摘 要：針對(duì)煤礦開采作業(yè)中對(duì)液壓支架高使用壽命的實(shí)際需求，本文提出了一種ZYA9000/13/28D型液壓支架的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)過程中，在Creo2.0軟件下完成了液壓支架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。構(gòu)建了液壓支架的剛體模型，并從動(dòng)能和勢(shì)能守恒的角度建立了液壓支架的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。測(cè)試試驗(yàn)過程中，針對(duì)ZYA9000/13/28D型液壓支架的關(guān)鍵鉸鏈的三向角度變化進(jìn)行了仿真曲線分析。

關(guān)鍵詞：煤礦；液壓支架；動(dòng)態(tài)特性；仿真研究

中圖分類號(hào)：TD 35 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

煤炭是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體運(yùn)行中發(fā)揮十分重要的作用。為了保證煤炭資源供給，我國(guó)在部分進(jìn)口的基礎(chǔ)上，仍須以開采國(guó)內(nèi)煤礦為主[1]。煤礦開采過程中，需要使用數(shù)量眾多的大型設(shè)備，這些設(shè)備就具有較大的自重和體積結(jié)構(gòu)，需要強(qiáng)有力的支撐組件才能確保工作安全[2]。在常規(guī)狀態(tài)下，液壓支架是煤礦開采中最常用的支撐組件，它可以提供強(qiáng)大的支撐力，以確保煤炭機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，持續(xù)的重型承載導(dǎo)致煤礦用液壓支架普遍存在疲勞強(qiáng)度大、使用壽命短的問題[3]。為了延長(zhǎng)煤礦用液壓支架的使用壽命，本文借助Creo2.0等先進(jìn)設(shè)計(jì)工具，針對(duì)寧煤羊場(chǎng)灣煤礦工作面煤層及地質(zhì)條件的實(shí)際情況，進(jìn)行了高壽命液壓支架的設(shè)計(jì)，并在工作空間層面對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

1 煤礦液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文有關(guān)煤礦液壓支架的設(shè)計(jì)是基于中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的實(shí)際項(xiàng)目需求，即以“國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限公司ZYA9000/13/28D液壓支架項(xiàng)目”為依托，針對(duì)“寧夏地區(qū)高壽命液壓支架研制”進(jìn)行高質(zhì)量、高可靠性、高壽命液壓支架設(shè)計(jì)。

根據(jù)項(xiàng)目需求，制定ZYA9000/13/28D型液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)要求，見表1。

保證工作面安全穩(wěn)定生產(chǎn)的先決條件是設(shè)備的正確選型、配套、配置和使用。其中，成套設(shè)備配套選型是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)備的配套主要目的是在已選型的設(shè)備基礎(chǔ)上，保證各配套設(shè)備嚙合、搭接形式、尺寸合理性和各設(shè)備的優(yōu)化配置，使各設(shè)備發(fā)揮各自的能力和性能，提高成套設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性。

根據(jù)寧煤羊場(chǎng)灣煤礦工作面煤層及地質(zhì)條件，液壓支架采用整體頂梁（帶伸縮梁）的二柱掩護(hù)式架型?；贑reo2.0軟件進(jìn)行液壓支架的三維模型化設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。

本項(xiàng)目首次模擬了液壓支架國(guó)內(nèi)外11種工況以及其他附加工況，并進(jìn)行了有限元分析。該計(jì)算方法得到了國(guó)能監(jiān)理公司的認(rèn)可，監(jiān)理公司基于北煤機(jī)公司的平面力系強(qiáng)度校核和有限元分析結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比，對(duì)支架疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算。

根據(jù)樣機(jī)支架在煤科院實(shí)驗(yàn)室壓架試驗(yàn)情況，監(jiān)理反饋的有限元分析結(jié)果90%以上與試驗(yàn)結(jié)果一致。個(gè)別位置更是達(dá)到了99%與應(yīng)變片實(shí)測(cè)應(yīng)力值相同的效果。試驗(yàn)過程中得到的應(yīng)力云圖如圖2所示。

