王志強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為我國(guó)最為基礎(chǔ)的能源之一，其儲(chǔ)量在我國(guó)十分豐富，但整體存在賦存不均的情況。隨著開(kāi)采深度及年限的增加，使得我國(guó)賦存條件較為簡(jiǎn)單的煤層已經(jīng)逐步開(kāi)采完畢，開(kāi)采的重點(diǎn)逐步朝著三下煤層轉(zhuǎn)移。隨著充填技術(shù)的成熟，充填開(kāi)采的配套機(jī)械液壓支架也在不斷發(fā)展。在礦井正常開(kāi)采過(guò)程中，液壓支架的數(shù)量在煤礦機(jī)械中占據(jù)極大的比重，但由于礦井工作環(huán)境較為復(fù)雜，使得液壓支架的受力變化十分大，這無(wú)疑使得液壓支架的一些部件由于承載能力問(wèn)題出現(xiàn)損壞，造成液壓支架無(wú)法正常工作[1-2]。同時(shí)由于底板及頂板都不是平整的，所以使得液壓支架底座或者頂梁存在一定的傾斜，從而出現(xiàn)一定的偏載及扭矩問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人員及設(shè)備的安全[3-4]。為了提升液壓支架整體穩(wěn)定性，本文以塔山煤礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)液壓支架整體受力進(jìn)行分析，并對(duì)受力較為薄弱的點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，為礦井安全開(kāi)采提供一定的參考與借鑒。

1 數(shù)值模擬

液壓支架工作面位于塔山煤礦1070 水平三盤區(qū)，編號(hào)為8306 工作面，水平標(biāo)高968～994 m，2306 巷走向長(zhǎng)1 627 m（巷道進(jìn)入2 號(hào)煤層處算起），5306 巷走向長(zhǎng)1 692.5 m（巷道進(jìn)入2 號(hào)煤層處算起），可采走向長(zhǎng)度1 497 m，傾向長(zhǎng)度302.6 m，煤層傾角為1°～4°，平均傾角為2°，賦存面積為490 635.64 m2。

為了提升液壓支架底座的強(qiáng)度，首先要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行一定分析，本文采用的數(shù)值模擬軟件為ANSYS，ANSYS 數(shù)值模擬分析軟件在機(jī)械強(qiáng)度分析部分應(yīng)用極其廣泛，其可能實(shí)現(xiàn)線性、非線性、靜力、動(dòng)力等方面的分析，同時(shí)可以通過(guò)外接軟件進(jìn)行復(fù)雜模型的建立，非常符合本文的研究。首先要進(jìn)行液壓支架底座的模型建立，本文模型建立參照Z(yǔ)ZC8000/20/38 型掩護(hù)式液壓支架，利用Pro/E 對(duì)支架的部件進(jìn)行建立。為了保證計(jì)算速度，在保證不影響模型計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，忽略模型的倒角、圓角、凹槽等細(xì)小部位。

建立底座模型，首先建立液壓支架底座的長(zhǎng)寬高分別為3 300 mm、1 380 mm、1 220 mm，前頂梁與后頂梁長(zhǎng)寬高分別為3 900 mm、1 440 mm、706 mm，3 300 mm、1 300 mm、420 mm。完成各部件的尺寸建立后對(duì)模型進(jìn)行裝配，之后對(duì)模型的材料進(jìn)行設(shè)定，在材料設(shè)定時(shí)考慮到Q550 鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、價(jià)位低廉、方便采購(gòu)，所以本文選定材料為Q550，材料的力學(xué)屬性如下：密度為7.85 g/cm3、彈性模量為206 GPa、屈服強(qiáng)度為550 MPa、泊松比為0.28、抗拉強(qiáng)度為630 MPa，完成材料屬性設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)需要充分考慮計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度要求，在保證計(jì)算精度要求的同時(shí)盡量減少模擬的計(jì)算時(shí)間，本文經(jīng)過(guò)考慮后選定單元尺寸為30 mm的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界條件及受力進(jìn)行加載，完成模型建立工作。網(wǎng)格劃分完成示意圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

