ZY3400/06/15掩護式液壓支架的研制

武雪威

(河北天擇重型機械有限公司， 河北 邯鄲 056200)

0 引言

我國薄煤層儲量占煤炭總儲量的20%左右，如何有效地利用這些資源尤其是資源枯竭礦井是正在研究的課題。山西介休市義棠鎮煤層地質條件復雜，薄煤層煤炭資源沒有得到有效利用，為提高煤炭資源回收率，特針對安益煤礦地質條件，利用軟件模擬計算和受力分析等先進的技術方法，開發研制了ZY3400/06/15掩護式液壓支架。

1 工作面技術條件和設計方案

1.1 工作面技術條件

安益煤礦1#煤層綜采工作面采煤工藝為一次采全高，煤層厚度平均1.1 m，煤層長度152.5 m，工作面采高1.2 m，煤層傾角近水平，煤質硬度、頂板硬度及底板硬度均為f≤3，首采工作面方向為左工作面。風巷、機巷均為矩形巷道，斷面尺寸為(寬×高)3.5 m×2.4 m。

1.2 液壓支架設計方案

根據安益煤礦1#煤層實際技術條件，確定三機配套設備為ZY3400/06/15液壓支架、MG100/240-BW采煤機、SGZ630/320刮板輸送機，配套圖見圖1。

該液壓支架主要技術參數如下：

架型 兩柱掩護式液壓支架

支撐高度/mm 600～1 500

支架寬度/mm 1 430～1 600

支架中心距/mm 1 500

支架初撐力/kN 2 615

工作阻力/kN 3 400

支護強度/MPa 0.22～0.46(f=0.2)

底板比壓(前端)/MPa 1.03～1.57(f=0.2)

運輸尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)

5 200×1 430×600

圖1 ZY3400/06/15掩護式液壓支架及配套

支架質量/t 10.5(±2%)

操縱方式 鄰架手動控制

2 四連桿優化設計

1) 建立仿真參數模型圖。運用專業設計軟件，建立ZY3400/06/15掩護式液壓支架的仿真參數模型圖，如圖2所示。

a=750 mm;c=500 mm;d=600 mm;e=330 mm;f=980 mm;g=0 mm;h=150 mm;H=280 mm;頂梁高(LM)=150 mm;最大工作高度=1 500 mm;最小工作高度=600 mm。

2) 對其四連桿機構進行優化設計。支架高度從600 mm開始，以步長為50 mm逐漸增大至1 500 mm，支架梁端軌跡和瞬心軌跡如圖3所示。

圖3 支架運動模擬

3) 液壓支架總體設計決定。經過運動仿真模擬和詳細數據分析得出，支架梁端距變化平穩。支架從底到高的過程中，梁端距逐漸減小，最大變化量為89 mm。在經常使用的1 100～1 300 mm區間變化量僅為37 mm，滿足液壓支架設計要求。

3 部件強度校核

1) 液壓支架的底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩定支架的部件，該支架底座由Q550鋼板焊接而成。結構件的校核以底座為例，其他部件同理可得。在設計軟件中輸入液壓支架的基本技術參數后，軟件會自動對底座進行受力分析。該底座各關鍵部位受力分析如下：柱窩處最大彎矩3 161.2 kN·m，前連桿處最大彎矩2 790.8 kN·m，后連桿處最大彎矩464 kN·m，底座最大扭矩752.6 kN·m。以受力最大的柱窩處為例進行校核，底座柱窩彎曲截面見圖4。

圖4 底座柱窩彎曲截面

在強度校核模塊輸入最大彎矩3 161.2 kN·m，許用應力輸入550 MPa，柱窩處各板受力計算結果見表1。

表1中合成應力值均小于許用應力值，安全系數也滿足設計要求，故柱窩處滿足設計可行，否則必須通過加厚鋼板或改變材質等手段重新設計。底座其他關鍵部位的校核同理可得。

2) 銷軸是連接各部件形成四連桿機構的唯一軸類零件，主要承受剪切力。在設計軟件中輸入液壓支架的基本技術參數后，銷軸安全系數取1.3，可知頂梁掩護梁鉸接銷軸最大剪切力2 027.7 kN。銷軸許用應力為1 000 MPa時，銷軸直徑應大于81 mm。同理可知前連桿銷軸直徑應大于72 mm，后連桿銷軸直徑應大于59 mm。

表1 柱窩處各板校核數據

4 液壓支架結構特點

1) 整體頂梁結構，不帶護幫板，頂梁前部設計有液壓護板裝置，臨時炮采時起到保護作用；頂梁中部有單體支柱支承裝置，便于單體支柱輔助支撐。

2) 頂梁、掩護梁均為雙側護板，適應性強，便于在多個工作面使用。

3) 采用整體剛性底座，中部開檔，利于排矸。底座前過橋處設有抬底裝置，對底板起伏適應性強，便于移架。

4) 支架在使用狀態時主進、主回、噴霧主管路布置在支架底座上，掩護梁側護板前端優化設計，降至最低高度時不切架間主進回噴霧主管路。

5) 立柱采用新型結構型式，導向套采用矩形螺紋緊固，同時導向套和活塞均采用組合密封，最大限度地縮短導向套和活塞長度，實現了超大伸縮比。

6) 支架操作方式為鄰架操作，提高了工作面支護的安全系數，能有效避免人身傷害事故的發生。

5 結論

ZY3400/06/15掩護式液壓支架安裝在安益煤礦1#煤層工作面。該工作面2018年7月開始安裝，8月開始試生產，工作面平均日進尺2.5 m，日產原煤1 500 t，月產可達40 500 t，2018年8月至2018年10月，3個月生產原煤12萬t。使用該套掩液壓支架后，不僅提高了工作面的安全系數，而且簡化了操作工序，降低了作業風險，實現了安全生產、高產高效的目標。