大采高液壓支架：適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與有限元分析的深度探究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1大采高液壓支架在煤炭開采中的重要地位煤炭作為我國的主要能源之一，在國家能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著舉足輕重的地位。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭的需求持續(xù)增長(zhǎng)，煤炭開采行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在煤炭開采過程中，厚煤層的開采是一個(gè)重要的領(lǐng)域。厚煤層儲(chǔ)量豐富，其開采效率和安全性直接影響著煤炭行業(yè)的整體發(fā)展。大采高液壓支架作為厚煤層開采的關(guān)鍵設(shè)備，具有不可替代的重要作用。它能夠有效地支撐頂板，防止頂板垮落，為采煤作業(yè)提供安全的工作空間。與傳統(tǒng)的采煤設(shè)備相比，大采高液壓支架具有更高的支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和開采環(huán)境。在一些煤層厚度較大、地質(zhì)條件復(fù)雜的礦區(qū)，大采高液壓支架能夠?qū)崿F(xiàn)高效、安全的開采，大大提高了煤炭開采的效率和產(chǎn)量。大采高液壓支架還能夠提高煤炭資源的回收率，減少資源浪費(fèi)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在神東礦區(qū)，大采高液壓支架的應(yīng)用使得煤炭開采效率大幅提高。該礦區(qū)采用的大采高液壓支架能夠適應(yīng)煤層厚度變化，有效地控制頂板，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效的開采目標(biāo)。大采高液壓支架的發(fā)展也推動(dòng)了煤炭開采技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了煤炭行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。1.1.2開展適應(yīng)性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的必要性大采高液壓支架在實(shí)際工作中，面臨著復(fù)雜多變的工作條件。不同礦區(qū)的地質(zhì)條件、煤層賦存狀態(tài)以及開采工藝等都存在差異，這就要求大采高液壓支架具備良好的適應(yīng)性。如果液壓支架不能適應(yīng)具體的工作環(huán)境，可能會(huì)導(dǎo)致支護(hù)效果不佳，增加頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)，影響采煤作業(yè)的正常進(jìn)行。在一些傾角較大的煤層中，液壓支架需要具備更強(qiáng)的抗傾斜能力；在頂板破碎的情況下，液壓支架需要更好的頂板控制性能。因此，對(duì)大采高液壓支架的適應(yīng)性進(jìn)行深入分析，有助于優(yōu)化支架的設(shè)計(jì)，使其更好地滿足不同工作條件的需求。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是大采高液壓支架安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在煤炭開采過程中，液壓支架承受著來自頂板的巨大壓力、采煤機(jī)的沖擊以及其他各種復(fù)雜載荷。如果支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，在長(zhǎng)期的高負(fù)荷工作下，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、損壞甚至垮塌等嚴(yán)重問題，這不僅會(huì)危及作業(yè)人員的生命安全，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)大采高液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確了解支架在各種載荷作用下的受力情況和變形規(guī)律，為支架的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)，確保支架在復(fù)雜的工作環(huán)境中具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。有限元分析作為一種先進(jìn)的數(shù)值模擬方法，能夠?qū)Υ蟛筛咭簤褐Ъ艿倪m應(yīng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行精確的分析。通過建立液壓支架的有限元模型，可以模擬各種實(shí)際工況下支架的力學(xué)行為，得到詳細(xì)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相比，有限元分析具有成本低、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化，減少試驗(yàn)次數(shù)和成本，縮短研發(fā)周期。因此，開展大采高液壓支架適應(yīng)性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于保障采煤安全、提高生產(chǎn)效率、推動(dòng)煤炭行業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1大采高液壓支架適應(yīng)性研究進(jìn)展國外在大采高液壓支架適應(yīng)性研究方面起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果。德國、美國、澳大利亞等采煤技術(shù)先進(jìn)的國家，憑借其先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，在大采高液壓支架的研發(fā)和應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位。德國的DBT公司和艾柯夫公司在大采高液壓支架設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域具有深厚的技術(shù)底蘊(yùn)，他們?cè)O(shè)計(jì)的支架能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，在不同的煤層厚度、傾角和頂板條件下都能保持良好的工作性能。美國的JOY公司生產(chǎn)的大采高液壓支架以其高度的自動(dòng)化和可靠性著稱，廣泛應(yīng)用于美國本土及其他國家的煤礦開采中。在理論研究方面，國外學(xué)者對(duì)大采高液壓支架與圍巖的相互作用機(jī)理進(jìn)行了深入探究。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、物理模擬和數(shù)值模擬等多種手段，研究了在不同地質(zhì)條件下，液壓支架如何更好地適應(yīng)頂板的運(yùn)動(dòng)和壓力變化。一些學(xué)者建立了詳細(xì)的力學(xué)模型，分析支架在各種工況下的受力情況，為支架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在澳大利亞的一些煤礦，研究人員通過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取了大量關(guān)于液壓支架在不同地質(zhì)條件下的工作數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)建立的力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)支架的受力和變形情況，有效指導(dǎo)了支架的選型和使用。國內(nèi)對(duì)大采高液壓支架適應(yīng)性的研究也取得了顯著進(jìn)展。隨著我國煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)大采高液壓支架的需求日益增長(zhǎng)，國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)加大了對(duì)這方面的研究投入。中國礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院等科研機(jī)構(gòu)在大采高液壓支架適應(yīng)性研究中發(fā)揮了重要作用。他們針對(duì)我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，開展了一系列具有針對(duì)性的研究工作。通過對(duì)不同礦區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，分析了煤層厚度、傾角、頂板穩(wěn)定性、底板硬度等因素對(duì)大采高液壓支架適應(yīng)性的影響，并提出了相應(yīng)的解決方案。在神東礦區(qū)，科研人員通過對(duì)該礦區(qū)地質(zhì)條件的深入研究，優(yōu)化了大采高液壓支架的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其能夠更好地適應(yīng)礦區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件，提高了采煤效率和安全性。在支架選型和參數(shù)優(yōu)化方面，國內(nèi)也取得了豐碩的成果。研究人員根據(jù)不同的開采條件，制定了科學(xué)合理的支架選型標(biāo)準(zhǔn)和方法，通過對(duì)支架的工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了支架的適應(yīng)性和可靠性。在一些厚煤層開采中，通過合理選擇支架的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度，有效控制了頂板的下沉和垮落，保障了采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。同時(shí)，國內(nèi)還注重對(duì)大采高液壓支架智能化技術(shù)的研究，通過引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了支架的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)一步提高了支架的適應(yīng)性和工作效率。1.2.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析在液壓支架領(lǐng)域的應(yīng)用情況有限元分析作為一種強(qiáng)大的數(shù)值模擬工具，在液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究中得到了廣泛應(yīng)用。它能夠?qū)σ簤褐Ъ軓?fù)雜的結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行精確模擬，為支架的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和安全評(píng)估提供重要依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展，有限元分析在液壓支架領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入和廣泛。國外在有限元分析應(yīng)用于液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究方面開展得較早，已經(jīng)形成了一套成熟的分析方法和流程。利用先進(jìn)的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)液壓支架的整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。通過建立精確的有限元模型，模擬支架在不同工況下的受力狀態(tài)，得到支架的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，從而準(zhǔn)確評(píng)估支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。在德國的一些煤礦設(shè)備制造企業(yè)，利用有限元分析對(duì)新設(shè)計(jì)的大采高液壓支架進(jìn)行模擬分析，在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)并解決了潛在的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，大大縮短了研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)在有限元分析應(yīng)用于液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。許多高校和科研機(jī)構(gòu)積極開展相關(guān)研究工作，推動(dòng)了有限元分析在液壓支架領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過對(duì)液壓支架進(jìn)行有限元建模和分析，研究支架在各種載荷作用下的力學(xué)性能，為支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。在對(duì)某型號(hào)大采高液壓支架的研究中，科研人員利用有限元分析軟件對(duì)支架的頂梁、掩護(hù)梁、底座等關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)的強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，有效提高了支架的承載能力和穩(wěn)定性。目前，有限元分析在液壓支架領(lǐng)域的應(yīng)用還在不斷拓展和深化。一方面，研究人員不斷完善有限元模型，考慮更多的實(shí)際因素，如材料的非線性、接觸非線性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。