）立柱结构。该结构两端分别连接顶梁和底座，是液压支架中的关键部件，设置由强大液压推力的液压千斤顶，可为液压支架提供较大的支撑力和推力，实现对顶梁不同位置的调节和变化[2]。

2 液压支架模型建立

2.1 液压支架主要参数确定

结合工程实际，选用ZY4000型掩护式液压支架作为研究对象，对液压支架的主要参数进行了设计计算，初步确定了液压支架的支架高度、支架中心距、底座尺寸、顶梁尺寸等，具体参数值如表1所示。

表1 液压支架主要参数值

2.2 液压支架三维模型建立

根据液压支架的结构组成和主要参数值，结合支架的工程实际结构，采用SolidWorks三维建模软件，建立了包含顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置等关键部件的液压支架三维模型，而其他非关键部件进行了简化，具体模型如下页图2所示。

2.3 液压支架工况确定

由于矿用液压支架在实际工作过程中，其工作环境相当复杂，具有多种工况条件。因此，根据《液压技术通用技术条件》、《煤矿用液压支架》，结合工程实际，选择了顶梁和底座集中加载和顶梁偏心加载与底座受扭转载荷两种工况作为液压支架的分析工况，并对不同工况下的垫块尺寸进行了设计，其具体说明如下[3]。

图2 液压支架三维模型图

2.3.1 顶梁和底座集中加载工况（图3）说明

图3 顶梁和底座集中加载工况

图3中垫块的主要参数值如表2所示。

表2 液压支架中垫块主要参数值

2.3.2 顶梁偏心加载与底座受扭转载荷工况（图4）说明

图4 顶梁偏心加载、底座两端受扭转载荷工况

图4中垫块的主要参数值如表3所示。

表3 液压支架中垫块主要参数值

2.4 液压支架仿真模型建立

结合ZY4000型掩护式液压支架的实际结构特点，将模型的材料属性设置为了Q690材料，选用了SOLID45实体单元类型，网格尺寸取45 mm，采用ANSYS软件对模型进行了网格划分。经过理论计算，确定了施加在液压支架上的顶梁和底座上的载荷大小，其值分别为94.7 MPa和23.7 MPa。由此，建立了矿用液压支架的仿真模型，如图5和图6所示。

图5 液压支架网格划分图

图6 液压支架仿真模型图

3 液压支架不同工况下的仿真分析

3.1 顶梁和底座集中加载

图7和图8分别为液压支架顶梁和底座均受集中载荷作用下的应力云图和位移变化云图。由图7可知，液压支架的整体受力较大，最大应力主要集中在顶梁的上表面，最大应力值为1 110 MPa，已超过液压支架Q690材料的屈服强度690 MPa；且顶梁的中部、前端及后端也出现了较大的应力集中现象；而液压支架的底座、四连杆、掩护梁等部件上的应力相对较小。由图8可知，液压支架的最大变形位移量为13.1 mm，主要发生在支架顶梁的中部，并向顶梁的前后两端进行扩展；而液压支架的其他关键部件的位移变化量相对较小。由此表明，在该种工况下，顶梁为最容易发生结构变形的部件，在产品设计及实际使用过程中，需进一步加强顶梁的结构强度，以此保障液压支架在实际使用过程中的可靠性和安全性[4]。

3.2 顶梁偏心加载与底座受扭转载荷

下页图9和图10分别为液压支架字顶梁和底座均受集中载荷作用下的应力云图和位移变化云图。由图9可知，液压支架的应力分布较为广泛且分布不均匀，应力主要分布集中在顶梁、掩护梁、底座等关键部件上，其整体的最大应力主要集中在底座上值为913.1 MPa，超过了液压支架Q690材料的屈服强度690 MPa，表明液压支架的不同部位承受着不同大小、分布不均匀的应力现象。由图10可知，液压支架的顶梁右侧发生了较大的位移变化，其最大位移量为21.5 mm，并逐步向顶梁左侧、掩护梁处进行扩展；而支架的连杆、底座及掩护梁上位移量相对较小。由此表明，在该种工况下底座及顶梁为最容易发生结构变形的部件，在产品设计及实际使用过程中需进一步加强底座、顶梁的结构强度和结构保护措施，以此保障液压支架在实际使用过程中的可靠性和安全性[5]。

图7 液压支架整体应力（MPa）云图

图8 液压支架整体位移（mm）云图

图9 液压支架整体应力（MPa）云图

图10 液压支架整体位移（mm）云图

4 结论

通过ANSYS软件对ZY4000型掩护式液压支架在不同工况下的仿真分析研究，结果显示矿用液压支架的顶梁、底座均出现了较大程度的应力集中和位移变化现象，在不同工况下均为主要的受力部件；在产品实际使用过程中，需加强液压支架的结构强度，正确布置液压支架的安装位置，才能提高液压支架的可靠性和使用寿命、保障井下作业安全。