液压支架不同工况下顶梁的承载性能分析_侯伟.pdf

液压支架不同工况下顶梁的承载性能分析侯伟1，2（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原030051；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西太原030051）摘要：液压支架在工作面的长度方向上以群组的形式对工作面形成有效的支护，在不同位置的液压支架面临着不同的承载工况。选取液压支架工作面端头位置及中间位置的承载状态，对其性能进行仿真分析，建立液压支架的有限元分析模型，对两种工况的支架应力进行分析。结果表明，顶梁的最大应力均出现在柱窝与连接筋板的位置处，工况一左侧应力大于右侧，工况二的应力左右分布一致，两者应力值均小于顶梁的屈服应力，满足系统的使用需求。关键词：液压支架工作面不同工况应力值仿真分析中图分类号：TD355文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）01-0278-02引言随着采煤技术的发展进步，自动化综采成为我国主要的煤矿开采方式，在综采过程中，液压支架是工作面重要的支护设备，对工作面顶板进行支护，保证开采的空间及安全，同时液压支架与采煤机、输送机等协调动作1，保证煤矿综采自动前进。在综采过程中，在工作面的开采长度上要采用多组液压支架进行支护，由于煤层的分布及顶板的变化对不同工作面位置的液压支架造成不同的载荷作用，特别是与顶板直接接触的顶梁的载荷作用变化复杂2，对顶梁的承载性能具有较高的要求。依据工作面矿压的变化分布情况，在不同的承载工况下采用有限元仿真的形式对顶梁的承载性能进行分析3，从而保证顶梁满足液压支架的支护需求，保证煤矿开采支护安全。1液压支架群组支护工况分析液压支架的结构组成中，顶梁与工作面顶板直接接触，受到顶板的载荷作用，对顶梁的承载形成不同工况。对某煤矿工作面使用的液压支架进行分析，开采煤层的平均厚度为 3.5 m，走向长度为 340 m，倾向长度为 200 m。在开采过程中，巷道的前后端头采用支撑掩护式支架控制顶板4，中间位置采用填充型支护顶板，在工作面的长度上共采用 120 组填充性液压支架，6 组过渡支架及 5 组掩护式液压支架5。在工作面的长度上，上百台液压支架共同组成对工作面的有效支护系统。液压支架在支护过程中受到的载荷可以分为覆岩的重力载荷及覆岩的运动载荷，重力载荷取决于垮落的岩层的重量，运动载荷取决于覆岩的运动剧烈程度。在液压支架的支护中，由于液压油介质的压力作用，将液压支架看作等刚度的弹性体，液压支架的支护系统相当于多个液压支架组成的弹性体对梁体的支撑。在工作面的不同支护位置上，由于岩层的变化作用不一、顶板的断裂垮落不同、不同位置液压支架的支护状态不一致、顶梁的受力作用不同，对顶梁形成不同工况的受载。在工作面的方向上，越靠近工作面的中部，顶梁承受的载荷越大，且偏载作用越小。越远离工作面的中部，则顶梁承受的载荷减小，偏载作用增加。选取工作面端头位置及中间位置的液压支架为例进行分析，在两种不同的工况下，液压支架的顶梁分别受到偏心载荷及集中载荷的作用，其承载状态如图 1 所示。2液压支架不同工况顶梁承载性能分析2.1顶梁仿真分析模型的建立采用有限元分析的方式，对液压支架顶梁的承载性能进行仿真模拟，依据液压支架的结构进行一定的简化处理，建立支架的三维结构模型，将模型导入到SolidWorks 中进行分析。在 SolidWorks 中设定液压支架的材质为 Q690 高强度钢，密度为 7.8 g/cm3，泊松比为 0.3，弹性模量为 210 GPa，液压支架为各向同性材料，产生的变形作用均为线性变形。对液压支架模型进行离散化处理，采用自由网格的形式进行网格划分处理，对连接位置处的网格进行一定的细化处理，得到网格划分模型如下页图 2 所示。液压支架的底座与底面接触，对底座进行固定约束，依据两种不同的工况，对液压支架的顶梁进行加载分析，对顶梁的应力变化进行计算分析。