低位放頂煤反四連桿過渡支架關鍵部件設計研究

鞏德華，賈 暉，厲功卓，王軍輝，曹連民

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

目前，國內煤礦中普遍使用的正、反四連桿放頂煤過渡支架兩種形式，實際前者的應用較為常見，前后兩端的排立柱實際受力并不穩定，使得正四連桿過渡支架的支護性能不能穩定發揮，尤其在放煤過程中這種現象更為明顯[1，2]。而后者在綜放工作面支護情況下，力學效果要好于前者，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，有著多方面的優勢。因此，針對厚煤層綜放工作面復雜開采條件，過渡支架不放煤、穩定性差以及正四連桿過渡支架支護效果差等問題，研究設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雜，易造成支架承受的沖擊載荷較大以及在工作時支架經常進行往返的升柱、降柱，故而整個支架可能存在嚴重的形變，內部結構存在微小破裂以及漏洞情況，縫隙的構成最終會使整個支架的核心載荷部件存在疲勞性的不穩定而受到損害，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。

1 反四連桿過渡支架關鍵部件設計

1.1 放頂煤過渡支架反四連桿結構設計

該放頂煤過渡支架四連桿為寬體倒置四連桿機構。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，結構較為簡單；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構如圖1、圖2所示。

圖1 前連桿二維與三維結構圖(mm)

圖2 后連桿二維與三維結構圖(mm)

1.2 斜梁結構設計

過渡支架采用寬體焊接一體化架構技術形式，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。斜梁二維與三維結構如圖3所示。

圖3 斜梁二維與三維結構圖(mm)

1.3 放頂煤過渡支架底座結構設計

底座是過渡支架維持自身結構穩定的關鍵部件，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，另外也可以改善現場從業人員的整個工作環境。把底座設計為斜坡樣式，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。綜合現場設備使用條件，設計底座長度為2740mm，結構布置如圖4所示。

圖4 底座二維與三維結構圖(mm)

1.4 放頂煤過渡支架頂梁結構設計

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形式。此次研究選擇常規的分體式形式。其前端梁與核心頂梁之間采用鉸接聯合方式，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，內部存在一伸縮梁，主頂梁采用鋼板固定的箱型架構，而中間則基于柱窩以及立柱的形式聯通，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構如圖5所示。

圖5 鉸接式頂梁二維與三維結構圖(mm)

2 關鍵結構疲勞特性分析

2.1 疲勞分析理論基礎

耐用性探究過程中，耐用性較好的材料以及架構在小于其屈服度的反復的作用力情況下，在104～105次往復運動情況下失效，反之原料以及架構在小于屈服強度的往復力的影響下，小于104～105次導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，選擇專業的分析軟件開展疲勞研究[8-10]。基于線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，小凸臺薄板等架構開展簡化處理，簡化模型后應保持關鍵結構具體設計細節特征，主要結構尺寸不變，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)劃分網格。為獲得真實仿真結果需對反四連桿放頂煤過渡支架進行模型簡化。將簡化模型導入軟件后應用ANSYS Meshing對ZFG7500/20/32.5反四連桿過渡支架進行網格劃分。整個網絡架構整體均勻度較好，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)外載荷的設置。假設立柱總工作阻力為P，根據技術要求，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

代入數值得F1等于285.51kN，F2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)接觸方式的設置。在進行有限元仿真研究時，把過度支架的架構當做變形體，因為接觸組件彼此存在近似的剛度，其架構件彼此的接觸即為面面形式，結合有關經驗設定面彼此的預載荷同摩擦擦亮。ZFG7500/20/32.5型過渡支架探究中采用Bonded(綁定)接觸類型。

設計壽命為106次，定義材料S-N曲線的循環次數最大為106，如圖8所示。

圖8 S-N曲線

2.2.2 結果分析

運行疲勞分析功能模塊后得到相應的運行結果，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，其他區域疲勞壽命都較長，一般都在106次以上，滿足疲勞壽命設計要求。

圖10 損傷云圖

疲勞損傷等值線是結構設計壽命與可用壽命之間的經值。如圖10所示即為相關累積損害的架構云圖。根據圖10(a)數據，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構設計壽命小于可用壽命。因此在設計壽命范圍內，頂梁和底座不會出現彎曲變形、疲勞裂紋或斷裂等失效形式。

安全系數分布如圖11所示，由圖11可知，過渡支架頂梁與底座的安全系數均大于1，且安全系數越大越安全，頂梁安全系數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域一致。

圖11 安全系數云圖

疲勞敏感特性曲線如圖12所示，由圖12(a)數據可以發現，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 論

1)根據工作面煤層賦存條件，確定過渡支架采用反四連桿機構，提高了支架整體的穩定性；設計頂梁為鉸接式結構，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構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，滿足結構設計壽命要求，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)對液壓支架主體結構件頂梁和底座進行了設計，并對其關鍵結構進行有限元分析。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構設計壽命小于可用壽命。