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第4 1卷 第3期 中国矿业大学学报 V o l . 4 1 N o . 3 2 0 1 2年5月 J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g & T e c h n o l o g y M a y 2 0 1 2 收稿日期2 0 1 1-1 1-1 0 基金项目教育部新世纪优秀人才支持计划项目(N C E T-1 1-0 7 2 8) ; 国家自然科学基金项目( 5 1 0 7 4 1 6 5) ; 江苏省高校优势学科建设工程 项目(S Z B F 2 0 1 1-6-B 3 5) 作者简介周跃进(1 9 7 4-) , 男, 江苏省泰兴市人, 讲师, 工学博士, 从事固体物充填采煤与岩层控制方面的研究. E-m a i ly u e j i n z h @1 6 3. c o m T e l1 3 9 1 4 8 8 4 6 9 6 充填采煤液压支架受力分析与运动学仿真研究 周跃进1,张吉雄2,聂守江2,张 强2,周 楠2 (1.中国矿业大学 环境与测绘学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6; 2.中国矿业大学 矿业工程学院 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6) 摘要根据充填采煤液压支架结构原理及控顶作用, 建立了支架顶梁的力学模型, 分析得出了顶 梁受力情况及3排立柱受力之间的关系; 运用P r o/E软件对支架进行三维建模和运动学仿真分 析, 模拟出主要部件的运动过程, 得出各主要部件在工作过程中的运动特征曲线, 并对支架参数 进行了校核.基于以上分析结果设计制造了Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8型充填采煤液压支架, 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.该支架在平煤十二矿成功应用表明受力分析 及设计是科学合理的. 关键词充填采煤液压支架;双顶梁六柱支撑式;受力分析;运动学仿真 中图分类号T D 8 2 3 . 7 文献标识码A文章编号 1 0 0 0-1 9 6 4(2 0 1 2)0 3-0 3 6 6-0 5 M e c h a n i c a l a n a l y s i s a n d k i n e m a t i c s i m u l a t i o n o f a h y d r a u l i c s u p p o r t u s e d i n b a c k f i l l i n g a n d t h e c o a l m i n i n g f a c e Z HOU Y u e- j i n 1, Z HANG J i-x i o n g 2, N I E S h o u-j i a n g 2, Z HANG Q i a n g 2, Z HOU N a n 2 (1. S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a n d S p a t i a l I n f o r m a t i c s,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g & T e c h n o l o g y,X u z h o u, J i a n g s u 2 2 1 1 1 6,C h i n a;2. S c h o o l o f M i n e s,S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e M i n i n g, C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g & T e c h n o l o g y,X u z h o u, J i a n g s u 2 2 1 1 1 6,C h i n a) A b s t r a c tA m e c h a n i c a l m o d e l w a s c o n s t r u c t e d t o a n a l y z e t h e m e c h a n i c s o f t h e t o p b e a m a n d t h r e e r o w s o f c o l u m n s o f a n e w t y p e h y d r a u l i c s u p p o r t . P r o/E s o f t w a r e c o d e w a s t h e n u s e d t o s i m u l a t e t h e t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l a n d e s t i m a t e i t s k i n e m a t i c p r o p e r t i e s .M o v e m e n t i n t h e m a i n c o m p o n e n t s o f t h e s u p p o r t w a s s i m u l a t e d a n d c u r v e s r e l a t i n g m o v e m e n t t o s t r e s s w e r e o b- t a i n e d . T h e s e a n a l y s e s w e r e u s e d t o d e s i g n t h e Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8h y d r a u l i c s u p p o r t w i t h f r o n t l e g s o r t a i l l e g s,h a v i n g r e s p e c t i v e l y 4. 