液壓支架可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

王蒼勁

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備有限公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤炭企業(yè)在綜采工作面進(jìn)行煤炭生產(chǎn)的重要生產(chǎn)設(shè)備，是頂板壓力、采空區(qū)矸石承受的主要設(shè)備，液壓支架的強(qiáng)度可靠性對(duì)于企業(yè)安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-5]。在我國(guó)，厚煤層的煤炭產(chǎn)量占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的48%以上，是我國(guó)煤炭生產(chǎn)的主要煤層。我國(guó)的大采高厚煤層液壓支護(hù)具有高度高、支護(hù)強(qiáng)度大、圍巖控制困難、支架穩(wěn)定性不高等問(wèn)題，現(xiàn)階段液壓支護(hù)技術(shù)可靠性亟需提高。針對(duì)這一現(xiàn)象本文擬結(jié)合國(guó)外的相關(guān)技術(shù)對(duì)大采高厚煤層液壓支架技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造，以提高大采高厚煤層液壓支架的安全可靠性，提升綜采工作面的煤炭生產(chǎn)效率。

1 液壓支架選型與參數(shù)確定

1.1 液壓支架選型

大采高厚煤層的液壓支架主要有兩柱掩護(hù)式和四柱掩護(hù)式兩種架型。西方國(guó)家在煤礦開采中多采用四柱掩護(hù)式，而我國(guó)一般采用兩柱掩護(hù)式。為匹配煤礦所用設(shè)備及煤礦所在地的地質(zhì)圍巖等地理?xiàng)l件，本文選用兩柱掩護(hù)式液壓支架，以提高液壓支架的可靠性及高效性。

1.2 參數(shù)確定

液壓支架的參數(shù)主要包括支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力及支架高度三項(xiàng)指標(biāo)。其中，工作阻力是直接頂與基本頂作用力平衡的主要指標(biāo)，可使圍巖變形量與頂板下沉量得以有效控制。由于工作阻力= 支護(hù)強(qiáng)度×支護(hù)面積，因此需確定好支護(hù)強(qiáng)度后才可確定工作阻力。本文以某煤礦為例進(jìn)行研究，經(jīng)實(shí)際勘測(cè)，某煤礦煤層厚度約為4.55 m，頂板圍巖密度為2400 kg/m3，最大采高為6.2 m，運(yùn)用數(shù)值模擬法后可得，其最大支護(hù)強(qiáng)度為1.2 MPa。那么，支架工作阻力計(jì)算公式為：

式中：P 為最大支護(hù)強(qiáng)度，MPa；B 為控頂距，m；L 為支架中心距，m。

經(jīng)分析，控頂距B 與支架中心距L 為5 m、1.75 m。將數(shù)值代入式（1）可得，工作阻力F=10500 kN。由于需考慮立柱安全閥開啟壓力及支撐效率等因素，故該液壓支架工作阻力取11000 kN。

某煤礦的煤層厚度變化幅度大，其采高范圍為2.5～5.9 m，為提高工作面煤炭采出率，本文擬采用雙伸縮立柱并適當(dāng)提高支護(hù)高度，液壓支架最大高度設(shè)定為6.3 m，最低高度設(shè)定為2.8 m。

2 液壓支架主要構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 底座設(shè)計(jì)

本文采用開底式設(shè)計(jì)，前端為鑲嵌式過(guò)橋設(shè)計(jì)，后端為箱式過(guò)橋，可增大底座抗扭能力，方便人員通過(guò)，提升無(wú)支護(hù)空間。前端的底座運(yùn)用船型設(shè)計(jì)并適當(dāng)加長(zhǎng)，減小比壓，使底座適應(yīng)性適當(dāng)提高。前端還進(jìn)行了抬底設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)鬃У缀?，可使用千斤頂將底座抬起，方便順利移架。其具體底座三維模型示意圖，如圖1 所示。

圖1 液壓支架底座三維模型示意圖

2.2 四連桿設(shè)計(jì)

四連桿機(jī)構(gòu)是支架的主要運(yùn)行機(jī)構(gòu)，其性能對(duì)頂梁運(yùn)動(dòng)軌跡和支架穩(wěn)定性、剛度影響較大。本文利用MATLAB 軟件對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，得到具體的最優(yōu)參數(shù)后，采用雙前后連桿加后連桿側(cè)幫板的方法進(jìn)行支架設(shè)計(jì)，保證梁端平穩(wěn)性及支架的高性能性。其具體的三維模型示意圖，如下頁(yè)圖2所示。將四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，頂梁前端與煤壁距離相對(duì)穩(wěn)定，頂梁由高往低運(yùn)動(dòng)梁端距離減小，且無(wú)突變情況發(fā)生，故該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，有利于頂板控制與支架維護(hù)。

