李 東

（陽(yáng)煤集團(tuán)五人小組管理部， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

隨著我國(guó)采煤業(yè)不斷的廣闊發(fā)展，采煤設(shè)備的穩(wěn)定性及耐用性受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注研究。綜采技術(shù)采用自動(dòng)化作業(yè)，大大提高了采煤的效率。綜采工作面主要由三大部分構(gòu)成，包括采煤機(jī)、液壓支架及刮板輸送機(jī)[1]。液壓支架是煤層開采支護(hù)的主要設(shè)備，不僅為工作人員提供安全作業(yè)空間，還對(duì)工作面頂板起到支撐和控制作用。液壓支架處在惡劣的工作環(huán)境中，其工作過程中不僅要承受煤礦的壓力，還要承受結(jié)構(gòu)內(nèi)外力的作用[2]。各種不確定的載荷作用，會(huì)對(duì)支架的不同部位造成損壞，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來一定的隱患。

在生產(chǎn)中，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，液壓支架頂梁和直接頂之間的接觸條件不斷變化，其受到的壓力作用也不斷變化，包括大小及方向。巖層空間的變化，使得頂板不斷承受沖擊載荷作用，而沖擊載荷造成支架損壞事故的比例占到了煤礦事故的50%以上[3]。因此，對(duì)于液壓支架在沖擊載荷的作用下進(jìn)行仿真分析是十分必要的，可以為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及載荷控制提供依據(jù)。

1 液壓支架仿真模型

1.1 液壓支架建模

液壓支架仿真模型的建立，選取ZY12000/28/64作為系統(tǒng)的研究對(duì)象，這種液壓支架是常見的支頂掩護(hù)式液壓支架，其主要組成部分即模型構(gòu)成如圖1所示。采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS建模過程中，對(duì)于梁、掩護(hù)梁、前連桿、后連桿這些結(jié)構(gòu)部件，作為彈性體進(jìn)行定義，而底座部分以剛性體進(jìn)行定義[4]。對(duì)于彈性體的處理，以有限元軟件ANSYS作劃分網(wǎng)格的前處理。

圖1 液壓支架模型

1.2 立柱變剛度彈簧阻尼系統(tǒng)

液壓缸在工作過程中，假定不存在泄漏等因素存在，根據(jù)液體的可壓縮性，液壓缸在外力作用下移動(dòng)時(shí)，引起液壓腔內(nèi)部壓力變化，一腔升高，一腔降低，液壓缸產(chǎn)生的復(fù)位力與液壓缸活塞的位移成正比關(guān)系，可將其看做成液壓彈簧而作用，將其參數(shù)等效為彈簧阻尼系數(shù)[5]。

液壓缸的等效剛度計(jì)算公式[6]為：

式中：K為等效剛度系數(shù)，N/m；βe為液壓介質(zhì)體積彈性模量；L為液壓缸內(nèi)油腔長(zhǎng)度；Ap為活塞有效面積，m2。

根據(jù)液壓支架ZY12000/28/64，其立柱液壓缸和平衡液壓缸技術(shù)參數(shù)如下頁(yè)表1所示。采用乳化液作為液壓傳遞的動(dòng)力介質(zhì)，其彈性模型取為5×108Pa。

將表1中的液壓缸技術(shù)參數(shù)代入式中，可計(jì)算得出立柱液壓缸和平衡液壓缸等效剛度系數(shù)，其值為 K1=6.7×107 N/m，K2=6.1×107 N/m。

表1 液壓缸技術(shù)參數(shù) mm

1.3 頂梁承載

當(dāng)支架處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，支架給予支撐力作用于直接頂，當(dāng)基本頂受到周期壓力時(shí)，支架和直接頂均承受周期性壓力，其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形，形成給定變形，此時(shí)支架承受的載荷不僅包括直接頂?shù)淖灾?，還包括由于控頂區(qū)下沉引起的基本頂載荷增加。由此，液壓支架的受力一是直接頂?shù)妮d荷作用，二是頂板斷裂后周期來壓形成的載荷作用。

對(duì)于直接頂?shù)妮d荷作用，將巖層作為不可壓縮巖體處理，其自身無(wú)法取得平衡，直接頂載荷值取采高2～4倍巖柱的自重值。對(duì)于頂板引起的沖擊載荷，由于巖層機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)載荷進(jìn)行確定，對(duì)于沖擊載荷的作用，模擬過程中采用階躍載荷的形式來模擬，液壓支架在仿真過程中，由于響應(yīng)幅值和響應(yīng)時(shí)間的限制，此次實(shí)驗(yàn)過程中，階躍載荷幅值取4 000 kN。

