立柱布置方式對掩護式液壓支架力學性能的影響分析

辛家祥，李明忠，王建國

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

立柱布置方式對掩護式液壓支架力學性能的影響分析

辛家祥，李明忠，王建國

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

立柱布置方式對液壓支架的很多力學參數都有影響，立柱布置不合理容易引起液壓支架發(fā)生故障或損壞，影響煤礦安全生產。建立了掩護式液壓支架的力學模型，分析了立柱布置方式對支架底座前端比壓及連桿受力的影響，為立柱的合理布置提供了理論依據和可行方法。

立柱;布置方式;底座比壓;連桿受力

掩護式液壓支架多年的使用經驗和試驗研究發(fā)現，立柱的布置方式對該型支架很多力學參數都有影響。如果立柱布置不合理，會造成支架受力不當，進而引起支架發(fā)生故障或結構損壞，影響煤礦安全生產。因此，液壓支架設計過程中，必須合理布置立柱，使支架的綜合力學性能達到最優(yōu)。

本文著重分析了立柱布置方式對底座前端比壓及連桿受力的影響。

1 力學模型建立

液壓支架二維桿系力學模型及受力分析如圖1所示。

圖1 液壓支架受力

取頂梁為研究對象，對頂梁與掩護梁鉸點D取矩，由∑MD=0，得:

取頂梁、掩護梁整體為研究對象，對前后連桿瞬心O點取矩，由∑Mo=0，得:

同理，由水平方向和豎直方向合力分別為零，可得:

取底座為研究對象，對前后連桿瞬心O取矩，

由∑Mo=0，得:

由(5)，(7)式可得:

其中，(3)式與(8)式是等價的，使用時根據具體情況選用。

上述各式中，P為立柱工作阻力，kN;D2為頂梁與掩護梁鉸點到立柱中心線的垂直距離，mm; P3為支架平衡千斤頂工作阻力，kN;D3為頂梁與掩護梁鉸點到平衡千斤頂中心線的垂直距離，mm; f為頂梁與頂板間的摩擦系數;F1為頂板對頂梁的集中載荷，kN;B3為頂梁上表面到頂梁與掩護梁鉸點垂直距離，mm;X為頂梁與掩護梁鉸點到頂梁外載作用點的水平距離，mm;B1為前、后連桿瞬心到頂梁與掩護梁鉸點的水平距離，mm;B2為前、后連桿瞬心到頂梁與掩護梁鉸點的垂直距離，mm; D1為前、后連桿瞬心到立柱中心線的垂直距離，mm;F'1為底板對底座的作用力，kN;D4為前、后連桿瞬心到底板對底座支反力作用線的水平距離，mm;f'為底座與底板間的摩擦系數;H1為支架的計算高度，mm;F3，F4分別為前、后連桿力，kN; A3為立柱與豎直線的夾角，(°);A5，A分別為前、后連桿與水平線夾角，(°)。

2 立柱布置對底座前端比壓的影響

在布置立柱時，假設立柱下鉸點相對底座前端距離固定，在立柱行程許可的條件下，如果把立柱上鉸點前移，立柱傾角增大，不僅可以增加支架調高范圍，還可以提高頂梁前端對煤壁的水平分力，但會造成底座前端比壓增大，松軟底板條件下會造成支架扎底，移架困難。

假設支架底座與底板均勻接觸且載荷呈線性分布，則底座底板比壓為梯形分布或三角形及矩形分布。圖2所示底板比壓為梯形分布情況。

圖2 底板比壓梯形分布

由圖2可知，若∑F=0，得:

若∑ME=0，得:

由(9)，(10)兩式，可得

上述各式中，F'1為底板對底座的合力，mm;L為底座總長度，mm;B為底座有效寬度，mm;q5，q6為底座前、后端比壓，MPa;X'為合力作用點到底座后端距離，mm;n為合力作用點到底座前端距離，mm。

由(11)，(12)兩式可知，支架的主體結構參數確定后，F'1一般變化不大，可以認為是定值，底座寬度及形狀等結構性要素對前端比壓也有影響，但合力作用點X'位置的變化對前端比壓q5影響最大，減小X'對減小前端比壓q5效果明顯。由(11)式可知，當X'=n/2時，q5=0，比壓呈三角形分布，此時前端比壓最小;X'＞n時，q5＞q6;X' =2n時，比壓呈倒三角形分布，此時前端比壓最大。因此對于松軟底板，為避免底座前端比壓過大，應使底座合力作用點盡量靠后。

通過以上分析，可以得出，在采高不變的情況下:底座總長度不變，如果立柱位置平行前移或只是上鉸點前移，V2減小，底座合力作用點位置前移，前端比壓變大;立柱位置平行后移或只是上鉸點后移，V2增大，底座合力作用點位置后移，前端比壓變小。

立柱布置方式及位置不變，如果底座前端加長，V2增大，底座合力作用點位置不變，載荷分布長度變大，前端比壓變小;底座前端縮短，V2減小，底座合力作用點位置不變，載荷分布長度變小，前端比壓變大。

