礦井液壓支架在動態力學條件下的結構強度分析研究

楊青合，趙 虎，李 博

(1.鄭煤集團 告成煤礦，河南 登封 452477； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

礦井液壓支架是地下開采煤炭物料時的支承機構，是維持綜采工作面安全運行的關鍵設備。近年來，隨著地下綜采工作面的長度逐漸增加，液壓支架的使用不斷提高了開采效率。此外，還開發了水力支承，以適應高、超高的開采高度，實現深、厚煤層的有效開采。隨著礦井綜采工作面長度和水力支承高度的增加，地下面寬度和采度隨之增大。因此，地頂壓力梯度降低，工作載荷壓力強度增加。同時，上梁和頂層上方位置的異常沉降和坍塌對支架造成的影響越來越大。因此，深、超長煤面承載力是決定支承安全可靠的關鍵[1-3]。在液壓支架的所有工作條件下，沖擊載荷對其機械性能的影響最大。液壓支架的安全性關系到了一線作業人員以及礦井安全生產。沖擊載荷會破壞支承的原力平衡，導致支承失去其穩定性并發生晃動，在最壞的情況下甚至會導致支承面坍塌，從而導致重大煤礦事故。因此，必須對支承性能的沖擊載荷的動態力學進行深入分析，并且找到液壓支架敏感的鉸鏈點，實現沖擊載荷下的液壓支架的更加優異結構支承性能，全面提高其支承穩定性。

1 液壓支架應力安全問題

1.1 研究背景

目前已經提出了許多關于地下支承的承載力與頂層和底板之間的關系以及沖擊載荷對支承軸承的影響的研究，但是研究還存在一定的短板，尤其是液壓支架的剛—柔模型還沒有正確建立?；谠S多科研工作者對液壓支承與周圍巖石之間耦合關系的深入研究，將支護與圍巖的關系總結為強度耦合、剛度耦合和穩定性耦合，早期的研究提出了一些控制高煤面圍巖的關鍵技術，如穩定性耦合、支承物與圍巖之間的剛度耦合控制以及墻的塌落控制。但是通過構造和分析長壁煤面的二維有限元模型，支護與圍巖的相互作用過程較為復雜。它們之間還通過具有不同承載力的液壓支架來評估煤面，簡單的分析方法不適用于復雜的地質環境。隨后基于分析點荷載作用于上頂梁時的高采礦高度支承的應力是新的研究思路，該法提高了模型的剛度，構建了一個基于立柱可變剛度的支承沖擊動力模擬平臺，以分析超高采礦高度支承點荷載沖擊掩護梁時不同鉸接縫的應力響應。提出恒定負荷分段調整技術，假設剪切機平均切割時間縮短21.7%，有效削弱了煤壁，滿足厚煤層分段開采的要求。

液壓支柱的應力、穩定性和電液控制系統，有效地降低了液壓支柱的故障率，提高了其穩定性。俯仰角煤層和開采推進速度對水力支承阻力的影響較大，合理提高隧道掘進速度和控制開采高度的具體措施，有利于指導水力穩定性[4-7]。

1.2 液壓支架應力研究假設問題

近期的研究通過機電流體模擬建立了姿態檢測和控制方向的數學模型，驗證了液壓支架不同姿態的模型，得到了姿態控制器，為自動化和無人地下采礦提供了指導。部分專家對掩護梁進行了數值模擬和分析，并進行了比較。結論表明，基礎支承的形式對護罩的應力分布有影響。全程支護時，前端荷載減少約45%，為特定地質條件下的盾構支護提供指導。一般基于數值模擬方法，在最小橫向位移的前提下，優化了液壓支架四桿機構的參數值，確保液壓支架滿足日常要求?；诹黧w力學和流固耦合基礎對液壓缸剛度進行有限元分析，對液壓缸剛度分析和液壓系統設計具有一定的參考價值。在以往的研究中，平衡千斤頂被視為剛性結構部分，或作為剛度相同的彈簧，并且它沒有顯示平衡千斤頂的2個工作特性(推拉)，這種假設方式是不準確的[8-11]。

