新型蚌式液壓支架的節(jié)能原理及受力分析

文/李玉嶺鄭國(guó)勤

新型蚌式液壓支架的節(jié)能原理及受力分析

文/李玉嶺鄭國(guó)勤

新型蚌式液壓支架與傳統(tǒng)支撐掩護(hù)式液壓支架一樣，都是通過(guò)支架高度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的支撐。但是新型蚌式液壓支架其核心是充分利用回采工作面煤壁、頂板以及支架三者間的受力過(guò)程，最大限度地利用巖石力學(xué)和頂板形成的自然穩(wěn)定狀態(tài)，在確保支護(hù)安全的前提下，極大地降低了支護(hù)成本。因此新型蚌式液壓支架比傳統(tǒng)支架更加節(jié)能、性價(jià)比更高。本文就新型蚌式液壓支架特別是單擺桿蚌式液壓支架的節(jié)能原理及受力分析進(jìn)行了闡述。

一、新型蚌式液壓支架工作原理

新型液壓支架用于調(diào)節(jié)頂梁高度和對(duì)支架進(jìn)行支撐的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由設(shè)在底座上的傾斜滑道、調(diào)節(jié)千斤頂和支撐連桿組成。支撐連桿通過(guò)雙向滑動(dòng)柱窩與調(diào)節(jié)千斤頂相連，調(diào)節(jié)千斤頂?shù)纳炜s帶動(dòng)柱窩沿著傾斜滑道滑動(dòng)，從而帶動(dòng)支撐連桿圍繞頂梁上的固定點(diǎn)做一定角度的擺動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)頂梁高度變化的目的。

根據(jù)支架結(jié)構(gòu)的變化，新型蚌式液壓支架又可分為雙擺桿蚌式液壓支架和單擺桿蚌式液壓支架兩種。雙擺桿蚌式液壓支架其主要支撐件由傳統(tǒng)的立柱變?yōu)橹芜B桿，而支撐連桿的支點(diǎn)在支架的頂梁上。而單擺桿蚌式液壓支架不僅與傳統(tǒng)液壓支架以及雙擺桿蚌式液壓支架結(jié)構(gòu)不同，且使用原理也不盡相同。

單擺桿蚌式液壓支架主要是由基本支架和前頂梁（包括作為臨時(shí)支護(hù)的伸縮梁）組成?；局Ъ苡糜谥尾⒆鳛榍许斨Ъ埽瑤в猩炜s梁的頂梁控制回采工作面的頂板，基本支架與頂梁鉸接連接，由掩護(hù)梁鉸鏈座上固定的頂梁千斤頂支撐并調(diào)節(jié)角度。

二、單擺桿蚌式液壓支架的結(jié)構(gòu)組成

單擺桿蚌式液壓支架的支撐連桿上端支撐在支架掩護(hù)梁上。見圖1，單擺桿蚌式液壓支架結(jié)構(gòu)圖。

圖1單擺桿蚌式液壓支架

單擺桿蚌式液壓支架主要針對(duì)中等穩(wěn)定性頂板和破碎頂板而設(shè)計(jì)。因此，單擺桿蚌式液壓支架不需要像傳統(tǒng)支架那樣，承擔(dān)支架水平投影長(zhǎng)度的頂板的壓力。支護(hù)過(guò)程中，基本支架依靠掩護(hù)梁（呈約52°角）阻擋冒落的碎矸石進(jìn)入回采工作面，并作為控制回采工作面頂梁的懸掛主體。此外，基本支架還起到了切頂支架的作用?；局Ъ芘c煤壁、回采工作面頂板組成一個(gè)承受均布載荷的簡(jiǎn)支梁，基本支架和煤壁為簡(jiǎn)支梁的兩個(gè)支點(diǎn)，二者間的頂板為簡(jiǎn)支梁的梁體。單擺桿蚌式液壓支架用于破碎頂板回采工作面的支護(hù)原理和過(guò)程見圖2。

圖2單擺桿蚌式液壓支架受力圖

由圖2可知，單擺桿蚌式液壓支架的頂梁僅維護(hù)和支撐回采工作面范圍的頂板，支架頂梁長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)液壓支架，所以支架消耗的能量也遠(yuǎn)小于其他類型支架。

三、單擺桿蚌式液壓支架力學(xué)計(jì)算

傳統(tǒng)液壓支架的工作阻力來(lái)自于回采工作面頂板壓力，經(jīng)支架頂梁集中于一條或兩條橫截面，然后沿立柱的中心線直接傳遞到支架的底座，最后呈均勻分布狀態(tài)傳遞到底板。新型蚌式液壓支架不是用單一或單純的液壓立柱支撐支架頂梁，而是用一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)支撐。因此，新型蚌式液壓支架來(lái)自頂板的壓力沿支撐連桿的中心線傳遞到可滑動(dòng)的雙向柱窩后，被分解成兩個(gè)支撐力，一個(gè)是調(diào)節(jié)千斤頂，另一個(gè)是傳遞到底座上的傾斜滑道上。

