不同工况下大采高液压支架的结构分析

王东祥，刘 伟

（1.国能蒙西煤化工股份有限公司，内蒙古鄂尔多斯 014300；2.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266000）

0 引言

煤是世界上最主要的一种资源，它的安全和高效利用已成为世界各国研究的热点。随着中厚煤层开采机械化水平的提高，安全、高效、高采出率的开发，是当今国内外采掘工作的一个重要课题。根据国家节约能源政策，采用一次高顶方式，进行了大采高液压支架的分析和试验。因此，设计高性能、高可靠性的液压支架是实现矿井机械化的关键。

杨晓东[1]以某矿18202 工作面8 号煤层为研究对象，自主研制了大采高综采设备并进行了工业试验。结果表明，该装置工作良好，支护机构能有效控制煤壁带现象的发生，支撑效果理想；肖锋等[2]为了确保百吨液压叉车的安全性和可靠性，在综采工作面上创建了三维底盘几何结构，简化了基本分析，并允许在满载操作和制动条件下进行应力分布；许姣等[3]为确定超前液压支护在高采工作面的工作阻力，采用现场工程地质勘察理论分析和数值模拟分析，对工作面巷道破坏和顶板位移进行了研究。赵峰等[4]为了提高液压杆的可靠性，分析了ZY21000/38.5/83D 液压杆在煤矿的实际使用情况，得出了在杠杆作用模型下盖梁容易失效的结论；刘海胜等[5]为了快速有效地支撑大型煤矿的井壁和顶板，在分析大功率支柱液压支撑原理的基础上，采用确定支柱参数的方法，总结出“快、直、正、严、紧、净”六字支撑技术；刘鑫志等[6]对不同工况下液压支架性能进行动态仿真分析。在液压支架的设计过程中，根据液压支架的应力分布和变形，需要不同的材料和结构模型来提高液压支架的整体性能，以满足高机械恢复的需要；武云龙等[7]针对煤壁片帮和实际动载矿压的问题，优化了大采高液压支架结构，进行综合设计，确保了煤层开采的高效和安全；文建国等[8]以霍州煤田甘河煤矿二矿区复杂的煤层地质条件为背景，采用系统分析比较的方法进行支护选择。计算了液压支架的基本参数，分析了其结构要求。李小磊等[9]介绍了ZE07 液压支架液压控制系统的组成及功能，液压支架自动化及机架优化，保证了大型采煤库智能车间的安全高效生产；吕小广等[10]针对大采高工作面顶板出界和支架不稳等问题，利用支架的自动控制能力管理工作面顶板和煤壁的位置，做好液压支架的防滑控制和防卸控制；王小雷等[11]研究了工作面液压支架液压8303 的系统检测彻底密封了液压支架张力规律和顶板支撑效果，为顶板控制和工作面液压分析提供了可靠的设备和数据支持；仉志强等[12]在大直径水力管道的试验中，确定了Amesim管道模型和系统模型，管径和初始压力对液压柱动态特性的影响，模拟结果表明，管道越长、管道直径越大，初始管道压力越高，提升过程越稳定；雷照源等[13]研究了液压支架在智能方面的应用，根据智能组件和组件完成SAC 系统的逻辑优化了支持SAC 系统的时间属性；潘哲等[14]选择12401 高层矿井液压支架，分析支护围岩系统的刚度特性，建立力学模型，研究支护围岩体系作用机理，计算合理强度，选择初始支护强度和极限强度分布规律。

液压支架是各种工作面的主要设备，既要保证顶板的安全和采煤机的运动，又要保证其在大、高条件下的快速推进和提高。因此，液压支架的适应性和可靠性是该项工作的关键。为此改善大采高开采技术可靠性、高可靠性、高阻力、高功率、高自动化、高护顶和护帮效果。

