張 雷

（陽(yáng)煤二礦調(diào)度室皮運(yùn)隊(duì)， 山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

我國(guó)的煤炭資源豐富，主要分布在我國(guó)中西部地區(qū)，并且以厚煤層居多，在這些煤層中，能用于露天開(kāi)采的煤礦只占很少的部分，大部分煤層的開(kāi)采需要在礦井中進(jìn)行，這對(duì)于開(kāi)采設(shè)備的要求更高[1]。針對(duì)礦井開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用，綜采工作面大大提高了作業(yè)效率。在綜采工作面的結(jié)構(gòu)中，液壓支架起到了重要的支撐作用，以保證作業(yè)空間的安全性，同時(shí)，液壓支架還具有移動(dòng)功能，跟隨綜采工作面完成各區(qū)域的工作[2]。

作為綜采工作面的支撐設(shè)備，液壓支架的可靠性是至關(guān)重要的，影響到生產(chǎn)的安全。隨著開(kāi)采面的復(fù)雜性不斷變化，液壓支架在工作過(guò)程中更容易受到由于巖層變化等引起的瞬時(shí)載荷的作用，這些瞬間的動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)于液壓支架的可靠性具有很大的影響。為確定液壓支架在承受瞬間載荷作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變化，本文采用仿真分析的方法對(duì)液壓支架的掩護(hù)梁承受瞬間載荷時(shí)的變化進(jìn)行討論分析。

1 基于ADAMS數(shù)值模型

1.1 系統(tǒng)模型建立及參數(shù)確定

對(duì)于液壓支架的結(jié)構(gòu)，利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建立如圖1所示的模型，為便于描述，將圖中所示方向定義為“正向”，模型中支架所處的位置為支架的最大工作高度處，支架各連接處以“轉(zhuǎn)動(dòng)副”進(jìn)行定義，液壓支架中的立柱及平衡千斤頂?shù)刃в趶椈勺枘醄3]，其阻尼系數(shù)的計(jì)算如下。

根據(jù)液壓缸的等效剛度計(jì)算公式[4]：

式中：K為系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)，N/m；A為液壓缸工作過(guò)程中承壓有效面積，m2；β為所采用液壓介質(zhì)的體積彈性模量，本液壓支架使用水包油乳化液，其值為1.95×103GPa；L為液壓缸體內(nèi)有效液壓介質(zhì)的長(zhǎng)度，m。

圖1 液壓支架ADAMS模型

液壓支架所采用的液壓缸及平衡桿的參數(shù)如下頁(yè)表1所示，由此，根據(jù)上式，可以計(jì)算得出平衡千斤頂及一、二級(jí)立柱的等效剛度系數(shù)：K1=2.06×108N/m，K2=2.04×108N/m，K3=1×108N/m。

由于液壓支架在工作過(guò)程中存在支架的初撐力作用，當(dāng)支架被壓縮時(shí)，首先是二級(jí)缸被壓縮，然后是一、二級(jí)液壓缸同時(shí)被壓縮，因此，本次分析中，定義立柱的等效阻尼系數(shù)取決于系統(tǒng)的初撐力，當(dāng)僅二級(jí)缸作用時(shí)，其等效系數(shù)即為上述K3值，而當(dāng)一、二級(jí)液壓缸同時(shí)作用時(shí)，則等效于兩級(jí)彈簧作用，其等效系數(shù)K4按照彈簧串聯(lián)時(shí)計(jì)算如下[5]：K4=K2K3/（K2+K3）=6.71×107N/m。

1.2 載荷施加確定

對(duì)于系統(tǒng)載荷的確定，為全面分析液壓支架受瞬時(shí)載荷作用時(shí)的變形及應(yīng)力分布，采取對(duì)掩護(hù)梁的不同部分多次施加載荷的作用進(jìn)行分析，當(dāng)巖層塊作用于液壓支架時(shí)，作用力方向定義為垂直于掩護(hù)梁的方向，載荷的大小定義為8 000 kN的瞬態(tài)載荷。為便于描述，在掩護(hù)梁頂面定義坐標(biāo)系XOY，其中，X軸為掩護(hù)梁后端且平行于掩護(hù)梁寬度的方向，上頁(yè)圖1中掩護(hù)梁反側(cè)定義為X軸的正方向，反之，圖1中掩護(hù)梁正側(cè)定義為X軸負(fù)方向；Y軸即為平行于掩護(hù)梁長(zhǎng)度方向并位于其中間對(duì)稱(chēng)面，掩護(hù)梁前端定義為Y軸的正方向，掩護(hù)梁后端定義為Y軸的負(fù)方向。

表1 系統(tǒng)液壓缸參數(shù)

2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

2.1 掩護(hù)梁水平前移

對(duì)于系統(tǒng)的受力過(guò)程，當(dāng)受到垂直的載荷作用時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，會(huì)使液壓支架產(chǎn)生前傾的趨勢(shì)，若載荷沖擊時(shí)，液壓支架處于俯采的狀態(tài)，當(dāng)工作面傾角足夠大時(shí)，則會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失衡，導(dǎo)致液壓支架的垮塌。對(duì)于前傾趨勢(shì)的描述，采用頂梁水平前移的距離來(lái)表示，其趨勢(shì)變化如圖2所示。

