液壓支架推移框架破壞原因的數值模擬分析

摘要：在最近幾年的厚煤層開采技術發展過程中，放頂煤液壓支架逐漸成為一種比較新穎的支架類型，通過使用這種支架可以實現厚煤層的有效開采，并提高其產能。液壓支架推移框架在實際使用過程中，會出現不同程度的損壞，就會對液壓支架的使用壽命和可靠性造成重要影響。根據這種情況，本文在研究分析中，通過借助數值模擬技術，可以實現對液壓支架推移框架的受力情況進行有限元分析，這種技術分析，在理論上為設計高質量液壓支架提供了有益思考。

關鍵詞：推移框架 摩擦系數 數值模擬 實踐應用

1 本文課題的提出

在實際采煤作業過程中，液壓支架在煤礦下面起著非常重要的支撐作用，其作業環境相比地面上要復雜很多，地質條件惡劣，其所承載的重力作用變化較頻繁，這就增大了液壓支架零部件的磨損強度，經常會出現關鍵位置的重要零件因為液壓支架的偏載而損壞的現象。在液壓支架的底座中間，有一種實現推溜和移架的功能的裝置，就是推移框架，這個推移框架分擔著液壓支架很大一部分任務，也因此，推移框架也經常出現損壞現象。在礦井里面，推移框架的破壞可能造成采煤施工技術人員的受傷，也是礦井重要事故發生的原因之一。根據實際采煤作業中推移支架出現問題的原因分析，可以知道推移框架破壞的原因主要取決于頂底板狀況、煤巖性質、煤層傾角、礦山壓力、工人素質等諸多方面[1-2]。從該煤礦發生的礦井事故來分析，主要是底板的凸凹不平，并且其底板起伏變化程度過大，又是典型的“三軟”煤層等原因造成的推移支架的損壞。除此之外，在采煤作業時，某個部位的受力過大或過小，都會造成推移支架的偏載。

2 推移長框架力學分析的工程背景

根據液壓支架推移裝置的不同結構形式，可以分為長、短兩種主要類型，現階段采煤行業主要是使用長框架結構，這樣在推移千斤頂的使用過程中，比較靈活。

ZFS3600/17/28支撐掩護式液壓支架使用推移長框架，并且是經過焊接后形成的箱形結構，這種箱形結構可以有效保證足夠的強度以充分發揮推溜功能。

相關資料顯示煤層底板對金屬的摩擦系數為0.35～0.4，而相對應的摩擦角為12～20°在實際采煤作業過程中，液壓支架所處的地面經常會有水，水的存在又會在一定程度上使得地面和金屬之間的摩擦系數降低，從而能夠使得煤層傾角在12°時，因輸送機和支架的自重而出現的下滑。靠支架底座能夠保證一個斜向上的推溜分力，即：

F上′=F推sin3.83°=3.97kN。

3 液壓支架推移框架的有限元分析

3.1 推移框架的工況分析 推移框架的結構如圖1所示，材料采用16Mn鋼。推移框架的受載情況復雜，并且破壞程度較深。在正常作業狀態下，推移千斤頂與框架間保持10°的夾角，其最大有30°的活動范圍。為了簡化本文的分析工作，推移框架的工況大致可以分為如下三類：①俯采時，推移千斤頂加載，輸送機上抬，將框架抬起，θ〈10°，由前可知θ為3.83°。②仰采時，輸送機下滑，支架θ〉10°，由前可知θ為16°計算。③煤層的局部傾角達30°以上時，推移框架端部處于水平狀態，且其端部受垂直載荷，即θ=90°[3]。

3.2 推移框架計算模型的建立

本文在研究分析過程中用的是實體建模。具體過程中，在建立推移框架的底板、邊板和蓋板時，使用的是 “塊”。

3.3 結果分析

3.3.1 推移框架各種工況下應力場分析

圖中所示的幾種工況下，ABCD截面應力比別的部位大，因為此處幾何形狀不連續，產生應力集中。

3.3.2 推移框架各種工況下應變場分析

推移框架工況1、2和3的應變情況分別見圖5、6和圖7。

4 經濟效益分析

該煤礦用此辦法對所有推移框架與千斤頂連接部位鉸接銷軸進行設計改造，改造后的銷軸在實踐應用中很少出現類似問題，大大地改善了支架的工作效率和使用壽命，提高了生產率，經濟效益和社會效益顯著。每天至少可節約生產時間1小時，增加了工作面的有效生產時間，提高了工作效率；按照每小時可生產原煤350噸，噸煤平均售價500元，每月正常生產天數25天計，每月可新增收入：350×500×25=437萬元，新增利潤350×20×25=17.5萬元。大大降低了工人的勞動強度，節約了人力資源。

參考文獻：

[1]戴紹誠.高產高效綜合機械化采煤技術與裝備[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

[2]丁紹南.液壓支架設計[M].北京：世界圖書出版公司，1992.

[3]李金堂.推移長框架在大傾角綜采工作面的應用[J].煤炭學報，2002（1）：79-80.

作者簡介：

楊輝（1981-），男，甘肅會寧人，本科學歷，華亭煤業集團硯北煤礦機電設備管理工程師，從事礦山機電設備的維護與管理工作。