两柱掩护式放顶煤液压支架力学性能分析.pdf

第45卷 第3期 2019年3月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 3 Mar. 2019 文章编号671-251X201903-0029-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018090012 两柱掩护式放顶煤液压支架力学性能分析 张作状S 李志旭2 1.日照职业技术学院机电工程学院，山 东 日 照 276826; 2.山东科技大学机械电子工程学院，山 东 青 岛 266590 摘要 浅埋深煤层基岩比较薄、 松散层较厚， 工作面易出现台阶下沉等状况， 矿压展现剧烈， 应用于浅埋深 煤层工作面的两柱掩护式放顶煤液压支架易出现工作阻力不足， 对顶板的支护效果不好， 从而造成生产安全问 题。针对以上问题， 采用空间力学分析及结构有限元分析， 对适用于浅埋深煤层的ZFY12000/25/42D 型两柱 掩护式放顶煤液压支架在顶梁受偏心载荷且底座两端受载、 顶梁受扭转载荷且底座两端受载、 顶梁受偏心载 荷且底座受扭转载荷3 种最危险工况下的受力状态进行了分析。分析结果表明 在不同工况下， 支架各结构 件的应力大小均会有所不同， 分布状况也不尽相同， 从支架整体应力分布来看， 受顶板、 立柱和底板的相互作 用， 顶梁和底座将承受较大的应力， 而前后连杆、 掩护梁作为连接过渡部件， 所承受的应力明显较小； 顶梁受 扭转载荷且底座两端受载工况下支架承受应力最大， 为 712. 69 MPa;支架位移变形趋势基本相同， 均是从顶 梁到底座变形量逐渐减小， 整体变形状况良好。在保证结构可靠性的前提下， 在应力集中部位选用高强度板 材或者提高材料厚度， 可改善支架应力分布状况， 增强支架控顶能力， 从而确保支架工作的可靠性和稳 定性。 关键词 煤炭开采；浅埋深煤层；两柱掩护式放顶煤液压支架；支护性能； 应力分析； 位移变形 中图分类号 TD355.4 文献标志码A 网络出版地址 Fttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20190222. 2152. 001. html Mechanical perance analysis of two-prop shield caving hydraulic support ZHANG Zuozhuang1 v LI Zhixu2 1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Rizhao Polytechnic, Rizhao 276826, China; 2. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China Abstract The bed rock of shallow-buried depth coal seam is relatively thinner and the loose layer is thicker, the working face is easy to appear step subsidence and other conditions, and mine rock pressure is severe. The two-prop shield caving hydraulic support used in the working face of shallow buried depth coal seam is prone to insufficient working resistance, poor support for the roof, so as to cause production safety problems. In view of the above problems, using space mechanics analysis and structural finite element analysis, stress state of ZFY12000/25/42D two-prop shield caving hydraulic support suitable for shallow- buried depth coal seams was analyzed under the three most dangerous working conditions of the top beam subjected to eccentric load and loaded on both ends of the base, the top beam subjected to torsional load and loaded on both ends of the base and the top beamsubjected to eccentric load and the base subjected to torsional load. The analysis results show that under different working conditions, the stress of each structural member of the hydraulic support will be different, and the stress distribution will be different. 收稿日期 2018-09-05;修回日期 2018-12-20;责任编辑 张强。 基金项目 教育教学研究“ 群星计划” 资助项目（ QX2018Z05;山东省自然科学基金资助项目（ ZR201709220253。 