綜采工作面液壓支架推移裝置力學(xué)性能分析*

李宇棟

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000)

0 引 言

綜采工作面液壓支架的作用是對煤礦頂板進(jìn)行支護(hù)，在下方形成一定的安全作業(yè)區(qū)，便于其他設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，有效防止煤礦巷道頂板的冒落，在保證煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要的作用[1]。 此外，液壓支架的推移裝置是液壓支架中最重要的組成部分，主要發(fā)揮的作用是推移輸送機(jī)和拉移液壓支架，一般而言，對推移裝置的要求是采用較小的力推移輸送機(jī)，用較大的力拉動液壓支架[2-3]。 由于煤礦井下環(huán)境比較惡劣，長期處于潮濕、多塵的環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜，對于煤礦頂板進(jìn)行有效支護(hù)對于保證煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，液壓支架推移裝置的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能將直接影響液壓支架的支護(hù)效果[4]。 為此，對液壓支架的推移裝置進(jìn)行力學(xué)分析，從而得出在井下工況下綜采工作面生產(chǎn)過程中實(shí)際的受力情況，發(fā)現(xiàn)推移裝置危險點(diǎn)，便于后期對推移裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)。

筆者首先對綜采工作面液壓支架的結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行分析，然后使用SolidWorks 建立液壓支架推移裝置的三維模型，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中進(jìn)行力學(xué)分析，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，最終得出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。 研究結(jié)果對于推移裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和壽命提高具有重要的參考價值。

1 液壓支架推移裝置結(jié)構(gòu)組成與受力分析

1.1 液壓支架推移裝置結(jié)構(gòu)組成

液壓支架是綜采工作面上必不可少的重要機(jī)械設(shè)備，目前液壓支架的作用是在煤礦井下推移刮板式輸送機(jī)和采煤機(jī)，在推移的過程中對頂板進(jìn)行有效支護(hù)，從而保證下方的安全作業(yè)[5]。 圖1 所示為液壓支架整體方案模型圖。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)

液壓支架的推移裝置是液壓支架本體中的關(guān)鍵部件，在保證液壓支架安全運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要的作用[6]。 液壓支架推移裝置常用的結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是整拉短式推移桿，一種是倒拉長推移桿。

一般而言，液壓千斤頂是直接安裝在輸送機(jī)和液壓之間的作為推移機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器，目前煤礦井下采用的液壓支架推移裝置主要是差動式推移裝置。 6.2 m的液壓支架推移裝置總體呈箱形結(jié)構(gòu)，尺寸為250 mm×160 mm，圖2 所示為推移裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 液壓支架推移裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中主要由連接端、推移桿和千斤頂組成，其中連接端用于與其他結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系，推移桿相當(dāng)于液壓缸的缸桿，可以向一個方向運(yùn)動，千斤頂裝置內(nèi)部具有液壓油，可推動缸桿運(yùn)動，在推移的過程中將與之相連的液壓支架或刮板輸送機(jī)向前輸送，實(shí)現(xiàn)推移。

1.2 液壓支架推移裝置受力分析

推移桿在實(shí)際使用的過程中，在井下發(fā)生開裂和變形的情況比較少，最重要的損壞部位是位于千斤頂和推桿的銷軸連接位置，此外銷軸的部位也是最容易發(fā)生損壞的，如圖3 所示為銷軸連接部位。

圖3 推移裝置銷軸連接示意圖

(1) 連接位置強(qiáng)度分析

由圖中可知，推桿的連接耳爪的ae截面上所受的最大彎矩為:M＝1.5Pth

連接耳爪ae截面的最大抗彎截面模量為:W＝ae2/6

其中的屈服強(qiáng)度為:

式中:Pt為千斤頂?shù)淖畲髩毫Γ籟σ]為材料的許用屈服強(qiáng)度。 由此可知結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

(2) 銷軸位置強(qiáng)度分析

在銷軸連接位置，銷軸在相同的工況下是單側(cè)進(jìn)行受力，銷軸的最大的力矩發(fā)生在距離軸端距離為b的截面上，并且可以計算得到銷軸端部受力為:N＝1.5Pt

銷軸的抗彎截面模量為:W＝0.098 2d3

式中:d表示銷軸直徑。

銷軸所受的最大的彎矩為:M＝Nb＝1.5Ptb

應(yīng)力計算為:σ＝＜[σ]

由此可知，銷軸的應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，銷軸在端部受力時不會發(fā)生損壞。

綜上，通過對推移裝置結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵銷軸部位的受力進(jìn)行分析可以得出，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生損壞。

傳統(tǒng)的計算方式工作量較大，且容易出現(xiàn)計算錯誤，受力情況下危險截面的計算需要多次選擇和計算，從計算結(jié)果中也無法獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布情況。 隨著當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬可以大大提高求解的速度，并且更加直觀。

2 基于ANSYS 的推移裝置靜力學(xué)分析

2.1 數(shù)值模擬軟件

隨著計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，使用數(shù)值模擬軟件可以很直觀得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形和結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，采用ANSYS 14.5 對推移裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)模擬，采用有限元法將整個推移裝置分割為小單元，進(jìn)而對各個單元進(jìn)行求解，也就是離散化，對整體進(jìn)行求解的結(jié)果類似于每一個小單元得到的結(jié)果，通過無限分割可以無限逼近小單元的分析結(jié)果，從而獲取到最真實(shí)的力學(xué)變形特性。 本次使用ANSYS 14.5 對推移裝置框進(jìn)行應(yīng)力分析。