1o r 4. 6t i m e s t h e p o w e r o f t h e m i d d l e l e g s . T h i s d e s i g n h a s s a f e l y b e e n a p p l i e d t o o n e c o a l f a c e i n t h e P i n g d i n g s h a n X I I m i n e . T h e a p p l i c a t i o n v e r i f i e d t h e p r a c t i c a l i t y o f t h i s p a r t i c u l a r d e s i g n. K e y w o r d sh y d r a u l i c s u p p o r t i n b a c k f i l l i n g a n d c o a l m i n i n g f a c e;d u a l-b e a m a n d s i x c o l u m n s; m e c h a n i c a l a n a l y s i s;k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n 综合机械化充填采煤技术是我国具有完全自 主知识产权的创新成果, 该项技术主要针对解决我 国煤矿存在“ 三下” 压煤问题、 煤矸石排放带来的环 境与土地资源破坏问题而研发的, 目前已在我国的 平顶山、 兖州、 济宁等十多个矿区进行了成功应 用[ 1-4]. 该项技术的基本特征是在同一工作面系统 中实现充填与采煤作业并举, 即在同一支架的掩护 下实现工作面前部采煤、 后部充填, 并在支架底座 安设的夯实机作用下将固体充填材料充满采空区 并夯实[ 5-8]. 由此可见, 综合机械化充填采煤的核心 第3期 周跃进等充填采煤液压支架受力分析与运动学仿真研究 装备是充填采煤液压支架, 其保证了充填采煤必须 的充填空间、 充填通道与充填动力, 达到在同一支 架的掩护下采煤与充填并行作业的目的, 而实现上 述功能的基本要素是充填采煤液压支架的结构与 运行特征.本文以新型研发并应用于平煤十二矿的 双顶梁正四连杆六柱支撑式充填与采煤一体支架 为例, 分析了支架结构和受力特征, 并对其进行了 运动学仿真. 1 充填采煤液压支架受力分析 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[ 9]. 1 . 1 支架顶梁的力学模型 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. 图1 支架结构示意 F i g . 1S t r u c t u r a l s c h e m a t i c o f t h e s u p p o r t 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. 图2 顶梁力学模型 F i g . 2M e c h a n i c a l m o d e l o f t h e t o p b e a m 1 . 2 后顶梁受力分析 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. 图3 顶梁的多跨静定梁模型 F i g . 3S t a t i c a l l y d e t e r m i n a t e m u l t i-s p a n b e a m m o d e l o f t h e t o p b e a m 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, ( l4+l5) 3 q 6(l3+l4+l5) -FDl4=0. ( 1) y方向合力为零, ∑F y=0, FD+FC- ( l4+l5) 2 q 2(l3+l4+l5)=0. ( 2) 由式(1) , (2 ) 得 FC= q 6l4(l3+l4+l5) ( -l 3 5+2l 3 4+3l 2 4l5) , (3) FD= q 6l4(l3+l4+l5) ( l 3 4+3l 2 4l5+3l4l 2 5+l 3 5). ( 4) 1 . 3前顶梁受力分析 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. 图4 前顶梁力学模型 F i g . 4M o d e l o f t h e f r o n t t o p b e a m B点合力矩为零, ∑MB =0, 763 中 国 矿 业 大 学 学 报 第4 1卷 FAl2- 1 6 q(l1+l2) 2 + 1 6 q 1- l4+l5 l3+l4+l() 5 l [] 2 3+ 1 2 q l 2 3 l4+l5 l3+l4+l5 +FCl3=0. ( 5) y方向合力为零, ∑F y=0, FA+FB-FC- 1 2 q(l1+l2)- 1 2 q 1+ l4+l5 l3+l4+l() 5 l3=0. ( 6) 由式(5) , (6 ) 得 FA= q 6l2l3 4 5l4( l 2 1 2l3 4 5l4+l 2 3l3 4 5l4- 4l4 5l 2 3l4+l3l 3 4 5-3l 2 4 5l3l4) , ( 7) FB= - q 6l2l3 4 5l4( l 2 1 2l3 4 5l4+l 2 3l3 4 5l4-4l4 5l 2 3l4+ l3l 3 4 5-3l 2 4 5l3l4+l 3 4 5l2- 3l 2 4 5l4l2-3l3l4 5l4l2- 3l3l3 4 5l4l2-3l1 2l3 4 5l4l2) , ( 8) 式中l 1 2=l1+l2,l4 5=l4+l5,l3 4 5=l3+l4+l5; FA,FB为前顶梁立柱所受压力的2个分力. 1 . 