綜放工作面超靜定液壓支架關鍵部件優化設計

侯 勇

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

0 引 言

就目前統計來看，我國厚煤層分布范圍逛，且儲量巨大，厚煤層儲量基本占到了44.8%以上[1]。隨著采掘的進行，現正朝著深度開采延伸，但是其采出率等問題是采礦界面臨的難題[2～3],給采礦界機械化研究者帶來了不小的挑戰。

綜放工作面液壓支架是綜放工作面放頂煤開采過程中不可或缺的關鍵采掘設備，液壓支架的性能直接影響著一座礦山的效率及安全，也是綜采工作面采煤核心技術[4～5]。

超靜定液壓支架根據普通的液壓支架理論基礎,進行了升級和改良，主要對液壓支架尾梁和連板進行了改設，設計成了放煤部，這樣大大增加了放煤率，就目前的厚煤層放頂煤開采來說，超靜定液壓支架具有重要的責任擔當和使用價值。本論文就是針對綜放工作面超靜定液壓支架頂梁、底座、懸浮立柱和放煤部進行優化設計，希望能夠進一步優化升級綜放液壓支架性能。

1 確定主要參數

1.1 主要參數計算

1）支架高度。

要想確定超靜定液壓支架高度，需要綜合多方面的因素進行分析，但煤層厚度是主要因素，為了計算方便，這里忽略次要因素。

支架最大高度：

支架最小高度：

式中：Mmax、Mmin為煤的最大、最小截高；S1為偽頂冒落的最大高度，一般取300～400mm；S2為周期來壓頂板下沉量，一般取500～900mm。

液壓支架最大、最小高度之比我們稱之為伸縮比，伸縮比值是衡量超靜定液壓支架的適用范圍的一個參數，缺憾的是就目前設計還不能使得這個參數達到無窮大。綜放工作面液壓支架直接與頂煤相接觸，采煤機的采高基本對其沒影響，相應伸縮比在此種情況可以作為次要條件考慮，通過實踐表明，只要在設計中考慮能夠承受0.3倍的水平力基礎上采用較小立柱傾角就能滿足要求。參考其他先進支架可以確定本液壓支架的最大高度6000mm，最小高度3300mm。

2）立柱傾角。為了確定超靜定液壓支架立柱傾角，其最小抵抗水平力，經查閱資料顯示為0.3倍的工作阻力，把伸縮比考慮進去，則立柱傾角可以確定為26.8°。

3）頂梁和底座參數。立柱鉸接點間距c不僅與頂梁和底座長度有關，而且還與立柱傾角相關：

式中：H為支架高，取6000mm；G為底座與底座底板垂直距離，mm；α為傾角，取26.8°。

設計取g為430mm，經計算得c為1300mm。

頂梁長度L1可由下式決定：

式中：b為最前鉸接點到頂梁最前端距離；D為最后鉸接點到頂梁最后端距離；

查閱相關資料，b可取820mm，d可取720mm，代入公式可得L1為5440mm。

底座長度L2可由下式決定：

式中：e為最前鉸接點到底座最前端距離；F為最后鉸接點到底座最后端距離；

查閱相關資料，e取670mm，f取380mm，代入公式計算得頂梁長度L2為4950mm。

1.2 技術參數歸納

通過查閱相關資料、設計手冊[6]以及上述計算，綜放工作面超靜定液壓支架主要技術參數整理歸納見表1。

表1 主要技術參數統計表

2 關鍵部件優化設計

2.1 液壓支架頂梁設計

超靜定液壓支架與頂煤直接接觸的是其頂梁，它的作用遮擋、支撐頂板上部松散的煤巖體，防止上部煤巖體掉落傷人、損機，為工作面工作提供一定的安全空間。另外在放煤的時候主要是來回升降破碎上部頂煤，為回收頂煤起到關鍵作用。

此次設計液壓支架頂梁是鉸接式，梁內安裝伸縮梁和千斤頂，分別用來控制前梁和主梁，這樣就能在移架時很好的實現及時支護作用。在考慮立柱鉸接狀況后，分別由六主鋼架和六橫鋼筋形成箱型結構，再加鋼板焊接成頂梁結構，整個結構做成閉合的箱裝式構造，綜放工作面超靜定液壓支架頂梁結構布置如圖1所示。

圖1 液壓支架頂梁裝配圖

2.2 液壓支架底座設計

超靜定液壓支架的底座主要起四個方面的作用：一是頂板上方的壓力傳遞到底板，底板是整個支架穩固的基礎；二是為立柱、推移等提供一定的作業空間；三是底座必須滿足起伏不平的地板；四是要滿足排矸當矸，并要有行人通道。

就目前來看，整體剛性底座優點主要是強度高、穩定性好、耐用性強、對底板比壓小，缺點是排矸能力不足。底分式剛性底座構造獨特，采用的是對稱式結構，排矸能力強，但強度較差、底座面積較小、適應條件有限、使用時間較短。

