沖擊載荷作用下液壓支架的力傳遞分析

高建文

（西山煤電機(jī)電廠，山西 太原 030053）

引言

目前，液壓動(dòng)力支架廣泛應(yīng)用于井下煤礦開(kāi)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(hù)作用和受力性能主要是由支架整體的結(jié)構(gòu)和巷道上部分對(duì)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(fù)雜，液壓動(dòng)力支架在使用過(guò)程中，巷道的頂部和頂板相接處受到的壓力會(huì)不停的發(fā)生變化。數(shù)據(jù)顯示，在煤礦井下因支架所導(dǎo)致的支護(hù)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(lèi)事故占比超過(guò)60%，故此，開(kāi)展突發(fā)性載荷液壓動(dòng)力支架力傳遞的特點(diǎn)研究，對(duì)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增強(qiáng)支架的防護(hù)性安全具有重大意義。

1 液壓動(dòng)力支架的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真模型

1.1 研究的對(duì)象與建模

ZY12000/28/64型掩護(hù)式支頂液壓動(dòng)力支架最大高度為6.4 m，最大阻力為12 000 kN，支架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 ZY12000液壓型支架

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

1.2 兩個(gè)平衡油缸的相關(guān)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)泄漏。當(dāng)活塞受力移動(dòng)時(shí)，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]?；钊a(chǎn)生的位移與液壓油壓縮產(chǎn)生的彈力呈正比例關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系可以把液壓缸看作一個(gè)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(jì)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(zhǎng)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(lái)壓作用在液壓支架時(shí)，直接頂與液壓支架就會(huì)產(chǎn)生“變形給定”的形態(tài)，此時(shí)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(lái)壓而形成的地量載荷[2]。如果把直接頂?shù)膸r層當(dāng)作無(wú)法壓縮且無(wú)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(jìn)行測(cè)算。按照最大液壓動(dòng)力支架所受阻力，于模型搭建時(shí)選用1 200 kN大小的預(yù)載荷來(lái)對(duì)正常狀態(tài)中靜載荷對(duì)柱窩產(chǎn)生的壓力狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬。頂板對(duì)液壓支架產(chǎn)生的重力載荷和地量載荷，是一種非常復(fù)雜的沖擊載荷，而且載荷形式多樣，所以利用對(duì)液壓動(dòng)力支架增添階躍式載荷加以模擬，處于對(duì)液壓動(dòng)力支架仿真響應(yīng)的時(shí)間及幅值，階躍式載荷的幅值設(shè)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(diǎn)上的力傳遞系數(shù)

當(dāng)階躍作用載荷位置變化時(shí)，其支架的前連桿和后連桿在鉸接點(diǎn)上力的傳導(dǎo)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(zhǎng)度方向。可見(jiàn)，相同方向的寬度，在圍巖載荷沖擊點(diǎn)移向前端的頂梁時(shí)，前連桿和后連桿在鉸接點(diǎn)上的力傳導(dǎo)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(shí)，力的傳導(dǎo)系數(shù)最高，可達(dá)到4.5和3.9，在載荷沖擊作用移至頂梁最后端，力的傳導(dǎo)系數(shù)最低，可降至1.1和1.0。在相同的長(zhǎng)度方向，載荷沖擊作用沿頂梁方向改變時(shí)，力傳導(dǎo)的系數(shù)沒(méi)有顯著變化[3]。其主要原因在于頂梁的長(zhǎng)寬比是2.9，也就是寬帶的變化所帶來(lái)力矩的變化影響較小。

圖2 連桿的交接點(diǎn)傳遞力的系數(shù)

2.2 頂梁的掩護(hù)梁上鉸接點(diǎn)的力傳導(dǎo)系數(shù)

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

圖3 頂梁載荷坐標(biāo)位置

2.3 液壓缸的鉸接點(diǎn)上力傳導(dǎo)系數(shù)

平衡式的液壓缸，其受力隨同載荷沖擊點(diǎn)向頂梁的前端發(fā)展移動(dòng)，力傳導(dǎo)的系數(shù)表現(xiàn)出先降后升的特點(diǎn)，于液壓缸兩立柱的連線處達(dá)到最小值是0.04，如載荷沖擊作用于頂梁最前端時(shí)，如圖3，A點(diǎn)力的傳導(dǎo)系數(shù)值最大是4.4。沿頂梁的寬度方向力的傳導(dǎo)系數(shù)沒(méi)有太大改變。相對(duì)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(diǎn)力傳導(dǎo)系統(tǒng)值最小是1.9。力傳導(dǎo)的系數(shù)會(huì)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(dòng)，力傳導(dǎo)的系數(shù)不斷增加。當(dāng)載荷沖擊作用位于頂梁異側(cè)前端時(shí)，如圖3，F(xiàn)點(diǎn)力傳導(dǎo)的系數(shù)值最大是2.6。沿著頂梁寬帶方向，力的傳導(dǎo)系數(shù)沒(méi)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(guò)去的支架傳遞載荷相關(guān)研究中，在直接頂與頂板的回轉(zhuǎn)擠壓造成的變形力無(wú)法確定，以往采用實(shí)測(cè)方法對(duì)動(dòng)載的系數(shù)進(jìn)行估算，實(shí)測(cè)的結(jié)果為動(dòng)載的系數(shù)一般都大于2。其實(shí)測(cè)過(guò)程為，設(shè)定兩立柱中心點(diǎn)為作用力的位置進(jìn)行測(cè)定，比較靜載荷與變動(dòng)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(diǎn)在沖擊性載荷的作用下，支架上各個(gè)鉸接點(diǎn)傳遞力的系數(shù)會(huì)出現(xiàn)放大。在這些鉸接點(diǎn)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(guò)經(jīng)驗(yàn)的系數(shù)，剩余接點(diǎn)受力倍數(shù)都在實(shí)測(cè)的系數(shù)之內(nèi)[6]。這說(shuō)明通過(guò)實(shí)測(cè)獲得動(dòng)載的系數(shù)，并不都適應(yīng)所有的結(jié)構(gòu)，所以在設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，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(shí)，其鉸接點(diǎn)傳遞力的系數(shù)各不相同。

2）沖擊性載荷在作用于頂梁長(zhǎng)度的方向，當(dāng)頂梁由后向前移動(dòng)時(shí)，各部件的銷(xiāo)軸鏈接點(diǎn)，傳遞力的系數(shù)變化非常大，當(dāng)力作用于頂梁一側(cè)的端部時(shí)，其各部件的銷(xiāo)軸鏈接點(diǎn)傳遞力的系數(shù)最大，當(dāng)載荷作用在頂梁寬度的方向，其各部件的銷(xiāo)軸鏈接點(diǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)液壓型支架的結(jié)構(gòu)時(shí)，不能使用同一性系數(shù)設(shè)計(jì)，要依據(jù)不同的位置使用相應(yīng)的系數(shù)設(shè)計(jì)，這樣能夠在降低支架重量的同時(shí)，減少載荷的沖擊，最終達(dá)到提高支架可靠工作性能的目的。