一種新型礦用液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

張大偉李炳文，邵政杰，丁林海

(1.西安重工裝備制造集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)械研究所，江蘇 徐州 221000；3.西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司，陜西 銅川 727031)

0 引言

由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)械研究所設(shè)計(jì)，西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司制造的ZY12000/32/55D新型液壓支架在第十七屆中國(guó)國(guó)際煤炭采礦技術(shù)交流及設(shè)備展覽會(huì)上進(jìn)行了展出，引起了各個(gè)方面的關(guān)注。筆者就全國(guó)各個(gè)礦井普遍使用的液壓支架與該型液壓支架結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析介紹及對(duì)比。

1 液壓支架發(fā)展情況

從20世紀(jì)40年代開始使用綜合采煤機(jī)械化以來(lái)，采煤工作面支護(hù)裝備經(jīng)過(guò)了兩次大的變革。最早使用的綜采液壓支架是支撐式液壓支架，也稱為垛式液壓支架，是由英國(guó)人發(fā)明的，也可以說(shuō)是第一代綜采液壓支架，如圖1所示。

圖1 支撐式液壓支架

20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)人發(fā)明了具有四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架，是液壓支架的第二次重大變革。具有四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架最早使用于煤層較薄的采煤工作面，后經(jīng)民主德國(guó)和英國(guó)的發(fā)展，四連桿液壓支架也使用在較厚煤層的采煤工作面。四連桿支架主要有兩柱式和四柱式2種支架，其中：兩柱式稱為掩護(hù)式支架，如圖2所示，四柱式稱為支撐掩護(hù)式支架，如圖3所示。

圖2 兩柱(掩護(hù)式)四連桿液壓支架

圖3 四柱(支撐掩護(hù)式)四連桿液壓支架

四連桿支架于20世紀(jì)80年代引入我國(guó)，經(jīng)過(guò)我國(guó)兩代科研人員和煤炭人的努力，四連桿支架的支架高度、工作阻力及技術(shù)可靠性得到了大的發(fā)展，并在我國(guó)煤礦得到了廣泛的應(yīng)用，是目前我國(guó)最主要的綜采工作面支護(hù)裝備。

在四連桿液壓支架的基礎(chǔ)上，我國(guó)又衍生出放頂煤液壓支架、反四連桿支架等其余的多種架型，但最主要的還是掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式液壓支架。

2 新型礦用液壓支架

該新型液壓支架如圖4所示，取消了四連桿機(jī)構(gòu)，采用了“二次搖桿技術(shù)”和“懸浮液壓技術(shù)”。與四連桿支架相比具有較大的行人空間和抗沖擊能力，能適用于沖擊地壓和瓦斯突出的綜采工作面的頂板支護(hù)。

圖4 新型礦用液壓支架

2.1 懸浮液壓技術(shù)

懸浮液壓技術(shù)主要體現(xiàn)在該支架采用了懸浮立柱，如圖5所示。懸浮立柱借鑒了懸浮式單體支柱的原理，即活柱內(nèi)腔與活塞腔相通，這樣液壓懸浮力直接通過(guò)立柱活柱的內(nèi)腔作用在柱頭上，使液壓懸浮力分擔(dān)了大部分支柱的工作阻力，提高了立柱的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 懸浮立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 二次搖桿技術(shù)

二次搖桿即是把掩護(hù)梁與頂梁分別看做一個(gè)單擺桿，合起來(lái)稱為二次搖桿。主動(dòng)支撐時(shí)，依靠調(diào)節(jié)千斤頂?shù)闹瘟?，使頂梁后端切頂線先與頂板接觸，然后立柱上升，使頂梁旋轉(zhuǎn)，慢慢貼合頂板，對(duì)頂板的破壞力要比四連桿支架的小。 被動(dòng)支撐時(shí)，頂板施加的壓力，通過(guò)掩護(hù)梁直接傳遞到立馬與底座上，相比四連桿支架通過(guò)前、后連桿的二次傳遞，能承受更大的壓力。

3 新型礦用液壓支架與四連桿支架的對(duì)比

3.1 兩種支架的區(qū)別

新型礦用液壓支架與目前普遍使用的液壓支架最主要的區(qū)別是取消了四連桿支架的前后連桿，掩護(hù)梁直接與底座剛性連接，用2個(gè)調(diào)節(jié)千斤頂替代了掩護(hù)式支架中的平衡千斤頂，采用大行程推移千斤頂調(diào)節(jié)支架的梁端距，立柱結(jié)構(gòu)采用單伸縮懸浮式結(jié)構(gòu)。

四連桿支架掩護(hù)梁與底座之間通過(guò)前后連桿連接，在支架從高到低變化時(shí)，能夠很好地調(diào)節(jié)頂梁前端做近似垂直的直線運(yùn)動(dòng)，有利于支架與煤壁之間的梁端距控制；但是四連桿連接屬于軟連接，不能直接承受頂板壓力，頂板壓力全部依靠立柱來(lái)承受。

3.2 新型礦用液壓支架的特點(diǎn)

通過(guò)已經(jīng)加工完成的ZY12000/32/55D新型礦用液壓支架與西安重工公司為陜西某煤礦生產(chǎn)的ZY12000-25.5-50D四連桿支架在滿足相同的三機(jī)配套關(guān)系下，進(jìn)行如下對(duì)比。

