ZY10800型液压支架横向稳定性分析.pdf

问题探讨 ZY10800P 28P 63 型液压支架横向稳定性分析 胡 敏1, 曹必德2 1. 中原工学院, 郑州 450007; 2. 郑州煤矿机械集团有限责任公司, 郑州 450007 摘要 从 ZY10800 P 28P 63 型大采高液压支架支护特点和几何结构出发, 分别从支架连杆轴孔 间隙、 工作面倾角 2方面, 对该型支架的横向稳定性进行了分析。 关键词 大采高; 液压支架;稳定性 中图分类号 TD355 文献标志码 A 文章编号 1003 -0794 2008 08 -0061 -03 Analysis for Lateral Stability of ZY10800P 28P 63 Powered Support HU Min1, CAO Bi- de2 1. Zhongyuan College of Technology, Zhengzhou 450007, China; 2. Zhengzhou Coal Mine Machinery Group Co. , Ltd. , Zhengzhou 450007, China Abstract Based on prop characteristic and geometry structure of the ZY10800P 28 P 63model large mining height powered support, lateral stability problems are studied from these aspects such as the support axle hole gap and work face inclination. Key words large mining height; powered support; stability 0 前言 ZY10800 P 28 P 63型液压支架是郑州煤矿机械集团公 司为神华集团研制的一类新型大采高支架, 该支架最 大支撑高度达 613 m, 是目前世界最大采高液压支架。 随着支架高度的增加, 支架的适应能力和稳定性相应 降低, 支架滑、 倒架及架间挤、 咬现象加剧。因此, 大采 高工作面岩层控制除提高支架的工作阻力之外, 重点 还在于加强自身支护系统的稳定。本文就该型液压支 架的横向稳定性问题进行分析。 1 横向稳定性分析 液压支架的横向稳定性是指支架在运动和承载 过程中, 支架结构与对称中心平面垂直方向 沿工作 面方向 保持稳定的特性。影响大采高支架稳定性 的主要原因, 除工作面条件和管理水平外, 支架自身 的结构力学特性是影响系统稳定性的重要因素。 1 四连杆机构轴孔间隙对稳定性的影响 四连杆机构是现代液压支架的稳定机构, 其主 要作用是保证支架纵向和横向的稳定, 规范顶梁的 运动轨迹, 并能承受较大的水平分力和侧向力。四 连杆各部件由销轴铰接, 销轴与孔之间存在配合间 隙, 如采用传统的配合间隙, 即使在水平工作条件 下, 大采高支架也会出现歪斜、 扭转, 甚至倒架现象。 底座与前连杆铰接处销轴配合关系, 见图 1, 支架底 座与前连杆铰接处由于销轴配合间隙引起前连杆的 最大歪斜角 A B C arctan D- d B arctan D- d b 1 式中d 底座与前连杆铰接销轴直径; D 底座和前连杆孔直径; B 底座耳板间宽度; b 前连杆耳板厚。 图 1 底座与前连杆铰接处销轴配合关系 从式 1 可知, 采用宽的连杆, 减少轴孔间隙, 也 就减少其歪斜角。ZY10800 P 28P 63 支架在设计中, 减 少四连杆机构各部件的轴孔配合间隙, 把底座与前 连杆铰接处轴孔理论配合间隙减少到 016 mm。取 d 15914 mm, D 160 mm, B 600 mm, b 422 mm, 代入式 1 , 得前连杆的最大歪斜角 A 0123b。由图 2 所示, 由于前连杆与底座连接销轴的间隙引起的 前连杆横向位移距离 Vf L1sin Af 2 式中L1 前连杆长度, 取 L1 2 405 mm; Af 前连杆最大歪斜角。 图 2 前连杆偏移 图 3 掩护梁偏移 由于前、 后连杆和掩护梁歪斜, 必然引起顶梁横 61 第 29卷第 8 期 2008 年 8月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol129No18 Aug. 2008 向偏移, 其最大单向偏移距离如图 3 所示。 