作者筒介 张作状（ 1981 ） ， 男 ， 山东日照人， 讲 师 ， 工程硕士， 现主要从事机电相关专业的教学和研究工作， E-mail z China 126. com。 引用格式 张作状， 李 志 旭 .两 柱 掩 护 式 放 顶 煤 液 压 支 架 力 学 性 能 分 析 工 矿 自 动 化 ， 2019,4539-34. ZHANG ZuozhuangLI Zhixu. Mechanical perance analysis of two-prop shield caving hydraulic support[J]. Industry and Mine Automation,2019,453 ； 29-34. 30 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 From the overall stress distribution of the hydraulic support, the top beam and the base will be subjected to large stresses for interact of the top beam, the prop and the bottom plate, and the front and rear connecting rods and the shield beam as the connecting transition parts will be subjected to less stress; the largest stress of the support is at 712. 69 MPa under the working condition of the top beam subjected to torsional load and loaded on both ends of the base; the displacement deation trend of the support is basically the same, from the top beam to the base, the deation is gradually reduced, but the overall deation is good. Under the premise of ensuring structural reliability, high-strength plates are used in the stress concentration part or the thickness of the material is increased to improve the stress distribution of the supportand enhanceroocontrolling ability of thesupport, so as to ensure the reliability and stability of the support working. Keywords coal mining; shallow-buried depth coal seam; two-prop shield caving hydraulic support; support perance; stress analysis; displacement deation 〇 引言 浅埋深煤层一般有2 种 一种是基岩比较薄、 松 散层比较厚的煤层， 此类煤层顶板易出现集体破断 垮落， 属于典型的浅埋深煤层；另一种是基岩比较 厚 、 松散层比较薄的煤层， 此类煤层矿压变化规律， 一般介于普通煤层和典型的浅埋深煤层之间， 通常 称为近浅埋深煤层。在同等开采条件下， 浅埋深煤 层工作面顶板来压相对较高， 需要更高的支护阻力 以满足生产需求。 四柱掩护式放顶煤液压支架是传统放顶煤开采 中应用最广泛的一种支架， 但此类支架体积较大、 结 构复杂， 对工人的操作要求较高， 在应用中经常出现 前后立柱受力不均、 工作阻力使用率低， 甚至出现拔 后柱的现象， 尤其随着采煤厚度的不断加深， 对液压 支架的工作性能提出了更为严苛的要求， 四柱掩护 式放顶煤液压支架已经无法满足现有生产要求[14]。 与四柱掩护式放顶煤液压支架相比， 两柱掩护式放 顶煤液压支架具有体积小、 重量轻、 结构简单的特 点 ， 可设计为全自动化的电液控制系统， 其顶梁相对 较小， 支护强度较好， 立柱具有微小的前倾角， 在支 撑时具有一个向前的水平分力， 可有效支撑顶板， 防 止顶板提早出现断裂和冒落;支架带有平衡千斤顶， 可根据支架受力状况调节平衡千斤顶， 从而改变顶 梁合力作用点的位置， 更好地控制顶板压力变化， 与 电液控制系统配套性好;具有支护效率高、 移架速度 快、 操作系统简单、 对顶板的适应能力强等优点， 选用 两柱掩护式放顶煤液压支架已经成为现代放顶煤开 采技术的发展趋势。但浅埋深煤层基岩比较薄、 松散 层较厚， 工作面易出现台阶下沉等状况， 应用于浅埋 深煤层工作面的两柱掩护式放顶煤液压支架易出现 工作阻力不足， 对顶板的支护效果不好， 从而造成生 产安全问题。针对上述问题， 采用空间力学分析及结 构有限元分析， 对适用于浅埋深煤层的ZFY12000/ 25/42D 型两柱掩护式放顶煤液压支架开展研究， 对 其 在 3 种最危险工况下的受力状态进行整架有限元 分析， 在保证结构可靠性的前提下， 简化两柱掩护式 放顶煤液压支架结构， 增强支架控顶能力， 提高支架 自身性能， 从而提高其对浅埋深煤层的开采能力。 1两柱掩护式放顶煤液压支架力学分析 1. 