大采高采場(chǎng)液壓支架的靜力學(xué)分析

劉錦武

（西山煤電西曲礦綜采二隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

礦井工作面開(kāi)采所需的采掘設(shè)備之一為液壓支架，其主要負(fù)責(zé)采空區(qū)覆巖支撐以及保護(hù)開(kāi)采設(shè)備和工作人員的安全。大采高采場(chǎng)煤層厚度較大，與普通采高工作面相比，其開(kāi)采過(guò)程會(huì)引起更加強(qiáng)烈的沖擊載荷作用，同時(shí)煤壁發(fā)生失穩(wěn)破壞的范圍和概率均較大，工作人員的安全也存在較大隱患；一般的液壓支架在大采高條件下容易發(fā)生壓架以及護(hù)幫板損壞等現(xiàn)象，故對(duì)液壓支架工作穩(wěn)定性要求更高，大采高條件下液壓支架需要有較大的功率、較高的支護(hù)阻力以及運(yùn)行的可靠性。在液壓支架完成其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后需要進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)[1-3]，審核各個(gè)構(gòu)件在采場(chǎng)礦壓的作用下是否可以保持較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，而檢驗(yàn)的主要方法就是對(duì)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析。本文以大采高采場(chǎng)超靜定液壓支架為研究對(duì)象，主要通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 支架介紹

本文研究的支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該支架的主要結(jié)構(gòu)包括立柱、千斤頂、底座以及伸縮掩護(hù)梁等。該支架設(shè)計(jì)支撐立柱數(shù)為8，這樣對(duì)頂梁施加的載荷分布較為均勻，支架支護(hù)阻力通過(guò)立柱和安全閥來(lái)調(diào)節(jié)；該支架為超靜定液壓支架，控制覆巖變形的效果更好；支架立柱內(nèi)部的液柱較長(zhǎng)，受力時(shí)的壓縮性較好，故可承受較強(qiáng)烈的沖擊載荷作用，該立柱同時(shí)通過(guò)銷(xiāo)軸與頂梁和底座連接，故支架在采場(chǎng)覆巖運(yùn)移變形的作用下所受載荷依然會(huì)平行于立柱軸線(xiàn)方向，發(fā)生偏載的可能性大大減小，故立柱工作的穩(wěn)定性得到提升。

在數(shù)值模擬過(guò)程中可得到支架主要構(gòu)件的受力和變形特征，在監(jiān)測(cè)支架強(qiáng)度的同時(shí)還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工作強(qiáng)度較為薄弱的構(gòu)件，為支架在采場(chǎng)中工作的穩(wěn)定性提供一定依據(jù)。

圖1 大采高采場(chǎng)支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 有限元法介紹

有限元法對(duì)研究對(duì)象的應(yīng)力和變形特征[4]進(jìn)行分析時(shí)可劃分為以下5個(gè)流程：

1）認(rèn)為研究對(duì)象由許多多面體單元構(gòu)成，各單元之間的接觸方式為點(diǎn)接觸。同時(shí)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的精確程度隨著劃分單元數(shù)目的增加而提高。

2）建立單元?jiǎng)偠染仃嚕缡剑?）所示，通過(guò)位移模式對(duì)研究對(duì)象的各個(gè)單元進(jìn)行分析。

3）確定研究對(duì)象的邊界約束條件，根據(jù)應(yīng)力平衡方程推導(dǎo)研究對(duì)象的有限元如式（2）所示。

4）通過(guò)合理的算法和邊界條件來(lái)求解式（2），從而得到單元節(jié)點(diǎn)的變形情況。

5）基于彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)得到單元的應(yīng)力和變形值。具體分析流程如下頁(yè)圖2所示。

由于液壓支架的組成構(gòu)件數(shù)量太多，故對(duì)大采高采場(chǎng)超靜定支架進(jìn)行有限元分析時(shí)需要對(duì)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的合理簡(jiǎn)化，對(duì)模擬結(jié)果影響較小的構(gòu)件進(jìn)行去除。本文所做的簡(jiǎn)化如下所示：

圖2 有限元分析的流程示意圖

1）去除次要承載構(gòu)件（護(hù)幫板、伸縮梁等），通過(guò)立柱內(nèi)部的液柱進(jìn)行載荷施加。

2）對(duì)各個(gè)構(gòu)件的尖角和圓角等進(jìn)行適當(dāng)處理，從而簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格的劃分過(guò)程。

3）支架主要的承載構(gòu)件均為箱式結(jié)構(gòu)，模擬時(shí)認(rèn)為承載構(gòu)件的每一部分均為一個(gè)整體。

4）忽略支架內(nèi)部銷(xiāo)軸等與鉆孔間的空隙。

本次對(duì)支架進(jìn)行靜力學(xué)數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置支架支撐高度為5.67 m，劃分單元體主要為四面體，由此建立的支架模型如圖3所示。

圖3 5.67 m支撐高度支架模型示意圖

礦井手冊(cè)中要求支架加載力為支護(hù)阻力的1.2倍，本次模擬通過(guò)立柱內(nèi)部的液柱施加加載力，故確定加載力為55 MPa，對(duì)支架上部的頂梁和下部的底座施加速度和變形約束條件，則該支撐高度下模型的受載情況如圖4所示。

