多種工況下液壓支架底座的性能分析

羅曉林

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司忻州窯礦，山西 大同 037021）

引言

在進(jìn)行機(jī)械化開(kāi)采的過(guò)程中，液壓支架是重要設(shè)備，對(duì)頂板及圍巖起到支護(hù)作用，保證了工作面的安全及連續(xù)生產(chǎn)[1]。底座作為液壓支架的主要承載零件，承受頂板到底板的壓力的同時(shí)，還要保證足夠的剛強(qiáng)度，在不同的工況下，底座承受的載荷也隨之變化，對(duì)底座的結(jié)構(gòu)及性能具有較高的要求。采用ANSYS有限元分析的方式，對(duì)不同工況下的液壓支架底座進(jìn)行分析，據(jù)此對(duì)底座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，既可以節(jié)約液壓支架的生產(chǎn)成本，還可以提高其性能，提高液壓支架的穩(wěn)定性及使用壽命，提高煤礦開(kāi)采的效率和安全性。

1 液壓支架底座的模型建立

對(duì)液壓支架的底座性能進(jìn)行分析，首先要建立底座的模型，采用Pro/E軟件進(jìn)行建模。Pro/E在三維模型軟件中具有廣泛的使用，采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)進(jìn)行建模，可以方便地進(jìn)行模型的構(gòu)建[2]。選擇基準(zhǔn)面進(jìn)行草圖的繪制，通過(guò)拉伸、選擇等特征進(jìn)行基本特征的創(chuàng)建，最后通過(guò)倒角、圓角等指令進(jìn)行底座的造型設(shè)計(jì)。在進(jìn)行建模的過(guò)程中，為了建模及后續(xù)計(jì)算的方便，對(duì)底座的細(xì)小結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，得到液壓支架的底座模型如圖1所示。

對(duì)于底座的三維模型，導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對(duì)于模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本次分析中選擇四面體單元網(wǎng)格對(duì)液壓支架底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于單元網(wǎng)格的數(shù)量及網(wǎng)格的大小對(duì)計(jì)算的結(jié)果具有重要的影響[3]，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，充分考慮計(jì)算的精度及所需的時(shí)間，選擇單元網(wǎng)格的大小為15 mm，對(duì)底座模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理。

圖1 液壓支架底座模型

底座的材料選用Q550高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定。在工作過(guò)程中，液壓支架承受圍巖的壓力載荷，通過(guò)不斷地傳遞，底座承受主要的壓力作用，設(shè)定底座的底面為固定約束，在液壓支架承受不同類型的載荷作用時(shí)，分析底座的應(yīng)力及變形情況[4]。

2 多種工況下液壓支架底座的性能仿真分析

底座隨著液壓支架受力作用的不同，其承受的載荷作用也不同，依據(jù)液壓支架的不同工況進(jìn)行底座的性能分析。由于主要對(duì)底座的性能進(jìn)行分析，選取液壓支架的典型工況形式為頂梁兩端集中載荷、頂梁偏載及底座扭轉(zhuǎn)載荷三種形式[5]，采用ANSYS Workbench進(jìn)行底座的應(yīng)力及變形分析。

2.1 頂梁兩端集中載荷作用分析

液壓支架在工作過(guò)程中，當(dāng)工作面的頂板破碎度較高時(shí)，由于有冒頂現(xiàn)象的存在，使得頂梁與頂板之間存在一定的間隙，造成頂梁兩端受到集中載荷的作用。在此種工況下得到的底座的應(yīng)力及變形情況如下頁(yè)圖2所示。從圖2中可以看出，液壓支架底座的整體受力較為均勻，筋板處的受力作用不大，底座承受的應(yīng)力最大的位置在圖中C點(diǎn)處，即后連桿的鉸接孔處，并且在圖中所示的D點(diǎn)位置處存在著一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，底座的整體變形量較小，最大位移位置位于圖中E點(diǎn)位置處，底座的整體應(yīng)力及變形符合材料的使用要求[6]。

2.2 頂梁偏載作用分析

圖2 工況一時(shí)底座的性能分析

在煤層的傾角較大且煤層厚度較大時(shí)，液壓支架的頂梁與頂板之間形成不對(duì)稱的接觸，使得液壓支架受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用，產(chǎn)生破壞作用。在此種工況下得到的底座的應(yīng)力及變形情況如下頁(yè)圖3所示。從圖3中可以看出，底座的整體受力比較均勻，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在圖中B點(diǎn)位置處，即后連桿鉸接處的內(nèi)側(cè)位置，最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度，其余筋板位置處的應(yīng)力均比較小。底座的最大變形量在圖中的C點(diǎn)處，最大變形量約為2.7 mm，相對(duì)底座的整體尺寸，變形量較小，滿足液壓支架的使用要求。

2.3 底座扭轉(zhuǎn)載荷作用分析

液壓支架的底座受到扭轉(zhuǎn)載荷的作用出現(xiàn)在開(kāi)采中底板的不平整及存在著浮矸石作用的情況下。在此種工況下得到的底座的應(yīng)力及變形情況如圖4所示。從圖4中可以看出，底座的應(yīng)力變化較為復(fù)雜，應(yīng)力主要集中在底座的主筋板位置處，在底座的A點(diǎn)位置，即后連桿鉸接孔的主筋板位置存在較大的應(yīng)力集中，此時(shí)的最大應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，在此處存在著破壞現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題，局部的應(yīng)力集中不會(huì)使底座產(chǎn)生疲勞破壞，但在此工況下的工作狀態(tài)惡劣，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行重新優(yōu)化，或者更換采用Q690材料，提高材料的屈服強(qiáng)度，減小應(yīng)力集中的破壞作用。底座的變形呈現(xiàn)不對(duì)稱分布的特征，最大變形量出現(xiàn)在C點(diǎn)位置處，最大值約為8 mm，底座的變形量滿足液壓支架的使用要求。

通過(guò)上述的仿真分析可知，液壓支架的底座在承受多種不同的載荷作用時(shí)，在不同的工況下，后連桿鉸接孔位置處的主筋板均是承載的應(yīng)力比較大，是比較危險(xiǎn)的區(qū)域，且在底座扭轉(zhuǎn)的工況下，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，超出了材料的屈服極限。對(duì)于這一位置，應(yīng)采取一定的措施，優(yōu)化底座的結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象，改善底座的受力情況。

圖3 工況二時(shí)底座的性能分析

圖4 工況三時(shí)底座的性能分析

3 結(jié)論

液壓支架是進(jìn)行煤礦自動(dòng)化綜采的重要設(shè)備，底座作為液壓支架的主要承載零件，其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度性能對(duì)于液壓支架的使用具有重要的影響。針對(duì)液壓支架的不同工況，對(duì)底座的應(yīng)力及變形進(jìn)行有限元分析，結(jié)果顯示，在底座的后連桿鉸接孔位置處是底座較為危險(xiǎn)的區(qū)域，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高底座的性能，更好地發(fā)揮液壓支架的作用。