根據以上兩種底座對比分析，本次設計的超靜定液壓支架底座選擇整體剛性底座，裝配簡圖如圖2所示。底座前端被優化設計成類人鞋，并優化設計滑移功能。與頂梁設計一個原理，其結構分別六主筋和六橫筋交錯形成。有所區別的是，因推移需要大空間安裝，主筋和橫筋在推移安裝處進行了打斷。在底座前端設計了過橋箱，目的是增加底座剛度和抗扭強度，并為液壓控制系統提供了一定的作業空間，在后端又安裝抬高架，這個抬高架與部件形成一個整體結構。

圖2 液壓支架底座裝配圖

2.3 液壓支架懸浮立柱設計

綜放工作面超靜定液壓支架懸浮立柱采用新型懸浮立柱—DWX型懸浮立柱，該新型懸浮立柱通過試驗，在采煤工作面運用效果良好，適應能力較強，很好的解決了綜采放頂煤液壓支架立柱吃力不足問題。該立柱內部空間較大，比傳統的立柱容納液體體積大，在某種程度上大大提高了抗沖擊載荷，油缸和活柱均采用筒體，生產成本低，加工方便。頂梁與立柱和底座與立柱的連接是采用的是銷軸鉸接，這樣立柱就成了一種二力平衡杠桿，不易受偏，顯著提高了立柱平衡性，進而增加了支架的安全性。液壓支架懸浮立柱機械示意圖如圖3所示。

圖3 液壓支架立柱

2.4 液壓支架放煤部設計

綜采放頂煤能否實現高出煤率，關鍵看液壓支架的放頂煤部，故支架放煤部在放頂煤開采中起著舉足輕重的作用，并且在液壓支架設計中也對放煤部提出了放煤效果和破碎大塊率的要求。

此次設計的綜放工作面超靜定液壓支架選用大插板的結構形式，放煤部尾梁擺動靠兩個大缸徑千斤頂作用，對放煤口大小和位置的控制由放煤部尾梁和其滑道內插板的協調工作實現。超靜定液壓支架放煤部的結構示意圖如圖4所示。

圖4 液壓支架放煤部結構示意圖

3 Pro/E三維設計

通過運用計算機Pro/E機械繪圖軟件，首先設計超靜定液壓支架各個零部件，把已經建立好的各個零部件根據相互之間的裝配關系進行約束，完成整個三維實體的建模。根據軟件裝配，實現可視化，就能把液壓支架直觀的呈現出來，為下一步車間生產提供圖紙和思路。另外在可視化裝配過程，若發現存在問題，則可以及早的對其設計進行修改。

完成特綜放工作面超靜定液壓支架的零部件后，通過計算機軟件對其進行裝配，過程如下：

1）插入基礎部件。底座是整個裝配件的基礎，在確定了基礎配件后，其他部件的位置也相應確定了，此時約束類型為缺省狀態。

2）插入各個零部件。由Pro/E軟件要求，依次插入連板、尾梁、頂梁、立柱、前梁、伸縮梁、護幫板等零配件。鉸接約束在軟件中設置為“銷釘連接”；只有底座和抬高架設置為“剛性連接”；立柱的活柱與油缸連接設置為“滑動桿連接”。

支架在Pro/E機械繪圖軟件中組裝后形成的的三維可視化模型如圖5所示。

圖5 液壓支架三維模型

4 計算機數值模擬驗證

為了設計的綜放工作面超靜定液壓支架是否滿足要求，采用ANSYS軟件對液壓支架整架進行有限元分析[7]，液壓支架受力云圖和變形位移云圖結果如圖6所示。

圖6 數值模擬圖

從模擬結果應力云圖可以讀出，液壓支架的能夠承受的最大應力約為524MPa，從軟件中顯示最大應力是在頂梁和墊塊的接觸面邊緣處，但發生面積很小，支架受力較為均一。位移云圖可以看出，液壓支架最大的變形位移是在頂梁中部下端，原因是該側未受約束作用，從模擬中讀出最大變形量約為7mm。通過應力和位移分析，該支架應力和變形位移均在合理范圍內，說明設計的綜放工作面超靜定液壓支架關鍵部件的優化設計滿足強度和剛度要求。

5 結 論

根據綜采放頂煤對超靜定液壓支架使用特點，優化設計了液壓支架的頂梁、底座、懸浮立柱和放煤部關鍵結構，并確定了支架的主要性能、技術參數。利用Pro/E組裝了液壓支架的三維可視化模型，并利用ANSYS進行了應力、變形位移分析，結果表明該液壓支架能夠滿生產要求。

通過對綜放工作面超靜定液壓支架重要結構優化后，主要有以下特點：

1）液壓支架受力較為均勻。與傳統液壓支架相比，能夠以較小工作力實現支撐、破煤，在采煤過程中較好的實現了受力均勻性。

2）放煤效果好。兩根大缸徑千斤頂支撐尾梁，靈活的運轉，加上尾部伸縮插板，很好的實現了放煤連續性，增大了破碎率，提高了放頂煤的采出率。

3）立柱受力狀況好。該液壓支架是由八根立柱與頂梁、底座銷軸鉸接，立柱是一種二力杠桿，不會造成偏向作用，顯著提高了工作面安全性。

4）立柱抗沖擊載荷強。采用懸浮式液壓立柱，立柱的內腔液體容量更大，可壓縮量大。抗沖擊載荷能力顯著提高。