充填采煤液压支架顶梁力学分析

充填采煤液压支架顶梁力学分析

综合机械化填充技术是我国完全自主知识产权的创新成果。该技术主要用于解决中国“三公”引起的煤炭开采环境和土壤资源破坏的问题。目前，它已在中国的平顶山、兖州、济宁等十几个矿区成功应用。本技术的基本特征是在同一工作系统的掩护下，同时填充和开采工作，即在同一支架的掩护下，在工作前填充和完成后填充，并在支撑架的底部上调整，使固体材料充满填充空间。在这种情况下，应确认综合机械化填充的主要设备是填充采矿的液位支架，这保证了填充所需的填充空间、填充通道和填充动力，以同时保护相同支架的填充和填充。上述功能的基本基本特征是充采液位系统的结构和运营特征。本文以平煤十二矿双头梁正四框架、六柱支持充采和开采为例，分析了支架结构和力学特征，并对其进行了建模。1充填物料输送与夯实充填采煤液压支架功能上要求在同一支架的掩护下实现充填与采煤作业,在支架后顶梁上悬挂多孔底卸式输送机实现充填物料的输送,并在支架底座上安设夯实机对落入采空区的充填材料进行夯实,其结构与受力较普通支架显著不同.1.1顶梁受力分析考虑到充填采煤液压支架功能要求,新型研发的支架采用了双顶梁六柱支撑式设计,其结构如图1所示.新型双顶梁六柱支撑式充填采煤液压支架与普通的液压支架的最大创新在于增加了后顶梁结构.增加的后顶梁下部设计有滑道,便于悬挂并前后移动多孔底卸式输送机.但此结构较普通支架加大了支架的控顶面积,若支架立柱支护阻力或顶梁强度不够,将会带来工作面顶板下沉量大或顶梁的损坏,从而影响充填采煤工作的正常进行.因此,需对顶梁的受力进行分析.取充填采煤液压支架顶梁作为受力分析部位,由图1支架结构,支架顶梁分为前顶梁和后顶梁,其中前顶梁共有4根立柱支撑,后顶梁有2根立柱支撑.后顶梁与前顶梁铰接,支架顶梁的力学模型如图2所示.图2中所示的A,B,D分别为立柱对顶梁的约束,C为支架顶梁的铰接点,立柱支撑力的垂直分力即为以上3处的支座反力FA,FB,FD,q为梁所受载荷.1.2前顶梁部分模型图2所示的力学模型为多跨静定梁,由基本部分和附属部分组成,按结构力学中先处理附属部分,后处理基本部分的顺序计算.前顶梁为基本部分,后顶梁为附属部分,模型进一步简化见图3.取图3中的多跨静定梁附属部分(后顶梁),即从C点起向右的一段进行计算.C点合力矩为零,∑MC=0,y方向合力为零,∑Fy=0,由式(1),(2)得1.3b点合合力取图3中的基本部分(前顶梁)进行计算,其力学模型如图4所示.B点合力矩为零,∑MB=0,y方向合力为零,∑Fy=0,由式(5),(6)得式中:l12=l1+l2,l45=l4+l5,l345=l3+l4+l5;1.4支架受力分析以平煤十二矿研发应用的双顶梁正四连杆六柱支撑式充填采煤液压支架为例,分析其前后顶梁的受力.设计支架的架型为ZZC8800/20/38,其基本参数l1,l2,l3,l4,l5分别为2.23,1.52,0.4,0.9,2.35m.将上述参数分别代入式(4),(7),(8),可得FA,FB,FD分别为1.57q,0.38q,1.74q.由此分析结果可得出设计支架的受力特征为:1)由于前、后顶梁的铰点靠近中间一排立柱,铰接点对前顶梁的作用力向上;2)前排立柱受力FA是中间一排立柱受力FB的4.1倍,后排立柱受力FD是中间一排立柱受力FB的4.6倍.因此,在设计时需充分考虑各排立柱和前后顶梁的受力特征,从而选择合适的材料强度.2充分性研究和煤矿支撑法的模拟运用三维制图软件Pro/E5.0进行新型研发型号为ZZC8800/20/38支架进行运动学仿真,确定其设计参数的合理性.2.1维实体模型运用Pro/E5.0绘制出支架的零部件,包括支架前顶梁、后顶梁、支架底座、夯实机构等,然后再按照装配关系定义其约束或联接关系进行装配.