因此，本文采用剛度彈簧等效更換平衡千斤頂的研究方法，并在此基礎上綜合總結了支架在表面荷載和點荷載沖擊下的力狀態，以尋找危險的沖擊條件和位置。根據上述理論和研究，進一步改進了對支架的沖擊分析方法，總結了表面荷載和點荷載下的支架應力，旨在識別危險的沖擊條件和位置。

2 液壓支架結構分析方法

2.1 模擬平臺的建立

結合Pro/E、HyperMesh和Adams三個輔助建模仿真分析平臺，構建了1個ZY21000/38/82D帶式輸送機沖擊動力學模擬平臺(平臺內支承模型的高度為最大工作高度)如圖1所示。①利用Pro/E構造了原始的三維模型。②支承的主要結構構件采用超網加工為柔性(考慮到支承沖擊后結構構件的輕微變形及其對支承應力的影響，除底座外的所有結構構件均為柔性)。③利用Adams軟件，建立了基于剛性彈性聯軸器的中心柱和平衡千斤頂由彈簧阻尼系統取代，實現油缸的沖擊動力學仿真平臺。

圖1 液壓支架模型平臺的建立流程Fig.1 Establishment process of hydraulic support model platform

2.2 仿真平臺的剛性處理

液壓支架在礦井地下使用時，立柱和平衡千斤頂具有自己的承載力。當支承物被提升到一定的高度后，頂層支架緩慢下降時，頂層上的壓力就會逐漸增加。柱的軸承模式具有特殊的工藝。首先，它顯示了低外部載荷下的初始承載力(該狀態可以通過預載實現)。隨著外部荷載的增加，柱上的上部腔開始被壓縮(此時，柱剛度等于上腔剛度，柱剛度等于下腔剛度)。隨著外部載荷的持續增加，柱的上下腔同時被壓縮(此時，柱的剛度等于上下腔的串聯剛度)，該過程如圖2所示。此外，當腔內乳化液體被壓縮時，平衡千斤頂為“拉伸”(在這種情況下，平衡千斤頂的剛度等于帶腔的柱剛度)；當腔內無乳化液體被壓縮時，它會被“壓縮”(在這種情況下，平衡千斤頂的剛度等于無腔柱的剛度)。

圖2 上、下腔油缸的運動進程Fig.2 Movement process of the upper and lower chamber oil cylinders

由于液壓支架地下使用時車頂形狀復雜且變化，活塞桿與油缸底部接觸狀態復雜且變化。如果頂層相對平坦，上半支架和頂層的頂表面可能有一個很大的接觸面積，這被視為表面接觸。如果頂層不規則，支架平面與頂層凸起之間的接觸面積較小，即點接觸。由于研究的液壓支架結構普遍對稱，當支承面朝向煤壁時，可以首先分析左側鉸接縫的應力。最終應考慮右側的液壓支架的鉸鏈接頭。

3 沖擊載荷下支架應力分析

3.1 不同載荷大小的沖擊載荷分析

支承具有“向下”或“升高”模式，由頂層的煤壁坡度和斷裂帶情況所決定。3種支承件的承載狀態如圖3所示。根據承載狀態，構建了“平行表面沖擊”“提高表面沖擊”和“地表沖擊”下的模擬平臺，在不同條件下的載荷，通過設置上頂接觸以及旋轉對和滑動對聯合完成支承作業。隨后，采用ANSYS軟件進行仿真計算，分析了液壓支架頂部構件的應力狀態。

圖3 液壓支架的支承工作方式Fig.3 Supporting work method of hydraulic support

液壓支架的最大工作阻力設置為21 MN。地下空間液壓支架的實際工作阻力一般在設置負荷和最大工作阻力之間。此處，液壓支架在礦井地下運行期間的正常頂層支承柱壓力確定為14 MN。同時，在3種條件下，選擇1～6 MN的6組工作載荷作為沖擊載荷的模擬環境。所有荷載都垂直于模型的頂層中心。不同荷載的具體曲線如圖4所示。

