楊青合，趙 虎，李 博

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

礦井液壓支架是地下開(kāi)采煤炭物料時(shí)的支承機(jī)構(gòu)，是維持綜采工作面安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。近年來(lái)，隨著地下綜采工作面的長(zhǎng)度逐漸增加，液壓支架的使用不斷提高了開(kāi)采效率。此外，還開(kāi)發(fā)了水力支承，以適應(yīng)高、超高的開(kāi)采高度，實(shí)現(xiàn)深、厚煤層的有效開(kāi)采。隨著礦井綜采工作面長(zhǎng)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(qiáng)度增加。同時(shí)，上梁和頂層上方位置的異常沉降和坍塌對(duì)支架造成的影響越來(lái)越大。因此，深、超長(zhǎng)煤面承載力是決定支承安全可靠的關(guān)鍵[1-3]。在液壓支架的所有工作條件下，沖擊載荷對(duì)其機(jī)械性能的影響最大。液壓支架的安全性關(guān)系到了一線作業(yè)人員以及礦井安全生產(chǎn)。沖擊載荷會(huì)破壞支承的原力平衡，導(dǎo)致支承失去其穩(wěn)定性并發(fā)生晃動(dòng)，在最壞的情況下甚至?xí)?dǎo)致支承面坍塌，從而導(dǎo)致重大煤礦事故。因此，必須對(duì)支承性能的沖擊載荷的動(dòng)態(tài)力學(xué)進(jìn)行深入分析，并且找到液壓支架敏感的鉸鏈點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)沖擊載荷下的液壓支架的更加優(yōu)異結(jié)構(gòu)支承性能，全面提高其支承穩(wěn)定性。

1 液壓支架應(yīng)力安全問(wèn)題

1.1 研究背景

目前已經(jīng)提出了許多關(guān)于地下支承的承載力與頂層和底板之間的關(guān)系以及沖擊載荷對(duì)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(méi)有正確建立。基于許多科研工作者對(duì)液壓支承與周?chē)鷰r石之間耦合關(guān)系的深入研究，將支護(hù)與圍巖的關(guān)系總結(jié)為強(qiáng)度耦合、剛度耦合和穩(wěn)定性耦合，早期的研究提出了一些控制高煤面圍巖的關(guān)鍵技術(shù)，如穩(wěn)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(guò)構(gòu)造和分析長(zhǎng)壁煤面的二維有限元模型，支護(hù)與圍巖的相互作用過(guò)程較為復(fù)雜。它們之間還通過(guò)具有不同承載力的液壓支架來(lái)評(píng)估煤面，簡(jiǎn)單的分析方法不適用于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。隨后基于分析點(diǎn)荷載作用于上頂梁時(shí)的高采礦高度支承的應(yīng)力是新的研究思路，該法提高了模型的剛度，構(gòu)建了一個(gè)基于立柱可變剛度的支承沖擊動(dòng)力模擬平臺(tái)，以分析超高采礦高度支承點(diǎn)荷載沖擊掩護(hù)梁時(shí)不同鉸接縫的應(yīng)力響應(yīng)。提出恒定負(fù)荷分段調(diào)整技術(shù)，假設(shè)剪切機(jī)平均切割時(shí)間縮短21.7%，有效削弱了煤壁，滿足厚煤層分段開(kāi)采的要求。

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

1.2 液壓支架應(yīng)力研究假設(shè)問(wèn)題

近期的研究通過(guò)機(jī)電流體模擬建立了姿態(tài)檢測(cè)和控制方向的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了液壓支架不同姿態(tài)的模型，得到了姿態(tài)控制器，為自動(dòng)化和無(wú)人地下采礦提供了指導(dǎo)。部分專家對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，并進(jìn)行了比較。結(jié)論表明，基礎(chǔ)支承的形式對(duì)護(hù)罩的應(yīng)力分布有影響。全程支護(hù)時(shí)，前端荷載減少約45%，為特定地質(zhì)條件下的盾構(gòu)支護(hù)提供指導(dǎo)。一般基于數(shù)值模擬方法，在最小橫向位移的前提下，優(yōu)化了液壓支架四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)值，確保液壓支架滿足日常要求。基于流體力學(xué)和流固耦合基礎(chǔ)對(duì)液壓缸剛度進(jìn)行有限元分析，對(duì)液壓缸剛度分析和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。在以往的研究中，平衡千斤頂被視為剛性結(jié)構(gòu)部分，或作為剛度相同的彈簧，并且它沒(méi)有顯示平衡千斤頂?shù)?個(gè)工作特性(推拉)，這種假設(shè)方式是不準(zhǔn)確的[8-11]。

