智能化重型放頂煤液壓支架的研究

崔貝貝

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006)

0 引言

長(zhǎng)平礦5302工作面設(shè)計(jì)為智能化工作面，采煤工藝為放頂煤形式，其可采面積為720 295.6 m2，可采儲(chǔ)量為540 267 5.1 t，切眼長(zhǎng)度為300 m，煤層平均厚度為5.48 m，設(shè)計(jì)要求其平均采高為3.2 m，放煤厚度為2.28 m，采放比為1∶0.713，進(jìn)、回風(fēng)巷道高均為4.3 m、寬均為5.4 m。

針對(duì)工作面基本地質(zhì)條件和采煤工藝，結(jié)合智能化工作面支護(hù)設(shè)備需求，研制一種滿足工作面安全支護(hù)的高智能化重型放頂煤液壓支架迫在眉睫。

1 重型放頂煤液壓支架工作阻力計(jì)算與選型

1.1 工作阻力計(jì)算

設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)估算法對(duì)支護(hù)強(qiáng)度P(MPa)進(jìn)行計(jì)算，即：

Pη=αMγ×9.8×10-3.

(1)

其中：α為頂板巖層厚度相當(dāng)于采高的倍數(shù)，取α=8；M為回采工作面采高，取M=3.7 m；γ為頂板巖石的容重，取γ=2.7 t/m3；η為支架的支護(hù)效率，取η=0.95。

將各數(shù)值代入式(1)計(jì)算得：P=0.83 MPa。

工作阻力F(kN)計(jì)算公式為：

F=PS×103.

(2)

其中：S為支護(hù)面積，S=12.16 m2。

將各數(shù)值代入式(2)計(jì)算得：F=100 93 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮工作面地質(zhì)構(gòu)造可能存在的礦壓不穩(wěn)定性，為安全起見，適當(dāng)增加安全系數(shù)，支架工作阻力取11 000 kN，支護(hù)強(qiáng)度為1.12 MPa。

1.2 支架選型

1.2.1 放頂煤結(jié)構(gòu)型式分析

目前放頂煤支架有兩柱式和四柱式兩種結(jié)構(gòu)型式，兩柱掩護(hù)式放頂煤支架特點(diǎn)是支撐力主要集中在頂梁部位，且分布較均勻，但由于立柱呈傾斜布置，切頂性較差。四柱支撐掩護(hù)式支架改善了支撐式和掩護(hù)式兩類支架的性能，增強(qiáng)了支架的穩(wěn)定性和防護(hù)性，提高了支架的支撐和承載能力。針對(duì)長(zhǎng)平礦5302工作面頂板條件較差，掩護(hù)梁和尾梁直接接觸冒落的頂煤，掩護(hù)梁長(zhǎng)時(shí)間處于高載荷狀態(tài)，結(jié)合支架的結(jié)構(gòu)特性，現(xiàn)有平衡千斤提供的力無法滿足該放頂煤支架的需求，且也不能只依靠平衡千斤來進(jìn)行支撐，所以本次設(shè)計(jì)選用四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架。

1.2.2 支架型號(hào)確定

根據(jù)工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合長(zhǎng)平礦5302工作面實(shí)際采煤工藝，綜合考慮采煤最低最高采高及最低運(yùn)輸高度要求，最終支架確定為ZF11000-20.5-38D四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架。

2 支架優(yōu)化設(shè)計(jì)與受力分析

2.1 四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮在綜放工藝采煤過程中支架支護(hù)應(yīng)具備支撐力大、切頂性能好、防護(hù)性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在最大最小采高升降架過程中梁端曲線變化規(guī)律穩(wěn)定等要求，初設(shè)選定的四連桿基本模型如圖1所示。

圖1 初設(shè)選定的四連桿基本模型

利用邁實(shí)軟件對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的四連桿機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的四連桿機(jī)構(gòu)

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真模擬

選定四連桿機(jī)構(gòu)后，在液壓支架最高3 800 mm和最低2 050 mm范圍內(nèi)間隔100 mm做液壓支架運(yùn)動(dòng)模擬，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化后確定液壓支架各結(jié)構(gòu)尺寸。液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真模擬如圖3所示。

圖3 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真模擬

2.3 液壓支架受力分析

2.3.1 加載試驗(yàn)