另一方面，隨著多物理場(chǎng)耦合分析技術(shù)的發(fā)展，有限元分析開始向多物理場(chǎng)耦合方向發(fā)展，能夠同時(shí)考慮液壓支架在力學(xué)、熱學(xué)、流體力學(xué)等多物理場(chǎng)作用下的性能，為液壓支架的設(shè)計(jì)和分析提供更全面的信息。未來，有限元分析將在大采高液壓支架的研發(fā)和應(yīng)用中發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1主要研究?jī)?nèi)容概述本研究圍繞大采高液壓支架適應(yīng)性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析展開，旨在深入探究大采高液壓支架在不同工況下的性能表現(xiàn)，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全高效運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：大采高液壓支架工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析：深入剖析大采高液壓支架的工作原理，詳細(xì)闡述其結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)。對(duì)支架的關(guān)鍵部件，如頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱等的結(jié)構(gòu)形式和功能進(jìn)行深入研究，分析各部件在支架工作過程中的作用和相互關(guān)系。通過對(duì)支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，為后續(xù)的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。大采高液壓支架適應(yīng)性影響因素分析：全面分析影響大采高液壓支架適應(yīng)性的各種因素，包括地質(zhì)條件、煤層賦存狀態(tài)、開采工藝等。研究不同因素對(duì)支架工作性能的影響規(guī)律，如煤層厚度、傾角、頂板穩(wěn)定性、底板硬度等對(duì)支架支護(hù)效果、穩(wěn)定性和可靠性的影響。通過對(duì)這些因素的分析，為支架的選型和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，使其能夠更好地適應(yīng)不同的工作環(huán)境。大采高液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元模型建立：基于有限元分析理論，運(yùn)用專業(yè)的有限元軟件，建立大采高液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元模型。在建模過程中，對(duì)支架的幾何模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，去除對(duì)分析結(jié)果影響較小的細(xì)節(jié)部分，提高計(jì)算效率。準(zhǔn)確定義材料屬性，包括彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等，確保模型能夠真實(shí)反映支架的材料特性。合理劃分網(wǎng)格，根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析精度要求，選擇合適的單元類型和網(wǎng)格密度，提高模型的計(jì)算精度。不同工況下大采高液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析：根據(jù)大采高液壓支架在實(shí)際工作中的受力情況，設(shè)定多種典型工況，如頂梁均布載荷、偏載、扭轉(zhuǎn)，底座集中載荷、扭轉(zhuǎn)載荷等。對(duì)每種工況進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析，求解支架在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況。通過對(duì)分析結(jié)果的深入研究，找出支架的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的安全隱患，為支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向。大采高液壓支架適應(yīng)性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化建議：根據(jù)有限元分析結(jié)果，結(jié)合大采高液壓支架的實(shí)際工作需求，提出針對(duì)性的適應(yīng)性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化建議。針對(duì)支架適應(yīng)性方面的問題，如在復(fù)雜地質(zhì)條件下的支護(hù)效果不佳，提出優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)參數(shù)、改進(jìn)支護(hù)方式等建議；針對(duì)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的問題，如應(yīng)力集中、局部變形過大等，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)關(guān)鍵部位的強(qiáng)度等建議。通過這些優(yōu)化建議，提高支架的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保其在復(fù)雜的工作環(huán)境中能夠安全可靠地運(yùn)行。1.3.2采用的研究方法為了實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。具體采用的研究方法如下：理論分析方法：運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、礦山壓力等相關(guān)理論，對(duì)大采高液壓支架的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況進(jìn)行深入分析。建立支架的力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，分析支架在不同工況下的力學(xué)性能。通過理論分析，為有限元模型的建立和分析結(jié)果的解釋提供理論基礎(chǔ)，深入理解支架的工作機(jī)制和性能特點(diǎn)。數(shù)值模擬方法：利用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)大采高液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。通過建立精確的有限元模型，模擬支架在各種工況下的受力狀態(tài)，得到支架的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布云圖。數(shù)值模擬方法能夠直觀地展示支架的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)潛在的問題，為支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，與理論分析方法相結(jié)合，相互驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。案例分析方法：選取實(shí)際煤礦開采中使用的大采高液壓支架作為案例，收集相關(guān)的工程數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)案例中的支架在實(shí)際工作中的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。通過案例分析，深入了解大采高液壓支架在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題和挑戰(zhàn)，為提出針對(duì)性的優(yōu)化建議提供實(shí)際依據(jù)，使研究成果更具工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)比分析方法：對(duì)不同類型、不同參數(shù)的大采高液壓支架進(jìn)行對(duì)比分析，研究其適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的差異。對(duì)比不同支架在相同工況下的有限元分析結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)支架性能的影響規(guī)律。通過對(duì)比分析，為支架的選型和優(yōu)化提供參考，選擇性能更優(yōu)的支架結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高支架的綜合性能。二、大采高液壓支架概述2.1工作原理與結(jié)構(gòu)組成2.1.1工作原理解析大采高液壓支架的工作原理基于液壓傳動(dòng)技術(shù)，通過乳化液泵站提供的高壓乳化液來實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作，主要包括升降、推移、護(hù)幫等關(guān)鍵操作，以滿足采煤工作面的支護(hù)需求并適應(yīng)開采工藝的要求。支架的升降動(dòng)作是其實(shí)現(xiàn)有效支護(hù)的基礎(chǔ)。當(dāng)需要升架時(shí)，來自乳化液泵站的高壓乳化液通過主供液管進(jìn)入操縱閥，再經(jīng)液控單向閥進(jìn)入立柱下腔。立柱下腔充滿高壓乳化液后，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，從而使頂梁上升接觸頂板并提供支撐力。在升架過程中，液控單向閥起到關(guān)鍵作用，它能夠保持立柱下腔的壓力，防止乳化液回流，確保支架穩(wěn)定地支撐頂板。當(dāng)需要降架時(shí)，乳化液通過主供液管進(jìn)入操縱閥，然后進(jìn)入立柱上腔，同時(shí)立柱下腔的乳化液在液控單向閥的控制下，經(jīng)操縱閥流回主回液管，最終回到乳化液箱。立柱上腔的壓力推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頂梁下降，為支架的移動(dòng)或其他操作創(chuàng)造條件。推移動(dòng)作是大采高液壓支架跟隨采煤機(jī)推進(jìn)的重要功能。在推溜操作中，高壓乳化液通過主供液管進(jìn)入操縱閥，然后進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊?。活塞腔的壓力推?dòng)推移千斤頂?shù)幕钊麠U伸出，從而推動(dòng)刮板輸送機(jī)向煤壁方向移動(dòng)，為采煤機(jī)的割煤作業(yè)提供合適的位置。當(dāng)進(jìn)行移架操作時(shí)，推移千斤頂?shù)幕钊麠U縮回，拉動(dòng)支架向前移動(dòng)，使其能夠及時(shí)支護(hù)新暴露的頂板。在推移過程中，支架的穩(wěn)定性和推移的準(zhǔn)確性對(duì)于采煤作業(yè)的安全和效率至關(guān)重要。護(hù)幫動(dòng)作是大采高液壓支架保護(hù)采煤工作面人員和設(shè)備安全的重要措施。當(dāng)需要護(hù)幫時(shí)，高壓乳化液通過操縱閥進(jìn)入護(hù)幫千斤頂?shù)墓ぷ髑?，推?dòng)護(hù)幫板伸出，緊貼煤壁，防止煤壁片幫。煤壁片幫不僅會(huì)影響采煤作業(yè)的正常進(jìn)行，還可能對(duì)人員和設(shè)備造成安全威脅，因此護(hù)幫動(dòng)作的及時(shí)和有效執(zhí)行能夠提高采煤工作面的安全性。2.1.2結(jié)構(gòu)組成及各部件功能大采高液壓支架主要由頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱、連桿、推移裝置、護(hù)幫裝置等部件組成，每個(gè)部件都在支架的工作中發(fā)揮著獨(dú)特而重要的作用，它們相互協(xié)作，共同確保支架的穩(wěn)定性和支護(hù)效果。頂梁是直接與頂板接觸并承受頂板壓力的關(guān)鍵部件。它的主要功能是將頂板的壓力均勻地傳遞到立柱和其他支撐部件上，為采煤工作面提供可靠的頂板支護(hù)。頂梁通常采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受頂板的巨大壓力。一些大采高液壓支架的頂梁還配備了伸縮梁和護(hù)幫板，伸縮梁可以根據(jù)頂板的起伏情況進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)對(duì)頂板的支護(hù)效果；護(hù)幫板則能夠有效防止煤壁片幫，保護(hù)采煤作業(yè)人員的安全。在頂板條件較為復(fù)雜的工作面，頂梁的合理設(shè)計(jì)和良好性能對(duì)于保障采煤安全至關(guān)重要。掩護(hù)梁位于頂梁后方，主要起到掩護(hù)和連接的作用。它一方面能夠阻擋采空區(qū)矸石向工作面的涌入，保護(hù)支架內(nèi)部的設(shè)備和人員安全；另一方面，掩護(hù)梁與前后連桿、底座形成四連桿機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)能夠保證支架在不同高度和工況下，頂梁前端與煤壁之間的距離（梁端距）變化較小，從而有效地控制頂板，提高支架的穩(wěn)定性。掩護(hù)梁在工作過程中承受著來自頂板的水平分力和側(cè)向力，以及矸石的沖擊載荷，因此需要具備較高的強(qiáng)度和抗沖擊性能。底座是支架的基礎(chǔ)部件，它將支架的全部重量和頂板傳來的壓力傳遞到底板上。底座的穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)支架的穩(wěn)定性，因此底座通常設(shè)計(jì)得較為寬大，以增加與底板的接觸面積，減小對(duì)底板的比壓，防止支架陷入底板。底座還為立柱、推移裝置等其他部件提供安裝基礎(chǔ)，確保它們能夠正常工作。在底板較軟的煤層中，合理設(shè)計(jì)底座的結(jié)構(gòu)和尺寸，提高其對(duì)底板的適應(yīng)性，是保證支架穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。