閆利軍

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦用液壓支架作為煤礦綜采三大設(shè)備之一，是確保煤礦安全生產(chǎn)的核心機(jī)械設(shè)備，是煤礦綜采能夠順利、高效進(jìn)行的關(guān)鍵，是確保井下綜采實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的前提。液壓支架設(shè)備不僅能夠?qū)C采工作面的頂部進(jìn)行支撐固定，而且可以有效地將采空區(qū)和綜采區(qū)進(jìn)行隔離，避免煤矸石進(jìn)入到綜采區(qū)的機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)致液壓支架的損壞，造成綜采面停產(chǎn)事故[1]，因此如何在不增加液壓支架整體質(zhì)量的情況下對(duì)應(yīng)力集中位置進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提高液壓支架工作的安全性和可靠性，便成了科研工作者迫切需要解決的難題。

1 液壓支架所受外載荷特性分析

由于煤礦井下綜采面環(huán)境復(fù)雜，礦壓分布無規(guī)律性，而且液壓支架在工作時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響較大，故液壓支架在各種工況下所受的外力具有多變的特性，總體來說液壓支架在工作時(shí)所受的載荷主要包括對(duì)稱的集中載荷和非對(duì)稱的集中載荷，其中非對(duì)稱集中載荷是主要工況，因此對(duì)液壓支架在工作時(shí)所受的非對(duì)稱集中載荷情況進(jìn)行分析，其工作時(shí)所受的外載荷受力示意圖如圖1所示[2]。

圖1 液壓支架所承受的非對(duì)稱集中載荷分布

由圖1可知，在液壓支架所處的煤層厚度變化情況較大時(shí)，綜采面的煤層煤壓情況不穩(wěn)，此時(shí)液壓支架頂梁和頂板處于非均衡的接觸情況，造成在液壓支架上承受非對(duì)稱的集中載荷作用，即液壓支架不但要承受橫向的扭轉(zhuǎn)變載荷，還要承受來自煤層的垂直縱向載荷的作用，這樣當(dāng)液壓支架的頂板在煤矸石作用或者液壓支架在巷道內(nèi)推進(jìn)時(shí)就會(huì)導(dǎo)致頂板向著大的自由表面?zhèn)刃保斐芍Ъ芷d，從而導(dǎo)致了支架某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致支架的過度磨損，嚴(yán)重影響液壓支架的使用安全性和使用壽命。

2 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)受力分析

煤礦井下液壓支架具有四連桿機(jī)構(gòu)，液壓支架在工作時(shí)在外界載荷的作用下會(huì)承受一定的附加力，這個(gè)附加力越大就會(huì)對(duì)液壓支架的工作可靠性影響就越大，因此需要對(duì)液壓支架工作時(shí)四連桿結(jié)構(gòu)受到的附加力進(jìn)行充分分析，液壓支架整體受力結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四連桿結(jié)構(gòu)受力示意圖

在四連桿結(jié)構(gòu)中，取受力最直接的頂梁為單獨(dú)的分離體，對(duì)結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析[3]，如下頁圖3所示。

圖3中，R1為支架的前連桿作用于掩護(hù)梁上的作用力，R2為支架的后連桿作用于掩護(hù)梁上的作用力，P為平衡千斤頂?shù)睦Γ琎1、Q2為作用在掩護(hù)梁前后的附加力[4]。

假設(shè)∑Fx=0、∑Fy=0，則

由此可分析出，支架所受的附加力越大，對(duì)支架的受力影響越不利。

圖3 掩護(hù)梁受力結(jié)構(gòu)示意圖

3 液壓支架的仿真分析

利用CREO三維建模軟件建立了某型液壓支架的三維結(jié)構(gòu)模型，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，將其導(dǎo)入到Ansys仿真軟件中，并采用二階實(shí)體四面體單元的方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后使每個(gè)獨(dú)立的二階實(shí)體分別具有4個(gè)角點(diǎn)和6個(gè)中間點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，當(dāng)對(duì)該模型單元施加載荷時(shí)，若單元體要求是曲線形狀的幾何實(shí)體則該二階單元體的面和邊線即可是曲線形狀，能夠很好地模擬在受力作用下的幾何形變情況[5]。

圖4 液壓支架三維模型

在Ansys中對(duì)液壓支架在頂梁承受非對(duì)稱交變載荷時(shí)液壓支架的整體受力情況進(jìn)行仿真研究，如圖5所示。

圖5 非對(duì)稱載荷下液壓支架整體應(yīng)力云圖

由圖5可知，在頂梁承受非對(duì)稱交變載荷的情況下，液壓支架的應(yīng)力主要集中分布在液壓支架的底座和頂梁上，作用在四連桿和掩護(hù)梁上的應(yīng)力相對(duì)比較小，作用支架上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與頂梁相接觸的墊塊上，最大的應(yīng)力可達(dá)685.901 MPa，最小的應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁上，且最小的應(yīng)力為0.005 MPa。

4 液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的液壓支架整體視圖如圖6所示。

對(duì)優(yōu)化后的液壓支架結(jié)構(gòu)施加相同的非對(duì)稱交變載荷作用，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，如圖7所示，

圖6 液壓支架優(yōu)化后結(jié)構(gòu)視圖（mm）

圖7 液壓支架優(yōu)化后應(yīng)力云圖

5 液壓支架的優(yōu)化結(jié)果分析

液壓支架在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各尺寸的變化情況及受力變化情況如表1所示。

表1 液壓支架優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知，在液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后，在施加相同的非對(duì)稱交變應(yīng)力的作用下，σ1的最大應(yīng)力比優(yōu)化前降低了約4.9%，σ2的最大應(yīng)力情況降低了14.89%，優(yōu)化結(jié)果表明支架處承受的附加力σ1和連桿銷接處的應(yīng)力也大幅減小。

優(yōu)化后液壓支架在工作時(shí)承受的附加力和連桿銷接處的應(yīng)力均大幅減少，極大提升了液壓支架在工作時(shí)的可靠性和使用壽命，同時(shí)為液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

6 結(jié)論

針對(duì)由于現(xiàn)有液壓支架工作時(shí)載荷分布不均而導(dǎo)致液壓支架在工作室頻繁出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的問題對(duì)礦用液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化，結(jié)果表明：在確保結(jié)構(gòu)安全的情況下大幅降低了支架工作時(shí)的附加力和連桿銷接處的應(yīng)力，為液壓支架的實(shí)際工程應(yīng)用提供了一種合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。