基于力學(xué)平衡理論的三柱式液壓支架研制

徐方兵 秦耀東 王 文

(新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)服務(wù)分公司，山東 泰安 271413)

目前礦井施工普遍采用液壓支架支護(hù)，我國煤層條件復(fù)雜多變，由于頂板的不平整性，頂板對液壓支架的壓力存在側(cè)向分力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的側(cè)向載荷，并極易引起掩護(hù)梁損壞、倒架及下滑等重大安全事故[1]。但現(xiàn)有二柱式與四柱式等典型液壓支架承受側(cè)向力能力較差，不能滿足煤礦安全生產(chǎn)的總體要求，因此，本文設(shè)計(jì)了一種三柱式液壓支架。針對三根立柱在三大類九種典型工況下的不同布置形式，采用力學(xué)平衡理論對液壓支架對頂板及圍巖支撐的頂板壓力與側(cè)向力等進(jìn)行分析，根據(jù)整架受力均衡及側(cè)向力載荷最小的目標(biāo)分析得到三柱支撐的最優(yōu)布置方式。采用電液系統(tǒng)控制三柱液壓缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了液壓支架自動(dòng)控制，有效降低煤礦井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了現(xiàn)有支架側(cè)向力承載能力差的問題，提高了井下施工效率及安全性。

1 三柱式液壓支架的總體設(shè)計(jì)

1.1 三柱式液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓支架是礦井施工的重要支護(hù)設(shè)備[2]，該三柱式液壓支架主要由三柱支撐機(jī)構(gòu)、掩護(hù)梁、頂梁、底座、伸縮梁等部分組成，如圖1所示。

其中，支撐機(jī)構(gòu)由三根立柱4組成，向上與頂梁8相連，向下通過耳座2與底座3相連。頂梁8的前端鉸接有伸縮梁9，伸縮梁9鉸接有護(hù)幫板10。液壓支架工作時(shí)，支撐機(jī)構(gòu)支撐并頂住頂部圍巖，用于承受圍巖作用在底座3與頂梁8之間的垂直方向的載荷和其他方向的側(cè)向載荷。通過調(diào)節(jié)千斤頂?shù)纳炜s長度，使掩護(hù)梁向后展開，從而頂住后部圍巖。

1.2 三柱式液壓支架的工作原理

該液壓支架工作時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)將液壓力轉(zhuǎn)化為支撐力。高壓油液輸入立柱后，驅(qū)動(dòng)立柱的活塞桿伸出，并提供支撐力，頂梁接觸頂板后開始初撐頂板。頂板壓力與支架支撐力達(dá)到平衡后，由液壓雙向鎖來鎖緊立柱，提供穩(wěn)固的支撐力。

圖1 三柱式液壓支架的結(jié)構(gòu)示意圖

該三柱式液壓支架通過控制三根立柱對液壓支架進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，其液壓回路如圖2所示。

圖2 液壓支架立柱支撐回路

該液壓支架工作過程如下：

首先是升柱過程。閉式液壓控制系統(tǒng)通電后，液壓油由第一液壓泵（3）加壓后經(jīng)第一換向閥（11）的P口和B口、液壓雙向鎖（17）輸送至立柱液壓缸Ⅰ（14）的無桿腔，立柱液壓缸Ⅰ（14）有桿腔內(nèi)的液壓油則在壓力下經(jīng)液壓雙向鎖（17）、第一換向閥（11）的A口和T口輸送至第一液壓泵（3）的進(jìn)油口，立柱液壓缸Ⅰ（14）的活塞桿上升。

液壓油由第二液壓泵（2）加壓后經(jīng)第二換向閥（10）的P口和B口、液壓雙向鎖（16）輸送至立柱液壓缸Ⅱ（13）的無桿腔，立柱液壓缸Ⅱ（13）有桿腔內(nèi)的液壓油則在壓力下經(jīng)液壓雙向鎖（16）、第二換向閥（10）的A口和T口輸送至第二液壓泵（2）的進(jìn)油口，立柱液壓缸Ⅱ（13）的活塞桿上升。

液壓油由第三液壓泵（5）加壓后經(jīng)第三換向閥（12）的P口和B口、液壓雙向鎖（18）輸送至立柱液壓缸Ⅲ（15）的無桿腔，立柱液壓缸Ⅲ（15）有桿腔內(nèi)的液壓油則在壓力下經(jīng)液壓雙向鎖（18）、第三換向閥（12）的A口和T口輸送至第三液壓泵（5）的進(jìn)油口，立柱液壓缸Ⅲ（15）的活塞桿上升。

然后進(jìn)入支撐過程。閉式液壓控制系統(tǒng)暫時(shí)斷電后，第一液壓泵（3）、第二液壓泵（2）和第三液壓泵（5）關(guān)閉，第一換向閥（11）的P口B口A口T口、第二換向閥（10）的P口B口A口T口和第三換向閥（12）的P口B口A口T口關(guān)閉，立柱液壓缸Ⅰ（14）的活塞桿、立柱液壓缸Ⅱ（13）的活塞桿和立柱液壓缸Ⅲ（15）的活塞桿停止上升。

最后是降柱過程。閉式液壓控制系統(tǒng)通電后，液壓油由第一液壓泵（3）加壓后經(jīng)第一換向閥（11）的P口和A口、液壓雙向鎖（17）輸送至立柱液壓缸Ⅰ（14）的有桿腔，立柱液壓缸Ⅰ（14）無桿腔內(nèi)的液壓油則在壓力下經(jīng)液壓雙向鎖（17）、第一換向閥（11）的B口和T口輸送至第一液壓泵（3）的進(jìn)油口，立柱液壓缸Ⅰ（14）的活塞桿下降。

