煤礦長(zhǎng)壁工作面液壓支架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析研究

陳石杰

（霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 031400）

0 引言

了解液壓支架的力學(xué)特性和剛度對(duì)于確保礦井的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，對(duì)于液壓支架設(shè)備結(jié)構(gòu)更換和維護(hù)困難的薄煤層工作面來(lái)說(shuō)尤其如此。應(yīng)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法，使用現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和分析軟件對(duì)支撐部件進(jìn)行分析。研究結(jié)果對(duì)煤層礦井設(shè)計(jì)、薄弱部位剛度預(yù)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。通過(guò)先前研究表明受沖擊影響的液壓支架掩護(hù)梁的加載會(huì)影響支架的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、受力狀態(tài)和掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)，本文主要考慮的是垂直方向運(yùn)動(dòng)影響液壓支架上的載荷。然而，相對(duì)較少的研究報(bào)告試圖了解橫向載荷如何改變液壓支架結(jié)構(gòu)[1]。本研究基于支架組的力學(xué)特性，通過(guò)分析液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)研究橫向載荷的影響。利用ANSYS 模擬軟件分析了偏載條件下關(guān)鍵部件如頂梁、底座和立柱的應(yīng)力和變形。對(duì)這些部件的薄弱部分在不同工況下進(jìn)行了識(shí)別，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所述研究方法的可行性。

1 液壓支架支撐組的工況分析

工作中的液壓支架通常具有增加阻力和壓力、恒阻軸承、恒壓溢流等受力特點(diǎn)。液壓支架可視為剛度為K 的彈性體、頂板外側(cè)視為梁體，將頂板下方的液壓支架組視為剛度為K 的多個(gè)彈性體。然后可以將工作面建模為位于彈性基礎(chǔ)上的梁體，如圖1 所示。

圖1 彈性支撐組的受力模型

工作面頂板也由綜采煤層中的巷道支撐。然而，工作面在承受來(lái)自屋頂?shù)妮d荷時(shí)會(huì)變形。因此，工作面可以作為基礎(chǔ)包含在上面所示的簡(jiǎn)化模型中。當(dāng)巷道承載荷載在豎直方向發(fā)生變形時(shí)，也可以認(rèn)為是一個(gè)剛度為K 的彈性地基。由于巷道中頂梁的水平彎曲，那么梁的兩端可以認(rèn)為是固定彈性末端的剛度。內(nèi)部支撐件被認(rèn)為是彈性體的液壓支架位于頂板和地板之間。在本研究中，假設(shè)地板剛性太大而不能變形，液壓支架上的荷載主要來(lái)自頂板，頂板荷載是均勻分布的。

2 液壓支架關(guān)鍵部件的力學(xué)分析

在不同端頭支架剛度條件下，利用圖1 的力學(xué)模型可以得到沿工作面的頂板撓度和液壓支架組上的載荷。前端支架和后端支架的剛度分別設(shè)定為液壓支架工作剛度的1.1、1.3 和1.5 倍的三種工況[2]。頂板厚度為8.5 m，采高為4.5 m，支架中心線之間的距離為1.75 m。

根據(jù)圖1 的理論受力條件分析，根據(jù)支撐組的工作條件，研究了承受來(lái)自頂板的偏移載荷的液壓支撐的機(jī)械特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在回風(fēng)道的三個(gè)典型工作位置施加與實(shí)際工況相符合的力學(xué)載荷，然后將力學(xué)條件擴(kuò)展到工作面的所有液壓支架，計(jì)算的載荷作為均勻分布載荷施加到支架模型的頂梁上[3]。

液壓支架的負(fù)載應(yīng)用示意圖如圖2 所示。模擬正常的工作條件，分別在X、Y、Z 軸方向施加載荷如下：Fx=1 247.6 kN、Fy=1 204.5 kN、Fz=2 415.8 kN，將這些值應(yīng)用于三種工況下液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

圖2 液壓支架受力模型

3 有限元計(jì)算分析

3.1 計(jì)算參數(shù)

巖石密度為25 kN/m3，頂板的彈性模量為40 GPa，支架剛度為200 MN/m，長(zhǎng)壁綜采工作面的長(zhǎng)度為250 m。頂板冒落角為30°，冒落高度為36 m。煤層傾角為0°。采煤工作面之間的距離為0.5 m，截止深度為0.8 m。頂板支護(hù)梁的長(zhǎng)度為5.2 m，懸頂?shù)拈L(zhǎng)度為1.5 m。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 基座受力情況

