基于液壓支架四連桿機構參數特點分析與研究

劉艷東（唐山開灤鐵拓重型機械制造有限責任公司，河北 唐山 063103）

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基于液壓支架四連桿機構參數特點分析與研究

劉艷東
（唐山開灤鐵拓重型機械制造有限責任公司，河北 唐山 063103）

摘 要：本文主要針對液壓支架四連桿機構的功能及影響四連桿性能的設計因素進行探索。其中重點介紹了液壓支架四連桿機構的構成及特點，并從影響四連桿參數設計的九個方面進行了詳細論述。

關鍵詞：液壓支架；四連桿機構；梁端距；掩護梁背角；雙扭線

1 液壓支架四連桿機構的構成與功能

1.1 液壓支架四連桿機構的構成

液壓支架四連桿機構的構成從表面上看只有前連桿和后連桿，實際上掩護梁和底座是組成四連桿機構的另外一個連桿，掩護梁和底座除了構成四連桿機構以外，還承擔著掩護功能、推移功能、抬底功能等其它的功能。前后連桿也具有擋矸、管環(huán)、閥架等功能。因此，四連桿設計首先是運動機構設計，還包括各部件的其它功能設計。

液壓支架四連桿機構有正負之分，正四連桿機構被廣泛采用，反四連桿多用于放頂煤過渡支架。在反四連桿機構中由于處于掩護梁位置的部件已不再承擔掩護功能，通常被改稱為斜梁。

1.2 液壓支架四連桿機構的功能

液壓支架四連桿機構有三個功能：一是縱向與橫向的穩(wěn)定功能，即承接外部施加到支架上的橫向、縱向的水平力，使支架頂梁不會出現大幅度的水平扭轉和橫向縱向翻轉，使支架立柱免受水平力。要實現這一功能，設計中應確保組成四連桿機構的各個零部件具有足夠的強度，要進行機構受力分析和零部件強度校核計算。二是將頂梁所受到來自頂板的外載通過四連桿機構傳遞到底座上。這一功能我認為是四連桿機構負面效應。三是讓支架頂梁在升降過程中，頂掩鉸接點的運動軌跡近似為一條垂線。實質是讓支架在升降過程中，頂梁或前梁的前端至采煤工作面煤壁的距離基本保持不變，使得因空頂距變化量帶來的支架頂梁前端的支護效果變化量最小。液壓支架四連桿機構中頂掩鉸接點的運動軌跡一般呈“雙扭線”狀，水平運動范圍被稱為“擺幅”。MT/T556-1996《液壓支架設計規(guī)范》有具體的規(guī)定：“具有四連桿機構的支架梁端水平位移量在支架使用高度范圍內應不大于80mm。在總圖樣和技術文件應注明使用高度范圍內梁端距范圍”。實際支架產品中擺幅與支架架型、高度差值、正反四連桿機構均有影響，此數值并非不可突破。

液壓支架四連桿的實際運動軌跡與理論運動軌跡存在較大的差異。其原因是四連桿機構各鉸接點、頂掩鉸接點的鉸接耳與鉸接銷軸設有徑向間隙，鋼板焊接結構件受力后會產生彈性變形。尤其是立柱掩護式支架立柱軸心線與頂梁、底座設計有明顯的傾斜角度，在立柱推力的作用下，銷與孔的鉸接必然是弧面接觸，而不是圓心重合。至于軌跡扭動方向對頂板運動會產生利弊的觀點，我不贊成。因為現代支架提倡高初撐力，初撐過程中是頂梁上升，四連桿機構的的軌跡扭動方向剛好相反，此時效果正相反。我認為綜采工作面頂板與液壓支架頂梁頂面之間的摩擦力主要是由礦山壓力導致的頂板運動造成的。

理論上梁端距應為零，即支架的頂梁或前梁其前端與工作面煤壁平齊。但是，采煤機在采煤過程中，因煤質硬度不均勻等因素，采煤機滾筒會出現后仰的現象，這時采煤機滾筒的后端面就會截割到支架的頂梁或前梁，造成采煤機和支架設備的損壞。尤其是在仰采工作面，在重力的作用下，采煤機滾筒必然產生后仰。為防止出現支架被割，空頂距是必須設置的。很顯然，當采煤機滾筒后仰角度一定的條件下，滾筒后仰產生的橫向距離與采煤高度成正比，即支架工作高度越大，所需防止割頂梁的空頂距也越大。

通過以上分析得知，設置梁端距是必須的。至于梁端距數值的大小在MT/T556-1996《液壓支架設計規(guī)范》中有具體的規(guī)定：“大采高支架應取350mm～480mm。中厚煤層支架應取280mm～400mm。薄煤層支架應取200mm～350mm?！睂嶋H支架產品中梁端距更多是由采煤工作面頂板穩(wěn)定條件和經驗確定的。頂板越破碎梁端距應越小，反之頂板越完整梁端距可適當加大，實踐經驗數據更可靠。

