液壓支架不同工況下頂梁的承載性能分析

侯 偉

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

引言

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)化綜采成為我國(guó)主要的煤礦開采方式，在綜采過程中，液壓支架是工作面重要的支護(hù)設(shè)備，對(duì)工作面頂板進(jìn)行支護(hù)，保證開采的空間及安全，同時(shí)液壓支架與采煤機(jī)、輸送機(jī)等協(xié)調(diào)動(dòng)作[1]，保證煤礦綜采自動(dòng)前進(jìn)。在綜采過程中，在工作面的開采長(zhǎng)度上要采用多組液壓支架進(jìn)行支護(hù)，由于煤層的分布及頂板的變化對(duì)不同工作面位置的液壓支架造成不同的載荷作用，特別是與頂板直接接觸的頂梁的載荷作用變化復(fù)雜[2]，對(duì)頂梁的承載性能具有較高的要求。依據(jù)工作面礦壓的變化分布情況，在不同的承載工況下采用有限元仿真的形式對(duì)頂梁的承載性能進(jìn)行分析[3]，從而保證頂梁滿足液壓支架的支護(hù)需求，保證煤礦開采支護(hù)安全。

1 液壓支架群組支護(hù)工況分析

液壓支架的結(jié)構(gòu)組成中，頂梁與工作面頂板直接接觸，受到頂板的載荷作用，對(duì)頂梁的承載形成不同工況。對(duì)某煤礦工作面使用的液壓支架進(jìn)行分析，開采煤層的平均厚度為3.5 m，走向長(zhǎng)度為340 m，傾向長(zhǎng)度為200 m。在開采過程中，巷道的前后端頭采用支撐掩護(hù)式支架控制頂板[4]，中間位置采用填充型支護(hù)頂板，在工作面的長(zhǎng)度上共采用120組填充性液壓支架，6組過渡支架及5組掩護(hù)式液壓支架[5]。

在工作面的長(zhǎng)度上，上百臺(tái)液壓支架共同組成對(duì)工作面的有效支護(hù)系統(tǒng)。液壓支架在支護(hù)過程中受到的載荷可以分為覆巖的重力載荷及覆巖的運(yùn)動(dòng)載荷，重力載荷取決于垮落的巖層的重量，運(yùn)動(dòng)載荷取決于覆巖的運(yùn)動(dòng)劇烈程度。在液壓支架的支護(hù)中，由于液壓油介質(zhì)的壓力作用，將液壓支架看作等剛度的彈性體，液壓支架的支護(hù)系統(tǒng)相當(dāng)于多個(gè)液壓支架組成的彈性體對(duì)梁體的支撐。

在工作面的不同支護(hù)位置上，由于巖層的變化作用不一、頂板的斷裂垮落不同、不同位置液壓支架的支護(hù)狀態(tài)不一致、頂梁的受力作用不同，對(duì)頂梁形成不同工況的受載。在工作面的方向上，越靠近工作面的中部，頂梁承受的載荷越大，且偏載作用越小。越遠(yuǎn)離工作面的中部，則頂梁承受的載荷減小，偏載作用增加。選取工作面端頭位置及中間位置的液壓支架為例進(jìn)行分析，在兩種不同的工況下，液壓支架的頂梁分別受到偏心載荷及集中載荷的作用，其承載狀態(tài)如圖1所示。

圖1 液壓支架不同工況承載狀態(tài)

2 液壓支架不同工況頂梁承載性能分析

2.1 頂梁仿真分析模型的建立

采用有限元分析的方式，對(duì)液壓支架頂梁的承載性能進(jìn)行仿真模擬，依據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，建立支架的三維結(jié)構(gòu)模型，將模型導(dǎo)入到SolidWorks中進(jìn)行分析。在SolidWorks中設(shè)定液壓支架的材質(zhì)為Q690高強(qiáng)度鋼，密度為7.8 g/cm3，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，液壓支架為各向同性材料，產(chǎn)生的變形作用均為線性變形。對(duì)液壓支架模型進(jìn)行離散化處理，采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，對(duì)連接位置處的網(wǎng)格進(jìn)行一定的細(xì)化處理，得到網(wǎng)格劃分模型如下頁(yè)圖2所示。