绘制的ZZC8800/20/38充填采煤液压支架的主要部件三维实体模型如图5所示.2.2pro/e装配设计模块在Pro/E中创建好充填采煤液压支架的各个部件后,就可以进行装配.装配前,确定各部件的联接关系以保证装配好的支架不发生互相干涉,确保仿真工作成功.软件Pro/E装配设计模块有3种装配设计方式:自底向上、自顶向下、混合式装配设计.在此装配中采用的是自底向上的装配设计,将充填采煤液压支架底座作为基础元件放进组文件作为基准,应用“缺省”命令固定底座,开始装配,然后使用“放置约束”添加立柱、夯实机构等主要部件,并相对于基准元件定向.应用“配对”、“销联接”、“滑动联接”放置约束等多种联接完成立柱装配,将所有部件装配完成后,进行干涉检查,得到完整的ZZC8800/20/38充填采煤液压支架如图6所示.2.3充填采矿支架运动学仿真装配好的充填采煤液压支架在Pro/E运动仿真环境下进行仿真分析,装配体中各零件的约束关系转换为运动副的“连接”关系.充填采煤液压支架各运动部件主要以油缸伸缩为主,活塞杆在油缸中只作直线往复运动,通过定义伺服电机、设置运动参数、控制参数等完成仿真设置.定义一个速度值完成伺服电机的定义,最后运行定义好的支架进行仿真分析.利用“测量”选项卡创建测量对象,对运动部件上定义的点进行运动状态分析,图7所示立柱伸缩时前后顶梁最右端的时间与速度、加速度曲线,夯实机构最右端的时间与加速度、速度曲线见图8.通过顶梁和夯实机构等主要部件的仿真曲线可以得出:1)充填采煤液压支架的前后顶梁在升架过程中的速度和加速度无过大波动,顶梁的运行较平稳,随着顶梁的升高,顶梁上升的速度逐渐降低,靠近顶板时速度达到最小直至最终支撑顶板而静止,此过程中顶梁不会对顶板造成冲击而造成顶板破碎,为充填工作的顺利进行提供先决条件.2)夯实机构加速度和速度逐渐增大,并在一定时间内达到稳定运动状态,能快速平稳的将后部的充填物料推到一定高度进行压实.以上运动学仿真的分析结果,证实了充填采煤液压支架各参数在设计上是合理的.3进充填采煤液压支架支护阻力分析基于充填采煤液压支架的受力分析及运动学仿真结果,设计制造出了双顶梁正四连杆六柱支撑式充填采煤液压支架,并应用于平煤十二矿充填采煤工作面,其现场应用实况如图9所示.随工作面推进充填采煤液压支架支护阻力变化曲线如图10所示.由图10可知,设计的充填采煤液压支架的平均工作阻力在5.5~6.0MN之间变化;对比支架三排立柱受力数据可以得到后排立柱的受力最大,符合前期理论推导的结果,后顶梁和后排立柱的强度满足了理论设计的要求,后顶梁对顶板下沉起到良好控制效果并有效控制上覆岩层移动,保证了后部采空区的有效充填空间.截至目前,ZZC8800/20/38充填采煤液压支架已在平煤十二矿安全使用18个月,工作面没有出现因支架损坏而造成影响生产的现象,设计的充填采煤支架表现出了较好的稳定性和安全性.4充填采煤液压支架运动学仿真及结果分析1)建立了充填采煤液压支架前后顶梁的多跨静定梁力学模型,得到了前后顶梁受力公式,得出了充填采煤液压支架前、后排立柱受力分别是中立柱支架受力的4.1倍、4.6倍.2)运用Pro/E绘制ZZC8800/20/38充填采煤液压支架的各零部件并采用自底向上的设计理念完成了装配,对其通过运动学仿真绘制出了前后顶梁、夯实机构的运动特性曲线,证实了充填采煤支