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煤矿液压支架设计与动态特性仿真研究

2024-12-28 65 上传者：管理员

摘要：针对煤矿开采作业中对液压支架高使用寿命的实际需求，本文提出了一种ZYA9000/13/28D型液压支架的设计方法。设计过程中，在Creo2.0软件下完成了液压支架的机械结构设计，进而完成了液压系统设计。构建了液压支架的刚体模型，并从动能和势能守恒的角度建立了液压支架的运动学方程。测试试验过程中，针对ZYA9000/13/28D型液压支架的关键铰链的三向角度变化进行了仿真曲线分析。

关键词：
仿真研究
动态特性
液压支架
煤炭
煤矿
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煤炭是现代工业生产的重要能源，在国民经济整体运行中发挥十分重要的作用。为了保证煤炭资源供给，我国在部分进口的基础上，仍须以开采国内煤矿为主[1]。煤矿开采过程中，需要使用数量众多的大型设备，这些设备就具有较大的自重和体积结构，需要强有力的支撑组件才能确保工作安全[2]。在常规状态下，液压支架是煤矿开采中最常用的支撑组件，它可以提供强大的支撑力，以确保煤炭机械的稳定运行。但是，持续的重型承载导致煤矿用液压支架普遍存在疲劳强度大、使用寿命短的问题[3]。为了延长煤矿用液压支架的使用寿命，本文借助Creo2.0等先进设计工具，针对宁煤羊场湾煤矿工作面煤层及地质条件的实际情况，进行了高寿命液压支架的设计，并在工作空间层面对其动态特性进行仿真分析。

1、煤矿液压支架的结构设计

1.1液压支架机械结构的设计

本文有关煤矿液压支架的设计是基于中煤北京煤矿机械有限责任公司的实际项目需求，即以“国家能源集团宁夏煤业集团有限公司ZYA9000/13/28D液压支架项目”为依托，针对“宁夏地区高寿命液压支架研制”进行高质量、高可靠性、高寿命液压支架设计。根据项目需求，制定ZYA9000/13/28D型液压支架的主要技术参数要求，见表1。

保证工作面安全稳定生产的先决条件是设备的正确选型、配套、配置和使用。其中，成套设备配套选型是关键环节。设备的配套主要目的是在已选型的设备基础上，保证各配套设备啮合、搭接形式、尺寸合理性和各设备的优化配置，使各设备发挥各自的能力和性能，提高成套设备的可靠性、稳定性、协调性。

表1 ZYA9000/13/28D型液压支架的主要技术参数参数序号

根据宁煤羊场湾煤矿工作面煤层及地质条件，液压支架采用整体顶梁（带伸缩梁）的二柱掩护式架型。基于Creo2.0软件进行液压支架的三维模型化设计，结果如图1所示。本项目首次模拟了液压支架国内外11种工况以及其他附加工况，并进行了有限元分析。该计算方法得到了国能监理公司的认可，监理公司基于北煤机公司的平面力系强度校核和有限元分析结果进行综合对比，对支架疲劳寿命进行了计算。根据样机支架在煤科院实验室压架试验情况，监理反馈的有限元分析结果90%以上与试验结果一致。个别位置更是达到了99%与应变片实测应力值相同的效果。试验过程中得到的应力云图如图2所示。

1.2液压支架液压系统的设计

油缸的重点在于立柱和推移。该项目选用ø360mm缸径立柱和ø180mm缸径推移千斤顶。立柱和推移千斤顶属于常规结构，由于本次立柱伸缩比较大，用户要求严格，因此本次设计从多方面提高产品质量。

1）高压区零焊接设计。立柱下腔有3个接口。其中，1个引至立柱缸口位置（低压区），通过贴板方式进行焊接，既实现了高压区零焊接，又为生产加工提供了可能；其余2个接口通过进液管和护罩悬臂梁方式固定，接头座与立柱大缸体并不直接焊接。2）设计时，将有限元分析法应用在立柱设计中。通过有限元分析对缸管与缸底的焊缝形势以及位置进行优化设计，尽最大可能降低焊缝位置的应力值。3）导向环的选择和布置。本项目突破常规方式，根据使用情况，选择不同宽度的导向环，使导向环煤矿液压支架设计与动态特性仿真研究

图1液压支架的三维模型化设计结果

1.3提高使用寿命的技术处理

提高使用寿命的技术处理如下。1）结构件。执行国际焊接体系ISO3834—2：2005标准（特指：图纸焊缝标注、结构件焊接技术规范、性能评定与热处理、等方面）。2）试制过程中严格按照设计图样编制工艺，在工艺编制过程中如果发现尺寸、焊缝等问题，先反馈后记录，保证工艺在制造中的可操作性。3）确保样机制造达到合同和技术协议的要求。4）本套支架结构件表面全部做预处理。5）各结构件的焊接遵循相关焊接顺序原则。6）焊前清理焊道，待焊处及焊道两侧20mm范围不能有油、水、锈等污物。7）焊材的选用以技术要求和板材等级为准，遵循等强匹配原则。8）焊接过程中如果发现气孔、夹渣缺欠，分析原因，在检验人员监督下返工，并记录。其余焊接缺欠不得擅自处理，须报相关部门进行评审。9）焊熔金属飞溅、熔渣、毛刺或其他表面须经打磨去除、锐缘打磨至半径最小3mm圆弧形。10）样机生产过程中要严格遵循工艺文件中对重点铰接部位尺寸的控制及关键工序的工艺控制。四连杆机构及顶梁与掩护梁间轴孔配合间隙控制在0.8mm~1.21mm，其铰接孔的加工精度为11级，粗糙度Ra3.2。结构件横向间隙控制在4mm~8mm。11）各部件表面喷涂按有关要求喷涂底漆和面漆，漆膜厚度按相关喷涂工艺技术规范执行。