1 大采高液压支架三维建模

1.1 基于SolidWorks 的三维模型建立

SolidWorks 有两种模式，分别为从顶到顶和从底向上。由上而下的模型，需要从装配好的结构图入手，增加新的部件，建立相应的特性。从底部到顶部模型，需要先从构件入手，确定构件的特征，再进行装配。本文的重点在于构建一个由下至上的模式，采用SolidWorks，通过拉伸、切割、镜像和扫描等方法，对各个部件进行三维建模。所有的部件都绘制好后，再根据图纸上的机械装配方式进行装配（图1）。

1.2 大采高液压支架的受载工况

根据国内外有关规范的要求，并根据结构的外部载荷特点，选取4 种不同的工作状态（图2～图5，其中，顶梁、底座垫块厚度50 mm），即上梁和下梁承受集中荷载，上梁偏心，下梁两端集中，上梁偏心，下梁受扭矩负载。

图2 工况Ⅰ（顶梁偏心加载、底座两端加载）垫块位置

图3 工况Ⅱ（顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷）垫块位置

图5 工况Ⅳ（顶梁、底座承受扭转载荷）垫块位置

根据GB/T 3766—2001《液压系统通用技术条件》可知，顶梁做偏载实验，支架工作高度是在最小极限高度上增加300 mm，即3600 mm；而在其他实验中，支架工作高度是在最大极限高度上减少300 mm（支架行程的1/3）、即5900 mm。

根据GB/T 3766—2001《液压系统通用技术条件》，上横梁支架的工作高度在最小极限高度增加300 mm，即3600 mm；对于其他试验，工作高度为距最大极限高度降低300 mm（支架运动的1/3），为5900 mm。

2 有限元模型的建立

第1 步，进行模型输入。

第2 步，进行材料属性设置，ZY12000 掩护式油压支架的主体材料按照Q690 为原料，其他材料为Q460，Q460 材料的结构受力比较低，因此在模型中设定为Q690。这种物质的弹性系数是2.1×10-10MPa，泊松比是0.3，密度为7850 kg/m3。

第3 步，选择网格单元类型并进行划分，ANSYS 软件具有上百个单元类型，可用于各类实际问题的计算。SOLID45 是包含8 个结点的六面体形元件，精度较高，能够满足需要，因此本次选用SOLID45 的实体单位。

一般情况下，网格小，计算结果更精确，但网格太小，不仅不能改善分析的准确性，还会造成运算量的增大；网格太大，计算工作量减少，但计算的准确性下降，导致计算的错误增加。经过多次筛分实验，通常采用40～60 mm 的网孔，而这一次选择50 mm的网孔，既能保证精度又能保证经济。

其次是对栅格进行分割，将其分成两类：投影栅格和自由栅格。前者需要有规则形状、排列均匀的单元，而后者没有特别的需求。由于该支架的构造比较复杂，故本次设计中采取了自由网格法（图6）。

图6 液压支架自由网格划分

第4 步，添加约束与载荷，按照GB 25974.1—2010《煤矿用液压支架 第1 部分：通用技术条件》的规定，在支架的顶部和底部安装4 个不同的垫片，以模拟井下的实际工作状态，如果将垫片上的压力作为外力来处理，则不能用力学分析的方法来解决。因此，在随后的分析中，将垫片所受的负荷视为一个边界条件。添加约束与外载荷见图7。

图7 添加约束与外载荷

根据GB 25974.1—2010《煤矿用液压支架 第1 部分：通用技术条件》规范要求，顶梁偏载实验的外载荷按1.1 倍额定工作阻力计算，其余实验按1.2 倍额定工作阻力计算。

顶梁偏载数据计算：

其中，P1、P2分别为顶梁和底座的载荷，Q 为立柱额定工作阻力，A1为活柱横截面积，A2为立柱缸体横截面积，θ1为立柱与顶梁在竖直方向的夹角，θ2为立柱与底座在竖直方向的夹角。