因此，本文采用剛度彈簧等效更換平衡千斤頂?shù)难芯糠椒?，并在此基礎(chǔ)上綜合總結(jié)了支架在表面荷載和點(diǎn)荷載沖擊下的力狀態(tài)，以尋找危險(xiǎn)的沖擊條件和位置。根據(jù)上述理論和研究，進(jìn)一步改進(jìn)了對(duì)支架的沖擊分析方法，總結(jié)了表面荷載和點(diǎn)荷載下的支架應(yīng)力，旨在識(shí)別危險(xiǎn)的沖擊條件和位置。

2 液壓支架結(jié)構(gòu)分析方法

2.1 模擬平臺(tái)的建立

結(jié)合Pro/E、HyperMesh和Adams三個(gè)輔助建模仿真分析平臺(tái)，構(gòu)建了1個(gè)ZY21000/38/82D帶式輸送機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)模擬平臺(tái)(平臺(tái)內(nèi)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(gòu)造了原始的三維模型。②支承的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用超網(wǎng)加工為柔性(考慮到支承沖擊后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的輕微變形及其對(duì)支承應(yīng)力的影響，除底座外的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為柔性)。③利用Adams軟件，建立了基于剛性彈性聯(lián)軸器的中心柱和平衡千斤頂由彈簧阻尼系統(tǒng)取代，實(shí)現(xiàn)油缸的沖擊動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)。

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

2.2 仿真平臺(tái)的剛性處理

液壓支架在礦井地下使用時(shí)，立柱和平衡千斤頂具有自己的承載力。當(dāng)支承物被提升到一定的高度后，頂層支架緩慢下降時(shí)，頂層上的壓力就會(huì)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(tài)可以通過(guò)預(yù)載實(shí)現(xiàn))。隨著外部荷載的增加，柱上的上部腔開(kāi)始被壓縮(此時(shí)，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(xù)增加，柱的上下腔同時(shí)被壓縮(此時(shí)，柱的剛度等于上下腔的串聯(lián)剛度)，該過(guò)程如圖2所示。此外，當(dāng)腔內(nèi)乳化液體被壓縮時(shí)，平衡千斤頂為“拉伸”(在這種情況下，平衡千斤頂?shù)膭偠鹊扔趲坏闹鶆偠?；當(dāng)腔內(nèi)無(wú)乳化液體被壓縮時(shí)，它會(huì)被“壓縮”(在這種情況下，平衡千斤頂?shù)膭偠鹊扔跓o(wú)腔柱的剛度)。

圖2 上、下腔油缸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)程Fig.2 Movement process of the upper and lower chamber oil cylinders

由于液壓支架地下使用時(shí)車(chē)頂形狀復(fù)雜且變化，活塞桿與油缸底部接觸狀態(tài)復(fù)雜且變化。如果頂層相對(duì)平坦，上半支架和頂層的頂表面可能有一個(gè)很大的接觸面積，這被視為表面接觸。如果頂層不規(guī)則，支架平面與頂層凸起之間的接觸面積較小，即點(diǎn)接觸。由于研究的液壓支架結(jié)構(gòu)普遍對(duì)稱，當(dāng)支承面朝向煤壁時(shí)，可以首先分析左側(cè)鉸接縫的應(yīng)力。最終應(yīng)考慮右側(cè)的液壓支架的鉸鏈接頭。

3 沖擊載荷下支架應(yīng)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(tài)如圖3所示。根據(jù)承載狀態(tài)，構(gòu)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(tái)，在不同條件下的載荷，通過(guò)設(shè)置上頂接觸以及旋轉(zhuǎn)對(duì)和滑動(dòng)對(duì)聯(lián)合完成支承作業(yè)。隨后，采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了液壓支架頂部構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。

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(shè)置為21 MN。地下空間液壓支架的實(shí)際工作阻力一般在設(shè)置負(fù)荷和最大工作阻力之間。此處，液壓支架在礦井地下運(yùn)行期間的正常頂層支承柱壓力確定為14 MN。同時(shí)，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(huán)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(yīng)力

