ZY9000型掩護(hù)式液壓支架頂梁兩端承載能力仿真分析

王含梅 劉耀月

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)柴里煤礦，山東 棗莊 277519）

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架是井下采煤工作的三大核心，俗稱“井下三機(jī)”，液壓支架作為井下核心支護(hù)設(shè)備，又是三機(jī)中的關(guān)鍵[1]。ZY9000型液壓支架是一種井下常用的液壓支架系統(tǒng)，這種液壓支架廣泛應(yīng)用于各種井下環(huán)境。但是，液壓支架在井下應(yīng)用環(huán)境多變，支架在井下工作時(shí)由于復(fù)雜的地質(zhì)情況，使得其支護(hù)條件十分惡劣，受載狀態(tài)也十分多樣。

本研究是建立在柴里煤礦的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合下，在這種工況下，支架頂梁兩端受載就是一種臨界危險(xiǎn)的受載情況。為了分析在柴里煤礦井下ZY9000液壓支架的兩端承載狀態(tài)，本文擬采用虛擬樣機(jī)分析方法，基于ANSYS Workbench的有限元分析方法，對(duì)柴里煤礦實(shí)際工作條件下支架頂梁兩端受載工況進(jìn)行仿真分析，得到其受力及變形情況，從而得出該液壓支架是否滿足作業(yè)要求，為實(shí)際作業(yè)提供參考。

1 ZY9000液壓支架虛擬樣機(jī)建模

利用SolidWorks對(duì)ZY9000型液壓支架進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模，ZY9000型液壓支架由底座、液壓千斤頂、支架系統(tǒng)以及護(hù)板等組成，其中最主要的力承載部位為支架頂梁部分，對(duì)頂梁部分進(jìn)行單獨(dú)建模。

2 搭建仿真平臺(tái)

2.1 建立頂梁三維模型

在搭建仿真平臺(tái)之前，由于ANSYS Workbench有限元分析軟件的建模功能相對(duì)較弱，對(duì)于建立復(fù)雜的三維模型存在一定的困難，因此可以使用SolidWorks模型進(jìn)行導(dǎo)入，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化之后，ANSYS Workbench中的頂梁模型如圖1所示，其中頂梁兩端為加載墊塊，墊塊的位置以及大小嚴(yán)格按照《礦用液壓支架 第一部分：通用技術(shù)條件（GB 25974.1—2010）》來(lái)建立[2]。

圖1 頂梁模型

2.2 模型網(wǎng)格劃分、約束及加載

模型建立完成后，將模型保存為“.igs”格式并導(dǎo)入進(jìn)workbench軟件中，通過(guò)自由網(wǎng)格劃分功能，得到模型的網(wǎng)格如圖2所示。

根據(jù)該礦井下的支架作業(yè)支撐情況，可以得到兩端加載的情況下，支架作業(yè)處于極限工況，在仿真中的處理方法為：

（1）全約束兩加載墊塊上頂面，根據(jù)柴里煤礦井下的實(shí)際操作情況，可以得到兩端的加載載荷大約是頂面載荷，對(duì)頂梁兩柱窩面施加正常工作阻力的1.2倍載荷；

（2）設(shè)定鋼制材料模型的屈服極限為690MPa，完成仿真平臺(tái)的搭建[3-4]。

圖2 網(wǎng)格模型

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真平臺(tái)，通過(guò)模擬分析后，得到支架頂梁兩端加載時(shí)的應(yīng)力以及應(yīng)變情況如圖3、4、5所示。

由圖3可看出，頂梁在此工況下的極限應(yīng)力為584MPa，極限屈服應(yīng)力較大，但小于其材料約定的屈服極限690MPa。

由圖4、5可以看出，頂梁在此工況下的最大變形為3mm，根據(jù)《礦用液壓支架 第一部分：通用技術(shù)條件（GB 25974.1—2010）》頂梁相對(duì)殘余變形量不得超過(guò)0.4%[5]，相對(duì)殘余變形量是頂梁變形量與兩墊塊之間距離的比值，經(jīng)計(jì)算得允許的最大變形量為10mm，所以變形量也符合要求。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，可以得到，在該礦井的工況條件下，頂梁會(huì)出現(xiàn)適當(dāng)變形，但變形范圍在許用范圍內(nèi)，材料不會(huì)出現(xiàn)疲勞勞損等情況。

圖3 頂梁底面應(yīng)力云圖

圖4 頂梁頂面應(yīng)力云圖

圖5 頂梁應(yīng)變?cè)茍D

4 仿真結(jié)論

通過(guò)對(duì)ZY9000型掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行SolidWorks建模，虛擬樣機(jī)建立，并對(duì)頂梁進(jìn)行基于ANSYS Workwench仿真，可以得到以下結(jié)論：

（1）在柴里煤礦井下的實(shí)際工作環(huán)境中，頂梁兩端受載時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁柱窩附近下方筋板處，頂梁兩端應(yīng)力變化較小，并且材料屈服極限小于極限應(yīng)力。支架材料符合要求。

（2）頂梁兩端受載時(shí)，最大變形出現(xiàn)在頂梁中部及柱窩附近，整個(gè)頂梁呈現(xiàn)為一種“拱”形。并且最大變形量為3mm，小于許用變形量，變形量符合要求。

綜上所述，ZY9000型液壓支架適用于該礦井下的作業(yè)情況，能完全滿足兩端加載承載能力要求。

5 作業(yè)試驗(yàn)

在該礦井的井下作業(yè)條件下，使用ZY9000液壓支架進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)支架作業(yè)時(shí)牢固可靠，可抵消大量的頂端應(yīng)力與載荷，并且該支架在用于本礦井作業(yè)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械不良震動(dòng)與機(jī)械異響，未發(fā)現(xiàn)其他不良作業(yè)情況。通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論，仿真結(jié)果具有一定的參考意義，并且該支架完全可以符合當(dāng)前的井下作業(yè)狀態(tài)。