不同工况下ZY9200型矿用液压支架的结构性能研究_杨晓林.pdf

不同工况下 ZY9200 型矿用液压支架的结构性能研究杨晓林（山西焦煤霍州煤电临汾宏大隆博煤业，山西临汾042100）摘要：为掌握液压支架在使用过程中的结构性能情况，保证液压支架的支撑安全性。采用有限元分析方法，开展了 ZY9200 型液压支架在顶梁扭转载荷与底座两端载荷工况、顶梁偏心载荷与底座两端载荷工况等条件下的结构应力、结构位移变化分析研究，掌握了液压支架在此工况下结构变化规律，得出顶梁、底座是整个结构的薄弱部位，极容易发生结构失效现象。从结构设计、材料厚度、材料属性等方面提出了液压支架的优化改进措施，对提高液压支架的结构强度及支撑性能具有重要指导意义。关键词：煤矿；液压支架；顶梁；底座；有限元中图分类号：TD355.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0010-030引言煤炭是世界上主要的能源来源，如何安全有效地开采煤炭是一个关键问题。液压支架是实现煤矿综合机械化和自动化不可或缺的设备之一，设计高性能可靠的液压支架对提高煤矿机械化程度至关重要1。液压支架通过支撑巷道顶板，防止巷顶坍塌，保持安全的工作空间。但由于井下巷道工况环境的复杂性，工况种类也相对较多，一旦液压支架无法满足某一工况下的支撑性能，将极容易使得其发生结构失效现象，影响着巷道的支撑安全性2。为掌握液压支架在巷道中的支护性能，以 ZY9200 型液压支架为研究对象，建立了其结构的仿真模型，开展了液压支架在顶梁扭转载荷与底座两端载荷工况、顶梁偏心载荷与底座两端载荷工况下结构应力和位移变化分析研究，掌握了液压支架在此工况下的变化规律及结构薄弱区域，提出了液压支架的结构优化改进措施，这对指导液压支架的优化设计和结构强度、保障井下作业安全具有重要意义，实际参考价值较大。1分析模型建立1.1三维模型的建立以 ZY9200 型液压支架为研究对象，其最大工作阻力为 21 000 kN，液压支架作为一种多板整体焊接件结构，具有结构规律性不良情况。为保证后期液压支架在分析时具有更高的模拟精度，建模时对其进行结构简化。模型简化原则如下3：1）支架由焊接部件组成，其焊接性能是影响支架性能的重要因素。基于对静应力和位移特性的主要分析，焊缝对整个结构性能基本无影响，可在建模时忽略焊接因素。2）简化主支撑结构及不影响零部件的基本特征和工作条件的力；同时，省略较小加工倒角、圆角、小孔等，去除较小支撑结构、液压管环、压力环、面板机构、侧护板、伸缩梁等非关键部件。所建立的三维模型如图 1 所示。1.2材料属性设置虽然在液压支架设计中使用的钢并不均匀，但各种钢的密度、弹性模量和泊松比差别不大。为更好地模拟液压支架在使用过程中的真实情况，将其材料设置为 Q550，其弹性模量为 210 GPa、泊松比为 0.3、密度为 7 850 kg/m3、屈服强度为 550 MPa，将此材料应用至液压支架的各个部件中4。1.3处理接触性问题液压支架的每个主要部件通过轴销铰接在一起，有一定的装配间隙。因此，在模型建立时采用接触法以获得更好的计算结果。因此，对铰接处的接触采用了接触法，即铰接处的连接使用摩擦连接，摩擦系数为 0.155。液压支架各部件之间采用无摩擦连接。模型的网格采用自由网格划分法进行了四面体网格单元划分，网格大小设置为 20 mm，可保证网格相对均匀，可以满足整个有限元分析和计算框架的要求6。液压支架的网格模型如下页图 2 所示。收稿日期：2022-03-20作者简介：杨晓林（1985），男，山西长治人，本科，毕业于太原理工大学材料成型及控制工程专业，工程师，任山西焦煤霍州煤电临汾宏大隆博煤业机电副总工程师，研究方向为矿山机电。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.0041底座；2前杆；3后杆；4掩护梁；5平衡千斤顶；6顶梁；7伸缩梁；8第三面斜板；9立柱图 1液压支架的三维模型123456789试验研究2023 年第 6 期2结果及分析2.1顶梁扭转载荷与底座两端载荷分析结果在顶梁扭转载荷与底座两端载荷工况条件下，得到了液压支架的应力和位移变化图，如图 3 和图 4 所示。由图 3 可知，顶梁中部和底座中部受到较大应力作用，掩护梁、前杆、后杆等区域的应力相对较小且分布均匀。结构的最大应力为 1 148 MPa，发生在顶梁末端应力集中区域，超过了材料的屈服强度，顶梁和底座其他区域应力值也在 510 MPa 以上，接近其材料的屈服强度，应力集中直接影响着整个支架的使用安全性。由图 4 可知，顶梁发生了较大幅度的结构变形，最大位移量为 10.24 mm，位于顶梁末端的左侧钢板上。沿着末端右侧及顶梁前端，变形量呈逐渐减小趋势。掩护梁、底座、前杆等部件的变形量相对较小。由此可知，液压支架在此工况下，顶梁的末端及底座中部为整个结构的薄弱部位，极容易率先发生结构失效现象，需重点进行结构优化。2.2顶梁偏心载荷与底座两端载荷分析结果通过分析，得到了液压支架在顶梁偏心载荷与底座两端载荷下的应力和位移变化图，如图 5 和图 6 所示。