立柱是大采高液壓支架的主要承載部件，其作用是為頂梁提供支撐力，以平衡頂板的壓力。立柱通常采用高強(qiáng)度無縫鋼管制成，內(nèi)部裝有活塞和密封件，通過液壓系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作。立柱的工作阻力和行程是衡量支架支護(hù)能力的重要指標(biāo)，工作阻力越大，支架能夠承受的頂板壓力就越大；行程則決定了支架能夠適應(yīng)的煤層厚度變化范圍。在大采高液壓支架中，一般采用多個(gè)立柱來提高支架的承載能力和穩(wěn)定性，如四柱支撐掩護(hù)式支架和兩柱掩護(hù)式支架等。連桿包括前連桿和后連桿，它們與掩護(hù)梁、底座共同構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)。連桿的主要作用是傳遞力和運(yùn)動(dòng)，在支架升降和移動(dòng)過程中，保證掩護(hù)梁和頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求，維持梁端距的相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)，連桿還能夠承受來自頂板和掩護(hù)梁的各種載荷，對(duì)支架的穩(wěn)定性起到重要的支撐作用。連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算需要考慮多種因素，以確保其在復(fù)雜工況下能夠可靠工作。推移裝置主要由推移千斤頂和連接部件組成，其功能是實(shí)現(xiàn)支架的推移和刮板輸送機(jī)的推移。在采煤過程中，推移裝置根據(jù)采煤工藝的要求，及時(shí)將支架和刮板輸送機(jī)向前移動(dòng)，保證采煤作業(yè)的連續(xù)性。推移裝置的工作可靠性和推移力的大小直接影響到采煤效率和工作面的正常推進(jìn)。護(hù)幫裝置主要由護(hù)幫千斤頂和護(hù)幫板組成，用于防止煤壁片幫。在采煤過程中，煤壁受到地壓、采煤機(jī)割煤等因素的影響，容易發(fā)生片幫現(xiàn)象。護(hù)幫裝置通過護(hù)幫千斤頂?shù)纳炜s，使護(hù)幫板緊貼煤壁，增加煤壁的穩(wěn)定性，防止片幫煤對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。護(hù)幫裝置的及時(shí)動(dòng)作和良好性能對(duì)于保障采煤工作面的安全具有重要意義。2.2特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)2.2.1與普通液壓支架的區(qū)別大采高液壓支架與普通液壓支架在結(jié)構(gòu)和性能上存在顯著差異，這些差異使其能夠更好地適應(yīng)厚煤層開采的特殊需求。在結(jié)構(gòu)方面，大采高液壓支架通常具有更高的高度和更大的尺寸。由于厚煤層的開采高度較大，大采高液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、底座等部件的尺寸相應(yīng)增大，以提供足夠的支護(hù)空間和承載能力。大采高液壓支架的頂梁長(zhǎng)度和寬度通常比普通液壓支架更大，能夠更好地覆蓋頂板，減少頂板的暴露面積，提高支護(hù)效果。大采高液壓支架的立柱數(shù)量和直徑也可能增加，以增強(qiáng)支架的支撐能力。一些大采高液壓支架采用四柱支撐結(jié)構(gòu)，立柱直徑可達(dá)500毫米以上，相比普通液壓支架的兩柱或四柱結(jié)構(gòu)，具有更高的承載能力和穩(wěn)定性。大采高液壓支架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加注重穩(wěn)定性和可靠性。為了適應(yīng)厚煤層開采中復(fù)雜的地質(zhì)條件和較大的開采高度，大采高液壓支架通常采用加強(qiáng)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了結(jié)構(gòu)件的厚度和強(qiáng)度，提高了支架的抗變形能力。大采高液壓支架還采用了更加先進(jìn)的連接方式和密封技術(shù)，確保支架在長(zhǎng)期使用過程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)和泄漏等問題，提高了支架的可靠性和使用壽命。在性能方面，大采高液壓支架具有更高的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度。由于厚煤層開采中頂板壓力較大，大采高液壓支架需要具備更強(qiáng)的承載能力來支撐頂板。大采高液壓支架的工作阻力通常在10000千牛以上，支護(hù)強(qiáng)度也比普通液壓支架更高，能夠有效地控制頂板的下沉和垮落，保障采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。在一些大采高工作面，支架的工作阻力可達(dá)20000千牛以上，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.5兆帕以上，能夠滿足高強(qiáng)度開采的需求。大采高液壓支架的移架速度和自動(dòng)化程度也更高。為了提高采煤效率，大采高液壓支架通常配備了高效的移架系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速移架，減少采煤作業(yè)的停頓時(shí)間。大采高液壓支架還廣泛應(yīng)用了自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了支架的自動(dòng)升降、推移、護(hù)幫等操作，減少了人工干預(yù)，提高了工作效率和安全性。一些先進(jìn)的大采高液壓支架采用了電液控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)采煤機(jī)的位置和工作狀態(tài)自動(dòng)控制支架的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了采煤過程的自動(dòng)化和智能化。2.2.2在厚煤層開采中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)大采高液壓支架在厚煤層開采中具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其成為厚煤層開采的首選設(shè)備，對(duì)于提高煤炭開采效率、保障安全生產(chǎn)和促進(jìn)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。大采高液壓支架能夠顯著提高開采效率。在厚煤層開采中，采用大采高液壓支架可以實(shí)現(xiàn)一次采全高，減少了分層開采的次數(shù)，從而大大縮短了采煤作業(yè)的循環(huán)時(shí)間，提高了采煤效率。與分層開采相比，大采高液壓支架可以使采煤工作面的推進(jìn)速度提高30%-50%，煤炭產(chǎn)量也相應(yīng)增加。在神東礦區(qū)的一些大采高工作面，采用先進(jìn)的大采高液壓支架后，采煤效率大幅提升，實(shí)現(xiàn)了日產(chǎn)萬噸以上的高產(chǎn)目標(biāo)，為保障國家能源供應(yīng)做出了重要貢獻(xiàn)。大采高液壓支架在保障安全方面具有重要作用。由于大采高液壓支架具有較高的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度，能夠有效地支撐頂板，防止頂板垮落，為采煤作業(yè)人員提供了安全的工作環(huán)境。大采高液壓支架的護(hù)幫裝置和防片幫措施能夠有效地防止煤壁片幫，減少片幫煤對(duì)人員和設(shè)備的傷害。在頂板條件復(fù)雜的厚煤層開采中，大采高液壓支架的良好支護(hù)性能能夠有效降低頂板事故的發(fā)生率，保障采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。大采高液壓支架還能夠提高煤炭資源的回收率。在厚煤層開采中，采用大采高液壓支架可以減少煤炭的損失，提高資源回收率。相比分層開采，大采高液壓支架可以更充分地開采煤層，減少了煤層頂煤和底煤的損失，使煤炭資源得到更有效的利用。一些大采高液壓支架通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)的采煤工藝，使煤炭資源回收率提高了10%-20%，減少了資源浪費(fèi)，促進(jìn)了煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。大采高液壓支架還具有良好的適應(yīng)性。它能夠適應(yīng)不同的地質(zhì)條件和開采工藝，在各種復(fù)雜的煤層賦存狀態(tài)下都能發(fā)揮出良好的性能。無論是在煤層厚度變化較大、傾角較陡還是頂板條件復(fù)雜的礦區(qū)，大采高液壓支架都能夠通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作方式，滿足開采需求，保證采煤作業(yè)的順利進(jìn)行。2.3應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)2.3.1國內(nèi)應(yīng)用情況及典型案例在國內(nèi)，大采高液壓支架的應(yīng)用范圍日益廣泛，隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)煤炭需求的持續(xù)增長(zhǎng)，越來越多的煤礦采用大采高液壓支架進(jìn)行厚煤層開采，以提高開采效率和安全性。神東礦區(qū)作為我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，是大采高液壓支架應(yīng)用的典型代表。該礦區(qū)的上灣煤礦在厚煤層開采中，使用了先進(jìn)的大采高液壓支架，取得了顯著的成效。上灣煤礦的煤層厚度較大，平均厚度達(dá)到6.5米，以往采用分層開采的方式，開采效率較低，且資源回收率不高。引入大采高液壓支架后，實(shí)現(xiàn)了一次采全高，大大提高了采煤效率。該礦使用的大采高液壓支架工作阻力高達(dá)18000千牛，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.5兆帕以上，能夠有效地支撐頂板，防止頂板垮落。支架的自動(dòng)化程度較高，配備了先進(jìn)的電液控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)升降、推移、護(hù)幫等操作，減少了人工干預(yù)，提高了工作效率和安全性。通過使用大采高液壓支架，上灣煤礦的采煤工作面推進(jìn)速度明顯加快，煤炭產(chǎn)量大幅提升，資源回收率也提高了15%以上，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。大同煤礦集團(tuán)的塔山煤礦也是大采高液壓支架的成功應(yīng)用案例之一。塔山煤礦的煤層賦存條件較為復(fù)雜，存在一定的斷層和褶曲構(gòu)造。為了適應(yīng)這種復(fù)雜的地質(zhì)條件，該礦選用了具有良好適應(yīng)性的大采高液壓支架。支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，頂梁采用了高強(qiáng)度鋼板焊接而成，具有較強(qiáng)的承載能力和抗變形能力；掩護(hù)梁與前后連桿形成的四連桿機(jī)構(gòu)，保證了支架在不同工況下的穩(wěn)定性。在開采過程中，通過對(duì)支架的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行合理調(diào)整，有效地控制了頂板的下沉和垮落，確保了采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。塔山煤礦還注重對(duì)大采高液壓支架的維護(hù)和管理，建立了完善的設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，保證了支架的可靠運(yùn)行。通過應(yīng)用大采高液壓支架，塔山煤礦實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效的開采目標(biāo)，采煤效率提高了30%以上，為保障煤炭供應(yīng)做出了重要貢獻(xiàn)。在山東能源集團(tuán)的一些煤礦中，大采高液壓支架的應(yīng)用也取得了良好的效果。這些煤礦根據(jù)自身的地質(zhì)條件和開采工藝要求，選擇了合適的大采高液壓支架型號(hào)，并對(duì)支架的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在某煤礦的大采高工作面，采用了工作阻力為15000千牛的液壓支架，通過合理布置支架的間距和調(diào)整支護(hù)方式，有效地控制了頂板的壓力，減少了頂板事故的發(fā)生。該煤礦還加強(qiáng)了對(duì)員工的培訓(xùn)，提高了員工對(duì)大采高液壓支架的操作技能和維護(hù)水平，確保了支架的正常運(yùn)行。通過應(yīng)用大采高液壓支架，該煤礦提高了煤炭開采效率，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。2.3.2國際應(yīng)用趨勢(shì)及新技術(shù)發(fā)展在國際上，大采高液壓支架的應(yīng)用也呈現(xiàn)出不斷發(fā)展的趨勢(shì)。隨著全球煤炭需求的持續(xù)增長(zhǎng)和對(duì)煤炭開采效率、安全性要求的不斷提高，大采高液壓支架在世界各國的煤礦中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。澳大利亞、美國、德國等國家在大采高液壓支架技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位。澳大利亞的煤礦開采條件較為復(fù)雜，煤層厚度和傾角變化較大，但該國憑借先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，在大采高液壓支架的應(yīng)用方面取得了顯著成就。澳大利亞的一些煤礦采用了高度自動(dòng)化的大采高液壓支架，這些支架配備了先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)支架的工作狀態(tài)和頂板的壓力變化，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整支架的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能化開采。