基于Hyper Works 的液压支架强度及敏感性的研究

魏佳鹏

（晋能控股煤业集团精通兴旺煤业有限公司， 山西 大同 037000）

引言

随着综采作业深度的不断增加，井下巷道地质条件愈加复杂，在开采过程中发生冒顶事故的概率不断增加，对煤矿井下的支护作业提出了更高的要求。液压支架作为井下最重要的支护设备，其工作可靠性直接关系到了煤矿井下综采作业的安全，传统液压支架主要依靠加大安全冗余度的方法确保支护可靠性，但也造成了液压支架结构重量大，强度分布不均，不仅无法确保复杂承力条件下的支护稳定性，而且也严重限制了液压支架在收撤作业时的灵活性[1]。因此本文提出了基于Hyper Works 仿真分析软件对液压支架的强度和敏感性进行分析的方法，对其受力条件下的结构强度和敏感度进行分析，为优化液压支架结构，提高其工作可靠性提供了依据。

1 液压支架的力学工况分析及仿真模型建立

液压支架在工作时的主要受力来自于顶板矿压，当采煤机在综采过程中不断对煤壁施加力的作用，随着综采过程的深入，巷道顶板在冲击作用下产生一定下沉，使作用在液压支架上的压力不断加大，逐渐达到系统所设定的最大承压值。由于井下的地质条件复杂且各处的煤层的地质压力差异性较大，因此很难确定作用在液压支架上的实际受力大小，结合长期研究成果，在液压支架支护过程中对其影响最大的力学工况主要为非对称的集中载荷的作用。

利用Preo 三维建模软件建立液压支架的三维结构模型，然后利用HyperWorks 软件[2]对液压支架进行手动的网格划分，其结构划分为六面体结构，采用对称式的结构布局，重点对液压支架的顶梁和立柱部分进行细致的网格划分，确保受力分析时的数字的准确性，共生成208552 个，生成节点299831 个。其三维结构有限元模型如图1 所示。

图1 液压支架有限元分析模型

2 液压支架强度的有限元分析

根据液压支架在井下工作时的典型受力工况受力分析[3]，液压支架在工作时的整体受力分有限元分析结果如图2 所示。

图2 液压支架整体应力分布示意图

由仿真分析结果可知，在非对称的集中载荷的作用下液压支架工作时的最大应力约为463 MPa，其主要集中在顶梁的位置，位于第38003 个节点和第47843 的位置，这主要是在非对称的偏载作用下导致液压支架的顶梁受到一个偏载作用，使其在受力点位置产生了较大的应力集中导致的。

针对受力最大的顶梁，其应力分布如图3 所示。

图3 顶梁应力分布示意图

由仿真分析结果可知，当液压支架的顶梁在偏载的作用下，其应力主要分布在顶梁左侧位置的柱窝区及顶梁的中间肋板上，而在其他位置的应力分布相对较小。同时在液压支架顶梁的柱窝区的前端的应力要大于柱窝区后侧的应力分布，其应力在柱窝区处达到最大应力状态。从顶板的前端到柱窝区处的应力呈逐渐增加的趋势，从柱窝区到后侧的应力变化较为平缓。

3 液压支架的敏感度分析

根据某矿所用的液压支架的实际情况，设置其弹性模量为E=2.01×105MPa，其工作时后立柱对地座的作用力F1=14779 N，立柱对底座作用力在水平方向上的分量F2=1974 N，其在垂直方向上的分量为F3=27 N，立柱对顶梁作用力在水平方向上的分量F6=2114 N，其在垂直方向上的分量为F7=27N，后立柱对顶梁的作用力F4=14783 N，前立柱在竖直方向对液压支架底座的力F5=12667 N，前立柱在竖直方向对液压支架顶梁的力F5=12491 N。

为了研究液压支架工作时输入量变化对于其输出量变化所产生的影响（敏感度）[4]，本文对液压支架工作过程中对应力分布集中位置影响程度进行分析，根据以上分析结果，液压支架顶梁受力情况下的应力集中主要体现在38003 节点和47843 节点位置，各受力参数对38003 节点影响敏感度分布如图4 所示（significant 表示重点因素，insignificant 表示非重点因素），图中E 表示弹性模量。

图4 各力对38003 节点的敏感性分布

由图4 可知，对该节点影响最大的系统变量为后立柱对顶梁的作用力F4，其次为材料的屈服强度MAT 以及后立柱对底座的作用力F1，由图示可知MAT 及F1对该节点影响的程度相差不大。

各受力参数对47843 节点影响敏感度分布如图5 所示。

由图5 可知，对该节点影响最大的系统变量为后立柱对顶梁的作用力F4，其次为材料的屈服强度MAT 以及后立柱对底座的作用力F1，其中F4对两个节点应力的影响程度相差不大，但两个节点位置对材料的屈服强度和立柱对底座的作用力的影响相差较为明显。

图5 各力对47843 节点的敏感性分布

综合分析可知，当液压支架在支护作业时，对其顶梁的应力影响最大的变量为立柱对顶梁的作用力F4，其次为液压支架材料的屈服强度、后立柱对底座的作用力F1，由此可知提高液压支架支护稳定性和可靠性的关键在于优化液压支架结构，降低工作时立柱对顶梁的作用力F4，同时采用高强度材料提升材料的屈服强度。

4 结论

本文通过对液压支架工作时的应力特性的分析，建立了其三维结构模型，对其典型载荷工况下的应力分布情况进行了分析，同时对不同作用力对受力最集中处的的敏感性进行分析，结果表明：

1）在非对称的集中载荷的作用下液压支架工作时的最大应力约为463 MPa，其主要集中在顶梁的位置；

2）当液压支架的顶梁在偏载的作用下，其应力主要分布在顶梁左侧位置的柱窝区及顶梁的中间肋板上；

3）当液压支架在支护作业时，对其顶梁的应力影响最大的变量为立柱对顶梁的作用力，其次为液压支架材料的屈服强度、后立柱对底座的作用力。