基于力學平衡理論的三柱式液壓支架研制

徐方兵 秦耀東 王 文

(新汶礦業集團有限責任公司生產服務分公司，山東 泰安 271413)

目前礦井施工普遍采用液壓支架支護，我國煤層條件復雜多變，由于頂板的不平整性，頂板對液壓支架的壓力存在側向分力，進而產生較大的側向載荷，并極易引起掩護梁損壞、倒架及下滑等重大安全事故[1]。但現有二柱式與四柱式等典型液壓支架承受側向力能力較差，不能滿足煤礦安全生產的總體要求，因此，本文設計了一種三柱式液壓支架。針對三根立柱在三大類九種典型工況下的不同布置形式，采用力學平衡理論對液壓支架對頂板及圍巖支撐的頂板壓力與側向力等進行分析，根據整架受力均衡及側向力載荷最小的目標分析得到三柱支撐的最優布置方式。采用電液系統控制三柱液壓缸動作，實現了液壓支架自動控制，有效降低煤礦井下工作人員的勞動強度，解決了現有支架側向力承載能力差的問題，提高了井下施工效率及安全性。

1 三柱式液壓支架的總體設計

1.1 三柱式液壓支架的結構設計

液壓支架是礦井施工的重要支護設備[2]，該三柱式液壓支架主要由三柱支撐機構、掩護梁、頂梁、底座、伸縮梁等部分組成，如圖1所示。

其中，支撐機構由三根立柱4組成，向上與頂梁8相連，向下通過耳座2與底座3相連。頂梁8的前端鉸接有伸縮梁9，伸縮梁9鉸接有護幫板10。液壓支架工作時，支撐機構支撐并頂住頂部圍巖，用于承受圍巖作用在底座3與頂梁8之間的垂直方向的載荷和其他方向的側向載荷。通過調節千斤頂的伸縮長度，使掩護梁向后展開，從而頂住后部圍巖。

1.2 三柱式液壓支架的工作原理

該液壓支架工作時，通過機械結構與液壓系統將液壓力轉化為支撐力。高壓油液輸入立柱后，驅動立柱的活塞桿伸出，并提供支撐力，頂梁接觸頂板后開始初撐頂板。頂板壓力與支架支撐力達到平衡后，由液壓雙向鎖來鎖緊立柱，提供穩固的支撐力。

圖1 三柱式液壓支架的結構示意圖

該三柱式液壓支架通過控制三根立柱對液壓支架進行姿態調整，其液壓回路如圖2所示。

圖2 液壓支架立柱支撐回路

該液壓支架工作過程如下：

首先是升柱過程。閉式液壓控制系統通電后，液壓油由第一液壓泵（3）加壓后經第一換向閥（11）的P口和B口、液壓雙向鎖（17）輸送至立柱液壓缸Ⅰ（14）的無桿腔，立柱液壓缸Ⅰ（14）有桿腔內的液壓油則在壓力下經液壓雙向鎖（17）、第一換向閥（11）的A口和T口輸送至第一液壓泵（3）的進油口，立柱液壓缸Ⅰ（14）的活塞桿上升。

液壓油由第二液壓泵（2）加壓后經第二換向閥（10）的P口和B口、液壓雙向鎖（16）輸送至立柱液壓缸Ⅱ（13）的無桿腔，立柱液壓缸Ⅱ（13）有桿腔內的液壓油則在壓力下經液壓雙向鎖（16）、第二換向閥（10）的A口和T口輸送至第二液壓泵（2）的進油口，立柱液壓缸Ⅱ（13）的活塞桿上升。

液壓油由第三液壓泵（5）加壓后經第三換向閥（12）的P口和B口、液壓雙向鎖（18）輸送至立柱液壓缸Ⅲ（15）的無桿腔，立柱液壓缸Ⅲ（15）有桿腔內的液壓油則在壓力下經液壓雙向鎖（18）、第三換向閥（12）的A口和T口輸送至第三液壓泵（5）的進油口，立柱液壓缸Ⅲ（15）的活塞桿上升。

然后進入支撐過程。閉式液壓控制系統暫時斷電后，第一液壓泵（3）、第二液壓泵（2）和第三液壓泵（5）關閉，第一換向閥（11）的P口B口A口T口、第二換向閥（10）的P口B口A口T口和第三換向閥（12）的P口B口A口T口關閉，立柱液壓缸Ⅰ（14）的活塞桿、立柱液壓缸Ⅱ（13）的活塞桿和立柱液壓缸Ⅲ（15）的活塞桿停止上升。

最后是降柱過程。閉式液壓控制系統通電后，液壓油由第一液壓泵（3）加壓后經第一換向閥（11）的P口和A口、液壓雙向鎖（17）輸送至立柱液壓缸Ⅰ（14）的有桿腔，立柱液壓缸Ⅰ（14）無桿腔內的液壓油則在壓力下經液壓雙向鎖（17）、第一換向閥（11）的B口和T口輸送至第一液壓泵（3）的進油口，立柱液壓缸Ⅰ（14）的活塞桿下降。

