??????? 本文以小青礦W₂-701刨煤工作面為對象進(jìn)行研究，以機(jī)械設(shè)計理論與方法作為研究指導(dǎo)，以現(xiàn)代工程設(shè)計和分析軟件作為工具，對該工作面的ZY4800/06/16.5D型液壓支架群組支護(hù)力學(xué)特性及不同工況下的關(guān)鍵零部件強(qiáng)度進(jìn)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)件以及其他輔助裝置。支架具有較為緊湊的結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度鋼板為其主體結(jié)構(gòu)件的材料，能夠以較小的結(jié)構(gòu)件斷面尺寸達(dá)到較高的強(qiáng)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。

圖1??ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結(jié)構(gòu)

Fig. 1??The overall structure of ZY4800/06/16.5D type hydraulic support

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????? ZY4800/06/16.5D型薄煤層液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1?工作面液壓支架技術(shù)參數(shù)

Table 1?technical parameters of hydraulic support for working face

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技術(shù)特征	技術(shù)參數(shù)	技術(shù)特征	技術(shù)參數(shù)
泵站壓力	31.5 MPa	初撐力	3344 kN
支架高度	600/1650 mm	工作阻力	4800 kN
支架寬度	1440/1600 mm	支護(hù)強(qiáng)度	0.5～0.66MPa
中心距	1500 mm	平均比壓	1.3 MPa
支架推溜步距	750mm	推溜力/拉架力	158/293kN

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??????? W₂-701刨煤工作面煤層厚度在0.84～1.20m之間。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見表2所示。

圖2 工作面底層綜合柱狀圖

Fig.2 Comprehensive histogram of the bottom layer of working face

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表2 煤層頂?shù)装迩闆r

Table 2?coal seam roof and floor condition

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頂?shù)装?名 稱	巖石 名稱	平均厚度/m	特征
基本頂	粗砂巖	5	灰白色，孔隙，裂隙含水，砂質(zhì)膠結(jié)，松散，硬度為5
直接頂	粉砂巖	1.38	灰色，柱狀，層理不明顯，泥質(zhì)膠結(jié)，硬度為4
底板	粉砂巖	2.55	灰色，具有不規(guī)則水平層理

?

?

??????? 工作面采用兩柱掩護(hù)式液壓支架維護(hù)頂板，前后端頭采用支撐掩護(hù)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)備布置示意圖如圖3所示。

圖3 工作面設(shè)備布置示意圖

Fig.3 Diagram of equipment layout

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??????? 3液壓支架群組支護(hù)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(hù)。本文借鑒前人研究方法將采煤工作面頂板中點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，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。將支護(hù)系統(tǒng)簡化為彈性基礎(chǔ)梁模型如圖所示。

圖4彈性基礎(chǔ)梁模型

Fig.?4 elastic foundation beam model

??????? 支架剛度可表示為：

??????? ??????????????(1)

??????? 其中：B 為支架中心距(m)；L為支架頂梁長度(m)；k為反映巖梁沉降能力的基床系數(shù)，N/m³。

若將頂板的均布載荷設(shè)定為q，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，則頂板承受的載荷是q-kv。根據(jù)彈性基礎(chǔ)梁假設(shè)，可得單位寬度上頂板有如下平衡方程：

???????? EIv⁴+ Kv=q ??????????????????(2)

??????? 并推導(dǎo)出頂板的撓曲線方程為：

??????? ??(3)

??????? 其中：；

??????? 式中：V₀為巖梁中點(diǎn)的撓度；M₀為巖梁中點(diǎn)的彎矩；V_i(αx)(i=0~3)為普日列夫斯基函數(shù)。

??????? 在研究液壓支架群組支護(hù)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K_θ1=K_θ2→∞，設(shè)定u =αl/?2，可得撓曲線方程：

??????? (4)

??????? 經(jīng)對頂板載荷計算和實測，沿工作面方向上不同位置的液壓支架的頂梁承受的載荷和偏載情況是不同的，并且越靠近工作面中部，液壓支架的頂梁承受的載荷越大，偏載情況越弱。由上述結(jié)果可得不同工作面位置上液壓支架的頂梁載荷，如圖所示。

(a)1~10號液壓支架

(b)61~70號液壓支架

圖5不同工作面位置上液壓支架的頂梁載荷

Fig.5 Top beam load of hydraulic support at different working face positions

??????? 4液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

??????? 本文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(qiáng)度。按照 GB25974.1-2010煤礦用液壓支架標(biāo)準(zhǔn)對主體結(jié)構(gòu)件由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。選取兩個典型工況位置的液壓支架進(jìn)行研究，并可拓展至整個工作面的各個位置的液壓支架。選取的液壓支架為從回風(fēng)巷道側(cè)第10個為工況1，從回風(fēng)巷道側(cè)第30個為工況2，將由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。根據(jù)前文中模型屬性、網(wǎng)格劃分以及邊界條件進(jìn)行液壓支架強(qiáng)度有限元仿真，得到工況下的液壓支架整架應(yīng)力云圖如圖6所示。

工況1應(yīng)力云圖

工況2應(yīng)力云圖

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圖6?工況條件下的液壓支架整架應(yīng)力云圖

Fig.6?Whole frame stress cloud chart of the hydraulic support under condition

???????? (1)頂梁的應(yīng)力與應(yīng)變

??????? 工況條件下的液壓支架頂梁應(yīng)力與變形分布云圖如圖7所示。

(a)工況1應(yīng)力分布云圖 ??????(b) 工況1變形分布云圖

(c) 工況2應(yīng)力分布云圖 ?????(d) 工況2變形分布云圖

圖7液壓支架頂梁應(yīng)力與變形分布云圖 ?????????????????????

