綜采工作面液壓支架推移裝置力學性能分析*

李宇棟

(晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037000)

0 引 言

綜采工作面液壓支架的作用是對煤礦頂板進行支護，在下方形成一定的安全作業區，便于其他設備進行作業，有效防止煤礦巷道頂板的冒落，在保證煤礦安全生產方面發揮了重要的作用[1]。 此外，液壓支架的推移裝置是液壓支架中最重要的組成部分，主要發揮的作用是推移輸送機和拉移液壓支架，一般而言，對推移裝置的要求是采用較小的力推移輸送機，用較大的力拉動液壓支架[2-3]。 由于煤礦井下環境比較惡劣，長期處于潮濕、多塵的環境中，結構的受力比較復雜，對于煤礦頂板進行有效支護對于保證煤礦安全生產至關重要，液壓支架推移裝置的結構和力學性能將直接影響液壓支架的支護效果[4]。 為此，對液壓支架的推移裝置進行力學分析，從而得出在井下工況下綜采工作面生產過程中實際的受力情況，發現推移裝置危險點，便于后期對推移裝置進行結構優化和改進。

筆者首先對綜采工作面液壓支架的結構和受力進行分析，然后使用SolidWorks 建立液壓支架推移裝置的三維模型，并導入到ANSYS Workbench 中進行力學分析，對關鍵結構的應力和應變進行分析，最終得出結構的薄弱環節。 研究結果對于推移裝置的結構優化和壽命提高具有重要的參考價值。

1 液壓支架推移裝置結構組成與受力分析

1.1 液壓支架推移裝置結構組成

液壓支架是綜采工作面上必不可少的重要機械設備，目前液壓支架的作用是在煤礦井下推移刮板式輸送機和采煤機，在推移的過程中對頂板進行有效支護，從而保證下方的安全作業[5]。 圖1 所示為液壓支架整體方案模型圖。

圖1 液壓支架結構

液壓支架的推移裝置是液壓支架本體中的關鍵部件，在保證液壓支架安全運行過程中發揮著重要的作用[6]。 液壓支架推移裝置常用的結構形式有兩種，一種是整拉短式推移桿，一種是倒拉長推移桿。

一般而言，液壓千斤頂是直接安裝在輸送機和液壓之間的作為推移機構的執行器，目前煤礦井下采用的液壓支架推移裝置主要是差動式推移裝置。 6.2 m的液壓支架推移裝置總體呈箱形結構，尺寸為250 mm×160 mm，圖2 所示為推移裝置結構示意圖。

圖2 液壓支架推移裝置結構示意圖

圖2 中主要由連接端、推移桿和千斤頂組成，其中連接端用于與其他結構建立聯系，推移桿相當于液壓缸的缸桿，可以向一個方向運動，千斤頂裝置內部具有液壓油，可推動缸桿運動，在推移的過程中將與之相連的液壓支架或刮板輸送機向前輸送，實現推移。

1.2 液壓支架推移裝置受力分析

推移桿在實際使用的過程中，在井下發生開裂和變形的情況比較少，最重要的損壞部位是位于千斤頂和推桿的銷軸連接位置，此外銷軸的部位也是最容易發生損壞的，如圖3 所示為銷軸連接部位。

圖3 推移裝置銷軸連接示意圖

(1) 連接位置強度分析

由圖中可知，推桿的連接耳爪的ae截面上所受的最大彎矩為:M＝1.5Pth

連接耳爪ae截面的最大抗彎截面模量為:W＝ae2/6

其中的屈服強度為:

式中:Pt為千斤頂的最大壓力；[σ]為材料的許用屈服強度。 由此可知結構強度滿足要求。

(2) 銷軸位置強度分析

在銷軸連接位置，銷軸在相同的工況下是單側進行受力，銷軸的最大的力矩發生在距離軸端距離為b的截面上，并且可以計算得到銷軸端部受力為:N＝1.5Pt

銷軸的抗彎截面模量為:W＝0.098 2d3

式中:d表示銷軸直徑。

銷軸所受的最大的彎矩為:M＝Nb＝1.5Ptb

應力計算為:σ＝＜[σ]

由此可知，銷軸的應力滿足強度要求，銷軸在端部受力時不會發生損壞。

綜上，通過對推移裝置結構和關鍵銷軸部位的受力進行分析可以得出，結構的強度滿足要求，結構不會發生損壞。

傳統的計算方式工作量較大，且容易出現計算錯誤，受力情況下危險截面的計算需要多次選擇和計算，從計算結果中也無法獲取結構的應力場分布情況。 隨著當前計算機技術的發展，采用計算機進行數值模擬可以大大提高求解的速度，并且更加直觀。

