煤矿井下放顶煤液压支架柱窝区结构的优化与仿真研究

刘利彦

（山西省晋能控股煤业集团四台矿,山西 大同 037003）

引言

液压支架是煤矿井下支护的核心，其工作的稳定性直接决定了煤矿井下综采作业的安全性，由于煤矿井下地质条件复杂，特别是当在出现矿压波动时，液压支架将承受极大的冲击载荷，导致液压支架的柱窝区损坏、支架压死，严重时将导致柱窝区的顶板被压穿，给井下的综采作业带来了严重的隐患。为了防止柱窝区出现损坏，主要采用增加柱窝区厚度、加强顶梁柱帽的方式，虽然在一定程度上提升了柱窝区的使用寿命，但也极大地增加了液压支架的整体重量，影响了支架在使用过程中的灵活性和经济性。本文以Hertz 接触模型为基础，对支架柱窝区在矿压波动下的受力和载荷分布情况进行研究，针对性地提出了结构优化和一次锻造成型的方案。

1 柱窝区受力分析

液压支架的柱窝和柱帽在接触位置为球面接触结构，在受力后可归结为弹性体的接触，因此可采用Hertz 接触模型对其受力时的状态进行分析，液压支架柱窝和柱帽的接触模型受力如图1 所示。

由图1 可知，当支架立柱的柱窝区和柱帽接触时，会受到从立柱上传来的支撑载荷P的作用，使二者在接触位置产生局部的弹性变形，该弹性变形区域的半径r 要远小于柱窝区和柱帽的半径R1、R2[1-2]。柱窝区接触半径r 公式为：

图1 柱窝区接触受力模型

由于球面接触在受力变形区具有对称的特性，因此可计算出在接触变形区域内的最大接触力q0，其计算公式为：