以工況1 為例，如圖3 所示頂梁的應(yīng)力主要分布在柱腳和中間肋板周圍，靠近柱底座。由于偏置載荷，左柱底座上的應(yīng)力高于右柱插座上的應(yīng)力。橫梁中間肋板左上應(yīng)力為156.21 MPa，相對(duì)較高，而右立柱插口應(yīng)力為135.88 MPa。左右立柱底座上的應(yīng)力差為20.33 MPa。在實(shí)際應(yīng)用中，在立柱向上推動(dòng)銷軸直至銷軸斷裂后，活塞桿通常位于液壓支架的頂梁上。這里提出的理論分析與實(shí)際支護(hù)結(jié)構(gòu)非常吻合。當(dāng)荷載作用于頂板時(shí)，梁的柱腳是主要的承重構(gòu)件。因此，立柱套筒的強(qiáng)度直接影響液壓支架的壽命。頂梁其余部分的應(yīng)力不高，從未超過(guò)梁的原材料Q690 的690 MPa承載屈服極限。頂梁越靠近其后端，變形越小，反之亦然。

圖3 液壓底座的應(yīng)力分布和變形

3.2.2 柱筒受力情況

工況1 下的應(yīng)力和變形分布如圖4 所示。柱缸體最大等效應(yīng)力為222.99 MPa、形變?yōu)?.028 2 mm。在偏置載荷的影響下，左右柱筒之間的最大等效應(yīng)力和變形差異分別為19.48 MPa 和0.144 6 mm。立柱缸體的應(yīng)力和變形在1 號(hào)工況下的缸體原材料極限值范圍內(nèi)。

圖4 柱筒的應(yīng)力分布和變形

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況

由于煤礦井下防爆的要求和限制，測(cè)試儀器不能用于井下采掘工作面[4]。因此，在地面上建立了一個(gè)模擬試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)?zāi)M了井下工作面的實(shí)際工況，測(cè)試了液壓支架的承載特性，然后換算出支架組的載荷特性，與理論分析進(jìn)行對(duì)比[5]。

在模擬試驗(yàn)臺(tái)中，用鋼架模擬高剛度端頭支架，用薄鋼板模擬采煤工作面頂板，用砝碼模擬頂板載荷[6]。因此，使用液壓支撐模型來(lái)支撐薄鋼板。比較了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和理論分析的結(jié)果。理論分析結(jié)果表明，液壓支架頂梁柱腳附近應(yīng)力差異顯著。三種工作條件下的理論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的比較如圖5 所示。

由圖5 可知，工況2 下，柱腳處的應(yīng)力達(dá)到408.28 MPa。由于偏載，左柱座處的應(yīng)力高于右柱座處的應(yīng)力。頂梁中間肋板左上的應(yīng)力為相對(duì)較高，達(dá)到308.2 MPa，而梁右側(cè)柱插口附近為264.52 MPa，相差43.68 MPa。與工況1 相比，工況2 導(dǎo)致左右柱座之間的應(yīng)力差增加了20.35 MPa，這主要是由于載荷偏移增加。在工況3 下，柱腳周圍的應(yīng)力達(dá)到412.97 MPa。屋頂荷載，而不是偏移荷載，主要作用在頂梁上。因此，左側(cè)和右側(cè)的柱插座上的應(yīng)力基本相同。頂梁中間肋板上部應(yīng)力顯著，為311.5 MPa。理論分析表明，應(yīng)力集中在銷連接處的柱筒和底座。

5 結(jié)論

通過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了不同工況下液壓支架組關(guān)鍵部件的力學(xué)特性和剛度。從研究中得出以下結(jié)論：

1）液壓支架承受的載荷和偏置載荷隨工作面的位置而變化。工作面中部附近的支撐在其頂梁上的載荷較大，而所承受的偏移載荷則減少了。

2）與工況1 相比，工況2 在關(guān)鍵位置產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力和變形增加，表明液壓支架的工作條件惡化。因此，應(yīng)在柱筒與底座、頂板與柱筒連接的針孔處焊接高強(qiáng)度的肋板，以滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

3）三種工況下，立柱部位的理論分析誤差和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)誤差均小于15%。結(jié)果證明了提出的方法的準(zhǔn)確性，這將有助于未來(lái)的液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。