工作载荷作用下矿井液压支架动态响应分析

李 衡

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部长平煤业，山西 高平 048411）

引言

液压支架是地下采矿的主要支撑设备。液压支架所受的载荷冲击对其顶梁和屏蔽梁要求较高。然而，当代的研究主要集中在冲击载荷的机理和静强度分析等方面，关于液压支架的抗冲击性的研究很少相关。液压支架的动态响应可靠性是决定煤矿工作面安全高效生产的关键因素之一[1]。液压支架的承载状态由支撑与顶部之间的相互作用效应决定。其负荷能力随地质条件和实际工作条件的变化而变化。此外，采煤面中压力的出现、支撑的工作姿势以及顶部与支撑之间的相互作用在采矿中起着重要作用，顶部的岩层性质（软或硬）会影响其完整性和沉降速度。支架的实际加载状态和工作高度也受到其影响。在影响支撑工作状态的所有因素中，冲击载荷是导致支架损坏的一个关键因素。因此，对液压支架在冲击载荷下的动态响应进行详细研究，为液压支架的结构设计和自适应控制提供了依据。

1 液压支架仿真模型的建立

通过SOLID WORKS 软件建立了液压支架的数值模拟模型，如图1 所示。模型高度设置为液压支架的最大工作高度。

图1 液压支架数值仿真模型

首先，确定零部件的材料特性，密度为7 860 kg/m3，杨氏模量为2.11E+11 Pa，泊松比为0.3。液压支架的柱和平衡千斤顶由弹簧减震系统同等数值替换。

顶梁与屏蔽梁之间、屏蔽梁与前后连杆之间、前后连杆与底座之间的铰接接头采用“旋转接头”。“旋转接头”中的摩擦系数设置为0.1[2]。支撑底座作为机架，由刚体和“固定接头”锁定在地面上。最后，将重力场设置为垂直于支撑基础。

由于冲击荷载位置的变化和支撑结构的变形对力传递和力平衡的影响，本研究的网格划分软件使得屋顶梁、屏蔽梁、前后连杆之间产生柔性啮合，取代ANSYS 软件中的刚体模型，与刚性基础形成刚性柔性耦合模型。接点处是铰链接头的刚性连接区域，并在该区域的主要节点上定义了相应的约束条件。

2 液压支架仿真参数的设定

2.1 系统中弹簧刚度的测定

支撑的顶梁承受车顶压力，立柱和平衡千斤顶的液压油被压缩。此外，支撑高度降低，气缸内的压力增加，提供足够的支撑力，以抵抗载荷压力。鉴于基于刚性柱模型的模拟试验不能满足液压缸压缩诱导压升，弹簧阻尼系统由支架柱和平衡千斤顶同等取代原有机构，通过设置合理的弹簧刚度实现液压缸压缩诱导压升，液压缸参数见下页表1。

表1 立柱和平衡千斤顶的主要参数[3] mm

2.2 冲击载荷的应用

液压支架的最大阻力为21 000 kN，本模拟分析的工作阻力确定为14 000 kN，主要通过两个主动外部负载（F1和F2，每个力均为7 000 kN）冲击力施加在两根柱的上方，向下并垂直于屋顶梁。液压支架稳定在14 000 kN 以下后，开始施加力。讨论顶梁和屏蔽梁对液压支架的冲击趋势，顶梁的正常冲击力（FDi）和在屏蔽梁上（FYi)都被确定为3 000 kN.

主动外部载荷和冲击载荷的曲线如图2 所示。荷载的具体应用位置如图3 所示。在顶梁的中心收集7 个加载位置（D1～D7）[4]，另外7 个位置（Y1～Y7）设置在屏蔽梁的中心部位。根据不同的工况分析，连续施加冲击载荷。

图2 主动外部载荷和冲击载荷的曲线示意图

图3 负荷的具体应用位置示意图

3 计算仿真结果分析

3.1 铰链接头处的受力分析

液压支架的铰链接头是部件连接和力传递的关键点。顶部压力首先由顶部梁承担，然后通过柱和铰链接头传递到底部。顶部压力从底部输送至基底板，直到整个支撑系统达到平衡。观察铰链点力的变化对于研究这种力传递过程非常重要[5]。在本研究中，处理冲击载荷后3 个铰链点的力变化数据，如图4所示。

图4 三个铰链点载荷变化示意图

3.2 柱的力分析

立柱位于顶梁和底座之间，对控制承载力、力传递和支撑姿态至关重要。在关于支撑刚度的研究中，通常认为支撑的刚度直接等同于柱的刚度，或者使用柱的刚度作为支撑刚度的主要部分。因此，立柱是支撑件中最中心的轴承部件。分析具有特定支撑承载能力的柱的应力变化对研究支撑的整体受力传递至关重要。在此基础上，对施加冲击力后柱的应力变化进行了统计分析，得到了单柱的应力变化，P1、P2、P3载荷力波峰和波谷的变化如图5 所示。当顶梁和屏蔽梁都受到影响时，柱处计算出的载荷力表明只有顶层梁受到载荷影响时才会发生数据变化。屏蔽梁后半段的冲击载荷降低了柱的载荷力，而前半段的冲击载荷增加了柱的承载力。

图5 立柱载荷变化示意图

3.3 圆柱和平衡千斤顶的振动分析

柱和平衡千斤顶液压控制系统的阻尼仍然是关键因素。正常情况下，支撑负载略有变化时，支撑更容易稳定，从而迅速达到平衡状态。然而，冲击载荷的作用时间较短，作用力的变化较大。突然改变荷载，平衡和稳定的过程需要一段时间，对该平衡稳定性的响应时间随冲击载荷强度、作用时间和作用位置而变化。本研究通过分析圆柱和平衡千斤顶的振动，预测了液压支架在冲击载荷下的稳定过程。顶梁施加冲击载荷时柱内活塞位置变化如下页图6 所示。

图6 平衡千斤顶中活塞位置变化示意图

稳定平衡千斤顶活塞位置，顶梁的冲击载荷首先减少，然后增加，最后减小。当冲击载荷施加在屋顶梁的上方时，需要较短的时间来稳定活塞在平衡千斤顶中的位置。当在屋顶梁的前端施加冲击载荷时，需要很长时间来稳定平衡千斤顶中的活塞位置。

4 结语

本文为了确定液压支承在工作面顶层和屏蔽梁双重冲击下的动态响应，建立了支承的模拟模型，用弹簧减震系统代替了柱和平衡千斤顶，进行了液压支架姿态分析，并获得了动态响应。得出的结论如下：

1）当屋顶梁仅施加冲击载荷时，铰链点处的力和屏蔽梁与柱的力将产生最大的动态响应。然而，当对顶梁和屏蔽梁施加冲击载荷时，前后连杆之间的铰链接头处的力主要发生双重冲击力的动态响应；

2）针对于圆柱和平衡千斤顶来说，支撑负载变化较小时，机构处于稳定的状态，将快速达到平衡状态。冲击载荷的作用时间和作用力的变化呈反比例关系。同时顶梁的冲击载荷首先减少，然后增加，最后减小。

3）针对3 个铰接点的受力变化，铰接点2、3 的受力情况表明铰接点位置会对结构产生冲击震荡。