第45屆等級獎論文---ZY4800/06/16.5D型薄煤層液壓支架群組支護力學特性研究

?? 南寧

（遼寧鐵法能源公司小青煤礦，遼寧調兵山 112700）

摘要：本文以小青礦W₂-701刨煤工作面為對象進行研究，基于彈性地基梁理論建立液壓支架群組支護力學模型。運用有限元分析理論對ZY4800/06/16.5D液壓支架各部件在不同工況條件下的應力與應變進行分析，得出各零部件的薄弱區(qū)域。研究結果將對支架結構優(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意義。

關鍵詞：薄煤層液壓支架；群組支護；有限元分析

??????? 鐵法煤業(yè)集團為了延長礦井的服務年限, 于2000年引進了我國第一套采用德國 DBT 公司核心技術設備裝備的全自動化刨煤機采煤系統(tǒng) ,在多年的薄煤層開采的經驗積累中和煤層賦存條件的變化的實際情況，發(fā)現液壓支架的可靠性問題成為決定支架使用壽命和礦井的安全生產的重要因素，因此液壓支架的可靠性是薄煤層支架選型的重點部分。

??????? 本文以小青礦W₂-701刨煤工作面為對象進行研究，以機械設計理論與方法作為研究指導，以現代工程設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力學特性及不同工況下的關鍵零部件強度進行有限元分析。

??????? 1 ZY4800/06/16.5D型液壓支架結構特征

??????? ZY4800/06/16.5D型液壓支架主要包含控制元件、液壓缸、承載結構件以及其他輔助裝置。支架具有較為緊湊的結構，高強度鋼板為其主體結構件的材料，能夠以較小的結構件斷面尺寸達到較高的強度，保證通風斷面以及行人安全。ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結構如圖1所示。

圖1??ZY4800/06/16.5D型液壓支架整體結構

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

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

表1?工作面液壓支架技術參數

Table 1?technical parameters of hydraulic support for working face

技術特征	技術參數	技術特征	技術參數
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	支護強度	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

??????? 2液壓支架群組支護工況分析

??????? 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力集中區(qū)。工作面底層綜合柱狀圖如圖2所示。煤層頂底板情況見表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

表2 煤層頂底板情況

Table 2?coal seam roof and floor condition

頂底板名稱	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，砂質膠結，松散，硬度為5
直接頂	粉砂巖	1.38	灰色，柱狀，層理不明顯，泥質膠結，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）。工作面設備布置示意圖如圖3所示。

圖3 工作面設備布置示意圖

Fig.3 Diagram of equipment layout

??????? 3液壓支架群組支護受力分析

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

圖4彈性基礎梁模型

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，N/m³。

若將頂板的均布載荷設定為q，若梁中某單元支架的頂板下沉量為 v，由彈性基礎梁假設可知，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。根據彈性基礎梁假設，可得單位寬度上頂板有如下平衡方程：

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

??????? 并推導出頂板的撓曲線方程為：

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

??????? 其中：；

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

??????? 在研究液壓支架群組支護載荷時，假設左右巷幫處的頂板相當于剛性連接在彈性支座上，即可得邊界條件K_θ₁=K_θ₂→∞，設定u =αl/?2，可得撓曲線方程：

??????? (4)

??????? 經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液壓支架結構強度有限元分析

??????? 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特性及結構強度。按照 GB25974.1-2010煤礦用液壓支架標準對主體結構件由前文得到的支架群組載荷結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巷道側第10個為工況1，從回風巷道側第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。根據前文中模型屬性、網格劃分以及邊界條件進行液壓支架強度有限元仿真，得到工況下的液壓支架整架應力云圖如圖6所示。

工況1應力云圖

工況2應力云圖

圖6?工況條件下的液壓支架整架應力云圖

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

???????? (1)頂梁的應力與應變

??????? 工況條件下的液壓支架頂梁應力與變形分布云圖如圖7所示。

(a)工況1應力分布云圖 ??????(b) 工況1變形分布云圖

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

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力云圖可見，頂梁的應力主要分布柱窩和中間筋板附近。柱窩附近的應力達到峰值，已達244.11MPa，并且由于偏置載荷的作用，左側柱窩的應力高于右側柱窩應力。頂梁中間筋板左側上部的應力比較大，已達156.21MPa，而在頂梁右側的柱窩附近應力達135.88MPa，左右柱窩處應力差為20.33MPa。液壓支架在實際使用過程中經常出現立柱頂斷銷軸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。頂梁柱窩處是頂梁在承受頂板載荷時的主要承力部位，此部位的強度直接影響液壓支架整機的使用壽命。除了柱窩附近有應力集中處外，頂梁其他部分的應力并不高，在許用應力范圍。

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

???????? (2)立柱的應力與應變

??????? 工況條件下的液壓支架立柱應力與變形分布云圖如圖8所示。

(a) 工況1應力分布云圖 ?????(b) 工況1變形分布云圖

?(c)?工況2應力分布云圖 ????(d)?工況2變形分布云圖

圖8液壓支架立柱應力與變形分布云圖

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力與變形分布云圖可知，在工況1條件下立柱缸體的應力和剛度均滿足要求。工況2條件下的最大等效應力為443.76 MPa，最大變形量為2.0461 mm，左右立柱的最大等效應力有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力與變形分布云圖可知，在工況2條件下立柱缸體的應力和剛度均滿足要求。

??????? 5?結論

??????? 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，左側柱窩的應力高于右側柱窩應力。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；底座應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，并且左側底座的應力集中范圍和變形要大于右側底座；當頂板承受偏置載荷時，掩護梁的應力和變形呈現不對稱分布。掩護梁最大應力位置在掩護梁與頂梁和底板連接銷孔處。研究結果將對支架結構優(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)加載工況下的結構強度、設備動態(tài)特性以及疲勞壽命等有待進一步研究。

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