澳大利亞還注重對(duì)大采高液壓支架的可靠性和耐久性研究，采用高強(qiáng)度材料和先進(jìn)的制造工藝，提高了支架的使用壽命和穩(wěn)定性。美國的煤礦在大采高液壓支架的應(yīng)用中，更加注重設(shè)備的高效性和安全性。美國的一些大型煤礦采用了超大采高的液壓支架，開采高度可達(dá)8米以上，大大提高了煤炭開采效率。這些支架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了安全性，采用了多重防護(hù)措施，如加強(qiáng)型的頂梁和掩護(hù)梁、可靠的防倒防滑裝置等，確保了支架在復(fù)雜工況下的安全運(yùn)行。美國還在大采高液壓支架的自動(dòng)化控制方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的協(xié)同作業(yè)，提高了采煤工作面的整體生產(chǎn)效率。德國在大采高液壓支架的研發(fā)和制造方面具有深厚的技術(shù)底蘊(yùn)，其生產(chǎn)的大采高液壓支架以高精度、高可靠性著稱。德國的一些煤礦使用的大采高液壓支架采用了先進(jìn)的電液控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)支架的快速移架和精確控制，提高了采煤作業(yè)的效率和質(zhì)量。德國還在大采高液壓支架的材料研發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了重要進(jìn)展，采用新型高強(qiáng)度材料和先進(jìn)的焊接工藝，提高了支架的承載能力和抗疲勞性能，延長(zhǎng)了支架的使用壽命。在新技術(shù)發(fā)展方面，智能化、自動(dòng)化和輕量化是大采高液壓支架的重要發(fā)展方向。隨著人工智能、傳感器、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，大采高液壓支架的智能化水平不斷提高。通過安裝各種傳感器，支架能夠?qū)崟r(shí)感知頂板壓力、支架姿態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，并將這些信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)利用人工智能算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整支架的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)支架的自動(dòng)控制和智能決策。在頂板壓力突然增大時(shí)，支架能夠自動(dòng)增加工作阻力，以保證頂板的穩(wěn)定；在采煤機(jī)割煤時(shí)，支架能夠根據(jù)采煤機(jī)的位置自動(dòng)進(jìn)行移架和護(hù)幫操作，實(shí)現(xiàn)與采煤機(jī)的協(xié)同作業(yè)。自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展也使得大采高液壓支架的操作更加便捷和高效。傳統(tǒng)的大采高液壓支架需要人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下。而現(xiàn)在，越來越多的大采高液壓支架采用了自動(dòng)化控制技術(shù)，操作人員可以通過遠(yuǎn)程控制終端對(duì)支架進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)支架的遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中控制。一些先進(jìn)的大采高液壓支架還具備自動(dòng)跟機(jī)功能，能夠根據(jù)采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡自動(dòng)調(diào)整支架的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了采煤過程的自動(dòng)化和智能化。輕量化設(shè)計(jì)也是大采高液壓支架的發(fā)展趨勢(shì)之一。為了降低設(shè)備的運(yùn)輸和安裝難度，提高采煤工作面的推進(jìn)速度，大采高液壓支架在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，越來越注重輕量化設(shè)計(jì)。通過采用新型材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少支架的重量，同時(shí)提高支架的承載能力和可靠性。一些大采高液壓支架采用了高強(qiáng)度鋁合金材料和先進(jìn)的焊接工藝，在減輕支架重量的同時(shí)，提高了支架的強(qiáng)度和抗腐蝕性能。三、大采高液壓支架適應(yīng)性分析3.1適應(yīng)性影響因素3.1.1地質(zhì)條件對(duì)支架適應(yīng)性的影響地質(zhì)條件是影響大采高液壓支架適應(yīng)性的關(guān)鍵因素，其涵蓋了煤層厚度、傾角、頂板穩(wěn)定性、底板硬度等多個(gè)方面，這些因素相互交織，共同作用，對(duì)液壓支架的工作性能和支護(hù)效果產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。煤層厚度是大采高液壓支架選型和設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。不同的煤層厚度要求液壓支架具備相應(yīng)的支護(hù)高度和工作阻力。當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，液壓支架需要有足夠的調(diào)高范圍，以適應(yīng)采高的變化。若支架的調(diào)高范圍不足，在煤層厚度超過支架的可調(diào)節(jié)范圍時(shí)，可能導(dǎo)致支架無法有效支撐頂板，從而引發(fā)頂板事故。在一些厚煤層開采中，煤層厚度可達(dá)6米以上，這就要求大采高液壓支架的最大支撐高度能夠滿足這一需求，同時(shí)，支架的工作阻力也需要相應(yīng)提高，以承受更大的頂板壓力。如果支架的工作阻力不足，在頂板壓力的作用下，支架可能會(huì)發(fā)生變形甚至損壞，影響采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。煤層傾角對(duì)大采高液壓支架的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著煤層傾角的增大，支架所承受的下滑力和傾倒力矩也隨之增大。在傾角較大的煤層中，支架容易出現(xiàn)下滑、傾倒等不穩(wěn)定現(xiàn)象，這不僅會(huì)影響支架的支護(hù)效果，還可能對(duì)采煤設(shè)備和人員安全造成嚴(yán)重威脅。為了應(yīng)對(duì)這一問題，大采高液壓支架通常需要配備可靠的防倒防滑裝置，如防滑千斤頂、防倒裝置等，以增強(qiáng)支架在傾斜煤層中的穩(wěn)定性。支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要考慮傾角因素，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高支架的抗傾斜能力。在一些傾角達(dá)到30°以上的煤層中，采用特殊設(shè)計(jì)的大采高液壓支架，通過增加底座的寬度、改進(jìn)四連桿機(jī)構(gòu)等措施，有效提高了支架的穩(wěn)定性，確保了采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。頂板穩(wěn)定性是大采高液壓支架適應(yīng)性的重要考量因素。頂板的穩(wěn)定性取決于頂板的巖性、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)等。直接頂?shù)姆€(wěn)定性對(duì)支架的初撐力和支護(hù)及時(shí)性要求較高。若直接頂較破碎，容易發(fā)生垮落，此時(shí)支架需要具備較高的初撐力，能夠及時(shí)有效地支撐頂板，防止頂板垮落。基本頂?shù)闹芷趤韷阂矔?huì)對(duì)支架產(chǎn)生較大影響。在基本頂周期來壓期間，頂板會(huì)產(chǎn)生較大的壓力和下沉量，支架需要有足夠的工作阻力來承受這些壓力，同時(shí)，支架的結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的抗變形能力，以保證在頂板來壓時(shí)能夠穩(wěn)定工作。在頂板穩(wěn)定性較差的工作面，采用加強(qiáng)型的大采高液壓支架，增加頂梁的厚度和強(qiáng)度，提高支架的支護(hù)強(qiáng)度和可靠性，有效控制了頂板的垮落，保障了采煤作業(yè)的安全。底板硬度同樣對(duì)大采高液壓支架的適應(yīng)性有著重要影響。如果底板硬度較低，在支架的壓力作用下，底板容易發(fā)生下沉、鼓起等變形現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致支架的底座陷入底板，影響支架的穩(wěn)定性和支護(hù)效果。為了避免這種情況的發(fā)生，在底板較軟的煤層中，需要采取相應(yīng)的措施來提高底板的承載能力，如對(duì)底板進(jìn)行加固處理，采用底靴面積較大的支架底座等。一些煤礦在底板較軟的工作面，通過在底板鋪設(shè)鋼板、澆筑混凝土等方式，增加了底板的硬度和承載能力，同時(shí)，選用了底靴面積較大的大采高液壓支架，有效防止了支架底座陷入底板，保證了支架的正常工作。3.1.2開采工藝與支架適應(yīng)性的關(guān)系開采工藝與大采高液壓支架的適應(yīng)性密切相關(guān)，不同的采煤工藝對(duì)大采高液壓支架的性能和工作方式提出了不同的要求，而液壓支架的合理選型和設(shè)計(jì)也能夠促進(jìn)開采工藝的順利實(shí)施，提高采煤效率和安全性。綜采工藝是目前廣泛應(yīng)用的采煤方法之一，其特點(diǎn)是采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架等設(shè)備協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了采煤過程的機(jī)械化和自動(dòng)化。在綜采工藝中，大采高液壓支架需要具備快速移架和高效支護(hù)的能力，以適應(yīng)采煤機(jī)的割煤速度和頂板的暴露情況。采煤機(jī)的割煤速度通常較快，這就要求液壓支架能夠迅速移架，及時(shí)支護(hù)新暴露的頂板，防止頂板垮落。液壓支架的移架速度和操作的便捷性直接影響著采煤作業(yè)的效率。一些先進(jìn)的大采高液壓支架采用了電液控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速移架和精確控制，大大提高了采煤作業(yè)的效率。液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力也需要根據(jù)綜采工藝的要求進(jìn)行合理選擇，以確保頂板的穩(wěn)定。在一些高產(chǎn)高效的綜采工作面，大采高液壓支架的工作阻力高達(dá)15000千牛以上，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.2兆帕以上，能夠有效支撐頂板，保障采煤作業(yè)的安全進(jìn)行。放頂煤工藝是厚煤層開采的一種重要方法，該工藝在采煤過程中需要同時(shí)考慮頂煤的冒放性和頂板的控制。大采高液壓支架在放頂煤工藝中，不僅要具備足夠的支護(hù)強(qiáng)度來支撐頂板，還要能夠適應(yīng)頂煤的冒放過程。支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮頂煤的流動(dòng)特性，避免頂煤在冒放過程中對(duì)支架造成沖擊和損壞。支架的放煤口尺寸和位置也需要合理設(shè)計(jì)，以保證頂煤能夠順利放出，同時(shí)防止矸石混入。在一些放頂煤工作面，采用了專門設(shè)計(jì)的大采高液壓支架，其放煤口采用了特殊的結(jié)構(gòu)和控制方式，能夠有效控制頂煤的冒放，提高煤炭資源的回收率。支架的支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力也需要根據(jù)放頂煤工藝的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，以確保在放煤過程中頂板的穩(wěn)定。采煤工藝中的其他環(huán)節(jié)，如通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)龋矔?huì)對(duì)大采高液壓支架的適應(yīng)性產(chǎn)生影響。良好的通風(fēng)條件是保證采煤作業(yè)安全的重要因素，液壓支架的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮通風(fēng)的要求，確保通風(fēng)順暢。運(yùn)輸系統(tǒng)的效率也會(huì)影響液壓支架的工作，液壓支架的推移和移動(dòng)需要與運(yùn)輸系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，以保證采煤作業(yè)的連續(xù)性。在一些采煤工作面，由于通風(fēng)巷道狹窄，對(duì)大采高液壓支架的外形尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足通風(fēng)要求。同時(shí)，通過合理安排液壓支架的推移順序和時(shí)間，使其與運(yùn)輸系統(tǒng)緊密配合，提高了采煤作業(yè)的效率。3.2適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法3.2.1建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)大采高液壓支架的適應(yīng)性，需要構(gòu)建一套科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該體系應(yīng)涵蓋多個(gè)方面，能夠綜合反映液壓支架在不同工況下的性能表現(xiàn)和適應(yīng)能力。支護(hù)強(qiáng)度是評(píng)價(jià)大采高液壓支架適應(yīng)性的重要指標(biāo)之一。