刘鑫志

（同煤集团临汾宏大豁口煤业有限公司，山西 临汾 041000）

引言

随着自动化开采技术的进步，大采高综采在厚煤层开采中的应用越来越广泛。大采高综采可以大幅度提高工作面的效率，并且对巷道的掘进快速，减少了综采设备的移动时间，节约了生产的辅助时间[1]。大采高综采的广泛应用离不开大采高液压支架的使用，作为大采高开采的关键装备，液压支架的性能对于煤矿的开采具有重要的影响。在开采过程中，液压支架的承载复杂多变，为判定液压支架的性能，对不同工况下的应力变形进行分析，从而更好地改进液压支架的结构及性能，为煤矿的高效开采提供支撑。

1 液压支架的工况划分及建模

液压支架作为矿井的支撑设备，由于煤层的赋存条件及地质条件的变化，使得液压支架的承载复杂，且具有一定的随机性。在开采过程中，液压支架提供工作面的保护，且考虑到开采效率，液压支架不得影响采煤作业的过程，并实现连续采煤作业。在液压支架的使用过程中，对支架性能影响较大的主要有对称集中载荷和非对称集中载荷[2]。

液压支架在支撑过程中，由于顶板的位置变化，使得液压支架的承载呈点接触或者线接触的形式，工况十分恶劣。集中载荷是顶梁与顶板之间呈两点或者两线接触，非对称的集中载荷是在煤层的厚度变化或者煤层倾角较大时，顶梁和顶板的不对称接触，使得液压支架在承受垂直载荷作用的同时，还要承受扭转载荷的作用，加剧了液压支架的破坏。依据液压支架的承载不同，划分液压支架的三种不同的典型工况，分别为顶梁偏载底座集中、顶梁扭转底座集中及顶梁集中底座扭转三种不同的工况[3]，见表1，依此对液压支架的性能进行仿真分析。

表1 液压支架的工况划分

采用Pro/E软件建立液压支架的三维模型，在建模过程中，对液压支架的结构进行一定的简化处理，将钢板的焊接件作为整体结构进行，忽略焊缝等的影响，对液压支架的细小结构在不影响受力的情况下进行简化，建立液压支架的结构模型如图1所示，以此进行仿真模型的分析[4]。

图1 液压支架模型图

2 不同工况下液压支架性能分析

依据建立的液压支架模型，将其导入到ANSYS Workbench软件中，ANSYS是进行有限元分析的大型软件，可与Pro/E等绘图软件直接通信，可以快速的进行数据的共享使用。对导入到ANSYS中的模型进行网格划分，采用自由网格的形式进行液压支架的网格划分[5]。依照材料的形式，设定液压支架的材料特性，对液压支架进行静力学分析，不考虑液压支架的移动状态，对其进行固定约束[6]，对三种不同的工况进行加载分析。

对三种不同工况下的液压支架进行有限元静力学分析，对得到的应力及变形结果进行分析。经过ANSYS计算，得到液压支架的应力变化如下页图2中所示。从图2中可以看出，三种不同的工况中，最大的应力值出现在顶梁偏载底座集中载荷的工况下，此时的应力最大值应为1 082 MPa，其余两种工况下的应力最大值分别为785 MPa、719 MPa。从液压支架的应力整体分布来看，三种不同的工况下，支架的高应力区域出现的位置各不相同，高应力的位置分别出现在液压支架的顶梁、掩护梁、连杆和底座，具有一定的局部特性，支架整体的应力值不高，在顶梁片偏载底座扭转的工况下局部特性更加明显。

图2 不同工况下的应力（MPa）分布

对液压支架的变形记性分析，为支架的结构设计提供相应的参考。经过ANSYS的计算分析，得到三种不同工况下的变形分布如图3所示。从图3中可以看出，在工况一的情况下液压支架的变形最大，最大的位移值约为30 mm，其他两种工况下的液压支架的变形相对较小，约为13 mm。从三种工况的液压支架变形整体分析，三者的变形趋势分布一致，由支架的顶梁位置处向底座逐渐过渡，变形量逐渐减小。液压支架在工作过程中，随着承载工况的不同，液压支架的高度随之发生变化，随着工作高度的减小，整体的变形量逐渐减小，并且在液压支架内部，各部件的变形量也由顶部向着底座逐渐减小。在进行液压支架的设计过程中，依据变形量的大小，进行不同材料的选择，逐渐选用强度高的材料或结构，提高液压支架的性能。

图3 不同工况下的变形（mm）分布

3 结论

仿真分析的结果显示，在液压支架的不同工况下，液压支架应力最大时出现在顶梁偏载底座集中载荷的工况下，从液压支架的应力整体分布来看液压支架的高应力区域出现的位置各不相同，呈现一定的局部分布特性。液压支架的最大变形量同样出现在顶梁偏载底座集中载荷的工况下，液压支架在工作过程中，各部件之间的变形量也由顶部向着底座逐渐减小。在进行液压支架的设计使用过程中，依据液压支架的应力及变形分布，要采用不同的材料及结构设计，才能提高液压支架的整体性能，满足大采高综采的需求，从而提高煤炭开采的效率。