ZY4800/06/16.5D型薄煤層液壓支架群組支護力學(xué)特性研究

南 寧

遼寧鐵法能源公司小青煤礦 遼寧調(diào)兵山 112700

鐵 法煤業(yè)集團為延長礦井的服務(wù)年限，于 2000年引進了我國第一套采用德國 DBT公司核心技術(shù)的全自動化刨煤機采煤系統(tǒng)，經(jīng)歷煤層賦存條件的變化，通過多年的薄煤層開采經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)液壓支架的可靠性問題是決定支架使用壽命和礦井的安全生產(chǎn)的重要因素。

筆者以小青礦 W2-701刨煤工作面為研究對象，基于機械設(shè)計理論與方法，以現(xiàn)代工程設(shè)計和分析軟件為工具，對該工作面的 ZY4800/06/16.5D型液壓支架群組支護力學(xué)特性及在不同工況下的關(guān)鍵零部件強度進行有限元分析。

1 ZY4800/06/16.5D型液壓支架結(jié)構(gòu)特征

ZY4800/06/16.5D型液壓支架主要包含控制元件、液壓缸、承載結(jié)構(gòu)件及其他輔助裝置。該支架具有較為緊湊的結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)件采用高強度鋼板，能夠以較小的結(jié)構(gòu)件斷面尺寸達(dá)到較高的強度，保證通風(fēng)斷面以及行人安全。ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表 1所列。

圖1 ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of ZY4800/06/16.5D hydraulic support

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

2 液壓支架群組支護工況分析

W2-701刨煤工作面煤層厚度為 0.84～1.20 m。工作面無沖擊地壓和應(yīng)力集中區(qū)。工作面底層綜合柱狀圖如圖 2所示，煤層頂?shù)装迩闆r如表 2所列。

工作面采用兩柱掩護式液壓支架維護頂板，前后端頭采用支撐掩護式支架控制頂板，液壓支架在電液控制系統(tǒng)的控制下自動移架；當(dāng)工作面過裂隙帶頂板破碎或片幫易發(fā)生頂板抽條情況時，采取自動和手動相結(jié)合方式移架。工作面選用 140組液壓支架 (129組 ZY4800/06/16.5D型中間架)，工作面設(shè)備布置如圖 3所示。

圖2 工作面底層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of bottom layer of workface

表2 煤層頂?shù)装迩闆rTab.2 Status of roof and floor of coal seam

圖3 工作面設(shè)備布置示意Fig.3 Sketch of equipment layout on workface

3 液壓支架群組支護受力分析

通過液壓支架群組實現(xiàn)對工作面頂板巖層的支護。借鑒前人研究方法，將采煤工作面頂板中點設(shè)定為坐標(biāo)原點，假設(shè)綜采工作面的左右巷幫力學(xué)特性相同，并且液壓支架和頂板載荷相對于工作面中心線對稱分布[1]。將支護系統(tǒng)簡化為彈性基礎(chǔ)梁模型，如圖4所示。

圖4 彈性基礎(chǔ)梁模型Fig.4 Model of elastic foundation beam

支架剛度可表示為

式中：k為反映位移量隨荷載值增長的比例系數(shù)，N/m3；B為支架中心距，m；l為支架頂梁長度，m。

將頂板的均布載荷設(shè)定為q[2]，若梁中某單元支架的頂板下沉量為v，由彈性基礎(chǔ)梁假設(shè)可知，液壓支架對頂板的載荷分布為 -kv，則頂板承受的載荷為q-kv。根據(jù)彈性基礎(chǔ)梁假設(shè)，單位寬度上頂板有如下平衡方程：

并推導(dǎo)出頂板的撓曲線方程

式中：E為梁材料的彈性模量；I為梁截面慣性矩；V0為巖梁中點的撓度；α為彈性特征值；M0為巖梁中點的彎矩；Vi(αx) (i=0～ 3) 為普日列夫斯基函數(shù)[3]。

在研究液壓支架群組支護載荷時，假設(shè)左右巷幫處的頂板相當(dāng)于剛性連接在彈性支座上，即可得邊界條件Kθ1=Kθ2→∞，設(shè)定u=αl/2，可得撓曲線方程：

經(jīng)對頂板載荷計算和實測，沿工作面方向不同位置液壓支架頂梁承受的載荷和偏載情況不同，并且越靠近工作面中部，液壓支架頂梁承受的載荷越大，偏載情況越輕。工作面不同位置的液壓支架頂梁載荷如圖 5所示 (從液壓支架后方看，以回風(fēng)巷側(cè)為液壓支架頂梁原點)。

圖5 不同工作面位置上液壓支架的頂梁載荷Fig.5 Load of top beam of hydraulic support at various positions of workface

