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采煤工作面中矿用液压支架静力学分析栗博楠（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西静乐035100）摘要：基于矿用液压支架的基本结构，合理构建采煤工作面矿用液压支架有限元分析模型，并以此为基础开展偏载工况下采煤工作面矿用液压支架静力学分析。根据有限元分析结果，指出当前采煤工作面中矿用液压支架存在的结构不足，提出针对性结构优化方案。为验证结构优化方案的有效性，还将结构优化方案应用于工程实践，以此来进一步检验结构优化方案的有效性。关键词：采煤工作面；矿用液压支架；偏载工况；静力学分析中图分类号：TD355.4；TP391.7文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0040-030引言液压支架作为采煤工作面的重要设备之一，其主要用于支护顶板、保障作业空间安全。在所有液压支架类型中，矿用液压支架具有安全性高、稳定性强、适用性高、经济性优秀等优势，再加上其整体结构较为简单、自重较低，方便运输使用，促使其在各大、中、小型煤矿开采中得到广泛应用。但矿用液压支架整体结构与传统液压支架结构存在较大差异，所以为能够进一步确认矿用液压支架的抗偏载性能，需要在偏载工况下对矿用液压支架进行静力学分析。1矿用液压支架的基本结构矿用液压支架最早是针对四连杆支架所存在的双纽线不稳定问题而产生的改进型液压支架。相对来说，矿用液压支架整体结构较为简单，其主要有顶梁、悬浮立柱、尾梁、梁板、抬高架、底座、悬浮立柱、插柱等部分共同组成。其中尾梁以铰接的方式设置在顶梁上方、抬高架则是通过连接板与尾梁相连，此种结构形式促使矿用液压支架在支架升降动作时可以保持运动轨迹处于一条直线。2矿用液压支架模型构建在构建矿用液压支架有限元模型前，还需要构建矿用液压支架三维几何模型。此过程中将会采用Pro/E 软件进行，具体几何模型构建过程将会完全参考矿用液压支架整体结构进行。同时，为保障后续有限元分析效率及效果，还需要对液压支架中不会对仿真分析造成过多影响的因素进行适当省略，如支架伸缩梁以及连接千斤顶等，并为矿用液压支架几何模型设置约束。将通过 Pro/E 软件构建的三维几何模型导入到Workbench 软件中，根据矿用液压支架材料性能特点，选用 Q460 材料，并通过软件自带的网格划分工具对三维几何模型进行网格划分，进而获取到图 1 中的网格划分模型。3偏载工况下采煤工作面矿用液压支架静力学分析矿用液压支架在实际工作中会存在多种工况条件，其中偏载工况作为矿用液压支架工作中受力最危险的工况条件。在此工况下，矿用液压支架极易出现损坏情况。然而相对于传统四连杆支架来说，矿用液压支架去除承担偏载应力的四连杆，主要依靠尾梁来实现偏载应力承担，但此种情况却会造成矿用液压支架的抗偏载性能的未知情况，所以需要对偏载工况下采煤工作面矿用液压支架实施静力学分析。3.1顶梁单侧偏载、底座两端集中载荷基于采煤工作面中矿用液压支架在顶梁单侧偏载，底座两端集中载荷工况下的受力实际，通过Workbench 软件开展有限元分析，进而获取到图 2 和下页图 3 中的有限元分析结果。如图 2 所示，在顶梁单侧偏载、底座两端集中载收稿日期：2022-03-31作者简介：栗博楠（1991），男，山西五台人，本科，毕业于安徽理工大学，助理工程师，研究方向为采矿工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.016图 1矿用液压支架网格划分模型图2顶梁单侧偏载，底座两端集中载荷矿用液压支架应力云图369.91Max328.81287.71246.61205.51164.41123.3182.20741.1070.006 599 8 MinUnit:MPaMaxWVX0.00500.001 000.00（mm）试验研究2023 年第 6 期荷工况下，矿用液压支架所承受的最大应力值为369.91 MPa，最大应力点位于矿用液压支架顶梁与尾梁铰接区间。总体来说，在顶梁单侧偏载、底座两端集中载荷工况条件下，矿用液压支架的实际应力分布较为均匀，并且最大应力值处于 Q460 材料屈服强度极限范围内，即此种工况条件下，矿用液压支架结构性能符合要求。如图 3 所示，在顶梁单侧偏载、底座两端集中载荷工况条件下，矿用液压支架的最大位移值为5.3127mm，最大位移点处于矿用液压支架顶梁前端偏左区域，其他区域的实际位移值相对较小。3.2顶梁单侧偏载、底座中间集中载荷如图 4 所示，在顶梁单侧偏载、底座中间集中载荷工况下，矿用液压支架所承受的最大应力值为613.86 MPa，最大应力点位于矿用液压支架底座垫块约束区域，但由于实际应用中通常不会为矿用液压支架设置垫块，所以具体应用中不会造成此种底座应力集中情况，而其他区域的最大应力值均未超过460MPa，处于 Q460 材料屈服强度极限范围内，即此种工况条件下，矿用液压支架结构性能符合要求。如图 5 所示，在顶梁单侧偏载、底座中间集中载荷工况条件下，矿用液压支架的最大位移值为 5.3127 mm，最大位移点处于矿用液压支架顶梁前端偏左区域，其他区域的实际位移值相对较小。3.3顶梁单侧偏载、底座扭转载荷在顶梁单侧偏载、底座扭转载荷工况条件下的有限元分析过程与上述两种工况条件下的分析过程大致相关。在顶梁单侧偏载、底座扭转载荷工况下，矿用液压支架所承受的最大应力值为 454.06 MPa，最大应力点位于矿用液压支架底座过桥及主筋板过渡段区域，而液压支架主体部分所承受的应力值均处于460MPa以下，处于 Q460 材料屈服强度极限范围内，即此种工况条件下，矿用液压支架结构性能符合要求。此外，在顶梁单侧偏载、底座扭转载荷工况条件下，矿用液压支架的最大位移值为 5.312 7 mm，最大位移点处于矿用液压支架底座前端偏右区域。同时，矿用液压支架顶梁前端偏左区域的实际位移量也相对较大，其他区域的实际位移值相对较小。