基于ANSYS的偏载条件下液压支架仿真研究

王纯 丁照龙

摘要：井下液压支架的失效大都由于支架本身承受偏载作用力所引起。针对液压支架偏载条件下的液压支架整体进行结构分析，研究液压支架在恶劣工况下的响应。首先，对于液压支架及其井下所受的偏载工况进行了详细介绍。其次，在ANSYS Workbench 中对各个部件进行单独建模，带入空间力系分析结果进行有限元分析。最后，建立起ZY20000 液压支架整体分析模型，深入研究针对偏载试验不同的边界条件对其受力分析的影响。研究结果表明：液压支架在偏载条件下，最大应力发生在支架顶梁承受偏载压力附近。该研究结果为液压支架结构优化设计提供了理论基础。

关键词：液压支架;受力分析;ANSYS仿真

中图分类号：TD355                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0082-02

0  引言

据相关统计，截止目前我国大型煤炭企业采煤机械化程度达到96.1%，意味着包括液压支架在内的三机配套作为机械化采煤的核心装备得到广泛的应用。液压支架是保证煤矿井下安全作业的关键设备，主要作用包括支撑与控制工作面的顶板、实现对采空区的隔离、防止采空区顶部落下的矸石影響采煤工作面[1]。除此之外，液压支架还能够与采煤机配合，保证采煤作业的高效生产。

煤矿开采面的顶板存在离层和破碎现象，导致液压支架整机承受单侧受力的危险工况。并且，从液压支架的型式试验和井下作业的实际工况进行分析，井下液压支架的失效大都由于支架本身承受偏载作用力所引起。

本文聚焦于液压支架偏载条件下整体结构分析，研究液压支架在恶劣工况下的响应，通过空间力学分析得出各个组件销轴接触部位的力、扭矩和约束条件，对液压支架的各个组件进行有限元分析，然后对液压支架整体进行建模分析，研究整个支架在偏载作用下的响应，对于提高支架的安全性、稳定性具有重要意义[2]。

1  液压支架及其偏载工况介绍

液压支架是井下安全作业的重要支护设备。液压支架工作原理是以高压液体作为整机动作实现的驱动力。结合其他零件、部件以及液压元件等部分组合形成的一套具有支撑与控制工作面的设备。其主要作用是支撑煤矿井下顶板不发生塌陷、保证井下工作人员与井下作业空间的安全以及确保井下工作面正常推进[3]。

从液压支架的型式试验和井下使用情况来看，支架的破坏部位多集中在掩护梁和四连杆焊缝处，液压支架的失效大都由于支架本身承受偏载作用力所引起。

液压支架整机包括9个主要组成部分，分别为顶梁、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。液压支架的底座通过和底板的相互作用传递支撑力。并且，底座位于整机结构的最底部，用于支撑其他的组成部件[4]。

液压支架中，连杆的作用是连接掩护梁与底座。掩护梁、底座以及前、后连杆铰接构成双铰式四连杆机构，以保证液压支架在升降动作时，顶梁前端顶点的运动轨迹呈现直线特征。同时，四连杆机构还可改善支架的承载能力和增强支架的稳定性。

液压支架的掩护梁与顶梁及底座相互连接。其作用是支撑整机受到的水平作用力以及由于垮落顶板时岩石的重力，起到防止井下采空区掉落的矸石进入液压支架的作用[5]。 液压支架的顶梁通过和顶板发生接触，实现传递支撑力的作用，进而起到护顶正常作业的承载构件。针对不同架型的顶梁来讲，液压支架也具有不同的结构特点。若按照纵向的连接方式进行划分，可将顶梁划分为整体式与分段铰接式两种形式。整体式顶梁具有结构相对简单、顶梁顶部提供支撑力相对较大以及人工操作较为方便的优点。但整体式结构在尺寸较大的情况下存在不便运输与安装的缺陷。相对整体式顶梁来讲，铰接式顶梁具有接顶能力较好、安装运输方便的优点。但铰接式顶梁存在顶梁顶部提供支撑力较小、结构形式相对复杂的缺陷。

液压支架的立柱是实现底座、顶梁以及掩护梁的连接部分。对其要求是能够实现高度的调节，并且能够在较强的压力作用下保证变形最小。双作用式是立柱的常见结构形式。并且有全液压以及液压加机械调整伸缩的两种控制形式[6]。

液压支架的千斤顶是实现支架整机（除立柱外）完成推移动作、护帮以及调架等功能的其它液压缸的总称。其工作原理与结构型式与立柱相似，并且多采用单伸缩双作用的运动形式。千斤顶在实际工况条件下所承受的载荷通常要比立柱小。因此，千斤顶的缸径相对较小，目前应用中，较为常用的缸体直径一般为φ63～φ200。除此之外，千斤顶的两端通常采用铰接销轴式的连接方式。