它是指支架對(duì)單位面積頂板提供的支撐力，直接關(guān)系到支架對(duì)頂板的控制效果。支護(hù)強(qiáng)度的大小應(yīng)根據(jù)頂板的巖性、厚度、壓力等因素進(jìn)行合理確定。在頂板較堅(jiān)硬、壓力較大的情況下，需要較高的支護(hù)強(qiáng)度來確保頂板的穩(wěn)定；而在頂板較松軟、壓力較小的情況下，支護(hù)強(qiáng)度可適當(dāng)降低。支護(hù)強(qiáng)度通常通過支架的工作阻力和支護(hù)面積來計(jì)算，公式為：支護(hù)強(qiáng)度=工作阻力/支護(hù)面積。工作阻力是大采高液壓支架的關(guān)鍵性能指標(biāo)，它反映了支架能夠承受的最大頂板壓力。工作阻力的大小直接影響支架的支護(hù)效果和安全性。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工作面的地質(zhì)條件和開采工藝，合理選擇支架的工作阻力。如果工作阻力過小，支架可能無法有效支撐頂板，導(dǎo)致頂板垮落；而工作阻力過大，不僅會(huì)增加設(shè)備成本，還可能對(duì)支架的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性造成不利影響。工作阻力一般通過理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法來確定，需要考慮頂板的來壓規(guī)律、支架的承載能力等因素。穩(wěn)定性是大采高液壓支架安全可靠運(yùn)行的重要保障，包括支架的抗傾倒、抗滑移和抗扭轉(zhuǎn)能力等。在傾斜煤層或頂板條件復(fù)雜的工作面，支架的穩(wěn)定性尤為重要?？箖A倒能力主要取決于支架的重心位置、底座的寬度和穩(wěn)定性以及防倒裝置的性能等；抗滑移能力則與支架的底座摩擦力、防滑裝置的可靠性以及煤層的傾角等因素有關(guān)；抗扭轉(zhuǎn)能力主要由支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和連接方式?jīng)Q定。為了提高支架的穩(wěn)定性，通常會(huì)采取一系列措施，如增加底座的寬度、設(shè)置防倒防滑裝置、優(yōu)化支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。調(diào)高范圍也是評(píng)價(jià)大采高液壓支架適應(yīng)性的重要指標(biāo)之一。它表示支架能夠適應(yīng)的煤層厚度變化范圍，對(duì)于不同厚度的煤層開采具有重要意義。在煤層厚度變化較大的工作面，需要支架具有較大的調(diào)高范圍，以確保支架能夠始終有效地支撐頂板。調(diào)高范圍一般通過支架的立柱行程和頂梁的伸縮量來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)支架時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作面的煤層厚度變化情況，合理確定支架的調(diào)高范圍。移架速度影響著采煤作業(yè)的效率，快速移架能夠減少采煤機(jī)的等待時(shí)間，提高采煤效率。在高產(chǎn)高效的采煤工作面，對(duì)支架的移架速度要求較高。移架速度主要取決于支架的液壓系統(tǒng)性能、推移千斤頂?shù)耐屏托谐桃约安僮鞯谋憬菪缘纫蛩?。為了提高移架速度，可采用高效的液壓系統(tǒng)、優(yōu)化推移千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)以及采用自動(dòng)化控制技術(shù)等。此外，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還可以包括支架的可靠性、維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性等方面?？煽啃苑从沉酥Ъ茉谝?guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，維護(hù)性則考慮了支架的檢修、保養(yǎng)和故障排除的難易程度，經(jīng)濟(jì)性則涉及支架的購置成本、運(yùn)行成本和使用壽命等因素。這些指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同構(gòu)成了一個(gè)完整的大采高液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。3.2.2常用評(píng)價(jià)方法介紹在對(duì)大采高液壓支架的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，有多種方法可供選擇，每種方法都有其特點(diǎn)和適用范圍。下面介紹幾種常用的評(píng)價(jià)方法。層次分析法（AHP）是一種將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。在大采高液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)中，首先需要建立層次結(jié)構(gòu)模型，將評(píng)價(jià)目標(biāo)（如支架的適應(yīng)性）作為最高層，將支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力、穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)指標(biāo)作為中間層，將不同類型的支架或支架的不同參數(shù)作為最低層。然后通過兩兩比較的方式，確定各層次元素之間的相對(duì)重要性，構(gòu)造判斷矩陣。通過計(jì)算判斷矩陣的特征向量和特征值，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)合各支架在不同指標(biāo)上的得分，計(jì)算出每個(gè)支架的綜合得分，從而對(duì)支架的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。層次分析法能夠?qū)?fù)雜的決策問題分解為多個(gè)層次，使決策過程更加清晰、有條理，同時(shí)能夠充分考慮決策者的主觀判斷，在多指標(biāo)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，它能夠處理評(píng)價(jià)過程中的模糊性和不確定性。在大采高液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)中，首先需要確定評(píng)價(jià)因素集和評(píng)價(jià)等級(jí)集。評(píng)價(jià)因素集即為前面提到的支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力、穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)等級(jí)集則可以根據(jù)實(shí)際情況劃分為“很好”“較好”“一般”“較差”“很差”等不同等級(jí)。然后建立模糊關(guān)系矩陣，通過專家評(píng)價(jià)或?qū)嶋H數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，確定每個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。根據(jù)各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重和模糊關(guān)系矩陣，進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，得到支架對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度向量。根據(jù)隸屬度向量，確定支架的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)法能夠較好地處理評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性和不確定性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確，在液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?；疑P(guān)聯(lián)分析法是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，它以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序。在大采高液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)中，將評(píng)價(jià)指標(biāo)的理想值作為參考數(shù)列，將不同支架在各評(píng)價(jià)指標(biāo)上的實(shí)際值作為比較數(shù)列。通過計(jì)算比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的灰色關(guān)聯(lián)度，判斷不同支架與理想狀態(tài)的接近程度，從而評(píng)價(jià)支架的適應(yīng)性?；疑P(guān)聯(lián)分析法對(duì)數(shù)據(jù)要求較低，能夠在數(shù)據(jù)有限的情況下進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，且計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單，在液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)中也有一定的應(yīng)用。3.3案例分析3.3.1某礦大采高液壓支架適應(yīng)性實(shí)例研究某礦3102工作面位于該礦的主要開采區(qū)域，其地質(zhì)條件較為復(fù)雜，具有一定的代表性。該工作面走向長(zhǎng)2500m，傾斜長(zhǎng)300m，煤層底板標(biāo)高588-623m，地面標(biāo)高880-1103m。煤層平均厚度為6.3m，屬于厚煤層范疇，平均傾角4°，容重1.45t/m3，普氏硬度f=2-3，表明煤層硬度適中。直接頂為砂質(zhì)泥巖，層理發(fā)育，厚2.43m，這種直接頂?shù)奶匦允沟闷浞€(wěn)定性相對(duì)較差，在開采過程中容易發(fā)生垮落；基本頂為中粒砂巖，厚7.10m，具有較高的強(qiáng)度，能夠在一定程度上控制頂板的下沉和垮落；偽頂是炭質(zhì)泥巖，厚0.20m，偽頂?shù)拇嬖谠黾恿隧敯骞芾淼碾y度；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚2.70m，老底為泥巖，厚6.52m，底板的性質(zhì)對(duì)液壓支架的穩(wěn)定性和底座的受力情況有重要影響。該工作面采用大采高一次采全高采煤工藝，選用ZY12000/28/62型兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架。這種支架的設(shè)計(jì)高度范圍為2.8m-6.2m，能夠適應(yīng)該工作面的煤層厚度變化。支架的額定工作阻力為12000kN，初撐力為9500kN，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.3MPa以上，在理論上能夠?yàn)楣ぷ髅嫣峁┹^強(qiáng)的支護(hù)能力。支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，兩柱支撐掩護(hù)式結(jié)構(gòu)能夠有效地承受頂板的壓力，并通過掩護(hù)梁阻擋采空區(qū)矸石向工作面的涌入。3.3.2數(shù)據(jù)采集與分析在該礦3102工作面的開采過程中，采用了先進(jìn)的KJ513在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)液壓支架的工作阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了全面了解支架在工作面不同位置的工作情況，將工作面由回風(fēng)巷向運(yùn)輸巷方向劃分為3個(gè)測(cè)站，分別為工作面上部、中部和下部，每個(gè)測(cè)站選擇3個(gè)液壓支架安裝測(cè)力儀。工作面上部測(cè)站測(cè)力儀安裝在支架編號(hào)為3、13和24號(hào)的支架上，中部測(cè)站安裝在編號(hào)為46、68和90號(hào)的支架上，下部測(cè)站安裝在編號(hào)為100、112和138號(hào)的支架上。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析，得到了該工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支架的適應(yīng)性情況。在頂板來壓方面，工作面的平均周期來壓步距為18m，來壓時(shí)支架的工作阻力明顯增大。在一次頂板來壓過程中，工作面上部支架的工作阻力從平時(shí)的8000kN左右迅速增加到10000kN以上，中部支架的工作阻力也從7500kN左右增加到9500kN以上，下部支架的工作阻力從7800kN左右增加到9800kN以上。這表明在頂板來壓時(shí)，支架能夠承受較大的壓力，但部分支架的工作阻力接近或超過其額定工作阻力的80%，存在一定的安全隱患。從支架工作阻力的頻率分布來看，工作面上部支架工作阻力在8000kN-10000kN區(qū)間的頻率較高，占總監(jiān)測(cè)次數(shù)的40%左右；中部支架工作阻力在7000kN-9000kN區(qū)間的頻率較高，占總監(jiān)測(cè)次數(shù)的45%左右；下部支架工作阻力在7500kN-9500kN區(qū)間的頻率較高，占總監(jiān)測(cè)次數(shù)的42%左右。這說明支架在不同位置的工作阻力分布存在一定差異，可能與工作面的地質(zhì)條件和開采工藝有關(guān)。在支架的初撐力方面，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分支架的初撐力未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。