2.2 推移框的靜力學(xué)分析

在實(shí)際煤礦綜采工作面，推移框的受力比較復(fù)雜，比如常見煤礦井下的三軟煤層，此時底板比較松軟，刮板輸送機(jī)會出現(xiàn)下沉，這個時候推移框理想的受力狀態(tài)將會被打破，從而使得推移框具有附加載荷，甚至?xí)霈F(xiàn)壓死支架的情況，在進(jìn)行拉架的過程中會造成較大的突變載荷作用，此時容易引起推移框發(fā)生彎曲變形。

當(dāng)煤層局部的傾角在30°以上時，此時的推移框位于水平方向，所以端部受到的是垂直的載荷作用，整體相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)的受載變形。 最終作用在推移框上的載荷包括刮板輸送機(jī)的下竄力、液壓支架的拉力作用，可以將整個結(jié)構(gòu)看做是懸臂梁，并且對推移框進(jìn)行模型的簡化，得到如圖4(a)所示的可導(dǎo)入到ANSYS 中的模型圖，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

采用自適應(yīng)六面體網(wǎng)格劃分方式，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分網(wǎng)格，可以得到總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 529，單元數(shù)為1 639，如圖4(b)所示。 隨后在推移框一側(cè)添加固定約束和載荷，并添加求解項(xiàng)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析和求解，可以得到如圖5 所示的分析結(jié)果。

圖4 推移框結(jié)構(gòu)三維模型圖

圖5 推移裝置靜力學(xué)分析結(jié)果

從圖5 得到的靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出，整個結(jié)構(gòu)的變形在端部受到的力比較大，端部結(jié)構(gòu)變形比較嚴(yán)重，整體變形為彎曲變形，最大變形量為1.12 mm，其中最大應(yīng)力值為132 MPa＜235 MPa，所以可以得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。 結(jié)構(gòu)的薄弱位置主要集中在結(jié)構(gòu)的連接位置，其中結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在推移桿的焊接位置處，與實(shí)際結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞一致。 通過對推移裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析可以得到變形特征和力學(xué)性能與分析實(shí)際受力后得到的結(jié)果是一致的，與實(shí)際情況相吻合，并且也可以說明采用有限元法得到的結(jié)果與實(shí)際計算得到的結(jié)果大致相同。

3 推移裝置的動力學(xué)分析

由于煤礦井下環(huán)境比較復(fù)雜，尤其綜采工作面位置長期處于潮濕、多塵和電磁振動的環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的固有振動頻率將會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，于是對推移裝置進(jìn)行了動力學(xué)特性分析，了解結(jié)構(gòu)的固有振動頻率，有效避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，從而更好地保護(hù)推移裝置或?yàn)楹笃谕埔蒲b置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。在ANSYS Workbench 中搭建模態(tài)分析仿真平臺，分別求解結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)振型和固定約束模態(tài)特征，圖6 所示為自由模態(tài)分析結(jié)果。

圖6 自由模態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果

隨后，為了分析結(jié)構(gòu)在受到固定約束時的振動特性，模擬煤礦井下的實(shí)際受力特性，對模型的端部添加固定約束，得到如圖7 所示的固定約束下的動力學(xué)分析結(jié)果，表1 所列為模態(tài)分析振型規(guī)律。

圖7 固定約束下的動力學(xué)特性

分析表1 可以得出:結(jié)構(gòu)的基頻為26.311 Hz，隨著模態(tài)階數(shù)的增加振動頻率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，與結(jié)構(gòu)的最大變形量規(guī)律相同。 在第5 階模態(tài)時的振動頻率最高為199.19 Hz，此時的變形量為1.737 0 mm，在第6 階模態(tài)恢復(fù)到基頻，由此可知結(jié)構(gòu)的振動頻率不會隨著求解階數(shù)的增加而增加，結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，并且不會與周圍的環(huán)境產(chǎn)生共振，從而驗(yàn)證了綜采工作面液壓支架推移裝置的力學(xué)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性滿足強(qiáng)度要求。 圖8 所示為液壓支架推移裝置現(xiàn)場應(yīng)用圖。

表1 模態(tài)振型規(guī)律

圖8 綜采工作面液壓支架現(xiàn)場應(yīng)用

4 結(jié) 語

隨著煤礦向著大采高、高采量方向發(fā)展，煤礦的開采難度也在逐年增加，綜采工作面液壓支架推移裝置受力比較復(fù)雜，且在煤礦井下的故障率較高，影響綜采工作面的推進(jìn)從而會影響煤礦生產(chǎn)效率。 采用理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合的方式，對綜采工作面液壓支架推移裝置進(jìn)行力學(xué)性能分析，分析了推移裝置最大應(yīng)力和變形情況以及結(jié)構(gòu)的固有振動特性規(guī)律，得出推移裝置在實(shí)際井下的受力類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，端部變形較小，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能良好，在綜采面工況下不會引起結(jié)構(gòu)的共振。 研究結(jié)果對于后期液壓支架推移裝置的設(shè)計或結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。