收稿日期：2022-07-25作者简介：侯伟（1985），男，山西太原人，硕士，毕业于太原理工大学，工程师，研究方向为矿用掘进及运输装备。总第 223 期2023 年第 1 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economyand InformationizationTotal 223No.1，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.01.1081-1工况一偏心承载1-2工况二集中承载图 1液压支架不同工况承载状态经验交流2023 年第 1 期图 4工况二顶梁的应力（MPa）分布云图515.05 Max471.16387.27253.38119.4995.59871.70747.81623.9250.033 779 Min500.000.001 000.00（mm）ZYX0.00248.345 Max242.974212.603122.23296.86221.49115.1210.7495.37640.007 67 Min500.001 000.00（mm）ZYX图 2液压支架的网格模型2e+0034e+003（mm）0XYZ2.2顶梁不同工况下的承载性能仿真分析依据液压支架在工况一时的承载状态对液压支架进行仿真分析，经过计算，得到顶梁在工况一时的应力分布如图 3 所示。从图 3 中可以看出，液压支架在偏心载荷的作用下顶梁受到的最大应力为 248.3 MPa，最大应力位于顶梁的柱窝及筋板连接位置处，且支架受到偏心载荷的作用，左侧的应力值要高于右侧，同时，顶梁中间筋板左侧上部的应力值也大于右侧。顶梁柱窝的位置处是顶梁的主要承载部位，对顶梁的使用具有直接的影响作用，柱窝位置的最大应力小于材料的屈服应力 690 MPa，满足液压支架的使用需求，其余位置处的应力值较小。依据液压支架在工况二时的承载状态对液压支架进行仿真分析，经过计算，得到顶梁在工况二时的应力分布如图 4 所示。从图 4 中可以看出，液压支架在集中载荷的作用下顶梁受到的应力最大值为 515MPa，最大应力值出现在顶梁的柱窝与中间筋板的附近位置处，柱窝处的应力值较大，具有明显的应力集中现象。液压支架承受集中载荷的作用，具有减小的偏置，顶梁的左右两侧应力分布一致。柱窝位置处的最大应力值小于材料的屈服强度 690 MPa，满足液压支架的使用需求，其余位置处的应力值较小。柱窝位置处具有较为明显的应力集中现象，对液压支架的顶梁长期使用造成影响。通过上述分析可知，在工作面的长度上，不同位置的液压支架受到的载荷作用不同，对液压支架顶梁的承载要求不同。选取工作面长度上端头位置及中间位置的液压支架进行顶梁的应力作用分析，在端头位置受到偏心载荷的作用，其应力值较小，在中间位置受到集中载荷的作用，其应力值较大，液压支架的强度均满足系统的使用需求，在工况二中存在着应力集中的现象，可对顶梁的结构进行一定的优化处理，减小应力集中现象。3结语液压支架是进行煤矿综采主要的支护设备，对煤矿的安全开采具有重要的作用。在进行矿井的综采过程中，液压支架以群组的形式在工作面长度上形成有效的支护，可将液压支架的支护系统看作等刚度的弹性系统。在长度方向上，由于不同位置的矿压变化不同，对液压支架的承载形成不同的工况，以液压支架在工作面端头位置及中间位置为例，建立液压支架的有限元分析模型，并对不同的工况进行加载分析。经过计算得到液压支架顶梁在不同工况下的应力分布状态。结果表明，在两种工况中，顶梁的最大应力均出现在柱窝与连接筋板的位置处，工况一左侧应力大于右侧，工况二的应力左右分布一致，且工况二的最大应力要大于工况一，但两者均小于顶梁的屈服应力，满足系统的使用需求。液压支架顶梁结构在不同工况下的承载性能满足工作面的需求，可以保证工作面的支护安全。参考文献1徐亚军，王国法，刘业献.两柱掩护式液压支架承载特性及其适应性研究J.煤炭学报，2016，41（8）：2 113-2 120.2欧阳敏，王彪谋，李明忠.ZFY8000/18/37D 型支架顶梁承载状态影响因素研究与分析J.