綜采工作面端頭支架重要部件優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真研究

王振華

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

0 引 言

綜采工作面端頭超前支護(hù)經(jīng)歷多代發(fā)展，從木支護(hù)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的液壓端頭支架支護(hù)。目前礦井為實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，卻受到綜采工作面端頭支護(hù)管理難度和作業(yè)時(shí)間長限制，嚴(yán)重制約了煤礦生產(chǎn)效率。根據(jù)資料顯示，綜采工作面端頭支護(hù)占用人工數(shù)量大，端頭支護(hù)管理占用工作面工序時(shí)間幾乎一半；在端頭還容易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿?，發(fā)生比例還比較高[1-2]。較為突出的是支護(hù)量大、強(qiáng)度高、移架困難、區(qū)域長時(shí)間待機(jī)等問題[3]。

為減輕工人勞動強(qiáng)度、提高機(jī)械化和自動化，確保安全、增強(qiáng)支架推進(jìn)速度，需要改善綜采工作面端頭支護(hù)，這是實(shí)現(xiàn)安全高效開采亟待解決的困難。論文正是基于此種情況，研究綜采工作面端頭液壓支架的。

1 端頭支架要求及結(jié)構(gòu)

1.1 端頭支架要求

綜采工作面端頭是采煤面和順槽的交匯點(diǎn)，各種設(shè)備交織于此，人員來往頻繁，受采動影響，頂板壓力復(fù)雜，管理難度大，這就對支護(hù)頂板的端頭支架提出了與普通支架不一樣的要求。

1）對上端頭支架要求[4]。工作面與回風(fēng)巷交岔點(diǎn)稱為上端頭。刮板輸送機(jī)機(jī)尾以及其它設(shè)備被布置在上端頭，端頭支護(hù)在支護(hù)頂板時(shí)，須確保設(shè)備安全運(yùn)行和輸送機(jī)正常推進(jìn)。為保障工作面安全，通風(fēng)面積需足夠，端頭支架支護(hù)處需有正常范圍的通風(fēng)口。上端頭人員來往密集，而且該處也是事故易發(fā)區(qū)，為避免發(fā)生安全事故，上端頭支架支護(hù)必須滿足支護(hù)強(qiáng)度。上端頭是割煤機(jī)割煤刀掉向的地方，端頭支架不得妨礙采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）工作面下端頭支護(hù)要求。工作面與運(yùn)輸巷交岔點(diǎn)稱為下端頭。下端頭設(shè)備眾多，需要支護(hù)強(qiáng)度高。為保證設(shè)備正常運(yùn)行、移動，需要較大空間，那么下端頭支架在支護(hù)時(shí)不能占用過大空間。下端頭支架推移力、拉架力要滿足生產(chǎn)需求，因?yàn)楣伟遢斔蜋C(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備移動均需要支架推移。另外端頭支架還需具有護(hù)巷、護(hù)幫、靈活運(yùn)動等要求。

1.2 端頭支架結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的液壓支架基礎(chǔ)上，根據(jù)自移式超前液壓支架等特征，改良設(shè)計(jì)了新型綜采工作面端頭超前支架。該支架箱體構(gòu)造更加科學(xué)，保護(hù)頂板的面積更大；頂梁間采用齒形交錯(cuò)形式，頂梁護(hù)頂移架，空頂距大大降低；支架與其他設(shè)備相互推拉，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移動；端頭支架增設(shè)護(hù)幫，有效增大了護(hù)幫面積。

5個(gè)支架組成端頭超前支架組，推移千斤頂和轉(zhuǎn)載機(jī)相互連接，被安裝在端頭支架底座上，在自行移動時(shí)，相互拉架和前移，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動化。

2 支架重要硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 頂梁設(shè)計(jì)

液壓支架重要構(gòu)件之一便是頂梁。頂梁其截面為箱型梁體，頂梁的力學(xué)特性是由結(jié)構(gòu)和形式?jīng)Q定，因此頂梁箱體截面幾何尺寸十分關(guān)鍵。箱型結(jié)構(gòu)截面大多數(shù)采用對稱的多腔室、非對稱的多腔室、單腔室和雙腔室[5]等。端頭液壓支架頂梁采用三腔室截面箱體。支架頂梁設(shè)計(jì)尺寸詳見表1。

表1 支架頂梁設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，設(shè)計(jì)了支架頂梁三維結(jié)構(gòu)，頂梁正視和內(nèi)部三維視圖如圖1所示。頂梁左右兩腔室較寬，并輔以筋板，目的提高頂梁強(qiáng)度。內(nèi)腔較窄，為的是安放和固定油缸，實(shí)現(xiàn)推移護(hù)幫機(jī)構(gòu)。