4矿用液压支架结构优化及工程应用4.1矿用液压支架结构优化通过有限元分析可以发现，虽然部分工况条件下矿用液压支架所承受的偏载应力会超过材料的最大许用应力，但考虑到实际工况条件下其中部分较大的应力可以忽略或者通过结构改进方式进行削减，所以在综合分析后确认现有的矿用液压支架结构综合性能符合要求。但为能够进一步保障矿用液压支架的使用安全性，还需要将底座过桥倾斜角扩大。在结构改进后再次对矿用液压支架实施静力学分析，最终发现在顶梁单侧偏载、底座扭转载荷工况条件下，过桥原本存在的内侧应力集中情况得到有效解决，其最大应力值也从原本的 797.6 MPa 下降为 420 MPa，整体受力分布更为平均，可有效保障矿用液压支架在偏载工况下的强度性能水平。4.2优化方案的工程应用虽然从有限元分析结果可知，结构优化后的方案更为科学合理，但有限元分析结果较为理想化，可能会与实际条件存在一定出入，所以为进一步确定应用效果，还需要实时优化工程应用的方案。即将优化后的结构方案实物应用于工程实践，并以此来对优化后图3顶梁单侧偏载、底座两端集中载荷矿用液压支架位移云图图 4顶梁单侧偏载、底座中间集中载荷矿用液压支架应力云图图 5顶梁单侧偏载、底座中间集中载荷矿用液压支架位移云图5.312 7 Max4.722 54.132 23.5422.951 72.361 41.771 21.180 90.590 620.000 351 76 MinMaxUnit：mm0.001 000.00（mm）500.00WVX613.86 Max540.05466.24392.44318.63244.82171.0197.20723.40.001 387 9 MinUnit:MPa0.00Max1 000.00（mm）500.00WVXUnit：mm5.312 7 Max4.722 54.132 23.5422.951 72.361 41.771 21.180 90.590 620.000 351 76 MinMax0.001 000.00（mm）500.00WVX栗博楠：采煤工作面中矿用液压支架静力学分析41机械管理开发第 38 卷的矿用液压支架结构性能进行进一步判断分析。具体工程实践周期为 6 个月，在经过 6 个月的实际应用后确认，相对于既有的矿用液压支架来说，优化后的结构方案在任何工况条件下均表现出更强的稳定性。由此可知，相对来说，优化后的矿用液压支架结构方案不仅可以适应实际工作条件，而且整体性能更为优秀，值得在后续矿用液压支架结构优化中进行参考应用。5结语本文采用有限元分析法，对偏载工况条件下矿用液压支架进行静力学分析，并根据分析结果发现其中的问题，提出针对性优化方案。同时，为检验本文所提出优化方案的有效性，研究中还依次采用有限元分析、工程实践分析两种方法进行结构优化方案的分析检验，最终确认此优化方案的有效性，值得在后续中小型煤矿的采煤工作面以及矿用液压支架结构优化设计中进行参考应用，进而综合提高矿用液压支架的综合性能水平。参考文献1傅继龙.基于 Terzaghi 理论的综采面超前液压支架静力学分析J.煤矿机械，2020，41（6）：72-74.2许秀.古城煤矿 N1303 工作面开采方式及液压支架选型设计J.煤，2020，29（4）：36-38.3王国法，徐亚军，李丁一.大倾角综采工作面液压支架刚柔组合倾覆力矩平衡的支护原理及其应用J.岩石力学与工程学报，2018，37（A2）：4 125-4 132.4张同鑫，赵晓航，程锦.煤矿综采工作面液压支架选型设计J.写真地理，2020（7）：228.5秦强.综采工作面液压支架连杆结构特性分析J.技术与市场，2020（12）：103-104.（编辑：王婧）Statics Analysis of Mining Hydraulic Support in Coal FaceLi Bonan（Huozhou Coal Power Group Fenyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Jingle Shanxi 035100）Abstract:Based on the basic structure of the mining hydraulic support,the finite element analysis model of the mining hydraulic supportin the coal mining face is reasonably constructed,and based on this,the statics analysis of the mining hydraulic support in the coal miningface under the eccentric load condition is carried out.According to the results of the finite element analysis,the structural deficiencies ofthe mining hydraulic support in the current coal mining face are pointed out,and the targeted structural optimization scheme is proposed.To verify the effectiveness of the structural optimization plan,it will also be applied to engineering practice to further verify the effectivenessof the structural optimization plan.Key words:coal mining face;mining hydraulic support;partial load