煤礦液壓支架設計與動態特性仿真研究

摘 要：針對煤礦開采作業中對液壓支架高使用壽命的實際需求，本文提出了一種ZYA9000/13/28D型液壓支架的設計方法。設計過程中，在Creo2.0軟件下完成了液壓支架的機械結構設計，進而完成了液壓系統設計。構建了液壓支架的剛體模型，并從動能和勢能守恒的角度建立了液壓支架的運動學方程。測試試驗過程中，針對ZYA9000/13/28D型液壓支架的關鍵鉸鏈的三向角度變化進行了仿真曲線分析。

關鍵詞：煤礦；液壓支架；動態特性；仿真研究

中圖分類號：TD 35 文獻標志碼：A

煤炭是現代工業生產的重要能源，在國民經濟整體運行中發揮十分重要的作用。為了保證煤炭資源供給，我國在部分進口的基礎上，仍須以開采國內煤礦為主[1]。煤礦開采過程中，需要使用數量眾多的大型設備，這些設備就具有較大的自重和體積結構，需要強有力的支撐組件才能確保工作安全[2]。在常規狀態下，液壓支架是煤礦開采中最常用的支撐組件，它可以提供強大的支撐力，以確保煤炭機械的穩定運行。但是，持續的重型承載導致煤礦用液壓支架普遍存在疲勞強度大、使用壽命短的問題[3]。為了延長煤礦用液壓支架的使用壽命，本文借助Creo2.0等先進設計工具，針對寧煤羊場灣煤礦工作面煤層及地質條件的實際情況，進行了高壽命液壓支架的設計，并在工作空間層面對其動態特性進行仿真分析。

1 煤礦液壓支架的結構設計

1.1 液壓支架機械結構的設計

本文有關煤礦液壓支架的設計是基于中煤北京煤礦機械有限責任公司的實際項目需求，即以“國家能源集團寧夏煤業集團有限公司ZYA9000/13/28D液壓支架項目”為依托，針對“寧夏地區高壽命液壓支架研制”進行高質量、高可靠性、高壽命液壓支架設計。

根據項目需求，制定ZYA9000/13/28D型液壓支架的主要技術參數要求，見表1。

保證工作面安全穩定生產的先決條件是設備的正確選型、配套、配置和使用。其中，成套設備配套選型是關鍵環節。設備的配套主要目的是在已選型的設備基礎上，保證各配套設備嚙合、搭接形式、尺寸合理性和各設備的優化配置，使各設備發揮各自的能力和性能，提高成套設備的可靠性、穩定性、協調性。

根據寧煤羊場灣煤礦工作面煤層及地質條件，液壓支架采用整體頂梁（帶伸縮梁）的二柱掩護式架型。基于Creo2.0軟件進行液壓支架的三維模型化設計，結果如圖1所示。

本項目首次模擬了液壓支架國內外11種工況以及其他附加工況，并進行了有限元分析。該計算方法得到了國能監理公司的認可，監理公司基于北煤機公司的平面力系強度校核和有限元分析結果進行綜合對比，對支架疲勞壽命進行了計算。

根據樣機支架在煤科院實驗室壓架試驗情況，監理反饋的有限元分析結果90%以上與試驗結果一致。個別位置更是達到了99%與應變片實測應力值相同的效果。試驗過程中得到的應力云圖如圖2所示。

1.2 液壓支架液壓系統的設計

油缸的重點在于立柱和推移。該項目選用?360mm缸徑立柱和?180mm缸徑推移千斤頂。立柱和推移千斤頂屬于常規結構，由于本次立柱伸縮比較大，用戶要求嚴格，因此本次設計從多方面提高產品質量。1）高壓區零焊接設計。立柱下腔有3個接口。其中，1個引至立柱缸口位置（低壓區），通過貼板方式進行焊接，既實現了高壓區零焊接，又為生產加工提供了可能；其余2個接口通過進液管和護罩懸臂梁方式固定，接頭座與立柱大缸體并不直接焊接。2）設計時，將有限元分析法應用在立柱設計中。通過有限元分析對缸管與缸底的焊縫形勢以及位置進行優化設計，盡最大可能降低焊縫位置的應力值。3）導向環的選擇和布置。本項目突破常規方式，根據使用情況，選擇不同寬度的導向環，使導向環的功能充分發揮。

1.3 提高使用壽命的技術處理

提高使用壽命的技術處理如下。1）結構件。執行國際焊接體系ISO3834—2：2005標準（特指：圖紙焊縫標注、結構件焊接技術規范、性能評定與熱處理、等方面）。2）試制過程中嚴格按照設計圖樣編制工藝，在工藝編制過程中如果發現尺寸、焊縫等問題，先反饋后記錄，保證工藝在制造中的可操作性。3）確保樣機制造達到合同和技術協議的要求。4）本套支架結構件表面全部做預處理。5）各結構件的焊接遵循相關焊接順序原則。6）焊前清理焊道，待焊處及焊道兩側20mm范圍不能有油、水、銹等污物。7）焊材的選用以技術要求和板材等級為準，遵循等強匹配原則。8）焊接過程中如果發現氣孔、夾渣缺欠，分析原因，在檢驗人員監督下返工，并記錄。其余焊接缺欠不得擅自處理，須報相關部門進行評審。9）焊熔金屬飛濺、熔渣、毛刺或其他表面須經打磨去除、銳緣打磨至半徑最小3mm圓弧形。10）樣機生產過程中要嚴格遵循工藝文件中對重點鉸接部位尺寸的控制及關鍵工序的工藝控制。四連桿機構及頂梁與掩護梁間軸孔配合間隙控制在0.8mm～1.21mm，其鉸接孔的加工精度為11級，粗糙度Ra3.2。結構件橫向間隙控制在4mm～8mm。11）各部件表面噴涂按有關要求噴涂底漆和面漆，漆膜厚度按相關噴涂工藝技術規范執行。