圖2 液壓支架的網(wǎng)格模型

液壓支架的底座與底面接觸，對(duì)底座進(jìn)行固定約束，依據(jù)兩種不同的工況，對(duì)液壓支架的頂梁進(jìn)行加載分析，對(duì)頂梁的應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 頂梁不同工況下的承載性能仿真分析

依據(jù)液壓支架在工況一時(shí)的承載狀態(tài)對(duì)液壓支架進(jìn)行仿真分析，經(jīng)過計(jì)算，得到頂梁在工況一時(shí)的應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3中可以看出，液壓支架在偏心載荷的作用下頂梁受到的最大應(yīng)力為248.3 MPa，最大應(yīng)力位于頂梁的柱窩及筋板連接位置處，且支架受到偏心載荷的作用，左側(cè)的應(yīng)力值要高于右側(cè)，同時(shí)，頂梁中間筋板左側(cè)上部的應(yīng)力值也大于右側(cè)。頂梁柱窩的位置處是頂梁的主要承載部位，對(duì)頂梁的使用具有直接的影響作用，柱窩位置的最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力690 MPa，滿足液壓支架的使用需求，其余位置處的應(yīng)力值較小。

圖3 工況一頂梁的應(yīng)力（MPa）分布云圖

依據(jù)液壓支架在工況二時(shí)的承載狀態(tài)對(duì)液壓支架進(jìn)行仿真分析，經(jīng)過計(jì)算，得到頂梁在工況二時(shí)的應(yīng)力分布如圖4所示。從圖4中可以看出，液壓支架在集中載荷的作用下頂梁受到的應(yīng)力最大值為515MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂梁的柱窩與中間筋板的附近位置處，柱窩處的應(yīng)力值較大，具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。液壓支架承受集中載荷的作用，具有減小的偏置，頂梁的左右兩側(cè)應(yīng)力分布一致。柱窩位置處的最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度690 MPa，滿足液壓支架的使用需求，其余位置處的應(yīng)力值較小。柱窩位置處具有較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)液壓支架的頂梁長(zhǎng)期使用造成影響。

圖4 工況二頂梁的應(yīng)力（MPa）分布云圖

通過上述分析可知，在工作面的長(zhǎng)度上，不同位置的液壓支架受到的載荷作用不同，對(duì)液壓支架頂梁的承載要求不同。選取工作面長(zhǎng)度上端頭位置及中間位置的液壓支架進(jìn)行頂梁的應(yīng)力作用分析，在端頭位置受到偏心載荷的作用，其應(yīng)力值較小，在中間位置受到集中載荷的作用，其應(yīng)力值較大，液壓支架的強(qiáng)度均滿足系統(tǒng)的使用需求，在工況二中存在著應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可對(duì)頂梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化處理，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)語

液壓支架是進(jìn)行煤礦綜采主要的支護(hù)設(shè)備，對(duì)煤礦的安全開采具有重要的作用。在進(jìn)行礦井的綜采過程中，液壓支架以群組的形式在工作面長(zhǎng)度上形成有效的支護(hù)，可將液壓支架的支護(hù)系統(tǒng)看作等剛度的彈性系統(tǒng)。在長(zhǎng)度方向上，由于不同位置的礦壓變化不同，對(duì)液壓支架的承載形成不同的工況，以液壓支架在工作面端頭位置及中間位置為例，建立液壓支架的有限元分析模型，并對(duì)不同的工況進(jìn)行加載分析。經(jīng)過計(jì)算得到液壓支架頂梁在不同工況下的應(yīng)力分布狀態(tài)。結(jié)果表明，在兩種工況中，頂梁的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在柱窩與連接筋板的位置處，工況一左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)，工況二的應(yīng)力左右分布一致，且工況二的最大應(yīng)力要大于工況一，但兩者均小于頂梁的屈服應(yīng)力，滿足系統(tǒng)的使用需求。液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)在不同工況下的承載性能滿足工作面的需求，可以保證工作面的支護(hù)安全。