圖1 頂梁正視和內(nèi)部三維視圖

2.2 立柱選型

表2 立柱承受作用力與內(nèi)徑關(guān)系

液壓支架的主要承載部件是立柱。根據(jù)煤礦實(shí)際工作條件，采用單伸縮雙作用立柱，該立柱結(jié)構(gòu)簡單可靠，方便調(diào)整高度。決定立柱性能優(yōu)良的參數(shù)是立柱內(nèi)徑，立柱公稱承載力由立柱的內(nèi)徑和液壓泵站的額定壓力共同決定，立柱內(nèi)徑與公稱承載力匹配關(guān)系極為重要，立柱承受作用力與內(nèi)徑關(guān)系如表2。

為了選擇合理的立柱公稱承載力，需要計(jì)算支頂板壓力、頂梁自重和承載力，然后根據(jù)表2選擇立柱內(nèi)徑。

1）支架頂梁承受壓力。

根據(jù)壓力公式，頂梁受到頂板的壓力：

式中：F為頂板壓力，kN；P為支護(hù)強(qiáng)度，取0.35MPa；S 為支護(hù)面積，取 8.2m2。

2）頂梁自重。

根據(jù)重力公式，頂梁自重為：

式中：G為自重，kN；M為質(zhì)量，取5050kg；G為重力加速度，取9.8m/s2。

3）單根立柱承載力。

支架有3根立柱，則單個(gè)立柱承載力：

式中：F'為每個(gè)立柱承受平均力，kN。

計(jì)算得到單根支柱承載力為973.16kN，按表2給出的匹配關(guān)系，立柱內(nèi)徑選擇200mm。

立柱的高度調(diào)整范圍可根據(jù)巷道高度、端頭支架高度、頂梁和底座的高度選擇，本次設(shè)計(jì)確定為3500～3000mm

2.3 底座設(shè)計(jì)

分體剛性底座端頭支架能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)高效。優(yōu)點(diǎn)在于煤層底板上是中檔推移機(jī)構(gòu)，浮煤、碎矸直接后排到采空區(qū)，不需要人工清理，自行解決了該問題，其功能主要?dú)w功于支架底座是中分式底板。為更好的適應(yīng)底板變化和移架順利，把底座設(shè)計(jì)成了類船型。

2.4 四連桿設(shè)計(jì)

對液壓支架起穩(wěn)定作用的主要是四連桿機(jī)構(gòu)，四連桿機(jī)構(gòu)能夠在縱向和橫向兩個(gè)方向確保端頭支架穩(wěn)定性；四連桿機(jī)構(gòu)具有承受和傳遞外載作用；四連桿機(jī)構(gòu)能夠起到對支架保持整體剛度。四連桿機(jī)構(gòu)還能決定支架升降頂梁的運(yùn)動路線，因此四連桿結(jié)構(gòu)在端頭液壓支架中起著關(guān)鍵性作用，對參數(shù)的選擇需具有合理性、可行性，選擇恰當(dāng)能夠控制頂梁路線，增強(qiáng)支護(hù)能力，避免連桿受力。

端頭支架升降，頂梁運(yùn)動路線在前行方向擺幅要小，從理論上來說，越小擺幅越有利，但實(shí)際不可能降為無窮小?？紤]實(shí)際，四連桿機(jī)構(gòu)擺幅設(shè)計(jì)為40mm，這有利于支架反復(fù)支撐時(shí)，頂梁不易遭到過大頂板壓力破壞，管理頂板更具有可行性；支架移架時(shí)不會與鄰架產(chǎn)生擠壓、摩擦、阻礙。四連桿機(jī)構(gòu)只需承受支架自重，頂板壓力不會加載在其上。

3 基于Pro/E軟件下支架運(yùn)動學(xué)分析

支架運(yùn)動學(xué)分析，主要分析動作順序，說明支架運(yùn)轉(zhuǎn)和推移具有合理性和可行性。另一方面，分析支架頂梁升降軌跡，有利于支架頂梁路線管理。

3.1 支架順序動作分析。

端頭液壓支架總裝配模型設(shè)置好各個(gè)部件的運(yùn)動情況，在Pro/E軟件中設(shè)置“機(jī)構(gòu)”命令，通過設(shè)計(jì)不同先后順序，讓其推移千斤頂和支架的立柱執(zhí)行不同運(yùn)動任務(wù)，這樣就可以分析端頭支架運(yùn)動情況。其運(yùn)動情況通過圖2和圖3加以說明。

采煤工作面未開采時(shí)，頂板被5架支架支承著，支架頂梁通過齒形相互咬合連接在一起，此時(shí)未推進(jìn)轉(zhuǎn)載機(jī)，其運(yùn)動情況如圖2所示。

