煤矿开采液压支架底座受力仿真分析

杨晓君

（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司东曲煤矿安监处技术培训科，山西 太原 030200）

引言

在煤炭的综采设备中，液压支架作为采空区的支撑设备及采煤机等的传送设备，在矿井中受到的作用力较为复杂[1]。液压支架的性能，对于煤矿开采的安全性及生产效率都具有重要的影响，由于工作人员常采用经验法对液压支架进行设计，较大的安全系数常造成液压支架粗大笨重，不利于节约型社会的发展。底座是液压支架的重要组成部分，承受较大的支撑力，由于矿井中环境的复杂性[2]，对于底座的承载性能具有较高的要求。针对液压支架底座不同工况下的静力学性能进行仿真分析，对液压支架底座的结构进行一定的优化，可提高液压支架的安全性及使用寿命，保证煤矿综采工作的稳定。

1 液压支架模型的建立

对液压支架底座进行受力分析，首先要建立底座的结构模型，由于底座的结构较为复杂，在进行仿真分析时，无需将底座的结构完全呈现[3]，这是因为细化的结构对于底座的承载能力影响不大，同时在仿真计算中会造成计算量的急剧增加，不利于进行问题的分析。对液压支架的结构进行简化，只保留底座的主要结构部分，细小的孔洞及圆角等结构进行忽略，焊接结构进行一体化处理，对底座的承载能力进行整体分析，建立液压支架底座的结构模型如图1所示。

建立液压支架的结构模型后，将结构模型导入到ANSYS Workbench中进行仿真分析的预处理工作，主要包括对模型进行网格划分及材料属性设定。液压支架底座采用高强度结构钢板焊接而成，采用各向同性的高强度钢进行属性设定[4]，包括底座的密度为7.85 g/cm3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.28。对液压支架底座进行网格划分，采用ANSYS Workbench中自带的自动划分网格的方法对底座进行网格划分，同时采用尺寸控制的方式对网格大小进行设定，在连接孔、耳板等位置处进行网格细化，保证计算中结果的准确性，经过网格划分，得到底座的有限元模型如图2所示。

图1 液压支架结构模型

图2 液压支架底座有限元模型

2 液压支架底座的受力仿真分析

液压支架在工作过程中，由于受到井下复杂工况的影响，对其真实的受力情况难以进行有效的模拟，依据液压支架的设计要求[5]，针对液压支架的支撑性能，底座主要承受着前扭转载荷、后扭转载荷及两端集中载荷的影响。在三种不同工况下的载荷作用中，由于液压支架底座的结构具有前开后闭的特点，因此在底座承受前扭转载荷的工况下，底座所受到的应力最大，针对底座承受前扭转载荷的工况进行仿真分析。

依据设定的条件，采用ANSYS Workbench进行仿真运算分析，经过计算得到液压支架底座的应力及变形云图分别如图3、图4中所示。从图3底座前扭转载荷工况下的应力云图中可以看出，底座所受到的整体应力值较低，最大应力值为515 MPa，低于材料的许用应力，满足底座的使用强度需求，最大应力值出现在耳板连接的位置处，存在一定的应力集中现象，这对于底座的使用寿命及安全是不利的[6]。针对应力集中现象，可以针对耳板的结构及与底座主板的连接方式进行优化，避免应力集中的出现，从结构上改善液压支架底座的整体受力，从而可以提高底座使用的寿命及安全性。

图3 液压支架底座前扭转载荷工况下的应力云图

图4 底座前扭转载荷工况下的变形云图

从图4底座前扭转载荷工况下的变形云图中可以看出，液压支架底座的整体变形量较小，变形量的最大值为4.14 mm，满足底座的设计使用要求，最大变形量的位置出现在液压支架底座的前部一侧，在整体上，底座的变形呈现沿一侧分布的现象，这是由于底座受到前部扭转载荷的作用造成的，对底座的整体变形量影响不大，但在长期的使用过程中，要注意底座的工作方向，避免出现长期使用疲劳的现象。

3 结论

1）底座所受到的整体应力值较低，满足底座的使用强度需求，最大应力值出现在耳板连接的位置处，存在一定的应力集中现象。针对应力集中现象，可以针对耳板的结构及与底座主板的连接方式进行优化，从结构上改善液压支架底座的整体受力。

2）液压支架底座的整体变形量较小，满足底座的设计使用要求，最大变形量的位置出现在液压支架底座的前部一侧，在整体上，底座的变形呈现沿一侧分布的现象，在长期的使用过程中，要注意底座的工作方向，避免出现长期使用疲劳的现象。