1 放煤机构受力分析 两柱掩护式放顶煤液压支架二维图如图1 所 示 ， 支架选用正四连杆机构， 放煤机构选用插板式放 煤机构， 位于支架后部， 即尾梁通过铰接的方式连接 在掩护梁下端， 尾梁千斤顶控制尾梁运动， 可使尾梁 在设计的角度内任意摆动， 用于松动顶煤并维持一 定的放煤空间[58]。尾梁千斤顶内部安装有可伸缩 的插板， 用于破碎较大煤块， 实现连续放煤任务。 图1 ZFY12000/25/42/D型两柱掩护式 放顶煤液压支架 Fig. 1 Two-prop shield caving hydraulic support of ZFY12000/25/42/D type 支架掩护梁上将承受煤炭和矸石的质量垂直载 荷 ， 同时会对掩护梁和尾梁产生一定的水平推力 。为了方便计算， 可将掩护梁、 尾梁和插板简化成 一根整梁 ， 其垂直载 荷 应 满 足 如 下 条 件 2 0 1 9 年 第 3 期张 作 状 等 两 柱 掩 护 式 放 顶 煤 液 压 支 架 力 学 性 能 分 析 31 式中 M 为 底 层 采 煤 厚 度 ； K S 为 顶 煤 松 散 系 数 ； 7 为下位岩层密度。 水 平 载 荷 应 满 足 如 下 条 件 q2 YM l为顶煤厚度;；为不规则垮 落带煤矸石的厚度;为 顶板断裂角， 取 80o。 将以上数据代入式（ 5， 可 得 h 为 1 67 m。 3 工作面支护较为不利的情况 岩 块 B 断裂 后 ， 马上进行最大回转。 支架受力W 来源主要有顶煤自身质量、 直 接顶自身质量和基本顶转动对直接顶的挤压传递力 的作用。直接顶自身不能平衡， 其质量由支架支撑， 关系 式为 hlZr/3 Hlzby 6 式中为直接顶宽度（ 与支架同宽），取 1. 75 my4 为煤体密 度 ， 取 1 kN/m3。 将以上数据代入式（ 6， 可得 为 4 636. 79 kN。 为了保证工作过程的安全性， 支架承受载荷的安全 因子一般为2〜4。 2两柱掩护式放顶煤液压支架有限元模型 2. 1 支架模型处理 支架不管处于何种工况， 顶梁上的垫块与顶板 接触， 在垂直方向上的位移较小， 需约束； 底座下方 的垫块与底板充分接触， 考虑试验模拟要求， 将底座 下的垫块全自由度约束。 以某煤矿使用的ZFY12000/25/42D 型两柱掩 护式放顶煤液压支架为研究对象， 根据工作面地质 条件，结合支架与围岩刚度耦合关系、顶煤普氏系数 与放煤工艺对支架的影响以及围岩特点， 确定其主 要技术参数， 见 表 1。 32 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 表 1 Z F Y 12000/25/42D 型 两 柱 掩 护 式 放 顶 煤 液 压 支 架 的 主 要 技 术 参 数 Table 1 Main technical parameters of two-prop shield caving hydraulic support of Z F Y 12000/25/42D type 参数数值参数值 高度/m m2 500〜4 200工作阻力/kN12 000 宽度/m m1 800〜2 500支护强度/M Pa1 . 2 掩梁长/m m2 150 支0 . 8 对于掩护式放顶煤液压支架， 其内力主要是立柱 对顶梁、 底座柱窝所 的力， 因柱窝为 ， 接 触过程复杂， 为简 ， 假设立柱所 的力均勻 作用 。假 设 立 柱 总 工 作 阻 力 为 ， 根据技 术要求， 的载荷为1. 2 ， 因支架立柱做 降运动 都较小， 故可 平 计算。 2.2 网格划分 设置 的弹性模量 为 200 GPa， 泊松比“为 0. 3,密度为7 800 kg/m3。利 用 Creo3. 0 软件建立液 压支架的三维模型， 如 图 4 所示， 将其导 ANSYS Workbench 中， 有限元网格划分如图5 所示。 图 4两 柱 掩 护 式 放 顶 煤 液 压 支 架 三 维 模 型 Fig. 4 3D model of the two-prop shield caving hydraulic support 图 5 柱 掩 式 顶 煤 液 压 支 架 网 划 分 Fig. 5 Mesh generation of the two-prop shield caving hydraulic support 3液压支架有限元求解及分析 液压支架承受非对称偏载将使得其承受扭转载 荷 ， 这是液压支架承受外载荷较恶劣的一种工况， 在 分析梁体结 扭转载荷的作用[-10]。液 压支架承受扭转和偏载是液压支架结构损坏的主要 原因， 选取 3 的工况对其进行有限元 分析。 3. 1 顶梁受偏心载荷且底座两端受载工况分析 工 况 1 的加载方式为顶梁受偏心载荷且底座两 端受载， 其垫块放置位置如图； 所示。 m 垫块2 \ 垫 块 1 1666651 m 图 6工 况 1 垫 块 放 置 位 置 Fig. 6 Pad placement position in working condition 1 顶梁上垫块1 的尺寸为1 400 mm X 200 mm X 100 mm，底 座 上 塾 块 2 的 尺 寸 为 2 000 mm X 150m m X100mm。对支架进行有限元仿真， 结果 图7 所 。 位移/mm 2.510 9 Max 2.331 5 2.152 2 1.972 8 1.793 5 1.614 1 1.434 8 1.255 4 1.076 1 0.896 74 0.717 39 0.538 04 0.358 70 0.179 35 OMin a 支架位移云图 b 支架应力云图 图 7顶 梁 受 偏 心 载 荷 且 底 座 两 端 受 载 下 支 架 位 移 和 应 力 云 图 Fig. 7 Displacement and stress cloud diagram of the support under condition of the top beamsubjected to eccentric load and loaded on both ends of the base 由图7 可知， 支架的最大位移为2. 