高建文

（西山煤電機電廠，山西 太原 030053）

引言

目前，液壓動力支架廣泛應用于井下煤礦開采中，有效地提升了工作面煤炭綜采操作的安全性。該支架的支護作用和受力性能主要是由支架整體的結(jié)構和巷道上部分對支架形成的壓力所決定的。由于井下煤礦的環(huán)境惡劣、地質(zhì)情況復雜，液壓動力支架在使用過程中，巷道的頂部和頂板相接處受到的壓力會不停的發(fā)生變化。數(shù)據(jù)顯示，在煤礦井下因支架所導致的支護性事故中，由于頂沿發(fā)生破斷、井下巖層的壓力突然發(fā)生變化所造成支架類事故占比超過60%，故此，開展突發(fā)性載荷液壓動力支架力傳遞的特點研究，對支架進行結(jié)構優(yōu)化、增強支架的防護性安全具有重大意義。

1 液壓動力支架的多體系統(tǒng)動力學數(shù)值仿真模型

1.1 研究的對象與建模

ZY12000/28/64型掩護式支頂液壓動力支架最大高度為6.4 m，最大阻力為12 000 kN，支架結(jié)構見圖1。

圖1 ZY12000液壓型支架

選擇ADAMS多體系統(tǒng)動力學軟件搭建液壓動力支架仿真模型。在模型中，掩護梁、頂梁和支架連桿之間都需要使用彈性體進行連接，為了使結(jié)構穩(wěn)定支架底座為剛性體結(jié)構。將彈性體建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分，導入到ADAMS軟件中模擬實際的工作狀況。

1.2 兩個平衡油缸的相關等效剛度

液壓缸體內(nèi)的液壓油具有一定的壓縮性，因此，液壓缸在工作中發(fā)生伸縮時不會出現(xiàn)泄漏。當活塞受力移動時，液壓缸的前后腔內(nèi)的壓力將發(fā)生變化，壓縮端壓力升高，另一端壓力下降[1]。活塞產(chǎn)生的位移與液壓油壓縮產(chǎn)生的彈力呈正比例關系，根據(jù)這種關系可以把液壓缸看作一個線性彈簧。再把摩擦力和黏性阻尼等參數(shù)考慮其中，即可得到液壓缸等效剛度計算公式為：

式中：K為等效剛度的系數(shù)，N/m；βee為液壓油的彈性模量；L為液壓缸的油腔長度，m；Ap為柱塞的有效面積，m2。

1.3 支架的頂梁作用載荷

液壓支架在通常的支撐工作狀態(tài)下，能夠給予直接頂提供足夠的初撐力，基本頂所承接圍巖產(chǎn)生的周期性來壓作用在液壓支架時，直接頂與液壓支架就會產(chǎn)生“變形給定”的形態(tài)，此時液壓支架所要承受的載荷不僅包括直接頂自重所產(chǎn)生的載荷，還包括控頂區(qū)下沉而造成基本頂周期來壓而形成的地量載荷[2]。如果把直接頂?shù)膸r層當作無法壓縮且無法取得自身平衡的圍礦巖體，其載荷可采用2～4倍采高巖柱的近似自重進行測算。按照最大液壓動力支架所受阻力，于模型搭建時選用1 200 kN大小的預載荷來對正常狀態(tài)中靜載荷對柱窩產(chǎn)生的壓力狀態(tài)進行仿真模擬。頂板對液壓支架產(chǎn)生的重力載荷和地量載荷，是一種非常復雜的沖擊載荷，而且載荷形式多樣，所以利用對液壓動力支架增添階躍式載荷加以模擬，處于對液壓動力支架仿真響應的時間及幅值，階躍式載荷的幅值設定值為4 000 kN。

2 結(jié)果與分析

2.1 前連桿和后連桿在鉸接點上的力傳遞系數(shù)

當階躍作用載荷位置變化時，其支架的前連桿和后連桿在鉸接點上力的傳導系數(shù)如圖2所示。其中X代表頂梁的寬度方向；Y代表頂梁的長度方向?？梢?，相同方向的寬度，在圍巖載荷沖擊點移向前端的頂梁時，前連桿和后連桿在鉸接點上的力傳導系數(shù)快速提升，直到載荷沖擊的作用移至異側(cè)頂梁最前端時，力的傳導系數(shù)最高，可達到4.5和3.9，在載荷沖擊作用移至頂梁最后端，力的傳導系數(shù)最低，可降至1.1和1.0。在相同的長度方向，載荷沖擊作用沿頂梁方向改變時，力傳導的系數(shù)沒有顯著變化[3]。其主要原因在于頂梁的長寬比是2.9，也就是寬帶的變化所帶來力矩的變化影響較小。

