新型蚌式液壓支架的節能原理及受力分析

文/李玉嶺鄭國勤

新型蚌式液壓支架的節能原理及受力分析

文/李玉嶺鄭國勤

新型蚌式液壓支架與傳統支撐掩護式液壓支架一樣，都是通過支架高度變化實現對頂板的支撐。但是新型蚌式液壓支架其核心是充分利用回采工作面煤壁、頂板以及支架三者間的受力過程，最大限度地利用巖石力學和頂板形成的自然穩定狀態，在確保支護安全的前提下，極大地降低了支護成本。因此新型蚌式液壓支架比傳統支架更加節能、性價比更高。本文就新型蚌式液壓支架特別是單擺桿蚌式液壓支架的節能原理及受力分析進行了闡述。

一、新型蚌式液壓支架工作原理

新型液壓支架用于調節頂梁高度和對支架進行支撐的調節機構主要由設在底座上的傾斜滑道、調節千斤頂和支撐連桿組成。支撐連桿通過雙向滑動柱窩與調節千斤頂相連，調節千斤頂的伸縮帶動柱窩沿著傾斜滑道滑動，從而帶動支撐連桿圍繞頂梁上的固定點做一定角度的擺動，達到調節頂梁高度變化的目的。

根據支架結構的變化，新型蚌式液壓支架又可分為雙擺桿蚌式液壓支架和單擺桿蚌式液壓支架兩種。雙擺桿蚌式液壓支架其主要支撐件由傳統的立柱變為支撐連桿，而支撐連桿的支點在支架的頂梁上。而單擺桿蚌式液壓支架不僅與傳統液壓支架以及雙擺桿蚌式液壓支架結構不同，且使用原理也不盡相同。

單擺桿蚌式液壓支架主要是由基本支架和前頂梁（包括作為臨時支護的伸縮梁）組成。基本支架用于支撐并作為切頂支架，帶有伸縮梁的頂梁控制回采工作面的頂板，基本支架與頂梁鉸接連接，由掩護梁鉸鏈座上固定的頂梁千斤頂支撐并調節角度。

二、單擺桿蚌式液壓支架的結構組成

單擺桿蚌式液壓支架的支撐連桿上端支撐在支架掩護梁上。見圖1，單擺桿蚌式液壓支架結構圖。

圖1單擺桿蚌式液壓支架

單擺桿蚌式液壓支架主要針對中等穩定性頂板和破碎頂板而設計。因此，單擺桿蚌式液壓支架不需要像傳統支架那樣，承擔支架水平投影長度的頂板的壓力。支護過程中，基本支架依靠掩護梁（呈約52°角）阻擋冒落的碎矸石進入回采工作面，并作為控制回采工作面頂梁的懸掛主體。此外，基本支架還起到了切頂支架的作用。基本支架與煤壁、回采工作面頂板組成一個承受均布載荷的簡支梁，基本支架和煤壁為簡支梁的兩個支點，二者間的頂板為簡支梁的梁體。單擺桿蚌式液壓支架用于破碎頂板回采工作面的支護原理和過程見圖2。

圖2單擺桿蚌式液壓支架受力圖

由圖2可知，單擺桿蚌式液壓支架的頂梁僅維護和支撐回采工作面范圍的頂板，支架頂梁長度遠小于傳統液壓支架，所以支架消耗的能量也遠小于其他類型支架。

三、單擺桿蚌式液壓支架力學計算

傳統液壓支架的工作阻力來自于回采工作面頂板壓力，經支架頂梁集中于一條或兩條橫截面，然后沿立柱的中心線直接傳遞到支架的底座，最后呈均勻分布狀態傳遞到底板。新型蚌式液壓支架不是用單一或單純的液壓立柱支撐支架頂梁，而是用一個調節機構來支撐。因此，新型蚌式液壓支架來自頂板的壓力沿支撐連桿的中心線傳遞到可滑動的雙向柱窩后，被分解成兩個支撐力，一個是調節千斤頂，另一個是傳遞到底座上的傾斜滑道上。

由于單擺桿蚌式液壓支架用于支撐頂板的部位僅僅限于頂梁，特此僅對該支架頂梁的工作阻力進行計算。

根據設計，單擺桿蚌式液壓支架在使用高度范圍內，頂梁調節千斤頂與頂梁間的夾角在27°~30°之間變化，依據“三力平衡匯交定理”計算出支架頂梁的工作阻力。

圖3受力結構圖和圖4受力分析圖中AB所示為與頂板平行的支架頂梁，受來自頂板的均布載荷力P，受力點為頂梁的中部，方向向下；BC為二力桿，它通過鉸鏈延長線作用于頂梁中心線的B點，作用于頂梁AB的約束力Fbc沿BC桿，受力指向按照BC桿受壓確定。約束力Fbc與均布載荷力P交與圖中D點。

根據三力平衡匯交定理：固定鉸點A的約束力Fa沿AD連線方向指向任意假設，以上三力構成一平面匯交力系，其中Fbc與Fa為已知要素。

圖3受力結構圖

圖4受力分析圖

根據以上因素列出平衡方程。

取圖示坐標系Axy;其中Fa與AB夾角為θ；建立如下平衡方程

建立平衡方程組并以頂梁千斤頂和頂梁設計極限夾角30°計算頂梁的工作阻力。安全閥卸載壓力40MPa，Fac=Fbc=頂梁調節千斤頂工作阻力，解析∑Fy=P。

如果回采高度2.0m，頂梁控制最大長度L=1.6m，矸石容重λ= 2.6，按照回采高度的8倍計算頂板巖石重量為P=815KN。

因此，單擺桿蚌式液壓支架頂梁調節千斤頂對頂梁輸入大于815KN的工作阻力就能滿足采高2.0m以下的回采工作面、中等穩定或破碎型頂板的支護需要。

而基本支架的調節機構選取2xφ180mm千斤頂，以確保基本支架具有足夠的工作阻力切頂。

四、新型蚌式液壓支架節能原理分析

傳統液壓支架與新型蚌式液壓支架的受力比較可以看出，傳統液壓支架由于支撐支架頂梁和對支架高度進行調節的過程，是通過立柱的伸縮實現的，而新型蚌式液壓支架的上述目的是通過由支撐連桿、調節千斤頂和設計在底座上的傾斜滑道組成的支架調節機構來完成的。通過兩種支架受力過程的對比不難看出，新型蚌式液壓支架用于支撐頂板的支撐連桿上受到的壓力，被分解到調節機構中的調節千斤頂和設計在底座上的傾斜滑道上，由于三個力存在失量關系。支撐連桿輸出的工作阻力不僅與調節千斤頂輸出的工作阻力有關，還與二者間的夾角有關系。因此，新型蚌式液壓支架比傳統液壓支架能夠節能40%。此外新型蚌式液壓支架底座上設計的傾斜滑道，不僅分擔來自支撐連桿的頂板壓力，且對支架的高度變化起到了一定的補償作用。而單擺桿蚌式液壓支架由于支撐連桿上端連接在掩護梁上，支架高度上升時，頂梁呈擺線上升，雖然頂梁相對于底座的前后位移量較大，但是調節千斤頂和支架高度的變化量的比例卻大得多，一般為：

綜合調節千斤頂與支撐連桿工作阻力，以及調節千斤頂與支架高度變化量的比例進行分析，單擺桿蚌式液壓支架比傳統液壓支架節能約為40%~50%。

（作者單位：中煤邯鄲煤礦機械有限公司）

（責任編輯：周瓊）