掩护梁承载对液压支架作用仿真分析

张 雷

（阳煤二矿调度室皮运队， 山西 阳泉 045008）

引言

我国的煤炭资源丰富，主要分布在我国中西部地区，并且以厚煤层居多，在这些煤层中，能用于露天开采的煤矿只占很少的部分，大部分煤层的开采需要在矿井中进行，这对于开采设备的要求更高[1]。针对矿井开采技术的应用，综采工作面大大提高了作业效率。在综采工作面的结构中，液压支架起到了重要的支撑作用，以保证作业空间的安全性，同时，液压支架还具有移动功能，跟随综采工作面完成各区域的工作[2]。

作为综采工作面的支撑设备，液压支架的可靠性是至关重要的，影响到生产的安全。随着开采面的复杂性不断变化，液压支架在工作过程中更容易受到由于岩层变化等引起的瞬时载荷的作用，这些瞬间的动态载荷，对于液压支架的可靠性具有很大的影响。为确定液压支架在承受瞬间载荷作用时产生的应力变化，本文采用仿真分析的方法对液压支架的掩护梁承受瞬间载荷时的变化进行讨论分析。

1 基于ADAMS数值模型

1.1 系统模型建立及参数确定

对于液压支架的结构，利用多体动力学分析软件ADAMS建立如图1所示的模型，为便于描述，将图中所示方向定义为“正向”，模型中支架所处的位置为支架的最大工作高度处，支架各连接处以“转动副”进行定义，液压支架中的立柱及平衡千斤顶等效于弹簧阻尼[3]，其阻尼系数的计算如下。

根据液压缸的等效刚度计算公式[4]：

式中：K为系统等效阻尼系数，N/m；A为液压缸工作过程中承压有效面积，m2；β为所采用液压介质的体积弹性模量，本液压支架使用水包油乳化液，其值为1.95×103GPa；L为液压缸体内有效液压介质的长度，m。

图1 液压支架ADAMS模型

液压支架所采用的液压缸及平衡杆的参数如下页表1所示，由此，根据上式，可以计算得出平衡千斤顶及一、二级立柱的等效刚度系数：K1=2.06×108N/m，K2=2.04×108N/m，K3=1×108N/m。

由于液压支架在工作过程中存在支架的初撑力作用，当支架被压缩时，首先是二级缸被压缩，然后是一、二级液压缸同时被压缩，因此，本次分析中，定义立柱的等效阻尼系数取决于系统的初撑力，当仅二级缸作用时，其等效系数即为上述K3值，而当一、二级液压缸同时作用时，则等效于两级弹簧作用，其等效系数K4按照弹簧串联时计算如下[5]：K4=K2K3/（K2+K3）=6.71×107N/m。

1.2 载荷施加确定

对于系统载荷的确定，为全面分析液压支架受瞬时载荷作用时的变形及应力分布，采取对掩护梁的不同部分多次施加载荷的作用进行分析，当岩层块作用于液压支架时，作用力方向定义为垂直于掩护梁的方向，载荷的大小定义为8 000 kN的瞬态载荷。为便于描述，在掩护梁顶面定义坐标系XOY，其中，X轴为掩护梁后端且平行于掩护梁宽度的方向，上页图1中掩护梁反侧定义为X轴的正方向，反之，图1中掩护梁正侧定义为X轴负方向；Y轴即为平行于掩护梁长度方向并位于其中间对称面，掩护梁前端定义为Y轴的正方向，掩护梁后端定义为Y轴的负方向。

表1 系统液压缸参数

2 数据分析及结果

2.1 掩护梁水平前移

对于系统的受力过程，当受到垂直的载荷作用时，由于系统的结构，会使液压支架产生前倾的趋势，若载荷冲击时，液压支架处于俯采的状态，当工作面倾角足够大时，则会使整个系统失衡，导致液压支架的垮塌。对于前倾趋势的描述，采用顶梁水平前移的距离来表示，其趋势变化如图2所示。

图2 水平前移变化趋势图

从图2中可以看出，当液压支架承受瞬态载荷时，载荷作用点的位置变化，其长度和宽度方向的影响并不相同。沿长度方向变化时，随载荷施加作用点由前端到后端的变化中，水平前移变化量呈现由大变小又变大的过程。这是由于掩护梁前端载荷对于铰接中心点作用力矩，随着作用距离的增加而增加。当作用点沿宽度方向变化时，水平前移的变化量并不大。

2.2 掩护梁接触力

掩护梁与顶板直接接触，在液压支架的工作过程中，顶板的作用力直接作用于掩护梁上，两者之间的接触力随顶板载荷的增加而增加，当接触力过大时，会超出掩护梁的承载极限，这时掩护梁会产生形变，这些形变的产生对于液压支架的支撑作用会产生影响，使得防护能力下降，当形变量过大时，会使得液压支架垮塌，失去防护作用。

2.3 作用力传递系数

在液压支架中，各连接位置的铰接点是支架连接及进行力传递的作用的主要构造点，当承受瞬时载荷时，首先是掩护梁进行承压，之后的部分，由立柱与各连接处的铰接点将力向下传递，最终传递至底座上，由底座提供支撑力，保持系统达到稳定状态。记录分析各连接处铰接点位置的承载变化，对于分析液压支架的受力具有重要的意义。将顶梁与掩护梁、支架前后连杆处的铰接点测得的数据进行分析

图3 顶梁掩护梁铰接点受力变化趋势图

图4 前连杆铰接点受力变化趋势图

图5 后连杆铰接点受力变化趋势图

观察各图，从图3中可以看出，顶梁与掩护梁铰接点处的力变化系数随着载荷作用位置由前往后的移动过程中，呈现先小后大的趋势，且有负值的存在，这表示铰接点处的受力呈现先增加然后减小，而减小的量也是先增加后变小，随着载荷作用位置的后移，最后受力增加，且增加的量也逐渐增加。从整体变化趋势上看，减小的量只占很小一部分，并且靠近铰接点中心处的载荷作用使得受力的增加量最大，而作用于掩护梁中间位置时的载荷作用使得受力的减小量最大。上页图4中表示的是前连杆铰接点处的受力变化趋势图，从图中可以看出，载荷作用位置由掩护梁正端移动到后端的过程中，前连杆处的力变化系数呈现逐渐减小的趋势，其数值在0值上方，表示受力全部处于增大的状态，载荷作用在掩护梁正侧时，使得铰接点的力增加最大，而载荷作用在掩护梁反侧时，使得铰接点的力增加最小。上页图5中表示的是后连杆铰接点处的受力变化趋势图，其变化规律与图4中相反。

3 结论

通过对载荷作用不同位置的模拟仿真，对于得到的结果进行分析后，可以得出以下结论：

1）瞬时载荷作用时，当作用点位于掩护梁前端时，顶梁水平前移的量最大，使得支架产生较大的前倾趋势；

2）瞬时载荷作用时，当作用点位于掩护梁后端时，产生的掩护梁与顶板之间的接触力达到最大值，这时对顶梁的结构稳定性产生的影响最大。

3）瞬时载荷作用时，掩护梁承载对各不同部位的铰接点所产生的影响趋势均不相同，但载荷作用点位于掩护梁前端时所产生的铰接力均出现最大值。