基于ANSYS的大采高液压支架的优化分析*

徐贵旭

(山西轻工职业技术学院，山西太原 030000)

0 引言

大采高综采作为一种对厚煤层进行一次采全高的综合机械化开采技术，生产效率高，安全性能好。而大采高液压支架的发展严重制约着大采高综采技术的发展。大采高液压支架是一种利用液压机构对工作顶板进行支撑并与采煤机相互配合使用的支护设备。因此大采高液压支架的设计至关重要。利用有限元的方法可对大采高液压支架的不同工况进行受力分析，可大大的节约成本，同时也为大采高液压支架的设计提供强有力的理论依据［1］。

1 大采高液压支架的有限元分析

1.1 大采高液压支架力学模型的建立

利用有限元进行分析计算的过程中，模型的建立直接关系到计算结果的正确性和准确性。因此，在对液压支架进行建模前应对其力学模型进行简化。笔者主要分析大采高液压支架受顶梁扭转载荷且底座两端受载的工况，其力学模型如图1、2所示［2］。

其中顶梁上垫块a=150 mm，高度h=50 mm，d=50 mm，c=300 mm。底座上垫块宽度a=150 mm，厚度h=50 mm，d=50 mm。该工况下大采高液压支架的高度为5 200 mm。

图1 大采高液压支架顶梁扭转载荷

图2 大采高液压支架底座两端加载

1.2 材料特性的确定和单元类型的选择

大采高液压支架主要材料是由Q690和Q550组成，其材料属性如表1所列［3］。

表1 材料属性

笔者对大采高液压支架的三维模型进行力学分析，因此应该选用三维实体单位作为其单元类型。ANSYS软件中常用的三维实体单元有Solid45，Solid85，Solid95等。笔者选用较为常用的Solid45单元。

2 大采高液压支架的分析结果

在大采高液压支架单根立柱上施加的载荷为7 200 KN。液压支架在顶梁受扭转且底座两端受载工况下的应力分布如图3所示。从图3可看出大采高液压支架在此工况下其应力分布主要呈现以下特点:底座和顶梁应力较大且最大应力值发生在顶梁处。此时液压支架的立柱应力最小。分别对液压支架的顶梁和底座的应力进行分析如图4和5所示。

图3 大采高液压支架在顶梁受扭转且底座两端受载的整体应力分布图

图4 大采高液压支架的顶梁应力分布图

图5 大采高液压支架的底座应力分布图

由于大采高液压支架在顶梁受扭转，从图4可看出液压支架的顶梁应力分布呈不对称分布。其最大应力发生在与垫块连接处，最大应力为882.263 MPa。另外顶梁的主筋和盖板处的应力也相对较大。考虑到液压支架工作过程中可能会出现动载荷的现象，必须对顶梁进行结构优化，对顶梁的板筋进行加厚10 mm。大采高液压支架底座两端受载，从图5可看出其应力呈对称分布。应力主要集中在底座主筋上端且最大应力值为346.977 MPa。从应力结果可看出液压支架的底座设计能满足使用要求［4］。

3 大采高液压支架结构优化结果

对大采高液压支架的顶梁板筋进行加厚10 mm后，对其在顶梁受扭转且底座两端受载的工况再次进行有限元分析，其应力分布图如图6所示。

从图6可看出优化后的大采高液压支架在顶梁受扭转且底座两端受载的工况下整体应力分布基本不变，同样是底座和顶梁应力分布较为严重且最大应力值发生在顶梁处。但是顶梁的最大应力由882.263 MPa降低到691.584 MPa。此时可以看出对大采高液压支架进行结构起到了显著地作用。分别对液压支架的顶梁和底座进行分析如图7和8所示［5］。

图6 改进后的大采高液压支架在顶梁受扭转且底座两端受载的整体应力分布图

图7 改进后的大采高液压支架的顶梁应力分布图

图8 改进后的大采高液压支架的底座应力分布图

从图7可看出大采高液压支架的顶梁的最大应力同样发生在与垫块连接处且最大值为691.584 MPa。同时由于ANSYS分析结果显示的状态为液压支架在该载荷下的最终应力和应变状态，因此从图4、7可看出液压支架在进行结构优化后其顶梁的位移整体变小，也从另一方面证明了对液压支架的结构改进的效果明显提高。通过对图5和图8的对比可看出大采高液压支架的底座整体应力分布基本保持不变，应力主要集中在底座主筋上端且最大应力值为338.289 MPa，其应力值与改进前基本保持一致。

4 结语

主要介绍了利用有限元分析软件ANSYS对大采高液压支架在顶梁受扭转载荷且底座两端受载工况下的应力分布情况。发现在该工况下大采高液压支架的顶梁和底座应力较大且最大应力发生在顶梁处。由于液压支架在工作过程中会出现动载荷的现象，因此对其顶梁进行结构优化。从优化的应力分析图可看出优化后的大采高液压支架应力分布基本保持不变，但是最大应力却有显著降低。

［1］ 谢锡纯，李晓豁.矿山机械与设备［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2002.

［2］ 王忠宾，赵啦啦，李舒斌，等.支撑掩护式液压支架的优化设计［J］.重庆大学学报，2009，32(9):48 －51.

［3］ 赵衡山.国内外液压支架试验规范浅析［J］.煤炭科学技术，1997，25(1):48－51.

［4］ 傅永华.有限元分析基础［M］.武汉:武汉大学出版社，2003.

［5］ 王 帅，文继成，高婷婷.ZF4200/17/28型液压支架有限元分析［J］.煤矿机械，2013，34(2):97－99.