4 液壓支架結(jié)構(gòu)強度有限元分析

筆者主要考察液壓支架在承受頂板施加的偏載工況下的力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)強度。按照 GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第一部分：通用技術(shù)條件》要求，對主體結(jié)構(gòu)件進行有限元仿真分析[4]。以前文得到的支架群組載荷結(jié)果作為有限元仿真時的施加載荷及邊界條件。

選取 2個典型工況位置的液壓支架進行研究，其結(jié)果可拓展至整個工作面各個位置的液壓支架。選取從回風(fēng)巷道側(cè)第 10個液壓支架為工況 1，從回風(fēng)巷道側(cè)第 30個液壓支架為工況 2，將前文計算得到的頂梁載荷作為均布載荷加載到支架模型的頂梁。液壓支架整架應(yīng)力云圖如圖 6所示。

圖6 不同工況條件下液壓支架整架應(yīng)力云圖Fig.6 Stress contours of whole hydraulic support in various operation modes

4.1 頂梁的應(yīng)力與應(yīng)變

不同工況下液壓支架頂梁應(yīng)力與變形分布云圖如圖 7所示。

圖7 液壓支架頂梁應(yīng)力與變形分布云圖Fig.7 Stress and deformation contours of top beam of hydraulic support

由圖 7(a) 可知，頂梁的應(yīng)力主要分布在柱窩和中間肋板附近，柱窩附近的應(yīng)力最高。頂梁中間肋板左側(cè)上部的應(yīng)力較大，為 244.11 MPa。由于偏置載荷的作用，左側(cè)柱窩的應(yīng)力高于右側(cè)柱窩應(yīng)力，為 156.21 MPa，右側(cè)柱窩附近應(yīng)力為 135.88 MPa，左右柱窩處應(yīng)力差為 20.33 MPa。液壓支架在實際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)立柱頂端銷軸斷裂后，活塞桿頂進液壓支架頂梁的情況，此處分析與實際工況相符。頂梁柱窩處是頂梁承受頂板載荷的主要承力部位，該部位的強度直接影響液壓支架整機的使用壽命。除了柱窩附近有應(yīng)力集中外，頂梁其他部分的應(yīng)力并不高，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

由圖 7(c) 可知，頂梁中間肋板左側(cè)上部的應(yīng)力最大，為 408.28 MPa。由于偏載，左側(cè)柱窩附近的應(yīng)力為 308.20 MPa，右側(cè)的柱窩附近應(yīng)力為 264.52 MPa，左右柱窩處應(yīng)力差為 43.68 MPa。與工況 1相比，工況 2左右柱窩處應(yīng)力差增加了 20.35 MPa，主要是由于頂板載荷偏差增加所致。

由圖 7(b)、(d) 可以看出，頂梁后端變形小，前端變形大。

4.2 立柱的應(yīng)力與應(yīng)變

不同工況下液壓支架立柱應(yīng)力與變形分布云圖如圖 8所示。

圖8 液壓支架立柱應(yīng)力與變形分布云圖Fig.8 Stress and deformation contours of column of hydraulic support

由圖 8(a)、(b) 可知，立柱缸體最大等效應(yīng)力為 222.99 MPa，最大變形量為 1.028 2 mm，在偏置載荷作用下，左、右立柱的最大等效應(yīng)力差為 19.48 MPa，最大變形量差為 0.144 6 mm。立柱缸體的應(yīng)力和剛度均滿足要求。

由圖 8(c)、(d) 可知，立柱缸體最大等效應(yīng)力為443.76 MPa，最大變形量為 2.046 1 mm，左、右立柱的最大等效應(yīng)力差為 28.51 MPa，最大變形量差為0.210 3 mm。立柱缸體的應(yīng)力和剛度均滿足要求。

5 結(jié)論

沿工作面方向不同位置液壓支架頂梁承受的載荷和偏載情況是不同的，越靠近工作面中部，液壓支架頂梁承受的載荷越大，偏載情況越輕；頂梁的應(yīng)力主要分布在柱窩和中間肋板附近，在偏置載荷的作用下，左側(cè)柱窩的應(yīng)力高于右側(cè)柱窩。分析結(jié)果與實際工況相符，柱窩部位的強度直接影響液壓支架整機的使用壽命。研究結(jié)果對支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進和小青礦 W3、N3采區(qū)薄煤層工作面液壓支架的選型和使用具有實際指導(dǎo)意義。對于沖擊地壓、周期來壓等動態(tài)加載工況下的結(jié)構(gòu)強度、設(shè)備動態(tài)特性以及疲勞壽命等，有待進一步研究。