立柱缸徑：新型礦用液壓支架取消了四連桿機(jī)構(gòu)，掩護(hù)梁直接與底座進(jìn)行剛性連接，調(diào)節(jié)千斤頂連接掩護(hù)梁與底座，不僅調(diào)節(jié)頂梁的姿態(tài)，還可以提供部分支撐力。在支架工作時(shí)，調(diào)節(jié)千斤頂與掩護(hù)梁可以分擔(dān)部分頂板承受的壓力，因此減少了立柱承受的壓力。在支架工作阻力相同的情況下，立柱的缸徑可以減小一個(gè)規(guī)格。 ZY12000/25.5/50D四連桿液壓支架的立柱缸徑為φ420 mm，立柱安全閥的調(diào)定工作壓力為43.3 MPa；而相同工作阻力的新型礦用液壓支架ZY12000/32/55D的立柱缸徑為φ400 mm，立柱安全閥的調(diào)定壓力為43.5 MPa，兩者相比，可以發(fā)現(xiàn)在調(diào)定壓力基本相同的情況下，同為12 000 kN的支架立柱缸徑可以減少一個(gè)規(guī)格。

支架重量：新型支架重量比四連桿支架輕，能減少采購(gòu)成本，通過(guò)比較，新型支架的重量比相同工作阻力、高度的掩護(hù)式液壓支架重量減輕約10%。ZY12000/25.5/50D四連桿液壓支架的重量為41.4 t，新型礦用液壓支架ZY12000/32/55D的重量為37.9 t。兩架相比，在工作阻力相同，支架高度比四連桿液壓支架還高0.5 m的情況下，新型礦用液壓支架的重量反而輕了3.5 t左右。

架內(nèi)空間：新型支架架內(nèi)空間大、人行道是四連桿液壓支架人行道寬度的2倍以上，不僅便于行人，而且工作面通風(fēng)面積加大，更適用于瓦斯突出工作面。其優(yōu)勢(shì)在薄煤層支架上更加明顯，不僅可加大通風(fēng)面積，并且可使液壓系統(tǒng)管路更容易布置。ZY12000/25.5/50D四連桿液壓支架的人行通道寬度為0.65 m左右，新型礦用液壓支架ZY12000/32/55D的人行通道寬度為1.5 m。新型礦用液壓支架的人行道寬度為四連桿支架的2倍多。

底座前端比壓：新型支架力的傳遞更加直接。頂梁所承受的壓力和水平力，可通過(guò)掩護(hù)梁直接作用在支架的底座上，能有效降低支架底座前端比壓，承受更大的水平力與頂板壓力。經(jīng)計(jì)算，新型礦用液壓支架ZY12000/32/55D底座后端對(duì)底板比壓大于前端底板比壓，此情況正好與四連桿支架相反，可以消除四連桿支架底座前端扎底及移架時(shí)相對(duì)困難的情況。

整體防護(hù)性：新型礦用液壓支架后部的整體防護(hù)性更好。因新型礦用液壓支架底座后部的立馬采用固定式整體結(jié)構(gòu)，且相對(duì)較高，能有效阻擋支架后補(bǔ)采空區(qū)冒落的矸石涌入支架內(nèi)部。同時(shí)新型礦用液壓支架在降架的過(guò)程中掩護(hù)梁沒(méi)有向后的趨勢(shì)，與四連桿液壓支架相比，杜絕了因支架后部有大塊矸石阻擋而不能使支架下降的情況。

通用性：新型礦用液壓支架采用大行程推移千斤頂調(diào)節(jié)梁端距，能適應(yīng)不同截深的采煤機(jī)需求，使三機(jī)配套時(shí)選型更容易，支架的通用性更好。目前，各個(gè)采煤工作面使用的液壓支架基本上都不相同。有時(shí)在同一個(gè)煤礦的2個(gè)工作面，因?yàn)椴擅簷C(jī)或刮板輸送機(jī)的改變，為了控制梁端距，液壓支架也要跟著進(jìn)行改變。如果采用新型礦用液壓支架后，支架的梁端距可以通過(guò)推桿進(jìn)行輕易的調(diào)節(jié)，提高了支架的通用性。

標(biāo)準(zhǔn)化：更易實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及系列化設(shè)計(jì)。對(duì)于立柱缸徑相同，支架高度不一樣的液壓支架，通過(guò)更換掩護(hù)梁、立馬和立柱就能實(shí)現(xiàn)，頂梁和底座可以重復(fù)借用。這樣，能降低不同架型支架的設(shè)計(jì)任務(wù)量，使設(shè)計(jì)出圖的時(shí)間縮短，降低了生產(chǎn)周期。

3.3 新型礦用液壓支架存在的問(wèn)題

梁端距：因?yàn)樵撝Ъ艿牧憾俗兓€是以掩護(hù)梁為半徑，立馬處銷軸為圓心的圓弧，所以梁端距變化大。在工作面采高范圍變化較大時(shí)需要通過(guò)推桿伸出一定的距離來(lái)調(diào)節(jié)梁端距。但是具體伸出多少不是一個(gè)固定的數(shù)值，怎樣控制梁端距在一個(gè)合理的范圍使采煤機(jī)割煤時(shí)不割到頂梁，不易掌握。

支架排列：工作面方向采高范圍變化較大時(shí)，新型礦用液壓支架群組的隊(duì)列保持與推進(jìn)控制不易掌握。為了調(diào)節(jié)梁端距，必將導(dǎo)致底座在井下排列時(shí)并不是一條直線，打破了傳統(tǒng)的“三直一平”的規(guī)則，為井下的布置及使用帶來(lái)新的困難。

4 結(jié)語(yǔ)

新型礦用液壓支架存在許多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的問(wèn)題。特別是其在群組控制及隊(duì)列保持、復(fù)雜條件下支架的控制等方面還需進(jìn)行更深入的研究。有些未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在工業(yè)性試驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)不斷涌現(xiàn)。但在液壓支架結(jié)構(gòu)形式幾十年沒(méi)有改變的情況下，也不失為一次新的大膽嘗試與創(chuàng)新。