液壓油由第二液壓泵（2）加壓后經(jīng)第二換向閥（10）的P口和A口、液壓雙向鎖（16）輸送至立柱液壓缸Ⅱ（13）的有桿腔，立柱液壓缸Ⅱ（13）無桿腔內(nèi)的液壓油則在壓力下經(jīng)液壓雙向鎖（16）、第二換向閥（10）的B口和T口輸送至第二液壓泵（2）的進(jìn)油口，立柱液壓缸Ⅱ（13）的活塞桿下降。

液壓油由第三液壓泵（5）加壓后經(jīng)第三換向閥（12）的P口和A口、液壓雙向鎖（18）輸送至立柱液壓缸Ⅲ（15）的有桿腔，立柱液壓缸Ⅲ（15）無桿腔內(nèi)的液壓油則在壓力下經(jīng)液壓雙向鎖（18）、第三換向閥（12）的B口和T口輸送至第三液壓泵（5）的進(jìn)油口，立柱液壓缸Ⅲ（15）的活塞桿下降。

2 液壓支架的三柱支撐方式優(yōu)化

在三柱式液壓支架中，將三根液壓支柱在頂梁上按三角形排列，三根立柱有多種布置形式，比較各種布置形式的三根立柱的受力情況,從而確定出一種最佳的布置形式[3]。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐可得，三柱采用前一后二布置時(shí)，三根立柱的受力比較均勻。即當(dāng)三根立柱采用前端一根立柱，后端兩根立柱位置分布時(shí)，三根立柱有三種布置形式。由實(shí)際工況可得，△ABC為等腰三角形時(shí)，受力最優(yōu)，如圖3所示。

X軸和頂梁□JKMN的橫向中軸線重合，A點(diǎn)在X軸上，B、C兩點(diǎn)分別在X軸的兩側(cè)，且B點(diǎn)到X軸的距離等于C點(diǎn)到X軸的距離，△ABC為等腰三角形

同理，對三根立柱進(jìn)行力學(xué)分析：

又L10=L11，L7=0.4m，L8=2m，L9=0.8m，可 得Fa=11.28q，F(xiàn)b=Fc=0.96q。

當(dāng)三根立柱采用“前一后二”位置分布時(shí)，三根立柱呈等腰三角形布置，并關(guān)于頂梁的中軸線對稱，這樣可以保證三柱式液壓支架對于礦面來壓的均衡承壓，避免造成支柱損壞。

圖3 三柱前一后二布置

三柱式液壓支架在受到側(cè)向力時(shí)支撐機(jī)構(gòu)受力簡圖如圖4所示。圖中A、B、C為各立柱與頂梁的接觸點(diǎn)，a、b、c為各立柱與底座的接觸點(diǎn)，p1、p2、p3為各立柱的工作阻力，θ1、θ、θ3為各立柱與底座的夾角(取銳角)，φ1、φ2、φ3為各立柱阻力在頂梁投影與坐標(biāo)系X-Y-Z的夾角。

圖4 三柱式液壓支架的受力簡圖

立柱對頂梁的作用力為:

由式可知，三柱式液壓支架在工作狀態(tài)時(shí)具有三向受力的特點(diǎn)[4,5]，與現(xiàn)有的二柱式和四柱式液壓支架相比，三柱式液壓支架具有抵抗顯著側(cè)向力的能力。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用

根據(jù)采煤施工現(xiàn)場需求，基于液壓支架結(jié)構(gòu)與工作原理，本文設(shè)計(jì)了三柱式液壓支架。通過詳細(xì)的理論計(jì)算，得到整架機(jī)械圖紙，并在煤礦井下進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

現(xiàn)場試驗(yàn)前，根據(jù)MT312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》及Q/PMJ20-2009《ZY9200/12.3/22.3D型掩護(hù)式液壓支架技術(shù)條件》，對液壓支架整架、部件進(jìn)行抽樣，詳細(xì)記錄，并形成技術(shù)報(bào)告。支架運(yùn)輸過程中需要注意如下問題：

（1）運(yùn)輸途中起吊和裝運(yùn)防止重摔、倒架。如圖5所示。

（2）應(yīng)進(jìn)行地面聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)，包括支架、采煤機(jī)、輸送機(jī)、乳化液泵站、移動(dòng)變電站等。

（3）若整體下井應(yīng)將支架降到最低位置，并裝在轉(zhuǎn)運(yùn)小車上。若解體下井應(yīng)將支架拆卸，分組編號裝在小車上。

（4）采用專用轉(zhuǎn)運(yùn)小車裝架，防止倒架。支架正式下井前，應(yīng)確定運(yùn)輸路徑無卡碰方可正式下井。

試驗(yàn)結(jié)果表明：液壓支架性能指標(biāo)滿足要求，整架防側(cè)向力能力增強(qiáng)，極大提高了支護(hù)安全性。

圖5 液壓支架現(xiàn)場施工

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有四柱式與二柱式液壓支架承受側(cè)向力能力差的問題，設(shè)計(jì)了一種三柱式液壓支架。對液壓支架在不同布置形式下的三根立柱進(jìn)行受力分析與比較，三根立柱最終采用“前一后二”的支撐方式，并且三根立柱呈等腰三角形布置。對液壓支架受到側(cè)向力時(shí)進(jìn)行受力分析，證明了三柱式液壓支架具有顯著抵抗側(cè)向力的能力，降低了煤礦井下工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率以及礦井施工的安全性。