基于煤矿用滑移液压支架的基本结构及特点,构建滑移液压支架顶梁的三维模型和有限元模型,进而以此为基础实施滑移液压支架顶梁有限元强度分析。根据分析结果提出煤矿用滑移液压支架顶梁改进方案,并将其应用于工程实践,检验改进方案的有效性。

用传统方法对液压支架顶梁结构进行设计时,存在结构冗余现象,会增加材料成本和加工成本。基于拓扑优化技术并利用Hyperworks软件对顶梁开展结构优化改进工作,设置载荷时考虑的是偏载荷特殊工况条件。结果发现,位于中间区域的3根横筋板单元密度只有0.01~0.02,说明横筋板基本不重要,可以直接去除。对优化后的顶梁进行受力分析,其最大应力为541.2MPa,低于材料的屈服强度550MPa,说明顶梁强度能满足实际使用要求。此次对顶梁结构的优化改进,降低了结构件的材料成本和人工成本,取得了一定的社会效益和经济效益。

针对液压支架掩护梁出现变形与断裂的问题,借助ANSYS有限元仿真分析软件,开展了掩护梁强度分析工作。结果表明,掩护梁上盖板存在应力集中、应力数值高于材料屈服强度,是其出现变形或者断裂问题的主要原因。之后通过加厚掩护梁的盖板和筋板、减小侧板与侧护板厚度的方法完成了改进,结果表明,掩护梁应力集中数值为362.15MPa,低于掩护梁结构材料的屈服强度690MPa,改进效果显著。

液压支架作为煤矿井下一体化机械开采的关键设备,能够有效支撑与控制工作面顶板,隔离采空区,促进输送机脱壳,是开采、运输、装车支架等所有作业的重要设备。本文分析了煤矿液压支架的一些常见故障,提出了预防性指导建议。

由于液压支架中立柱在使用过程中极容易出现结构变形、局部开裂等失效问题,直接影响着液压支架对巷道顶板的支护效果和井下作业安全。基于此,在分析液压支架及立柱结构特点基础上,开展了立柱使用过程中的结构性能研究,得出:立柱的整体出现受力不均匀现象,其柱头为整个结构的薄弱部位,前立柱比后立柱所承受压力相对更大;从材料、结构、热处理等方面提出了立柱的改进措施,这对指导立柱的优化改进,保证液压支架的支护强度及安全性具有重要参考意义。

根据液压支架工况,设计了一种在不过度修改原有液压系统的情况下,可以直接解决液压支架设置负荷不良问题的自动加压装置。该装置将机械和液压相结合,使所有结构单元在液压油的作用下能够完成预期的动作,最终实现自动和快速加压的整体功能。通过工程试验模拟了自动加压装置的工作性能和控制回路的动态特性。对地下ZY12000/28/63D支架的模拟曲线和现场安装试验进行对比分析,表明该装置能够将设置负荷提高到30 MPa以上。自动加压装置的设计符合预期的增压要求,可为液压支架结构设计提供依据。

针对液压支架顶梁经常出现变形或开裂的现状,借助ANSYS有限元仿真分析软件,完成了顶梁强度分析工作。结果表明,顶梁工作时存在较大的应力集中情况,最大应力超出材料屈服强度是其出现变形或破坏的主要原因。之后通过将顶梁的筋板、侧板及护板加厚到30mm,顶梁前端盖板厚度减小到20mm的方法完成了顶梁改设计。结果表明,改进顶梁的最大应力降低至了338.64MPa,低于材料屈服强度,大大提高了液压支架顶梁工作的可靠性。

激光熔覆技术是煤矿液压支架立柱表面处理时广泛运用的技术。文章通过对普通激光熔覆技术与高速激光熔覆技术进行试验,对两种激光熔覆技术熔覆后立柱表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及相应的晶相结构进行了对比,分析两种激光熔覆技术的优缺点后,最终确定出一种合适的激光熔覆工艺。

在分析液压支架及底座结构特点的基础上,从底座的应力变化、结构位移变化等方面对底座的结构强度进行了有限元建模分析,发现底座的中间底面、前柱窝、后柱窝在使用时受到了较大的应力集现象,是整个结构的薄弱部位,极容易率先发生结构失效问题,由此从材料、结构、热处理、塑性铰等方面提出了底座的优化改进措施,为相关应用设计提供一定的参考和指导意义。

煤矿液压支架的突然破坏会导致巷道坍塌,严重威胁井下工人的生命和安全。用于监测矿井支架元件上的压力变化的光纤系统可以增加采矿自动化的程度,减少人工出错的可能性,支架工作元件状态的系统监控能够跟踪由于煤岩压力增加而引起的变形。该系统在采矿企业的实施将扩大数字技术在采矿中的应用,及时警告矿井坍塌威胁将显著提高安全采矿作业的水平,并且降低维护矿井工作的成本。故此,模拟煤矿工况环境,安装了连接到自动测量系统的光纤传感器。该系统还配备了用于监控结果的视觉显示功能,这使得跟踪压力参数的急剧波动成为了可能。