多种工况下液压支架底座的性能分析

罗晓林

（晋能控股煤业集团有限公司忻州窑矿，山西 大同 037021）

引言

在进行机械化开采的过程中，液压支架是重要设备，对顶板及围岩起到支护作用，保证了工作面的安全及连续生产[1]。底座作为液压支架的主要承载零件，承受顶板到底板的压力的同时，还要保证足够的刚强度，在不同的工况下，底座承受的载荷也随之变化，对底座的结构及性能具有较高的要求。采用ANSYS有限元分析的方式，对不同工况下的液压支架底座进行分析，据此对底座的结构进行优化，既可以节约液压支架的生产成本，还可以提高其性能，提高液压支架的稳定性及使用寿命，提高煤矿开采的效率和安全性。

1 液压支架底座的模型建立

对液压支架的底座性能进行分析，首先要建立底座的模型，采用Pro/E软件进行建模。Pro/E在三维模型软件中具有广泛的使用，采用参数化的设计进行建模，可以方便地进行模型的构建[2]。选择基准面进行草图的绘制，通过拉伸、选择等特征进行基本特征的创建，最后通过倒角、圆角等指令进行底座的造型设计。在进行建模的过程中，为了建模及后续计算的方便，对底座的细小结构特征进行一定的简化处理，得到液压支架的底座模型如图1所示。

对于底座的三维模型，导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，对于模型进行网格划分。本次分析中选择四面体单元网格对液压支架底座进行网格划分，由于单元网格的数量及网格的大小对计算的结果具有重要的影响[3]，在进行网格划分的过程中，充分考虑计算的精度及所需的时间，选择单元网格的大小为15 mm，对底座模型进行网格化处理。

图1 液压支架底座模型

底座的材料选用Q550高强度结构钢，进行材料参数的设定。在工作过程中，液压支架承受围岩的压力载荷，通过不断地传递，底座承受主要的压力作用，设定底座的底面为固定约束，在液压支架承受不同类型的载荷作用时，分析底座的应力及变形情况[4]。

2 多种工况下液压支架底座的性能仿真分析

底座随着液压支架受力作用的不同，其承受的载荷作用也不同，依据液压支架的不同工况进行底座的性能分析。由于主要对底座的性能进行分析，选取液压支架的典型工况形式为顶梁两端集中载荷、顶梁偏载及底座扭转载荷三种形式[5]，采用ANSYS Workbench进行底座的应力及变形分析。

2.1 顶梁两端集中载荷作用分析

液压支架在工作过程中，当工作面的顶板破碎度较高时，由于有冒顶现象的存在，使得顶梁与顶板之间存在一定的间隙，造成顶梁两端受到集中载荷的作用。在此种工况下得到的底座的应力及变形情况如下页图2所示。从图2中可以看出，液压支架底座的整体受力较为均匀，筋板处的受力作用不大，底座承受的应力最大的位置在图中C点处，即后连杆的铰接孔处，并且在图中所示的D点位置处存在着一定的应力集中现象，底座的整体变形量较小，最大位移位置位于图中E点位置处，底座的整体应力及变形符合材料的使用要求[6]。

2.2 顶梁偏载作用分析

图2 工况一时底座的性能分析

在煤层的倾角较大且煤层厚度较大时，液压支架的顶梁与顶板之间形成不对称的接触，使得液压支架受到扭转载荷的作用，产生破坏作用。在此种工况下得到的底座的应力及变形情况如下页图3所示。从图3中可以看出，底座的整体受力比较均匀，最大应力区域出现在图中B点位置处，即后连杆铰接处的内侧位置，最大应力值小于材料的屈服强度，其余筋板位置处的应力均比较小。底座的最大变形量在图中的C点处，最大变形量约为2.7 mm，相对底座的整体尺寸，变形量较小，满足液压支架的使用要求。

2.3 底座扭转载荷作用分析

液压支架的底座受到扭转载荷的作用出现在开采中底板的不平整及存在着浮矸石作用的情况下。在此种工况下得到的底座的应力及变形情况如图4所示。从图4中可以看出，底座的应力变化较为复杂，应力主要集中在底座的主筋板位置处，在底座的A点位置，即后连杆铰接孔的主筋板位置存在较大的应力集中，此时的最大应力超过了材料的屈服强度，在此处存在着破坏现象。针对这一问题，局部的应力集中不会使底座产生疲劳破坏，但在此工况下的工作状态恶劣，应在结构上进行重新优化，或者更换采用Q690材料，提高材料的屈服强度，减小应力集中的破坏作用。底座的变形呈现不对称分布的特征，最大变形量出现在C点位置处，最大值约为8 mm，底座的变形量满足液压支架的使用要求。

通过上述的仿真分析可知，液压支架的底座在承受多种不同的载荷作用时，在不同的工况下，后连杆铰接孔位置处的主筋板均是承载的应力比较大，是比较危险的区域，且在底座扭转的工况下，应力集中较为严重，超出了材料的屈服极限。对于这一位置，应采取一定的措施，优化底座的结构，避免应力集中的现象，改善底座的受力情况。

图3 工况二时底座的性能分析

图4 工况三时底座的性能分析

3 结论

液压支架是进行煤矿自动化综采的重要设备，底座作为液压支架的主要承载零件，其结构的强度、刚度性能对于液压支架的使用具有重要的影响。针对液压支架的不同工况，对底座的应力及变形进行有限元分析，结果显示，在底座的后连杆铰接孔位置处是底座较为危险的区域，需要进行结构的优化，提高底座的性能，更好地发挥液压支架的作用。