矿用液压支架结构力学性能研究 本文关键词：支架，液压，结构，力学性能，研究
矿用液压支架结构力学性能研究 本文简介：摘要:液压支架是用于煤矿井下综采作业面支护的机械设备，其支护作业时的可靠性直接关系到煤矿井下综采作业的安全和煤炭生产企业的经济效益。为更好的确保液压支架的可靠性，采用有限元分析的方法对液压支架在危险受力工况下各核心构件的力学性能进行了分析研究，为优化液压支架的结构提供理论基础。关键词：有限元；液压支
矿用液压支架结构力学性能研究 本文内容：
摘要:液压支架是用于煤矿井下综采作业面支护的机械设备，其支护作业时的可靠性直接关系到煤矿井下综采作业的安全和煤炭生产企业的经济效益。为更好的确保液压支架的可靠性，采用有限元分析的方法对液压支架在危险受力工况下各核心构件的力学性能进行了分析研究，为优化液压支架的结构提供理论基础。
关键词：有限元；液压支架；核心构件；力学性能
煤炭为国民经济的发展提供了巨大的动力，随着经济的进步和科技水平的发展，人类社会对煤炭资源的需求进一步的扩大，各煤炭生产企业在不断加大对煤炭的综采力度的同时，井下作业面发生冒顶、塌方事故的概率也不断增加，因此当前井下综采作业时对支护安全的重视达到了一个新的高度，对液压支架支护作业时的可靠性也提出了更高的要求。因煤矿井下地质条件复杂，液压支架在进行支护作业时的受力条件较为复杂，通过对液压支架不同受力条件下的支护稳定性的分析，液压其最危险的工况为顶梁单侧受载，底座受扭转载荷，因此本文利用了有限元分析的思想，对液压支架在该危险工况下的核心结构的力学特性进行研究，为液压支架的结构优化、提升其工作的安全性和可靠性提供理论和技术支持。
1液压支架受载时的力学分析
本文以某型支撑掩护式四柱液压支架为研究对像，在工作时该液压支架的平面受力方程如图1所示，L表示顶梁长度，H表示顶梁距离液压支架底座的距离[1]。图1支撑掩护式四柱液压支架的受力示意图由图1可知，将液压支架的顶梁以及掩护梁作为一个分离体，则其对于点处的力矩的平衡方程可表示为[2]：(1)式中：为立柱1的支撑力；为立柱1到四连杆中心点的距离；为立柱2的支撑力；为立柱2到四连杆中心点的距离；为巷道顶板作用在顶梁上的载荷；为巷道沿水平方向的摩擦系数；为顶梁到支撑点O的垂直距离；为顶梁后断面到四连杆中心点的水平距离；为支撑点O和四连杆中心点连线沿水平方向的夹角；为顶板对顶梁作用点位置距离支撑点O的水平距离。其垂直轴与水平方向上的力的平衡方程可表示为：(3)式中：为前连杆上的作用力；为前连杆和垂直方向上的夹角；为后连杆上的作用力；为后连杆和垂直方向上的夹角；为立柱1和垂直方向上的夹角；为立柱2和垂直方向上的夹角。单独将顶梁作为一个分离体，则其对于O点处的力矩的平衡方程可表示为[3]式中：为立柱1到支撑点O的距离；为立柱2到四连杆中心点的距离；为立柱2到支撑点O的距离。
2液压支架三维模型的建立
利用UG三维建模软件建立四柱式支撑掩护支架的三维结构模型，然后将其导入到仿真分析软件中利用HyperMesh强大的六面体划分功能[4]，对液压支架进行网格划分，同时根据四柱掩护式液压支架的基本对称的结构，形成对称的网格单元布局结构。在进行仿真分析时，本文只针对液压支架在顶梁受到单侧载荷，其底座受扭转载荷时的各零部件的受力特性进行分析，因此对其设置边界条件时主要对顶梁位置施加一个偏载的约束，而对液压支架的底座处则添加一个扭转的约束，用于对该工况下液压支架的强度结构进行仿真分析，分析时根据实际工况，对液压支架施加的压力大小为50MPa。
3仿真结果分析
受偏载作用的情况下液压支架上的应力主要集中在液压支架的顶梁和底座上，而在掩护梁和支架的前连杆、后连杆位置处的应力较小，最大应力位于底座的位置，大小约为540MPa。顶梁上的应力主要集中在顶梁的中间位置的筋板上以及左侧的柱窝区的位置，最大的应力约为332MPa[5]。在顶梁的柱窝区的前端的应力要超过后端的应力，并且在柱窝区位置的应力达到了最大，从液压支架的顶梁向前柱窝区过渡的地方其应力的变化较快，而其后端的应力变化相对平稳。总体来说，应力在顶梁上的分布趋势为在柱窝区内的应力最大，应力从柱窝区向前后逐渐递减并在前后呈对称的趋势。在偏载作用下，液压支架底座上的最大的应力约为541MPa，其最大形变量约为4.344mm，在底座后侧的形变量相对较小，当底座在承受偏载时，在底座过桥上的应力比较大，相对较危险，应通过增加过渡处的圆角的半径来减小底座在承受偏载作用时的应力集中，提高底座在工作时的稳定性。综合仿真分析结果，四柱掩护式液压支架在受到偏载作用时的，其最大应力主要作用在顶梁柱窝区和底座的过桥圆角的位置，因此为充分提高液压支架工作时的稳定性，降低受载作用下的失效隐患，应加大液压支架底座过桥圆角和顶梁的连接筋板的厚度[6]。
4结论
本文通过对四柱掩护液压支架载荷作用下的受力分析，对液压支架各主要零部件在偏载作用下的力学特性进行仿真分析，结果表明：（1）在偏载作用下，顶梁上受力主要集中在柱窝区位置，应力在顶梁上的分布趋势为在柱窝区内的应力最大，（2）当底座在承受偏载时，在底座过桥上的应力比较大，相对较危险，应通过增加过渡处的圆角的半径来减小底座在承受偏载作用时的应力集中，提高底座在工作时的稳定性。
参考文献：
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作者：王子刚 单位：阳煤集团新景公司
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