依據(jù)GB25974-2010液壓支架通用技術(shù)條件，對(duì)設(shè)計(jì)的液壓支架進(jìn)行受力分析。分別進(jìn)行以下加載試驗(yàn)：支架頂梁集中加載、頂梁扭轉(zhuǎn)、頂梁?jiǎn)蝹?cè)加載、底座集中加載、底座扭轉(zhuǎn)、頂梁扭轉(zhuǎn)+底座集中加載、頂梁集中+底座兩點(diǎn)加載、頂梁前端水平加載、頂梁后端水平加載。經(jīng)分析優(yōu)化后，得到液壓支架技術(shù)參數(shù)，如圖4所示。

圖4 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2 液壓支架受力與力矩分析

得出液壓支架具體技術(shù)參數(shù)后，選取3.8 m最大支護(hù)位置，采用前后底板比壓和前后支護(hù)強(qiáng)度的形式對(duì)液壓支架進(jìn)行力與力矩的仿真，仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 液壓支架力的仿真結(jié)果(3.8 m狀態(tài)下)

圖6 液壓支架力矩的仿真結(jié)果(3.8 m狀態(tài)下)

3 液壓支架強(qiáng)度校核與三維模型

3.1 主要結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核

選取上述加載試驗(yàn)和受力分析中各主要部件所承受的最大彎矩或扭矩，分別對(duì)以下主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核：支架頂梁中心處彎曲校核、支架頂梁柱窩處彎曲校核、頂梁扭轉(zhuǎn)校核、支架掩護(hù)梁與前連桿鉸接處彎曲校核、ZF11000支架掩護(hù)梁扭轉(zhuǎn)校核、支架前后連桿彎曲校核、支架底座后柱窩處彎曲校核。經(jīng)校核計(jì)算，最小安全系數(shù)大于1.63，所有結(jié)構(gòu)件均在安全系數(shù)范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 立柱校核

根據(jù)確定的液壓支架參數(shù)和受力分析結(jié)果，依次對(duì)立柱千斤缸筒壁厚、液壓缸進(jìn)液口直徑等部位進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，經(jīng)校核計(jì)算，立柱安全系數(shù)均在安全范圍之內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

3.3 三維模型

綜上所述，ZF11000-20.5-38D型液壓支架滿足長(zhǎng)平礦5302工作面綜放工藝采煤使用需求，選定支架具體技術(shù)參數(shù)后，對(duì)支架進(jìn)行全三維設(shè)計(jì)，其三維模型如圖7所示。

圖7 ZF11000-20.5-38D液壓支架三維模型

4 液壓支架智能化設(shè)計(jì)

本液壓支架配備了全套成組程序自動(dòng)控制裝備，包含18+6功能電液控及相應(yīng)控制器、采高及姿態(tài)傳感器、壓力傳感器、行程傳感器、紅外接收器、無線接收器、聲光報(bào)警器、接近開關(guān)、自動(dòng)反沖洗過濾器、云臺(tái)攝像儀等，可實(shí)現(xiàn)的智能化功能主要如下：

(1)具有自動(dòng)循環(huán)移架、成組自動(dòng)推溜、成組向后拉溜、成組伸收護(hù)幫板、成組伸收伸縮梁、成組伸收插板、成組擺尾梁和成組噴霧等功能。

(2)具有成組放煤功能，放煤時(shí)間可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)放煤、全自動(dòng)放煤和記憶放煤功能。

(3)具有任意截深定距自動(dòng)推溜、自動(dòng)拉架功能，動(dòng)作誤差不大于10 mm；具有推溜和拉架修正功能，累計(jì)誤差不大于10 mm。

(4)具有支架立柱自動(dòng)補(bǔ)液功能，補(bǔ)償開啟壓力值、關(guān)閉壓力值可調(diào)。

(5)具有三種控制方式：工作面支架就地控制(手動(dòng)控制)、集中控制(遙控控制)和遠(yuǎn)程控制(集控中心控制)。

(6)擁有先進(jìn)的人員定位技術(shù)，在工作面內(nèi)定位精度≤20 cm。

(7)具有支架遙控器集成人員定位功能和身份識(shí)別功能，與電液控制系統(tǒng)的無線連接時(shí)間≤1 s。

5 結(jié)語(yǔ)

本智能化重型放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)型式先進(jìn)、智能化程度高，可廣泛適用于各中厚煤層放頂煤工作面，有效推動(dòng)了全國(guó)煤礦智能化開采的進(jìn)程，對(duì)國(guó)家機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人的發(fā)展目標(biāo)和推進(jìn)煤機(jī)裝備、智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。