液压支架冲击作用仿真分析

李 东

（阳煤集团五人小组管理部， 山西 阳泉 045000）

引言

随着我国采煤业不断的广阔发展，采煤设备的稳定性及耐用性受到了人们越来越多的关注研究。综采技术采用自动化作业，大大提高了采煤的效率。综采工作面主要由三大部分构成，包括采煤机、液压支架及刮板输送机[1]。液压支架是煤层开采支护的主要设备，不仅为工作人员提供安全作业空间，还对工作面顶板起到支撑和控制作用。液压支架处在恶劣的工作环境中，其工作过程中不仅要承受煤矿的压力，还要承受结构内外力的作用[2]。各种不确定的载荷作用，会对支架的不同部位造成损坏，给煤矿的安全生产带来一定的隐患。

在生产中，由于地质条件的复杂性，液压支架顶梁和直接顶之间的接触条件不断变化，其受到的压力作用也不断变化，包括大小及方向。岩层空间的变化，使得顶板不断承受冲击载荷作用，而冲击载荷造成支架损坏事故的比例占到了煤矿事故的50%以上[3]。因此，对于液压支架在冲击载荷的作用下进行仿真分析是十分必要的，可以为液压支架的结构设计及载荷控制提供依据。

1 液压支架仿真模型

1.1 液压支架建模

液压支架仿真模型的建立，选取ZY12000/28/64作为系统的研究对象，这种液压支架是常见的支顶掩护式液压支架，其主要组成部分即模型构成如图1所示。采用机械系统动力学自动分析软件ADAMS建模过程中，对于梁、掩护梁、前连杆、后连杆这些结构部件，作为弹性体进行定义，而底座部分以刚性体进行定义[4]。对于弹性体的处理，以有限元软件ANSYS作划分网格的前处理。

图1 液压支架模型

1.2 立柱变刚度弹簧阻尼系统

液压缸在工作过程中，假定不存在泄漏等因素存在，根据液体的可压缩性，液压缸在外力作用下移动时，引起液压腔内部压力变化，一腔升高，一腔降低，液压缸产生的复位力与液压缸活塞的位移成正比关系，可将其看做成液压弹簧而作用，将其参数等效为弹簧阻尼系数[5]。

液压缸的等效刚度计算公式[6]为：

式中：K为等效刚度系数，N/m；βe为液压介质体积弹性模量；L为液压缸内油腔长度；Ap为活塞有效面积，m2。

根据液压支架ZY12000/28/64，其立柱液压缸和平衡液压缸技术参数如下页表1所示。采用乳化液作为液压传递的动力介质，其弹性模型取为5×108Pa。

将表1中的液压缸技术参数代入式中，可计算得出立柱液压缸和平衡液压缸等效刚度系数，其值为 K1=6.7×107 N/m，K2=6.1×107 N/m。

表1 液压缸技术参数 mm

1.3 顶梁承载

当支架处于正常的工作状态时，支架给予支撑力作用于直接顶，当基本顶受到周期压力时，支架和直接顶均承受周期性压力，其结构产生一定变形，形成给定变形，此时支架承受的载荷不仅包括直接顶的自重，还包括由于控顶区下沉引起的基本顶载荷增加。由此，液压支架的受力一是直接顶的载荷作用，二是顶板断裂后周期来压形成的载荷作用。

对于直接顶的载荷作用，将岩层作为不可压缩岩体处理，其自身无法取得平衡，直接顶载荷值取采高2～4倍岩柱的自重值。对于顶板引起的冲击载荷，由于岩层机构的复杂性，无法准确地对载荷进行确定，对于冲击载荷的作用，模拟过程中采用阶跃载荷的形式来模拟，液压支架在仿真过程中，由于响应幅值和响应时间的限制，此次实验过程中，阶跃载荷幅值取4 000 kN。

1.4 边界条件

在液压支架建模过程中，将支架座作为刚体固定，限制其全部自由度，其余构件不作限制，前连杆铰接点、后连杆铰接点、掩护梁－顶梁铰接点、平衡液压缸铰接点、立柱液压缸铰接点采用ADAMS中的“转动副”进行连接，液压缸活塞与缸体之间采用滑动副连接。

2 数据处理分析

对于液压支架建模及边界条件设定之后，可按上述参数对其进行加载，模拟仿真后得到数据及分析如下。

2.1 前、后连杆铰接点力传递系数

改变阶跃载荷的作用点位置，得到支架前连杆铰接点力传递系数变化如图2所示，后连杆铰接点力传递系数变化如图3所示。由于模型中梁的长宽比值为2.9，宽度方向变化较小，沿着同一宽度方向，从图2、3中可以看出，当冲击载荷的作用点越靠近顶梁前端时，其力传递系数越大，而在长度方向上的力传递系数随冲击载荷作用点位置变化不显著。

2.2 顶梁－掩护梁铰接点力传递系数

对于顶梁－掩护梁铰接点的力传递系数变化得到数据如图4所示，从图4中可以看到，随着阶跃载荷的作用点位置在长度方向上的变化，其值呈大小交替的变化，当冲击载荷作用于中间位置时，铰接点受到的力矩值最小，而当作用点延长度方向移动时，铰接点的力矩逐渐增加，在同一长度位置时，其随宽度的变化同样不显著。

图2 前连杆铰接点力传递系数变化趋势图

图3 后连杆铰接点力传递系数变化趋势图

图4 顶梁－掩护梁铰接点力传递系数变化趋势图

2.3 液压缸铰接点力传递系数

对于平衡液压缸和立柱液压缸铰接点力传递系数变化如下页图5、6所示。从图5中可以看出，平衡液压缸的力传递系数，随着阶跃载荷的作用点位置在长度方向上的变化，其值同样呈大小交替的变化，当冲击载荷作用于两立柱连接位置时，铰接点受到的力矩值最小，其随宽度的变化同样不显著。对于立柱液压缸，随冲击载荷作用位置在长度方向上的增加，其力传递系数不断增加，在宽度方向上的变化不显著。

3 结论

1）载荷冲击作用位置的不同，对于各铰接点的力传递系数都有影响，但对于各自的影响趋势不同，冲击载荷作用于长度方向的位置变化时，对于铰接点的影响较大，而对于宽度方向上的作用点变化均不敏感。

2）在冲击载荷作用点位置变化过程中，当其作用于两立柱液压缸中心位置时，顶梁－掩护梁铰接点及平衡液压缸铰接点此时受到的力矩均为最小值，其力传递系数最小，说明冲击载荷作用于此位置时的受力情况最好。

图5 平衡液压缸铰接点力传递系数变化趋势图

图6 立柱液压缸铰接点力传递系数变化趋势图

3）冲击载荷作用位置变化时，在各铰接点中，平衡液压缸铰接点和顶梁－掩护梁铰接点受力对冲击载荷位置变化的敏感度高，而立柱液压缸铰接点的敏感度较低。