2 液壓支架四連桿機構的特點與影響設計因素

2.1 液壓支架四連桿機構的特點

由于液壓支架產品的需要形成了液壓支架四連桿機構的特點是：連桿之一的底座位于機構的下方；連桿之一的掩護梁或斜梁位于機構的上方；對于正四連桿機構的前連桿位于前方（左邊），后連桿位于后方（右邊）；前連桿與后連桿相比長度更長些；與掩護梁鉸接的前、后連桿上鉸接點間距小于與底座鉸接的前、后連桿下鉸接點間距；允許后連桿桿身中軸線不與兩端鉸接點連線重合，使得后連桿呈現偏心或彎曲；掩護梁上的三個鉸接點允許不在一條直線之上（三個鉸接點設計在一條直線上被廣泛采用，前連桿鉸接點位于另兩個鉸接點連線之下使得前連桿鉸接點所在截面抗彎能力更強，前連桿鉸接點位于另兩個鉸接點連線之上在反四連桿機構中采用較多）；掩護梁上的任意兩個鉸接點連線所在平面允許不與掩護梁頂板頂面平行（可使前連桿鉸接點處截面面積增大）。

2.2 配套設備對四連桿機構在支架總體布局位置的影響

采煤機、刮板輸送機是液壓支架在采煤工作面的配套設備，并形成支架前方至煤壁的距離的設計依據。

（1）梁端距指標對四連桿機構的影響

前面已分析過，梁端距對四連桿機構的影響有兩條：一是梁端距的數值區(qū)段，二是擺幅值。有時可能還有運動趨勢的要求。

（2）掩護梁背角的限制

一般來說，掩護梁背角掩護的作用是十分重要的，主要體現在減少掩護梁的水平投影距離和防止冒落到掩護梁頂面上的矸石不能自行下滑，影響支架升起。掩護梁背角的限制范圍具體是：掩護式支架一般在57°以上；支撐掩護式支架一般在60°以上；掩護梁背角應大于16.7°。

（3）后連桿水平夾角的限制

后連桿與水平面的夾角隨著支架高度的增加而增大。若此夾角接近90°，一旦后連桿、掩護梁手動指向煤壁方向的外力，后連桿繼續(xù)旋轉將導致此角大于90°，后連桿將無法自行復位。為防止這一現象發(fā)生，此角應不大于80°。

2.3 受力對液壓支架四連桿機構設計的影響

拋開受力研究四連桿機構設計優(yōu)化是毫無意義的。據經驗得知：四連桿機構中前后連桿所受載荷與液壓支架的工作阻力幾乎是同一數量級的。例如ZY9200液壓支架連桿受到的推拉力是在9200kN左右，而連桿鉸接點的耳板如果要在此拉力下安全工作，那么制作連桿主筋板就得用鋼板材料強度等級均不超過1000MPa的材質才可以。

2.4 低位放頂煤支架中間架對四連桿機構設計的影響

對于低位放頂煤支架中間架，由于放煤機構的設置，底座上前后連桿的鉸接點必須提高。放頂煤支架通常都是在最大極限高度稍低的位置工作，放煤機構對掩護梁的背角有特殊的要求，通常在35°左右，而對最小工作高度一般不必考慮，即沒有最小工作高度時掩護梁背角的要求，因此有的放頂煤支架最小極限高度時掩護梁背角為零，甚至為負值。放頂煤支架的掩護梁下端還要設置尾梁機構，掩護梁設計需要考慮的因素更為復雜。

2.5 薄煤層支架對四連桿機構設計的影響

薄煤層支架在最小極限高度時，頂梁與底座幾乎要緊靠在一起，平衡千斤頂與推移千斤頂幾乎要緊靠在一起，此時對底座上前連桿的下鉸接點高度提出了嚴格的限高條件。

2.6 其它約束條件對液壓支架四連桿機構設計的影響

如系列產品中為簡化設計，可考慮通過采用相同的頂梁組件、底座組件，只是更換掩護梁和前后連桿實現相同工作阻力不同極限高度支架的設計，以達到提高通用化水平，降低設計成本和風險。此時，可調整的參數數量被壓縮，增加了設計的困難。通常頂梁部件是液壓支架中長度最大的部件，有些礦井受罐籠裝運支架的影響，對支架部件的最大長度有限定，對于支架四連桿機構設計就是對掩護梁上頂掩鉸接點位置做出了限定，增加了設計的困難。

反四連桿機構中常采用單前連桿、單后連桿、Y形斜梁等，在其他支架設計中也有采用前單連桿后雙連桿或前雙連桿后單連桿的。掩護梁上平衡千斤頂耳座的位置、掩護梁上側推裝置中套筒的位置均對四連桿機構的設計產生影響，有時需要為此作出必要的調整。

結語

在液壓支架四連桿設計過程中，其中任何一個參數變化都會對梁端距數值與運動趨勢、掩護梁背角、前后連桿水平夾角、立柱長度、平衡千斤頂長度、支架重量、支護強度、底板比壓分布、行人通道寬度、構件強度、安裝間隙等產生影響，需綜合考慮。每個參數對考察指標的影響幅度是不同的，正在考察指標在得到改善的同時還改變了其它指標。只有通過長期摸索、試算，方能找到如何優(yōu)化的感覺?？梢哉f液壓支架四連桿機構方案設計沒有最好，只有更好，甚至只有滿足主要要求的相對較好的方案。

參考文獻

［1］苗耀華.液壓支架四連桿機構計算機輔助設計［J］.煤炭科學技術，2007，35（06）.

中圖分類號：TD355

文獻標識碼：A