圖4 頂層的壓力和沖擊荷載曲線Fig.4 Pressure and impact load curves of the top layer

3.2 表面沖擊下的支承應力

上鉸鏈接頭的應力變化系數均隨沖擊載荷的增加而呈線性增長趨勢。此外，在提高表面沖擊條件下的應力變化系數主要增加抗沖擊的能力。這表明，上鉸鏈接頭的應力與沖擊載荷呈正比，并且對提高表面沖擊作用下的沖擊載荷具有敏感性。

動態載荷沖擊下前連桿鉸鏈關節的應力變化系數均隨沖擊載荷的增加而呈線性增長趨勢。此外，在提高表面沖擊條件下的應力變化系數規律不明。這表明，前聯動機構鉸鏈接頭的應力與沖擊載荷呈正相關的關系，對提高表面沖擊作用下的沖擊載荷有較大的幫助。圖5顯示，在表面沖擊力下，后聯動機構鉸鏈關節的應力變化系數均隨著沖擊載荷的增加而呈線性增長趨勢。此外，在提高表面沖擊條件下的應力變化系數一直在增加。這表明，后連桿機構鉸鏈接頭的應力與沖擊載荷呈正比例關系，對提高表面沖擊作用下的沖擊載荷有較大的決定性作用。

圖5 前聯動裝置接頭的應力變化曲線Fig.5 Stress change curve of the front linkage joint

3.3 立柱受沖擊下的應力分析

模型中將液壓支架的立柱液壓缸、平衡液壓缸、頂梁、前連桿、后連桿以及掩護梁等效為彈性體，用預載荷模擬正常工作條件下的靜載荷，用階躍載荷模擬基本頂斷裂或垮塌時對支架的沖擊力。支柱所受的點沖擊不同于表面沖擊，它可能作用于支架的隨機位置。由于地下屋面巖石崩塌可能對掩護梁產生沖擊荷載，點沖擊也分為3個工作條件：“頂梁點沖擊”、“斜梁點沖擊”和 “同時對上梁和斜梁的點沖擊”。點沖擊的載荷方案如圖6所示。

圖6 點狀沖擊載荷作用于上半梁Fig.6 Point-like impact load acting on the upper beam

工作負載和點沖擊的載荷曲線如圖7所示。選擇2個正負載(7 MN)向下作用垂直于上梁頂表面的上方，以模擬14 MN的頂層壓力。沖擊載荷設置為6 MN變化荷載。模擬了不同鉸鏈接頭上的應力，可得到“頂梁點沖擊”、“斜梁點沖擊”和 “同時對上梁和斜梁的點沖擊”條件下不同鉸接縫處的應力變化系數。

圖7 工作負載和點沖擊的載荷曲線Fig.7 Load curve of working load and point impact

4 應力變化系數及結構敏感區域分析

4.1 立柱的應力變化系數

在3點共同的沖擊力影響條件下，柱應力變化系數增大。此外，當點荷載作用于上梁前端和掩護梁前端時，柱上的應力的變化系數為主要增加對象。從圖8中可以看到，這反映了當沖擊荷載作用于上半梁和掩護梁的任何位置時，柱上的應力都會增加。此外，上角梁和掩護梁前端的沖擊載荷最為明顯。

圖8 液壓支架立柱應力系數變化Fig.8 Change of stress coefficient of hydraulic support column

4.2 上掩護梁鉸鏈接頭的應力變化系數

液壓支架上掩護梁應力系數變化如圖9所示，基于上掩護梁鉸鏈接頭受點影響時，上掩護梁鉸鏈接頭應力變化系數可能增減。一般情況下，當上半梁前端(尤其是左前位置)和掩護梁前端(尤其是右前位置)受到沖擊時，應力變化系數會進一步增大。這意味著在梁支承點影響下，上掩護梁鉸鏈接頭的應力可能增加或減少。然而，支架對上半梁前端(尤其是左前位置)和掩護梁前端(尤其是右前位置)的沖擊載荷的響應最大。

