王含梅 刘耀月

（枣庄矿业集团柴里煤矿，山东 枣庄 277519）

采煤机、刮板输送机、液压支架是井下采煤工作的三大核心，俗称“井下三机”，液压支架作为井下核心支护设备，又是三机中的关键[1]。ZY9000型液压支架是一种井下常用的液压支架系统，这种液压支架广泛应用于各种井下环境。但是，液压支架在井下应用环境多变，支架在井下工作时由于复杂的地质情况，使得其支护条件十分恶劣，受载状态也十分多样。

本研究是建立在柴里煤矿的实际应用场合下，在这种工况下，支架顶梁两端受载就是一种临界危险的受载情况。为了分析在柴里煤矿井下ZY9000液压支架的两端承载状态，本文拟采用虚拟样机分析方法，基于ANSYS Workbench的有限元分析方法，对柴里煤矿实际工作条件下支架顶梁两端受载工况进行仿真分析，得到其受力及变形情况，从而得出该液压支架是否满足作业要求，为实际作业提供参考。

1 ZY9000液压支架虚拟样机建模

利用SolidWorks对ZY9000型液压支架进行虚拟样机建模，ZY9000型液压支架由底座、液压千斤顶、支架系统以及护板等组成，其中最主要的力承载部位为支架顶梁部分，对顶梁部分进行单独建模。

2 搭建仿真平台

2.1 建立顶梁三维模型

在搭建仿真平台之前，由于ANSYS Workbench有限元分析软件的建模功能相对较弱，对于建立复杂的三维模型存在一定的困难，因此可以使用SolidWorks模型进行导入，进行模型简化之后，ANSYS Workbench中的顶梁模型如图1所示，其中顶梁两端为加载垫块，垫块的位置以及大小严格按照《矿用液压支架 第一部分：通用技术条件（GB 25974.1—2010）》来建立[2]。

图1 顶梁模型

2.2 模型网格划分、约束及加载

模型建立完成后，将模型保存为“.igs”格式并导入进workbench软件中，通过自由网格划分功能，得到模型的网格如图2所示。

根据该矿井下的支架作业支撑情况，可以得到两端加载的情况下，支架作业处于极限工况，在仿真中的处理方法为：

（1）全约束两加载垫块上顶面，根据柴里煤矿井下的实际操作情况，可以得到两端的加载载荷大约是顶面载荷，对顶梁两柱窝面施加正常工作阻力的1.2倍载荷；

（2）设定钢制材料模型的屈服极限为690MPa，完成仿真平台的搭建[3-4]。

图2 网格模型

3 结果分析

根据上述仿真平台，通过模拟分析后，得到支架顶梁两端加载时的应力以及应变情况如图3、4、5所示。

由图3可看出，顶梁在此工况下的极限应力为584MPa，极限屈服应力较大，但小于其材料约定的屈服极限690MPa。

由图4、5可以看出，顶梁在此工况下的最大变形为3mm，根据《矿用液压支架 第一部分：通用技术条件（GB 25974.1—2010）》顶梁相对残余变形量不得超过0.4%[5]，相对残余变形量是顶梁变形量与两垫块之间距离的比值，经计算得允许的最大变形量为10mm，所以变形量也符合要求。

对仿真结果进行总结，可以得到，在该矿井的工况条件下，顶梁会出现适当变形，但变形范围在许用范围内，材料不会出现疲劳劳损等情况。

图3 顶梁底面应力云图

图4 顶梁顶面应力云图

图5 顶梁应变云图

4 仿真结论

通过对ZY9000型掩护式液压支架进行SolidWorks建模，虚拟样机建立，并对顶梁进行基于ANSYS Workwench仿真，可以得到以下结论：

（1）在柴里煤矿井下的实际工作环境中，顶梁两端受载时，最大应力出现在顶梁柱窝附近下方筋板处，顶梁两端应力变化较小，并且材料屈服极限小于极限应力。支架材料符合要求。

（2）顶梁两端受载时，最大变形出现在顶梁中部及柱窝附近，整个顶梁呈现为一种“拱”形。并且最大变形量为3mm，小于许用变形量，变形量符合要求。

综上所述，ZY9000型液压支架适用于该矿井下的作业情况，能完全满足两端加载承载能力要求。

5 作业试验

在该矿井的井下作业条件下，使用ZY9000液压支架进行试验作业，发现支架作业时牢固可靠，可抵消大量的顶端应力与载荷，并且该支架在用于本矿井作业时，不会出现机械不良震动与机械异响，未发现其他不良作业情况。通过试验得出结论，仿真结果具有一定的参考意义，并且该支架完全可以符合当前的井下作业状态。