矿井液压支架在动态力学条件下的结构强度分析研究

杨青合，赵 虎，李 博

(1.郑煤集团 告成煤矿，河南 登封 452477； 2.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

矿井液压支架是地下开采煤炭物料时的支承机构，是维持综采工作面安全运行的关键设备。近年来，随着地下综采工作面的长度逐渐增加，液压支架的使用不断提高了开采效率。此外，还开发了水力支承，以适应高、超高的开采高度，实现深、厚煤层的有效开采。随着矿井综采工作面长度和水力支承高度的增加，地下面宽度和采度随之增大。因此，地顶压力梯度降低，工作载荷压力强度增加。同时，上梁和顶层上方位置的异常沉降和坍塌对支架造成的影响越来越大。因此，深、超长煤面承载力是决定支承安全可靠的关键[1-3]。在液压支架的所有工作条件下，冲击载荷对其机械性能的影响最大。液压支架的安全性关系到了一线作业人员以及矿井安全生产。冲击载荷会破坏支承的原力平衡，导致支承失去其稳定性并发生晃动，在最坏的情况下甚至会导致支承面坍塌，从而导致重大煤矿事故。因此，必须对支承性能的冲击载荷的动态力学进行深入分析，并且找到液压支架敏感的铰链点，实现冲击载荷下的液压支架的更加优异结构支承性能，全面提高其支承稳定性。

1 液压支架应力安全问题

1.1 研究背景

目前已经提出了许多关于地下支承的承载力与顶层和底板之间的关系以及冲击载荷对支承轴承的影响的研究，但是研究还存在一定的短板，尤其是液压支架的刚—柔模型还没有正确建立。基于许多科研工作者对液压支承与周围岩石之间耦合关系的深入研究，将支护与围岩的关系总结为强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合，早期的研究提出了一些控制高煤面围岩的关键技术，如稳定性耦合、支承物与围岩之间的刚度耦合控制以及墙的塌落控制。但是通过构造和分析长壁煤面的二维有限元模型，支护与围岩的相互作用过程较为复杂。它们之间还通过具有不同承载力的液压支架来评估煤面，简单的分析方法不适用于复杂的地质环境。随后基于分析点荷载作用于上顶梁时的高采矿高度支承的应力是新的研究思路，该法提高了模型的刚度，构建了一个基于立柱可变刚度的支承冲击动力模拟平台，以分析超高采矿高度支承点荷载冲击掩护梁时不同铰接缝的应力响应。提出恒定负荷分段调整技术，假设剪切机平均切割时间缩短21.7%，有效削弱了煤壁，满足厚煤层分段开采的要求。

液压支柱的应力、稳定性和电液控制系统，有效地降低了液压支柱的故障率，提高了其稳定性。俯仰角煤层和开采推进速度对水力支承阻力的影响较大，合理提高隧道掘进速度和控制开采高度的具体措施，有利于指导水力稳定性[4-7]。

1.2 液压支架应力研究假设问题

近期的研究通过机电流体模拟建立了姿态检测和控制方向的数学模型，验证了液压支架不同姿态的模型，得到了姿态控制器，为自动化和无人地下采矿提供了指导。部分专家对掩护梁进行了数值模拟和分析，并进行了比较。结论表明，基础支承的形式对护罩的应力分布有影响。全程支护时，前端荷载减少约45%，为特定地质条件下的盾构支护提供指导。一般基于数值模拟方法，在最小横向位移的前提下，优化了液压支架四杆机构的参数值，确保液压支架满足日常要求。基于流体力学和流固耦合基础对液压缸刚度进行有限元分析，对液压缸刚度分析和液压系统设计具有一定的参考价值。在以往的研究中，平衡千斤顶被视为刚性结构部分，或作为刚度相同的弹簧，并且它没有显示平衡千斤顶的2个工作特性(推拉)，这种假设方式是不准确的[8-11]。

因此，本文采用刚度弹簧等效更换平衡千斤顶的研究方法，并在此基础上综合总结了支架在表面荷载和点荷载冲击下的力状态，以寻找危险的冲击条件和位置。根据上述理论和研究，进一步改进了对支架的冲击分析方法，总结了表面荷载和点荷载下的支架应力，旨在识别危险的冲击条件和位置。

2 液压支架结构分析方法

2.1 模拟平台的建立

结合Pro/E、HyperMesh和Adams三个辅助建模仿真分析平台，构建了1个ZY21000/38/82D带式输送机冲击动力学模拟平台(平台内支承模型的高度为最大工作高度)如图1所示。①利用Pro/E构造了原始的三维模型。②支承的主要结构构件采用超网加工为柔性(考虑到支承冲击后结构构件的轻微变形及其对支承应力的影响，除底座外的所有结构构件均为柔性)。③利用Adams软件，建立了基于刚性弹性联轴器的中心柱和平衡千斤顶由弹簧阻尼系统取代，实现油缸的冲击动力学仿真平台。