由于單擺桿蚌式液壓支架用于支撐頂板的部位僅僅限于頂梁，特此僅對(duì)該支架頂梁的工作阻力進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)，單擺桿蚌式液壓支架在使用高度范圍內(nèi)，頂梁調(diào)節(jié)千斤頂與頂梁間的夾角在27°~30°之間變化，依據(jù)“三力平衡匯交定理”計(jì)算出支架頂梁的工作阻力。

圖3受力結(jié)構(gòu)圖和圖4受力分析圖中AB所示為與頂板平行的支架頂梁，受來(lái)自頂板的均布載荷力P，受力點(diǎn)為頂梁的中部，方向向下；BC為二力桿，它通過(guò)鉸鏈延長(zhǎng)線作用于頂梁中心線的B點(diǎn)，作用于頂梁AB的約束力Fbc沿BC桿，受力指向按照BC桿受壓確定。約束力Fbc與均布載荷力P交與圖中D點(diǎn)。

根據(jù)三力平衡匯交定理：固定鉸點(diǎn)A的約束力Fa沿AD連線方向指向任意假設(shè)，以上三力構(gòu)成一平面匯交力系，其中Fbc與Fa為已知要素。

圖3受力結(jié)構(gòu)圖

圖4受力分析圖

根據(jù)以上因素列出平衡方程。

取圖示坐標(biāo)系A(chǔ)xy;其中Fa與AB夾角為θ；建立如下平衡方程

建立平衡方程組并以頂梁千斤頂和頂梁設(shè)計(jì)極限夾角30°計(jì)算頂梁的工作阻力。安全閥卸載壓力40MPa，F(xiàn)ac=Fbc=頂梁調(diào)節(jié)千斤頂工作阻力，解析∑Fy=P。

如果回采高度2.0m，頂梁控制最大長(zhǎng)度L=1.6m，矸石容重λ= 2.6，按照回采高度的8倍計(jì)算頂板巖石重量為P=815KN。

因此，單擺桿蚌式液壓支架頂梁調(diào)節(jié)千斤頂對(duì)頂梁輸入大于815KN的工作阻力就能滿足采高2.0m以下的回采工作面、中等穩(wěn)定或破碎型頂板的支護(hù)需要。

而基本支架的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選取2xφ180mm千斤頂，以確保基本支架具有足夠的工作阻力切頂。

四、新型蚌式液壓支架節(jié)能原理分析

傳統(tǒng)液壓支架與新型蚌式液壓支架的受力比較可以看出，傳統(tǒng)液壓支架由于支撐支架頂梁和對(duì)支架高度進(jìn)行調(diào)節(jié)的過(guò)程，是通過(guò)立柱的伸縮實(shí)現(xiàn)的，而新型蚌式液壓支架的上述目的是通過(guò)由支撐連桿、調(diào)節(jié)千斤頂和設(shè)計(jì)在底座上的傾斜滑道組成的支架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。通過(guò)兩種支架受力過(guò)程的對(duì)比不難看出，新型蚌式液壓支架用于支撐頂板的支撐連桿上受到的壓力，被分解到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的調(diào)節(jié)千斤頂和設(shè)計(jì)在底座上的傾斜滑道上，由于三個(gè)力存在失量關(guān)系。支撐連桿輸出的工作阻力不僅與調(diào)節(jié)千斤頂輸出的工作阻力有關(guān)，還與二者間的夾角有關(guān)系。因此，新型蚌式液壓支架比傳統(tǒng)液壓支架能夠節(jié)能40%。此外新型蚌式液壓支架底座上設(shè)計(jì)的傾斜滑道，不僅分擔(dān)來(lái)自支撐連桿的頂板壓力，且對(duì)支架的高度變化起到了一定的補(bǔ)償作用。而單擺桿蚌式液壓支架由于支撐連桿上端連接在掩護(hù)梁上，支架高度上升時(shí)，頂梁呈擺線上升，雖然頂梁相對(duì)于底座的前后位移量較大，但是調(diào)節(jié)千斤頂和支架高度的變化量的比例卻大得多，一般為：

綜合調(diào)節(jié)千斤頂與支撐連桿工作阻力，以及調(diào)節(jié)千斤頂與支架高度變化量的比例進(jìn)行分析，單擺桿蚌式液壓支架比傳統(tǒng)液壓支架節(jié)能約為40%~50%。

（作者單位：中煤邯鄲煤礦機(jī)械有限公司）

（責(zé)任編輯：周瓊）