李提建，劉新華

1天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部 北京 100013

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超 前液壓支架主要分為兩大類，一類為采用四連桿或套筒式穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的超前液壓支架，另一種為不帶穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的單元式超前支架[1-2]。超前液壓支架在使用中多存在 2 個(gè)突出的問題，一是移架時(shí)對(duì)頂板反復(fù)支撐破壞[3-4]；二是當(dāng)巷道頂、底板凹凸不平或拱形巷道時(shí)，存在接頂效果差，對(duì)巷道的支護(hù)不理想。

對(duì)比具有穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的超前支架，單元式支架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧輕便的特點(diǎn)，適宜用小車或單軌吊搬運(yùn)，從而避免了因移架反復(fù)支撐帶來(lái)的頂板破壞，是極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N架型[5]。

單元式超前支架和普通超前支架一樣，頂梁和其他部件間通過(guò)銷軸銷接，頂梁的偏轉(zhuǎn)角度很小，適應(yīng)頂板的能力不強(qiáng)；當(dāng)遇到拱形巷道或巷道頂、底板凹凸不平時(shí)，接頂效果不理想，不能對(duì)巷道有效支護(hù)，且偏轉(zhuǎn)載荷也會(huì)使銷接件的受力狀態(tài)變差，加速零部件的損壞，縮短支架壽命。

巷道在走向長(zhǎng)度上頂板起伏變化較多，即使支架頂梁適應(yīng)了當(dāng)前的頂板狀況，在下一次升架過(guò)程中若不能自動(dòng)復(fù)位到水平狀態(tài)，支架再次適應(yīng)頂板變化的能力就會(huì)變?nèi)酢；谝陨戏治觯芯繂卧匠耙簤褐Ъ茼斄浩D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和自復(fù)位機(jī)構(gòu)，解決頂梁對(duì)頂板的適應(yīng)性問題，對(duì)于促進(jìn)超前支護(hù)裝備的發(fā)展，改善超前支護(hù)狀態(tài)具有重要意義。

1 頂梁偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

單元支架由頂梁、底座和立柱組成。根據(jù)立柱數(shù)量可分為三立柱結(jié)構(gòu)和兩立柱結(jié)構(gòu)。為了使超前支架小巧輕便，現(xiàn)多采用兩立柱結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。

增加支架對(duì)巷道頂板的適應(yīng)能力，就是要增大頂梁偏轉(zhuǎn)角度。目前頂梁和立柱間多通過(guò)銷軸連接，增大立柱銷孔和銷軸間的讓位空間是最直接有效的辦法。圖 2 所示為在用的“紡錘銷軸式”頂梁偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。立柱上的柱頭孔采用錐形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，柱頂銷兩端采用紡錘形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠使頂梁偏轉(zhuǎn)一定角度，改善了超前支架的接頂效果，適用于巷道頂板起伏不大的情況。

無(wú)論是柱頭或銷軸都有強(qiáng)度要求，這決定了“紡錘銷軸式”結(jié)構(gòu)的讓位空間是有限的，太大的讓位空間會(huì)損傷零件的強(qiáng)度。采用該結(jié)構(gòu)的超前支架，當(dāng)頂板起伏較大或拱形巷道時(shí)，接頂效果依然不好，而且該結(jié)構(gòu)沒有頂梁復(fù)位功能。

圖1 單元式支架Fig.1 Unit hydraulic support

圖2 紡錘銷軸式偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.2 Spindle pinned def lection mechanism

為此，筆者提出了一種全新的頂梁偏轉(zhuǎn)自復(fù)位機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)進(jìn)一步增大了頂梁的讓位空間，且具有自復(fù)位功能，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖 3 所示：立柱球頭的直徑大于活柱桿體的直徑，以保證頂梁大角度偏轉(zhuǎn)后柱窩邊線不會(huì)與活柱的外表面干涉；球頭對(duì)稱兩側(cè)設(shè)置 2 個(gè)平面卡槽，便于對(duì)彈性復(fù)位橡膠施加載荷。

