掩護梁承載對液壓支架作用仿真分析

張 雷

（陽煤二礦調度室皮運隊， 山西 陽泉 045008）

引言

我國的煤炭資源豐富，主要分布在我國中西部地區，并且以厚煤層居多，在這些煤層中，能用于露天開采的煤礦只占很少的部分，大部分煤層的開采需要在礦井中進行，這對于開采設備的要求更高[1]。針對礦井開采技術的應用，綜采工作面大大提高了作業效率。在綜采工作面的結構中，液壓支架起到了重要的支撐作用，以保證作業空間的安全性，同時，液壓支架還具有移動功能，跟隨綜采工作面完成各區域的工作[2]。

作為綜采工作面的支撐設備，液壓支架的可靠性是至關重要的，影響到生產的安全。隨著開采面的復雜性不斷變化，液壓支架在工作過程中更容易受到由于巖層變化等引起的瞬時載荷的作用，這些瞬間的動態載荷，對于液壓支架的可靠性具有很大的影響。為確定液壓支架在承受瞬間載荷作用時產生的應力變化，本文采用仿真分析的方法對液壓支架的掩護梁承受瞬間載荷時的變化進行討論分析。

1 基于ADAMS數值模型

1.1 系統模型建立及參數確定

對于液壓支架的結構，利用多體動力學分析軟件ADAMS建立如圖1所示的模型，為便于描述，將圖中所示方向定義為“正向”，模型中支架所處的位置為支架的最大工作高度處，支架各連接處以“轉動副”進行定義，液壓支架中的立柱及平衡千斤頂等效于彈簧阻尼[3]，其阻尼系數的計算如下。

根據液壓缸的等效剛度計算公式[4]：

式中：K為系統等效阻尼系數，N/m；A為液壓缸工作過程中承壓有效面積，m2；β為所采用液壓介質的體積彈性模量，本液壓支架使用水包油乳化液，其值為1.95×103GPa；L為液壓缸體內有效液壓介質的長度，m。

圖1 液壓支架ADAMS模型

液壓支架所采用的液壓缸及平衡桿的參數如下頁表1所示，由此，根據上式，可以計算得出平衡千斤頂及一、二級立柱的等效剛度系數：K1=2.06×108N/m，K2=2.04×108N/m，K3=1×108N/m。

由于液壓支架在工作過程中存在支架的初撐力作用，當支架被壓縮時，首先是二級缸被壓縮，然后是一、二級液壓缸同時被壓縮，因此，本次分析中，定義立柱的等效阻尼系數取決于系統的初撐力，當僅二級缸作用時，其等效系數即為上述K3值，而當一、二級液壓缸同時作用時，則等效于兩級彈簧作用，其等效系數K4按照彈簧串聯時計算如下[5]：K4=K2K3/（K2+K3）=6.71×107N/m。

1.2 載荷施加確定

對于系統載荷的確定，為全面分析液壓支架受瞬時載荷作用時的變形及應力分布，采取對掩護梁的不同部分多次施加載荷的作用進行分析，當巖層塊作用于液壓支架時，作用力方向定義為垂直于掩護梁的方向，載荷的大小定義為8 000 kN的瞬態載荷。為便于描述，在掩護梁頂面定義坐標系XOY，其中，X軸為掩護梁后端且平行于掩護梁寬度的方向，上頁圖1中掩護梁反側定義為X軸的正方向，反之，圖1中掩護梁正側定義為X軸負方向；Y軸即為平行于掩護梁長度方向并位于其中間對稱面，掩護梁前端定義為Y軸的正方向，掩護梁后端定義為Y軸的負方向。

表1 系統液壓缸參數

2 數據分析及結果

2.1 掩護梁水平前移

對于系統的受力過程，當受到垂直的載荷作用時，由于系統的結構，會使液壓支架產生前傾的趨勢，若載荷沖擊時，液壓支架處于俯采的狀態，當工作面傾角足夠大時，則會使整個系統失衡，導致液壓支架的垮塌。對于前傾趨勢的描述，采用頂梁水平前移的距離來表示，其趨勢變化如圖2所示。

圖2 水平前移變化趨勢圖

從圖2中可以看出，當液壓支架承受瞬態載荷時，載荷作用點的位置變化，其長度和寬度方向的影響并不相同。沿長度方向變化時，隨載荷施加作用點由前端到后端的變化中，水平前移變化量呈現由大變小又變大的過程。這是由于掩護梁前端載荷對于鉸接中心點作用力矩，隨著作用距離的增加而增加。當作用點沿寬度方向變化時，水平前移的變化量并不大。

2.2 掩護梁接觸力

掩護梁與頂板直接接觸，在液壓支架的工作過程中，頂板的作用力直接作用于掩護梁上，兩者之間的接觸力隨頂板載荷的增加而增加，當接觸力過大時，會超出掩護梁的承載極限，這時掩護梁會產生形變，這些形變的產生對于液壓支架的支撐作用會產生影響，使得防護能力下降，當形變量過大時，會使得液壓支架垮塌，失去防護作用。

2.3 作用力傳遞系數

在液壓支架中，各連接位置的鉸接點是支架連接及進行力傳遞的作用的主要構造點，當承受瞬時載荷時，首先是掩護梁進行承壓，之后的部分，由立柱與各連接處的鉸接點將力向下傳遞，最終傳遞至底座上，由底座提供支撐力，保持系統達到穩定狀態。記錄分析各連接處鉸接點位置的承載變化，對于分析液壓支架的受力具有重要的意義。將頂梁與掩護梁、支架前后連桿處的鉸接點測得的數據進行分析

圖3 頂梁掩護梁鉸接點受力變化趨勢圖

圖4 前連桿鉸接點受力變化趨勢圖

圖5 后連桿鉸接點受力變化趨勢圖

觀察各圖，從圖3中可以看出，頂梁與掩護梁鉸接點處的力變化系數隨著載荷作用位置由前往后的移動過程中，呈現先小后大的趨勢，且有負值的存在，這表示鉸接點處的受力呈現先增加然后減小，而減小的量也是先增加后變小，隨著載荷作用位置的后移，最后受力增加，且增加的量也逐漸增加。從整體變化趨勢上看，減小的量只占很小一部分，并且靠近鉸接點中心處的載荷作用使得受力的增加量最大，而作用于掩護梁中間位置時的載荷作用使得受力的減小量最大。上頁圖4中表示的是前連桿鉸接點處的受力變化趨勢圖，從圖中可以看出，載荷作用位置由掩護梁正端移動到后端的過程中，前連桿處的力變化系數呈現逐漸減小的趨勢，其數值在0值上方，表示受力全部處于增大的狀態，載荷作用在掩護梁正側時，使得鉸接點的力增加最大，而載荷作用在掩護梁反側時，使得鉸接點的力增加最小。上頁圖5中表示的是后連桿鉸接點處的受力變化趨勢圖，其變化規律與圖4中相反。

3 結論

通過對載荷作用不同位置的模擬仿真，對于得到的結果進行分析后，可以得出以下結論：

1）瞬時載荷作用時，當作用點位于掩護梁前端時，頂梁水平前移的量最大，使得支架產生較大的前傾趨勢；

2）瞬時載荷作用時，當作用點位于掩護梁后端時，產生的掩護梁與頂板之間的接觸力達到最大值，這時對頂梁的結構穩定性產生的影響最大。

3）瞬時載荷作用時，掩護梁承載對各不同部位的鉸接點所產生的影響趨勢均不相同，但載荷作用點位于掩護梁前端時所產生的鉸接力均出現最大值。