煤礦綜采液壓支架的設(shè)計(jì)分析

顧 銳

0 引言

在煤礦機(jī)械化綜采的過(guò)程中，液壓支架是最常用的支護(hù)設(shè)備，它靠機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)的配合對(duì)頂板巖層提供恒久的支撐力，保證頂板的安全。加上運(yùn)輸方便、操作簡(jiǎn)單及便于回收利用等特點(diǎn)，在煤礦開(kāi)采中有大量應(yīng)用，液壓支架的可靠性直接關(guān)系到工作人員的人身安全[1]，因此，液壓支架的設(shè)計(jì)過(guò)程必須有一個(gè)嚴(yán)格的規(guī)范。

1 液壓支架的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 液壓支架的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，液壓支架主要包括頂梁、立柱、掩護(hù)梁、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、連桿、底座、推移裝置、護(hù)幫裝置及控制系統(tǒng)等部分。

頂梁直接與頂板接觸屬于承載部件，起到傳遞支撐力的作用。常見(jiàn)的頂梁有整體式和分段鉸接式兩種結(jié)構(gòu)，整體式頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，可提供較大的前端支撐力。但由于尺寸的限制不利于運(yùn)輸及安裝。鉸接式頂梁和頂板的貼合性?xún)?yōu)于整體式頂梁，便于安裝及運(yùn)輸，但鉸接結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可提供的前端支撐力較小[2]。

立柱包括缸體、活柱、導(dǎo)向套和密封件等零部件，多以球面連接的方式連接底座和頂梁或掩護(hù)梁，它的作用是調(diào)節(jié)支架高度并提供恒久支撐力，需要有足夠的強(qiáng)度機(jī)良好的密封性能。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

掩護(hù)梁一段端連接頂梁，另一端連接底座或連桿，承受水平方向的力及垮落下來(lái)的頂板巖石壓力，防止冒落的矸石滾入支架內(nèi)部損壞一些零部件。

活動(dòng)側(cè)護(hù)板包括千斤頂、彈簧、導(dǎo)向桿和結(jié)構(gòu)件部分，安裝在掩護(hù)梁或連桿側(cè)面，可對(duì)支架一定寬度范圍進(jìn)行微調(diào)。是一種輔助裝置。

底座直接和底板接觸，主要作用是支撐整個(gè)立柱及立柱受到的外力。常用底座包括整體式和分體式兩種結(jié)構(gòu)。整體式底座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，底板比壓小。分體式結(jié)構(gòu)排矸性好，穩(wěn)定性及對(duì)軟底板的適應(yīng)能力較差。

推移裝置主要用于引動(dòng)支架和臨近的順槽輸送機(jī)。一般連接在液壓支架和輸送機(jī)之間。

控制系統(tǒng)有液控和電液雙控兩種方式。根據(jù)動(dòng)作執(zhí)行的方式又分為直接式控制和先導(dǎo)式控制。直接控制手動(dòng)操縱閥來(lái)實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作。這種控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于維護(hù)，采購(gòu)成本低，但對(duì)相鄰支架的控制稍顯欠缺。液壓先導(dǎo)控制系統(tǒng)在小流量先導(dǎo)閥、多芯管及主控閥的配合作用下實(shí)現(xiàn)支架的控制，這種控制方式方便快捷，便于實(shí)現(xiàn)相鄰支架控制[3]。

1.2 液壓支架的工作原理

液壓直接的工作原理就是通過(guò)特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)將高壓液體的壓力轉(zhuǎn)化為支撐力。液壓支架的工作介質(zhì)是乳化液，由乳化液泵站供應(yīng)。當(dāng)高壓乳化液通過(guò)管路進(jìn)入立柱后，就給立柱的升起提供了推力，頂梁接觸頂板后開(kāi)始初撐頂板，頂板壓力與支架支撐力達(dá)到平衡后，利用安全閥來(lái)鎖住立柱，提供恒久支撐力[4]。

2 液壓支架的設(shè)計(jì)要求

（1）具有穩(wěn)定性。一個(gè)穩(wěn)定安全的液壓支架不僅能適應(yīng)頂板的下沉量，防止上方冒頂，而且能有效保證支架的前方的安全性。同時(shí)不能出現(xiàn)陷底的現(xiàn)象。

（2）保證工作空間的安全。液壓支架需要有足夠的輔助設(shè)施來(lái)排矸及防矸，有效保證安全的操作空間。也要具有可靠照明、通風(fēng)及通訊功能。

（3）對(duì)煤礦頂板及地板具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

（4）保證完整的工作循環(huán)及與配合設(shè)備的準(zhǔn)確接口。

（5）便于安裝、運(yùn)輸、操作及維護(hù)。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)典型零部件設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

3.1 支架主要尺寸的確定

（1）支架高度

為了在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同的煤層高度，支架需要具有一定的調(diào)高的范圍，調(diào)高范圍小的支架對(duì)每層高度的適應(yīng)性就小，如果支架調(diào)高的范圍過(guò)大會(huì)支架的強(qiáng)度就會(huì)變差，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)煤層中平均采煤的高度來(lái)設(shè)計(jì)液壓支架的高度，這些煤層的高度資料需要讓礦方詳細(xì)提供并消化吸收。