液壓油由第二液壓泵（2）加壓后經第二換向閥（10）的P口和A口、液壓雙向鎖（16）輸送至立柱液壓缸Ⅱ（13）的有桿腔，立柱液壓缸Ⅱ（13）無桿腔內的液壓油則在壓力下經液壓雙向鎖（16）、第二換向閥（10）的B口和T口輸送至第二液壓泵（2）的進油口，立柱液壓缸Ⅱ（13）的活塞桿下降。

液壓油由第三液壓泵（5）加壓后經第三換向閥（12）的P口和A口、液壓雙向鎖（18）輸送至立柱液壓缸Ⅲ（15）的有桿腔，立柱液壓缸Ⅲ（15）無桿腔內的液壓油則在壓力下經液壓雙向鎖（18）、第三換向閥（12）的B口和T口輸送至第三液壓泵（5）的進油口，立柱液壓缸Ⅲ（15）的活塞桿下降。

2 液壓支架的三柱支撐方式優化

在三柱式液壓支架中，將三根液壓支柱在頂梁上按三角形排列，三根立柱有多種布置形式，比較各種布置形式的三根立柱的受力情況,從而確定出一種最佳的布置形式[3]。

根據現場實踐可得，三柱采用前一后二布置時，三根立柱的受力比較均勻。即當三根立柱采用前端一根立柱，后端兩根立柱位置分布時，三根立柱有三種布置形式。由實際工況可得，△ABC為等腰三角形時，受力最優，如圖3所示。

X軸和頂梁□JKMN的橫向中軸線重合，A點在X軸上，B、C兩點分別在X軸的兩側，且B點到X軸的距離等于C點到X軸的距離，△ABC為等腰三角形

同理，對三根立柱進行力學分析：

又L10=L11，L7=0.4m，L8=2m，L9=0.8m，可 得Fa=11.28q，Fb=Fc=0.96q。

當三根立柱采用“前一后二”位置分布時，三根立柱呈等腰三角形布置，并關于頂梁的中軸線對稱，這樣可以保證三柱式液壓支架對于礦面來壓的均衡承壓，避免造成支柱損壞。

圖3 三柱前一后二布置

三柱式液壓支架在受到側向力時支撐機構受力簡圖如圖4所示。圖中A、B、C為各立柱與頂梁的接觸點，a、b、c為各立柱與底座的接觸點，p1、p2、p3為各立柱的工作阻力，θ1、θ、θ3為各立柱與底座的夾角(取銳角)，φ1、φ2、φ3為各立柱阻力在頂梁投影與坐標系X-Y-Z的夾角。

圖4 三柱式液壓支架的受力簡圖

立柱對頂梁的作用力為:

由式可知，三柱式液壓支架在工作狀態時具有三向受力的特點[4,5]，與現有的二柱式和四柱式液壓支架相比，三柱式液壓支架具有抵抗顯著側向力的能力。

3 現場試驗與應用

根據采煤施工現場需求，基于液壓支架結構與工作原理，本文設計了三柱式液壓支架。通過詳細的理論計算，得到整架機械圖紙，并在煤礦井下進行現場試驗。

現場試驗前，根據MT312-2000《液壓支架通用技術條件》及Q/PMJ20-2009《ZY9200/12.3/22.3D型掩護式液壓支架技術條件》，對液壓支架整架、部件進行抽樣，詳細記錄，并形成技術報告。支架運輸過程中需要注意如下問題：

（1）運輸途中起吊和裝運防止重摔、倒架。如圖5所示。

（2）應進行地面聯合試運轉，包括支架、采煤機、輸送機、乳化液泵站、移動變電站等。

（3）若整體下井應將支架降到最低位置，并裝在轉運小車上。若解體下井應將支架拆卸，分組編號裝在小車上。

（4）采用專用轉運小車裝架，防止倒架。支架正式下井前，應確定運輸路徑無卡碰方可正式下井。

試驗結果表明：液壓支架性能指標滿足要求，整架防側向力能力增強，極大提高了支護安全性。

圖5 液壓支架現場施工

4 結論

針對現有四柱式與二柱式液壓支架承受側向力能力差的問題，設計了一種三柱式液壓支架。對液壓支架在不同布置形式下的三根立柱進行受力分析與比較，三根立柱最終采用“前一后二”的支撐方式，并且三根立柱呈等腰三角形布置。對液壓支架受到側向力時進行受力分析，證明了三柱式液壓支架具有顯著抵抗側向力的能力，降低了煤礦井下工作人員的勞動強度，提高了工作效率以及礦井施工的安全性。