鞏德華，賈 暉，厲功卓，王軍輝，曹連民

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

目前，國內(nèi)煤礦中普遍使用的正、反四連桿放頂煤過渡支架兩種形式，實際前者的應(yīng)用較為常見，前后兩端的排立柱實際受力并不穩(wěn)定，使得正四連桿過渡支架的支護性能不能穩(wěn)定發(fā)揮，尤其在放煤過程中這種現(xiàn)象更為明顯[1，2]。而后者在綜放工作面支護情況下，力學(xué)效果要好于前者，能夠較好地達到各個立柱的全面受力均衡穩(wěn)定。此外，放煤效果更佳，頂煤的實際采出效果也比較理想，有著多方面的優(yōu)勢。因此，針對厚煤層綜放工作面復(fù)雜開采條件，過渡支架不放煤、穩(wěn)定性差以及正四連桿過渡支架支護效果差等問題，研究設(shè)計了一種低位反四連桿放頂煤過渡支架。但由于回采巷道的煤層賦存條件比較復(fù)雜，易造成支架承受的沖擊載荷較大以及在工作時支架經(jīng)常進行往返的升柱、降柱，故而整個支架可能存在嚴重的形變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在微小破裂以及漏洞情況，縫隙的構(gòu)成最終會使整個支架的核心載荷部件存在疲勞性的不穩(wěn)定而受到損害，繼而給整個工作面帶來嚴重的安全隱患[3]。由此需要對該核心過渡支架等開展必要的疲勞使用測試，預(yù)估過渡支架的剩余壽命，并為放頂煤過渡支架的檢修提供理論依據(jù)。

1 反四連桿過渡支架關(guān)鍵部件設(shè)計

1.1 放頂煤過渡支架反四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

該放頂煤過渡支架四連桿為寬體倒置四連桿機構(gòu)。前連桿安裝在斜梁和底座之間，為較寬截面箱體，通常情況下承受壓力，結(jié)構(gòu)較為簡單；后連桿安裝在前連桿的后部，是典型整體樣式的焊接組件，運行情況下通常承載拉力，除此之外在支架受力情況下還需要承載一定扭力的影響。前連桿和后連桿二維與三維結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 前連桿二維與三維結(jié)構(gòu)圖(mm)

圖2 后連桿二維與三維結(jié)構(gòu)圖(mm)

1.2 斜梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

過渡支架采用寬體焊接一體化架構(gòu)技術(shù)形式，整個斜梁的頂端和頂梁之間保持鉸接的連接方式，其中間位置和后端連桿之間保持鉸接，另外，下部和前端連桿之間也保持鉸接的形式。斜梁二維與三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 斜梁二維與三維結(jié)構(gòu)圖(mm)

1.3 放頂煤過渡支架底座結(jié)構(gòu)設(shè)計

底座是過渡支架維持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵部件，它將來自頂板的壓力傳遞到底板上，并為立柱和液壓控制裝置提供安裝空間[4]。該支架底端選擇整體式剛性座形式，其后端為敞開樣式，主要起到維穩(wěn)整個支架可靠性的作用，有著排矸擋矸等功用，另外也可以改善現(xiàn)場從業(yè)人員的整個工作環(huán)境。把底座設(shè)計為斜坡樣式，可以較好減低整個移架的阻滯影響，在其前面搭設(shè)一過橋箱，提升其剛度以及抵御扭力性能，在其中間下端開檔敞開，另外在其后側(cè)留置了可以提升整個高度的拓展。一般而言，掩護形式支架整個座的跨度往往以整個移架步距的3.6倍為宜，而支撐式則以4倍左右為宜。綜合現(xiàn)場設(shè)備使用條件，設(shè)計底座長度為2740mm，結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 底座二維與三維結(jié)構(gòu)圖(mm)

1.4 放頂煤過渡支架頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂梁作為放頂煤過渡支架的主要承載部件，工作時直接與頂板接觸，支撐頂板[5-7]。整個頂梁大多采用整體式以及分體式兩類架構(gòu)形式。此次研究選擇常規(guī)的分體式形式。其前端梁與核心頂梁之間采用鉸接聯(lián)合方式，彼此利用鉸接完成可靠鏈接，前梁具有讓壓功能，由主梁上的前梁千斤頂控制，內(nèi)部存在一伸縮梁，主頂梁采用鋼板固定的箱型架構(gòu)，而中間則基于柱窩以及立柱的形式聯(lián)通，利用斜梁、連桿以及底座可靠固定，后部和尾梁鉸接。鉸接式頂梁二維與三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鉸接式頂梁二維與三維結(jié)構(gòu)圖(mm)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)疲勞特性分析

2.1 疲勞分析理論基礎(chǔ)

耐用性探究過程中，耐用性較好的材料以及架構(gòu)在小于其屈服度的反復(fù)的作用力情況下，在104～105次往復(fù)運動情況下失效，反之原料以及架構(gòu)在小于屈服強度的往復(fù)力的影響下，小于104～105次導(dǎo)致的失效即為低周疲勞。此次研究的支架頂梁及其底座均為高周疲勞特性分析，選擇專業(yè)的分析軟件開展疲勞研究[8-10]?；诰€性疲勞累積損害情況探究其頂梁與底座之間的疲勞使用情況。