1.4 邊界條件

在液壓支架建模過程中，將支架座作為剛體固定，限制其全部自由度，其余構(gòu)件不作限制，前連桿鉸接點(diǎn)、后連桿鉸接點(diǎn)、掩護(hù)梁－頂梁鉸接點(diǎn)、平衡液壓缸鉸接點(diǎn)、立柱液壓缸鉸接點(diǎn)采用ADAMS中的“轉(zhuǎn)動(dòng)副”進(jìn)行連接，液壓缸活塞與缸體之間采用滑動(dòng)副連接。

2 數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)于液壓支架建模及邊界條件設(shè)定之后，可按上述參數(shù)對(duì)其進(jìn)行加載，模擬仿真后得到數(shù)據(jù)及分析如下。

2.1 前、后連桿鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)

改變階躍載荷的作用點(diǎn)位置，得到支架前連桿鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化如圖2所示，后連桿鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化如圖3所示。由于模型中梁的長(zhǎng)寬比值為2.9，寬度方向變化較小，沿著同一寬度方向，從圖2、3中可以看出，當(dāng)沖擊載荷的作用點(diǎn)越靠近頂梁前端時(shí)，其力傳遞系數(shù)越大，而在長(zhǎng)度方向上的力傳遞系數(shù)隨沖擊載荷作用點(diǎn)位置變化不顯著。

2.2 頂梁－掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)

對(duì)于頂梁－掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)的力傳遞系數(shù)變化得到數(shù)據(jù)如圖4所示，從圖4中可以看到，隨著階躍載荷的作用點(diǎn)位置在長(zhǎng)度方向上的變化，其值呈大小交替的變化，當(dāng)沖擊載荷作用于中間位置時(shí)，鉸接點(diǎn)受到的力矩值最小，而當(dāng)作用點(diǎn)延長(zhǎng)度方向移動(dòng)時(shí)，鉸接點(diǎn)的力矩逐漸增加，在同一長(zhǎng)度位置時(shí)，其隨寬度的變化同樣不顯著。

圖2 前連桿鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化趨勢(shì)圖

圖3 后連桿鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化趨勢(shì)圖

圖4 頂梁－掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化趨勢(shì)圖

2.3 液壓缸鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)

對(duì)于平衡液壓缸和立柱液壓缸鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化如下頁(yè)圖5、6所示。從圖5中可以看出，平衡液壓缸的力傳遞系數(shù)，隨著階躍載荷的作用點(diǎn)位置在長(zhǎng)度方向上的變化，其值同樣呈大小交替的變化，當(dāng)沖擊載荷作用于兩立柱連接位置時(shí)，鉸接點(diǎn)受到的力矩值最小，其隨寬度的變化同樣不顯著。對(duì)于立柱液壓缸，隨沖擊載荷作用位置在長(zhǎng)度方向上的增加，其力傳遞系數(shù)不斷增加，在寬度方向上的變化不顯著。

3 結(jié)論

1）載荷沖擊作用位置的不同，對(duì)于各鉸接點(diǎn)的力傳遞系數(shù)都有影響，但對(duì)于各自的影響趨勢(shì)不同，沖擊載荷作用于長(zhǎng)度方向的位置變化時(shí)，對(duì)于鉸接點(diǎn)的影響較大，而對(duì)于寬度方向上的作用點(diǎn)變化均不敏感。

2）在沖擊載荷作用點(diǎn)位置變化過程中，當(dāng)其作用于兩立柱液壓缸中心位置時(shí)，頂梁－掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)及平衡液壓缸鉸接點(diǎn)此時(shí)受到的力矩均為最小值，其力傳遞系數(shù)最小，說明沖擊載荷作用于此位置時(shí)的受力情況最好。

圖5 平衡液壓缸鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化趨勢(shì)圖

圖6 立柱液壓缸鉸接點(diǎn)力傳遞系數(shù)變化趨勢(shì)圖

3）沖擊載荷作用位置變化時(shí)，在各鉸接點(diǎn)中，平衡液壓缸鉸接點(diǎn)和頂梁－掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)受力對(duì)沖擊載荷位置變化的敏感度高，而立柱液壓缸鉸接點(diǎn)的敏感度較低。