圖2 未推進(jìn)轉(zhuǎn)載機(jī)

采煤機(jī)準(zhǔn)備開采推進(jìn)時(shí)，千斤頂協(xié)同作用，在其協(xié)力配合下，轉(zhuǎn)載機(jī)被向前推移被向前推移一個(gè)步距，支架組仍然接頂，支撐上覆巖層，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)載機(jī)被推進(jìn)1個(gè)步距

3.2 分析四連桿軌跡。

為了確保支架頂梁不會影響采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)工作，需要分析支架頂梁在升降過程的軌跡情況。根據(jù)支架整體裝配模型，機(jī)械軟件能夠顯示頂梁支撐上覆巖層，四連桿轉(zhuǎn)角，其角度測得51.68°；降低立柱桿后，在Pro/E軟件設(shè)置降低400mm，此時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)角顯示為28.5°。通過轉(zhuǎn)角變化，就可以得到頂梁鉸接點(diǎn)坐標(biāo)，采用數(shù)學(xué)線性插值法原理，則可得出鉸接點(diǎn)的運(yùn)動軌跡曲線，如圖4所示。

圖4 頂梁運(yùn)動軌跡

從圖4可以看出，支架頂梁在下降過程中，先是向左移動，并且也同時(shí)下降；而后又向右移動，整個(gè)過程至降柱截止。從圖中可以讀出，頂梁左右最大位移約為30.4mm，整個(gè)下降高度約300.5mm。從而表明支架頂梁下降過程中不會與相鄰支架頂梁發(fā)生障礙。

從運(yùn)動學(xué)分析表明，端頭液壓支架總體可行，自移動比較符合生產(chǎn)實(shí)際，也是具有替代現(xiàn)在普通端頭支柱的潛力。

4 利用ANSYS軟件對支架仿真研究

4.1 建 模

仿真時(shí)采用ANSYS WORKBENCH軟件中的節(jié)點(diǎn)四面體單元和節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分模型網(wǎng)格[6]，研究的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，應(yīng)力集中區(qū)，加密網(wǎng)格，最后整個(gè)模型有540000節(jié)點(diǎn)，260000個(gè)單元。網(wǎng)格尺寸基本控制在較小范圍之內(nèi)，雖然微小的網(wǎng)格有利于計(jì)算精度，但會造成計(jì)算機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，極易死機(jī)，無法進(jìn)行仿真，最后網(wǎng)格劃分上采取了適宜的尺寸。

對支架邊界條件，加載了荷載和約束，支架頂梁施加面的均勻載荷，底座采用邊界約束。并對支架材料賦予了不同參數(shù)，相應(yīng)還設(shè)置了彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)。

4.2 結(jié)果分析

通過對端頭支架進(jìn)行仿真，利用ANSYS軟件施加載荷和邊界條件后進(jìn)行了求解，并對仿真結(jié)果的支架應(yīng)力和位移做了后處理。仿真分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

從支架應(yīng)力云圖5可以看出，頂梁上板分布應(yīng)力較大，最大值約為160MPa，位置大概在柱帽焊接點(diǎn)，但遠(yuǎn)小于頂梁材料的屈服應(yīng)力。由此表明，支架頂梁在受到上覆巖層頂板壓力時(shí)，其支護(hù)能力能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖5 支架應(yīng)力云圖

圖6 支架位移云圖

支架頂梁由三根立柱支撐，從支架整體的位移云圖6可以看出，缺少立柱頂梁區(qū)域，位移明顯大于其他有立柱支撐區(qū)域，雖然位移明顯，但程度較輕，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。另外可以看出，整個(gè)支架能夠支護(hù)頂板，說明端頭支架支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)可行。

5 結(jié) 論

論文針對綜采工作面端頭支護(hù)難題，對端頭支架重要部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了其運(yùn)動狀態(tài)，通過仿真模擬端頭支架，表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的端頭支架具有可行性。

1）端頭支架的頂梁、立柱、底座、四連桿結(jié)構(gòu)在支護(hù)和推移過程中起著重要作用，選擇了最優(yōu)的頂梁、立柱、底座、四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)和材料，為端頭支架打下了重要基礎(chǔ)。

2）研究了端頭支架動作順序和四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡，從運(yùn)動學(xué)上分析，該支架不僅滿足支護(hù)要求，還有助于其他設(shè)備推移、穩(wěn)定。

3）利用仿真軟件對端頭支架進(jìn)行了模擬研究，研究表明端頭支架在支護(hù)強(qiáng)度和變形方面均滿足使用要求。