立柱傾角對支架穩定性的影響分析

梁　浩

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河煤礦， 山西　晉城　048205）

1　液壓支架三維模型創建

建模之前首先要把握液壓支架的結構如：底座、前連桿、后連桿、掩護梁、頂梁、伸縮梁、托板、三級護幫板、兩排三級立柱、掩護梁側護板、頂梁側護板、平衡千斤頂、抬底千斤頂、側護板千斤頂、伸縮梁千斤頂、護幫板千斤頂、推移千斤頂以及各部件之間聯接所需的銷軸。為了提高模型在Adams中仿真速度，對支架仿真運算影響較小的部件進行忽略，利用三維建模軟件UG對底座、前連桿、后連桿、掩護梁、頂梁、伸縮梁、兩排三級立柱、平衡千斤頂進行三維建模。由于液壓支架中主要為板件焊接結構，故采用裝配建模的方式將板件裝配成一個整體，按照實際液壓支架各零部件的約束關系進行裝配，最終得到裝配完成的液壓支架，如圖1所示。

2　液壓支架Adams模型建立

將液壓支架簡化模型導入Adams后，需對其材料、單位以及坐標系重力參數進行參數設置。液壓支架各部件間通過運動副進行連接，底板與Adams軟件中ground之間施加固定副、底座與前后連桿實際旋轉副、掩護梁與前后連桿施加旋轉副、頂梁與掩護梁施加旋轉副、立柱以及平衡千斤頂之間施加移動副（由于支架實際工作中在某支撐高度下其立柱以及平衡千斤頂是固定不變的，為了便于仿真立柱以及平衡千斤頂施加固定約束）、立柱與底座頂梁之間施加球副，并在底座與底板施加接觸力，液壓支架Adams模型如圖2所示。

3　立柱傾角對液壓支架穩定性影響分析

液壓支架的穩定性是指液壓支架在正常工采煤工作面中在外界載荷以及頂底板條件等因素影響下支架發生傾倒、側翻等情況的可能性。對于多剛體系統，理論上可采用以牛頓歐拉方程為代表的矢量力學方法和以拉格朗日方程為代表的分析力學方法，但隨著剛體數目的增加，方程復雜度成倍增長，尋求其解很復雜。應用ADAMS進行仿真分析，根據機械系統模型，可自動建立系統拉格朗日運動方程及相應的約束方程，并自動求解。因此通過Adams對液壓支架進行動力學分析，研究其在不同立柱傾角下液壓支架的穩定性。

圖1　液壓支架三維模型

圖2　液壓支架Adams模型

3.1　液壓支架Adams仿真

通過查取相關資料及工作經驗可知，通過調整底座柱窩的位置來改變支架立柱的傾角可以對支架的穩定性產生影響，為了對比分析本液壓支架的穩定性，通過對本支架底座柱窩位置調整來改變立柱的傾角，即支架未修改（立柱傾角8.1°）、支架修改一（底座柱窩位置前移40 mm，此時立柱傾角7.5°）、支架修改二（底座柱窩位置前移80 mm，此時立柱傾角6.7°）、支架修改三（底座柱窩位置后移40 mm，此時立柱傾角8.8°），如表1所示。通過分析不同傾角下本液壓支架的承受力與傾翻關系，來確定立柱傾角對液壓支架穩定性的影響。

表1　支架相關參數

根據經驗公式可知頂板對支架反作用力的作用點在頂梁長度的1/3處位置，如圖3中所示A點，考慮支架實際受力不為集中載荷，支架失穩主要因為頂梁前端受力過大而發生傾倒，故在頂梁前端和柱窩1/2的位置施加集中力如圖3中B點。加載實驗時支架實驗的高度為3.6 m。

圖3　液壓支架

將建好模型以及修改的模型導入Adams中，分別在A點、B點施加集中載荷，仿真分析支架傾翻時，A點、B點集中力的最大值，根據不同的情況對液壓支架進行仿真分析。

3.2　仿真分析結果

在仿真分析中，當工作面傾角超過20°時支架發生滑移現象，因此本液壓支架應用在傾角大于20°以上時，工作面需要安裝防滑防倒裝置。因為液壓支架在實際應用中，支架整體受力大小不會超過8 000 kN，故在A點加載的載荷最大值為8 000 kN，若支架在8 000 kN作用力下仍穩定，則支架穩定。

通過對試驗數據分析處理，可得到支架對比分析圖，如圖4所示。

圖4　支架修改對比分析圖

4　結論

通過圖4數據對比我們可以看出：在同一工作面傾角下，支架的傾翻極限力大小順序為支架修改一、支架修改二、支架未修改、支架修改三，即立柱傾角為7.5°時，支架傾翻極限力最大；同一液壓支架在不同傾角的工作面中，隨著工作面傾角的增大，支架B點所能施加的作用力越來越小。因此，通過調整液壓支架立柱的傾角可以提高液壓支架的穩定性。本文研究分析液壓支架的立柱傾角為7.5°時，液壓支架穩定性最高。

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