露天端帮防护顶棚抗冲击性及能量耗散分析

2021-12-31王彦广范晓东

太原科技大学学报 2021年6期

王彦广，张宏，范晓东，游雅

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

我国大多露天煤炭生产基地存在大量露天端帮煤[1]，端帮煤开采对提高煤炭资源回收利用率具有重要意义。然而目前露天端帮采煤防护装置主要由钢板简易搭建而成，这样搭建的防护装置抗冲击性较差，对落石冲击无法提供有效的缓冲；防护装置良好的抗冲击性不仅能够提高采煤设备的安全性，而且也确保了工作人员的安全，因此端帮采煤防护装置的抗冲击性对端帮煤安全开采十分重要。

梁丽闯等在ADAMS中建立了液压支架多体动力学仿真模型，将液压支架立柱油缸和平衡油缸等效成为弹簧阻尼系统，研究了冲击载荷作用在顶梁不同位置时液压支架各铰接点的力传递系数和各铰接点力对冲击载荷作用位置的敏感度[2]；刘欣科等研究了液压支架立柱在冲击载荷作用下的动态特性，得到了在冲击载荷下立柱缸体的应力分布、活柱的最大位移量[3]；万丽荣等将液压支架立柱与平衡千斤顶由弹簧阻尼系统代替，分析了冲击载荷作用于掩护梁对液压支架的影响[4]；万丽荣等运用ADAMS软件建立了煤矸球颗粒冲击钢板的动力学仿真模型，研究了不同参数、冲击速度及结构半径的颗粒球体冲击钢板产生的振动响应[5]；董崇远等仿真分析了在击载荷下薄煤层支架立柱系统的动态特性[6]；张德生建立了落锤冲击模型，仿真分析了落锤作用下液压支架立柱内能量传递和耗散途径[7]；韩钰等对冲击载荷作用下的液压支架双伸缩立柱进行了可靠性分析[8]；朱永战等对液压支架进行了整架动态冲击分析，研究了液压支架在冲击过程中的变形、应力、应变分布及变化情况[9]；翟国栋等利用Workbench软件搭建了立柱—重锤冲击模型，研究了液压支架立柱在冲击载荷下的动态特性[10]。

以上学者将液压油缸等效为弹簧阻尼系统，分析了冲击载荷对液压支架的影响，为露天端帮采煤防护装置的抗冲击性分析提供了一定的借鉴。本文设计了一种新型露天端帮防护顶棚，采用刚柔耦合和机液联合仿真的方式研究不同高度下不同质量落石对防护顶棚的冲击作用，为防护顶棚的抗冲击研究提供了参考依据。

1 碰撞接触理论及能量耗散关系

1.1 碰撞接触理论

根据Hertz碰撞接触理论得到两个物体相互碰撞时，碰撞表面的法向接触力可以表示为：

(1)

其中，等效接触半径与等效弹性模量为：

(2)

(3)

式中:δ为变形量；R1、R2分别为两碰撞物体曲率半径；E1、E2分别为两碰撞物体弹性模量；ν1、ν2分别为两碰撞物体泊松比。

根据(1)式可以得到两物体碰撞过程中产生的变形量：

(4)

基于Hertz接触理论，ADAMS通常以Impact函数来计算碰撞接触力，Impact函数实际上等效于非线性弹簧阻尼模型[11]，Impact函数计算接触力：

Fn=kδe+astep(δ，0，0，d，c)

(5)

其中:材料刚度系数：

(6)

式中:e为接触力的非线性指数；a为两接触物体相对速度；c为最大阻尼系数；d为两接触物体最大切入深度；step(δ，0，0，d，c)为ADAMS中计算阻尼力的阶跃函数。

1.2 能量耗散关系

根据能量守恒原理，能量既不会凭空产生也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，总能量仍保持不变。在落石冲击防护顶棚过程中，由能量转换关系[12]可得：

P1=W1+W2

(7)

P1=mgh

(8)

式中:P1为落石冲击动能；W1为落石与防护顶板弹性接触变形能；W2为抗冲击顶棚能量耗散；m为落石质量；h为落石下落高度。

由Hertz理论可知，在落石冲击防护顶板过程中接触面产生的弹性变形吸收的能量W1可表达[13]为：

(9)

本文采用的抗冲击顶棚能量耗散W2为：

W2=W2b+W2y

(10)

式中:W2b为防护顶板对应的弯曲变形耗能；W2y为防护顶板伸缩油缸缓冲耗能。

防护顶板对应的弯曲变形耗能W2b可表达为：

(11)

式中:l为防护顶板跨度；HI为防护顶板抗弯刚度。

W′2y=p1A1l1

(12)

(13)

2 露天端帮防护顶棚设计及冲击模型建立

露天端帮防护顶棚包括拱形抗冲击顶棚、支架和自行走回转装置。拱形抗冲击顶棚两端与支架铰接，拱形抗冲击顶棚由防护顶板、侧护板和伸缩油缸构成；支架包括框架和两个伸缩调高机构，伸缩调高机构包括上伸缩梁、下伸缩梁和调高伸缩油缸构成；伸缩调高机构下端设有自行走回转装置，自行走回转装置包括履带行走机构和摆动油缸，通过摆动油缸可以实现履带行走机构的转向，使整个防护顶棚能够快速从当前硐口工作面移动到下一个硐口工作面。

在SolidWorks中建立露天端帮防护顶棚模型并导入ADAMS中建立多体动力学模型，设置模型各部件材料属性[15]为Q345B(16Mn钢)，密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=2.0×1011Pa，泊松比ν=0.3.