首先對(duì)頂梁兩端集中加載工況下液壓支架整體受力及底座受力情況進(jìn)行分析研究，給出頂梁兩端集中加載工況下整體及底座的應(yīng)力云圖，如下頁(yè)圖2所示。

圖2 頂梁兩端集中加載下應(yīng)力云圖

從下頁(yè)圖2-1 可以看出，在頂梁兩端集中加載工況下，此時(shí)整個(gè)液壓支架的受力相對(duì)較為平均，而且應(yīng)力分布情況呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，對(duì)稱軸為液壓支架的中軸線，此時(shí)在點(diǎn)A 的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，此位置為橫墊塊下方筋板位置，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中位置是由于墊塊與頂梁接觸而產(chǎn)生，所以可以忽略。觀察圖2-2 底座的高應(yīng)力區(qū)為C 點(diǎn)位置，此位置為下后連桿與鉸接口的接觸位置。整體觀察可以看出，在靜力加載條件下的液壓支架整體符合設(shè)計(jì)要求。

對(duì)底座扭轉(zhuǎn)工況下的底座受力情況進(jìn)行分析，給出底座扭轉(zhuǎn)加載工況下整體應(yīng)力云圖，如圖3 所示。

從圖3 可以看出，當(dāng)采用底座扭轉(zhuǎn)工況加載時(shí)，此時(shí)應(yīng)力主要集中在底座主筋肋板及底座連桿上，此時(shí)整體液壓支架的受力較為復(fù)雜，在頂梁柱窩位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)正在墊塊位置，底座與后連桿的鉸接孔接觸位置如點(diǎn)A 出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時(shí)最大應(yīng)力值為766MPa，明顯大于材料的屈服強(qiáng)度550MPa，此外，在底座與墊塊位置也出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力的最大值為699 MPa，可以看出在底座扭轉(zhuǎn)的工況下，底座與后連桿接觸位置超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，所以在此位置可以采用貼板或者更換材料，以此來(lái)保證液壓支架的安全運(yùn)行。

圖3 底座扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力云圖

2 液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提升液壓支架底座的穩(wěn)定性，本文采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)將內(nèi)主筋筋板厚度、底座底板厚度設(shè)定為目標(biāo)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算給出最佳參數(shù)配置，主筋筋板選定Q690 鋼，內(nèi)主筋筋板厚度設(shè)定為25.628 mm、底座底板厚度26.391 mm，對(duì)設(shè)計(jì)完成后的模型進(jìn)行模擬研究。優(yōu)化前后模型的應(yīng)力云圖如下頁(yè)圖4所示。

從下頁(yè)圖4 可以看出，優(yōu)化后較優(yōu)化前底座的受力有了明顯的改觀，優(yōu)化后應(yīng)力集中位置與優(yōu)化前相同，均為與墊塊接觸的位置，未經(jīng)優(yōu)化時(shí)最大應(yīng)力值為766 MPa，超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度690 MPa，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后此時(shí)的最大應(yīng)力值為575 MPa，較未經(jīng)優(yōu)化時(shí)的最大應(yīng)力值降低了191 MPa，降低的幅度為33.2%，同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后主筋筋板的應(yīng)力分布較優(yōu)化前更加均勻，液壓支架的整體受力得到了較好的改善，達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo)，為液壓支架優(yōu)化提供了一定的參考。

圖4 優(yōu)化前后底座扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)頂梁兩端集中加載下液壓支架應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)，在頂梁兩端集中加載下液壓支架整體受力較為均勻，整體較為符合設(shè)計(jì)要求。

2）對(duì)底座扭轉(zhuǎn)工況加載下液壓支架應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)，在底座扭轉(zhuǎn)工況加載下底座與后連桿接觸位置超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，為后續(xù)模擬研究提供了一定的參考。

3）對(duì)底座扭轉(zhuǎn)工況下底座進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后較優(yōu)化前底座的受力有了明顯的改觀，液壓支架的受力最大值有了明顯的降低，達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo)。