圖9 液壓支架上掩護梁應力系數變化Fig.9 Change of stress coefficient of shield beam on hydraulic support

4.3 前聯動鉸鏈接頭應力變化系數

液壓支架前聯動鉸鏈接頭應力系數變化如圖10所示。

圖10 液壓支架前聯動鉸鏈接頭應力系數變化Fig.10 Change of stress coefficient of front linkage hinge joint of hydraulic support

由圖10可知，前聯動鉸鏈接頭受點沖擊時，前聯動機構鉸鏈接頭應力變化系數可能增加。當上半梁前端、右前位置和掩護梁前端(尤其右前位置發生點沖擊)時，應力變化系數會再增大。在對支架的點影響下，前連桿鉸鏈接頭的應力可能會增加或減少。但支架對上梁和掩護梁前端(尤其是右前位置)的沖擊載荷數據增加過多。

4.4 后聯動鉸鏈接頭應力變化系數

液壓支架后聯動鉸鏈接頭應力系數變化如圖11所示。由圖11可知，后連機構鉸接處應力變化系數可能增加。一般當前端發生點影響時，應力變化系數會進一步增加(尤其是上半梁的左前位置)和掩護梁的前端(尤其是左前位置)。這意味著在對支架進行點沖擊下，后連桿鉸鏈接頭的應力可能會增加或減少。然而，支架對上半梁前端(尤其是左前位置)和掩護梁前端(尤其是左前位置)的沖擊載荷的響應最大。

圖11 液壓支架后聯動鉸鏈接頭應力系數變化Fig.11 Change of stress coefficient of linkage hinge joint of hydraulic support

4.5 點沖擊下的支承結構敏感區域分析

基于上述分析，可以得出鉸鏈接頭對上梁和掩護梁不同位置點沖擊的敏感程度。根據響應敏感強度，可以獲得鉸鏈接頭對支架結構受到點沖擊的敏感區域，以便進一步優化液壓支架結構(圖12)。

5 結語

基于對礦井液壓支架立柱和平衡千斤頂工作過程的分析，提出了液壓支架多缸變剛度的分析方法。結合具體結構，得到了液壓支架支承在不同狀態下的等效剛度，得出的結論如下。

圖12 鉸鏈接頭對點沖擊的敏感結構區域Fig.12 Sensitive structural area of the hinge joint to point impact

(1)3種聯合沖擊力在不同鉸鏈接頭下與支承表面沖擊載荷呈正比例關系。梁鉸鏈接頭處的應力后連桿的前連桿和鉸鏈接頭對提高表面沖擊最敏感，而柱的應力對平行表面沖擊最敏感，因此提高表面沖擊主要影響支承件的應力。

(2)單向沖擊下支承件不同鉸鏈接頭處的應力可能會增加或減少。大多數點沖擊可能會增加支承件鉸接接頭處的應力。柱、上梁前端和后梁前端對動態沖擊負荷最敏感。后梁前端鉸鏈接頭、前聯動桿鉸鏈接頭和后聯動桿鉸鏈接頭主要對上梁和后梁前端左右前端的沖擊載荷很敏感。因此，上梁、護梁前端以及左右前端的沖擊荷載主要影響支架的應力狀態。

通過建立的可變剛度的支承動態載荷模擬模型，采用仿真計算得到了各支承鉸鏈點在表面載荷和點載荷影響下的應力響應。然而，液壓支架包含了許多復雜的部件。在未來的工作中，應考慮支承肋板墜落對支承應力的影響，建立一個更復雜的支承應力模型，并研究更多外部荷載對支承的影響。

參考文獻(References)：

[1] 樊園杰，王婷.我國煤炭產業經濟發展趨勢及建議[J].現代工業經濟和信息化，2017(9)：8-9.