为方便模拟落石对露天端帮防护顶棚的冲击作用，本文将落石简化为球状，设置材料属性[5]为砂岩，密度ρ=2 487 kg/m3，弹性模量E=1.35×109Pa，泊松比ν=0.123.

由于露天端帮防护顶棚在结构上左右对称，只将防护顶棚的左下顶板与左上顶板导入有限元分析软件ANSYS进行网格划分，最后形成柔性体并以MNF文件的形式导入ADAMS中，替换原刚体模型的刚性体[16]，最终建立的露天端帮防护顶棚刚柔耦合冲击模型如图1所示。

图1 露天端帮防护顶棚刚柔耦合冲击模型Fig.1 Rigid-flexible coupling impact model of open-air end shield

3 数值模拟及结果分析

为分析落石对露天端帮防护顶棚的冲击作用，分别选取高度1 m质量为150 kg、200 kg、300 kg、350 kg和高度2 m质量为100 kg、130 kg、150 kg、180 kg的落石对防护顶棚进行冲击仿真。

3.1 联合仿真模型

本文主要研究防护顶棚受落石冲击的动力学问题，因此以ADAMS为主控软件，AMESim为辅助软件，在仿真过程中两软件相互交换数据进行计算。根据防护顶棚液压系统工作原理，在AMESim中搭建联合仿真模型，如图2所示。

图2 联合仿真模型Fig.2 Co-simulation model

在联合仿真模型中，为保证ADAMS与AMESim单位一致，增益k设置为0.001，泵的转速为1 450 r/min，排量为55.2 cc/r，溢流阀的限压为16 MPa，安全阀的限压为25 MPa，液压油选择68#液压油，其密度为850 kg/m3，体积弹性模型为1 700 MPa，动力粘度为51 cP，三位四通换向阀的流量为30 L/min，顶板伸缩油缸缸径80 mm，杆径50 mm，行程300 mm，其余采取默认值。

3.2 防护顶板抗冲击应力分布分析

仿真完成后，落石冲击防护顶板应力云图和不同高度下不同质量落石冲击防护顶板应力状态分别如图3、图4所示。

由图3可以得知防护顶板受到落石冲击时，应力主要集中在防护顶板与油缸的铰接位置以及防护顶板之间的铰接位置，因此在设计露天端帮防护顶棚铰接位置时应予以加强，防止落石冲击时铰接位置因应力过于集中而被破坏。由图4中(a)、(b)可以得知在同一高度时，防护顶板在落石冲击下的应力随落石质量的增大而增大，在不同高度时，防护顶板承受的落石质量随高度增加而减小，在高度1 m时防护顶板所能承受最大落石质量约为320 kg，在高度2 m时防护顶板所能承受最大落石质量约为160 kg.图4中防护顶板应力状态出现转折是由于落石冲击防护顶板时油缸提供了缓冲，吸收了落石的冲击能量，降低了防护顶板应力值，但当落石冲击能量大于油缸所能缓冲的极限值时，防护顶板应力值迅速上升，防护顶板被破坏。

3.3 安全阀压力卸载与冲击能量分析

仿真完成后，安全阀压力情况如图5所示。

图5 不同高度下不同质量落石冲击时安全阀压力情况Fig. 5 Pressure of the safety valve when falling rocks with different masses at different heights

由图5中(a)和(b)可以得知落石冲击防护顶板之前，安全阀压力稳定在16 MPa左右，在高度1 m质量为150 kg、200 kg和高度2 m质量为100 kg、130 kg的落石冲击防护顶板时，安全阀峰值压力低于安全阀开启压力25 MPa，安全阀未开启；在高度1 m质量为300 kg、350 kg和高度2 m质量为150 kg、180kg的落石冲击防护顶板时，安全阀峰值压力超出安全阀开启压力25 MPa，安全阀开启。由此可以看出安全阀可以为防护顶板伸缩油缸提供过载保护，防止质量过大的落石冲击防护顶板时对油缸造成破坏，增强了液压系统的稳定性。同时安全阀未开启时落石的冲击能量转化为液压缸缓冲腔内的液压能；安全阀开启时落石的冲击能量转化为液压缸承受的机械能；两种方式都为防护顶棚提供了缓冲，消耗落石的冲击能量，增强了露天端帮防护顶棚的抗冲击能力。

3.4 伸缩油缸位移与能量释放分析

仿真完成后，防护顶板伸缩油缸位移情况如图6所示。由图6中(a)和(b)可以得知高度1 m质量为150 kg、200 kg和高度2 m质量为100 kg、130 kg的落石冲击防护顶板时，由于安全阀峰值压力低于安全阀开启压力，防护顶板伸缩油缸的位移为0，落石冲击能量由防护顶板和油缸两者共同承受；高度1 m质量为300 kg、350 kg和高度2 m质量为150 kg、180 kg的落石冲击防护顶板时，由于安全阀峰值压力超出安全阀开启压力，防护顶板伸缩油缸的位移约为5 mm，落石的冲击能量一部分由防护顶板承受，另一部分因安全阀开启，油缸位移下降，冲击能量被释放，增强了防护顶棚的抗冲击性。