1.2 液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

油缸的重點(diǎn)在于立柱和推移。該項(xiàng)目選用?360mm缸徑立柱和?180mm缸徑推移千斤頂。立柱和推移千斤頂屬于常規(guī)結(jié)構(gòu)，由于本次立柱伸縮比較大，用戶要求嚴(yán)格，因此本次設(shè)計(jì)從多方面提高產(chǎn)品質(zhì)量。1）高壓區(qū)零焊接設(shè)計(jì)。立柱下腔有3個(gè)接口。其中，1個(gè)引至立柱缸口位置（低壓區(qū)），通過貼板方式進(jìn)行焊接，既實(shí)現(xiàn)了高壓區(qū)零焊接，又為生產(chǎn)加工提供了可能；其余2個(gè)接口通過進(jìn)液管和護(hù)罩懸臂梁方式固定，接頭座與立柱大缸體并不直接焊接。2）設(shè)計(jì)時(shí)，將有限元分析法應(yīng)用在立柱設(shè)計(jì)中。通過有限元分析對(duì)缸管與缸底的焊縫形勢(shì)以及位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡最大可能降低焊縫位置的應(yīng)力值。3）導(dǎo)向環(huán)的選擇和布置。本項(xiàng)目突破常規(guī)方式，根據(jù)使用情況，選擇不同寬度的導(dǎo)向環(huán)，使導(dǎo)向環(huán)的功能充分發(fā)揮。

1.3 提高使用壽命的技術(shù)處理

提高使用壽命的技術(shù)處理如下。1）結(jié)構(gòu)件。執(zhí)行國(guó)際焊接體系ISO3834—2：2005標(biāo)準(zhǔn)（特指：圖紙焊縫標(biāo)注、結(jié)構(gòu)件焊接技術(shù)規(guī)范、性能評(píng)定與熱處理、等方面）。2）試制過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖樣編制工藝，在工藝編制過程中如果發(fā)現(xiàn)尺寸、焊縫等問題，先反饋后記錄，保證工藝在制造中的可操作性。3）確保樣機(jī)制造達(dá)到合同和技術(shù)協(xié)議的要求。4）本套支架結(jié)構(gòu)件表面全部做預(yù)處理。5）各結(jié)構(gòu)件的焊接遵循相關(guān)焊接順序原則。6）焊前清理焊道，待焊處及焊道兩側(cè)20mm范圍不能有油、水、銹等污物。7）焊材的選用以技術(shù)要求和板材等級(jí)為準(zhǔn)，遵循等強(qiáng)匹配原則。8）焊接過程中如果發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣缺欠，分析原因，在檢驗(yàn)人員監(jiān)督下返工，并記錄。其余焊接缺欠不得擅自處理，須報(bào)相關(guān)部門進(jìn)行評(píng)審。9）焊熔金屬飛濺、熔渣、毛刺或其他表面須經(jīng)打磨去除、銳緣打磨至半徑最小3mm圓弧形。10）樣機(jī)生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格遵循工藝文件中對(duì)重點(diǎn)鉸接部位尺寸的控制及關(guān)鍵工序的工藝控制。四連桿機(jī)構(gòu)及頂梁與掩護(hù)梁間軸孔配合間隙控制在0.8mm～1.21mm，其鉸接孔的加工精度為11級(jí)，粗糙度Ra3.2。結(jié)構(gòu)件橫向間隙控制在4mm～8mm。11）各部件表面噴涂按有關(guān)要求噴涂底漆和面漆，漆膜厚度按相關(guān)噴涂工藝技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。

2 液壓支架的剛體運(yùn)動(dòng)模型

通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文得到了ZYA9000/13/28D型液壓支架的初步設(shè)計(jì)結(jié)果。在這一靜態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要對(duì)整個(gè)液壓支架進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)特性分析。液壓支架的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成包括了各段具有一定長(zhǎng)度的剛度構(gòu)件、構(gòu)件之間的鉸鏈。前者決定了液壓支架的工作空間、支撐高度；后者決定了液壓支架的展開姿態(tài)。但無(wú)論何種姿態(tài)下，液壓支架仍然是一個(gè)具有典型剛度特性的剛體形態(tài)。因此，可以根據(jù)剛體模型理論，構(gòu)建其動(dòng)力學(xué)方程，如公式（1）所示。

[M]{}+[C]{}+[K]{φ}=[T] （1）

式中：[M]為ZYA9000/13/28D型液壓支架的質(zhì)量矩陣；[C]為液壓支架在運(yùn)動(dòng)過程中的阻尼矩陣；[T]為液壓支架在運(yùn)動(dòng)過程中承受的外部載荷矩陣；φ為關(guān)鍵鉸鏈的角度。

