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,
doi:
不同加载条件下液压支架承载及铰接点载荷研究
曾庆良,李兆基,万丽荣,杨扬,祝衍鹏
(山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266590)
摘要:为研究在不同加载条件下液压支架的承载状况,分析液压支架铰接点载荷的变化趋
势,文章以ZF5600/,利用LS-Dyna建立液压支架动力学模型,在铰
接处建立刚性节点区域,定义转动副连接以便力的传递。随后结合加载形式和加载工况,对液压支
架数值模拟仿真分析。结果表明:在内、外加载形式下顶梁应力集中的区域分别为前、后柱窝;在
内加载中铰接点载荷波动大且峰值远大于稳定值;在偏心加载工况下铰接点载荷波动最剧烈;不同
工况中后连杆铰接点载荷在力传递过程中所需稳定时间最长。研究结果可为液压支架的结构强度设
计和可靠性分析提供参考。
关键词:液压支架;加载条件;承载状况;铰接点载荷
中图分类号:TD355*.4文文献标识码:A文章编号:1671-0959(2022)08-0168-06
Loadonbearingandhingepointofhydraulicsupportunderdifferentloadingconditions
ZENGQing-liang,LIZhao-ji,WANLi-rong,YANGYang,ZHUYan-peng
(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590,China)
Abstract:Inordertostudythebearingcapacityofhydraulicsupportunderdfferentloadingconditions,thechangetrendof
hingepointloadofhydraulicsupportisanalyzed,takingZF5600/,the
dynamicmodelofthesupportisbuiltusingLS-Dyna,therigidjointareaisestablishedatthehinge,andtherotationpair
,combiningwithdifferentloadingformsandloadingconditions,the

beamarethefrontcolumnnestandtherearcolumnnestunderinternalandexternalloading,respectively;theloadofhinge
pointfluctuatesgreatlyandthepeakvalueismuchlargerthanthestablevalueunderintermalloading;undereccentricloading
condition,theloadofhingepointfluctualtesmostviolently;indfferentworkingconditions,theloadatthehingepointofthe
rearconnectingrodneedsthelongeststabilitytimeintheforcetransferprocess.
Keywords:hydraulicsupport;loadingconditions;carryingstatus;hingepointload
液压支架是综采工作面的关键支护设备,能够压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系并研
支撑和管理顶板,保护工作面设施及维持安全工作究了稳定性控制的关键技术。李化敏等[10研究了放
空间。液压支架的强度适应性和可靠性对综采工作顶煤液压支架的承载特性,指出了液压支架结构特
面能否安全高效生产有重要影响[-3]。矿井下地质性决定其承载特性,而承载特性决定其适应性。王
条件和开采环境的复杂性使液压支架的受力情况变阳阳等[分析内、外加载试验下顶梁受到的作用力
得尤为复杂,进而对支架的承载特性和适应性提出和变形的区别,指出了在内加载中对支柱内压力进
了较高的要求[4-8]。王国法等[9]分析了超大采高液行控制从而接近外加载状况。张德生等[12]对液压支
收稿日期:2021-12-26
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974170)
作者简介:曾庆良(1965一),男,山东高密人,工学博士,教授,主要从事机电一体化、液压传动与控制等研究,
E-mail:******@。
通讯作者:李兆基(1998一),男,山东德州人,硕士研究生,主要从事液压支架力学分析等研究,E-mail:lzj0809zxw
***@。
引用格式:曾庆良,李兆基,万丽荣,等。不同加载条件下液压支架承载及铰接点载荷研究[J].煤炭工程,2022,54
(8):168-173.
168
2022年第8期煤炭工程装备技术
架内外加载进行对比试验研究,指出了在不同工况
掩护梁
下液压支架响应差异明显。曹连民等【13]建立了液压
顶染
支架有限元模型,分析了大采高液压支架的应力和立柱前连杆
变形特点。He等[14]研究了液压支架在复合工况下底座后连杆
的应力分布特性,指出了液压支架处于各种工况下
图1液压支架实体模型
的危险区域和薄弱区域,为液压支架的结构设计提
供了参考。刘向丽等[15]研究了液压支架在不同工况考虑立柱的力学特性,所以在内加载动力学模型中
下其应力变化规律,对掩护梁的结构进行拓扑优化,把立柱移除,生成的内加载动力学模型。
提高了支架的承载能力和支护性能。梁利闯等[16]
究了在冲击载荷下液压支架的力传递特性,指出了利用图1中的液压支架实体模型,建立液压支
不同作用位置对各铰接点力传递特性和敏感度的影架外加载动力学模型如图2所示。为了研究铰接点
响。万丽荣等[17]分析了掩护梁在受到冲击载荷之后载荷变化,在各部件铰接处建立了刚性节点区域并
对其影响,指出了不同载荷位置使支架的变化趋势定义了转动副连接。由于顶梁上方受到外载荷的作
不同,为支架的稳定性控制和结构强度设计提供参用,立柱缸内的液体被压缩,这样立柱缸内压力升
考。曾庆良等18]研究了不同高度和不同压力大小对高进而能够提供足够的支撑力去抵抗外载荷,这就
液压支架力传递特性的影响,指出了液压支架各铰需要立柱具备一定的弹性,而这种现象就是液压缸
接点、立柱和平衡千斤顶所受载荷的影响。的压缩升压特性,所以在液压支架外加载动力学模
基于前人对液压支架力学分析的理论与方法,型中采用弹簧阻尼系统去等效替代立柱。
为进一步探究不同加载条件对液压支架的影响趋势,
本文以ZF5600/
象,构建了液压支架多体动力学模型,将加载条件
分为加载形式和加载工况两类,对比分析在内、外
加载形式下液压支架的承载状况和各铰接点的载荷
特征响应差异。在此基础上,为更加全面地了解承
载过程中铰接点的载荷变化趋势及力的传递特性,a一顶梁和掩护梁铰接点;b一前连杆和掩护梁铰接点;c一后连杆和
结合液压支架不同工况,研究了外加载下液压支架掩护梁铰接点;d一前连杆和底座铰接点;e一后连杆和底座铰接点
铰接点的载荷变化趋势,并对掩护梁进行应力分析,图2液压支架外加载动力学模型
更加直观的体现出各铰接点位置力的传递特性,为

