不同加載條件下液壓支架承載及鉸接點(diǎn)載荷研究

曾慶良，李兆基，萬(wàn)麗榮，楊 揚(yáng)，祝衍鵬

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，能夠支撐和管理頂板，保護(hù)工作面設(shè)施及維持安全工作空間。液壓支架的強(qiáng)度適應(yīng)性和可靠性對(duì)綜采工作面能否安全高效生產(chǎn)有重要影響[1-3]。礦井下地質(zhì)條件和開(kāi)采環(huán)境的復(fù)雜性使液壓支架的受力情況變得尤為復(fù)雜，進(jìn)而對(duì)支架的承載特性和適應(yīng)性提出了較高的要求[4-8]。王國(guó)法等[9]分析了超大采高液壓支架與圍巖的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性耦合關(guān)系并研究了穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵技術(shù)。李化敏等[10]研究了放頂煤液壓支架的承載特性，指出了液壓支架結(jié)構(gòu)特性決定其承載特性，而承載特性決定其適應(yīng)性。王陽(yáng)陽(yáng)等[11]分析內(nèi)、外加載試驗(yàn)下頂梁受到的作用力和變形的區(qū)別，指出了在內(nèi)加載中對(duì)支柱內(nèi)壓力進(jìn)行控制從而接近外加載狀況。張德生等[12]對(duì)液壓支架內(nèi)外加載進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，指出了在不同工況下液壓支架響應(yīng)差異明顯。曹連民等[13]建立了液壓支架有限元模型，分析了大采高液壓支架的應(yīng)力和變形特點(diǎn)。He等[14]研究了液壓支架在復(fù)合工況下的應(yīng)力分布特性，指出了液壓支架處于各種工況下的危險(xiǎn)區(qū)域和薄弱區(qū)域，為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。劉向麗等[15]研究了液壓支架在不同工況下其應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，提高了支架的承載能力和支護(hù)性能。梁利闖等[16]研究了在沖擊載荷下液壓支架的力傳遞特性，指出了不同作用位置對(duì)各鉸接點(diǎn)力傳遞特性和敏感度的影響。萬(wàn)麗榮等[17]分析了掩護(hù)梁在受到?jīng)_擊載荷之后對(duì)其影響，指出了不同載荷位置使支架的變化趨勢(shì)不同，為支架的穩(wěn)定性控制和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考。曾慶良等[18]研究了不同高度和不同壓力大小對(duì)液壓支架力傳遞特性的影響，指出了液壓支架各鉸接點(diǎn)、立柱和平衡千斤頂所受載荷的影響。

基于前人對(duì)液壓支架力學(xué)分析的理論與方法，為進(jìn)一步探究不同加載條件對(duì)液壓支架的影響趨勢(shì)，本文以ZF5600/16.5/26放頂煤液壓支架為研究對(duì)象，構(gòu)建了液壓支架多體動(dòng)力學(xué)模型，將加載條件分為加載形式和加載工況兩類(lèi)，對(duì)比分析在內(nèi)、外加載形式下液壓支架的承載狀況和各鉸接點(diǎn)的載荷特征響應(yīng)差異。在此基礎(chǔ)上，為更加全面地了解承載過(guò)程中鉸接點(diǎn)的載荷變化趨勢(shì)及力的傳遞特性，結(jié)合液壓支架不同工況，研究了外加載下液壓支架鉸接點(diǎn)的載荷變化趨勢(shì)，并對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行應(yīng)力分析，更加直觀的體現(xiàn)出各鉸接點(diǎn)位置力的傳遞特性，為支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和可靠性分析提供參考依據(jù)。

1 加載條件的確定及模型構(gòu)建

1.1 內(nèi)加載動(dòng)力學(xué)模型

放頂煤液壓支架由頂梁、掩護(hù)梁、尾梁、底座等組成，因?yàn)楸疚难芯恐匾休d部件的力學(xué)特性，所以將非主要承載部件如側(cè)護(hù)板、護(hù)幫板等忽略，同時(shí)縮短仿真用時(shí)，簡(jiǎn)化各部件中的圓角、倒角等細(xì)小結(jié)構(gòu)和忽略放煤機(jī)構(gòu)，建立的液壓支架實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 液壓支架實(shí)體模型

