ZY4800/06/16.5D型薄煤層液壓支架群組支護力學特性研究

南 寧

遼寧鐵法能源公司小青煤礦 遼寧調兵山 112700

鐵 法煤業集團為延長礦井的服務年限，于 2000年引進了我國第一套采用德國 DBT公司核心技術的全自動化刨煤機采煤系統，經歷煤層賦存條件的變化，通過多年的薄煤層開采經驗積累，發現液壓支架的可靠性問題是決定支架使用壽命和礦井的安全生產的重要因素。

筆者以小青礦 W2-701刨煤工作面為研究對象，基于機械設計理論與方法，以現代工程設計和分析軟件為工具，對該工作面的 ZY4800/06/16.5D型液壓支架群組支護力學特性及在不同工況下的關鍵零部件強度進行有限元分析。

1 ZY4800/06/16.5D型液壓支架結構特征

ZY4800/06/16.5D型液壓支架主要包含控制元件、液壓缸、承載結構件及其他輔助裝置。該支架具有較為緊湊的結構，主體結構件采用高強度鋼板，能夠以較小的結構件斷面尺寸達到較高的強度，保證通風斷面以及行人安全。ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結構如圖 1所示，主要技術參數如表 1所列。

圖1 ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結構Fig.1 Overall structure of ZY4800/06/16.5D hydraulic support

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

2 液壓支架群組支護工況分析

W2-701刨煤工作面煤層厚度為 0.84～1.20 m。工作面無沖擊地壓和應力集中區。工作面底層綜合柱狀圖如圖 2所示，煤層頂底板情況如表 2所列。

工作面采用兩柱掩護式液壓支架維護頂板，前后端頭采用支撐掩護式支架控制頂板，液壓支架在電液控制系統的控制下自動移架；當工作面過裂隙帶頂板破碎或片幫易發生頂板抽條情況時，采取自動和手動相結合方式移架。工作面選用 140組液壓支架 (129組 ZY4800/06/16.5D型中間架)，工作面設備布置如圖 3所示。

圖2 工作面底層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of bottom layer of workface

表2 煤層頂底板情況Tab.2 Status of roof and floor of coal seam

圖3 工作面設備布置示意Fig.3 Sketch of equipment layout on workface

3 液壓支架群組支護受力分析

通過液壓支架群組實現對工作面頂板巖層的支護。借鑒前人研究方法，將采煤工作面頂板中點設定為坐標原點，假設綜采工作面的左右巷幫力學特性相同，并且液壓支架和頂板載荷相對于工作面中心線對稱分布[1]。將支護系統簡化為彈性基礎梁模型，如圖4所示。

圖4 彈性基礎梁模型Fig.4 Model of elastic foundation beam

支架剛度可表示為

式中：k為反映位移量隨荷載值增長的比例系數，N/m3；B為支架中心距，m；l為支架頂梁長度，m。

將頂板的均布載荷設定為q[2]，若梁中某單元支架的頂板下沉量為v，由彈性基礎梁假設可知，液壓支架對頂板的載荷分布為 -kv，則頂板承受的載荷為q-kv。根據彈性基礎梁假設，單位寬度上頂板有如下平衡方程：

并推導出頂板的撓曲線方程

式中：E為梁材料的彈性模量；I為梁截面慣性矩；V0為巖梁中點的撓度；α為彈性特征值；M0為巖梁中點的彎矩；Vi(αx) (i=0～ 3) 為普日列夫斯基函數[3]。

在研究液壓支架群組支護載荷時，假設左右巷幫處的頂板相當于剛性連接在彈性支座上，即可得邊界條件Kθ1=Kθ2→∞，設定u=αl/2，可得撓曲線方程：

經對頂板載荷計算和實測，沿工作面方向不同位置液壓支架頂梁承受的載荷和偏載情況不同，并且越靠近工作面中部，液壓支架頂梁承受的載荷越大，偏載情況越輕。工作面不同位置的液壓支架頂梁載荷如圖 5所示 (從液壓支架后方看，以回風巷側為液壓支架頂梁原點)。