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

動(dòng)態(tài)載荷沖擊下前連桿鉸鏈關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化系數(shù)均隨沖擊載荷的增加而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外，在提高表面沖擊條件下的應(yīng)力變化系數(shù)規(guī)律不明。這表明，前聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸鏈接頭的應(yīng)力與沖擊載荷呈正相關(guān)的關(guān)系，對(duì)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(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸鏈關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化系數(shù)均隨著沖擊載荷的增加而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外，在提高表面沖擊條件下的應(yīng)力變化系數(shù)一直在增加。這表明，后連桿機(jī)構(gòu)鉸鏈接頭的應(yīng)力與沖擊載荷呈正比例關(guān)系，對(duì)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(lián)動(dòng)裝置接頭的應(yīng)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(yīng)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(hù)梁等效為彈性體，用預(yù)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(shí)對(duì)支架的沖擊力。支柱所受的點(diǎn)沖擊不同于表面沖擊，它可能作用于支架的隨機(jī)位置。由于地下屋面巖石崩塌可能對(duì)掩護(hù)梁產(chǎn)生沖擊荷載，點(diǎn)沖擊也分為3個(gè)工作條件：“頂梁點(diǎn)沖擊”、“斜梁點(diǎn)沖擊”和 “同時(shí)對(duì)上梁和斜梁的點(diǎn)沖擊”。點(diǎn)沖擊的載荷方案如圖6所示。

圖6 點(diǎn)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(fù)載和點(diǎn)沖擊的載荷曲線如圖7所示。選擇2個(gè)正負(fù)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(shè)置為6 MN變化荷載。模擬了不同鉸鏈接頭上的應(yīng)力，可得到“頂梁點(diǎn)沖擊”、“斜梁點(diǎn)沖擊”和 “同時(shí)對(duì)上梁和斜梁的點(diǎn)沖擊”條件下不同鉸接縫處的應(yīng)力變化系數(shù)。

圖7 工作負(fù)載和點(diǎn)沖擊的載荷曲線Fig.7 Load curve of working load and point impact

4 應(yīng)力變化系數(shù)及結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域分析

4.1 立柱的應(yīng)力變化系數(shù)

在3點(diǎn)共同的沖擊力影響條件下，柱應(yīng)力變化系數(shù)增大。此外，當(dāng)點(diǎn)荷載作用于上梁前端和掩護(hù)梁前端時(shí)，柱上的應(yīng)力的變化系數(shù)為主要增加對(duì)象。從圖8中可以看到，這反映了當(dāng)沖擊荷載作用于上半梁和掩護(hù)梁的任何位置時(shí)，柱上的應(yīng)力都會(huì)增加。此外，上角梁和掩護(hù)梁前端的沖擊載荷最為明顯。

圖8 液壓支架立柱應(yīng)力系數(shù)變化Fig.8 Change of stress coefficient of hydraulic support column

4.2 上掩護(hù)梁鉸鏈接頭的應(yīng)力變化系數(shù)

液壓支架上掩護(hù)梁應(yīng)力系數(shù)變化如圖9所示，基于上掩護(hù)梁鉸鏈接頭受點(diǎn)影響時(shí)，上掩護(hù)梁鉸鏈接頭應(yīng)力變化系數(shù)可能增減。一般情況下，當(dāng)上半梁前端(尤其是左前位置)和掩護(hù)梁前端(尤其是右前位置)受到?jīng)_擊時(shí)，應(yīng)力變化系數(shù)會(huì)進(jìn)一步增大。這意味著在梁支承點(diǎn)影響下，上掩護(hù)梁鉸鏈接頭的應(yīng)力可能增加或減少。然而，支架對(duì)上半梁前端(尤其是左前位置)和掩護(hù)梁前端(尤其是右前位置)的沖擊載荷的響應(yīng)最大。

圖9 液壓支架上掩護(hù)梁應(yīng)力系數(shù)變化Fig.9 Change of stress coefficient of shield beam on hydraulic support

4.3 前聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭應(yīng)力變化系數(shù)

液壓支架前聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭應(yīng)力系數(shù)變化如圖10所示。

