本文以小青矿W₂-701刨煤工作面为对象进行研究，以机械设计理论与方法作为研究指导，以现代工程设计和分析软件作为工具，对该工作面的ZY4800/06/16.5D型液压支架群组支护力学特性及不同工况下的关键零部件强度进行有限元分析。

        1 ZY4800/06/16.5D型液压支架结构特征

        ZY4800/06/16.5D型液压支架主要包含控制元件、液压缸、承载结构件以及其他辅助装置。支架具有较为紧凑的结构，高强度钢板为其主体结构件的材料，能够以较小的结构件断面尺寸达到较高的强度，保证通风断面以及行人安全。ZY4800/06/16.5D型液压支架整体结构如图1所示。

图1  ZY4800/06/16.5D型液压支架整体结构

Fig. 1  The overall structure of ZY4800/06/16.5D type hydraulic support

 

      ZY4800/06/16.5D型薄煤层液压支架的主要技术参数见表1所示。

表1 工作面液压支架技术参数

Table 1 technical parameters of hydraulic support for working face

 

技术特征	技术参数	技术特征	技术参数
泵站压力	31.5 MPa	初撑力	3344 kN
支架高度	600/1650 mm	工作阻力	4800 kN
支架宽度	1440/1600 mm	支护强度	0.5～0.66MPa
中心距	1500 mm	平均比压	1.3 MPa
支架推溜步距	750mm	推溜力/拉架力	158/293kN

 

        W₂-701刨煤工作面煤层厚度在0.84～1.20m之间。工作面无冲击地压和应力集中区。工作面底层综合柱状图如图2所示。煤层顶底板情况见表2所示。

图2 工作面底层综合柱状图

Fig.2 Comprehensive histogram of the bottom layer of working face

 

表2 煤层顶底板情况

Table 2 coal seam roof and floor condition

 

顶底板 名 称	岩石 名称	平均厚度/m	特征
基本顶	粗砂岩	5	灰白色，孔隙，裂隙含水，砂质胶结，松散，硬度为5
直接顶	粉砂岩	1.38	灰色，柱状，层理不明显，泥质胶结，硬度为4
底板	粉砂岩	2.55	灰色，具有不规则水平层理

 

 

        工作面采用两柱掩护式液压支架维护顶板，前后端头采用支撑掩护式支架控制顶板，液压支架在电液控制系统的控制下自动移架；当工作面过裂隙带顶板破碎或片帮易发生顶板抽条情况时，采取自动和手动相结合方式移架。工作面选用140组液压支架（129组ZY4800/06/16.5D型中间架）。工作面设备布置示意图如图3所示。

图3 工作面设备布置示意图

Fig.3 Diagram of equipment layout

 

        3液压支架群组支护受力分析

        通过液压支架群组实现对工作面顶板岩层的支护。本文借鉴前人研究方法将采煤工作面顶板中点设定为坐标原点，假设综采工作面的左右巷帮力学特性相同，并且液压支架和顶板载荷相对于工作面中心线对称分布。将支护系统简化为弹性基础梁模型如图所示。

图4弹性基础梁模型

Fig. 4 elastic foundation beam model

        支架刚度可表示为：

                      (1)

        其中：B 为支架中心距(m)；L为支架顶梁长度(m)；k为反映岩梁沉降能力的基床系数，N/m³。

若将顶板的均布载荷设定为q，若梁中某单元支架的顶板下沉量为 v，由弹性基础梁假设可知，液压支架对顶板的载荷分布为-kv，则顶板承受的载荷是q-kv。根据弹性基础梁假设，可得单位宽度上顶板有如下平衡方程：

         EIv⁴+ Kv=q                   (2)

        并推导出顶板的挠曲线方程为：

          (3)

        其中：；

        式中：V₀为岩梁中点的挠度；M₀为岩梁中点的弯矩；V_i(αx)(i=0~3)为普日列夫斯基函数。

        在研究液压支架群组支护载荷时，假设左右巷帮处的顶板相当于刚性连接在弹性支座上，即可得边界条件K_θ1=K_θ2→∞，设定u =αl/ 2，可得挠曲线方程：

        (4)

        经对顶板载荷计算和实测，沿工作面方向上不同位置的液压支架的顶梁承受的载荷和偏载情况是不同的，并且越靠近工作面中部，液压支架的顶梁承受的载荷越大，偏载情况越弱。由上述结果可得不同工作面位置上液压支架的顶梁载荷，如图所示。