圖3 立柱球頭結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of bulb of column

新結(jié)構(gòu)采用卡盤連接立柱與頂梁，如圖 4 所示。豎向銷軸將卡盤與頂梁柱窩處的連接耳固定，卡盤上的球面與立柱球頭相配合，從而固定立柱球頭。復(fù)位橡膠墊放置在卡盤內(nèi)，通過(guò)螺栓與卡盤固定。當(dāng)頂梁偏轉(zhuǎn)時(shí)，立柱球頭的平面卡槽對(duì)復(fù)位橡膠墊的受力面施加載荷，頂梁卡盤的限位塊給復(fù)位橡膠墊提供支撐，復(fù)位橡膠墊變形；支架降架后，在復(fù)位橡膠墊彈力的作用下頂梁恢復(fù)水平姿態(tài)。采用新式的頂梁偏轉(zhuǎn)自復(fù)位機(jī)構(gòu)，頂梁最大可偏轉(zhuǎn) 20°。

圖4 立柱連接方式示意Fig.4 Column connecting mode

2 復(fù)位機(jī)構(gòu)有限元分析

在頂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，復(fù)位橡膠墊由于變形而存儲(chǔ)彈性勢(shì)能，供支架降架后頂梁自復(fù)位。該機(jī)構(gòu)能否應(yīng)用成功，很大程度上取決于復(fù)位載荷的大小。因此需要對(duì)復(fù)位橡膠墊進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)位載荷進(jìn)行校核。

2.1 計(jì)算模型

復(fù)位橡膠墊材質(zhì)為聚氨酯，具有超彈性能，是一種典型的非線性材料，一般認(rèn)為其在未變形狀態(tài)下是各向同性的，并認(rèn)為是不可壓縮材料。超彈材料的應(yīng)力狀態(tài)一般由彈性勢(shì)能函數(shù)W對(duì)應(yīng)變分量的導(dǎo)數(shù)來(lái)表示；所以其本構(gòu)關(guān)系可用應(yīng)變能密度函數(shù)表示，常采用 Mooney-Rivilin 模型[6-9]。Mooney-Rivilin 本構(gòu)模型的應(yīng)變能密度函數(shù)為

式中：C10、C01為材料常數(shù)；I1、I2分別為應(yīng)變張量第1 和第 2 不變量。

彈性體的不可壓縮參數(shù)

依據(jù)上述理論，采用有限元方法對(duì)復(fù)位橡膠墊進(jìn)行分析。頂梁偏轉(zhuǎn)時(shí)，卡盤、復(fù)位橡膠墊和立柱球頭組成一個(gè)完整分析系統(tǒng)，且為載荷對(duì)稱機(jī)構(gòu)。所以取3 個(gè)零件的一半進(jìn)行建模，如圖 5 所示。

圖5 復(fù)位機(jī)構(gòu)有限元模型Fig.5 Finite element model of restoring mechanism

2.2 基于 MFC 法的載荷施加與接觸處理

頂梁偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)卡盤和復(fù)位橡膠墊轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠墊的受力面和球頭平面卡槽接觸，復(fù)位橡膠墊變形。該過(guò)程中施加的是圍繞球頭球心的旋轉(zhuǎn)位移，這一過(guò)程也等價(jià)于橡膠墊和卡盤不動(dòng)，而球頭繞球心旋轉(zhuǎn)一定角度。筆者采用給球頭施加角度位移的方法進(jìn)行分析。

在有限元分析中，線位移比較好施加；圍繞某一點(diǎn)的角位移需借助 MFC 法中的“剛性約束面”進(jìn)行處理[10]。MFC 的剛性約束面法是指利用接觸單元和技術(shù)，接觸節(jié)點(diǎn)受導(dǎo)向節(jié)點(diǎn) (目標(biāo)單元) 的剛體運(yùn)動(dòng)所約束，通過(guò)多點(diǎn)約束方程形成剛性面，而剛性面的運(yùn)動(dòng)通過(guò)導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)施方法為：在球心處額外建立 1 個(gè)單元并定義為導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)，通過(guò)約束方程把導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)和球頭建立聯(lián)系，球頭跟隨導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；對(duì)導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)施加角度位移，便可實(shí)現(xiàn)球頭繞球心的轉(zhuǎn)動(dòng)。