圖4 5.67 m支撐高度支架模型受載情況示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 支架頂梁穩(wěn)定性分析（如圖5所示）

在圖5中，支架定量?jī)蓚?cè)施加了位移約束，從圖5-1中可以看出，頂梁中間位置為應(yīng)力集中位置，集中載荷達(dá)到了410 MPa，這是由于支架兩側(cè)的位移約束相當(dāng)于對(duì)這兩處進(jìn)行了鉸接，從而使支架定量等同于鉸支梁模型；從頂梁中部到兩側(cè)，所受的載荷逐漸減小，整體上頂梁中部蓋板所受的載荷較大，平均為275 MPa。本文研究大采高支架定量的極限強(qiáng)度為700 MPa，由此說(shuō)明頂梁所受的應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)。

圖5 支架頂梁穩(wěn)定性云圖

從圖5-2可以發(fā)現(xiàn)，從兩邊到中間，頂梁的變形逐步增大，最大值為7.5 mm，這依然是由于支架頂梁兩側(cè)位移約束的緣故，鉸支梁發(fā)生彎曲時(shí)中間位置的撓度最大。

3.2 支架底座穩(wěn)定性分析（如下頁(yè)圖6所示）

在圖6-1中可以看出，底座的千斤頂耳板位置為應(yīng)力集中位置，集中載荷達(dá)到了530 MPa，這是因?yàn)樵谥Ъ苁茌d過(guò)程中，為了最大程度對(duì)底座不同構(gòu)件處的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)千斤頂進(jìn)行應(yīng)力施加；整體上立柱與底座連接的銷(xiāo)軸周?chē)菀装l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，比如支架豎立的筋板位置，但集中應(yīng)力值均處于底座的極限強(qiáng)度之下。從下頁(yè)圖6-2可以發(fā)現(xiàn)，同樣是底座的千斤頂耳板位置變形最為顯著，其值大約為6 mm，該值要低于頂梁的最大變形，同時(shí)位移分布并不對(duì)稱(chēng)，整體上支架底座不同位置的位移均在彈性變形范圍內(nèi)，故底座穩(wěn)定性較高。

圖6 支架底座穩(wěn)定性云圖

3.3 支架掩護(hù)梁穩(wěn)定性分析（如圖7所示）

支架頂梁和底座直接受采場(chǎng)采動(dòng)引起的載荷作用，而支架掩護(hù)梁雖然沒(méi)有直接承載，但對(duì)于載荷的傳遞起到至關(guān)重要的作用，故掩護(hù)梁的靜力學(xué)特征也顯得尤為重要。從圖7中可以看出，掩護(hù)梁在頂梁連接耳板處為應(yīng)力集中位置，同時(shí)也是位移最大點(diǎn)，集中應(yīng)力值為380 MPa，最大位移為3.25 mm；整體上掩護(hù)梁的位移分布較為對(duì)稱(chēng)均勻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到材料的極限變形值，故支架掩護(hù)梁在載荷作用下變形特征表現(xiàn)為彈性變形。

圖7 支架掩護(hù)梁穩(wěn)定性云圖

3.4 支架連桿穩(wěn)定性分析（如圖8所示）

支架連桿的主要作用同樣是進(jìn)行載荷的傳遞，從圖8中可以看出，連桿在底座連接耳板處為應(yīng)力集中位置，同時(shí)也是位移最大點(diǎn)，集中應(yīng)力值為446 MPa，最大位移為3.7 mm；整體上支架連桿的受載強(qiáng)度較小，位移也遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到極限變形值，故連桿的工作穩(wěn)定性也較高。

圖8 支架連桿穩(wěn)定性云圖

4 結(jié)論

大采高采場(chǎng)對(duì)支架工作穩(wěn)定性的要求要高于普通采高采場(chǎng)，而在液壓支架完成其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后需要進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，主要方法就是對(duì)支架進(jìn)行靜力學(xué)分析，故本文以大采高采場(chǎng)超靜定液壓支架為研究對(duì)象，主要通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)支架進(jìn)行了靜力學(xué)分析。主要結(jié)論如下：

1）對(duì)支架直接的承載構(gòu)件（頂梁和底座）的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，認(rèn)為頂梁中間位置為應(yīng)力集中位置，集中載荷達(dá)到了410 MPa，位移最大值為7.5 mm；底座的千斤頂耳板位置為應(yīng)力集中位置，集中載荷達(dá)到了530 MPa，位移最大值為6 mm。

2）對(duì)支架內(nèi)部起載荷傳遞作用構(gòu)件（掩護(hù)梁和連桿）的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，認(rèn)為掩護(hù)梁在頂梁連接耳板處應(yīng)力和位移均達(dá)到最大，分別為380 MPa和3.25 mm；連桿在底座連接耳板處應(yīng)力和位移同樣達(dá)到最大，分別為446 MPa和3.7 mm。

3）整體上，支架各個(gè)構(gòu)件所受的應(yīng)力均處在極限強(qiáng)度之下，位移均在彈性變形范圍內(nèi)，故各個(gè)構(gòu)件的穩(wěn)定性較高。

參考文獻(xiàn)

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