為了分析液壓支架各部件在承載過(guò)程中應(yīng)變情況，利用Hypermesh軟件對(duì)液壓支架進(jìn)行柔性化處理，并且定義轉(zhuǎn)動(dòng)副連接鉸接處所建立的剛性節(jié)點(diǎn)區(qū)域，以便于力在鉸接點(diǎn)的傳遞。對(duì)于液壓支架內(nèi)加載來(lái)說(shuō)，只考慮其重要承載結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，而不考慮立柱的力學(xué)特性，所以在內(nèi)加載動(dòng)力學(xué)模型中把立柱移除，生成的內(nèi)加載動(dòng)力學(xué)模型。

1.2 外加載動(dòng)力學(xué)模型

利用圖1中的液壓支架實(shí)體模型，建立液壓支架外加載動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。為了研究鉸接點(diǎn)載荷變化，在各部件鉸接處建立了剛性節(jié)點(diǎn)區(qū)域并定義了轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。由于頂梁上方受到外載荷的作用，立柱缸內(nèi)的液體被壓縮，這樣立柱缸內(nèi)壓力升高進(jìn)而能夠提供足夠的支撐力去抵抗外載荷，這就需要立柱具備一定的彈性，而這種現(xiàn)象就是液壓缸的壓縮升壓特性，所以在液壓支架外加載動(dòng)力學(xué)模型中采用彈簧阻尼系統(tǒng)去等效替代立柱。

1.3 立柱等效彈簧阻尼系統(tǒng)剛度求解

在液壓支架外加載動(dòng)力學(xué)模型中，立柱由彈簧阻尼系統(tǒng)等效代替，其等效剛度系數(shù)為：

式中，K為等效剛度系數(shù)，N/m；A為液壓缸傳遞液體壓力時(shí)得有效面積，m2；β為液壓液的體積彈性模量，水包油乳化液β=1.95×109Pa；L為液壓缸內(nèi)有效液柱長(zhǎng)度，m。

立柱的缸徑參數(shù)和有效液柱長(zhǎng)度代入到式(1)中，求解的等效剛度系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 立柱有關(guān)參數(shù)及等效剛度系數(shù)求解結(jié)果

1.4 加載工況確定

為了有效檢驗(yàn)液壓支架強(qiáng)度適應(yīng)性和可靠性，根據(jù)《煤礦用液壓支架》(GB25974.1—2010)技術(shù)要求中的規(guī)定，通過(guò)引入墊塊的方式去模擬井下工況，并且把墊塊作為整個(gè)液壓支架的邊界約束條件。在內(nèi)加載形式下假定立柱對(duì)柱窩的力均勻作用于柱窩內(nèi)表面，內(nèi)加載工況模型如圖3所示。為使液壓支架在承載過(guò)程更加接近實(shí)際情況，在液壓支架上方添加一剛性頂板，模擬液壓支架在井下的承載狀況。為便于分析支架受力對(duì)整體和局部的影響，在頂梁對(duì)稱(chēng)面建立XOY坐標(biāo)系，取頂梁鉸接點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸沿著頂梁長(zhǎng)度方向且正方向?yàn)轫斄呵岸朔较?，Y正方向沿著頂梁寬度且正方向?yàn)轫斄赫齻?cè)方向。

1—頂梁；2，3—墊塊；4—?jiǎng)傂皂敯?；F1—前排立柱內(nèi)加載力；F2—后排立柱內(nèi)加載力圖3 內(nèi)加載工況模型

為對(duì)比分析在不同加載形式下液壓支架的影響，依據(jù)頂梁加載標(biāo)準(zhǔn)，選取頂梁兩端加載方式。除此之外，為分析不同加載工況下外加載對(duì)液壓支架各鉸接點(diǎn)載荷特性的影響，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選取頂梁均布加載、頂梁偏心加載、頂梁扭轉(zhuǎn)加載三種工況。不同加載工況墊塊位置尺寸如圖4所示，墊片厚度為50mm。

