沖擊載荷作用下礦用液壓支架有限元分析與研究

陶曉慶，冀軍峰，李文龍

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)踐教學(xué)管理處, 陜西 咸陽 712000)(2.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司, 江蘇 南京 210019)(3.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司, 陜西 咸陽 713699)

液壓支架是煤礦井下綜采工作面的重要支護(hù)設(shè)備，液壓支架的安全性與可靠性對于保證井下安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用[1]。

隨著煤礦開采深度的增加，礦壓顯現(xiàn)(礦山壓力顯現(xiàn))問題逐漸成為誘發(fā)礦井事故的主要因素之一[2]。礦壓顯現(xiàn)問題的出現(xiàn)將會導(dǎo)致井下液壓支架承受沖擊載荷，進(jìn)而導(dǎo)致液壓支架產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞、液壓缸漲缸，甚至頂板冒頂?shù)仁鹿省?/p>

隨著有限元理論的發(fā)展，有限元分析也被引入到液壓支架的結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中。Oblak等[3]將液壓支架簡化為四連桿機(jī)構(gòu)模型，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。王陽陽[4]研究了不同沖擊載荷參數(shù)作用下液壓支架中立柱的受力變形問題。韓鈺[5]采用AMESIM軟件對液壓支架的立柱進(jìn)行了沖擊載荷的響應(yīng)分析。王凱[6]對液壓支架的頂梁構(gòu)件進(jìn)行了沖擊載荷的有限元分析。

國內(nèi)外學(xué)者雖然對礦用液壓支架進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與強(qiáng)度校核，但相對來講，研究的側(cè)重點(diǎn)放在了液壓支架中單個部件的分析，對于液壓支架整機(jī)在沖擊載荷作用下的研究分析相對較少。因此，本文從液壓支架整機(jī)入手，對沖擊載荷作用下液壓支架的整機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。

1 三維模型的構(gòu)建

本文以ZY6000/25/50型礦用液壓支架為研究對象，首先按照液壓支架的二維圖紙進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。圖1所示為ZY6000/25/50型礦用液壓支架三維模型圖。液壓支架整機(jī)包括頂梁、平衡千斤頂、掩護(hù)梁、后連桿、前連桿、底座、外缸體、中缸體、小柱等主要組成部分。

1—頂梁；2—平衡千斤頂；3—掩護(hù)梁；4—后連桿；5—前連桿；6—底座；7—外缸體；8—中缸體；9—小柱

2 沖擊載荷的確定與獲取

針對沖擊載荷作用下的液壓支架進(jìn)行有限元分析，首先需要確定沖擊載荷的大小。本節(jié)將對基本頂作用下沖擊載荷的求解過程進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)。圖2所示為基本頂作用下的巖體變形示意圖。

圖2 基本頂作用下的巖體變形示意圖

取巖塊A進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

假設(shè)巖塊A在回轉(zhuǎn)α角度時，能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時作用在液壓支架上的沖擊載荷為Q，由此可計算得到失穩(wěn)過程中的角加速度，即：

圖3 巖塊A的受力分析圖

(1)

式中：ε為角加速度，rad/s2；G為懸臂的重力，N；l為懸臂的長度，m；R為液壓支架的平均支撐力，N；T為水平推力，N；I0為桿繞O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動慣量；y為水平推力的力臂長度；L為步距長度。

巖塊A偏轉(zhuǎn)α角度的過程又可分解為加速與減速兩個過程。在這兩個過程中，加速度可以認(rèn)為是大小相等、方向相反的。當(dāng)ε為正值時，液壓支架頂板所承受的慣性力F為：

(2)

式中：M為懸臂的質(zhì)量，kg。

根據(jù)O點(diǎn)的力矩平衡原理，可以得到?jīng)_擊載荷Q的表達(dá)式為：

(3)