支架的结构强度设计和可靠性分析提供参考依据。
在液压支架外加载动力学模型中,立柱由弹簧
1加载条件的确定及模型构建阻尼系统等效代替,其等效刚度系数为:
(1)
放顶煤液压支架由顶梁、掩护梁、尾梁、底座
式中,K为等效刚度系数,N/m;A为液压缸传
等组成,因为本文研究重要承载部件的力学特性,
递液体压力时得有效面积,m;β为液压液的体积
所以将非主要承载部件如侧护板、护帮板等忽略,
弹性模量,水包油乳化液β=×10°Pa;L为液压
同时缩短仿真用时,简化各部件中的圆角、倒角等
缸内有效液柱长度,m。
细小结构和忽略放煤机构,建立的液压支架实体模
立柱的缸径参数和有效液柱长度代人到式(1)
型如图1所示。
中,求解的等效刚度系数见表1。
为了分析液压支架各部件在承载过程中应变情
表1立柱有关参数及等效刚度系数求解结果
况,利用Hypermesh软件对液压支架进行柔性化处
缸径杆径有效液柱等效刚度系数
理,并且定义转动副连接铰接处所建立的刚性节点立柱/mm/mm长度/mm(N·m)
区域,以便于力在铰接点的传递。%
×108
加载来说,只考虑其重要承载结构力学特性,而不后排立柱230210
169
装备技术煤炭工程2022年第8期
、外加载形式下应力分布如图5所示。
为了有效检验液压支架强度适应性和可靠性,由图5可知,在内加载形式下,顶梁上表面的前端
根据《煤矿用液压支架》(—2010)技术应力分布呈现出波浪状,其数值大小沿长度方向向
要求中的规定,通过引人垫块的方式去模拟井下工内逐渐增大再减小,到顶梁中部位置应力集中区域
况,并且把垫块作为整个液压支架的边界约束条件。较为规整,通过下表面应力分布可以看出,在前柱
在内加载形式下假定立柱对柱窝的力均匀作用于柱窝窝附近的竖筋板与横筋板的位置应力较大并呈现出
内表面,内加载工况模型如图3所示。为使液压支架“日”字型,并且后柱窝及其附近应力值明显低于
在承载过程更加接近实际情况,在液压支架上方添加前柱窝。在外加载形式下,顶梁上表面应力分布呈
一刚性顶板,模拟液压支架在井下的承载状况。为便现出层次状分布,在顶梁中部应力较大呈现出
于分析支架受力对整体和局部的影响,在顶梁对称面“土”字型,在顶梁下表面中前柱窝及其附近应力
建立XOY坐标系,取顶梁铰接点为原点,X轴沿着值明显低于后柱窝。从应力值角度看,外加载下顶
顶梁长度方向且正方向为顶梁前端方向,Y正方向沿梁所受应力要大于内加载且都满足材料强度要求。
着顶梁宽度且正方向为顶梁正侧方向。两种加载方式下顶梁的应力分布存在一些共同点,
2顶梁应力值分布从中间向两端逐渐减小,其中最大
应力都集中在与垫块接触的位置附近,并且在顶梁
团F正反侧的筋板边缘处应力较大。
应力/Pa
×10
1一顶梁;2,3一垫块;4一刚性顶板;
F,一前排立柱内加载力;×10
×10
×10%
为对比分析在不同加载形式下液压支架的影
响,依据顶梁加载标准,选取顶梁两端加载方式。×10*
除此之外,
内加载顶梁应力分布
架各铰接点载荷特性的影响,根据试验标准,选取(a)应力/Pa
顶梁均布加载、顶梁偏心加载、×10
工况。不同加载工况垫块位置尺寸如图4所示,×10
片厚度为50mm。×10
×10