圖10 液壓支架前聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭應(yīng)力系數(shù)變化Fig.10 Change of stress coefficient of front linkage hinge joint of hydraulic support

由圖10可知，前聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭受點(diǎn)沖擊時(shí)，前聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸鏈接頭應(yīng)力變化系數(shù)可能增加。當(dāng)上半梁前端、右前位置和掩護(hù)梁前端(尤其右前位置發(fā)生點(diǎn)沖擊)時(shí)，應(yīng)力變化系數(shù)會(huì)再增大。在對(duì)支架的點(diǎn)影響下，前連桿鉸鏈接頭的應(yīng)力可能會(huì)增加或減少。但支架對(duì)上梁和掩護(hù)梁前端(尤其是右前位置)的沖擊載荷數(shù)據(jù)增加過(guò)多。

4.4 后聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭應(yīng)力變化系數(shù)

液壓支架后聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭應(yīng)力系數(shù)變化如圖11所示。由圖11可知，后連機(jī)構(gòu)鉸接處應(yīng)力變化系數(shù)可能增加。一般當(dāng)前端發(fā)生點(diǎn)影響時(shí)，應(yīng)力變化系數(shù)會(huì)進(jìn)一步增加(尤其是上半梁的左前位置)和掩護(hù)梁的前端(尤其是左前位置)。這意味著在對(duì)支架進(jìn)行點(diǎn)沖擊下，后連桿鉸鏈接頭的應(yīng)力可能會(huì)增加或減少。然而，支架對(duì)上半梁前端(尤其是左前位置)和掩護(hù)梁前端(尤其是左前位置)的沖擊載荷的響應(yīng)最大。

圖11 液壓支架后聯(lián)動(dòng)鉸鏈接頭應(yīng)力系數(shù)變化Fig.11 Change of stress coefficient of linkage hinge joint of hydraulic support

4.5 點(diǎn)沖擊下的支承結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域分析

基于上述分析，可以得出鉸鏈接頭對(duì)上梁和掩護(hù)梁不同位置點(diǎn)沖擊的敏感程度。根據(jù)響應(yīng)敏感強(qiáng)度，可以獲得鉸鏈接頭對(duì)支架結(jié)構(gòu)受到點(diǎn)沖擊的敏感區(qū)域，以便進(jìn)一步優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)(圖12)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)礦井液壓支架立柱和平衡千斤頂工作過(guò)程的分析，提出了液壓支架多缸變剛度的分析方法。結(jié)合具體結(jié)構(gòu)，得到了液壓支架支承在不同狀態(tài)下的等效剛度，得出的結(jié)論如下。

圖12 鉸鏈接頭對(duì)點(diǎn)沖擊的敏感結(jié)構(gòu)區(qū)域Fig.12 Sensitive structural area of the hinge joint to point impact

(1)3種聯(lián)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(guān)系。梁鉸鏈接頭處的應(yīng)力后連桿的前連桿和鉸鏈接頭對(duì)提高表面沖擊最敏感，而柱的應(yīng)力對(duì)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(yīng)力。

(2)單向沖擊下支承件不同鉸鏈接頭處的應(yīng)力可能會(huì)增加或減少。大多數(shù)點(diǎn)沖擊可能會(huì)增加支承件鉸接接頭處的應(yīng)力。柱、上梁前端和后梁前端對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊負(fù)荷最敏感。后梁前端鉸鏈接頭、前聯(lián)動(dòng)桿鉸鏈接頭和后聯(lián)動(dòng)桿鉸鏈接頭主要對(duì)上梁和后梁前端左右前端的沖擊載荷很敏感。因此，上梁、護(hù)梁前端以及左右前端的沖擊荷載主要影響支架的應(yīng)力狀態(tài)。

通過(guò)建立的可變剛度的支承動(dòng)態(tài)載荷模擬模型，采用仿真計(jì)算得到了各支承鉸鏈點(diǎn)在表面載荷和點(diǎn)載荷影響下的應(yīng)力響應(yīng)。然而，液壓支架包含了許多復(fù)雜的部件。在未來(lái)的工作中，應(yīng)考慮支承肋板墜落對(duì)支承應(yīng)力的影響，建立一個(gè)更復(fù)雜的支承應(yīng)力模型，并研究更多外部荷載對(duì)支承的影響。

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