筆者選用 Solid185 單元，因其可用于模擬不可壓縮和超彈材料分析，也可用于模擬可壓縮材料的彈性分析。對(duì)于超彈材料，取=0.499 67；球頭和卡盤的材料取=0.3；接觸單元選用 CONTA173，目標(biāo)單元選用 TARGE170；復(fù)位橡膠墊和卡盤及球頭的接觸定義為“標(biāo)準(zhǔn)接觸”。

2.3 復(fù)位載荷分析

球頭角度位移 15°時(shí)，復(fù)位橡膠墊的應(yīng)力如圖 6所示，復(fù)位機(jī)構(gòu)位移如圖 7 所示。復(fù)位橡膠墊一側(cè)發(fā)生明顯變形，其最大應(yīng)力為 1 MPa，發(fā)生在球頭平面卡槽棱邊的接觸處。

圖6 復(fù)位橡膠墊應(yīng)力云圖Fig.6 Stress contours of restoring rubber pad

圖7 復(fù)位機(jī)構(gòu)位移云圖Fig.7 Displacement contours of restoring mechanism

根據(jù)力的相互作用原理，復(fù)位橡膠墊接觸單元的合力即為復(fù)位力；接觸單元力對(duì)球心的合力矩即為復(fù)位力矩。接觸單元的合力及對(duì)某點(diǎn)的矩可在后處理中根據(jù)命令 ETABLE、SPOINT 和 Fsum 求得。考慮球頭的摩擦力，根據(jù)頂梁質(zhì)量、球頭半徑和偏轉(zhuǎn)角度可得出阻力距。取頂梁質(zhì)量為 920 kg，球頭半徑為 100 mm。

頂梁偏轉(zhuǎn) 3 種不同角度時(shí)的復(fù)位力如表 1 所列。

表1 不同偏轉(zhuǎn)角度下的復(fù)位力Tab.1 The reset force table

分析表 1 數(shù)據(jù)可得：

(1) 頂梁偏轉(zhuǎn) 5°、10°和 15°時(shí)，復(fù)位力距分別為 2.52×105、4.38×105和 6.4×105N·mm，均大于阻力距，說(shuō)明頂梁可以復(fù)位。

(2) 頂梁偏轉(zhuǎn) 5°、10°和 15°時(shí)，復(fù)位力矩與阻力距的比值分別為 1.05、1.47 和 1.81，表明頂梁偏轉(zhuǎn)角度越大，復(fù)位效果越明顯。這主要和阻力矩的組成有關(guān)。阻力矩由頂梁自身重力產(chǎn)生的阻力距和立柱球頭的摩擦阻力矩組成。由于頂梁質(zhì)量和球頭半徑均為定值，球頭的摩擦阻力矩為定值，因此頂梁偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，復(fù)位橡膠墊的變形較小，復(fù)位力矩較小，但摩擦阻力矩不變，從而導(dǎo)致復(fù)位力矩與阻力矩的比值變小。

(3) 采用特殊的高強(qiáng)度彈性材料，增大C10和C01的值，可以進(jìn)一步增大復(fù)位力矩。

3 結(jié)語(yǔ)

單元式液壓支架是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募苄??；谠摷苄驮O(shè)計(jì)的頂梁旋轉(zhuǎn)自復(fù)位機(jī)構(gòu)，不僅進(jìn)一步增大了頂梁的旋轉(zhuǎn)角度，還可在下一次升架前自動(dòng)使頂梁恢復(fù)水平姿態(tài)，從而提高了超前支架對(duì)頂板的適應(yīng)性。

利用有限元 MFC 多點(diǎn)約束分析方法對(duì)復(fù)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，復(fù)位力矩大于阻力距，頂梁能夠復(fù)位。尋找特殊的高強(qiáng)度橡膠材料，可進(jìn)一步提高復(fù)位力矩。后續(xù)還需進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)位橡膠墊的結(jié)構(gòu)。