液壓支架偏載工況下特性試驗分析

李鳳麒

（太原煤氣化公司爐峪口煤礦，山西 古交 030203）

引言

礦山機械中的液壓支架特性及運行工況較為復雜，雖然液壓支架結構主要由多執行元件構成，不包含復雜的控制機構和傳動機構，但因支架工作過程中運行環節多，對于圍巖條件較為復雜的采場，不同類型液壓支架會表現出不同的與采場圍巖相互作用的特性，使液壓支架運行工況及特性的隨機性與復雜性大大增加。

本文通過模擬液壓支架在試驗過程中承受偏載的情況，構建起符合實際運行工況的實驗室模型，并借助ZTN-1 型外加載支架試驗臺向支架施加外在荷載，以進行偏載工況下液壓支架支護性能、壓縮量變化等特性的分析，為礦用液壓支架結構設計及安全運行提供基礎依據。

1 試驗準備

礦用液壓支架通常與刮板輸送機、采煤機、乳化液泵站、裝載機等配合使用，為避免回采時頂板發生冒落，并為其余施工機械和人員提供穩定的工作空間，必須加強頂板支護。液壓支架便能為工作面頂板提供可靠有效的支撐，起到支撐回采工作面、隔離采空區、切頂、移架及輸送機推移、避免工作面矸石掉落等作用。因回采工作面頂板穩定程度和壓力不同，故液壓支架類型也不盡相同，根據支架和圍巖的作用關系，通常將礦用液壓支架分為支撐式和掩護式兩類。各類型液壓支架功能特性基本一致，其操作工序與結構型式基本無關，僅受液壓系統工作循環狀態的影響。但由于回采工作面所有支架相同工序均重復進行，故其可能面臨較復雜的工況。

1.1 模型構建

為模擬回采工作面液壓支架實際運行工況，測試平臺采用液壓支架外加載試驗裝置，并將偏載檢測工裝安裝于支架頂梁上部，便于進行液壓支架實際運行工況的模擬。在正式試驗前必須根據設計要求調試安全閥并開啟壓力供應，將液壓支架抬升至與試驗臺上平面貼合；此后垂直外加載至全部立柱安全閥均達額定工作阻力并開啟溢流。根據裝置檔距設置，依次進行不同采高下支架支護性能和壓縮量的檢測[1]。具體而言，應通過兩臺壓力傳感器進行左右側立柱下腔壓力值測試，同時借助兩臺位移傳感器進行支架定量變形量和壓縮量檢測，上述全過程中的數據均通過實時采集系統采集、記錄、存儲、傳輸。

1.2 檢測方法與對象

針對每臺液壓支架結構壓縮變形量、頂梁壓縮變形量、支護性能等分別設置兩個測試方案，分別對應著兩種工況：方案一為不安裝測試工裝（無墊塊）情況下液壓支架外加載測試；方案二為頂梁一側設置測試工裝，即液壓支架在偏載情況下外加載測試。

為保證測試結果的準確性與廣泛適用性，選擇兩種型號液壓支架進行試驗，分別為ZF15000/24/45型放頂煤支架和ZY12000/29/63 型掩護式支架。掩護式液壓支架根據立柱具體支撐位置的設置方式不同可分為兩種：其一為全部立柱均支撐于頂梁和底座間的直接撐頂掩護式支架；其二為僅前排立柱直接支撐于頂梁和底座間，后排立柱則支撐于掩護梁和底座間的掩護式支架[2]。本文所選取的支架為ZY12000/29/63 型掩護式支架，屬于第二種情況。兩種液壓支架雙伸縮立柱數量分別為4 個和2 個，缸徑360/270 mm 和420/305 mm，安全閥開啟壓力分別為36.9 MPa 和43.8 MPa。