圖4 不同加載工況墊塊位置尺寸(mm)

2 不同加載形式分析

2.1 頂梁承載狀況

頂梁在支護(hù)過(guò)程中是與載荷直接接觸的，頂梁作為重要的承載部件，當(dāng)其產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損壞時(shí)，將會(huì)影響整體的支護(hù)性能，所以頂梁的承載狀況對(duì)液壓支架整體的性能有重要的影響。

頂梁在內(nèi)、外加載形式下應(yīng)力分布如圖5所示。由圖5可知，在內(nèi)加載形式下，頂梁上表面的前端應(yīng)力分布呈現(xiàn)出波浪狀，其數(shù)值大小沿長(zhǎng)度方向向內(nèi)逐漸增大再減小，到頂梁中部位置應(yīng)力集中區(qū)域較為規(guī)整，通過(guò)下表面應(yīng)力分布可以看出，在前柱窩附近的豎筋板與橫筋板的位置應(yīng)力較大并呈現(xiàn)出“日”字型，并且后柱窩及其附近應(yīng)力值明顯低于前柱窩。在外加載形式下，頂梁上表面應(yīng)力分布呈現(xiàn)出層次狀分布，在頂梁中部應(yīng)力較大呈現(xiàn)出“土”字型，在頂梁下表面中前柱窩及其附近應(yīng)力值明顯低于后柱窩。從應(yīng)力值角度看，外加載下頂梁所受應(yīng)力要大于內(nèi)加載且都滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求。兩種加載方式下頂梁的應(yīng)力分布存在一些共同點(diǎn)，頂梁應(yīng)力值分布從中間向兩端逐漸減小，其中最大應(yīng)力都集中在與墊塊接觸的位置附近，并且在頂梁正反側(cè)的筋板邊緣處應(yīng)力較大。

圖5 兩端加載工況頂梁應(yīng)力分布

為探究?jī)煞N加載形式對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)變形的影響，從頂梁上表面的對(duì)稱(chēng)面沿著長(zhǎng)度方向在X軸上均勻選取節(jié)點(diǎn)44個(gè)。頂梁在內(nèi)、外加載下Y方向變形趨勢(shì)如圖6所示。由圖6可知，在內(nèi)、外加載形式下，沿頂梁后端到前端的方向Y方向變形趨勢(shì)都是先增加后減小，呈現(xiàn)出開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)型，從變形差值能夠看出內(nèi)加載對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)影響較大。后柱窩區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)10，前柱窩區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C，變形量最大的區(qū)域集中于前柱窩區(qū)域。

圖6 兩端加載工況頂梁Y方向變形趨勢(shì)

2.2 掩護(hù)梁承載狀況

圖7 兩端加載工況掩護(hù)梁應(yīng)力變化

掩護(hù)梁是四連桿機(jī)構(gòu)的重要組成部分，上與頂梁鉸接，下與連桿鉸接，所以掩護(hù)梁是把承載力由上遞下的重要部件，因此掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響著液壓支架的承載性能。為探究掩護(hù)梁在支架承載過(guò)程中應(yīng)力值的變化，從掩護(hù)梁對(duì)稱(chēng)面上沿著長(zhǎng)度方向均勻選取網(wǎng)格單元并提取出應(yīng)力數(shù)據(jù)。掩護(hù)梁在內(nèi)、外加載下應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖7所示。由圖7可知，在兩種加載形式下掩護(hù)梁對(duì)稱(chēng)面所受應(yīng)力沿著長(zhǎng)度方向先減小后增大，在1/4位置處應(yīng)力處于最低區(qū)域。從應(yīng)力的峰值大小可以看出內(nèi)加載對(duì)掩護(hù)梁影響比較大，在 0～0.1s內(nèi)掩護(hù)梁的應(yīng)力發(fā)生突變。