图1 液压支架模型平台的建立流程Fig.1 Establishment process of hydraulic support model platform

2.2 仿真平台的刚性处理

液压支架在矿井地下使用时，立柱和平衡千斤顶具有自己的承载力。当支承物被提升到一定的高度后，顶层支架缓慢下降时，顶层上的压力就会逐渐增加。柱的轴承模式具有特殊的工艺。首先，它显示了低外部载荷下的初始承载力(该状态可以通过预载实现)。随着外部荷载的增加，柱上的上部腔开始被压缩(此时，柱刚度等于上腔刚度，柱刚度等于下腔刚度)。随着外部载荷的持续增加，柱的上下腔同时被压缩(此时，柱的刚度等于上下腔的串联刚度)，该过程如图2所示。此外，当腔内乳化液体被压缩时，平衡千斤顶为“拉伸”(在这种情况下，平衡千斤顶的刚度等于带腔的柱刚度)；当腔内无乳化液体被压缩时，它会被“压缩”(在这种情况下，平衡千斤顶的刚度等于无腔柱的刚度)。

图2 上、下腔油缸的运动进程Fig.2 Movement process of the upper and lower chamber oil cylinders

由于液压支架地下使用时车顶形状复杂且变化，活塞杆与油缸底部接触状态复杂且变化。如果顶层相对平坦，上半支架和顶层的顶表面可能有一个很大的接触面积，这被视为表面接触。如果顶层不规则，支架平面与顶层凸起之间的接触面积较小，即点接触。由于研究的液压支架结构普遍对称，当支承面朝向煤壁时，可以首先分析左侧铰接缝的应力。最终应考虑右侧的液压支架的铰链接头。

3 冲击载荷下支架应力分析

3.1 不同载荷大小的冲击载荷分析

支承具有“向下”或“升高”模式，由顶层的煤壁坡度和断裂带情况所决定。3种支承件的承载状态如图3所示。根据承载状态，构建了“平行表面冲击”“提高表面冲击”和“地表冲击”下的模拟平台，在不同条件下的载荷，通过设置上顶接触以及旋转对和滑动对联合完成支承作业。随后，采用ANSYS软件进行仿真计算，分析了液压支架顶部构件的应力状态。

图3 液压支架的支承工作方式Fig.3 Supporting work method of hydraulic support

液压支架的最大工作阻力设置为21 MN。地下空间液压支架的实际工作阻力一般在设置负荷和最大工作阻力之间。此处，液压支架在矿井地下运行期间的正常顶层支承柱压力确定为14 MN。同时，在3种条件下，选择1～6 MN的6组工作载荷作为冲击载荷的模拟环境。所有荷载都垂直于模型的顶层中心。不同荷载的具体曲线如图4所示。

图4 顶层的压力和冲击荷载曲线Fig.4 Pressure and impact load curves of the top layer

3.2 表面冲击下的支承应力

上铰链接头的应力变化系数均随冲击载荷的增加而呈线性增长趋势。此外，在提高表面冲击条件下的应力变化系数主要增加抗冲击的能力。这表明，上铰链接头的应力与冲击载荷呈正比，并且对提高表面冲击作用下的冲击载荷具有敏感性。

动态载荷冲击下前连杆铰链关节的应力变化系数均随冲击载荷的增加而呈线性增长趋势。此外，在提高表面冲击条件下的应力变化系数规律不明。这表明，前联动机构铰链接头的应力与冲击载荷呈正相关的关系，对提高表面冲击作用下的冲击载荷有较大的帮助。图5显示，在表面冲击力下，后联动机构铰链关节的应力变化系数均随着冲击载荷的增加而呈线性增长趋势。此外，在提高表面冲击条件下的应力变化系数一直在增加。这表明，后连杆机构铰链接头的应力与冲击载荷呈正比例关系，对提高表面冲击作用下的冲击载荷有较大的决定性作用。

图5 前联动装置接头的应力变化曲线Fig.5 Stress change curve of the front linkage joint

3.3 立柱受冲击下的应力分析

模型中将液压支架的立柱液压缸、平衡液压缸、顶梁、前连杆、后连杆以及掩护梁等效为弹性体，用预载荷模拟正常工作条件下的静载荷，用阶跃载荷模拟基本顶断裂或垮塌时对支架的冲击力。支柱所受的点冲击不同于表面冲击，它可能作用于支架的随机位置。由于地下屋面岩石崩塌可能对掩护梁产生冲击荷载，点冲击也分为3个工作条件：“顶梁点冲击”、“斜梁点冲击”和 “同时对上梁和斜梁的点冲击”。点冲击的载荷方案如图6所示。