圖2 四連桿機(jī)構(gòu)三維模型示意圖

2.3 頂梁設(shè)計(jì)

頂梁作為與頂板直接接觸且承受頂板壓力的主要承壓部件，是液壓支架是否可靠、支護(hù)性能是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵部件。頂梁是液壓支架立柱、掩護(hù)梁等部件的重要連接點(diǎn)，對(duì)于液壓支架設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文采用二級(jí)幫護(hù)及帶伸縮梁結(jié)構(gòu)的方法對(duì)頂梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，伸縮梁體采用內(nèi)置式，其由矩形箱體水平排列組成，并將箱體前端連接在一起，后端安裝在相應(yīng)框口內(nèi)，通過(guò)油缸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)支架頂梁的伸縮。三箱伸縮頂梁設(shè)計(jì)較為安全可靠，二級(jí)幫護(hù)可實(shí)現(xiàn)180°幫護(hù)板旋轉(zhuǎn)，較為適合頂梁設(shè)計(jì)。其具體三維模型示意圖，如圖3 所示。

圖3 頂梁三維模型示意圖

3 動(dòng)力液壓缸優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)力液壓缸設(shè)計(jì)主要分為立柱與千斤頂兩部分。立柱與千斤頂?shù)闹饕饔檬钦{(diào)整和承載支架，由于其長(zhǎng)期處于高壓的支撐狀態(tài)之下，故其需要有良好的抗彎與抗壓能力，同時(shí)其密封性能也應(yīng)較好，以確保支架在工作過(guò)程中的安全可靠性。

3.1 立柱設(shè)計(jì)

一般情況下，通過(guò)選取匹配度較高的缸徑與柱徑，可較好地增強(qiáng)立柱的抗沖擊能力，保證立柱可靠性。大采高厚煤層由于壓力較大，支架承載負(fù)荷也隨之變大，故立柱缸徑也應(yīng)加大，保證支架可靠性要求。立柱缸徑的計(jì)算公式如下：

式中：u 為比值系數(shù)，一般為0.65～0.8；P 為泵站壓力，MPa。

由上文可知，工作阻力為11000 kN，本設(shè)計(jì)為雙伸縮式結(jié)構(gòu)，故F 取值為5500 kN，將各參數(shù)代入式（2）可得：D=380～421 mm，選立柱缸徑為400 mm。綜合考慮密封形式、安全系數(shù)等，立柱的柱徑選為380 mm。

3.2 千斤頂設(shè)計(jì)

支架千斤頂?shù)淖饔脼檎{(diào)節(jié)頂梁對(duì)頂板作用力大小及受力點(diǎn)位置，從而保持頂梁的平衡。千斤頂是掩護(hù)梁與頂梁之間的重要構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要注意三個(gè)易發(fā)生斷裂的部位，其分別為活塞桿扁尾處、活塞與活塞桿連接卡鍵處及缸口處。

基于上述分析，對(duì)上述三個(gè)部位進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)優(yōu)化。將活塞桿扁尾尺寸增大至160 mm，以提高其強(qiáng)度，增強(qiáng)安全可靠性?；钊c活塞桿連接卡鍵進(jìn)行加工工藝優(yōu)化，提高部件加工精度。缸口的斷裂主要是因?yàn)榍Ы镯斉c掩護(hù)梁相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的擠壓而產(chǎn)生的，故應(yīng)增大頂梁與掩護(hù)梁之間的限位行程，降低其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可能性，保證缸口完整性。按上述要求設(shè)計(jì)，千斤頂?shù)娜S模型示意圖，如圖4 所示。

圖4 千斤頂三維模型示意圖

4 液壓支架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

將液壓支架按上述部件設(shè)計(jì)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)后，可得液壓支架三維模擬示意圖，如圖5 所示。將該液壓支架應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中并進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，梁端曲線較為平穩(wěn)，無(wú)突變發(fā)生；支架四連桿附加力減??；工作阻力符合設(shè)計(jì)要求，液壓支架可靠性大大提升。

圖5 液壓支架三維模擬示意圖

5 結(jié)論

1）液壓支護(hù)主要部件及動(dòng)力液壓缸設(shè)計(jì)符合優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，構(gòu)件性能得以提升。

2）按上述部件設(shè)計(jì)進(jìn)行組合安裝后，液壓支架梁端曲線較為平穩(wěn)，無(wú)突變發(fā)生。支架四連桿附加力減小，工作阻力符合設(shè)計(jì)要求，液壓支架可靠性大大提升，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之中。