6.2 m大采高支架頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔貝貝

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006)

0 引言

6.2 m大采高液壓支架作為一款較成熟產(chǎn)品，長期以來受到用戶的一致好評，但是隨著煤礦開采向綠色、安全、高效化發(fā)展，對原有6.2 m大采高支架也提出了更高的要求。通過多方調(diào)研，其存在的主要問題有：

(1)為了保證支架頂梁前端不被采煤機(jī)割到，通常要預(yù)留一定的安全距離，但由于大采高工作面采高較大，割煤后拉架速度較慢，導(dǎo)致空頂距過大，存在一定的片幫冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

(2)由于煤泥、煤灰等小顆粒物會(huì)隨著伸縮梁不斷收回而進(jìn)入頂梁前端內(nèi)部，時(shí)間一長就會(huì)積煤、擠死，致使伸縮梁出現(xiàn)別卡、卡死以及收不回等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

(3)由于支架護(hù)幫在割煤后要及時(shí)打出支撐煤幫，受力較大，導(dǎo)致一級護(hù)幫千斤時(shí)有損壞、護(hù)幫千斤與托梁鉸接銷時(shí)有變形，更換千斤和鉸接銷時(shí)，受托梁限位影響，必須將護(hù)幫打出一部分，伸到前端，漏出銷孔才可以取銷，這樣既不安全還效率極低。

基于以上問題，經(jīng)過認(rèn)真分析，現(xiàn)對6.2 m大采高支架頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 問題原因剖析與設(shè)計(jì)思路

1.1 割煤后空頂距過大問題

針對采煤工作面割煤后空頂距較大問題，通常采用以下兩種解決方案：

(1)采煤后快速拉架，及時(shí)消除空頂距，進(jìn)行有效支護(hù)。但是這種方案適合輕型支架，中薄煤層，對于大采高工作面，由于支架調(diào)高范圍大、移架速度慢，因而很難實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)，所以排除這一方案。

(2)在頂梁前端增設(shè)足夠長度和強(qiáng)度的伸縮護(hù)幫機(jī)構(gòu)，割煤后可以迅速打出伸縮護(hù)幫，代替頂梁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。6.2 m大采高支架本身帶有伸縮護(hù)幫機(jī)構(gòu)，但目前頂梁結(jié)構(gòu)使其伸出長度較短，不能滿足支護(hù)需求，所以考慮重新設(shè)計(jì)頂梁，通過優(yōu)化頂梁結(jié)構(gòu)，增加伸縮梁可伸長度，進(jìn)而保證伸縮梁可以深入到煤壁線之前進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，消除空頂距。

1.2 伸縮梁卡死、收不回問題

由于井下特殊的地質(zhì)條件，在伸縮梁不斷打出、收回的工作過程中，不可避免地會(huì)將煤泥、煤灰?guī)腠斄簝?nèi)部，時(shí)間越長，積煤越嚴(yán)重，最終影響伸縮梁的正常工作。雖然帶伸縮梁結(jié)構(gòu)的頂梁蓋板處均留有放煤口，但是由于頂梁是主要承載部件，為保強(qiáng)度，一般都不會(huì)留太多或者較大放煤孔，這一矛盾目前也是行業(yè)難題，因此考慮從兩方面入手，一方面是增加清煤孔設(shè)計(jì)，另一方面考慮增加強(qiáng)度，通過兩方面結(jié)合破解這一難題。

1.3 一級護(hù)幫千斤鉸接銷取銷困難問題

6.2 m大采高支架由于采高較大，所以配備“伸縮梁+托梁+二級護(hù)幫”結(jié)構(gòu)型式，為保證正常過機(jī)空間，所以伸縮護(hù)幫機(jī)構(gòu)限制較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，更換千斤和鉸接銷只能打出一部分后取銷，為快速安全取銷、更換千斤，考慮通過模擬千斤不受力狀態(tài)位置，優(yōu)化前端結(jié)構(gòu)，增設(shè)取銷孔，進(jìn)而解決此問題。

2 具體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述分析，本次設(shè)計(jì)采取先整體后局部、先內(nèi)部后外部的思路，分別從頂梁整體和具體部位著手進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 頂梁整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新頂梁要首先保證與原四連桿、立柱等部件的相對位置和鉸接尺寸不變，可直接整組替換現(xiàn)有6.2 m大采高支架頂梁，達(dá)到既保證支護(hù)強(qiáng)度同時(shí)又不影響整架使用和三機(jī)配套效果。所以設(shè)計(jì)時(shí)，頂梁柱窩后部分維持原有結(jié)構(gòu)不變，同時(shí)頂梁受力支護(hù)面積保持不變，通過調(diào)整支架側(cè)護(hù)板導(dǎo)桿銷孔位置、重新布置筋板位置、重新設(shè)計(jì)伸縮滑道，達(dá)到頂梁整體保持不變、前端腔體加長的目的，為伸縮梁可伸量加長做準(zhǔn)備，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可以看到，通過重新設(shè)計(jì)主筋機(jī)構(gòu)、調(diào)整防倒筒位置和側(cè)護(hù)板導(dǎo)桿位置、重新布置筋板和滑道，在保證頂梁整體和后部分不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了頂梁前端腔體加長300 mm的目的，同時(shí)端板做加厚設(shè)計(jì)，保證了伸縮梁伸出后與頂梁搭接部分的支撐強(qiáng)度。