图6 点状冲击载荷作用于上半梁Fig.6 Point-like impact load acting on the upper beam

工作负载和点冲击的载荷曲线如图7所示。选择2个正负载(7 MN)向下作用垂直于上梁顶表面的上方，以模拟14 MN的顶层压力。冲击载荷设置为6 MN变化荷载。模拟了不同铰链接头上的应力，可得到“顶梁点冲击”、“斜梁点冲击”和 “同时对上梁和斜梁的点冲击”条件下不同铰接缝处的应力变化系数。

图7 工作负载和点冲击的载荷曲线Fig.7 Load curve of working load and point impact

4 应力变化系数及结构敏感区域分析

4.1 立柱的应力变化系数

在3点共同的冲击力影响条件下，柱应力变化系数增大。此外，当点荷载作用于上梁前端和掩护梁前端时，柱上的应力的变化系数为主要增加对象。从图8中可以看到，这反映了当冲击荷载作用于上半梁和掩护梁的任何位置时，柱上的应力都会增加。此外，上角梁和掩护梁前端的冲击载荷最为明显。

图8 液压支架立柱应力系数变化Fig.8 Change of stress coefficient of hydraulic support column

4.2 上掩护梁铰链接头的应力变化系数

液压支架上掩护梁应力系数变化如图9所示，基于上掩护梁铰链接头受点影响时，上掩护梁铰链接头应力变化系数可能增减。一般情况下，当上半梁前端(尤其是左前位置)和掩护梁前端(尤其是右前位置)受到冲击时，应力变化系数会进一步增大。这意味着在梁支承点影响下，上掩护梁铰链接头的应力可能增加或减少。然而，支架对上半梁前端(尤其是左前位置)和掩护梁前端(尤其是右前位置)的冲击载荷的响应最大。

图9 液压支架上掩护梁应力系数变化Fig.9 Change of stress coefficient of shield beam on hydraulic support

4.3 前联动铰链接头应力变化系数

液压支架前联动铰链接头应力系数变化如图10所示。

图10 液压支架前联动铰链接头应力系数变化Fig.10 Change of stress coefficient of front linkage hinge joint of hydraulic support

由图10可知，前联动铰链接头受点冲击时，前联动机构铰链接头应力变化系数可能增加。当上半梁前端、右前位置和掩护梁前端(尤其右前位置发生点冲击)时，应力变化系数会再增大。在对支架的点影响下，前连杆铰链接头的应力可能会增加或减少。但支架对上梁和掩护梁前端(尤其是右前位置)的冲击载荷数据增加过多。

4.4 后联动铰链接头应力变化系数

液压支架后联动铰链接头应力系数变化如图11所示。由图11可知，后连机构铰接处应力变化系数可能增加。一般当前端发生点影响时，应力变化系数会进一步增加(尤其是上半梁的左前位置)和掩护梁的前端(尤其是左前位置)。这意味着在对支架进行点冲击下，后连杆铰链接头的应力可能会增加或减少。然而，支架对上半梁前端(尤其是左前位置)和掩护梁前端(尤其是左前位置)的冲击载荷的响应最大。

图11 液压支架后联动铰链接头应力系数变化Fig.11 Change of stress coefficient of linkage hinge joint of hydraulic support

4.5 点冲击下的支承结构敏感区域分析

基于上述分析，可以得出铰链接头对上梁和掩护梁不同位置点冲击的敏感程度。根据响应敏感强度，可以获得铰链接头对支架结构受到点冲击的敏感区域，以便进一步优化液压支架结构(图12)。

5 结语

基于对矿井液压支架立柱和平衡千斤顶工作过程的分析，提出了液压支架多缸变刚度的分析方法。结合具体结构，得到了液压支架支承在不同状态下的等效刚度，得出的结论如下。

图12 铰链接头对点冲击的敏感结构区域Fig.12 Sensitive structural area of the hinge joint to point impact

(1)3种联合冲击力在不同铰链接头下与支承表面冲击载荷呈正比例关系。梁铰链接头处的应力后连杆的前连杆和铰链接头对提高表面冲击最敏感，而柱的应力对平行表面冲击最敏感，因此提高表面冲击主要影响支承件的应力。

(2)单向冲击下支承件不同铰链接头处的应力可能会增加或减少。大多数点冲击可能会增加支承件铰接接头处的应力。柱、上梁前端和后梁前端对动态冲击负荷最敏感。后梁前端铰链接头、前联动杆铰链接头和后联动杆铰链接头主要对上梁和后梁前端左右前端的冲击载荷很敏感。因此，上梁、护梁前端以及左右前端的冲击荷载主要影响支架的应力状态。

通过建立的可变刚度的支承动态载荷模拟模型，采用仿真计算得到了各支承铰链点在表面载荷和点载荷影响下的应力响应。然而，液压支架包含了许多复杂的部件。在未来的工作中，应考虑支承肋板坠落对支承应力的影响，建立一个更复杂的支承应力模型，并研究更多外部荷载对支承的影响。

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