令前连杆处于最大偏移, 后连杆与掩护梁铰点 为偏摆中心, 则掩护梁横向位移 Vc L3 L4 Vi L4 3 式中 L3 L4 掩护梁上顶梁铰点至后连杆 铰点 间距 离, 取 L3 L4 3 810 mm; L4 掩护梁上前、 后连杆铰点间距, 取 L4 665 mm。 顶梁横向偏移引起支架立柱横向偏斜角度 A arctan Vc HL 4 式中 HL 立柱长度, 取HL 5 635 mm。 由此可知 ZY10800P 28P 63 顶梁横向偏移量为 56 mm, 支架处于最大高度时, 立柱横向偏斜角度仅有 0156b。可见, 大采高支架中四连杆机构的轴孔间隙 和连杆的装配间隙直接影响支架顶梁的横向偏移量 大小。另外, ZY10800P 28P 63 型液压支架在四连杆结 构形式选择上, 采用最稳定结构/ 前双、 后双0的连杆 形式, 在架间中心距 1 750 mm 不变的情况下, 尽量 加大两立柱间的中心距离, 也增强支架本身的抗偏 扭能力。 2 工作面倾角对稳定性的影响 在有倾角的工作面, 煤层的顶板不是往法向移 动, 而是沿一条接近重力作用方向的曲线移动。顶 板移动的切向分量对支架产生侧向力, 可能导致支 架横向倾倒。如图 4 a 所示 图 4 支架抗倾倒及防滑计算示意图 支架在顶板压力 P 合力为 P 、 支架自重 W、 上 下 邻架挤靠力 Ps Px , 初撑力 q 合力为 Q 、 底板反力 R 作用下处于平衡状态。为讨论问题方 便, 倾斜顶板对支架产生的压力仍认为它沿重力方 向, 当顶板压力不断增大, 支架立柱达到额定载荷, 开启安全阀门调整后, 立柱的支撑力就表现为顶板 压力的分力, 支架所受合力作用点可能要偏出支架 下边缘, 导致支架倾覆。在力矩极限平衡条件时, 底 板反力作用点在 O 点处, 见图 4 b , 此时有 Ps- Px h P hsin A1- B 2 cos A1 Wb 5 b B1P 2 cos A1- csin A1 6 式中h 支架高度; A1 工作面煤层倾角; B1 支架底座宽度; b1 支架自重作用方向与支架底座下边缘 的水平距离; c 重心高度。 ZY10800P 28P 63型支架在空载情况下, 工作面煤 层倾角、 支架底座宽度和重心高度存在以下关系式 tg A1 B1P 2 c 7 支架最大高度时, 重心高度 c 3 420mm, B1 1 630 mm, 倾角 A1 1315b, 此时支架在自重作用下 倾倒。 在工作状态时, 支架支撑高度6 000mm, 支架重 心高度 c 3 270 mm, 取 W 41 000 kg, B1 1 630 mm, 将参数代入式 5 和式 6 。当 A1 10 b时, 容许 极限顶板压力 Pc 8 300 kN; 当 A1 12b时, Pc 4 320 kN。可以看出, 随着倾角的增加, 该型支架容 许极限顶板压力 Pc下降得非常快。定义抗倾覆安 全系数 K1为极限顶板压力 Pc与顶板压力 P 的比 值, 当达到额定工作阻力时, 顶板压力的分量为支架 额定工作阻力 Pe与初撑力 Pch的差, 所以 P Pe- Pch cos A 8 此时抗倾覆安全系数 K1 1146, 抗倾倒稳定是 有保证的。如工作面倾角再加大, 该型支架将倾覆。 由于重力的法向及切向分量随倾角增加而变 化, 使得切向分力增大而法向分力减小, 因此, 工作 面支护系统所受的工作载荷变小, 而引起支护系统 失稳的外载增大, 工作面支架滑、 倒及架间挤、 咬现 象加剧。 抗滑稳定分析如图 4 b 所示, ZY10800 P 28P 63 型 支架在重力 W 和顶板压力P 作用下, 有沿底板坡度 下滑的趋势, 保证它不下滑的条件是抗滑力必须不 小于滑动力, 防滑装置给予的抗滑力 Fkh [ W P cos A Q]f \Fh W P sin A Ps- Px 9 式中Fh 滑动力; f 支架底座与煤岩的摩擦系数。 对于工作面倾角为 12b时, 摩擦系数f 013, 支 62 Vol129No18 ZY10800P 28P 63型液压支架横向稳定性分析 胡 敏, 等 第 29卷第 8 期 矿用小绞车卷筒强度的有限元分析 陈逗逗, 李炳文, 辛家祥 中国矿业大学 机电工程学院, 江苏 徐州 221008 摘要 基于 ProP E 平台对矿用小绞车的卷筒装置进行有限元建模; 利用ANSYS 分析软件, 在 分析卷筒装置的工作状况以及受力情况的基础上, 对其进行有限元应力、 强度分析, 找出结构中承 受应力最大的位置, 作为结构中的危险点, 为矿用绞车的设计与研究提供理论分析。 