1-端板加厚設(shè)計(jì);2-前端腔體加長設(shè)計(jì);3-筋板重新布置;4-導(dǎo)桿位置調(diào)整;5-防倒筒重新布置

2.2 局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 頂梁前端滑道蓋板設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)帶伸縮梁結(jié)構(gòu)的支架頂梁滑道及放煤口部分均為如圖2所示結(jié)構(gòu)型式，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是易積煤，尤其是井下潮濕的環(huán)境，煤泥不易掉下。本設(shè)計(jì)增加滑道蓋板，蓋板與滑道焊后齊平，從根本上消除了積煤死角，同時(shí)增加了板結(jié)構(gòu)有利于增加支架頂梁前端的抗彎和抗扭強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-滑道;2-積煤死角;3-放煤口

1-新增滑道蓋板;2-蓋板與滑道平齊

2.2.2 雙層蓋板設(shè)計(jì)

為有效放煤，設(shè)計(jì)增加放煤口數(shù)量和放煤口面積，為保證頂梁支護(hù)強(qiáng)度，做雙層蓋板設(shè)計(jì)(見圖4)，通過增大腔體截面積提升抗彎、抗拉強(qiáng)度。新結(jié)構(gòu)經(jīng)過邁實(shí)軟件校核，抗彎和抗拉強(qiáng)度相較之前增大了近5%，有效保證了頂梁的支撐強(qiáng)度。

1-新增雙層蓋板;2-放煤孔數(shù)量和面積大幅增加

2.2.3 清煤口設(shè)計(jì)

增設(shè)滑道蓋板后，不存在原先的積煤凹槽，單考慮伸縮梁的擠壓力量大，仍然會(huì)在滑道死角處留存少量煤泥，所以，在頂梁前端蓋板上下雙側(cè)分別開設(shè)清煤口(見圖5)，定期進(jìn)行輔助清理，配合放煤孔，使滑道內(nèi)始終清潔，進(jìn)而保證伸縮梁的移動(dòng)流暢，提高支護(hù)效率。

圖5 上下清煤口

2.2.4 一級護(hù)幫千斤鉸接銷取銷孔設(shè)計(jì)

將一級護(hù)幫收回，置于不受力狀態(tài)，記錄此時(shí)千斤與托梁鉸接銷位置，同時(shí)在此位置頂梁內(nèi)主筋上增設(shè)取銷孔，取銷孔采用突出設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)一方面解決了鉸接銷取銷困難問題，可以保證主筋強(qiáng)度，另一方面還可以對護(hù)幫收回極限位置進(jìn)行限位，防止擠壓膠管。新增凸出取銷孔如圖6所示。

1-頂梁;2-新增凸出取銷孔;3-托梁位置

3 新頂梁三維模型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 三維模型

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后，對頂梁做整體三維建模，如圖7所示。

1-加厚端板;2-內(nèi)側(cè)滑道增加蓋板設(shè)計(jì);3-凸出取銷孔;4-雙側(cè)蓋板;5-雙側(cè)輔助上下清煤孔;6-死角處放煤口;7-柱窩與鉸接尺寸保持不變

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

經(jīng)上述優(yōu)化后，新頂梁具有以下特點(diǎn)：

(1)頂梁結(jié)構(gòu)與性能大幅優(yōu)化，整體鉸接尺寸保持不變，可與支架原有其他部件正常配合使用。

(2)新頂梁前端腔體加長約300 mm，配合伸縮梁可有效縮短割煤后的空頂距，防止片幫冒頂事故發(fā)生。

(3)新增滑道蓋板和清煤孔設(shè)計(jì)，既從根本上解決了原支架伸縮梁由于積煤卡死和收不回問題，還提升了支架前端滑道部分約5%的支護(hù)強(qiáng)度。

(4)新增取銷孔設(shè)計(jì)，從根本上解決了一級護(hù)幫千斤與托梁鉸接銷取銷困難問題，優(yōu)化了產(chǎn)品性能，提升了支護(hù)效率。

4 結(jié)語

新頂梁在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后大幅縮短了割煤后空頂距，避免了伸縮梁別卡和收不回現(xiàn)象，同時(shí)可快速拔銷更換護(hù)幫千斤，不但提升了整架支護(hù)效率，而且能有效防止片幫和冒頂事故發(fā)生，對大采高工作面頂板管理有良好效果，可廣泛適用于6 m左右煤層一次采全高工作面。