2 液壓支架的剛體運動模型

通過機械結構和液壓控制系統的設計，本文得到了ZYA9000/13/28D型液壓支架的初步設計結果。在這一靜態設計結果的基礎上，需要對整個液壓支架進行進一步的動態特性分析。液壓支架的整個機械結構構成包括了各段具有一定長度的剛度構件、構件之間的鉸鏈。前者決定了液壓支架的工作空間、支撐高度；后者決定了液壓支架的展開姿態。但無論何種姿態下，液壓支架仍然是一個具有典型剛度特性的剛體形態。因此，可以根據剛體模型理論，構建其動力學方程，如公式（1）所示。

[M]{}+[C]{}+[K]{φ}=[T] （1）

式中：[M]為ZYA9000/13/28D型液壓支架的質量矩陣；[C]為液壓支架在運動過程中的阻尼矩陣；[T]為液壓支架在運動過程中承受的外部載荷矩陣；φ為關鍵鉸鏈的角度。

當液壓支架在某一個位置完成形態展開并發揮支撐作用時，其處于相對靜止狀態，各部分構件將不再運動。此時，液壓支架不存在運動，也就不會受到運動載荷，因此有液壓支架在運動過程中的阻尼矩陣[C]=0。在這樣的情況下，公式（1）就滿足了[M]{}+[K]{φ}=0的形式。此時，可以得到ZYA9000/13/28D型液壓支架的拉格朗日方程，如公式（2）所示。

（2）

式中：T為ZYA9000/13/28D型液壓支架的動能總和；V為ZYA9000/13/28D型液壓支架的勢能總和；L為ZYA9000/13/28D型液壓支架的拉格朗日函數；ri為工作空間中的廣義坐標。

3 液壓支架的動態特性仿真研究

在前面的研究工作中，根據寧夏地區煤礦開采過程中的實際需求，提出了質量高、壽命長的ZYA9000/13/28D型液壓支架的設計目標。結合各項具體的指標參數，利用Creo2.0軟件進行液壓支架機械結構的三維設計，進而分析了其應力云圖。然后，給出了ZYA9000/13/28D型液壓支架中液壓部分的設計，并給出了延長使用壽命的特殊技術處理流程。

根據ZYA9000/13/28D型液壓支架工作過程中的剛度特性，建立了其基本動力學方程，并根據動能和勢能平衡的原理，建立了拉格朗日方程所表征的運動學平衡關系。在接下來的工作中，將結合ZYA9000/13/28D型液壓支架的結構形態和運動學特點對其動態特性進行分析，分析主要以公式（1）中的關鍵鉸鏈的角度φ在X、Y、Z3個維度上的分量變化情況展開。首先，觀察關鍵鉸鏈的角度φ在X方向上分量的動態變化情況，結果如圖3所示。ZYA9000/13/28D型液壓支架的關鍵鉸鏈的角度φ出現在0s～0.5s，X方向的角度變化呈持續下降的趨勢，其變化幅度范圍為29°～22°，變化幅度不大，相對比較平穩。其次，觀察關鍵鉸鏈的角度φ在Y方向上分量的動態變化情況，結果如圖4所示。ZYA9000/13/28D型液壓支架的關鍵鉸鏈的角度φ出現在0s～0.5s，Y方向的角度變化呈先降低再升高的近似“V”形變化，曲線變化的幅度范圍為36°～22°，變化幅度比X方向大。最后，觀察關鍵鉸鏈的角度φ在Z方向上分量的動態變化情況，結果如圖5所示。ZYA9000/13/28D型液壓支架的關鍵鉸鏈的角度φ出現在0s～0.5s，Z方向的角度變化呈近似正弦曲線的變化，曲線變的幅度范圍為2°～5°，變化幅度在3個方向上最小。

4 結語

在煤礦開采過程中，需要使用數量眾多的大型設備，這些設備就具有較大的自重和體積結構，需要強有力的支撐組件才能確保工作安全。在常規狀態下，液壓支架是煤礦開采中最常用的支撐組件，它可以提供強大的支撐力，以確保煤炭機械的穩定運行。但是，持續的重型承載導致煤礦用液壓支架普遍存在疲勞強度大、使用壽命短的問題。為了延長液壓支架的使用壽命，本文根據寧夏地區實際項目的各項指標，針對ZYA9000/13/28D型液壓支架的機械結構設計、液壓系統設計、提高使用壽命進行了特殊設計。依托剛體動力學方程對所設計的液壓支架建立了運動學分析的理論模型，并通過試驗對其動態特性進行了仿真研究，證實了液壓之間的工作平穩性。

參考文獻

[1]曹超，趙繼云，高凱，等.液壓支架供液系統快速泵控補液穩壓方法研究[J].煤炭科學技術，2024，35（6）：101-105.

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[3]江顯偉，楊琴，劉開均.復雜煤層智能化綜采液壓支架推移油缸快速檢修技術研究[J].煤礦機械，2022，43（3）：325-331.