2、液压支架的刚体运动模型

通过机械结构和液压控制系统的设计，本文得到了ZYA9000/13/28D型液压支架的初步设计结果。在这一静态设计结果的基础上，需要对整个液压支架进行进一步的动态特性分析。液压支架的整个机械结构构成包括了各段具有一定长度的刚度构件、构件之间的铰链。前者决定了液压支架的工作空间、支撑高度；后者决定了液压支架的展开姿态。但无论何种姿态下，液压支架仍然是一个具有典型刚度特性的刚体形态。因此，可以根据刚体模型理论，构建其动力学方程，如公式（1）所示。[M]{φ}+[C]{φ}+[K]{φ}=[T]（1）式中：[M]为ZYA9000/13/28D型液压支架的质量矩阵；[C]为液压支架在运动过程中的阻尼矩阵；[T]为液压支架在运动过程中承受的外部载荷矩阵；φ 为关键铰链的角度。当液压支架在某一个位置完成形态展开并发挥支撑作用时，其处于相对静止状态，各部分构件将不再运动。此时，液压支架不存在运动，也就不会受到运动载荷，因此有液压支架在运动过程中的阻尼矩阵[C]=0。在这样的情况下，公式（1）就满足了[M]{φ}+[K]{φ}=0 的形式。此时，可以得到ZYA9000/13/28D 型液压支架的拉格朗日方程，如公式（2）所示。L T VtLrLr i i= -∂∂■■■ ■■■ - ∂∂ = dd ■ 0 （2）式中：T 为 ZYA9000/13/28D 型液压支架的动能总和；V 为ZYA9000/13/28D 型液压支架的势能总和；L 为 ZYA9000/13/28D型液压支架的拉格朗日函数；ri 为工作空间中的广义坐标。

3、液压支架的动态特性仿真研究

在前面的研究工作中，根据宁夏地区煤矿开采过程中的479.28500.00250.00 750.000.00 10000.00（mm）489.83477.78415.78277.39211.85354.726902104.5maxmin603.75517.5431.25345.01258.76172.5186.2590.010715375.48359.07395.4221.78385.63588.72446.2477.27415.78

图2液压支架的应力云图仿真分析结果

工业技术实际需求，提出了质量高、寿命长的ZYA9000/13/28D型液压支架的设计目标。结合各项具体的指标参数，利用Creo2.0软件进行液压支架机械结构的三维设计，进而分析了其应力云图。然后，给出了ZYA9000/13/28D型液压支架中液压部分的设计，并给出了延长使用寿命的特殊技术处理流程。根据ZYA9000/13/28D型液压支架工作过程中的刚度特性，建立了其基本动力学方程，并根据动能和势能平衡的原理，建立了拉格朗日方程所表征的运动学平衡关系。在接下来的工作中，将结合ZYA9000/13/28D型液压支架的结构形态和运动学特点对其动态特性进行分析，分析主要以公式（1）中的关键铰链的角度 φ 在X、Y、Z3个维度上的分量变化情况展开。首先，观察关键铰链的角度 φ 在X方向上分量的动态变化情况，结果如图3所示。ZYA9000/13/28D型液压支架的关键铰链的角度 φ 出现在0s~0.5s，X方向的角度变化呈持续下降的趋势，其变化幅度范围为29°~22°，变化幅度不大，相对比较平稳。其次，观察关键铰链的角度 φ 在Y方向上分量的动态变化情况，结果如图4所示。ZYA9000/13/28D型液压支架的关键铰链的角度 φ 出现在0s~0.5s，Y方向的角度变化呈先降低再升高的近似“V”形变化，曲线变化的幅度范围为36°~22°，变化幅度比X方向大。最后，观察关键铰链的角度 φ 在Z方向上分量的动态变化情况，结果如图5所示。ZYA9000/13/28D型液压支架的关键铰链的角度 φ 出现在0s~0.5s，Z方向的角度变化呈近似正弦曲线的变化，曲线变的幅度范围为2°~5°，变化幅度在3个方向上最小。

图3关键铰链的角度 φ 在X方向上分量的动态变化曲线

图4关键铰链的角度 φ 在Y方向上分量的动态变化曲线

图5关键铰链的角度 φ 在Z方向上分量的动态变化曲线

4、结语

在煤矿开采过程中，需要使用数量众多的大型设备，这些设备就具有较大的自重和体积结构，需要强有力的支撑组件才能确保工作安全。在常规状态下，液压支架是煤矿开采中最常用的支撑组件，它可以提供强大的支撑力，以确保煤炭机械的稳定运行。但是，持续的重型承载导致煤矿用液压支架普遍存在疲劳强度大、使用寿命短的问题。为了延长液压支架的使用寿命，本文根据宁夏地区实际项目的各项指标，针对ZYA9000/13/28D型液压支架的机械结构设计、液压系统设计、提高使用寿命进行了特殊设计。依托刚体动力学方程对所设计的液压支架建立了运动学分析的理论模型，并通过试验对其动态特性进行了仿真研究，证实了液压之间的工作平稳性。

参考文献:

[1]曹超,赵继云,高凯,等 . 液压支架供液系统快速泵控补液稳压方法研究 [J].煤炭科学技术,2024,35(6):101-105.

[2]许志鹏,刘婵,冯红翠 . 基于有限元和 RBF 神经网络的液压支架前连杆疲劳寿命预测 [J].机械设计,2024,41(1):110-116.

[3]江显伟,杨琴,刘开均 . 复杂煤层智能化综采液压支架推移油缸快速检修技术研究 [J].煤矿机械,2022,43(3):325-331.

文章来源:王俊卓.煤矿液压支架设计与动态特性仿真研究[J].中国新技术新产品,2024,(24):78-80.