工作載荷作用下礦井液壓支架動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

李 衡

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部長(zhǎng)平煤業(yè)，山西 高平 048411）

引言

液壓支架是地下采礦的主要支撐設(shè)備。液壓支架所受的載荷沖擊對(duì)其頂梁和屏蔽梁要求較高。然而，當(dāng)代的研究主要集中在沖擊載荷的機(jī)理和靜強(qiáng)度分析等方面，關(guān)于液壓支架的抗沖擊性的研究很少相關(guān)。液壓支架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可靠性是決定煤礦工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[1]。液壓支架的承載狀態(tài)由支撐與頂部之間的相互作用效應(yīng)決定。其負(fù)荷能力隨地質(zhì)條件和實(shí)際工作條件的變化而變化。此外，采煤面中壓力的出現(xiàn)、支撐的工作姿勢(shì)以及頂部與支撐之間的相互作用在采礦中起著重要作用，頂部的巖層性質(zhì)（軟或硬）會(huì)影響其完整性和沉降速度。支架的實(shí)際加載狀態(tài)和工作高度也受到其影響。在影響支撐工作狀態(tài)的所有因素中，沖擊載荷是導(dǎo)致支架損壞的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，對(duì)液壓支架在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究，為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和自適應(yīng)控制提供了依據(jù)。

1 液壓支架仿真模型的建立

通過(guò)SOLID WORKS 軟件建立了液壓支架的數(shù)值模擬模型，如圖1 所示。模型高度設(shè)置為液壓支架的最大工作高度。

圖1 液壓支架數(shù)值仿真模型

首先，確定零部件的材料特性，密度為7 860 kg/m3，楊氏模量為2.11E+11 Pa，泊松比為0.3。液壓支架的柱和平衡千斤頂由彈簧減震系統(tǒng)同等數(shù)值替換。

頂梁與屏蔽梁之間、屏蔽梁與前后連桿之間、前后連桿與底座之間的鉸接接頭采用“旋轉(zhuǎn)接頭”。“旋轉(zhuǎn)接頭”中的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1[2]。支撐底座作為機(jī)架，由剛體和“固定接頭”鎖定在地面上。最后，將重力場(chǎng)設(shè)置為垂直于支撐基礎(chǔ)。

由于沖擊荷載位置的變化和支撐結(jié)構(gòu)的變形對(duì)力傳遞和力平衡的影響，本研究的網(wǎng)格劃分軟件使得屋頂梁、屏蔽梁、前后連桿之間產(chǎn)生柔性嚙合，取代ANSYS 軟件中的剛體模型，與剛性基礎(chǔ)形成剛性柔性耦合模型。接點(diǎn)處是鉸鏈接頭的剛性連接區(qū)域，并在該區(qū)域的主要節(jié)點(diǎn)上定義了相應(yīng)的約束條件。

2 液壓支架仿真參數(shù)的設(shè)定

2.1 系統(tǒng)中彈簧剛度的測(cè)定

支撐的頂梁承受車(chē)頂壓力，立柱和平衡千斤頂?shù)囊簤河捅粔嚎s。此外，支撐高度降低，氣缸內(nèi)的壓力增加，提供足夠的支撐力，以抵抗載荷壓力。鑒于基于剛性柱模型的模擬試驗(yàn)不能滿足液壓缸壓縮誘導(dǎo)壓升，彈簧阻尼系統(tǒng)由支架柱和平衡千斤頂同等取代原有機(jī)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置合理的彈簧剛度實(shí)現(xiàn)液壓缸壓縮誘導(dǎo)壓升，液壓缸參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 立柱和平衡千斤頂?shù)闹饕獏?shù)[3] mm

2.2 沖擊載荷的應(yīng)用

液壓支架的最大阻力為21 000 kN，本模擬分析的工作阻力確定為14 000 kN，主要通過(guò)兩個(gè)主動(dòng)外部負(fù)載（F1和F2，每個(gè)力均為7 000 kN）沖擊力施加在兩根柱的上方，向下并垂直于屋頂梁。液壓支架穩(wěn)定在14 000 kN 以下后，開(kāi)始施加力。討論頂梁和屏蔽梁對(duì)液壓支架的沖擊趨勢(shì)，頂梁的正常沖擊力（FDi）和在屏蔽梁上（FYi)都被確定為3 000 kN.

