冲击载荷下液压单元支架承载特性研究_陈笑然.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050140引言目前，我国煤矿巷道快掘技术处于加速发展阶段。作为煤矿井下掘进工作面的支护设备，液压支架的可靠性对保证井下安全生产至关重要。矿压显现问题随着煤矿开采深度的增加愈发凸显，液压支架承受冲击载荷时产生结构破坏，进而导致顶板冒顶、片帮等事故的发生。随着有限元理论的发展，利用有限元软件进行瞬态动力学分析也被引入到液压支架的结构设计与分析当中。国内外学者虽然对传统掩护式液压支架在冲击载荷下进行了大量的强度校核与结构优化，但对于单元型液压组合支架在冲击载荷作用下的研究分析相对较少。因此，本文从液压组合支架整机入手，对冲击载荷作用下单个液压单元支架进行瞬态动力学分析。1液压组合支架的模型建立（1）液压单元支架支护强度与工作阻力计算所设计的液压组合支架是在悬臂式掘进机完成掘进工作后，对正进行锚杆、锚索支护的顶板及两帮进行临时支护，防止因冒顶，片帮造成的伤人事故。根据国家标准煤矿用液压支架，要求液压支架在承受1.5倍的静载荷和1.5倍的冲击载荷时不出现功能失效。液压单元支架在受到静载荷时正常工作，而当顶板压力超过了液压单元支架可承受的工作阻力时，液压单元支架开始出现变形破坏。按照载荷估算法计算支架支护强度pZ=Hqgn（K-1）cos 冲击载荷下液压单元支架承载特性研究陈笑然1，2，田宪华1，2，吴坤1，2，程文韬1，2（1.中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州221116；2.江苏省矿山机电设备重点实验室，江苏 徐州221116）摘要：当矿井中发生意外塌方时，顶部垮落所产生的撞击载荷就会直接作用到液压支撑顶梁上,易导致液压支撑变形破坏。针对这一问题，以掘进工作面的液压组合支架为主要研究对象,分析了液压单元支架在实际工况中的受力状况,利用ANSYS软件对液压单元支架进行了静力学仿真,获得了液压单元支架的变形和应力云图。由于实际工况中液压单元支架的受冲击载荷的区域具有随机性，选取支架顶梁不同位置进行瞬态动力学模拟，得到了液压单元支架受冲击时顶梁各区域的应力及位移变化曲线。研究结果为液压单元支架的结构优化和冲击试验提供了一定的理论依据。关键词：掘进巷道；超前支护；冲击载荷；瞬态动力学中图分类号：TD355文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0045 04Research on Bearing Characteristics of Hydraulic Unit Support underImpact LoadChen Xiaoran1，2，Tian Xianhua1，2，Wu Kun1，2，Cheng Wentao1，2（l.School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.JiangsuKey Laboratory of Mine Mechanical and Electrical Equipment，Xuzhou 221116，China）Abstract:When an accidental collapse occurs in a mine,the impact load generated by the roofcollapse will directly act on the roof beam of the hydraulic support,which is easy to lead to thedeformation and destruction of the hydraulic support.Aiming at this problem,the hydraulic combinationsupport of tunneling face was taken as the main research object,the stress state of the hydraulic unitsupport in the actual working condition was analyzed,the static simulation of the hydraulic unit supportwas carried out by ANSYS software,and the deformation and stress cloud diagram of the hydraulic unitsupport was obtained.Because of the randomness of the impact load area of the hydraulic unit supportin actual working conditions,different positions of the top beam of the support were selected fortransient dynamics simulation,and the stress and displacement curves of each area of the top beamwhen the hydraulic unit support was impacted were obtained.The results provide a theoretical basis forstructural optimization and impact test of hydraulic unit support.Key words:excavation roadway；advanced support；impact load；transient dynamics45式中H采高，m；顶板岩石密度，kg/m3；q顶板周期来压动载系数；K顶板岩石膨胀系数，K1.231.5；工作面倾角，（）；附加阻力系数。