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作 者
万丽荣,陈 博,杨 扬,曾庆良
山东科技大学 机械电子工程学院
研究背景
综合机械化放顶煤开采的关键技术之一是放顶煤液压支架技术,液压支架在煤炭开采中起到了支撑顶层煤矸,防止端面冒顶、架间漏矸的作用。综采工作面上的液压支架经常遇到的现象是煤岩垮落导致的冲击载荷,冲击载荷发生后,支架的工作状态、运动形式会发生变化,严重时会导致销轴变形破坏、立柱爆缸、活柱弯曲、掩护梁和尾梁的冲击变形,中断综放工作面的正常工作。例如,2008年某矿曾出现过的直接顶来压较大导致两架ZZ5600/17/35型支撑掩护式液压支架“压死”的事故,造成了严重的经济损失。
液压支架的适应性和可靠性决定着采煤工作能否正常进行,影响着放顶煤开采的支护安全,对支架的强度分析和结构优化起着指导性的作用。自20世纪60年代起,国外主要采煤国就开始了综采技术与装备的研究,但由于国情的影响,这方面的研究逐渐陷入了停滞。目前,国内学者对于液压支架的研究,主要集中于对液压支架的静力学研究及对液压支架在载荷作用下的动态响应。
以往文献尚未涉及放顶煤液压支架受冲击时的动态响应研究。通过施加集中载荷进行掩护式液压支架冲击载荷研究的方式忽略了物体间的碰撞接触过程,没有考虑物体变形及能量转化,不符合实际。通过实地考察,发现放煤部的实际工况为松散煤的整体滑移及冒落冲击。为此,笔者针对煤矸垮落冲击某架型放顶煤液压支架尾梁的放煤工况,以煤岩直接作用于尾梁,重点研究尾梁承受冲击载荷后的动态响应。通过对单颗粒煤岩冲击尾梁后的动态响应分析得到尾梁的动载规律、受力状况,为冲击载荷下放顶煤液压支架顶梁、掩护梁、立柱等主要部件的动态研究提供借鉴。
摘 要
综合机械化放顶煤开采过程中煤岩垮落产生的冲击载荷会导致放顶煤液压支架的运动状态发生变化,严重时会导致综放设备的冲击破坏。为研究放顶煤液压支架尾梁受到煤岩冲击后的动态响应及受力情况,利用机械系统动力学分析软件Adams建立放煤机构的刚柔耦合模型,通过固液弹簧耦合理论计算出尾梁平衡千斤顶的刚度并用弹簧阻尼系统进行等效替换。
采用“煤岩直冲”的方式对尾梁进行加载,并引入Hertz接触理论确定接触参数。基于此模型,模拟煤岩颗粒冲击承载区不同位置以及在不同放煤角条件下冲击尾梁的动态过程,最后通过与刚体冲击方式下的仿真结果对比,验证了所用方法的可靠性。
结果表明,煤岩冲击承载区不同位置时,尾梁的动态响应量及碰撞接触力有差异,冲击位置位于尾梁-弹簧连接处附近区域时,碰撞接触力较小,而尾梁的最大速度、加速度、振幅较大,在所有动态响应量中,最大振幅的变化规律最明显,随着冲击点位置远离尾梁-掩护梁铰接处附近区域,最大振幅稳定上升;当放煤角逐步增大时,尾梁的动态响应量及接触力均减小,尾梁的振动特性变弱,当放煤角较小时,煤岩冲击尾梁后会产生数值巨大的碰撞接触力。
可选取尾梁的振幅响应作为反馈量对尾梁进行动态监测,同时应针对碰撞接触力较大的情况在放煤机构的设计制造中对其进行强度校核及结构优化,避免尾梁及其连接处冲击破坏情况的出现。
万丽荣，女，教授，博士生导师，1965年11月出生，山东栖霞人，现任职于山东科技大学机械电子工程学院。 主持完成省部级纵向课题3项，作为主要研究人员完成科技部“十一五”国家科技支撑计划重大课题1项、863子课题2项、国家自然科学基金项目3项，山东省科技发展计划重大课题、山东省自然科学基金、山东省中青年科学家奖励基金及企业合作等20余项课题的研究工作。 曾获山东省教学成果一等奖，山东省科技进步一等奖，国家科学技术进步二等奖，省部级科技进步奖10余项。
研究方向
机电一体化、液压传动与控制、煤矿机械、虚拟样机与并行工程等
主要成果
致力于煤矿综采放顶煤液压支架及智能工作面成套技术的研究，取得了多项创新型成果。出版相关学术著作6部，主编教材3部，授权发明专利12项，在国内外刊物及会议发表学术论文50余篇，其中被SCI、EI收录检索30余篇。
文中图片
1—掩护梁;2—前连杆;3—底座;4—后连杆;5—弹簧阻尼系统;6—尾梁
放煤机构示意
尾梁及煤岩颗粒柔性体文件
尾梁冲击响应
上顶面冲击点分布
最大接触力
最大速度响应
最大加速度响应
最大振幅
承载区最大振幅
冲击点位置
最大接触力
最大速度响应
最大加速度响应
最大振幅
多刚体模型
两种仿真方式比较
万丽荣,陈博,杨扬,等. 单颗粒煤岩冲击放顶煤液压支架尾梁动态响应分析[J]. 煤炭学 ,2019,44(9):2905-2913.
WAN Lirong,CHEN Bo,YANG Yang,et al. Dynamic response of single coal-rock impacting tail beam of top coal caving hydraulic support[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(9):2905-2913.
审 核：常琛
End
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