Fig.7?The distribution of stress and deformation of the hydraulic support top beam

??????? 工況1條件下的液壓支架頂梁應(yīng)力云圖可見，頂梁的應(yīng)力主要分布柱窩和中間筋板附近。柱窩附近的應(yīng)力達(dá)到峰值，已達(dá)244.11MPa，并且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。頂梁中間筋板左側(cè)上部的應(yīng)力比較大，已達(dá)156.21MPa，而在頂梁右側(cè)的柱窩附近應(yīng)力達(dá)135.88MPa，左右柱窩處應(yīng)力差為20.33MPa。液壓支架在實際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)立柱頂斷銷軸后活塞桿頂進(jìn)液壓支架頂梁的情況，此處分析與實際工況相符。頂梁柱窩處是頂梁在承受頂板載荷時的主要承力部位，此部位的強(qiáng)度直接影響液壓支架整機(jī)的使用壽命。除了柱窩附近有應(yīng)力集中處外，頂梁其他部分的應(yīng)力并不高，在許用應(yīng)力范圍。

??????? 工況2條件下柱窩附近的應(yīng)力達(dá)到峰值，已達(dá)408.28MPa。頂梁中間筋板左側(cè)上部的應(yīng)力達(dá)308.2MPa，頂梁右側(cè)的柱窩附近應(yīng)力達(dá)264.52 MPa，左右柱窩處應(yīng)力差為43.68 MPa。與工況1情況相比，工況2情況下左右柱窩處應(yīng)力差增加了為20.35 MPa，主要是由于頂板載荷偏差增加所導(dǎo)致的。頂梁越靠近后端變形越小，越靠近頂梁前端變形量越大。

???????? (2)立柱的應(yīng)力與應(yīng)變

??????? 工況條件下的液壓支架立柱應(yīng)力與變形分布云圖如圖8所示。

(a) 工況1應(yīng)力分布云圖 ?????(b) 工況1變形分布云圖

?(c)?工況2應(yīng)力分布云圖 ????(d)?工況2變形分布云圖

圖8液壓支架立柱應(yīng)力與變形分布云圖

Fig.8?The distribution of stress and deformation of cylinder oil cylinder

??????? 立柱缸體在工況1條件下的最大等效應(yīng)力為222.99 MPa，最大變形量為1.0282 mm，并且在偏置載荷作用下，左右立柱的最大等效應(yīng)力有19.48 MPa的偏差量，最大變形量有0.1446 mm偏差。由工況1條件下的液壓支架立柱應(yīng)力與變形分布云圖可知，在工況1條件下立柱缸體的應(yīng)力和剛度均滿足要求。工況2條件下的最大等效應(yīng)力為443.76 MPa，最大變形量為2.0461 mm，左右立柱的最大等效應(yīng)力有28.51 MPa的偏差量，最大變形量有0.2103 mm偏差。由工況2條件下的液壓支架立柱油缸應(yīng)力與變形分布云圖可知，在工況2條件下立柱缸體的應(yīng)力和剛度均滿足要求。

??????? 5?結(jié) 論

??????? 通過前文表明：沿工作面方向上不同位置的液壓支架的頂梁承受的載荷和偏載情況是不同的，并且越靠近工作面中部，液壓支架的頂梁承受的載荷越大，偏載情況越弱；頂梁的應(yīng)力主要分布柱窩和中間筋板左右，并且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。與實際工況相符，柱窩部位的強(qiáng)度直接影響液壓支架整機(jī)的使用壽命；底座應(yīng)力集中和變形較大的位置均在立柱與底座連接處及后連桿與底座連接處，并且左側(cè)底座的應(yīng)力集中范圍和變形要大于右側(cè)底座；當(dāng)頂板承受偏置載荷時，掩護(hù)梁的應(yīng)力和變形呈現(xiàn)不對稱分布。掩護(hù)梁最大應(yīng)力位置在掩護(hù)梁與頂梁和底板連接銷孔處。研究結(jié)果將對支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)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，但是對于沖擊地壓、周期來壓等動態(tài)加載工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)備動態(tài)特性以及疲勞壽命等有待進(jìn)一步研究。

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作者簡介及聯(lián)系方式：

作者：南寧，1985年生，男，黑龍江五常人，工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事煤礦機(jī)電運(yùn)輸專業(yè)。電話：15241012909

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