圖5 不同工作面位置上液壓支架的頂梁載荷Fig.5 Load of top beam of hydraulic support at various positions of workface

4 液壓支架結構強度有限元分析

筆者主要考察液壓支架在承受頂板施加的偏載工況下的力學特性及結構強度。按照 GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第一部分：通用技術條件》要求，對主體結構件進行有限元仿真分析[4]。以前文得到的支架群組載荷結果作為有限元仿真時的施加載荷及邊界條件。

選取 2個典型工況位置的液壓支架進行研究，其結果可拓展至整個工作面各個位置的液壓支架。選取從回風巷道側第 10個液壓支架為工況 1，從回風巷道側第 30個液壓支架為工況 2，將前文計算得到的頂梁載荷作為均布載荷加載到支架模型的頂梁。液壓支架整架應力云圖如圖 6所示。

圖6 不同工況條件下液壓支架整架應力云圖Fig.6 Stress contours of whole hydraulic support in various operation modes

4.1 頂梁的應力與應變

不同工況下液壓支架頂梁應力與變形分布云圖如圖 7所示。

圖7 液壓支架頂梁應力與變形分布云圖Fig.7 Stress and deformation contours of top beam of hydraulic support

由圖 7(a) 可知，頂梁的應力主要分布在柱窩和中間肋板附近，柱窩附近的應力最高。頂梁中間肋板左側上部的應力較大，為 244.11 MPa。由于偏置載荷的作用，左側柱窩的應力高于右側柱窩應力，為 156.21 MPa，右側柱窩附近應力為 135.88 MPa，左右柱窩處應力差為 20.33 MPa。液壓支架在實際使用過程中經常出現立柱頂端銷軸斷裂后，活塞桿頂進液壓支架頂梁的情況，此處分析與實際工況相符。頂梁柱窩處是頂梁承受頂板載荷的主要承力部位，該部位的強度直接影響液壓支架整機的使用壽命。除了柱窩附近有應力集中外，頂梁其他部分的應力并不高，在許用應力范圍內。

由圖 7(c) 可知，頂梁中間肋板左側上部的應力最大，為 408.28 MPa。由于偏載，左側柱窩附近的應力為 308.20 MPa，右側的柱窩附近應力為 264.52 MPa，左右柱窩處應力差為 43.68 MPa。與工況 1相比，工況 2左右柱窩處應力差增加了 20.35 MPa，主要是由于頂板載荷偏差增加所致。

由圖 7(b)、(d) 可以看出，頂梁后端變形小，前端變形大。

4.2 立柱的應力與應變

不同工況下液壓支架立柱應力與變形分布云圖如圖 8所示。

圖8 液壓支架立柱應力與變形分布云圖Fig.8 Stress and deformation contours of column of hydraulic support

由圖 8(a)、(b) 可知，立柱缸體最大等效應力為 222.99 MPa，最大變形量為 1.028 2 mm，在偏置載荷作用下，左、右立柱的最大等效應力差為 19.48 MPa，最大變形量差為 0.144 6 mm。立柱缸體的應力和剛度均滿足要求。

由圖 8(c)、(d) 可知，立柱缸體最大等效應力為443.76 MPa，最大變形量為 2.046 1 mm，左、右立柱的最大等效應力差為 28.51 MPa，最大變形量差為0.210 3 mm。立柱缸體的應力和剛度均滿足要求。

5 結論

沿工作面方向不同位置液壓支架頂梁承受的載荷和偏載情況是不同的，越靠近工作面中部，液壓支架頂梁承受的載荷越大，偏載情況越輕；頂梁的應力主要分布在柱窩和中間肋板附近，在偏置載荷的作用下，左側柱窩的應力高于右側柱窩。分析結果與實際工況相符，柱窩部位的強度直接影響液壓支架整機的使用壽命。研究結果對支架結構優化改進和小青礦 W3、N3采區薄煤層工作面液壓支架的選型和使用具有實際指導意義。對于沖擊地壓、周期來壓等動態加載工況下的結構強度、設備動態特性以及疲勞壽命等，有待進一步研究。