圖2 水平前移變化趨勢(shì)圖

從圖2中可以看出，當(dāng)液壓支架承受瞬態(tài)載荷時(shí)，載荷作用點(diǎn)的位置變化，其長(zhǎng)度和寬度方向的影響并不相同。沿長(zhǎng)度方向變化時(shí)，隨載荷施加作用點(diǎn)由前端到后端的變化中，水平前移變化量呈現(xiàn)由大變小又變大的過(guò)程。這是由于掩護(hù)梁前端載荷對(duì)于鉸接中心點(diǎn)作用力矩，隨著作用距離的增加而增加。當(dāng)作用點(diǎn)沿寬度方向變化時(shí)，水平前移的變化量并不大。

2.2 掩護(hù)梁接觸力

掩護(hù)梁與頂板直接接觸，在液壓支架的工作過(guò)程中，頂板的作用力直接作用于掩護(hù)梁上，兩者之間的接觸力隨頂板載荷的增加而增加，當(dāng)接觸力過(guò)大時(shí)，會(huì)超出掩護(hù)梁的承載極限，這時(shí)掩護(hù)梁會(huì)產(chǎn)生形變，這些形變的產(chǎn)生對(duì)于液壓支架的支撐作用會(huì)產(chǎn)生影響，使得防護(hù)能力下降，當(dāng)形變量過(guò)大時(shí)，會(huì)使得液壓支架垮塌，失去防護(hù)作用。

2.3 作用力傳遞系數(shù)

在液壓支架中，各連接位置的鉸接點(diǎn)是支架連接及進(jìn)行力傳遞的作用的主要構(gòu)造點(diǎn)，當(dāng)承受瞬時(shí)載荷時(shí)，首先是掩護(hù)梁進(jìn)行承壓，之后的部分，由立柱與各連接處的鉸接點(diǎn)將力向下傳遞，最終傳遞至底座上，由底座提供支撐力，保持系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。記錄分析各連接處鉸接點(diǎn)位置的承載變化，對(duì)于分析液壓支架的受力具有重要的意義。將頂梁與掩護(hù)梁、支架前后連桿處的鉸接點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

圖3 頂梁掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)受力變化趨勢(shì)圖

圖4 前連桿鉸接點(diǎn)受力變化趨勢(shì)圖

圖5 后連桿鉸接點(diǎn)受力變化趨勢(shì)圖

觀察各圖，從圖3中可以看出，頂梁與掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)處的力變化系數(shù)隨著載荷作用位置由前往后的移動(dòng)過(guò)程中，呈現(xiàn)先小后大的趨勢(shì)，且有負(fù)值的存在，這表示鉸接點(diǎn)處的受力呈現(xiàn)先增加然后減小，而減小的量也是先增加后變小，隨著載荷作用位置的后移，最后受力增加，且增加的量也逐漸增加。從整體變化趨勢(shì)上看，減小的量只占很小一部分，并且靠近鉸接點(diǎn)中心處的載荷作用使得受力的增加量最大，而作用于掩護(hù)梁中間位置時(shí)的載荷作用使得受力的減小量最大。上頁(yè)圖4中表示的是前連桿鉸接點(diǎn)處的受力變化趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，載荷作用位置由掩護(hù)梁正端移動(dòng)到后端的過(guò)程中，前連桿處的力變化系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，其數(shù)值在0值上方，表示受力全部處于增大的狀態(tài)，載荷作用在掩護(hù)梁正側(cè)時(shí)，使得鉸接點(diǎn)的力增加最大，而載荷作用在掩護(hù)梁反側(cè)時(shí)，使得鉸接點(diǎn)的力增加最小。上頁(yè)圖5中表示的是后連桿鉸接點(diǎn)處的受力變化趨勢(shì)圖，其變化規(guī)律與圖4中相反。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)載荷作用不同位置的模擬仿真，對(duì)于得到的結(jié)果進(jìn)行分析后，可以得出以下結(jié)論：

1）瞬時(shí)載荷作用時(shí)，當(dāng)作用點(diǎn)位于掩護(hù)梁前端時(shí)，頂梁水平前移的量最大，使得支架產(chǎn)生較大的前傾趨勢(shì)；

2）瞬時(shí)載荷作用時(shí)，當(dāng)作用點(diǎn)位于掩護(hù)梁后端時(shí)，產(chǎn)生的掩護(hù)梁與頂板之間的接觸力達(dá)到最大值，這時(shí)對(duì)頂梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響最大。

3）瞬時(shí)載荷作用時(shí)，掩護(hù)梁承載對(duì)各不同部位的鉸接點(diǎn)所產(chǎn)生的影響趨勢(shì)均不相同，但載荷作用點(diǎn)位于掩護(hù)梁前端時(shí)所產(chǎn)生的鉸接力均出現(xiàn)最大值。