赵元江

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司， 山西 大同 037101）

引言

液压支架是进行煤矿综采的重要支撑设备，在我国的煤矿生产中具有广泛的应用。液压支架对井下的作业人员及采掘设备提供安全的作业空间，在煤矿的生产中承受的载荷较多，对其承载性能具有较高的要求[1]。液压支架的生产成本较高，生产工艺复杂，在保证液压支架承载能力的同时，应尽量优化液压支架的结构，降低其重量，提高其可靠性及使用寿命[2]。针对液压支架在生产过程中不同工况下的承载能力，采用有限元仿真的形式进行分析，从而提高液压支架的设计水平[3]，为液压支架的优化提供参考，为煤矿的安全生产提供保障。

1 液压支架仿真分析模型的建立

液压支架的组成主要包括承载结构件、执行元件、控制元件、辅助元件及传动介质，对液压支架的承载能力进行分析，主要对承载结构件进行建模分析，主要包括顶梁、掩护梁、连杆及底座等部件[4]。采用CATIA 软件对液压支架进行三维模型的建立，建模过程中，对液压支架的结构进行一定的简化，从而可以节约后续的仿真计算时间。在保证主要的承载结构件主体结构不变的前提下[5]，对圆角、小孔等进行简化忽略，依据液压支架的结构尺寸进行模型的建立。

采用有限元分析的方式对液压支架的承载能力进行分析，即将连续变化的求解区域进行离散化，将计算域划分为有限的相互关联的子域[6]，将问题进行简化求解。采用有限元分析软件ABAQUS 进行液压支架承载能力的仿真分析，ABAQUS 是进行有限元分析常用的软件，具有较多的单元种类及材料模型[7]，对模型的接触具有更多的定义，并对断裂及疲劳分析等较为有效，适用于对液压支架的承载力进行分析。

将在CATIA 中建立的模型导入到ABAQUS 中，对液压支架模型进行网格划分处理。对液压支架进行静态承载能力的分析，选择使用四面体缩减积分单元进行网格划分，这样可以避免由于液压支架的结构较大，造成划分网格时间过长[8]，且具有较好的分析精度。针对液压支架主要的结构连接位置进行一定的网格细化处理，从而改善网格的质量，提高计算的精度，经网格划分得到液压支架的模型如图1 所示。

图1 液压支架网格划分模型

对液压支架进行计算分析时，首先需在ABAQUS中进行一定的前处理。对液压支架的材料进行设定，选择线弹性的材料属性[9]，液压支架的主要材料为Q550 高强度结构钢，弹性模量为212 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为550 MPa。

针对液压支架的承载能力进行分析，对液压支架两种最危险的工况进行分析，即液压支架的顶梁偏载和顶梁扭转工况。液压支架的承载分析属于静力学分析，ABAQUS 中的时间步设定没有实际的物理意义。为便于分析，设定分析步的时间为1，最大的增量步设置为1 000，最小的增量尺寸为0.01，最大的增量尺寸为0.02。对液压支架间的接触采用虚拟销轴连接器的形式进行计算[10]，采用铰接的方式进行处理，约束销轴的5 个自由度[11]，可绕轴心进行转动，所分析的液压支架的额定工作压力为6 800 kN，工作时的最低高度为15 000 mm、最大高度为32 000 mm。

2 不同工况下液压支架承载仿真结果分析

2.1 顶梁偏载工况下的仿真结果

依据液压支架的测试标准，顶梁偏载试验时，支架的高度为最低高度上升300 mm，施加载荷时，以1.2 倍的额定工作压力进行加载，将载荷直接作用在底座的柱窝及顶梁的柱帽内表面[12]。液压支架在顶梁偏载的工况下限制底座在地面的6 个自由度，约束顶梁垫块沿水平两个方向的移动自由度，对液压支架的应力及变形进行计算分析，对结果进行后处理得到液压支架顶梁偏载工况下的变形及应力分布如图2 所示。

图2 顶梁偏载工况下液压支架整体应力及变形分布

从图2 中可以看出，在顶梁偏载的工况下，液压支架与立柱相连接处的底座柱窝和顶梁的柱帽处所受到的应力值较大，最大应力为453 MPa 及608 MPa，这两处连接位置存在一定的应力集中，且是主要的承受载荷施加的位置，所受到的应力值较大，应力值小于材料的屈服极限，不存在材料屈服的问题。液压支架整体的变形量较小，最大的变形量为7.6 mm，相对液压支架的整体尺寸，此工况下所产生的变形量较小。

2.2 顶梁扭转工况下的仿真结果

依据液压支架的测试标准，顶梁扭转试验时，支架的高度为最大工作高度减去行程的1/3。施加载荷时，以1.2 倍的额定工作压力进行加载，将载荷直接作用在底座的柱窝及顶梁的柱帽内表面。液压支架在顶梁扭转的工况下限制底座在地面的6 个自由度，增加两处顶梁垫块，约束顶梁垫块沿水平两个方向的移动自由度，对液压支架的应力及变形进行计算分析，对结果进行后处理得到液压支架顶梁扭转工况下的变形及应力分布如图3 所示。

从图3 中可以看出，在顶梁扭转的工况下，液压支架整体受到的最大应力位于顶梁底部两柱帽中间位置的腹板及顶梁柱帽两侧的边板与掩护梁相连接的销孔位置，最大应力值为750 MPa，这一应力值超出了液压支架材料的许用应力，但位于顶梁前后端垫块的位置。在分析过程中，为便于分析，施加载荷的垫块设定为5 mm，是造成应力较大的主要原因，实际加载时没有厚度差的存在，整体应力满足材料的使用需求。液压支架整体的变形量较小，最大的位移变形量为1.3 mm，相对液压支架的整体尺寸，此工况下所产生的变形量较小。

图3 顶梁扭转工况下液压支架整体应力及变形分布

3 结语

液压支架是煤矿开采过程中重要的支护设备，对煤矿的安全具有重要的影响。液压支架在工作过程中受到的载荷作用复杂多变，对其承载能力具有较高的要求。针对液压支架承载最大的顶梁偏载及顶梁扭转工况进行承载性能的分析，采用有限元仿真分析的形式对液压支架进行建模分析。结果表明，液压支架在顶梁偏载的工况下最大应力位于液压支架与立柱相连接处的底座柱窝和顶梁的柱帽处；顶梁扭转的工况下最大应力位于顶梁腹板及边板与掩护梁相连接的销孔位置，承受的有效应力值均小于材料的许用应力，液压支架的整体变形量较小，承载能力满足系统的使用需求。