冲击载荷作用下矿用液压支架有限元分析与研究

陶晓庆，冀军峰，李文龙

(1.陕西能源职业技术学院实践教学管理处, 陕西 咸阳 712000)(2.中通服咨询设计研究院有限公司, 江苏 南京 210019)(3.陕西彬长矿业集团有限公司, 陕西 咸阳 713699)

液压支架是煤矿井下综采工作面的重要支护设备，液压支架的安全性与可靠性对于保证井下安全生产具有至关重要的作用[1]。

随着煤矿开采深度的增加，矿压显现(矿山压力显现)问题逐渐成为诱发矿井事故的主要因素之一[2]。矿压显现问题的出现将会导致井下液压支架承受冲击载荷，进而导致液压支架产生结构破坏、液压缸涨缸，甚至顶板冒顶等事故。

随着有限元理论的发展，有限元分析也被引入到液压支架的结构分析当中。Oblak等[3]将液压支架简化为四连杆机构模型，对机械结构进行了设计优化。王阳阳[4]研究了不同冲击载荷参数作用下液压支架中立柱的受力变形问题。韩钰[5]采用AMESIM软件对液压支架的立柱进行了冲击载荷的响应分析。王凯[6]对液压支架的顶梁构件进行了冲击载荷的有限元分析。

国内外学者虽然对矿用液压支架进行了大量的结构优化与强度校核，但相对来讲，研究的侧重点放在了液压支架中单个部件的分析，对于液压支架整机在冲击载荷作用下的研究分析相对较少。因此，本文从液压支架整机入手，对冲击载荷作用下液压支架的整机进行瞬态动力学分析。

1 三维模型的构建

本文以ZY6000/25/50型矿用液压支架为研究对象，首先按照液压支架的二维图纸进行三维模型的构建。图1所示为ZY6000/25/50型矿用液压支架三维模型图。液压支架整机包括顶梁、平衡千斤顶、掩护梁、后连杆、前连杆、底座、外缸体、中缸体、小柱等主要组成部分。

1—顶梁；2—平衡千斤顶；3—掩护梁；4—后连杆；5—前连杆；6—底座；7—外缸体；8—中缸体；9—小柱

2 冲击载荷的确定与获取

针对冲击载荷作用下的液压支架进行有限元分析，首先需要确定冲击载荷的大小。本节将对基本顶作用下冲击载荷的求解过程进行详细推导。图2所示为基本顶作用下的岩体变形示意图。

图2 基本顶作用下的岩体变形示意图

取岩块A进行受力分析，如图3所示。

假设岩块A在回转α角度时，能够达到稳定状态，此时作用在液压支架上的冲击载荷为Q，由此可计算得到失稳过程中的角加速度，即：

图3 岩块A的受力分析图

(1)

式中：ε为角加速度，rad/s2；G为悬臂的重力，N；l为悬臂的长度，m；R为液压支架的平均支撑力，N；T为水平推力，N；I0为杆绕O点的转动惯量；y为水平推力的力臂长度；L为步距长度。

岩块A偏转α角度的过程又可分解为加速与减速两个过程。在这两个过程中，加速度可以认为是大小相等、方向相反的。当ε为正值时，液压支架顶板所承受的惯性力F为：

(2)

式中：M为悬臂的质量，kg。

根据O点的力矩平衡原理，可以得到冲击载荷Q的表达式为：

(3)

本文所研究的ZY6000/25/50 型液压支架是北京开采研究所为神火集团梁北煤矿设计的，结合梁北矿ZY6000/25/50 型液压支架的实际工况，选取岩块的步距长度L=18 m，岩块厚度h3=4 m，岩块宽度b为1.43 m，岩块密度ρ为2.5×103kg/m3，则岩块质量M1为：

M1=ρ·L·b·h3=2.574×105(kg)

(4)

经查阅，ZY6000/25/50型矿用液压支架顶梁长度为3.8 m，支架对于顶梁的支撑位置大约在顶梁长度的1/3处，则液压支架对顶梁的支撑作用点到煤壁的距离l为2.53 m；液压支架的平均支撑力R为5 067 N；悬臂的重力G为2 200 N。将上述参数代入式(1)～(3)，可以得到液压支架所承受的冲击载荷Q为15 269 kN。

3 液压支架整机的有限元分析

采用ABAQUS有限元分析软件中的Explicit动力学分析模块对液压支架整机进行瞬态动力学分析。将第1节中的三维模型导入有限元分析软件。定义材料属性，ZY6000/25/50型矿用液压支架主体结构的材料类型为Q460钢，则材料密度为7.85 g/cm3，弹性模量E为2.06×105MPa，泊松比μ为0.3。定义最大增量步数为1 000，增量步大小的初始值设定为0.01，最小值与最大值分别设置为1E-07与0.05。定义约束条件，从图1可以看出，顶梁、掩护梁、后连杆、前连杆以及底座之间是通过铰接的形式进行连接的，采用设置中的“HINGE”对各连接部分进行定义即可。定义边界条件，将底座的下表面定义为固定支撑的边界条件。顶梁与掩护梁、掩护梁与前后连杆、前后连杆与底座之间设置铰接，底座与立柱外缸体、顶梁与小柱之间设置球铰连接。立柱的外缸、中缸与小柱以及立柱与顶梁、底座之间设置表面与表面接触关系。载荷的施加，液压支架立柱和千斤顶内施加1.5倍工作载荷进行预紧设置。冲击载荷的施加，由第2节分析可知，确定冲击载荷的大小为15 269 kN，选用三角形冲击载荷的加载方式对液压支架整机施加载荷，并且据井下实测数据[2]，液压支架整机的初始承受载荷一般小于4 500 kN，本文选取4 500 kN作为初始载荷。载荷作用时间设定为12 ms。则液压支架整机的载荷设定方式如图4所示。

图4 载荷的设定方式

最后将液压支架整机进行网格划分，顶梁、掩护梁、底座、前后连杆等复杂结构单元尺寸设为70，采用四面体单元自由网格划分设置，单元类型为C3D4。立柱和平衡千斤顶结构相对简单，单元尺寸设为50，采用六面体结构化网格划分设置，单元类型为C3D8R。所得到的模型前处理图像如图5所示。

经上述设定，提交分析，即可得到冲击载荷作用下液压支架整机的有限元结果云图，如图6所示，同时可以得到应力随时间的变化曲线，如图7所示。

图5 模型前处理图像

图6 有限元结果云图

由图6与图7可以看出，在11.4 ms时，液压支架顶梁部分的两个肋板出现最大应力，最大应力值为693.2 MPa，最大应力远远大于材料的屈服强度。

4 结束语

本文对冲击载荷作用下ZY6000/25/50型矿用液压支架进行了瞬态动力学有限元分析，最终得到了冲击载荷作用下液压整机受力变形云图，最大应力出现在液压支架顶梁部分的两个肋板处，最大应力值为693.2 MPa。仿真分析结果为矿用液压支架结构优化设计提供了理论依据。

图7 应力变化曲线