主動(dòng)外部載荷和沖擊載荷的曲線如圖2 所示。荷載的具體應(yīng)用位置如圖3 所示。在頂梁的中心收集7 個(gè)加載位置（D1～D7）[4]，另外7 個(gè)位置（Y1～Y7）設(shè)置在屏蔽梁的中心部位。根據(jù)不同的工況分析，連續(xù)施加沖擊載荷。

圖2 主動(dòng)外部載荷和沖擊載荷的曲線示意圖

圖3 負(fù)荷的具體應(yīng)用位置示意圖

3 計(jì)算仿真結(jié)果分析

3.1 鉸鏈接頭處的受力分析

液壓支架的鉸鏈接頭是部件連接和力傳遞的關(guān)鍵點(diǎn)。頂部壓力首先由頂部梁承擔(dān)，然后通過(guò)柱和鉸鏈接頭傳遞到底部。頂部壓力從底部輸送至基底板，直到整個(gè)支撐系統(tǒng)達(dá)到平衡。觀察鉸鏈點(diǎn)力的變化對(duì)于研究這種力傳遞過(guò)程非常重要[5]。在本研究中，處理沖擊載荷后3 個(gè)鉸鏈點(diǎn)的力變化數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 三個(gè)鉸鏈點(diǎn)載荷變化示意圖

3.2 柱的力分析

立柱位于頂梁和底座之間，對(duì)控制承載力、力傳遞和支撐姿態(tài)至關(guān)重要。在關(guān)于支撐剛度的研究中，通常認(rèn)為支撐的剛度直接等同于柱的剛度，或者使用柱的剛度作為支撐剛度的主要部分。因此，立柱是支撐件中最中心的軸承部件。分析具有特定支撐承載能力的柱的應(yīng)力變化對(duì)研究支撐的整體受力傳遞至關(guān)重要。在此基礎(chǔ)上，對(duì)施加沖擊力后柱的應(yīng)力變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了單柱的應(yīng)力變化，P1、P2、P3載荷力波峰和波谷的變化如圖5 所示。當(dāng)頂梁和屏蔽梁都受到影響時(shí)，柱處計(jì)算出的載荷力表明只有頂層梁受到載荷影響時(shí)才會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)變化。屏蔽梁后半段的沖擊載荷降低了柱的載荷力，而前半段的沖擊載荷增加了柱的承載力。

圖5 立柱載荷變化示意圖

3.3 圓柱和平衡千斤頂?shù)恼駝?dòng)分析

柱和平衡千斤頂液壓控制系統(tǒng)的阻尼仍然是關(guān)鍵因素。正常情況下，支撐負(fù)載略有變化時(shí)，支撐更容易穩(wěn)定，從而迅速達(dá)到平衡狀態(tài)。然而，沖擊載荷的作用時(shí)間較短，作用力的變化較大。突然改變荷載，平衡和穩(wěn)定的過(guò)程需要一段時(shí)間，對(duì)該平衡穩(wěn)定性的響應(yīng)時(shí)間隨沖擊載荷強(qiáng)度、作用時(shí)間和作用位置而變化。本研究通過(guò)分析圓柱和平衡千斤頂?shù)恼駝?dòng)，預(yù)測(cè)了液壓支架在沖擊載荷下的穩(wěn)定過(guò)程。頂梁施加沖擊載荷時(shí)柱內(nèi)活塞位置變化如下頁(yè)圖6 所示。

圖6 平衡千斤頂中活塞位置變化示意圖

穩(wěn)定平衡千斤頂活塞位置，頂梁的沖擊載荷首先減少，然后增加，最后減小。當(dāng)沖擊載荷施加在屋頂梁的上方時(shí)，需要較短的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定活塞在平衡千斤頂中的位置。當(dāng)在屋頂梁的前端施加沖擊載荷時(shí)，需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)穩(wěn)定平衡千斤頂中的活塞位置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為了確定液壓支承在工作面頂層和屏蔽梁雙重沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了支承的模擬模型，用彈簧減震系統(tǒng)代替了柱和平衡千斤頂，進(jìn)行了液壓支架姿態(tài)分析，并獲得了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。得出的結(jié)論如下：

1）當(dāng)屋頂梁僅施加沖擊載荷時(shí)，鉸鏈點(diǎn)處的力和屏蔽梁與柱的力將產(chǎn)生最大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而，當(dāng)對(duì)頂梁和屏蔽梁施加沖擊載荷時(shí)，前后連桿之間的鉸鏈接頭處的力主要發(fā)生雙重沖擊力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

2）針對(duì)于圓柱和平衡千斤頂來(lái)說(shuō)，支撐負(fù)載變化較小時(shí)，機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，將快速達(dá)到平衡狀態(tài)。沖擊載荷的作用時(shí)間和作用力的變化呈反比例關(guān)系。同時(shí)頂梁的沖擊載荷首先減少，然后增加，最后減小。

3）針對(duì)3 個(gè)鉸接點(diǎn)的受力變化，鉸接點(diǎn)2、3 的受力情況表明鉸接點(diǎn)位置會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊震蕩。