支架頂梁和四桿機構的優化設計

張建中， 劉坤華， 王慶， 張超

（1.山東科技大學泰安校區，山東 泰安 271019；2.山東科技大學機電學院，山東 青島266510）

1 西山煤礦地質條件及支架主要技術參數要求

開采煤層為2號煤，平均厚度是1.8 m。巷道高度為2.4 m，巷道寬度為4.0 m，巷道斷面面積約為9.6 m。頂板巖性直接頂為3.25 m沙質泥巖，底板巖性直接底為5.33 m細沙巖，巖石普氏系數3.5～6，巷道支護方式為錨桿支護。

支架高度1.1～2.5 m，工作阻力為3 600 kN，支護形式為兩柱掩護式，推溜行程900 mm，控制方式為手動控制，支護強度大于0.5 MPa，支架中心距1.5 m，工作壓力31.5 MPa，流量 200 L/min。

2 架型選擇

根據煤礦地質條件選擇兩柱掩護式液壓支架，型號：ZY3600/11/25［2］。此種支架兩柱斜撐頂梁，支撐合力點靠前，適合不穩定和較穩定頂板，頂梁和掩護梁均設有活動側護板、防滑、防矸，抗倒性能好。ZY3600/11/25掩護式液壓支架三維圖和二維圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 ZY3600/11/25掩護式液壓支架三維圖

圖2 ZY3600/11/25掩護式液壓支架二維圖

3 ZY3600/11/25掩護式液壓支架主要結構特點

3.1 頂梁的結構設計

頂梁結構形式分為整體式頂梁和鉸接分體式頂梁［3］。兩種頂梁的特點對比如表1所示。

表1 整體式頂梁和鉸接分體式頂梁的區別

支架為放頂煤支架，頂煤相對于巖性頂板較弱，因此本支架采用整體式剛性頂梁機構，頂梁前端加設伸縮梁和護幫板機構。伸縮梁機構可在采煤機過后及時支護暴露的頂板，加強對支架前方頂板（煤）的維護，防止頂板（煤）冒落。護幫板機構在采煤機過后及時伸出，維護軟弱易片幫煤體，防止煤壁片幫和由片幫引起的頂板（煤）冒落。ZY3600/11/25型液壓支架頂梁三維圖如圖3所示。

圖3 ZY3600/11/25型液壓支架頂梁

該支架工作面直接頂的頂板為3.25 m砂質泥巖，屬易冒落頂板。為適應這種頂板條件，我們對頂梁的結構形式進行了以下優化設計［4］：1）支架頂梁設計為整體式剛性頂梁，結構簡單，可靠性好，支架選擇破碎頂板。破碎頂板的特點在“護”不在“支”，關鍵是怎么維護前方頂板，防止冒頂。2）頂梁前端采用上翹結構設計，在移架中確保支架前端先接頂，改善接頂效果，加強頂梁前端頂板維護［5］。3）頂梁側護板選用單向長側護板，通過封閉頂部空間而達到防止架間漏矸的目的，保證人員安全。頂梁與掩護梁鉸接處設有擋矸板，頂梁與頂梁側護板圓弧包裹，側護板伸出后仍具有一定重合量，實現全封閉不漏矸。4）為了有效地抑制粉塵，改善工作環境，頂梁裝配內含式噴霧降塵系統。5）礦壓檢測表安裝在每個立柱上，所以在頂梁設置掛鉤。6）為了使支架能適應頂板因破碎冒漏或仰俯采造成的頂板不平和頂板起伏變化，支架頂梁應具有良好的操縱性能。支架的頂梁最高位下擺角不小于10°。7）頂梁的腹部設置有內含式的起重運輸機吊環、安裝照明燈的燈座、安裝通訊設施的掛鉤等。

3.2 四連桿機構

液壓支架實際工況十分復雜，經常受到非對稱載荷、橫向或縱向的作用力。承受這些力并決定其穩定性的唯一機構就是四連桿機構。所以四連桿機構的強度、剛度也就決定了支架的穩定性及使用壽命。前后連桿、掩護梁及底座組成了該支架的正四連桿機構［6］。ZY3600/11/25型液壓支架前連桿，后連桿和掩護梁分別如圖4、圖5、圖6所示。

支架采用單前連桿和雙后連桿的結構形式，連桿通過鋼板焊成箱形結構，該機構具有較好的穩定性和偏載能力。通過ANSYS的大量分析可知，四連桿機構連接孔出容易出現應力集中現象，因此四連桿各聯接孔均采用整體焊完低溫回火時效處理后數控整體鏜孔加工的措施，并且嚴格控制孔同軸度不大于0.2 mm，孔與軸的最大間隙不大于0.75 mm。

圖4 ZY3600/11/25型液壓支架前連桿

圖5 ZY3600/11/25型液壓支架后連桿

圖6 ZY3600/11/25型液壓支架掩護梁

4 結語

本文基于ZY3600/11/25型掩護式液壓支架主要介紹了掩護式液壓支架的選型問題，對支架的主要部件頂梁和四連桿機構部件給出了改進意見，對ZY3600-11-25型液壓支架提出了人性化設計，在實現安全第一的同時使支架更具有操作性。

［1］ 黃尚智，樊運策.推進我國放頂煤液壓支架改進的建議［J］.煤礦開發，2007，12（6）：8-13.

［2］ 張登山，王紀生，原巖飛.ZY3200/14/28型兩柱掩護式液壓支架的研制［J］.煤炭工程，2005（10）：67-69.

［3］ 中華人民共和國煤炭工業部標準.MT76-83液壓支架用乳化油［S］.北京：煤炭工業出版社，1983.

［4］ 倪和平.液壓支架系統的優化設計［J］.煤炭技術，2007（4）26：7-9.

［5］ 趙連剛.綜放支架結構性損壞原因及防止對策［J］.煤炭技術，2006（12）：20-21.

［6］ 陳學敏，孟二存.正四連桿和反四連桿放頂煤液壓支架適應性探討［J］.煤礦開發，2004，13（2）：51-53.