工作面上部支架的初撐力平均為8500kN，達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力的89%左右；中部支架的初撐力平均為8800kN，達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力的92%左右；下部支架的初撐力平均為8600kN，達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力的90%左右。初撐力不足會(huì)影響支架對(duì)頂板的及時(shí)支護(hù)效果，降低頂板的穩(wěn)定性。綜合分析數(shù)據(jù)可知，該工作面大采高液壓支架在適應(yīng)性方面存在一些問題。部分支架在頂板來壓時(shí)工作阻力接近或超過其額定工作阻力的80%，這可能導(dǎo)致支架在長(zhǎng)期高負(fù)荷工作下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞或失穩(wěn)的情況。初撐力不足也會(huì)影響支架的支護(hù)效果，增加頂板垮落的風(fēng)險(xiǎn)。這些問題需要進(jìn)一步分析原因，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。3.3.3改進(jìn)措施與效果評(píng)估針對(duì)某礦3102工作面大采高液壓支架適應(yīng)性存在的問題，提出以下改進(jìn)措施：調(diào)整支架工作阻力：根據(jù)工作面的實(shí)際礦壓顯現(xiàn)情況，對(duì)支架的工作阻力進(jìn)行合理調(diào)整。通過增加支架的工作阻力，使其能夠更好地應(yīng)對(duì)頂板來壓時(shí)的壓力。具體措施包括優(yōu)化支架的液壓系統(tǒng)，提高泵站的供液壓力，確保支架在頂板來壓時(shí)能夠及時(shí)提供足夠的支撐力。對(duì)支架的安全閥進(jìn)行調(diào)整，使其開啟壓力更加合理，既能保證支架在正常工作時(shí)的穩(wěn)定性，又能在頂板來壓時(shí)有效地釋放壓力，保護(hù)支架結(jié)構(gòu)。提高初撐力：加強(qiáng)對(duì)支架初撐力的管理和控制，確保支架在升架時(shí)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力。加強(qiáng)對(duì)支架操作人員的培訓(xùn)，提高其操作技能和責(zé)任心，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行升架操作，確保支架初撐力達(dá)到要求。定期對(duì)支架的液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)更換損壞的密封件和液壓元件，保證液壓系統(tǒng)的密封性和可靠性，防止初撐力泄漏。優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)：對(duì)支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其穩(wěn)定性和承載能力。在支架的頂梁和掩護(hù)梁上增加加強(qiáng)筋，提高其強(qiáng)度和剛度，減少在頂板壓力作用下的變形。改進(jìn)支架的連接方式，采用高強(qiáng)度的連接銷軸和連接件，增強(qiáng)支架各部件之間的連接可靠性，防止在工作過程中出現(xiàn)松動(dòng)和脫落的情況。采取改進(jìn)措施后，對(duì)支架的工作性能和適應(yīng)性進(jìn)行了再次監(jiān)測(cè)和評(píng)估。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，改進(jìn)后的支架在頂板來壓時(shí)的工作阻力得到了有效控制，大部分支架的工作阻力能夠保持在額定工作阻力的80%以內(nèi)，支架的穩(wěn)定性和安全性得到了顯著提高。在一次頂板來壓過程中，工作面上部支架的工作阻力最大為9500kN，占額定工作阻力的79%左右；中部支架的工作阻力最大為9000kN，占額定工作阻力的75%左右；下部支架的工作阻力最大為9300kN，占額定工作阻力的78%左右。支架的初撐力也得到了明顯提高，工作面上部支架的初撐力平均達(dá)到9200kN，達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力的97%左右；中部支架的初撐力平均達(dá)到9300kN，達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力的98%左右；下部支架的初撐力平均達(dá)到9250kN，達(dá)到設(shè)計(jì)初撐力的97%左右。這使得支架能夠及時(shí)有效地支撐頂板，減少了頂板垮落的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，支架在工作過程中的變形明顯減小，各部件之間的連接更加可靠，進(jìn)一步提高了支架的適應(yīng)性和可靠性。改進(jìn)措施取得了良好的效果，有效地解決了該工作面大采高液壓支架適應(yīng)性存在的問題，為采煤作業(yè)的安全和高效進(jìn)行提供了有力保障。四、有限元分析理論基礎(chǔ)4.1有限元方法基本原理4.1.1離散化思想與單元?jiǎng)澐钟邢拊椒ㄗ鳛橐环N強(qiáng)大的數(shù)值分析技術(shù)，其核心在于將連續(xù)的物理模型離散化為有限個(gè)單元組成的離散模型，從而把復(fù)雜的連續(xù)體問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的單元問題進(jìn)行求解。這種離散化思想是有限元方法的基石，為解決各類工程和科學(xué)問題提供了有效的途徑。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于大采高液壓支架這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，離散化過程尤為關(guān)鍵。以大采高液壓支架的頂梁為例，頂梁是一個(gè)復(fù)雜的多腔室薄壁箱形焊接結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要將其離散化為眾多小單元。這些單元的形狀和大小根據(jù)頂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析精度要求進(jìn)行選擇，常見的單元形狀有四面體單元、六面體單元等。通過合理劃分單元，能夠準(zhǔn)確地模擬頂梁的力學(xué)行為。在劃分單元時(shí)，需要考慮頂梁的幾何形狀、受力情況以及材料特性等因素。對(duì)于頂梁的關(guān)鍵部位，如與立柱連接的區(qū)域，由于受力較為復(fù)雜，需要?jiǎng)澐指?xì)密的單元，以提高分析精度；而對(duì)于一些對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的區(qū)域，可以適當(dāng)劃分較大的單元，以減少計(jì)算量。離散化過程中，單元的劃分不僅要考慮幾何形狀，還要考慮單元之間的連接方式。單元之間通過節(jié)點(diǎn)相互連接，節(jié)點(diǎn)是單元的關(guān)鍵點(diǎn)，它們的位移和力的傳遞是有限元分析的關(guān)鍵。在大采高液壓支架的離散化模型中，各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)。這些節(jié)點(diǎn)的位移和力的分布反映了支架在各種工況下的力學(xué)響應(yīng)。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的分析，可以得到支架的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等信息，從而評(píng)估支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。離散化算法的選擇也對(duì)有限元分析的結(jié)果有著重要影響。常見的離散化算法包括三角剖分、四邊形剖分和自適應(yīng)剖分等。三角剖分適用于任意復(fù)雜區(qū)域的離散化，它能夠較好地?cái)M合復(fù)雜的幾何形狀，但計(jì)算量相對(duì)較大；四邊形剖分適用于矩形或正交區(qū)域的離散化，計(jì)算效率較高，但對(duì)于復(fù)雜形狀的適應(yīng)性較差；自適應(yīng)剖分則根據(jù)問題的局部特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。在大采高液壓支架的有限元分析中，需要根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析要求，選擇合適的離散化算法。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支架部件，如掩護(hù)梁和底座，可能需要采用三角剖分算法，以準(zhǔn)確地模擬其力學(xué)行為；而對(duì)于一些形狀規(guī)則的部件，如立柱，可以采用四邊形剖分算法，以提高計(jì)算效率。4.1.2單元特性分析與整體求解完成離散化后，需對(duì)每個(gè)單元的特性進(jìn)行深入分析，以確定單元的力學(xué)行為和響應(yīng)。這一過程是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它為后續(xù)的整體求解提供了基礎(chǔ)。以大采高液壓支架的單元特性分析為例，在分析過程中，首先要選擇合適的位移模式。位移模式描述了單元內(nèi)部任意點(diǎn)的位移如何依賴于節(jié)點(diǎn)位移，通常通過選擇適當(dāng)?shù)男螤詈瘮?shù)來近似表示單元內(nèi)任何點(diǎn)的位移。形狀函數(shù)的選擇對(duì)分析的精度、效率和可靠性至關(guān)重要。在大采高液壓支架的單元分析中，常用的形狀函數(shù)是多項(xiàng)式函數(shù)。對(duì)于線性單元，通常采用線性多項(xiàng)式作為形狀函數(shù)，它能夠較好地描述單元內(nèi)位移的線性變化；而對(duì)于高階單元，則可以采用高階多項(xiàng)式作為形狀函數(shù)，以更精確地描述單元內(nèi)位移的復(fù)雜變化。通過選擇合適的形狀函數(shù)，可以將單元內(nèi)的位移表示為節(jié)點(diǎn)位移的函數(shù)，從而建立起單元位移與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。根據(jù)單元的位移模式，結(jié)合幾何方程和物理方程，可以建立單元的剛度矩陣。幾何方程描述了應(yīng)變與位移的關(guān)系，通過變形矩陣來表達(dá)；物理方程則建立了應(yīng)力與應(yīng)變之間的聯(lián)系，涉及到彈性矩陣，它取決于材料的屬性。在大采高液壓支架的單元分析中，根據(jù)胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間滿足線性關(guān)系，通過彈性矩陣可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)力。通過這些方程，可以得到單元的應(yīng)力和應(yīng)變，并進(jìn)一步構(gòu)建單元?jiǎng)偠染仃嚒卧獎(jiǎng)偠染仃嚪从沉藛卧挚棺冃蔚哪芰?，它是一個(gè)方陣，其元素表示了單元節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系。利用虛功原理或最小勢(shì)能原理，可以建立單元的剛度方程，即單元?jiǎng)偠染仃嚺c節(jié)點(diǎn)位移向量的乘積等于作用在單元上的力向量。這一方程將單元的力學(xué)行為轉(zhuǎn)換為代數(shù)問題，為求解單元的力學(xué)響應(yīng)提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在大采高液壓支架的單元分析中，通過建立單元?jiǎng)偠确匠?，可以求解出單元在給定載荷作用下的節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力。完成單元特性分析后，需將所有單元的剛度方程組合起來，形成整體剛度矩陣。整體剛度矩陣反映了整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，它是一個(gè)大型的稀疏矩陣，其元素表示了整個(gè)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系。結(jié)合結(jié)構(gòu)的邊界條件和荷載，可以得到整體的節(jié)點(diǎn)平衡方程。在大采高液壓支架的有限元分析中，邊界條件包括支架與頂板、底板的接觸條件，以及支架的約束條件等；荷載則包括頂板的壓力、采煤機(jī)的沖擊載荷等。通過求解整體的節(jié)點(diǎn)平衡方程，可以得到結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等關(guān)鍵參數(shù)。在求解過程中，根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)選擇合適的計(jì)算方法。對(duì)于大型的線性方程組，常用的求解方法包括高斯消去法、迭代法等。高斯消去法是一種直接求解方法，它通過對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)行初等變換，將方程組化為上三角形式，然后通過回代求解出節(jié)點(diǎn)位移；迭代法是一種間接求解方法，它通過不斷迭代逼近方程組的解，常用的迭代法有雅可比迭代法、高斯-賽德爾迭代法等。在大采高液壓支架的有限元分析中，由于整體剛度矩陣是一個(gè)大型的稀疏矩陣，采用迭代法求解可以提高計(jì)算效率。4.2有限元分析軟件介紹4.2.1常用軟件及其特點(diǎn)在工程領(lǐng)域，有限元分析軟件種類繁多，功能各異，其中ANSYS和ABAQUS是兩款應(yīng)用極為廣泛的軟件，它們?cè)诖蟛筛咭簤褐Ъ芙Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中發(fā)揮著重要作用。ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發(fā)，是一款多物理場(chǎng)仿真軟件，具有廣泛的適用范圍和強(qiáng)大的功能。它高度集成的平臺(tái)將結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的模塊整合在一起，方便用戶進(jìn)行跨學(xué)科的協(xié)同仿真。