(a)顶梁两端加载(b)×105
300(b)外加载顶梁应力分布
45
300图5两端加载工况顶梁应力分布
300
(c)顶梁偏心加载(d)顶染扭转加载为探究两种加载形式对顶梁结构变形的影响,
图4不同加载工况垫块位置尺寸(mm)从顶梁上表面的对称面沿着长度方向在X轴上均匀
2不同加载形式分析选取节点44个。顶梁在内、外加载下Y方向变形趋
势如图6所示。由图6可知,在内、外加载形式下,

顶梁在支护过程中是与载荷直接接触的,顶梁加后减小,呈现出开口向下的抛物线型,从变形差
作为重要的承载部件,当其产生较为严重的损坏时,值能够看出内加载对顶梁结构影响较大。后柱窝区
将会影响整体的支护性能,所以顶梁的承载状况对域为节点A到节点10,前柱窝区域为节点B到节点
液压支架整体的性能有重要的影响。C,变形量最大的区域集中于前柱窝区域。
170
2022年第8期煤炭工程装备技术
顶梁长度/mm0~。
0360895144017901890026863581

2内加载由于内、外加载形式所选取的是两端加载工况,
所以在对称加载下,只选取正侧铰接点绘制载荷变
0化曲线。内、外加载下顶梁-掩护梁铰接点载荷变化
1
外加载曲线如图8所示。由图8可知,当力作用在顶板后,
-2!顶梁-掩护梁铰接点载荷变化可分为波动区、稳定区
0A1020C3040这两个区段。在内加载中,
节点编号点载荷趋向稳定变化,
图6两端加载工况顶梁方向变形趋势
Y接点载荷趋向稳定变化,并且内加载下铰接点载荷
。从载荷峰值角度来看,在外
掩护梁是四连杆机构的重要组成部分,上与顶梁加载下铰接点的峰值要略大。在载荷波动区中,内
铰接,下与连杆铰接,所以掩护梁是把承载力由上递加载铰接点载荷波动程度要比外加载铰接点载荷波
下的重要部件,因此掩护梁的结构强度影响着液压支动程度更剧烈。
架的承载性能。为探究掩护梁在支架承载过程中应力由于前、后连杆为二力杆且自重对铰接点受力
值的变化,从掩护梁对称面上沿着长度方向均匀选取影响较小,所以绘制前、后连杆上铰接点的载荷变
网格单元并提取出应力数据。掩护梁在内、外加载下化曲线。内、外加载下前、后连杆铰接点载荷变化
应力随时间变化如图7所示。由图7可知,在两种加曲线如图9所示。由图9可知,内加载相比外加载
载形式下掩护梁对称面所受应力沿着长度方向先减小来说,前者使得前、后连杆铰接点受力更大且波动
后增大,在1/4位置处应力处于最低区域。从应力的程度剧烈,同时铰接点处载荷达到稳定值所需的时
峰值大小可以看出内加载对掩护梁影响比较大,在间也较短。在同种加载形式下,后连杆铰接点受力
大于前连杆铰接点受力,可知后连杆在力传递过程
应力/Pa
×10°上中会受到较大的作用力。