2 基于ANSYS 的推移裝置靜力學分析

2.1 數值模擬軟件

隨著計算機技術的應用發展，使用數值模擬軟件可以很直觀得到結構的應力變形和結構的力學特性，采用ANSYS 14.5 對推移裝置結構進行力學模擬，采用有限元法將整個推移裝置分割為小單元，進而對各個單元進行求解，也就是離散化，對整體進行求解的結果類似于每一個小單元得到的結果，通過無限分割可以無限逼近小單元的分析結果，從而獲取到最真實的力學變形特性。 本次使用ANSYS 14.5 對推移裝置框進行應力分析。

2.2 推移框的靜力學分析

在實際煤礦綜采工作面，推移框的受力比較復雜，比如常見煤礦井下的三軟煤層，此時底板比較松軟，刮板輸送機會出現下沉，這個時候推移框理想的受力狀態將會被打破，從而使得推移框具有附加載荷，甚至會出現壓死支架的情況，在進行拉架的過程中會造成較大的突變載荷作用，此時容易引起推移框發生彎曲變形。

當煤層局部的傾角在30°以上時，此時的推移框位于水平方向，所以端部受到的是垂直的載荷作用，整體相當于懸臂梁結構的受載變形。 最終作用在推移框上的載荷包括刮板輸送機的下竄力、液壓支架的拉力作用，可以將整個結構看做是懸臂梁，并且對推移框進行模型的簡化，得到如圖4(a)所示的可導入到ANSYS 中的模型圖，并對其進行網格劃分。

采用自適應六面體網格劃分方式，對結構進行劃分網格，可以得到總的節點數為3 529，單元數為1 639，如圖4(b)所示。 隨后在推移框一側添加固定約束和載荷，并添加求解項，對結構進行靜力學分析和求解，可以得到如圖5 所示的分析結果。

圖4 推移框結構三維模型圖

圖5 推移裝置靜力學分析結果

從圖5 得到的靜力學分析結果可以看出，整個結構的變形在端部受到的力比較大，端部結構變形比較嚴重，整體變形為彎曲變形，最大變形量為1.12 mm，其中最大應力值為132 MPa＜235 MPa，所以可以得出結構的強度滿足要求。 結構的薄弱位置主要集中在結構的連接位置，其中結構的最大位移出現在推移桿的焊接位置處，與實際結構發生疲勞破壞一致。 通過對推移裝置進行靜力學分析可以得到變形特征和力學性能與分析實際受力后得到的結果是一致的，與實際情況相吻合，并且也可以說明采用有限元法得到的結果與實際計算得到的結果大致相同。

3 推移裝置的動力學分析

由于煤礦井下環境比較復雜，尤其綜采工作面位置長期處于潮濕、多塵和電磁振動的環境中，結構的固有振動頻率將會影響結構的穩定性和可靠性，于是對推移裝置進行了動力學特性分析，了解結構的固有振動頻率，有效避免結構發生共振，從而更好地保護推移裝置或為后期推移裝置的結構優化提供參考。在ANSYS Workbench 中搭建模態分析仿真平臺，分別求解結構的自由模態振型和固定約束模態特征，圖6 所示為自由模態分析結果。

圖6 自由模態動力學分析結果

隨后，為了分析結構在受到固定約束時的振動特性，模擬煤礦井下的實際受力特性，對模型的端部添加固定約束，得到如圖7 所示的固定約束下的動力學分析結果，表1 所列為模態分析振型規律。

圖7 固定約束下的動力學特性

分析表1 可以得出:結構的基頻為26.311 Hz，隨著模態階數的增加振動頻率呈現出先增加后減小的趨勢，與結構的最大變形量規律相同。 在第5 階模態時的振動頻率最高為199.19 Hz，此時的變形量為1.737 0 mm，在第6 階模態恢復到基頻，由此可知結構的振動頻率不會隨著求解階數的增加而增加，結構具有較高的可靠性，并且不會與周圍的環境產生共振，從而驗證了綜采工作面液壓支架推移裝置的力學性能穩定，結構的動力學特性滿足強度要求。 圖8 所示為液壓支架推移裝置現場應用圖。

表1 模態振型規律

圖8 綜采工作面液壓支架現場應用

4 結 語

隨著煤礦向著大采高、高采量方向發展，煤礦的開采難度也在逐年增加，綜采工作面液壓支架推移裝置受力比較復雜，且在煤礦井下的故障率較高，影響綜采工作面的推進從而會影響煤礦生產效率。 采用理論分析與數值模擬結合的方式，對綜采工作面液壓支架推移裝置進行力學性能分析，分析了推移裝置最大應力和變形情況以及結構的固有振動特性規律，得出推移裝置在實際井下的受力類似于懸臂梁結構，端部變形較小，結構的強度滿足要求，結構的力學性能良好，在綜采面工況下不會引起結構的共振。 研究結果對于后期液壓支架推移裝置的設計或結構優化提供參考。