通过对支架进行应力测试时发现，支架在偏载工况和其他复杂受力情况下，掩护梁和四连杆机构的相同测点的应力值可达支架正常受力状态下的2～4倍。

2  液压支架偏载受力分析模型建立

本文以ZY20000/33.5/68D型大采高掩护式液压支架作为研究对象，三维模型图如图1所示。该类型液压支架为两柱掩护式液压支架，采高大，支护强度高，采用电液控制，预留各传感器的安装位，具备工作面升级自动化开采的条件，能够满足大采高以及一次采全高工作面的高产高效开采。

ZY20000型液压支架的额定负载为20000kN。整机的最大高度为6.8m，最低高度为3.35m。其支护强度为 1.62～1.68MPa、中心距2.05m。由于本文聚焦于其结构分析，对立柱和千斤顶不进行研究，不失一般性。

对ZY20000支架的顶梁偏载做静力分析，支架在偏载试验时，顶梁上有偏载的垂直合力为P，水平摩擦合力为Pr，偏心距为e，每根立柱的支撑力为R，四根连杆分别受力为N1、N1’、N2、N2’，并设受拉为正，其受力分析如图2所示。

在对液压支架整机进行静力学分析过程中，对于整机中各零件与部件之间的连接间隙相对较小，对于连接部分所造成的受力变形进行忽略处理即可。因此，可以认为两侧连杆延长线的交点C与C‘的连线与Y轴仍平行。按照图2中对于液压支架的静力分析图，可以明确液压支架的载荷分布情况，对于后期液压支架的有限元分析过程中边界条件的施加提供了理论基础。

3  液压支架偏载条件下的有限元分析

在 ANSYS Workbench中支持对连接处设置转动副（joint-Revolute），通过对ZY20000型液压支架整体建模，并对其中底梁、四连杆、掩护梁和顶梁的连接销轴处设置相应的转动副，可以对其进行非线性求解。并且需要在 ANSYS Workbench自带的模型处理软件中把顶梁实体化并 對其上表面进行分割，分割出需要进行侧加载的垫块面。

对于液压支架底梁和四连杆转动副的设置，需要对每个需要销轴连接的不同的部件上的销轴孔进行配对设置。四连杆与掩护梁、掩护梁与顶梁直接的转动副设置同理。

设置转动副后，对销轴孔连接处的两个相邻屏幕设置 contacts参数。本文选择Frictionless（无摩擦）接触条件对底梁和四连杆进行设置，四连杆与掩护梁、掩护梁与顶梁的设置同理。设置完转动副和接触面后，即建立成功了 ZY20000型液压支架的非线性整体分析模型。

施加约束和受力，本文在ANSYS Workbench中分别用固定约束条件、位移约束条件以及带销轴孔约束条件这三种方式进行计算。整体约束较为简单，底梁和垫块位置施加一个固定约束，在立柱的上下柱窝施加沿立柱方向的1.2倍的公称阻力即24000kN的压力。按照上述流程进行力学仿真的设置，提交分析可以得到液压支架整机的应力云图，如图3所示。

从仿真结果可以看出，液压支架在偏载条件下，最大应力发生在支架顶梁承受偏载压力附近。液压支架整机在受到偏载力的工况下最大应力为3339.4MPa。可见，偏载条件下液压支架的最大应力要大于材料的屈服强度。因此，本文研究结果为液压支架结构优化设计提供了理论基础。

4  结束语

本文基于ANSYS对偏载下的液压支架进行有限元仿真分析。针对液压支架及其井下所受的偏载工况进行了详细介绍。以ZY20000型液压支架为例建立了三维模型。基于三维模型，对偏载条件下液压支架整机进行了有限元仿真分析。仿真结果显示，液压支架在偏载条件下，最大应力发生在支架顶梁承受偏载压力附近。本文研究结果为液压支架结构优化设计提供了理论基础，对于指导液压支架的结构设计具有重要的工程实际意义。

参考文献：

[1]邢福康.煤矿支护手册[M].煤炭工业出版社，2009.

[2]李炳文，王启广.矿山机械[M].中国矿业大学出版社，2011.

[3]高悦.综放支架四连杆机构分析及程序设计[J].煤，2001 （02）：12-15.

[4]梁醒培，刘九丰，刘岩，朱诗顺.液压支架底座结构强度优化[J].矿山机械，1997（09）：4-6.

[5]梁超.液压支架四连杆机构变参数化仿真分析[J].矿山机械，2011（03）：18-20.

[6]程居山，王锡法.液压支架四连杆机构的优化设计[J].山东矿业学院学报，1991（01）：15-19.