2 試驗結果

2.1 液壓支架支護性能

結合礦用液壓支架井下運行實際，針對本文所提出的兩種測試方案，通過外加載試驗裝置進行支架加載過程的模擬。具體采高下兩種不同型號液壓支架兩側立柱下腔壓力測試結果詳見表1 和表2。表中p1、p2指液壓支架不安裝測試工裝（無墊塊）工況下兩側立柱下腔試驗壓力值，p3、p4表示液壓支架頂梁一側設置測試工裝（偏載）工況下兩側立柱下腔試驗壓力值；p5、p6表示設置測試工裝兩側立柱懸空側立柱下腔試驗壓力值。

表1 ZF15000/24/45 型放頂煤支架立柱下腔壓力值 MPa

表2 ZY12000/29/63 型掩護式支架立柱下腔壓力值 MPa

根據以上試驗結果，在頂板下沉過程中液壓支架兩側立柱下腔壓力不斷升高，且在頂梁一側增設測試工裝、測試工裝懸空等偏載工況下支架兩側立柱壓力值差異較大。ZF15000/24/45 型放頂煤支架不安裝測試工裝工況下兩側立柱下腔試驗壓力值達到安全閥開啟壓力37.1 MPa 時，測試工裝懸空側立柱壓力只有11.2 MPa，所對應的液壓支架支撐力為9 827.71 kN，僅達到液壓支架額定運行阻力的64.9%。ZY12000/29/63 型掩護式支架不安裝測試工裝工況下兩側立柱下腔試驗壓力值達到安全閥開啟壓力42.3 MPa 時，測試工裝懸空側立柱壓力只有23.8 MPa，所對應的液壓支架支撐力為11 422.08 kN，為液壓支架額定運行阻力的67.1%?？梢姡簤褐Ъ軌嚎s過程應持續進行，直到設置測試工裝懸空側立柱安全閥全部開啟。但是液壓支架在偏載的影響下達到額定阻力的時間將大大延長，支護性能也受到較大影響，為此，必須提高液壓支架初撐力，以確保支架支護性能充分發揮。

2.2 液壓支架壓縮特性

根據所取得的試驗數據分別繪制ZF15000/24/45 型放頂煤支架和ZY12000/29/63 型掩護式支架在兩種不同方案下整個支架壓縮量曲線，具體見圖1。根據液壓支架壓縮量變動趨勢，在兩種方案下，兩種支架壓縮量均隨采高的增大而增大，變動趨勢基本一致；但在方案二偏載工況下液壓支架壓縮量比方案一大。根據礦用液壓支架支護特性，其一側承受偏載時，該側的承載立柱必將發生壓縮下沉，但懸空側立柱因未承受荷載，反而會出現上拔現象，所以液壓支架在偏載工況下僅承載側立柱下沉。對偏載工況下的礦用液壓支架施加外荷載，支架在橫向作用力的影響下產生附加力矩，導致頂梁圍繞承載側立柱柱窩發生變形和下沉，不同采高所對應的頂梁沉降變形量數據借助位移傳感器收集。根據所采集到的試驗數據分別繪制ZF15000/24/45 型放頂煤支架和ZY12000/29/63 型掩護式支架頂梁沉降變形量～采高曲線，根據對曲線的分析發現，無論采高如何變化，液壓支架在偏載工況下頂梁均會發生不同程度的形變，且隨采高的增大而呈減小趨勢[3]。

圖1 液壓支架壓縮量曲線

3 結論

ZF15000/24/45 型放頂煤支架和ZY12000/29/63型掩護式支架設計時必須在滿足采高的基礎上尋求最佳的立柱和連桿幾何尺寸。為保證礦用液壓支架在承受偏載情況下結構整體的穩定性，其承壓側立柱安全閥的開啟時間必須先于懸空側立柱安全閥，并通過增大初撐力以增強支架的支護能力；偏載工況下因支架兩側立柱承受荷載狀態存在一定差異，故礦用液壓支架結構壓縮量比無荷載下支架結構壓縮量大；且在支架整體壓縮量和頂梁變形量的綜合作用下，支架頂梁會同時表現出一定的變形和下沉。