*内加载
×10s外加载

×10515x105
×
-×10%
-×10:时间/s
-×10°×10

-;
×10-
时间/

时间/s
单元编号图8顶梁一掩护梁铰接点载荷变化曲线
(a)内加载掩护梁应力分布
应力/P



%外加载前连杆铰接点
×10s
×103内加载后连杆饺接点

-×10%×10s内加载前连杆饺接点
-
-×10
/
.4
0图9前、后连杆铰接点载荷变化曲线

时间/
.不同加载工况分析
单元编号3
(b)-掩护梁铰接点
图7两端加载工况掩护梁应力变化从上文选取的工况,根据加载力作用于顶板的
171
装备技术煤炭工程2022年第8期
位置可分为对称加载工况和非对称加载工况,以图
3所规定的方向为标准,Y方向的正向为正侧,

为异侧。各工况顶梁-×10

图10所示。由图10可知,×105扭转加载异侧
×10扭转加载正侧

作波动区、稳定区两个阶段,顶梁-掩护梁铰接点载N/×10偏心加载正侧
×10布加
荷大小在对称加载工况下小于非对称加载工况。

对称加载工况下,均布加载使铰接点载荷变化平缓时间/s
且铰接点达到稳定的时间点和稳定值为四种工况中图11掩护梁-前连杆铰接点载荷变化曲线
最小,在非对称加载工况下,偏心加载使铰接点载
-后连杆铰接点
趋于稳定,其稳定的时间点和稳定值为四种工况最掩护梁-后连杆铰接点载荷变化曲线如图12所
大。由于顶梁异侧为偏心加载的受载侧,可以看到示。由图12可知,铰接点载荷变化最小的为均布加
其异侧铰接点载荷最大,虽然扭转加载为非对称加载工况,但铰接点载荷变化最大的为扭转加载工况,
载,但是可以看到其正侧和异侧的载荷差距不大。且在扭转工况下铰接点载荷波动最为剧烈。从载荷
,在每种工况下掩护梁-后连杆铰接点
%两端加载载荷达到稳定所需的时间都比其他铰接点要长。
均布加载
×10
N/茶
××10

×10

×10
×10扭转加载
×10s
0
-××10
.
时间/
(a)
×10时间/
×10s图12掩护梁-后连杆铰接点载荷变化曲线
偏心加载正侧
×10s偏心加载异侧