关键词 绞车卷筒; ANSYS;强度;应力 中图分类号 TD53; TH123 文献标志码 A 文章编号 1003 -0794 2008 08 -0063 -03 Finite Element Analysis about Roller Used for Winch CHEN Dou- dou, LI Bing- wen, XIN Jia- xiang College of Mechanical and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract Build finite element model of the roller used for winch based on ProP E, by means of large finite ele - ment software ANSYS and in the base of analysisof work status and power status of the roller, findout the most dangerous place where the stress is the largest. Important academic elements and data for study and design are provided. Key words roller; ANSYS; strength; stress 0 前言 矿用小绞车是井下不可缺少的矿山辅助运输设 备, 主要用于人员与物料的提升与运输、 矿车的调 度、 综采设备的安装、 拆卸及搬迁、 各种重物及设备 的牵引等场合。其中, 卷筒装置是矿用小绞车的主 要承载部件, 其作用是缠绕钢丝绳, 提供牵引力, 完 成重物牵引的任务, 为绞车的工作机构。它的可靠 性影响着整个绞车的使用寿命, 对保障矿工的生命 安全和矿井的正常生产至关重要。因此应用现代设 计理论, 在卷筒的强度和稳定性方面进行有限元分 析, 对指导、 完善绞车的设计过程具有一定的实际意 义。本文基于 ANSYS 平台针对 JY- 30 运输绞车的 卷筒装置进行了有限元分析。 1 卷筒有限元模型的建立 1. 1 软件接口的设置 本文中几何建模的过程是在三维建模软件 ProP E 中完成, 为了保证 ProP E 与 ANSYS 两个软件之间 的兼容性, 通过一定的设置, 能够将 ANSYS 直接集 成在 ProP E 中, 然后将 ProP E 生成的模型完整地导 入到 ANSYS 中, 进而完成所需要的有限元分析。 ANSYS 与 ProP E 的接口设置如下 1 选择/ 程序0- ANSYS 10. 0- Unilities- ANS 架处于额定工作阻力时, 将数据代入式 9 , 可得到 Fkh 4 226 kN, Fh 1 015 kN。定义滑动安全系数 K2为抗滑力与滑动力之比, 此时 K2 411, 抗滑动 稳定是有保证的, 但其前提是初撑力足够大, 且保证 支架与顶底板充分接触。 支架仅在自重作用下的抗滑安全条件为 W f cos A- Wsin A\0 10 即tan A[ f 支架的临界下滑与重力大小无关, 仅取决于工 作面倾角, 摩擦系数降低时, 需采用带压移架来防止 支架下移。在实际工作中, 支架与底板间的摩擦系 数受到多种因素如岩性、 浮煤和水等的影响, 金属与 煤层之间的摩擦系数一般取 012 013。因此自重条 件下支架不下滑的工作面倾角应小于 11 16 b。 从以上分析可知, 当大采高支架底座越宽、 支架 重心越低、 初撑力越大, 适应的倾角越大。 2 结语 大采高液压支架的稳定性是大采高液压支架研 究的一个基本问题。其中, 横向稳定性直接关系到 大采高支架的使用寿命。本文从静力学角度对 ZY10800P 28P 63型大采高液压支架抗倾覆、 滑移等横 向稳定性问题进行了分析, 为今后更大高度的大采 高支架研制提供借鉴。 参考文献 [ 1] 丁绍南. 液压支架设计[M] . 北京 世界图书出版社, 1992. [ 2] 王国法, 史元伟, 陈忠恕, 等. 液压支架技术[ M] . 北京 煤炭工业 出版社, 1999. 作者简介 胡敏1973- , 女, 讲师, 硕士,2002 年毕业于河南理 工大学, 现从事机械工程等方面的教学和科研工作, 电子信箱 hu - min2003422yahoo1com1cn. 收稿日期 2008 -02 -28 63 第 29卷第 8 期 2008 年 8月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol129No18 Aug. 2008