掩護式液壓支架工作阻力提升的技改研究

羅武軍

（國能蒙西煤化工股份有限公司棋盤井煤礦，內蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

綜采設備是以“三機一架”為核心，“三機一架”在綜采設備中的價值占比通常在70%～80%，其具體構成包括掘進機、采煤機、刮板輸送機、液壓支架等。液壓支架是用來支撐采煤工作面的頂板、控制礦山壓力的結構物，是煤炭綜合采掘設備的重要組成部分，液壓支架占綜采設備的價值比重約為40%～50%。但液壓支架具有很大的局限性，必須與綜采工作面地質條件相適應，才能保證綜采工作面的安全可靠和高產高效。對液壓支架技改再制造，使其適應新的綜采工作面條件，可以節約大量的設備制造成本，經濟效益顯著。

內蒙古上海廟某煤礦的ZY8000/18/36型液壓支架，在轉面后使用中發現工作阻力偏低，不能很好維護頂板，在進行支架大修時提出了將工作阻力由8000 kN 提高至9000 kN 的技改要求。ZY8000/18/36型掩護式液壓支架由鄭州煤礦機械公司（以下簡稱鄭煤機）設計制造，立柱缸徑為Φ360/340/270/230 mm，平衡千斤頂缸徑為Φ200/140 mm。現需將其升級改造為ZY9000/18/36型支架。

1 技改總體方案及受力分析

保留原支架的主體結構，以降低技改成本。按原四連桿機構重新對其進行力學分析，驗證其是否能滿足9000 kN 的工作阻力，并對薄弱部件優化技改再制造。

1.1 總體受力分析

取立柱工作阻力F=9000 kN，平衡千斤頂工作阻力分別為推力1256 kN（P=40 MPa）、拉力641 kN（P=40 MPa），頂梁與頂板的摩擦因數f 分別按0、0.2、0.3 計算，用OPT 軟件對支架進行受力分析。摩擦因數f=0.3，平衡千斤頂為拉力時，支架的受力情況見表1，此種工況支架受力最大。通過計算，底板比壓符合要求。

表1 摩擦因數f=0.3 平衡千斤頂為拉力時支架的受力情況

1.2 立柱強度分析

立柱缸徑為Φ360/340/270/230 mm，支架工作阻力為9000 kN，反向計算立柱的外缸壓力需調定為44.2 MPa，此時中缸壓力可計算得出為78.6 MPa；中缸采用27SiMn 材料，屈服強度835 MPa。缸體在承受油壓作用下，相當于有內壓q 作用的封閉圓筒，其力學模型可以簡化如圖1 所示。

圖1 受液體壓力作用的缸壁應力模型

1.2.1 立柱外缸安全系數計算

立柱外缸內徑為d=360 mm，外徑D=420 mm，油缸壓力q=44.2 MPa，經過對數學公式進行推導及分析，可知當γ 取內徑時，其各項應力最大，以此作為校核基準。取γ=180 時：其上主要存在周向應力σθ、軸向應力σz、徑向應力σγ。

1.2.2 缸體應力計算和強度校核

由其受力形式可知：

缸筒材料為27SiMn，屬于塑性材料，用其材料屈服點σs=835 MPa 進行校核。

1.2.3 立柱中缸安全系數計算

立柱中缸的計算方法同外缸，立柱中缸體內徑為d=270 mm，外徑D=340 mm，油缸壓力q=78.6 MPa，當γ 取內徑時，其各項應力最大，以此作為校核基準。取γ=135 時：

通過計算立柱的中缸和外缸可知立柱的安全系數為2.26。

1.3 頂梁強度分析

結構件強度一般分析危險截面的受力情況，頂梁的危險截面在頂梁柱窩處，根據鄭煤機提供的頂梁圖紙，用Auto－CAD 畫出頂梁體柱窩處的截面，如圖2 所示。

圖2 頂梁柱窩處截面

用AutoCAD 查詢出頂梁體中性軸高度為287.03 mm，慣性矩IZ=5 995 674 978 mm4：

查表1 可知，在支架3.6 m 頂梁柱窩彎矩最大，M=6 318 465 kN·mm；

頂梁蓋板處的彎曲應力

頂梁體主筋及蓋板材料為Q460，其材料屈服強度σs=460 MPa。通過計算頂梁安全系數為1.52。

1.4 底座強度分析

底座的危險截面在底座柱窩處，根據鄭煤機提供的頂梁圖紙，用AutoCAD 畫出底座柱窩處的截面，如圖3 所示。

圖3 底座柱窩處截面

用AutoCAD 查詢出底座中性軸高度為203.58 mm，慣性矩IZ=7545841098 mm4：

查表1 可知，在支架3.6 m 底座柱窩彎矩最大，M=8 342 250 kN·mm

底座底板處的彎曲應力

底座主筋及底板材料為Q550，其材料屈服強度σs=550 MPa。通過計算底座安全系數為1.19。

2 評估

作為再制造液壓支架，各銷軸與孔的配合間隙稍大，各零部件受力會惡化，各零部件的安全系數應當比正常設計適當取高一些。液壓支架在9000 kN 工作阻力下，立柱的安全系數為2.26，頂梁的安全系數為1.52，底座的安全系數為1.19。底座的安全系數偏低，建議技改加強。

3 技改措施

提高底座抗彎強度的主要措施有：①減小最大彎矩，由于支架四連桿機構已固定，此方案不可行；②提高材料的力學性能，此方案不可行；③提高截面的抗彎截面系數，可行。

通常材料越遠離中性面，對提高抗彎截面系數越經濟合理，因此在主筋上端增加貼板比較經濟合理。底座加強方案如圖4 所示，外主筋加25 mm 厚貼板。

圖4 加強后底座柱窩截面

用AutoCAD 查詢出加強后的底座中性軸高度為216.55 mm，慣性矩IZ=8 451 744 298 mm4。

加強后的底座主筋上端處的彎曲應力

液壓支架在工作阻力8000 kN 時底座安全系數為1.33，加強后的底座在9000 kN 工作阻力安全系數已經高于1.33，較為合理。

4 結論

綜上所述，在進行液壓支架工作阻力提升時，應重新全面計算液壓支架各主要部件的受力，分析其能否滿足新要求，若不滿足需對薄弱環節進行局部加強。切不可通過隨意調高立柱安全閥開啟壓力來增加支架的工作阻力。