立柱倾角对支架稳定性的影响分析

梁　浩

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿， 山西　晋城　048205）

1　液压支架三维模型创建

建模之前首先要把握液压支架的结构如：底座、前连杆、后连杆、掩护梁、顶梁、伸缩梁、托板、三级护帮板、两排三级立柱、掩护梁侧护板、顶梁侧护板、平衡千斤顶、抬底千斤顶、侧护板千斤顶、伸缩梁千斤顶、护帮板千斤顶、推移千斤顶以及各部件之间联接所需的销轴。为了提高模型在Adams中仿真速度，对支架仿真运算影响较小的部件进行忽略，利用三维建模软件UG对底座、前连杆、后连杆、掩护梁、顶梁、伸缩梁、两排三级立柱、平衡千斤顶进行三维建模。由于液压支架中主要为板件焊接结构，故采用装配建模的方式将板件装配成一个整体，按照实际液压支架各零部件的约束关系进行装配，最终得到装配完成的液压支架，如图1所示。

2　液压支架Adams模型建立

将液压支架简化模型导入Adams后，需对其材料、单位以及坐标系重力参数进行参数设置。液压支架各部件间通过运动副进行连接，底板与Adams软件中ground之间施加固定副、底座与前后连杆实际旋转副、掩护梁与前后连杆施加旋转副、顶梁与掩护梁施加旋转副、立柱以及平衡千斤顶之间施加移动副（由于支架实际工作中在某支撑高度下其立柱以及平衡千斤顶是固定不变的，为了便于仿真立柱以及平衡千斤顶施加固定约束）、立柱与底座顶梁之间施加球副，并在底座与底板施加接触力，液压支架Adams模型如图2所示。

3　立柱倾角对液压支架稳定性影响分析

液压支架的稳定性是指液压支架在正常工采煤工作面中在外界载荷以及顶底板条件等因素影响下支架发生倾倒、侧翻等情况的可能性。对于多刚体系统，理论上可采用以牛顿欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日方程为代表的分析力学方法，但随着刚体数目的增加，方程复杂度成倍增长，寻求其解很复杂。应用ADAMS进行仿真分析，根据机械系统模型，可自动建立系统拉格朗日运动方程及相应的约束方程，并自动求解。因此通过Adams对液压支架进行动力学分析，研究其在不同立柱倾角下液压支架的稳定性。

图1　液压支架三维模型

图2　液压支架Adams模型

3.1　液压支架Adams仿真

通过查取相关资料及工作经验可知，通过调整底座柱窝的位置来改变支架立柱的倾角可以对支架的稳定性产生影响，为了对比分析本液压支架的稳定性，通过对本支架底座柱窝位置调整来改变立柱的倾角，即支架未修改（立柱倾角8.1°）、支架修改一（底座柱窝位置前移40 mm，此时立柱倾角7.5°）、支架修改二（底座柱窝位置前移80 mm，此时立柱倾角6.7°）、支架修改三（底座柱窝位置后移40 mm，此时立柱倾角8.8°），如表1所示。通过分析不同倾角下本液压支架的承受力与倾翻关系，来确定立柱倾角对液压支架稳定性的影响。

表1　支架相关参数

根据经验公式可知顶板对支架反作用力的作用点在顶梁长度的1/3处位置，如图3中所示A点，考虑支架实际受力不为集中载荷，支架失稳主要因为顶梁前端受力过大而发生倾倒，故在顶梁前端和柱窝1/2的位置施加集中力如图3中B点。加载实验时支架实验的高度为3.6 m。

图3　液压支架

将建好模型以及修改的模型导入Adams中，分别在A点、B点施加集中载荷，仿真分析支架倾翻时，A点、B点集中力的最大值，根据不同的情况对液压支架进行仿真分析。

3.2　仿真分析结果

在仿真分析中，当工作面倾角超过20°时支架发生滑移现象，因此本液压支架应用在倾角大于20°以上时，工作面需要安装防滑防倒装置。因为液压支架在实际应用中，支架整体受力大小不会超过8 000 kN，故在A点加载的载荷最大值为8 000 kN，若支架在8 000 kN作用力下仍稳定，则支架稳定。

通过对试验数据分析处理，可得到支架对比分析图，如图4所示。

图4　支架修改对比分析图

4　结论

通过图4数据对比我们可以看出：在同一工作面倾角下，支架的倾翻极限力大小顺序为支架修改一、支架修改二、支架未修改、支架修改三，即立柱倾角为7.5°时，支架倾翻极限力最大；同一液压支架在不同倾角的工作面中，随着工作面倾角的增大，支架B点所能施加的作用力越来越小。因此，通过调整液压支架立柱的倾角可以提高液压支架的稳定性。本文研究分析液压支架的立柱倾角为7.5°时，液压支架稳定性最高。

[1]王立新，李震，王锁吉.基于ADAMS的液压支架运动学分析[J].煤矿机械，2008（12）：29-12.

[2]漆伟，樊建平，蔡全福，等.两柱式液压支架稳定性分析[J].机械科学与技术，2013（5）：733-738.

[3]阎海琴，龚宇.浅析大采高支架的稳定性[J].煤矿机械，2005，26（12）：59-61.

[4]胡敏，曹必德.ZY10800/28/63型液压支架横向稳定性分析[J].煤矿机械，2008，29（8）：61-63.

[5]章之燕.大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施[J].煤炭学报，2007，32（7）：705-709.

[6]徐亚军，王国法，柴宾元，等.液压支架虚拟样机构建技术的研究[J].煤矿开采，2003（4）：8-11.