经计算得出：P1=94.646 MPa，P2=28.604 MPa。

3 4种不同工况下的有限元分析

3.1 顶梁偏心、底座两端加载

采用ANSYS 计算所有支架的应力和位移，如图8 所示。

图8 液压支架整体位移、应力云图（工况Ⅰ）

由图8a）液压支架的总体位移云图可知，最大位移为44.635 mm，最大位移出现在顶梁右板，第二位在掩护梁右边，其他部位的位移较小。由图8b）液压支架的总体应力云图可知，液压支架各个构件的应力值差异很大，而且其应力分布也不尽相同，最小应力为2.62×10-5MPa，最大应力为626.06 MPa，最大应力集中在顶梁，最大应力比Q690 低。

3.2 顶梁、底座两端集中加载

采用ANSYS 对整个框架进行应力和位移的计算，如图9 所示。

图9 液压支架整体位移、应力云图（工况Ⅱ）

由图9a）液压支架的总体位移云图可知，最大位移为31.22 mm，最大位移出现在顶梁中部，其他位置位移较少。由图5b）液压支架的总体应力云图可知，支架的最小应力约为1.175×10-5MPa，最大应力集中于顶部梁，已经超过1289.7 MPa。而防护梁、连杆和底座受力比较小，说明各构件的受力差异很大，同一构件的应力分布也不尽相同。

3.3 顶梁、底座承受扭转载荷

采用ANSYS 对液压支架进行全面的分析，如图10 所示。

图10 液压支架整体位移、应力云图（工况Ⅲ）

由图10a）液压支架的总体位移云图可知，支架的最大位移为45.857 mm，最大位移出现在底座的后侧，其次是后连杆的下部，顶梁、掩护梁和前连接件的位移最小。由图10b）液压支架的总体应力云图可知，支架最小应力为6.98×10-10MPa，最大应力809.26 MPa，最大应力集中于底座，后连杆次之，顶梁、掩护梁和前杆受力比较低，说明各构件的应力分布差异很大，同一构件的应力分布也不尽相同。

3.4 顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷

在顶梁偏心加载、底座承受扭转状态时，采用ANSYS 软件建立位移云图和应力云图，用于分析整个结构的应力和位移（图11）。

图11 液压支架整体位移、应力云图（工况Ⅳ）

由图11a）液压支架的总体位移云图可知，支架的最大位移值为75.447 mm，最大值出现在梁的中间和右边，接着是掩护梁和底座，最大位移最少。由图11b）的液压支架的总体应力云图可知，支架的最小应力在1.5×10-5MPa 左右，最大应力在1 488.4 MPa左右，在这种情况下液压支架上的应力分布非常复杂。顶梁、掩护梁、底座等处的应力集中表明，构件之间的应力差较大，同一构件上的应力分布不均匀。在这些结构中，最大的是顶梁，超过了Q690。

3.5 4 种工况结果分析（表1）

表1 液压支架结构件最大应力和最大位移

由表1 可知，在4 种工况下，顶梁和底座受到扭转载荷时，屋面梁和基础受到扭转载荷时，顶梁的应力最大。根据ANSYS的液压支架结构的受力情况，发现其主要原因是受力的影响，如顶梁、底座等。在试验条件下，各部件的最大应力值均与Q690相近或超过，虽然应力集中对各部件的受力无明显的影响，但在动态荷载作用下，各部件均有损伤，因此必须加以改善。

4 结论

（1）将液压支架测试准则与外部载荷分析相结合，选取4 种工况下的典型载荷，并使用ANSYS 分析，得出应力和应变数据。由于液压支撑受力区域内的压力大于其屈服强度，因此必须对其进行结构改造，从而增加其安全性。

（2）液压支架在4 种工况下模拟测试，结果表明：加强板、侧板和定位侧板顶梁的张力集中，参照ZY12000/33/62 大采高液压支架顶梁优化结果，将顶梁的筋板、侧板及护板加厚到50 mm。改进后减少大采高液压支架的质量，提高了其承载能力，满足实际工况要求。