本文所研究的ZY6000/25/50 型液壓支架是北京開采研究所為神火集團(tuán)梁北煤礦設(shè)計的，結(jié)合梁北礦ZY6000/25/50 型液壓支架的實(shí)際工況，選取巖塊的步距長度L=18 m，巖塊厚度h3=4 m，巖塊寬度b為1.43 m，巖塊密度ρ為2.5×103kg/m3，則巖塊質(zhì)量M1為：

M1=ρ·L·b·h3=2.574×105(kg)

(4)

經(jīng)查閱，ZY6000/25/50型礦用液壓支架頂梁長度為3.8 m，支架對于頂梁的支撐位置大約在頂梁長度的1/3處，則液壓支架對頂梁的支撐作用點(diǎn)到煤壁的距離l為2.53 m；液壓支架的平均支撐力R為5 067 N；懸臂的重力G為2 200 N。將上述參數(shù)代入式(1)～(3)，可以得到液壓支架所承受的沖擊載荷Q為15 269 kN。

3 液壓支架整機(jī)的有限元分析

采用ABAQUS有限元分析軟件中的Explicit動力學(xué)分析模塊對液壓支架整機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。將第1節(jié)中的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件。定義材料屬性，ZY6000/25/50型礦用液壓支架主體結(jié)構(gòu)的材料類型為Q460鋼，則材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比μ為0.3。定義最大增量步數(shù)為1 000，增量步大小的初始值設(shè)定為0.01，最小值與最大值分別設(shè)置為1E-07與0.05。定義約束條件，從圖1可以看出，頂梁、掩護(hù)梁、后連桿、前連桿以及底座之間是通過鉸接的形式進(jìn)行連接的，采用設(shè)置中的“HINGE”對各連接部分進(jìn)行定義即可。定義邊界條件，將底座的下表面定義為固定支撐的邊界條件。頂梁與掩護(hù)梁、掩護(hù)梁與前后連桿、前后連桿與底座之間設(shè)置鉸接，底座與立柱外缸體、頂梁與小柱之間設(shè)置球鉸連接。立柱的外缸、中缸與小柱以及立柱與頂梁、底座之間設(shè)置表面與表面接觸關(guān)系。載荷的施加，液壓支架立柱和千斤頂內(nèi)施加1.5倍工作載荷進(jìn)行預(yù)緊設(shè)置。沖擊載荷的施加，由第2節(jié)分析可知，確定沖擊載荷的大小為15 269 kN，選用三角形沖擊載荷的加載方式對液壓支架整機(jī)施加載荷，并且據(jù)井下實(shí)測數(shù)據(jù)[2]，液壓支架整機(jī)的初始承受載荷一般小于4 500 kN，本文選取4 500 kN作為初始載荷。載荷作用時間設(shè)定為12 ms。則液壓支架整機(jī)的載荷設(shè)定方式如圖4所示。

圖4 載荷的設(shè)定方式

最后將液壓支架整機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，頂梁、掩護(hù)梁、底座、前后連桿等復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元尺寸設(shè)為70，采用四面體單元自由網(wǎng)格劃分設(shè)置，單元類型為C3D4。立柱和平衡千斤頂結(jié)構(gòu)相對簡單，單元尺寸設(shè)為50，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分設(shè)置，單元類型為C3D8R。所得到的模型前處理圖像如圖5所示。

經(jīng)上述設(shè)定，提交分析，即可得到?jīng)_擊載荷作用下液壓支架整機(jī)的有限元結(jié)果云圖，如圖6所示，同時可以得到應(yīng)力隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖5 模型前處理圖像

圖6 有限元結(jié)果云圖

由圖6與圖7可以看出，在11.4 ms時，液壓支架頂梁部分的兩個肋板出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為693.2 MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

本文對沖擊載荷作用下ZY6000/25/50型礦用液壓支架進(jìn)行了瞬態(tài)動力學(xué)有限元分析，最終得到了沖擊載荷作用下液壓整機(jī)受力變形云圖，最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓支架頂梁部分的兩個肋板處，最大應(yīng)力值為693.2 MPa。仿真分析結(jié)果為礦用液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

圖7 應(yīng)力變化曲線