液压支架双伸缩立柱落锤冲击特性仿真分析_王存飞.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.2023050250引言立柱作为综采工作面液压支架的重要安全承载部件，其安全可靠性能直接决定着工作面能否高产高效安全工作。尤其是当工作面顶板突然出现冲击载荷时，立柱及其安全阀的流量匹配特性直接影响着液压支架的抗冲击性能。本文从煤矿行业现行标准对液压支架立柱抗冲击性能试验的相关规定出发，以某型双伸缩立柱为例建立其AMESim仿真模型，结合缸筒塑性变形的极限压力，研究了不同安全阀流量压力梯度下立柱缸筒下腔的冲击压力和立柱缩让量，总结安全阀流量与立柱抗冲击特性之间的匹配关系，从而为液压支架立柱及其安全阀的匹配设计与优化提供一定的理论支撑。1落锤冲击载荷及冲击模型根据我国煤矿用液压支架标准第5.6.6.4条规定：将立柱外伸至全长的（755）%，用0.6倍额定工作压力撑紧，并闭锁压力腔，立柱用不小于10 000 kg下落冲击质量进行轴向冲击2次。以落锤冲击的动载过载方式来考核液压支架立柱的抗冲击性能。从满足工程实际需求出发，为简化计算，冲击模型的建立应尽量简化那些对结果影响较小的复杂因素。简化内容：冲击沿立柱轴向方向；系统各密封处无泄漏；底阀与中缸底一体化处理。液压支架双伸缩立柱落锤冲击简化模型如图1所示。液压支架双伸缩立柱落锤冲击特性仿真分析王存飞（国家能源集团 神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林719000）摘要：为掌握冲击载荷作用下液压支架立柱及其安全阀的冲击特性及流量匹配规律，在分析落锤冲击载荷及立柱结构的基础上，以某型液压支架双伸缩立柱为例建立了其落锤冲击模型及AMESim仿真模型，并对其冲击特性进行了分析。研究结果表明：在冲击载荷作用下，活柱由于底阀的存在无法实现位移缩让，在介质压力能的作用下会形成上下振动，中缸由于安全阀可以产生较大的瞬间冲击流量实现缩让，不易形成位移振动；而当存在2次冲击时，第2次冲击产生的立柱冲击压力比第1次冲击产生的压力大；且随着安全阀流量压力梯度的增加，大缸及中缸的第1次冲击压力都是逐渐减小，而第2次冲击压力存在先减小后增大的趋势。关键词：双伸缩立柱；冲击；落锤；流量压力梯度；冲击压力中图分类号：TD355文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0079 04Simulation Analysis of Drop Hammer Impact Characteristics of DoubleTelescopic Column of Hydraulic SupportWang Cunfei（Shendong Coal Group Co.,Ltd.,CHN Energy Group,Yulin 719000,China）Abstract:In order to master the impact characteristics and flow matching law of hydraulic supportcolumn and its safety valve under impact load,based on the analysis of drop hammer impact load andcolumn structure,taking a double telescopic column of a hydraulic support as an example,the drophammer impact model and AMESim simulation model were established,and its impact characteristicswere analyzed.The results show that under the impact load,the movable column cannot realizedisplacement yield due to the existence of the bottom valve,and will form up and down vibration underthe action of medium pressure energy,while the middle cylinder is not easy to form displacementvibration because the safety valve can produce large instantaneous impact flow;When there are twoimpacts,the impact pressure generated by the second impact is greater than that generated by the firstimpact;With the increase of the flow pressure gradient of the safety valve,the first impact pressure ofthe large cylinder and the middle cylinder decreases gradually,while the second impact pressuredecreases first and then increases.Key words:double telescopic column；impact；drop hammer；flow pressure gradient；impact pressure79图1落锤冲击模型1.大缸体2.中缸体3.活柱4.落锤h1.