4 充填采煤液压支架受力特征 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Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8,其基 本参数l 1,l2,l3,l4,l5分别为2 . 2 3,1 . 5 2,0 . 4,0 . 9, 2 . 3 5m. 将上述参数分别代入式( 4) , (7) , (8) , 可 得FA,FB,FD分别为1 . 5 7q,0 . 3 8q,1 . 7 4q. 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 充填采煤液压支架建模与运动学仿真 运用三维制图软件 P r o/E 5 . 0进行新型研发 型号为Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8支架进行运动学仿真, 确 定其设计参数的合理性. 2 . 1 支架零部件建模 运用P r o/E 5 . 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Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8充填采煤液压支架的主要部 件三维实体模型如图5所示. 图5 支架主要部件三维实体模型 F i g . 5 3 Dm o d e l o f f i l l i n g h y d r a u l i c s u p p o r t ′ s m a i n c o m p o n e n t s 2 . 2充填采煤液压支架装配 在P r o/ 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P r o/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[ 1 0] . 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Z Z C 8 8 0 0/ 2 0/3 8充填采煤液压支架如图6所示. 图6 充填采煤液压支架三维模型 F i g . 6 3 Dm o d e l o f h y d r a u l i c s u p p o r t i n b a c k f i l l i n g a n d c o a l m i n i n g f a c e 2 . 3 充填采煤液压支架的运动学仿真 装配好的充填采煤液压支架在P r o/E运动仿 真环境下进行仿真分析[ 1 1-1 2], 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. 863 第3期 周跃进等充填采煤液压支架受力分析与运动学仿真研究 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. 图7 前后顶梁的加速度、 速度随时间变化曲线 F i g . 7A c c e l e r a t i o n-t i m e a n d v e l o c i t y-t i m e c u r v e s o f t h e t o p b e a m 图8 夯实机构的加速度、 速度随时间变化曲线 F i g . 8A c c e l e r a t i o n-t i m e a n d v e l o c i t y-t i m e c u r v e s o f t h e t a m p i n g m e c h a n i s m 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 工程应用 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. 图9 充填采煤液压支架工作实况 F i g . 9W o r k i n g c o n d i t i o n o f t h e s u p p o r t i n f a c e 随工作面推进充填采煤液压支架支护阻力变 化曲线如图1 0所示. 图1 0 随工作面推进支架支护阻力变化曲线 F i g . 1 0R e s i s t a n c e-f a c e r e t r e a t i n g l e n g t h c u r v e o f t h e h y d r a u l i c s u p p o r t 由图1 0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,Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8 充填采煤液压支 架已在平煤十二矿安全使用1 8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 结论 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. 963 中 国 矿 业 大 学 学 报 第4 1卷 2)运用 P r o/E 绘制 Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8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 支架各参数在设计上是合理的. 3)基于受力分析及运动学仿真结果设计并制 造了Z Z C 8 8 0 0/2 0/3 8前后顶梁正四连杆六柱支撑 式充填采煤液压支架. 经过平煤十二矿的现场应用 表明, 研制的充填采煤液压支架的承载性能良好、 运行特征稳定, 设计的双顶梁六柱支撑式充填采煤 液压支架是科学合理的. 参考文献 [1] 缪协兴,张吉雄,郭广礼.综合机械化固体充填采煤 方法与技术研究[J].煤炭学报,2 0 1 0, 3 5(1) 1-6. 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