51 mm， 出现 在顶梁前端里侧， 并且 端里侧 端 外 侧 减 ， 从掩护梁 梁位移 大 ， 从底座柱 向 端 ； 支架 图 ， 支架顶梁承 受偏心载荷时， 支架最大应力为567. 31 MPa， 支架应 变 大处出 支架顶梁柱窝处， 立柱与底座也 较明显的 变化， 其他部件变 明显[1113]。 3. 2 顶梁受扭转载荷且底座两端受载工况分析 工 况 2 的加载方式为顶梁受扭转载荷且底 [ 端受载， 其垫块放置位置如图8 所示。 Fig. 8 Pad placement position in working condition 2 2 0 1 9 年 第 3 期张 作 状 等 两 柱 掩 护 式 放 顶 煤 液 压 支 架 力 学 性 能 分 析 33 垫 块 2 的尺寸与图6 中相同， 垫 块 3 的尺寸为 300 mmX 300 mmX 100 mm。对支架进行有限兀 仿真， 结果如图9 所示。 位 移 /m m a支架位移云图 应力/MPa b支架应力云图 图9顶梁受扭转载荷且底座两端受载下 支架位移和应力云图 Fig. 9 Displacement and stress cloud diagram of the support under condition of the top beamsubjected to torsional load and loaded on both ends of the base 由图9 可知， 支架的最大位移为1. 416 5 mm， 出 顶梁中间里侧， 出明显的环状扩散状 态 ， 掩护梁 梁的位移变化较均勻， 掩护梁侧护板 尾部位移变化明显， 底座位移从柱 侧出现明 显的对称 ， 立柱位移 ； 由 支架应力云图可知， 支架最大应力为12. 6 9 MPa， 变 较明 的 柱 ， 顶梁柱 侧变 较明 。 3. 3 顶梁受偏心载荷且底座受扭转载荷工况分析 工 况 3 的加载方式为顶梁受偏心转载荷且底座 受扭转载荷， 其垫块放置位置如图10所示。 图1 0工 况3垫块放置位置 Fig. 10 Padplacement position in working condition 3 垫 块 1 和 垫 块 2 的尺寸与图6 中相同， 垫 块 4 的尺寸为550 mmX 300 mmX 100 mm。对支架进 元仿真， 结果如图11所示。 由图11可知， 支架顶梁受偏心载荷且底座受扭 转载荷时， 最大位移为2. 106 4 mm，位于顶梁前端 里侧， 从左前端向右后端位移 ， 从掩护 梁与顶梁铰接点到插板尾部位移 大的 位 移 /m m a 支架位移 图 b支架应力云图 图1 1顶梁受偏心载荷且底座受扭转载荷下 支架位移和应力云图 Fig. 11 Displacement and s tress cloud diagram of the support under conditionof the topbeamsubjected to eccentric load and the base subjected to torsional load 趋势， 底座与连杆的位移均是里侧位移明显大于外 侧 ； 应力云图 ， 支架 分布较均勻， 最大 f 为 639.69 MPa， 其中立柱和底座应力变化较明显， 其余部件无明显变化。 3.4 3 种工况对比 对比分析可知， 在不同工况下， 支架各结构件的 应力大小均有所不同， 分布状 同。从支 架整体 分布来看， 受顶板、 立柱和底板的相互作 用 ， 顶梁和底 承受较大的 ， 、 掩 护梁作为连接过渡部件， 所承受的 明显较小。 “ 通过分析 3 种工 的支架整架 [ 图 可 出 ， 工 2 支 架 承 大 ， 为 712. 6 9 MPa。 “ 通 过 3 种工况下支架总位移云图可知， 支 架位移变 基 同， 均 顶梁到底座变形 ， 整体变形状况良好。 “ 通过液压支架整体 分析结果可以快速 确定在某个工 支架的 分布， 结合主要结构 的 分析结果， 可 判断其 工 。 支架的 分布 区域性、 局限性的特 点 ， 所以， 优化液压支架可 约成本， 只需要 〔 集中部位选用尚强度板 提 ， 就 可以改善支架 分布状况[14]。 4 的 主要集中在与掩护梁和底 座连接的销孔处， 应对此结构进行改进， 可在销孔两 侧 强筋、 ， 提 强度， 3 种工况 下 ， 前后连杆承受的最大应力为38.48 MPa， 可选用 Q550材料。 34 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 4结语 以 ZFY12000/25/42D 型两柱掩护式放顶煤液 压支架为研究对象， 根据某矿工作面煤层赋存条件， 利 用 Cre〇 3. 0 软件建立了该液压支架的三维实体模 型 ， 并 通 过 ANSYS Workbench仿真软件分析了它 的力学性能。设置不同工况对支架进行受力分析， 通过对比不同仿真结果可知， 该支架位移变形趋势 基本相同， 均是从顶梁到底座变形量逐渐减小， 整体 变形状况良好。工 况 2 时 ， 支架承受应力最大， 为 712.69MPa。由于支架的应力分布具有区域性、 局 限性的特点， 所以， 只需要在应力集中部位选用高强 度板材或者提高材料厚度， 就可以改善支架应力分 布状况， 从而确保支架工作的可靠性和稳定性， 有效 解决所选支架对矿井适应性问题， 有利于提高大阻 液压支架的支 性 。 参 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