落锤下落高度2落锤冲击AMESim仿真模型为研究冲击条件下的立柱压力及安全阀喷出流量，根据落锤冲击模型建立液压支架双伸缩立柱的AMESim仿真模型，如图2所示，已知结构特征参数：大缸缸径530 mm、大缸杆径380 mm，中缸缸径510 mm、活柱直径360 mm，总行程为7 m；工作阻力为10 500 kN，立柱达到工作阻力时大缸下腔压力47.6 MPa，中缸下腔压力为92.6 MPa。图2落锤冲击AMESim仿真模型1.落锤2.立柱3.安全阀根据液压支架立柱标准要求，对液压支架立柱施加冲击载荷时，落锤按自由落体运动处理，根据立柱结构，选取自由落体的质量为10 000 kg，下落高度3.2 m，下落时间3.22 s，落锤在接触活柱瞬间的冲击速度为7.91 m/s。工作介质为纯水，密度为1 000 kg/m3，弹性模量为1 818.2 MPa，动力黏度为0.001 005 Pas，安全阀开启压力为47.6 MPa，启溢压力不超过公称压力的130%。缸体材料选用30CrMnSi，其抗拉强度为1 080 MPa，屈服强度为835 MPa。缸体塑性变形极限压力为260.1 MPa。3仿真结果与分析（1）落锤冲击特性为确保落锤能对活柱产生2次冲击，设置仿真时间为3 s。落锤的下落速度、位移和冲击力等冲击特性曲线如图3所示。时间/s（a）落锤位移时间/s（b）落锤速度时间/s（c）落锤冲击力图3落锤冲击特性曲线1.第1次落锤冲击2.第2次落锤冲击由图3可知，落锤从3.2 m高出落下，共对立柱产生2次冲击。第1次冲击产生于0.808 s，冲击速度达7.913 m/s，接触时间为0.01 s，最大冲击力为2.42107N；随后落锤反弹，反弹高度为2.62 m，并于2.28 s时再次落下对立柱产生第2次冲击，接触时间约为0.01 s，最大冲击力为1.98107N。（2）立柱及安全阀系统冲击特性设置立柱安全阀流量为21 000 L/min，流量压力梯度为70 L/（minMPa），仿真可得立柱下腔冲击压力及立柱下降位移如图4、图5、图6所示。从图4、图5中可以看出，第1次冲击时，大缸下腔压力为102.5 MPa，中缸下腔冲击压力达198.9 MPa，均小于缸体产生塑性变形压力，故在第1次冲击时不会产生变形；第2次冲击时，大缸下腔压力为349.9 MPa，中缸下腔冲击压力达644.8 MPa，远大于第1次冲击产生的压力，这主要是由于2次冲击叠第44卷第5期Vol.44 No.5液压支架双伸缩立柱落锤冲击特性仿真分析王存飞123落锤位移/m落锤速度/ms-1落锤冲击力/106N121234h10.51.001.52.02.53.03.53.02.52.01.51.00.50-0.50.51.001.52.02.53.01050-5-100.51.001.52.02.53.025201510580加效应造成的，这也可以从图6看出，在2次冲击作用下，活柱由于底阀的存在无法实现位移缩让，从而在介质压力能的作用下上下振动，且会在第2次冲击时将第1次冲击无法释放的压力能叠加，导致第2次冲击压力的增加。中缸由于安全阀的存在，可以快速形成缩让，不会形成位移振动。时间/s图4立柱下腔冲击压力1.第1次冲击压力2.第2次冲击压力时间/s时间/s（a）第1次冲击压力（b）第2次冲击压力图52次冲击压力1.中缸下腔2.大缸下腔时间/s图6立柱下降位移1.活柱位移2.中缸位移安全阀在冲击发生时排出的流量如图7所示。从图7可以看出，2次冲击都产生了较大的瞬间流量，其中第1次流量最大为765.8 L/min，第2次流量最大为4218.3 L/min。（3）安全阀流量压力梯度对冲击特性的影响为确定安全阀流量压力梯度对立柱冲击特性的影响，分别设置其为70 L/（minMPa）、100 L/（minMPa）和150 L/（minMPa）进行仿真，可得立柱的抗冲击特性如表1所示。时间/s图7立柱安全阀冲击流量表1不同安全阀流量压力梯度时的冲击特性对比由仿真结果可知，第2次的冲击压力都大于第1次冲击压力；随着安全阀流量压力梯度的增大，无论大缸还是中缸的冲击压力都会降低，而安全阀瞬间冲击流量会大大增加，且当流量压力梯度为100 L/（minMPa）及以上时，立柱冲击压力都没有达到缸体塑性变形压力，即不会出现胀缸现象。因此在选用安全阀时必须合理设计其流量压力梯度，以避免其值过小造成的冲击压力过大。从表1还可以看出，随着安全阀流量压力梯度的增加，第2次冲击压力存在先减小后增大的趋势。为详细分析第2次冲击压力随流量压力梯度的变化规律，设置流量压力梯度70150 L/（minMPa），间隔为10 L/（minMPa），经仿真可得立柱冲击压力如表2和图8所示。表2不同安全阀流量压力梯度时的冲击压力对比流量压力梯度/L（minMPa）-1图8不同安全阀流量压力梯度时的冲击压力1.大缸第1次冲击压力2.大缸第2次冲击压力3.中缸第1次冲击压力4.中缸第2次冲击压力立柱位移/m12冲击流量/Lmin-14 5004 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000-500安全阀流量压力梯度/L（minMPa）-170100150大缸第1次冲击压力/MPa102.596.988.5大缸第2次冲击压力/MPa349.9106.6108.8安全阀第1次冲击瞬时流量/Lmin-1768.59 818.712 259.6中缸第1次冲击压力/MPa198.9188.2172.7中缸第2次冲击压力/MPa644.8204.5209.0安全阀第2次冲击瞬时流量/Lmin-14 218.311 760.018 311.7安全阀流量压力梯度/L（minMPa）-1708090100110120130140150大缸第1次冲击压力/MPa102.5100.698.896.995.193.491.790.188.5大缸第2次冲击压力/MPa349.9247.1137.9106.686.583.991.8102.6108.8中缸第1次冲击压力/MPa198.9195.3191.8188.2184.8181.5178.4175.4172.7中缸第2次冲击压力/MPa64