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伸缩杆式液压支架包板包覆方式对强度的影响

2024-11-04 33 上传者：管理员

摘要：伸缩杆式液压支架是一种常见的液压支架的结构形式，相较于传统的四连杆式液压支架，伸缩杆式液压支架用伸缩结构取代了四连杆结构，目前广泛应用在四柱放顶煤液压支架中。由于缺少四连杆机构，伸缩杆式液压支架有着较为宽敞的行人空间及支架后部空间，但是相应地其稳定性较差，伸缩杆与底座联接部位特别是底座伸缩槽槽口是整个支架的薄弱部位，对于该部位的结构优化、强度提升很有必要。

关键词：
伸缩杆
包板包覆方式
强度分析
液压支架
煤炭资源
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厚煤层、特厚煤层资源在我国分布广泛，为了实现煤炭资源的高产能、高效率开采，将厚煤层作为主采煤层。在20世纪80年代前，厚煤层开采工艺以分层开采为主，由于各种因素的影响，随着放顶煤采煤工艺技术的成熟，在20世纪80年代后厚煤层、特厚煤层的开采工艺逐渐由分层开采向放顶煤开采工艺转变。

目前，国内采用的放顶煤液压支架以四柱支撑掩护式放顶煤液压支架为主，四柱支撑式放顶煤液压支架在生产实践过程中有很多优点，主要表现在支撑掩护效果好、行人通道空间大、稳定性强、操作简便可靠等方面。在适应煤层倾角方面，四柱放顶煤液压支架也存在较大优势。

在放顶煤开采工作面中，伸缩杆式液压支架一般作为过渡支架布置在工作面两端，以保证后部刮板输送机机头有足够的布置空间，同时保证有足够的行人空间。该液压支架伸缩杆在底座伸缩槽内竖直运动，当液压支架受力时伸缩杆与伸缩槽接触并传递力矩。由于伸缩槽结构的限制，伸缩槽顶部是整个支架结构的薄弱处，特别是当支架升到高位时，由于力臂的增加，会导致此处承受较大的应力。

1、ZFG4800/18/28L型放顶煤液压支架技术特征

ZFG4800/18/28L型放顶煤液压支架如图1所示，支架形式为四柱伸缩杆式低位放顶煤过渡支架。稳定机构采用伸缩杆，梁端直线运动。液压支架采用刚性整体式顶梁，顶梁前端设有伸缩梁和护帮板，伸缩梁伸出时可进行及时支护。适应工作面走向倾角0～15°，工作面倾角0～15°。

图1 ZFG4800/18/28L型放顶煤液压支架简图

2、底座伸缩槽包板包覆方式的区别

煤矿井下的环境较为错综复杂，煤层条件也存在较大差异，在放顶煤工作面中，液压支架顶梁的受力情况较为复杂，因此针对结构件薄弱的部位，要尽可能地增大其结构强度。伸缩杆式液压支架底座伸缩槽处由于结构的限制无法设计为箱体机构，在支架升至高位、顶板受力不均衡的情况下，槽口处承受较大的偏载力及扭转力，易产生屈服变形。在实践中发现，槽口处前后方向肋板受力超出屈服强度，产生塑性变形的案例相较于左右方向更多。因此，本文就相同条件下2种不同方向的包板包覆方式，针对前、后肋板的受力情况进行研究。底座伸缩槽包板包覆方式示意图如图2所示。

图2 底座伸缩槽包板包覆方式示意图

3、受力模型的建立

本文通过Simulation分析软件进行有限元分析，从而更清晰直观地计算出2种包覆方式的应力分布及应力差异。针对本文关注项，将不影响分析结果的部分进行优化，考虑到槽口顶部位置为重点部位，因此将底座其余部分全部删除，只保留关注部分，简化模型如图3所示。图3(a）为底座伸缩槽包板为左右方向，支架高位状态下伸缩杆完全伸出，与底座之间的配合关系模型。图3(b）为底座伸缩槽包板为前后方向，支架高位状态下伸缩杆完全伸出，与底座之间的配合关系模型。本文通过控制变量的方法，对结构模型、边界条件等参数的统一化，只保留包板包覆方式、受力模型2种变量，使计算结果更具对比性，更直观准确地反映出两者的区别。

图3 简化模型示意图

根据图3建立相应的受力模型。设定材质为Q550D，其屈服强度设定为550 MPa，伸缩杆与伸缩槽接触类型为无穿透，摩擦因数设定为0.15，在伸缩杆上铰接孔处分别施加水平方向800 k N的力，设定模型伸缩槽下端面为固定。在此基础上得到受水平800 k N力的状态下2种包板包覆结构的Von-Mises应力、位移云图如图4、图5所示。

图4 水平加载状态包板（左右方向）应力、位移云图

图5 水平加载状态包板（前后方向）应力、位移云图

在水平力的基础上，考虑到支架受到扭转力的情况，增加以伸缩杆铰接孔中心点为基准、以竖直方向为旋转轴的力矩800 k N·m,2种包板包覆结构的Von-Mises应力、位移云图如图6、图7所示。

图6 复合加载状态包板（左右方向）应力、位移云图

图7 复合加载状态包板（前后方向）应力、位移云图

4、结果分析

由于本文不对伸缩杆的结构强度进行研究，因此将伸缩杆部分结果隐藏，只显示槽口位置，以便对结果进行统计分析。针对应力、位移较大部位，使用探针功能测量2种结构、2种加载条件下相同部位的应力分布及位移变形情况，如表1、表2所示。

表1 水平加载状态应力、位移状态

表2 复合加载状态应力、位移状态

由表1可知，在水平加载状态下，3个探测位置Von-Mises应力差分别为（以左右方向为基准）93.8 MPa、-40.3 MPa、-41.4 MPa，差值量占比约为43.5%、-12.5%、-14.1%。差值量占比较大，2种结构对槽口处影响较明显。在实际应用中，探针1位置为整体板料结构，强度更好。探针二、三位置为焊接接头，且开裂的基本都位于接头位置。在形变云图中，图4中最大位移在位移探针一处，为1.49 mm，图5中最大位移在位移探针一处，为1.36 mm，差值量0.13 mm，占比8.7%。

由表2可知，在复合加载状态下，3个探测位置Von-Mises应力差分别为（以左右方向为基准）86.7 MPa、-138 MPa、-44.8 MPa，差值量占比约为18.1%、-20.1%、-30.5%。差值量占比较大，2种结构对槽口处影响较明显。在形变云图中，3个探测位置位移量差分别为-0.37 mm、-0.38 mm、-0.71 mm，差值量占比分别为-28%、-31.6%、-43.5%，位移差值占比较高。

5、结语

结合2组数据及实际应用场景，在设计受限或者优化设计时考虑选用包板前后方向包覆的结构可避免焊接接头处箱体撕裂。

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文章来源:翟新童,张智鸿,张栩钢.伸缩杆式液压支架包板包覆方式对强度的影响[J].煤矿机械,2024,45(11):86-89.