2.2 疲勞特性分析

2.2.1 前處理

1)材料的選擇。確定材料的彈性模量為207GPa，泊松比為0.3，材料密度為7850g/cm3，屈服強度554MPa。

通過專業(yè)分析以及建模軟件進行分析，在建模期間存在的倒角與圓角，小凸臺薄板等架構(gòu)開展簡化處理，簡化模型后應(yīng)保持關(guān)鍵結(jié)構(gòu)具體設(shè)計細節(jié)特征，主要結(jié)構(gòu)尺寸不變，對相鄰間隙連接零件多點約束。頂梁、底座的主要材料大部分為 Q550，明確其彈性模量、泊松比、材料密度、屈服強度依次為207GPa、0.3、7850g/cm3、554MPa。

2)劃分網(wǎng)格。為獲得真實仿真結(jié)果需對反四連桿放頂煤過渡支架進行模型簡化。將簡化模型導(dǎo)入軟件后應(yīng)用ANSYS Meshing對ZFG7500/20/32.5反四連桿過渡支架進行網(wǎng)格劃分。整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)整體均勻度較好，能夠滿足有限元仿真分析的要求。其有限元模型如圖6所示。

圖6 ZFG7500/20/32.5反四連桿過渡支架有限元模型

3)外載荷的設(shè)置。假設(shè)立柱總工作阻力為P，根據(jù)技術(shù)要求，試驗時施加載荷為1.2P，支架試驗高度Hs為過渡支架最大高度減去過渡支架工作行程的1/3，即Hs滿足：

代入過渡支架高度值得到試驗高度為2835mm，在此高度下，立柱的傾斜角度β約為7.29°，單個柱窩上所能施加的合力大小Fh為：

在柱窩處分解為水平分力F1與豎直分力F2。

F1=Fh×sinβ

F2=Fh×cosβ

代入數(shù)值得F1等于285.51kN，F(xiàn)2等于2231.81kN，支架外載荷加載如圖7所示。

圖7 ZFG7500/20/32.5過渡支架外載荷加載

4)接觸方式的設(shè)置。在進行有限元仿真研究時，把過度支架的架構(gòu)當做變形體，因為接觸組件彼此存在近似的剛度，其架構(gòu)件彼此的接觸即為面面形式，結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗設(shè)定面彼此的預(yù)載荷同摩擦擦亮。ZFG7500/20/32.5型過渡支架探究中采用Bonded(綁定)接觸類型。

設(shè)計壽命為106次，定義材料S-N曲線的循環(huán)次數(shù)最大為106，如圖8所示。

圖8 S-N曲線

2.2.2 結(jié)果分析

運行疲勞分析功能模塊后得到相應(yīng)的運行結(jié)果，如圖9所示。

圖9 Life(壽命)云圖

在頂梁偏載，底座兩端受載荷工況下，實際頂梁同底座各部分的疲勞壽命分布如圖9所示。由圖9(a)可知，頂梁最危險的區(qū)域疲勞壽命位于頂梁中部豎筋板處，疲勞壽命為1461.51次，由于頂梁一直承受較大應(yīng)力，在立柱鉸接耳座和頂梁中部蓋板的疲勞壽命較小，絕大部分區(qū)域都達到疲勞壽命百萬次。就總體而言，頂梁疲勞壽命滿足設(shè)計要求。由圖9(b)可知，底座的最小疲勞壽命為3687.3次，位于底座四個柱窩處，其他區(qū)域疲勞壽命都較長，一般都在106次以上，滿足疲勞壽命設(shè)計要求。

圖10 損傷云圖

疲勞損傷等值線是結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命與可用壽命之間的經(jīng)值。如圖10所示即為相關(guān)累積損害的架構(gòu)云圖。根據(jù)圖10(a)數(shù)據(jù)，頂梁的疲勞累積損傷最大比值為0.852，由圖10(b)可知，底座的疲勞累積損傷最大比值為0.823，均小于1，滿足過渡支架各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命小于可用壽命。因此在設(shè)計壽命范圍內(nèi)，頂梁和底座不會出現(xiàn)彎曲變形、疲勞裂紋或斷裂等失效形式。

安全系數(shù)分布如圖11所示，由圖11可知，過渡支架頂梁與底座的安全系數(shù)均大于1，且安全系數(shù)越大越安全，頂梁安全系數(shù)值低的位置處在頂梁中部筋板以及與尾梁鉸接孔處，對于底座而言，其安全性較差的區(qū)域主要集中在4個柱窩周邊，和實際運行期間存在的疲勞破壞性區(qū)域一致。

圖11 安全系數(shù)云圖

疲勞敏感特性曲線如圖12所示，由圖12(a)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，實際負載的變化幅度小于百分之一百一十三的情況下，則其頂梁的耐用性達到理論規(guī)定的106次，從圖12(b)可以看出，實際使用負載變化幅度小于百分之一百零六的情況下，則其底座的耐用性低于理論值。

圖12 疲勞敏感特性曲線

3 結(jié) 論

1)根據(jù)工作面煤層賦存條件，確定過渡支架采用反四連桿機構(gòu)，提高了支架整體的穩(wěn)定性；設(shè)計頂梁為鉸接式結(jié)構(gòu)，緩解了過渡支架前后立柱的惡劣受力狀況，改善了支架支護性能。

2)對放頂煤過渡支架進行簡化，通過ANSYS Workbench仿真軟件對支架主體結(jié)構(gòu)件頂梁和底座的疲勞壽命分析，獲得了頂梁和底座的壽命分別為106次和108次，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命要求，對于放頂煤反四連桿過渡支架的有效支護，維修以及可靠性的保證有重要意義。

3)對液壓支架主體結(jié)構(gòu)件頂梁和底座進行了設(shè)計，并對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行有限元分析。頂梁的疲勞累積損傷最大比值為0.852，底座的疲勞累積損傷最大比值為0.823，均小于1，滿足過渡支架各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命小于可用壽命。