由图 5 可知，顶梁和底座发生了较大的应力集中现象，最大应力主要集中在顶梁的中部筋板应力集中区域，最大应力值为 895.89 MPa，沿着顶梁的四周，应力值呈逐渐减少趋势，但大部分区域的应力值在其屈服强度范围内。底座中部的应力值则次之，应力值约为 650 MPa，掩护梁上应力值最小，大部分应力值约为 300 MPa。由图 6 可知，液压支架出现了较为明显的位移变化不均匀现象，最大变形量发生在顶梁的左侧主筋板上，最大位移为 15.597 mm，沿着顶梁的右侧，变形量呈逐渐减小趋势，底座、掩护梁等部件整体变形量相对均匀，呈现左右对称分布趋势。由此可知，液压支架在此工况下，顶梁中部及左侧为整个结构的薄弱部位，更容易率先发生结构变形、开裂或断裂失效等现象，在结构设计时需重点进行结构优化改进研究。3液压支架结构优化改进建议根据仿真结果，可知液压支架在两种工况下，其顶梁、底座是整个结构的薄弱部位，若外部载荷或工况、设备加工问题等发生变化，液压支架则极容易发生结构失效现象，对巷道的支护安全性构成了严重影响。故从多个角度提出了液压支架的改进建议：1）在液压支架设计阶段，重点对顶梁进行结构加强，在不影响其结构重量前提下，增加顶梁顶板的厚度，建议 2 mm，同时增加顶梁下端的加强筋数量，重点考虑顶梁左侧加强筋；2）对底座中部也进行结构加强，增加底座两侧的加强筋厚度，可考虑 24 mm，内部也焊接适当的加图 2液压支架有限元模型图 3液压支架应力变化图 4液压支架位移变化图 5液压支架应力变化图图 6液压支架位移变化图03e+0036e+003（mm）4.5e+0031.5e+0031 148 Max1 020.5892.93765.37637.81510.25382.7255.14127.580.022 771 MinUnit:MPa10.24 Max9.101 97.964 16.826 45.688 74.550 93.413 22.275 51.137 70 MinUnit:mm895.89 Max796.35696.81597.27497.73398.19298.65199.1199.5640.022 76 MinUnit:MPaUnit:mm15.597 Max13.86412.13110.3988.665 26.932 25.199 13.466 11.7330 MinMaxMaxMaxMax杨晓林：不同工况下 ZY9200 型矿用液压支架的结构性能研究11机械管理开发第 38 卷强筋；3）可考虑将液压支架的材料从 Q550 材料增加至 Q690 材料，使其材料的屈服强度提高至 690 MPa，保证液压支架具有更高的结构强度；4）在液压支架加工时，保证各部件的焊接质量，避免漏焊、虚焊等焊接工艺问题，保证焊缝高度；5）在顶梁及底座的应力集中区域周边，开设直径2 mm 较小的小孔，可有效将集中的应力分散至小孔处，减小顶梁和底座的应力集中现象；6）定期对液压支架的使用情况、变形情况等进行结构维护和检查，保证液压支架具有更高的使用寿命。4结论为掌握液压支架在不同工况下的结构性能，建立了液压支架的仿真模型，开展了液压支架在不同工况下的应力和位移变化分析，得出如下结论：1）液压支架在顶梁扭转载荷与底座两端载荷工况下，顶梁的末端及底座中部发生了较为明显的应力集中及位移变化，为整个结构的薄弱部位；2）液压支架在顶梁偏心载荷与底座两端载荷工况下，顶梁的中部筋板及左侧筋板最大应力值超过了其材料的屈服强度，变形量也相对较大，为整个结构的薄弱部位，极容易率先发生结构失效现象；3）为提高液压支架的结构强度，针对液压支架中存在的薄弱部位，从材料、结构厚度、局部加强等方面，提出了液压支架顶梁及底座的结构优化措施；4）通过此研究，掌握了液压支架的综合性能及变化规律，对开展液压支架的结构优化改进及使用条件的改变具有重要指导作用。参考文献1管杰.基于不同工况下的 ZF12000 型矿用液压支架顶梁结构强度分析J.机械管理开发，2021，36（2）：100-101；109.2李鹏宇.ZY12000 型矿用液压支架尾梁的结构强度分析J.机械管理开发，2021，36（1）：86-88.3周珊珊.基于 Workbench 的液压支架掩护梁结构强度分析J.江西煤炭科技，2021（1）：188-190.4许丽华.ZY12000 型矿用液压支架顶梁结构强度分析J.煤炭与化工，2020，43（10）：78-80.5高荣梅.关于 ZY12000/18/35D 型矿用液压支架推移机构的结构强度分析J.机械管理开发，2020，35（9）：116-117；204.6孙婉婷，郑典亮.矿用液压支架掩护梁结构强度优化的研究J.吉林化工学院学报，2020，37（7）：59-62.