温 鹏

（晋能控股装备制造集团中央机厂，山西 大同 037001）

引言

煤矿在我国的所消耗的能源中占比在60%左右，随着经济的不断发展，煤矿资源的消耗总量也在不断增加。因此，煤矿对于保障国家经济发展具有重要意义。液压支架一般由顶粱结构、掩护梁结构以及底座结构等关键结构组成，其他还有较多的辅助系统。关键结构是液压支架工作过程主要承载部件，其结构的安全决定了设备整机的安全，因此对液压支架关键部件的分析具有重要作用。

大采高液压支架的发展使得厚煤层的开采得以实现，大采高液压支架具有功率大、操作空间大等特点，可以总结如下：采煤机功率大，一般可达到2 500～3 500 kW，一般具有自我故障诊断能力，可靠性更高；可适应大运量、高采高等工作环境，相较于一般液压支架，大采高液压支架设备强度更高，重量大；支护助力以及运输距离都得到了提高，更加适应于厚煤层的开采[1]。

1 大采高液压支架结构特点

大采高液压支架的一般结构如图1所示，主要由顶梁、底座、悬浮立柱、掩护梁、千斤顶等结构组成，下面对其结构特点做简要介绍。

1）采用八根液压立柱，使顶梁的支护能力得以提高，同时有助于顶梁的操作调平。

2）顶梁的受力更均匀，相较于一般的液压支架，大采高液压支架顶梁为超静定结构，承载能力更强。

3）各立柱可以认为是二力杆结构，受力沿其轴线方向，受顶梁的偏载影响较小，因此有效提高了立柱的安全性。

图1 大采高液压支架的一般结构示意图

4）采用的是悬浮式立柱，与传统的立柱相比可压缩比更高，因此可以提高大采高液压支架的抗冲击能力[2]。

2 有限元分析理论

有限元分析计算理论是研究复杂连续体工程力学问题的重要方法，其基本原理是采用结构离散化的方式，将复杂连续问题进行简化，能够较好地模拟出结构的实际受载情况，对于研究复杂工程结构的受力情况具有重要意义。有限元计算方法是将物体划分为微小单元，相临单元依靠单元节点来连接，计算过程中各单元所受的力通过节点传递。

物体中节点较多，一般通过矩阵来表示单元的刚度与位移载荷之间的关系，使用矩阵运算同时可以简化计算量。有限元分析计算的流程如下页图2所示，首先是建立仿真分析的对象模型，设置材料属性并对其划分网格，然后根据事情模型受载情况施加载荷与边界条件，最后求解并查看结果[3]。

3 模型建立及网格划分

3.1 模型建立

图2 有限元静态分析流程图

由于液压支架的实际机构复杂，其内部组成的机构复杂，会极大地增加有限元计算难度，同时有些结构对分析对象的计算结果影响较小则可以忽略不计。在建模过程中，对模型进行了一定简化，去掉顶梁侧护板以及主要分布结构上的连接耳板、小孔等特征。

建模过程中不考虑轴与孔之间的安装间隙，模拟真实的支架受力情况，将载荷施加在立柱的内腔。ZY17500型大采高液压支架大部分结构材料都为Q690，材料屈服强度为690 MPa，且Q690材料密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。将三维实体模型导入ANSYS Workbench，设置好各部件的材料参数，在软件的在Simulation Contact选项中，选择“contact”设置各部件之间的相互接触关系，前处理的准确性对有限元的计算结果具有重要影响[4]。

3.2 网格划分

基于ANSYS Workbench自动网格划分功能对模型进行网格划分，设置element size为30 mm，为提高单元划分质量，设置单元畸变度数值为0.9，单元类型采用“四面体”网格划分网格，四面体网格具有较好的适应性，适合于结构复杂的物体，最后由Workbench的分析计算，共得到2 720 607个单元，节点数为3 835 954个。

4 分析工况及加载

为了计算液压支架关键结构的强度，选择较恶劣的工况对其进行分析计算，根据《煤矿用液压支架第一部分：通用技术条件》中对液压支架载荷的规定，在此选择顶梁扭转工况作为分析工况。按照该标准的要求，加载力应为液压支架额定工作助力的1.2倍，本模型中以压力形式施加于立柱的上下内腔中，液压支架的安全阀设定的压力为48 MPa，因此可以计算得到施加于立柱上的压力大小为55 MPa。限制顶梁在上下方向的位移，在顶梁载荷作用位置、底座与地面接触位置设定位移约束为0，在顶梁的每个接触区域施加的力大小为708.5 kN，液压支架的载荷施加图，立柱视为二力杆其载荷大小如图3所示[5]。

5 分析结果

基于有限元第四强度理论对液压支架的主要承载结构顶梁与底座进行强度分析，根据最大弯曲载荷工况对模型载荷与边界条件进行设置。由计算结果可以判断在该工况下结构的应力分布情况，可为液压支架的结构设计与改进提供理论参考。大采高液压支架顶梁与底座的分析结果如图4所示[6]。

图3 最大弯曲载荷工况加载示意图

5.1 顶梁的分析结果

根据有限元分析计算的结果可知，由于顶梁的两端位移被限制，顶梁两端受弯曲载荷作用，最大应力值点与最大位移点都出现在顶梁的中部位置。顶梁最大等效应力为408.68 MPa，最大应力位于顶梁中部两加强筋板交汇处所形成的焊缝结构，但最大应力值未超过材料的屈服极限，因此可以认为结构仍是相对安全的。

在ANSYS Workbench中后处理模块，选择Total Deformation显示顶梁的位移计算结果，结果显示顶梁的最大位移值为7.533 2 mm，最大位移出现在中部立柱与顶梁连接的支耳位置，在此工况载荷下顶梁两端受工作阻力，中部区域又受到立柱的支撑作用，因此导致顶梁中部位移大于两侧，与顶梁实际受载情况相符。

图4 顶梁的应力与应变云图

5.2 底座的分析结果

根据ZY17500型大采高液压支架底座的应力与应变分析结果（见图5），可得底座的最大应力值为531.34 MPa，小于材料的屈服强度，最大位移值为5.966 4 mm，根据分析结果最大应力与最大位移均出现在右侧中部立柱与底座连接处，连接支耳由于受载较大产生明显的应力集中以及变形，因此在液压支架结构设计时应特别留意这些区域。

对ZY17500型大采高液压支架底座的应力与应变分析结果的分析，对液压支架的结构设计提出两点改进建议：计算结果显示顶梁的安全系数仅为0.91，应对立柱与顶梁的连接结构进行优化，可采用圆弧过渡处理立柱支耳与顶梁连接位置；底座的最大应力与应变均出现在中部右侧立柱支耳位置，可能是材料的结构强度不足，可选择屈服强度更高的Q890，以提高液压支架的抗载能力。

图5 底座的应力与应变云图