2.3 鉸接點(diǎn)載荷分析

由于內(nèi)、外加載形式所選取的是兩端加載工況，所以在對(duì)稱(chēng)加載下，只選取正側(cè)鉸接點(diǎn)繪制載荷變化曲線(xiàn)。內(nèi)、外加載下頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)力作用在頂板后，頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)載荷變化可分為波動(dòng)區(qū)、穩(wěn)定區(qū)這兩個(gè)區(qū)段。在內(nèi)加載中，時(shí)間在0.094s之后鉸接點(diǎn)載荷趨向穩(wěn)定變化，對(duì)于外加載則在0.124s后鉸接點(diǎn)載荷趨向穩(wěn)定變化，并且內(nèi)加載下鉸接點(diǎn)載荷穩(wěn)定值要大于外加載。從載荷峰值角度來(lái)看，在外加載下鉸接點(diǎn)的峰值要略大。在載荷波動(dòng)區(qū)中，內(nèi)加載鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)程度要比外加載鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)程度更劇烈。

由于前、后連桿為二力桿且自重對(duì)鉸接點(diǎn)受力影響較小，所以繪制前、后連桿上鉸接點(diǎn)的載荷變化曲線(xiàn)。內(nèi)、外加載下前、后連桿鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)如圖9所示。由圖9可知，內(nèi)加載相比外加載來(lái)說(shuō)，前者使得前、后連桿鉸接點(diǎn)受力更大且波動(dòng)程度劇烈，同時(shí)鉸接點(diǎn)處載荷達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間也較短。在同種加載形式下，后連桿鉸接點(diǎn)受力大于前連桿鉸接點(diǎn)受力，可知后連桿在力傳遞過(guò)程中會(huì)受到較大的作用力。

圖8 頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)

圖9 前、后連桿鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)

3 不同加載工況分析

3.1 頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)

從上文選取的工況，根據(jù)加載力作用于頂板的位置可分為對(duì)稱(chēng)加載工況和非對(duì)稱(chēng)加載工況，以圖3所規(guī)定的方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，Y方向的正向?yàn)檎齻?cè)，反向?yàn)楫悅?cè)。各工況頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)如圖10所示。由圖10可知，鉸接點(diǎn)載荷變化均可看作波動(dòng)區(qū)、穩(wěn)定區(qū)兩個(gè)階段，頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)載荷大小在對(duì)稱(chēng)加載工況下小于非對(duì)稱(chēng)加載工況。在對(duì)稱(chēng)加載工況下，均布加載使鉸接點(diǎn)載荷變化平緩且鉸接點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)和穩(wěn)定值為四種工況中最小，在非對(duì)稱(chēng)加載工況下，偏心加載使鉸接點(diǎn)載荷變化劇烈且隨著時(shí)間增加其波動(dòng)值越來(lái)越大直到趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)和穩(wěn)定值為四種工況最大。由于頂梁異側(cè)為偏心加載的受載側(cè)，可以看到其異側(cè)鉸接點(diǎn)載荷最大，雖然扭轉(zhuǎn)加載為非對(duì)稱(chēng)加載，但是可以看到其正側(cè)和異側(cè)的載荷差距不大。

圖10 頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)

3.2 掩護(hù)梁-前連桿鉸接點(diǎn)

掩護(hù)梁-前連桿鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)如圖11所示。由圖11可知，在每種工況下，掩護(hù)梁-前連桿鉸接點(diǎn)變化趨勢(shì)和頂梁-掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)變化趨勢(shì)相近，在鉸接點(diǎn)載荷處于穩(wěn)定區(qū)中，偏心加載正側(cè)鉸接點(diǎn)載荷為5.9×105N，為工況中最大值，均布加載鉸接點(diǎn)載荷為2.4×104N，為工況中最小值，并且載荷最大幅值約是最小幅值的25倍。從鉸接點(diǎn)載荷變化趨勢(shì)可以看出，偏心加載工況下需要較長(zhǎng)時(shí)間才能使鉸接點(diǎn)載荷趨向穩(wěn)定，均布加載工況下鉸接點(diǎn)載荷仍然在較短時(shí)間內(nèi)即可穩(wěn)定。

