支架頂梁和四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張建中， 劉坤華， 王慶， 張超

（1.山東科技大學(xué)泰安校區(qū)，山東 泰安 271019；2.山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東 青島266510）

1 西山煤礦地質(zhì)條件及支架主要技術(shù)參數(shù)要求

開采煤層為2號煤，平均厚度是1.8 m。巷道高度為2.4 m，巷道寬度為4.0 m，巷道斷面面積約為9.6 m。頂板巖性直接頂為3.25 m沙質(zhì)泥巖，底板巖性直接底為5.33 m細(xì)沙巖，巖石普氏系數(shù)3.5～6，巷道支護(hù)方式為錨桿支護(hù)。

支架高度1.1～2.5 m，工作阻力為3 600 kN，支護(hù)形式為兩柱掩護(hù)式，推溜行程900 mm，控制方式為手動控制，支護(hù)強(qiáng)度大于0.5 MPa，支架中心距1.5 m，工作壓力31.5 MPa，流量 200 L/min。

2 架型選擇

根據(jù)煤礦地質(zhì)條件選擇兩柱掩護(hù)式液壓支架，型號：ZY3600/11/25［2］。此種支架兩柱斜撐頂梁，支撐合力點(diǎn)靠前，適合不穩(wěn)定和較穩(wěn)定頂板，頂梁和掩護(hù)梁均設(shè)有活動側(cè)護(hù)板、防滑、防矸，抗倒性能好。ZY3600/11/25掩護(hù)式液壓支架三維圖和二維圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 ZY3600/11/25掩護(hù)式液壓支架三維圖

圖2 ZY3600/11/25掩護(hù)式液壓支架二維圖

3 ZY3600/11/25掩護(hù)式液壓支架主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 頂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂梁結(jié)構(gòu)形式分為整體式頂梁和鉸接分體式頂梁［3］。兩種頂梁的特點(diǎn)對比如表1所示。

表1 整體式頂梁和鉸接分體式頂梁的區(qū)別

支架為放頂煤支架，頂煤相對于巖性頂板較弱，因此本支架采用整體式剛性頂梁機(jī)構(gòu)，頂梁前端加設(shè)伸縮梁和護(hù)幫板機(jī)構(gòu)。伸縮梁機(jī)構(gòu)可在采煤機(jī)過后及時支護(hù)暴露的頂板，加強(qiáng)對支架前方頂板（煤）的維護(hù)，防止頂板（煤）冒落。護(hù)幫板機(jī)構(gòu)在采煤機(jī)過后及時伸出，維護(hù)軟弱易片幫煤體，防止煤壁片幫和由片幫引起的頂板（煤）冒落。ZY3600/11/25型液壓支架頂梁三維圖如圖3所示。

圖3 ZY3600/11/25型液壓支架頂梁

該支架工作面直接頂?shù)捻敯鍨?.25 m砂質(zhì)泥巖，屬易冒落頂板。為適應(yīng)這種頂板條件，我們對頂梁的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］：1）支架頂梁設(shè)計(jì)為整體式剛性頂梁，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，支架選擇破碎頂板。破碎頂板的特點(diǎn)在“護(hù)”不在“支”，關(guān)鍵是怎么維護(hù)前方頂板，防止冒頂。2）頂梁前端采用上翹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在移架中確保支架前端先接頂，改善接頂效果，加強(qiáng)頂梁前端頂板維護(hù)［5］。3）頂梁側(cè)護(hù)板選用單向長側(cè)護(hù)板，通過封閉頂部空間而達(dá)到防止架間漏矸的目的，保證人員安全。頂梁與掩護(hù)梁鉸接處設(shè)有擋矸板，頂梁與頂梁側(cè)護(hù)板圓弧包裹，側(cè)護(hù)板伸出后仍具有一定重合量，實(shí)現(xiàn)全封閉不漏矸。4）為了有效地抑制粉塵，改善工作環(huán)境，頂梁裝配內(nèi)含式噴霧降塵系統(tǒng)。5）礦壓檢測表安裝在每個立柱上，所以在頂梁設(shè)置掛鉤。6）為了使支架能適應(yīng)頂板因破碎冒漏或仰俯采造成的頂板不平和頂板起伏變化，支架頂梁應(yīng)具有良好的操縱性能。支架的頂梁最高位下擺角不小于10°。7）頂梁的腹部設(shè)置有內(nèi)含式的起重運(yùn)輸機(jī)吊環(huán)、安裝照明燈的燈座、安裝通訊設(shè)施的掛鉤等。

3.2 四連桿機(jī)構(gòu)

液壓支架實(shí)際工況十分復(fù)雜，經(jīng)常受到非對稱載荷、橫向或縱向的作用力。承受這些力并決定其穩(wěn)定性的唯一機(jī)構(gòu)就是四連桿機(jī)構(gòu)。所以四連桿機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度也就決定了支架的穩(wěn)定性及使用壽命。前后連桿、掩護(hù)梁及底座組成了該支架的正四連桿機(jī)構(gòu)［6］。ZY3600/11/25型液壓支架前連桿，后連桿和掩護(hù)梁分別如圖4、圖5、圖6所示。

支架采用單前連桿和雙后連桿的結(jié)構(gòu)形式，連桿通過鋼板焊成箱形結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性和偏載能力。通過ANSYS的大量分析可知，四連桿機(jī)構(gòu)連接孔出容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此四連桿各聯(lián)接孔均采用整體焊完低溫回火時效處理后數(shù)控整體鏜孔加工的措施，并且嚴(yán)格控制孔同軸度不大于0.2 mm，孔與軸的最大間隙不大于0.75 mm。

圖4 ZY3600/11/25型液壓支架前連桿

圖5 ZY3600/11/25型液壓支架后連桿

圖6 ZY3600/11/25型液壓支架掩護(hù)梁

4 結(jié)語

本文基于ZY3600/11/25型掩護(hù)式液壓支架主要介紹了掩護(hù)式液壓支架的選型問題，對支架的主要部件頂梁和四連桿機(jī)構(gòu)部件給出了改進(jìn)意見，對ZY3600-11-25型液壓支架提出了人性化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)安全第一的同時使支架更具有操作性。

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