當(dāng)液壓支架在某一個(gè)位置完成形態(tài)展開并發(fā)揮支撐作用時(shí)，其處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，各部分構(gòu)件將不再運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，液壓支架不存在運(yùn)動(dòng)，也就不會(huì)受到運(yùn)動(dòng)載荷，因此有液壓支架在運(yùn)動(dòng)過程中的阻尼矩陣[C]=0。在這樣的情況下，公式（1）就滿足了[M]{}+[K]{φ}=0的形式。此時(shí)，可以得到ZYA9000/13/28D型液壓支架的拉格朗日方程，如公式（2）所示。

（2）

式中：T為ZYA9000/13/28D型液壓支架的動(dòng)能總和；V為ZYA9000/13/28D型液壓支架的勢(shì)能總和；L為ZYA9000/13/28D型液壓支架的拉格朗日函數(shù)；ri為工作空間中的廣義坐標(biāo)。

3 液壓支架的動(dòng)態(tài)特性仿真研究

在前面的研究工作中，根據(jù)寧夏地區(qū)煤礦開采過程中的實(shí)際需求，提出了質(zhì)量高、壽命長(zhǎng)的ZYA9000/13/28D型液壓支架的設(shè)計(jì)目標(biāo)。結(jié)合各項(xiàng)具體的指標(biāo)參數(shù)，利用Creo2.0軟件進(jìn)行液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)，進(jìn)而分析了其應(yīng)力云圖。然后，給出了ZYA9000/13/28D型液壓支架中液壓部分的設(shè)計(jì)，并給出了延長(zhǎng)使用壽命的特殊技術(shù)處理流程。

根據(jù)ZYA9000/13/28D型液壓支架工作過程中的剛度特性，建立了其基本動(dòng)力學(xué)方程，并根據(jù)動(dòng)能和勢(shì)能平衡的原理，建立了拉格朗日方程所表征的運(yùn)動(dòng)學(xué)平衡關(guān)系。在接下來(lái)的工作中，將結(jié)合ZYA9000/13/28D型液壓支架的結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，分析主要以公式（1）中的關(guān)鍵鉸鏈的角度φ在X、Y、Z3個(gè)維度上的分量變化情況展開。首先，觀察關(guān)鍵鉸鏈的角度φ在X方向上分量的動(dòng)態(tài)變化情況，結(jié)果如圖3所示。ZYA9000/13/28D型液壓支架的關(guān)鍵鉸鏈的角度φ出現(xiàn)在0s～0.5s，X方向的角度變化呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，其變化幅度范圍為29°～22°，變化幅度不大，相對(duì)比較平穩(wěn)。其次，觀察關(guān)鍵鉸鏈的角度φ在Y方向上分量的動(dòng)態(tài)變化情況，結(jié)果如圖4所示。ZYA9000/13/28D型液壓支架的關(guān)鍵鉸鏈的角度φ出現(xiàn)在0s～0.5s，Y方向的角度變化呈先降低再升高的近似“V”形變化，曲線變化的幅度范圍為36°～22°，變化幅度比X方向大。最后，觀察關(guān)鍵鉸鏈的角度φ在Z方向上分量的動(dòng)態(tài)變化情況，結(jié)果如圖5所示。ZYA9000/13/28D型液壓支架的關(guān)鍵鉸鏈的角度φ出現(xiàn)在0s～0.5s，Z方向的角度變化呈近似正弦曲線的變化，曲線變的幅度范圍為2°～5°，變化幅度在3個(gè)方向上最小。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦開采過程中，需要使用數(shù)量眾多的大型設(shè)備，這些設(shè)備就具有較大的自重和體積結(jié)構(gòu)，需要強(qiáng)有力的支撐組件才能確保工作安全。在常規(guī)狀態(tài)下，液壓支架是煤礦開采中最常用的支撐組件，它可以提供強(qiáng)大的支撐力，以確保煤炭機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，持續(xù)的重型承載導(dǎo)致煤礦用液壓支架普遍存在疲勞強(qiáng)度大、使用壽命短的問題。為了延長(zhǎng)液壓支架的使用壽命，本文根據(jù)寧夏地區(qū)實(shí)際項(xiàng)目的各項(xiàng)指標(biāo)，針對(duì)ZYA9000/13/28D型液壓支架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高使用壽命進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。依托剛體動(dòng)力學(xué)方程對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓支架建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的理論模型，并通過試驗(yàn)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，證實(shí)了液壓之間的工作平穩(wěn)性。

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