在大采高液壓支架的分析中，ANSYS的多物理場(chǎng)仿真能力能夠同時(shí)考慮支架在力學(xué)、熱學(xué)等多物理場(chǎng)作用下的性能，為支架的設(shè)計(jì)和分析提供更全面的信息。在研究液壓支架在井下高溫環(huán)境下的力學(xué)性能時(shí)，ANSYS可以同時(shí)模擬支架的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，分析溫度對(duì)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。ANSYS還提供了直觀易用的圖形界面，方便用戶進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分、結(jié)果后處理等操作。它支持多種編程語言接口，如APDL、Python等，這使得用戶可以通過編寫腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析，提高工作效率。在對(duì)大采高液壓支架進(jìn)行批量分析時(shí)，用戶可以利用Python腳本快速建立不同參數(shù)的模型，并進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算和結(jié)果處理。ANSYS在結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其豐富的物理場(chǎng)模型和求解器能夠滿足不同領(lǐng)域的分析需求，這也為大采高液壓支架的綜合分析提供了有力支持。ABAQUS是由美國HKS公司開發(fā)的一款大型通用有限元分析軟件，后被達(dá)索系統(tǒng)收購。ABAQUS以其強(qiáng)大的非線性分析能力而著稱，在處理材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等復(fù)雜非線性問題時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。大采高液壓支架在實(shí)際工作中，會(huì)受到頂板的不均勻壓力、支架部件之間的接觸摩擦等因素的影響，這些都涉及到非線性問題。ABAQUS能夠準(zhǔn)確地模擬這些非線性行為，為支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析提供更精確的結(jié)果。在分析液壓支架頂梁與頂板之間的接觸問題時(shí)，ABAQUS的先進(jìn)接觸算法能夠準(zhǔn)確模擬接觸界面的力學(xué)行為，如摩擦、碰撞等，從而得到更真實(shí)的應(yīng)力分布情況。ABAQUS擁有豐富的材料庫，涵蓋了金屬、塑料、橡膠、復(fù)合材料等多種材料，還包含鋼筋混凝土、石頭和土壤等土木材料。這使得在對(duì)大采高液壓支架進(jìn)行分析時(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際使用的材料選擇合適的模型，提高分析的準(zhǔn)確性。如果大采高液壓支架的某些部件采用了新型復(fù)合材料，ABAQUS的材料庫中可能已經(jīng)包含了該材料的相關(guān)模型，用戶可以直接使用，無需自行建立復(fù)雜的材料模型。ABAQUS提供了靈活的網(wǎng)格劃分工具，支持多種網(wǎng)格類型，如四面體、六面體等，用戶可以根據(jù)分析需求選擇合適的網(wǎng)格劃分策略，提高分析精度。對(duì)于大采高液壓支架這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，ABAQUS的網(wǎng)格劃分技術(shù)能夠更好地適應(yīng)其幾何形狀，生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，從而提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.2.2選擇分析軟件的依據(jù)根據(jù)大采高液壓支架的分析需求，選擇合適的有限元分析軟件至關(guān)重要。大采高液壓支架在工作過程中，承受著復(fù)雜的力學(xué)載荷，包括頂板的壓力、采煤機(jī)的沖擊以及支架自身的重力等，同時(shí)還可能受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。這些因素導(dǎo)致支架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性特征，如材料的非線性變形、幾何形狀的大變形以及部件之間的接觸非線性等。因此，需要選擇一款能夠準(zhǔn)確模擬這些非線性行為的軟件。ABAQUS在非線性分析方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其強(qiáng)大的求解器能夠處理大變形、復(fù)雜的接觸相互作用等問題，非常適合大采高液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。在分析支架頂梁在頂板壓力作用下的變形時(shí)，ABAQUS可以準(zhǔn)確模擬材料的非線性特性，得到更接近實(shí)際情況的變形和應(yīng)力分布結(jié)果。對(duì)于支架部件之間的接觸問題，如頂梁與掩護(hù)梁之間的連接部位，ABAQUS的精確接觸算法能夠準(zhǔn)確模擬接觸界面的力學(xué)行為，為評(píng)估支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供可靠依據(jù)。大采高液壓支架的材料種類多樣，不同部件可能采用不同的材料，如高強(qiáng)度合金鋼、耐磨材料等。因此，分析軟件需要具備豐富的材料庫，以滿足對(duì)不同材料的模擬需求。ABAQUS擁有強(qiáng)大的工程材料行為庫，涵蓋了大采高液壓支架常用的各種材料，能夠?yàn)橹Ъ艿姆治鎏峁?zhǔn)確的材料模型。在對(duì)支架的立柱進(jìn)行分析時(shí)，ABAQUS的材料庫中可以找到適合立柱材料的模型，用戶只需輸入相應(yīng)的材料參數(shù)，即可進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析。大采高液壓支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個(gè)部件，如頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱等，這些部件的形狀不規(guī)則，且相互之間的連接方式復(fù)雜。因此，分析軟件需要具備強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，能夠針對(duì)復(fù)雜的幾何形狀生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，以提高分析精度。ABAQUS提供了靈活的網(wǎng)格劃分工具，支持多種網(wǎng)格類型，能夠根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。對(duì)于支架的一些關(guān)鍵部位，如應(yīng)力集中區(qū)域，ABAQUS可以通過調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，生成更細(xì)密的網(wǎng)格，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算該區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變。綜上所述，基于大采高液壓支架分析需求，ABAQUS在非線性分析能力、材料庫以及網(wǎng)格劃分能力等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為大采高液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的理想選擇。4.3有限元分析流程4.3.1模型建立與簡(jiǎn)化在進(jìn)行大采高液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析時(shí)，建立精確且合理簡(jiǎn)化的模型是首要任務(wù)，這直接關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。以常見的ZY12000/28/62型大采高液壓支架為例，該支架主要由頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱、連桿等部件組成，各部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互連接關(guān)系緊密。首先，運(yùn)用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks、Pro/E等，依據(jù)支架的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建其三維實(shí)體模型。在建模過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，確保模型的幾何形狀和尺寸的準(zhǔn)確性。對(duì)于頂梁，需精確描繪其復(fù)雜的多腔室薄壁箱形結(jié)構(gòu)，包括各個(gè)腔室的尺寸、形狀以及連接部位的細(xì)節(jié)；底座的建模則要考慮其與立柱、連桿等部件的連接方式和位置關(guān)系，以及其自身的加強(qiáng)筋布置等結(jié)構(gòu)特征。由于大采高液壓支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若直接對(duì)完整模型進(jìn)行有限元分析，計(jì)算量將極為龐大，甚至超出計(jì)算機(jī)的處理能力。因此，需要對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的原則是在不影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，去除對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小的細(xì)節(jié)部分，如小的倒角、圓角、工藝孔等。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜但對(duì)整體強(qiáng)度影響不大的部件，如某些小型連接件、管卡等，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化或忽略。在對(duì)頂梁進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，可以去除一些尺寸較小的工藝孔和不太明顯的倒角，將其簡(jiǎn)化為規(guī)則的箱形結(jié)構(gòu)，但要確保頂梁的主要承載結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵連接部位的完整性。對(duì)于支架各部件之間的連接關(guān)系，如焊接、螺栓連接等，也需要進(jìn)行合理處理。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，焊接部位通常具有較高的強(qiáng)度和剛度，在模型中可以將焊接連接簡(jiǎn)化為剛性連接，以提高計(jì)算效率。而對(duì)于螺栓連接，若螺栓數(shù)量較多且分布均勻，可以將其等效為一定的預(yù)緊力施加在連接部件上，簡(jiǎn)化為彈性連接。通過這些合理的簡(jiǎn)化和處理，既能夠減少模型的復(fù)雜度和計(jì)算量，又能保證有限元分析結(jié)果的可靠性，為后續(xù)的分析工作奠定良好的基礎(chǔ)。4.3.2材料屬性設(shè)定與網(wǎng)格劃分材料屬性的準(zhǔn)確設(shè)定是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響到分析結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。大采高液壓支架通常采用高強(qiáng)度合金鋼材料，如Q690、Q890等，這些材料具有高強(qiáng)度、良好的韌性和焊接性能。在有限元分析軟件中，需要準(zhǔn)確輸入材料的各項(xiàng)屬性參數(shù)，如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。以Q690材料為例，其彈性模量約為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度不低于690MPa，抗拉強(qiáng)度為770-940MPa。通過準(zhǔn)確輸入這些參數(shù)，能夠使模型在分析過程中準(zhǔn)確模擬材料的力學(xué)行為。網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的模型離散化為有限個(gè)單元的過程，網(wǎng)格的質(zhì)量和密度對(duì)分析結(jié)果的精度有著重要影響。在對(duì)大采高液壓支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要根據(jù)支架各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，選擇合適的單元類型和網(wǎng)格劃分策略。對(duì)于形狀復(fù)雜、受力不均勻的部件，如頂梁、掩護(hù)梁等，可以采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，四面體單元能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，但計(jì)算精度相對(duì)較低；對(duì)于形狀規(guī)則、受力較為均勻的部件，如立柱、連桿等，可以采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，六面體單元計(jì)算精度高，計(jì)算效率也相對(duì)較高。為了提高分析精度，在支架的關(guān)鍵部位，如應(yīng)力集中區(qū)域、連接部位等，需要進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。