液壓支架沖擊作用仿真分析

李 東

（陽煤集團五人小組管理部， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著我國采煤業不斷的廣闊發展，采煤設備的穩定性及耐用性受到了人們越來越多的關注研究。綜采技術采用自動化作業，大大提高了采煤的效率。綜采工作面主要由三大部分構成，包括采煤機、液壓支架及刮板輸送機[1]。液壓支架是煤層開采支護的主要設備，不僅為工作人員提供安全作業空間，還對工作面頂板起到支撐和控制作用。液壓支架處在惡劣的工作環境中，其工作過程中不僅要承受煤礦的壓力，還要承受結構內外力的作用[2]。各種不確定的載荷作用，會對支架的不同部位造成損壞，給煤礦的安全生產帶來一定的隱患。

在生產中，由于地質條件的復雜性，液壓支架頂梁和直接頂之間的接觸條件不斷變化，其受到的壓力作用也不斷變化，包括大小及方向。巖層空間的變化，使得頂板不斷承受沖擊載荷作用，而沖擊載荷造成支架損壞事故的比例占到了煤礦事故的50%以上[3]。因此，對于液壓支架在沖擊載荷的作用下進行仿真分析是十分必要的，可以為液壓支架的結構設計及載荷控制提供依據。

1 液壓支架仿真模型

1.1 液壓支架建模

液壓支架仿真模型的建立，選取ZY12000/28/64作為系統的研究對象，這種液壓支架是常見的支頂掩護式液壓支架，其主要組成部分即模型構成如圖1所示。采用機械系統動力學自動分析軟件ADAMS建模過程中，對于梁、掩護梁、前連桿、后連桿這些結構部件，作為彈性體進行定義，而底座部分以剛性體進行定義[4]。對于彈性體的處理，以有限元軟件ANSYS作劃分網格的前處理。

圖1 液壓支架模型

1.2 立柱變剛度彈簧阻尼系統

液壓缸在工作過程中，假定不存在泄漏等因素存在，根據液體的可壓縮性，液壓缸在外力作用下移動時，引起液壓腔內部壓力變化，一腔升高，一腔降低，液壓缸產生的復位力與液壓缸活塞的位移成正比關系，可將其看做成液壓彈簧而作用，將其參數等效為彈簧阻尼系數[5]。

液壓缸的等效剛度計算公式[6]為：

式中：K為等效剛度系數，N/m；βe為液壓介質體積彈性模量；L為液壓缸內油腔長度；Ap為活塞有效面積，m2。

根據液壓支架ZY12000/28/64，其立柱液壓缸和平衡液壓缸技術參數如下頁表1所示。采用乳化液作為液壓傳遞的動力介質，其彈性模型取為5×108Pa。

將表1中的液壓缸技術參數代入式中，可計算得出立柱液壓缸和平衡液壓缸等效剛度系數，其值為 K1=6.7×107 N/m，K2=6.1×107 N/m。

表1 液壓缸技術參數 mm

1.3 頂梁承載

當支架處于正常的工作狀態時，支架給予支撐力作用于直接頂，當基本頂受到周期壓力時，支架和直接頂均承受周期性壓力，其結構產生一定變形，形成給定變形，此時支架承受的載荷不僅包括直接頂的自重，還包括由于控頂區下沉引起的基本頂載荷增加。由此，液壓支架的受力一是直接頂的載荷作用，二是頂板斷裂后周期來壓形成的載荷作用。

對于直接頂的載荷作用，將巖層作為不可壓縮巖體處理，其自身無法取得平衡，直接頂載荷值取采高2～4倍巖柱的自重值。對于頂板引起的沖擊載荷，由于巖層機構的復雜性，無法準確地對載荷進行確定，對于沖擊載荷的作用，模擬過程中采用階躍載荷的形式來模擬，液壓支架在仿真過程中，由于響應幅值和響應時間的限制，此次實驗過程中，階躍載荷幅值取4 000 kN。

1.4 邊界條件

在液壓支架建模過程中，將支架座作為剛體固定，限制其全部自由度，其余構件不作限制，前連桿鉸接點、后連桿鉸接點、掩護梁－頂梁鉸接點、平衡液壓缸鉸接點、立柱液壓缸鉸接點采用ADAMS中的“轉動副”進行連接，液壓缸活塞與缸體之間采用滑動副連接。

2 數據處理分析

對于液壓支架建模及邊界條件設定之后，可按上述參數對其進行加載，模擬仿真后得到數據及分析如下。

2.1 前、后連桿鉸接點力傳遞系數

改變階躍載荷的作用點位置，得到支架前連桿鉸接點力傳遞系數變化如圖2所示，后連桿鉸接點力傳遞系數變化如圖3所示。由于模型中梁的長寬比值為2.9，寬度方向變化較小，沿著同一寬度方向，從圖2、3中可以看出，當沖擊載荷的作用點越靠近頂梁前端時，其力傳遞系數越大，而在長度方向上的力傳遞系數隨沖擊載荷作用點位置變化不顯著。

2.2 頂梁－掩護梁鉸接點力傳遞系數

對于頂梁－掩護梁鉸接點的力傳遞系數變化得到數據如圖4所示，從圖4中可以看到，隨著階躍載荷的作用點位置在長度方向上的變化，其值呈大小交替的變化，當沖擊載荷作用于中間位置時，鉸接點受到的力矩值最小，而當作用點延長度方向移動時，鉸接點的力矩逐漸增加，在同一長度位置時，其隨寬度的變化同樣不顯著。

圖2 前連桿鉸接點力傳遞系數變化趨勢圖

圖3 后連桿鉸接點力傳遞系數變化趨勢圖

圖4 頂梁－掩護梁鉸接點力傳遞系數變化趨勢圖

2.3 液壓缸鉸接點力傳遞系數

對于平衡液壓缸和立柱液壓缸鉸接點力傳遞系數變化如下頁圖5、6所示。從圖5中可以看出，平衡液壓缸的力傳遞系數，隨著階躍載荷的作用點位置在長度方向上的變化，其值同樣呈大小交替的變化，當沖擊載荷作用于兩立柱連接位置時，鉸接點受到的力矩值最小，其隨寬度的變化同樣不顯著。對于立柱液壓缸，隨沖擊載荷作用位置在長度方向上的增加，其力傳遞系數不斷增加，在寬度方向上的變化不顯著。

3 結論

1）載荷沖擊作用位置的不同，對于各鉸接點的力傳遞系數都有影響，但對于各自的影響趨勢不同，沖擊載荷作用于長度方向的位置變化時，對于鉸接點的影響較大，而對于寬度方向上的作用點變化均不敏感。

2）在沖擊載荷作用點位置變化過程中，當其作用于兩立柱液壓缸中心位置時，頂梁－掩護梁鉸接點及平衡液壓缸鉸接點此時受到的力矩均為最小值，其力傳遞系數最小，說明沖擊載荷作用于此位置時的受力情況最好。

圖5 平衡液壓缸鉸接點力傳遞系數變化趨勢圖

圖6 立柱液壓缸鉸接點力傳遞系數變化趨勢圖

3）沖擊載荷作用位置變化時，在各鉸接點中，平衡液壓缸鉸接點和頂梁－掩護梁鉸接點受力對沖擊載荷位置變化的敏感度高，而立柱液壓缸鉸接點的敏感度較低。