圖11 掩護(hù)梁-前連桿鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)

3.3 掩護(hù)梁-后連桿鉸接點(diǎn)

掩護(hù)梁-后連桿鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)如圖12所示。由圖12可知，鉸接點(diǎn)載荷變化最小的為均布加載工況，但鉸接點(diǎn)載荷變化最大的為扭轉(zhuǎn)加載工況，且在扭轉(zhuǎn)工況下鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)最為劇烈。從載荷變化趨勢(shì)可得，在每種工況下掩護(hù)梁-后連桿鉸接點(diǎn)載荷達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間都比其他鉸接點(diǎn)要長(zhǎng)。

圖12 掩護(hù)梁-后連桿鉸接點(diǎn)載荷變化曲線(xiàn)

3.4 掩護(hù)梁應(yīng)力分析

上述分析的鉸接點(diǎn)都集中于掩護(hù)梁，但是僅通過(guò)各鉸接點(diǎn)不能完全得到掩護(hù)梁的承載狀況，所以對(duì)掩護(hù)梁的應(yīng)力分析更能直觀的體現(xiàn)出不同加載工況下的承載狀況和鉸接點(diǎn)載荷特性。

不同工況下掩護(hù)梁應(yīng)力分布如圖13所示。由圖13可知，在對(duì)稱(chēng)加載工況下，掩護(hù)梁的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)形式，其中在兩端加載工況下掩護(hù)梁靠近鉸接點(diǎn)處的應(yīng)力較大，中部及周邊區(qū)域應(yīng)力較小，并且在后鉸接點(diǎn)附近應(yīng)力主要集中于鉸接點(diǎn)內(nèi)側(cè)，在均布加載工況下掩護(hù)梁應(yīng)力值為所有工況下最小，其應(yīng)力分布集中于掩護(hù)梁下端。在非對(duì)稱(chēng)加載工況下，掩護(hù)梁的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不均勻形式，其中在偏心加載工況下掩護(hù)梁應(yīng)力值為所有工況下最大，在掩護(hù)梁下側(cè)中部應(yīng)力較為集中，后鉸接點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象較少，在扭轉(zhuǎn)加載工況下應(yīng)力分布集中于加載側(cè)(異側(cè))，其中部區(qū)域應(yīng)力值較小，而后鉸接點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力值較大。

4 結(jié) 論

1)內(nèi)、外加載形式對(duì)液壓支架的承載狀況及鉸接點(diǎn)載荷特性表現(xiàn)出不同的影響趨勢(shì)。在內(nèi)加載形式下，頂梁前柱窩及其附近所受應(yīng)力較大。在外加載形式下，頂梁后柱窩及其附近所受應(yīng)力較大。

2)在內(nèi)加載形式下，鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)較為劇烈，其峰值要遠(yuǎn)大于穩(wěn)定值，說(shuō)明內(nèi)加載使頂梁和掩護(hù)梁的承載狀況較為嚴(yán)峻。對(duì)于后連桿鉸接點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其所受影響較大，在力傳遞過(guò)程中會(huì)受到較大的作用力。

3)不同加載工況對(duì)鉸接點(diǎn)載荷的影響趨勢(shì)各不相同。在偏心加載工況下其鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)較為劇烈，使掩護(hù)梁等部件承載較大，所以在該工況下液壓支架的可靠性所受影響最大。相反的，均布加載工況下液壓支架可靠性程度最高。

4)在扭轉(zhuǎn)加載工況下后連桿鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)最為劇烈，同時(shí)每種工況后連桿鉸接點(diǎn)載荷波動(dòng)時(shí)間都較長(zhǎng)，反應(yīng)出作用力從頂板傳遞到后連桿需有一定時(shí)間，這就要求后連桿要有足夠的強(qiáng)度去保證力傳遞過(guò)程的可靠性。