煤炭技术，2022，41（3）：188-192.3孟昭胜，曾庆良，万丽荣，等.掩护式液压支架顶梁承载特性及其适应性研究J.煤炭学报，2018，43（4）：1 162-1 170.4王国法，胡相捧，刘新华，等.千米深井大采高俯采工作面四柱液压支架适应性分析J.煤炭学报，2020，45（3）：865-875.5万丽荣，刘鹏，孟昭胜，等.特大采高液压支架底板比压分析研究J.山东科技大学学报（自然科学版），2018，37（5）：34-39.（编辑：郭萍茹）（下转第 282 页）图 3工况一顶梁的应力（MPa）分布云图侯伟：液压支架不同工况下顶梁的承载性能分析279现代工业经济和信息化第 13 卷图 7单部电梯运行监控图 6三部电梯监控画面2）电梯运行监控：监控电梯的运行状态，可切换单部电梯画面以便更好地观察到电梯运行的状态以及轿厢内部的乘客情况。2 号电梯的运行标志和下行箭头指示转变成绿色，即提醒人们 2 号电梯正在向下运行。到达电梯所响应的楼层5 楼时，按键 5 的指示灯变绿，开门指示灯变绿，见图 7。3）最后构建上位机监控画面，目前 WINCC 支持较高级的二维画面设计6，每个图表在程序运行结束后，会得到数量和变量的地址，与 PLC 进行数据的实时通信，并且会根据电梯模型的运行情况实时的，动态的显示电梯的运行状态。将写好的程序进行编译下载后，按下运行启动按钮，待结束后，WINCC 就可以对电梯的运行状态进行实时监测，能够根据指示灯的亮灭直观的反应出电梯的运动轨迹，所在楼层，内外呼梯响应，开关门状态等。5结论采用西门子 S7-1200 PLC 与 WINCC 联合控制，优化了系统的可执行性，实用价值很高。利用 WINCC7监测电梯运行状况，可以更简洁明了地发现故障并解决问题，有效避免了因为电梯故障产生的人身安全问题。参考文献1李冠男.多层电梯控制系统电路的设计J.中国新技术新产品，2010（10）：140.2冯博，徐淑华.SIMATICS7-1200 可编程控制器技术特点J.科技信息，2010（23）：120-121.3姚玉刚.电梯智能控制系统研究D.长春：长春理工大学，2008.4侯春光，孙隽璐.一种电梯内外呼电快速瞬变脉冲群干扰的系统防护方案J.中国电梯，2020，31（19）：16-19.5郑学伟.基于 PLC的电梯控制系统D.天津：天津大学，2007.6佘涛，王伟，孙艺峻，等.西门子 S7-1200PLC 在电梯运行控制系统中的应用设计J.自动化技术与应用，2016（3）：21-22.7杨路明，雷亚军.组态软件 WinCC 在自动监控系统中的应用J.计算技术与自动化，2003（4）：21-24.（编辑：刘楠）PLC-based Elevator Group Control DesignLu Xinxin,Cai Jinpeng,Huang Wenting,Liao Gengbin（Xiamen Huaxia College,Xiamen Fujian 360021）Abstract:In order to alleviate the congestion of elevators in office buildings and improve elevator safety,an elevator linkage system withthree elevators and ten floors is designed.The system establishes the elevator monitoring screen on SIMATIC WINCC,and combines thehardware configuration and control program of SIMATIC S7-1200 PLC with the Ethernet connection between PLC and WINCC,which ismore efficient and stable in transmission.The program is designed to op