(a)1~10号液压支架

(b)61~70号液压支架

图5不同工作面位置上液压支架的顶梁载荷

Fig.5 Top beam load of hydraulic support at different working face positions

        4液压支架结构强度有限元分析

        本文主要考察液压支架在承受顶板施加的偏载工况下的力学特性及结构强度。按照 GB25974.1-2010煤矿用液压支架标准对主体结构件由前文得到的支架群组载荷结果作为有限元仿真时的施加载荷及边界条件。选取两个典型工况位置的液压支架进行研究，并可拓展至整个工作面的各个位置的液压支架。选取的液压支架为从回风巷道侧第10个为工况1，从回风巷道侧第30个为工况2，将由前文计算得到的顶梁载荷作为均布载荷加载到支架模型的顶梁。根据前文中模型属性、网格划分以及边界条件进行液压支架强度有限元仿真，得到工况下的液压支架整架应力云图如图6所示。

工况1应力云图

工况2应力云图

 

图6 工况条件下的液压支架整架应力云图

Fig.6 Whole frame stress cloud chart of the hydraulic support under condition

         (1)顶梁的应力与应变

        工况条件下的液压支架顶梁应力与变形分布云图如图7所示。

(a)工况1应力分布云图       (b) 工况1变形分布云图

(c) 工况2应力分布云图      (d) 工况2变形分布云图

图7液压支架顶梁应力与变形分布云图                      

Fig.7 The distribution of stress and deformation of the hydraulic support top beam

        工况1条件下的液压支架顶梁应力云图可见，顶梁的应力主要分布柱窝和中间筋板附近。柱窝附近的应力达到峰值，已达244.11MPa，并且由于偏置载荷的作用，左侧柱窝的应力高于右侧柱窝应力。顶梁中间筋板左侧上部的应力比较大，已达156.21MPa，而在顶梁右侧的柱窝附近应力达135.88MPa，左右柱窝处应力差为20.33MPa。液压支架在实际使用过程中经常出现立柱顶断销轴后活塞杆顶进液压支架顶梁的情况，此处分析与实际工况相符。顶梁柱窝处是顶梁在承受顶板载荷时的主要承力部位，此部位的强度直接影响液压支架整机的使用寿命。除了柱窝附近有应力集中处外，顶梁其他部分的应力并不高，在许用应力范围。

        工况2条件下柱窝附近的应力达到峰值，已达408.28MPa。顶梁中间筋板左侧上部的应力达308.2MPa，顶梁右侧的柱窝附近应力达264.52 MPa，左右柱窝处应力差为43.68 MPa。与工况1情况相比，工况2情况下左右柱窝处应力差增加了为20.35 MPa，主要是由于顶板载荷偏差增加所导致的。顶梁越靠近后端变形越小，越靠近顶梁前端变形量越大。

         (2)立柱的应力与应变

        工况条件下的液压支架立柱应力与变形分布云图如图8所示。

(a) 工况1应力分布云图      (b) 工况1变形分布云图

 (c) 工况2应力分布云图     (d) 工况2变形分布云图

图8液压支架立柱应力与变形分布云图

Fig.8 The distribution of stress and deformation of cylinder oil cylinder

        立柱缸体在工况1条件下的最大等效应力为222.99 MPa，最大变形量为1.0282 mm，并且在偏置载荷作用下，左右立柱的最大等效应力有19.48 MPa的偏差量，最大变形量有0.1446 mm偏差。由工况1条件下的液压支架立柱应力与变形分布云图可知，在工况1条件下立柱缸体的应力和刚度均满足要求。工况2条件下的最大等效应力为443.76 MPa，最大变形量为2.0461 mm，左右立柱的最大等效应力有28.51 MPa的偏差量，最大变形量有0.2103 mm偏差。由工况2条件下的液压支架立柱油缸应力与变形分布云图可知，在工况2条件下立柱缸体的应力和刚度均满足要求。

        5 结 论

        通过前文表明：沿工作面方向上不同位置的液压支架的顶梁承受的载荷和偏载情况是不同的，并且越靠近工作面中部，液压支架的顶梁承受的载荷越大，偏载情况越弱；顶梁的应力主要分布柱窝和中间筋板左右，并且由于偏置载荷的作用，左侧柱窝的应力高于右侧柱窝应力。与实际工况相符，柱窝部位的强度直接影响液压支架整机的使用寿命；底座应力集中和变形较大的位置均在立柱与底座连接处及后连杆与底座连接处，并且左侧底座的应力集中范围和变形要大于右侧底座；当顶板承受偏置载荷时，掩护梁的应力和变形呈现不对称分布。掩护梁最大应力位置在掩护梁与顶梁和底板连接销孔处。研究结果将对支架结构优化改进和小青矿W₃、N₃采区薄煤层工作面液压支架的选型和使用具有实际指导意义，但是对于冲击地压、周期来压等动态加载工况下的结构强度、设备动态特性以及疲劳寿命等有待进一步研究。

 

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作者简介及联系方式：

作者：南宁，1985年生，男，黑龙江五常人，工程师，硕士学位，现主要从事煤矿机电运输专业。电话：15241012909