圖2 連桿的交接點傳遞力的系數(shù)

2.2 頂梁的掩護梁上鉸接點的力傳導系數(shù)

圖2為頂梁的掩護梁上鉸接點的力傳導系數(shù)。當沖擊作用載荷逐漸移向前端，力的傳導系統(tǒng)表現(xiàn)為先降后升的發(fā)展趨勢，力的傳導系統(tǒng)位于兩立柱相連中點，如圖3所示O點，取值最小是0.2。由此得知，沖擊作用載荷處于該點上，頂梁的掩護梁上鉸接點所承受的力矩是最小的，如載荷沖擊離開該點，鉸接點上所承受的力矩會逐漸的增加，如載荷沖擊作用處于頂梁最前端時，見圖2，A點力的傳導系數(shù)最高是2.2。沿著頂梁的寬度方向發(fā)展，力的傳導系數(shù)沒有顯著改變[4]。

圖3 頂梁載荷坐標位置

2.3 液壓缸的鉸接點上力傳導系數(shù)

平衡式的液壓缸，其受力隨同載荷沖擊點向頂梁的前端發(fā)展移動，力傳導的系數(shù)表現(xiàn)出先降后升的特點，于液壓缸兩立柱的連線處達到最小值是0.04，如載荷沖擊作用于頂梁最前端時，如圖3，A點力的傳導系數(shù)值最大是4.4。沿頂梁的寬度方向力的傳導系數(shù)沒有太大改變。相對立柱式的液壓缸，載荷沖擊作用所處位置在異側(cè)頂梁的最后端，如圖3中，D點力傳導系統(tǒng)值最小是1.9。力傳導的系數(shù)會隨載荷沖擊作用所在位置由異側(cè)頂梁后端朝著前端逐漸移動，力傳導的系數(shù)不斷增加。當載荷沖擊作用位于頂梁異側(cè)前端時，如圖3，F(xiàn)點力傳導的系數(shù)值最大是2.6。沿著頂梁寬帶方向，力的傳導系數(shù)沒有顯著改變[5]。

2.4 靜載荷與變化載荷在支架上傳遞力的特性分析

在過去的支架傳遞載荷相關研究中，在直接頂與頂板的回轉(zhuǎn)擠壓造成的變形力無法確定，以往采用實測方法對動載的系數(shù)進行估算，實測的結(jié)果為動載的系數(shù)一般都大于2。其實測過程為，設定兩立柱中心點為作用力的位置進行測定，比較靜載荷與變動載荷之間傳遞力的系數(shù)，其結(jié)果如表1。從表1中能夠看出，受力點在沖擊性載荷的作用下，支架上各個鉸接點傳遞力的系數(shù)會出現(xiàn)放大。在這些鉸接點傳遞力的系數(shù)中，平衡的液壓缸受力倍數(shù)最大，已經(jīng)大過經(jīng)驗的系數(shù)，剩余接點受力倍數(shù)都在實測的系數(shù)之內(nèi)[6]。這說明通過實測獲得動載的系數(shù)，并不都適應所有的結(jié)構，所以在設計強度時，要將其充分考慮。

表1 靜載荷與沖擊性載荷傳遞力的系數(shù)變化倍數(shù)

3 結(jié)論

1）沖擊性載荷在作用于不同的頂梁位置時，其鉸接點傳遞力的系數(shù)各不相同。

2）沖擊性載荷在作用于頂梁長度的方向，當頂梁由后向前移動時，各部件的銷軸鏈接點，傳遞力的系數(shù)變化非常大，當力作用于頂梁一側(cè)的端部時，其各部件的銷軸鏈接點傳遞力的系數(shù)最大，當載荷作用在頂梁寬度的方向，其各部件的銷軸鏈接點傳遞力的系數(shù)最小。

3）根據(jù)本文研究力傳遞的系數(shù)情況，在進行設計液壓型支架的結(jié)構時，不能使用同一性系數(shù)設計，要依據(jù)不同的位置使用相應的系數(shù)設計，這樣能夠在降低支架重量的同時，減少載荷的沖擊，最終達到提高支架可靠工作性能的目的。