N/4扭转加载异侧
×10s上述分析的铰接点都集中于掩护梁,但是仅通
,所以
对掩护梁的应力分析更能直观的体现出不同加载工
.
时间/况下的承载状况和铰接点载荷特性。
(b)非对称加载工况
图10顶梁一掩护梁铰接点载荷变化曲线不同工况下掩护梁应力分布如图13所示。由图
13可知,在对称加载工况下,掩护梁的应力分布呈
,其中在两端加载工况下掩护梁靠近
掩护梁-前连杆铰接点载荷变化曲线如图11所铰接点处的应力较大,中部及周边区域应力较小,
示。由图11可知,在每种工况下,掩护梁-前连杆并且在后铰接点附近应力主要集中于铰接点内侧,
铰接点变化趋势和顶梁-掩护梁铰接点变化趋势相在均布加载工况下掩护梁应力值为所有工况下最小,
近,在铰接点载荷处于稳定区中,偏心加载正侧铰其应力分布集中于掩护梁下端。在非对称加载工况
°'N,为工况中最大值,均布加载下,掩护梁的应力分布呈现出不均匀形式,其中在
*N,为工况中最小值,并且载偏心加载工况下掩护梁应力值为所有工况下最大,
荷最大幅值约是最小幅值的25倍。从铰接点载荷变在掩护梁下侧中部应力较为集中,后铰接点周围区
化趋势可以看出,偏心加载工况下需要较长时间才域应力集中现象较少,在扭转加载工况下应力分布
能使铰接点载荷趋向稳定,均布加载工况下铰接点集中于加载侧(异侧),其中部区域应力值较小,而
载荷仍然在较短时间内即可稳定。后铰接点区域应力值较大。
172
2022年第8期煤炭工程装备技术
应力/Pa应力/P
×:
××【.煤炭学报,
××106J
××102010,35(11):1903-1908.
××10%[2]】[J].煤炭学
×,2014,39(8):1593-1601.
××10
×[3]【
×10国石油和化工标准与质量,2020,40(12):228-229.
×[4】杨培举,刘长友,
×[.采矿与安全工程学报,2010,27(4):
(a)两端加载工况拖护梁应力分布(b)均布加载工况拖护梁应力分布J]
应力Pa应力/P512-516.
%[5]
×10[J].煤炭学报,2009,34(5:590-593.
×%
×10%×10%马端志,王恩鹏,王彪谋。两柱大采高强力放顶煤支架的特点
%×10与创新发展[J].煤炭科学技术,2015,43(10):111-115.
×107[7]王国法,【J].煤
×107
×,2015,40(1):3034.
××107[8]徐亚军,王国法,任怀伟,液压支架与围岩刚度耦合理论与
××107应用[J].煤炭学报,2015,40(11):2528-2533.
××10s[9]王国法,庞义辉,李明忠,等。超大采高工作面液压支架与围
()偏心加载工况拖护梁应力分布(d)扭转加载工况掩护梁应力分布
岩耦合作用关系[J].煤炭学报,2017,42(2):518-526.
图13不同工况下掩护梁应力分布[10]李化敏,蒋东杰,SydSPeng,等。放顶煤液压支架承载特
性及其适应性分析[J]煤炭科学技术,2015,43(6):
4结论23-28,70.
[11]王阳阳,沈宏明,杨阳,等。液压支架顶梁在外加载和内
)内、外加载形式对液压支架的承载状况及铰
1加载试验条件下仿真分析对比[J].煤矿机械,2012,33
接点载荷特性表现出不同的影响趋势。在内加载形(4):84-86.
式下,顶梁前柱窝及其附近所受应力较大。在外加[12]张德生,任怀伟,何明,等。两柱掩护式液压支架内外加
载形式下,顶梁后柱窝及其附近所受应力较大。载支护对比试验研究[J].煤炭科学技术,2019,47(11):
135-142.
2)在内加载形式下,铰接点载荷波动较为剧
[13]曹连民,魏翠翠,王鹏怀,等,大采高液压支架主体结构件
烈,其峰值要远大于稳定值,说明内加载使顶梁和
的有限元分析【J].山东科技大学学报(自然科学版),
掩护梁的承载状况较为严峻。对于后连杆铰接点来2017,36(1):94-98.
说,其所受影响较大,在力传递过程中会受到较大[14]Wenbin,He,Zhijun,
的作用力。CombinationConditionofZF6400/19/32HydraulicSupport[J].
3)不同加载工况对铰接点载荷的影响趋势各不IOPConferenceSeries:MaterialsScienceandEngineering,
2019,490(5):5200652006.
相同。在偏心加载工况下其铰接点载荷波动较为剧
[15]刘向丽,董峰,袁慧娟,掩护式液压支架掩护梁受力有限元
烈,使掩护梁等部件承载较大,所以在该工况下液分析及其结构优化[J].煤矿机械,2021,42(4):126-130.
压支架的可靠性所受影响最大。相反的,均布加载[16]梁利闯,田嘉劲,郑辉,等,冲击载荷作用下液压支架的
工况下液压支架可靠性程度最高。力传递分析[J].煤炭学报,2015,40(11):2522-2527.
[17]万丽荣,刘鹏,孟昭胜,等。冲击载荷作用于掩护梁对液压
4)在扭转加载工况下后连杆铰接点载荷波动最
支架的影响分析[J].煤炭学报,2017,42(9):2462-2467.
为剧烈,同时每种工况后连杆铰接点载荷波动时间
[18]曾庆良,杨春祥,刘鹏,等,不同顶板压力作用下特大采
都较长,反应出作用力从顶板传递到后连杆需有一高液压支架受力分析[J].煤炭技术,2018,37(4):
定时间,这就要求后连杆要有足够的强度去保证力187-189.
传递过程的可靠性。(责任编辑赵巧芝)
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