液压支架工作阻力QZ=pZBCSC式中BC支架控顶距，m；SC支架中心距，m。本文所研究的液压组合支架结合某煤矿的实际工况，选取岩块的步距长度L15m，岩块厚度HR=5 m，已知掘进巷道宽度为4.8 m，支架宽度为1.3 m，两支架间的间隙为0.4 m，暂取BC4.8 m、SC1.7 m，取H=3.6 m，按褐煤层密度=1.3103kg/m3，q=1.2，=1.6，暂不考虑工作面倾角，则pZ=0.180.38 MPa。考虑支架支护效率=0.9，则支架支护强度pZ=0.20.42 MPa。因此，液压单元支架工作阻力QZ=2 400 kN。（2）液压组合支架三维模型的建立本文以液压组合支架为研究对象，其最大工作阻力为2 400 kN，最大支撑宽度为3.6 m，最大支撑高度为4.8 m，其结构如图1所示。图1液压组合支架三维模型1.移架轨道2.掘进机3.液压单元支架4.风筒5.转载机液压组合支架包括若干个液压单元支架、移架轨道组件和移架小车。液压单元支架包括顶梁、液压立柱、底座、内置伸缩油缸等主要部分，其结构如图2所示。移架轨道组件包括轨道托架前伸轨道梁以及焊接于轨道托架、前伸轨道梁两侧的齿条等。移架小车通过齿轮齿条传动，可将最后1台降架收缩后的液压单元支架搬运到掘进面的最前端。图2液压单元支架三维模型1.侧边梁2.伸缩梁3.中间梁4.液压立柱5.底座液压单元支架作为液压组合支架的重要组成部分，采用模块化设计方法。最后一架液压单元支架借助移架轨道组件可以移动到掘进面的最前端，减少传统掘进支护移架过程中对顶板的反复支撑，能够大幅提高巷道掘进速度。2液压单元支架的静力学分析将建立的液压单元支架三维模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中。（1）定义材料属性液压单元支架主体结构的材料为Q460钢，材料密度7.85 g/cm3、弹性模量206 GPa、泊松比0.3。液压单元支架立柱材料为27SiMn高强钢，其泊松比0.26、屈服极限835 MPa、弹性模量206 GPa。（2）定义约束条件根据建立的三维模型，顶梁与立柱之间通过铰接的形式进行联接；立柱与底座通过法兰固定；中间梁与伸缩梁通过内置油缸铰接进行联接。（3）划分网格与施加载荷由于单元支架整机结构复杂，采用结构化网格划分单元支架的规则部分（顶梁和立柱），其余部分（底座等）采用非结构化网格进行划分处理。同时，对于内置伸缩油缸等支护过程中不承载部件进行简化，对于顶梁等主要承力部件的网格划分进行必要的细化。液压单元支架网格划分模型如图3所示，共划分为794 688个网格。对液压单元支架顶梁施加1.5倍工作阻力（即3 600 kN）的静载荷。图3液压单元支架网格划分图（4）静力学仿真分析经过求解得到静载荷作用下液压单元支架的变形和应力云图，如图4、图5所示。支架顶梁所受的最大应力值为320.33 MPa，应力集中区域位于立柱与顶梁的铰接位置；顶梁的最大应力值为960.98 MPa，应力集中区域位于中间梁的中间位置；综上可知，单元支架的最大应力值为960.98 MPa，最大应力和最大变形区域主要集中在中间梁的中心区域。支架立柱的最大变形量为3.28 mm，主要变形区域位于立柱与顶梁的铰接位置；顶梁的最大变形量为7.38 mm，主要变形区域位于中间梁的中间位置。综上可知，12345第44卷第5期Vol.44 No.5冲击载荷下液压单元支架承载特性研究陈笑然，等123452e+03（mm）01e+03xyz46单元支架的最大变形量为7.38 mm，超前液压支架最大变形量在设计要求的合理范围之内，在此工况条件下，可以保证液压单元支架安全稳定的工作。图4液压支架在静载荷作用下的位移云图图5液压支架在静载荷作用下的应力云图3液压单元支架的瞬态动力学分析为进一步研究液压单元支架在冲击载荷的承载性能，采用ANSYS Workbench有限元分析软件中的Transient Structural动力学分析模块对液压单元支架整机进行瞬态动力学仿真。（1）施加载荷首先对液压单元支架立柱和千斤顶内施加1.5倍工作载荷进行预紧设置。确定冲击载荷的大小为3 600 kN，选用阶跃冲击载荷的加载方式对液压单元支架顶梁不同位置施加载荷。载荷作用时间设定为3 s。阶跃载荷的施加位置分别为侧边梁、伸缩梁和中间梁的边界与中间区域共4个位置，如图6所示。液压单元支架整机的载荷设定方式如图7所示。最后进行仿真求解。图6载荷施加位置时间/s图7施加于顶梁上的阶跃冲击载荷将此设定的压力载荷施加到图6所示顶梁上表面的各个区域，分析顶梁各个区域在该载荷作用下的承载特性，可以获得支架顶梁在不同工况下的瞬态动力学响应特性。（2）动力学仿真分析通过分析得到冲击载荷下液压单元支架的整个过程的最大变形和最大应力的变化情况，如图8图11所示。由图8和图9可知，在支架受到阶跃冲击后，支架顶梁应力迅速增加到1 394.3 MPa；顶梁受到冲击后在0.52 s左右达到最大位移值11.84 mm，随后振荡最后趋于平稳，变形量在10.26 mm左右。单元支架最大变形量为11.74 mm，位置在中间梁部位。支架整体的应力值比较小，只是中间梁的应力比较大。时间/s图8顶梁在均布载荷作用下的位移变化曲线时间/s图9顶梁在均布载荷作用下的应力变化曲线第44卷第5期Vol.44 No.5冲击载荷下液压单元支架承载特性研究陈笑然，等2e+03（mm）01e+03xyzA:Static StructuralEquivalent StressType:Equivalent（von-Mises）StressUnit:MPaTime:1960.98 Max854.21747.43640.66533.88427.10320.33213.55106.785.401 1e-6 Min2e+03（mm）01e+03xyzA:Static Struct