兩柱掩護式液壓支架承載特性研究

韓進軍， 王 彪

（1.潞安集團常村煤礦， 山西 屯留 046100； 2.潞安集團安監局， 山西 襄垣 046299）

引言

在以往研究中只是單一分析支架理想水平位時的受力狀況，且忽略掩護梁受力對頂梁合力作用點位置及大小造成的影響，然而實際工況中，支架姿態往往會隨圍巖運移及周期來壓等地質現象的發生而改變，掩護梁也會承受后部垮落矸石的壓力，上述研究方法不能準確求出支架不同姿態下頂梁合力作用點的位置及大小，繼而無法確定當前姿態下支架頂梁合力作用點的合理受力區間，不能提出有效的姿態調整策略。因此，為了及時了解支架與圍巖相互作用關系，維護圍巖穩定，保證工作面設備的安全生產，有必要對支架不同姿態下的頂梁承載特性開展深入研究[1]。

1 液壓支架受力分析

1.1 支架平面力學模型建立

本文構建了支架平面力學模型，并充分考慮掩護梁受力對支架頂梁合力作用點帶來的影響，該模型可描述兩柱掩護式液壓支架在縱向平面內任意姿態下的受力狀況，如圖1所示[2]。

圖1 支架平面受力圖

其中：O為參考坐標點，O1為支架四連桿機構運動瞬心，G為頂梁與掩護梁鉸接點，Q為垂直于頂梁的載荷（即支架頂梁承載力）、XQ為G點到承載力作用線的距離，Qf為頂板對支架的摩擦阻力（摩擦系數f一般為0.1～0.3），P為立柱的工作力，PE為平衡千斤頂的工作阻力（當活塞腔受壓時PE取“＋”，當活塞桿腔受壓時PE取“－”），r1為O1點到G點所在直線距離，r2為O1點到頂梁所在直線距離，r3為O1點到立柱所在直線距離，r4為O1點到平衡千斤頂所在直線距離，r5為G點到立柱所在直線距離，r6為G點到平衡千斤頂所在直線距離，F為掩護梁所承受作用載荷（分解為水平方向FX和豎直方向FY），LF為掩護梁作用載荷到下鉸點的距離，F1、F2分別為前連桿和后連桿所受作用力，α、β、γ分別為頂梁、后連桿、底座與水平面的夾角，H、X、Y及各鉸接點坐標為因變量，構建如下運動方程組，其中K1～K18為中間變量，其中各力與角度的正方向如圖1所示。

1.2 合力作用點計算

本文對支架的運動學特性進行了分析，并推導出了基于頂梁、底座、后連桿三傾角傳感器的兩柱掩護式液壓支架姿態算法，利用該算法可對A、B、D、E點坐標進行求解，通過計算其結果表示如下[3]：

作BE與AD的延長線使其交于O1點，如圖1所示，則依據理論力學相關定理可知O1點為支架四連桿機構的運動瞬心，在已知A、B、D、E點坐標前提下，可進一步求解瞬心O1點坐標，其結果表示如下：

其中：

1）若不考慮掩護梁受力，則：

以頂梁、掩護梁為隔離體，對瞬心O1點取力矩平衡方程：

以頂梁為隔離體，對G點取力矩平衡方程：

聯立求解可得：

式中：f為頂板與頂梁之間的摩擦系數，取0.1～0.3。

2）若考慮掩護梁受力，則：

以頂梁、掩護梁為隔離體，對瞬心O1點取力矩平衡方程：

a為GX作用點與瞬心O1之間的距離，其值可表示為：

b為作用點GY與瞬心O1之間的距離，其值可表示為：

以頂梁為隔離體，對G點取力矩平衡方程為：

聯立求解可得：

通過上述計算可確定支架在任意姿態下頂梁所承受載荷的大小及作用位置，為對支架姿態與頂梁承載特性關系的進一步分析提供了研究基礎。

2 液壓支架承載特性分析

本節將利用matlab軟件以掩護梁受力、支架高度、頂梁傾角三個影響因素為方向對支架承載特性的變化加以論述。

2.1 掩護梁受力對支架承載性能的影響分析

假設上頁圖 1中 α、β、γ 分別等于 0°、60°、0°，將支架合力作用點計算公式編寫為matlab可執行代碼，利用繪圖功能繪制不同受力狀態下支架的承載性能曲線。

將不考慮掩護梁受力與不考慮掩護梁受力兩曲線疊加分析，如圖2所示。

圖2 掩護梁受力對支架承載性能影響曲線

對考慮掩護梁受力及不考慮掩護梁受力兩種狀態時支架承載特曲線做比較，可知當掩護梁承受一定載荷時，支架承載特性曲線向左上方偏移，頂梁承受外部載荷及平衡千斤頂受拉工作區的承載能力均略有增加，但平衡千斤頂受壓工作區的承載能力略有下降，支架易出現低頭現象。因此，在實際生產中，當支架掩護梁承受載荷時，應避免支架低頭，并對已經低頭的支架活塞腔及時補壓或進行其他輔助措施，提高支架前端的支護能力。

2.2 支架高度對支架承載性能的影響分析

假設支架頂梁、底座處于水平狀態，對前述matlab可執行代碼進行修改，繪制支架處于不同高度時的支架承載特性曲線。

將三組曲線疊加分析，如下頁圖3所示。

圖3 不同支架高度對支架承載性能影響曲線

通過對上圖中三組曲線作對比分析可知，該型支架在頂梁底座水平，由低位升至高位的過程中，支架承載性能曲線向左上方移動，平衡千斤頂受拉工作區變化較小可忽略不計而受壓工作區承載能力則顯著提升，立柱工作區變長且承受外部載荷能力增加。由此可見，該型支架在實際工作中，處于高位態時的工作姿態可以提升支架的承載能力，增大立柱工作區間，提高支架穩定性，同時也可提高支架前端的支護能力，有利于防止低頭現象的出現。

2.3 頂梁傾角對支架承載性能的影響分析

假設支架底座水平，立柱伸長量為固定值，對前述matlab可執行代碼進行修改，繪制支架頂梁不同傾角時的支架承載特性曲線。

將三組曲線疊加分析，如圖4所示。

對比圖中三條曲線可知，支架立柱伸長量為定值、底座水平時，支架承載性能會隨頂梁傾角的改變而發生變化。當頂梁呈現抬頭狀態時，支架承載性能曲線向右上方移動，支架承受外載能力增強，立柱主平衡區向頂梁后端移動，平衡千斤頂受拉工作區即頂梁后端承載能力增強，有利于阻止頂梁的進一步抬頭；當頂梁呈現低頭狀態時，支架承載性能曲線向左下方移動，支架承受外載能力略有降低，立柱主平衡區向頂梁前端移動，但平衡千斤頂受壓工作區即頂梁前端承載能力增強，有利于阻止頂梁的進一步低頭。

圖4 頂梁支架承載性能曲線

3 結論

通過從掩護梁受力、支架高度、頂梁傾角三個方面對影響支架承載性能的因素進行直觀的圖形曲線分析，可知三者對支架的承載性能有著重要的影響。在實際工況中應充分考慮掩護梁受力、支架姿態及工作高度，對已處于平衡千斤頂最大受拉及受壓極限狀態的支架做調整，使其盡可能工作于立柱主平衡區，提高支架承載能力及穩定性。