其中：Hmax-支架最大高度；

Hmin-支架最小高度；

Mmax-最大采高；

Mmin-最小采高；

Ks1-厚度上波動(dòng)系數(shù)，1.1～1.3；

Ks2-厚度下波動(dòng)系數(shù)，0.8～0.9。

本次設(shè)計(jì)支架最大高度為2 600 mm，最小高度為1 200 mm。

（2）支架間距及寬度

“大夫說(shuō)你身體虛弱，要好好調(diào)理?！彼銎鹞?，雙目相交，他眼中依然是一片不見(jiàn)底的漩渦，讓我不由自主地沉溺。

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)支架的形式來(lái)確定的支架的間距，同時(shí)根據(jù)運(yùn)輸條件、調(diào)架要求及支架的安裝要求設(shè)計(jì)合理的支架寬度。支架寬度的計(jì)算公式為[5]：

b=B+nC

其中：b-支架間距；

B-頂梁寬度；

C-頂梁間隙；

n-每架的組架或框架術(shù)。

本次設(shè)計(jì)間距取為1 500 mm。

（3）底座長(zhǎng)度

底座設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的第一要素是盡可能降低支架對(duì)底板的接觸比壓，避免陷底。還要為立柱和液壓控制裝置預(yù)留安裝空間。留出工作人員的行走及工作空間。

3.2 雙紐線機(jī)構(gòu)的確定

雙紐線機(jī)構(gòu)由掩護(hù)梁、底座和前、后連桿鉸接組成。雙紐線機(jī)構(gòu)使頂梁上各點(diǎn)呈雙紐線運(yùn)動(dòng)，保證支架在升降過(guò)程中頂梁端面距變化較小。

（2）雙紐線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

支架高度調(diào)解時(shí)，頂梁端點(diǎn)運(yùn)距離變化不能超過(guò)70 mm，理想情況下要小于30 mm；支架在極限位置時(shí)，連桿或支柱間的夾角要設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。另外，設(shè)計(jì)軌跡曲線時(shí)，將雙紐線向前凸的一段作為工作段，保證支架有良好的承受力狀態(tài)。

3.3 頂梁設(shè)計(jì)

（1）基本概念

頂梁在支架的最上端與頂板直接接觸是重要的承載件，承受頂板的壓力，需要有足夠的剛度和強(qiáng)度。

（2）頂梁計(jì)算

L=[M+N+A cosθ]-[G cos P+300+e]

其中：M-配套尺寸，M=2 088 mm；

N-底座尺寸，N=2 240 mm；

A-后連桿長(zhǎng)度；

G-掩護(hù)梁長(zhǎng)度；

P-掩護(hù)梁與水平面的夾角，P=56°；

θ-后連桿與水平面的夾角，P=83°；

計(jì)算圓整得到頂梁長(zhǎng)度L=2 950 mm。[4]

3.4 液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)主要包括前立柱、壓力指示器、安全閥、液控單向閥、后立柱、側(cè)推千斤頂、掩護(hù)梁側(cè)推千斤頂、護(hù)幫千斤頂、雙向液控單向閥、操縱閥、推移千斤頂、前梁千斤頂?shù)炔糠?。本次設(shè)計(jì)采用鄰架控制方式，管路接頭采用快拆式，工作介質(zhì)為乳化液。

4 支架的受力計(jì)算方法

工組中的液壓支架處于受力平衡平衡狀態(tài)?？衫闷矫鏃U系進(jìn)行受力分析。圖2為以支架不同部分為研究為向的受力簡(jiǎn)圖。已知：Pt為立柱的推力，Pt=1 145 kN，P8為平衡千斤頂?shù)耐屏Γ?43 kN）或拉力（294.17 kN）。求F1、F1′及作用點(diǎn)位置[6]。

圖2 受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)P8為推力時(shí)，w=0.3，α1=18°，α2=56°，h2=100，h3=200得到F1=837 kN，X=1.22 m。

當(dāng)P8為推力時(shí)，w=0，α1=18o，α2=56o，h2=100 ，h3=200得到F1=1 165 kN，X=0.72 m。

可以看出當(dāng)平衡千斤頂為推力且w=0時(shí)，F(xiàn)1最小。當(dāng)平衡千斤頂為拉力且w=0.3時(shí)，F(xiàn)1最大，故對(duì)頂梁進(jìn)行強(qiáng)度核算時(shí)，按受力最大狀態(tài)計(jì)算。

5 結(jié)論

液壓支架的設(shè)計(jì)是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算的過(guò)程，需要結(jié)合煤礦煤層高度、開(kāi)采高度差、地質(zhì)特點(diǎn)、巷道尺寸限制等因素綜合考慮，本文通過(guò)對(duì)煤礦支護(hù)用液壓支架的結(jié)構(gòu)及工作原理的簡(jiǎn)單分析，整理了液壓支架典型零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程及計(jì)算方法，為液壓支架的合理設(shè)計(jì)提供一定的參考。