在頂梁與立柱的連接部位，由于受力較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，增加單元數(shù)量，以更準(zhǔn)確地計(jì)算該區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變分布。通過合理的網(wǎng)格劃分，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率，確保有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在劃分網(wǎng)格時(shí)，還需要注意網(wǎng)格的質(zhì)量，避免出現(xiàn)畸形單元、負(fù)體積單元等問題，以保證分析過程的順利進(jìn)行。4.3.3載荷施加與邊界條件設(shè)定大采高液壓支架在實(shí)際工作中承受著復(fù)雜的載荷，準(zhǔn)確施加載荷是有限元分析的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)支架的實(shí)際工作情況，主要考慮的載荷包括頂板壓力、支架自重、采煤機(jī)的沖擊載荷以及推移刮板輸送機(jī)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力等。頂板壓力是大采高液壓支架承受的主要載荷，其大小和分布與頂板的巖性、厚度、煤層開采高度以及頂板的垮落情況等因素密切相關(guān)。在有限元分析中，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算方法，確定頂板壓力的大小和分布規(guī)律，并將其以均布載荷或非均布載荷的形式施加在支架的頂梁上。在某一具體的大采高工作面，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到頂板壓力在頂梁上的分布為靠近煤壁一側(cè)壓力較大，遠(yuǎn)離煤壁一側(cè)壓力較小，在有限元模型中，可以按照這一分布規(guī)律施加非均布載荷，以更真實(shí)地模擬支架的受力情況。支架自重是不可忽視的載荷，它對(duì)支架的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也有一定的影響。在有限元分析中，可以通過設(shè)置材料的密度，利用軟件的自動(dòng)計(jì)算功能，將支架自重以體積力的形式施加在模型上。采煤機(jī)的沖擊載荷和推移刮板輸送機(jī)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力等動(dòng)態(tài)載荷，由于其作用時(shí)間短、沖擊力大，對(duì)支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大的影響。在分析過程中，可以將這些動(dòng)態(tài)載荷簡(jiǎn)化為等效的靜載荷或采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，考慮其隨時(shí)間變化的特性，準(zhǔn)確施加在相應(yīng)的部件上。邊界條件的設(shè)定直接影響到模型的力學(xué)響應(yīng)和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。大采高液壓支架的邊界條件主要包括支架與頂板、底板的接觸條件以及支架的約束條件。在實(shí)際工作中，支架的頂梁與頂板緊密接觸，底座與底板也相互作用，在有限元模型中，可以采用接觸單元來模擬這種接觸關(guān)系，考慮接觸界面的摩擦、滑移等力學(xué)行為。對(duì)于支架的約束條件，通常將支架底座的底面約束其三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，以模擬支架在底板上的固定狀態(tài)；同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)支架的其他部件也進(jìn)行相應(yīng)的約束，如限制立柱的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度等，確保模型的力學(xué)行為符合實(shí)際情況。4.3.4求解與結(jié)果分析完成模型建立、材料屬性設(shè)定、網(wǎng)格劃分、載荷施加和邊界條件設(shè)定等步驟后，即可在有限元分析軟件中進(jìn)行求解計(jì)算。求解過程中，軟件會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)和輸入的模型信息，運(yùn)用相應(yīng)的算法對(duì)有限元方程進(jìn)行求解，得到支架在各種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等結(jié)果數(shù)據(jù)。在求解過程中，需要密切關(guān)注求解的收斂情況。如果求解過程不收斂，可能是由于模型設(shè)置不合理、網(wǎng)格質(zhì)量差、載荷或邊界條件設(shè)定不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌?。此時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行檢查和調(diào)整，如優(yōu)化網(wǎng)格劃分、調(diào)整載荷和邊界條件等，直到求解過程收斂為止。求解完成后，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行深入分析和解讀是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過軟件的后處理功能，可以直觀地查看支架的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布云圖，了解支架在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)情況。在應(yīng)力云圖中，顏色較深的區(qū)域表示應(yīng)力較大，這些區(qū)域通常是支架的薄弱部位，需要重點(diǎn)關(guān)注。通過分析應(yīng)力分布云圖，可以找出支架中應(yīng)力集中的部位，如頂梁與立柱的連接部位、掩護(hù)梁與連桿的連接部位等，這些部位在實(shí)際使用中容易出現(xiàn)疲勞損傷和破壞，需要采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。通過查看應(yīng)變?cè)茍D，可以了解支架各部件的變形情況，判斷支架的結(jié)構(gòu)是否合理。如果某個(gè)部件的應(yīng)變過大，可能會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形或破壞，影響支架的正常工作。位移云圖則可以顯示支架在載荷作用下的整體位移情況，通過分析位移云圖，可以評(píng)估支架的穩(wěn)定性和可靠性。在頂板壓力作用下，如果支架的頂梁出現(xiàn)較大的下沉位移，可能會(huì)影響采煤作業(yè)的正常進(jìn)行，需要對(duì)支架的工作阻力和支護(hù)方式進(jìn)行調(diào)整。除了查看云圖外，還可以通過提取關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量分析。在頂梁與立柱的連接部位，提取該部位的最大應(yīng)力值，并與材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較，判斷該部位是否處于安全狀態(tài)。通過對(duì)不同工況下的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，還可以研究不同因素對(duì)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律，為支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。五、大采高液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析5.1模型建立與參數(shù)設(shè)定5.1.1三維模型構(gòu)建使用專業(yè)三維建模軟件，如SolidWorks，構(gòu)建大采高液壓支架的精確三維模型。以某型號(hào)大采高液壓支架為例，其頂梁為復(fù)雜的多腔室薄壁箱形焊接結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為6.5米，寬度為1.8米，高度為0.8米。在建模過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，精確描繪頂梁的各個(gè)腔室，包括其尺寸、形狀以及連接部位的細(xì)節(jié)，確保模型的幾何形狀和尺寸的準(zhǔn)確性。掩護(hù)梁采用折線形結(jié)構(gòu)，與頂梁通過銷軸連接，長(zhǎng)度為5.2米，高度為1.2米。在構(gòu)建掩護(hù)梁模型時(shí)，充分考慮其與頂梁、連桿等部件的連接關(guān)系，準(zhǔn)確模擬銷軸連接部位的結(jié)構(gòu)特征。底座作為支架的基礎(chǔ)部件，尺寸較大，長(zhǎng)度為5.8米，寬度為1.6米，高度為0.6米。在建模時(shí)，詳細(xì)描繪底座上的各種加強(qiáng)筋、連接孔等結(jié)構(gòu)，以及其與立柱、連桿等部件的連接方式。立柱是支架的主要承載部件，采用高強(qiáng)度無縫鋼管制成，直徑為0.45米，行程為3.5米。在構(gòu)建立柱模型時(shí)，準(zhǔn)確模擬其內(nèi)部的活塞、密封件等結(jié)構(gòu)，以及與頂梁和底座的連接方式。連桿包括前連桿和后連桿，它們與掩護(hù)梁、底座共同構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)。前連桿長(zhǎng)度為2.8米，后連桿長(zhǎng)度為3.2米，在建模時(shí)，精確描繪連桿的形狀和尺寸，以及與其他部件的連接部位的結(jié)構(gòu)特征。在構(gòu)建模型過程中，對(duì)支架的各個(gè)部件進(jìn)行了精確的定位和裝配，確保各部件之間的相對(duì)位置和連接關(guān)系與實(shí)際情況一致。通過合理的裝配約束，模擬了各部件之間的連接方式，如焊接、銷軸連接等。對(duì)于焊接連接部位，將其視為剛性連接，以提高模型的計(jì)算效率；對(duì)于銷軸連接部位，通過設(shè)置合適的約束條件，模擬其轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，確保模型能夠準(zhǔn)確反映支架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力情況。5.1.2材料參數(shù)確定根據(jù)實(shí)際使用材料，確定材料的力學(xué)參數(shù)。大采高液壓支架通常采用高強(qiáng)度合金鋼材料，如Q690、Q890等。以Q690材料為例，其彈性模量約為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度不低于690MPa，抗拉強(qiáng)度為770-940MPa。在有限元分析軟件中，準(zhǔn)確輸入這些參數(shù)，以確保模型能夠真實(shí)反映材料的力學(xué)行為。在實(shí)際應(yīng)用中，材料的力學(xué)性能可能會(huì)受到多種因素的影響，如加工工藝、熱處理狀態(tài)、使用環(huán)境等。在確定材料參數(shù)時(shí)，需要充分考慮這些因素。對(duì)于經(jīng)過特殊熱處理的Q690材料，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可能會(huì)有所提高，在輸入材料參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。材料的疲勞性能也是影響支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，可考慮引入材料的疲勞壽命模型，對(duì)支架在長(zhǎng)期循環(huán)載荷作用下的疲勞性能進(jìn)行評(píng)估。5.1.3網(wǎng)格劃分策略探討適合大采高液壓支架模型的網(wǎng)格劃分策略，以提高計(jì)算精度和效率。對(duì)于形狀復(fù)雜、受力不均勻的部件，如頂梁、掩護(hù)梁等，采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。四面體單元能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，但計(jì)算精度相對(duì)較低。在劃分四面體單元時(shí)，根據(jù)部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，合理控制單元的大小和質(zhì)量。對(duì)于頂梁的關(guān)鍵部位，如與立柱連接的區(qū)域，由于受力較為復(fù)雜，將單元尺寸設(shè)置為0.05米，以提高分析精度；而對(duì)于一些對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的區(qū)域，將單元尺寸適當(dāng)增大至0.1米，以減少計(jì)算量。對(duì)于形狀規(guī)則、受力較為均勻的部件，如立柱、連桿等，采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。六面體單元計(jì)算精度高，計(jì)算效率也相對(duì)較高。在劃分六面體單元時(shí)，根據(jù)部件的尺寸和形狀，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，確保單元的質(zhì)量和分布均勻性。對(duì)于立柱，將單元尺寸設(shè)置為0.1米，既能保證計(jì)算精度，又能提高計(jì)算效率。為了提高分析精度，在支架的關(guān)鍵部位，如應(yīng)力集中區(qū)域、連接部位等，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。在頂梁與立柱的連接部位，由于受力較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，將該區(qū)域的單元尺寸加密至0.02米，增加單元數(shù)量，以更準(zhǔn)確地計(jì)算該區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變分布。在劃分網(wǎng)格時(shí)，還需要注意網(wǎng)格的質(zhì)量，避免出現(xiàn)畸形單元、負(fù)體積單元等問題