所以，不能為了增大支架的調高范圍而一味地增大立柱傾斜角度，而應當綜合考慮，把底座前端比壓控制在合理的范圍內，支架設計方案的評判也應該把V2當作判斷底座前端比壓相對大小的一個重要指標來考慮。

3 立柱布置對前、后連桿附加力的影響

早期的兩柱支掩式掩護支架，在實驗室試驗臺上升到與上試驗臺接觸時，頂梁立刻向前移動，移動量一般大于200mm，當試驗臺開始加載時，頂梁繼續(xù)前移，同時底座后端有一定的抬起量;現在的兩柱支頂式掩護支架，仍有上述現象，但移動量控制在100mm左右，且底座后端不上抬。四柱支撐掩護式支架也存在前移現象，但移動量較小，在60～100mm之間。經分析，支架在試驗臺上前移是由于立柱傾斜布置所產生的水平力的作用。而由(3)，(4)兩式可以看出，立柱由于傾斜布置 (參數D1，D2的影響)所產生的水平分力對支架的力學性能產生了影響。

頂板對支架頂梁產生的摩擦力 (取f=0～0.3)由立柱及前、后連桿承受，合理布置立柱傾角可使立柱傾斜所產生的水平分力部分或全部平衡掉頂板對頂梁的摩擦力，減小和改善前、后連桿產生的附加力。分析如下:

如果立柱垂直布置或接近于垂直布置，可以提高支撐效率，改善對頂板的支護效果，但由于垂直布置時立柱不產生水平分力，因此:當f=0(頂板對頂梁不產生摩擦力)時，前、后連桿附加力會很小;當f=0.3(頂板對頂梁摩擦力取最大值)時，由于立柱不產生水平分力，摩擦力將全部由前、后連桿承受，此時前、后連桿附加力最大。

如果立柱傾斜布置，使其由于傾斜所產生的水平分力可以完全平衡掉頂板的摩擦力，可以計算出此時A3=arctan0.3=17°。當f=0時，立柱傾斜所產生的水平分力由前、后連桿承受，這時的前、后連桿附加力會很大;當f=0.3時，摩擦力將全部由立柱來承受，與立柱的水平分力平衡，這時的前、后連桿附加力會減小很多。

雖然頂板與頂梁間的摩擦系數在f=0.1～0.2之間出現的概率最大，但是也要考慮f=0和f= 0.3時的情況，避免出現前、后連桿附加力范圍變化太大。因此，要通過優(yōu)化設計立柱的傾角，使前、后連桿受力出現“啞鈴”型結果，即在摩擦系數f=0和f=0.3時，連桿的附加力可以適當變大，而在f=0.1～0.2之間，連桿的附加力一定小，這樣既符合井下頂梁的實際受力情況，又改善了支架的總體力學性能。

以ZY6800/18/37D液壓支架為例，在確定四連桿機構的前提下，通過優(yōu)化立柱的布置方式，使連桿出現“啞鈴”型的受力結果，在支架3.5m高度時:f=0.3時，前連桿力4066kN，后連桿力3877kN;f=0時，前連桿力3399kN，后連桿力2738kN;f=0.1～0.2時，前連桿力686kN，后連桿力574kN。

可以看出，立柱布置較為合理。

4 結論

重點分析了掩護式液壓支架立柱布置方式對底座前端比壓和連桿受力的影響，為合理地布置立柱提供了理論依據，為支架設計方案的優(yōu)劣提供了一種快速可行的評定方法，所得結論同樣適用于四柱支撐掩護式液壓支架。

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［5］楊培舉.兩柱掩護式放頂煤支架與圍巖關系及適應性研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學，2009.

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［7］王正木，趙志超.兩柱掩護式液壓支架使用和設計中的幾個問題［J］.煤炭科學技術，1990(5):52－54.

［8］丁紹南.采煤工作面液壓支架設計［M］.北京:世界圖書出版社，1992.

［責任編輯:徐亞軍］

Influence of Prop Arrangement on Mechanical Characteristic of Shield Powered Support

XIN Jia-xiang，LI Ming-zhong，WANG Jian-guo

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Several mechanical characteristics of prop arrangement are influenced by prop arrangement.Irrational arrangement may result in powered support failure or damage and influence safe mining.Mechanical model of shield powered support was set up to analyze the influence of prop arrangement on specific pressure of foundation＇s front end and force of connecting rod，and provide theoretical basis and feasible method for rational prop arrangement.

prop;arrangement;specific pressure of foundation;force of connecting rod

TD355.41

A

1006-6225(2012)04-0035-03

2012－05－02

國家高科技研究發(fā)展計劃 (863)資助項目:兩柱式超強力大采高放頂煤液壓支架研制 (2012AA06A407)

辛家祥 (1983－)，男，山東陽谷人，工程師，主要研究方向為采煤工作面液壓支架設計。