Fan Yuanjie，Wang Ting.Economic development trends and suggestions of my country′s coal industry[J].Modern Industrial Economics and Informatization，2017(9)：8-9.

[2] 薛靜靜，沈鐳，劉立濤，等.中國能源供給安全綜合評價及障礙因素分析[J].地理研究，2014，33(5)：842-852.

Xue Jingjing，Shen Lei，Liu Litao，et al.Comprehensive evaluation of China′s energy supply security and analysis of obstacles[J].Geographical Research，2014，33(5)：842-852.

[3] 高有進，羅開成，張繼業.綜采工作面智能化開采現狀及發展展望[J].能源與環保，2018，40(11)：167-171.

Gao Youjin，Luo Kaicheng，Zhang Jiye.Current status and development prospects of intelligent mining in fully-mechanized mining face[J].China Energy and Environmental Protection，2018，40(11)：167-171.

[4] 符如康，張長友，張豪.煤礦綜采綜掘設備智能感知與控制技術研究及展望[J].煤炭科學技術，2017，45(9)：72-78.

Fu Rukang，Zhang Changyou，Zhang Hao.Research and prospect of intelligent perception and control technology for fully-mechanized coal mining equipment[J].Coal Science and Technology，2017，45(9)：72-78.

[5] 王國法，趙國瑞，任懷偉.智慧煤礦與智能化開采關鍵核心技術分析[J].煤炭學報，2019，44(1)：41-48.

Wang Guofa，Zhao Guorui，Ren Huaiwei.Analysis of key core technologies for smart coal mines and smart mining[J].Journal of China Coal Society，2019，44(1)：41-48.

[6] 倪明飛，韓山嶺.煤礦液壓支架電液控制系統的應用現狀研究[J].中小企業管理與科技，2015(30)：258.

Ni Mingfei，Han Shanling.Research on the application status of coal mine hydraulic support electro-hydraulic control system[J].Management and Technology of Small and Medium-sized Enterprises，2015(30)：258.

[7] 郝正強.大傾角綜放工作面液壓支架穩定性控制技術的應用研究[J].當代化工研究，2019(7)：152-153.

Hao Zhengqiang.Application research on stability control technology of hydraulic support in high-incline fully-mechanized caving face[J].Contemporary Research in Chemical Industry，2019(7)：152-153.

[8] 王國法，龐義輝，張傳昌，等.超大采高智能化綜采成套技術與裝備研發及適應性研究[J]．煤炭工程，2016，48(9)：6-10．

Wang Guofa，Pang Yihui，Zhang Chuanchang，et al.Research on the research and development and adaptability of complete sets of technology and equipment for intelligent fully-mechanized mining with super large mining height[J].Coal Engineering，2016，48(9)：6-10.

[9] 辛亮.煤礦綜采工作面設備配套選型系統的設計[J].機械管理開發，2018，33(8)：20-21，207.

Xin Liang.Design of equipment selection system for fully-mechanized coal mining face[J].Machinery Management Development，2018，33(8)：20-21，207.

[10] 曲秋揚，王東攀，李強，等．大傾角大采高工作面設備穩定與安全技術研究[J]．煤炭工程，2015，47(5)：61-64．

Qu Qiuyang，Wang Dongpan，Li Qiang，et al.Research on equipment stability and safety technology for large inclination and large mining height face[J].Coal Engineering，2015，47(5)：61-64.

[11] 楊江波.斜溝礦大采高綜放工作面機電設備配套工藝研究[J].水力采煤與管道運輸，2019(1)：41-42.

Yang Jiangbo.Research on matching technology of electromechanical equipment in fully-mechanized caving face with large mining height in Xiegou Mine[J].Hydraulic Coal Mining & Pipeline Transportation，2019(1)：41-42.