（编辑：李俊慧）Structural Performance of ZY9200 Mining Hydraulic Support under Different WorkingConditionsYang Xiaolin（Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Power Linfen Hongda Longbo Coal Industry,Linfen Shanxi 042100）Abstract:In order to grasp the structural performance of the hydraulic bracket in the process of use and to ensure the support safety of thehydraulic bracket.Using the finite element analysis method,the structural stress and structural displacement changes of ZY9200 hydraulicbracket under the conditions of torsional load of the top beam and load conditions of the two ends of the base,eccentric load of the topbeam and load conditions of the two ends of the base were analyzed and studied,and the structural change law of the hydraulic bracketunder such conditions was mastered.The optimized improvement measures of the hydraulic bracket are proposed from the aspects ofstructural design,material thickness and material properties,which are of great guidance to improve the structural strength and supportperformance of the hydraulic bracket.Key words:coal mine;hydraulic support;roof beam;base;finite elementResearch on the Retention of Small Coal Pillars in Coal Mine Tunnels and the Design ofTunnel SupportWang Xiaofei（Jinneng Holding Coal Industry Group Qinxiu Coal Industry Co.,Ltd.,Jincheng Shanxi 048007）Abstract:In response to the impact of mining on the coal pillars of the 8107 working face in a certain mine of Jinneng Holdings CoalIndustry Group,the coal resource loss is severe,the bearing capacity of the coal pillars is reduced,and the roadway is prone to deformationand floor heave,which are difficult to support.By analyzing the stress distribution of the coal pillars in the roadway,the feasibility of usingsmall coal pillars to support the roadway is clarified,and a supporting plan for the 6m small coal pillar supporting the roadway is designed.In practical application,it is found that before the mining of the working face,The shrinkage deformation of the roof and floor of the tunnelis mostly within 10mm.During the mining process,the maximum shrinkage deformation of the roof and floor of the tunnel is 450mm.It isconcluded that the small coal pillar and supporting scheme designed in this article is feasible.This study can provide reference for theretention of small coal pillars and tunnel support in similar working conditions in mine tunnels.Key words:coal mine roadway;deformation;small coal pillar;tunnel support（上接第 9 页）12