液壓支架可靠性優(yōu)化設計

王蒼勁

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備有限公司中央機廠， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤炭企業(yè)在綜采工作面進行煤炭生產(chǎn)的重要生產(chǎn)設備，是頂板壓力、采空區(qū)矸石承受的主要設備，液壓支架的強度可靠性對于企業(yè)安全生產(chǎn)至關重要[1-5]。在我國，厚煤層的煤炭產(chǎn)量占全國煤炭產(chǎn)量的48%以上，是我國煤炭生產(chǎn)的主要煤層。我國的大采高厚煤層液壓支護具有高度高、支護強度大、圍巖控制困難、支架穩(wěn)定性不高等問題，現(xiàn)階段液壓支護技術可靠性亟需提高。針對這一現(xiàn)象本文擬結合國外的相關技術對大采高厚煤層液壓支架技術進行優(yōu)化改造，以提高大采高厚煤層液壓支架的安全可靠性，提升綜采工作面的煤炭生產(chǎn)效率。

1 液壓支架選型與參數(shù)確定

1.1 液壓支架選型

大采高厚煤層的液壓支架主要有兩柱掩護式和四柱掩護式兩種架型。西方國家在煤礦開采中多采用四柱掩護式，而我國一般采用兩柱掩護式。為匹配煤礦所用設備及煤礦所在地的地質圍巖等地理條件，本文選用兩柱掩護式液壓支架，以提高液壓支架的可靠性及高效性。

1.2 參數(shù)確定

液壓支架的參數(shù)主要包括支護強度、工作阻力及支架高度三項指標。其中，工作阻力是直接頂與基本頂作用力平衡的主要指標，可使圍巖變形量與頂板下沉量得以有效控制。由于工作阻力= 支護強度×支護面積，因此需確定好支護強度后才可確定工作阻力。本文以某煤礦為例進行研究，經(jīng)實際勘測，某煤礦煤層厚度約為4.55 m，頂板圍巖密度為2400 kg/m3，最大采高為6.2 m，運用數(shù)值模擬法后可得，其最大支護強度為1.2 MPa。那么，支架工作阻力計算公式為：

式中：P 為最大支護強度，MPa；B 為控頂距，m；L 為支架中心距，m。

經(jīng)分析，控頂距B 與支架中心距L 為5 m、1.75 m。將數(shù)值代入式（1）可得，工作阻力F=10500 kN。由于需考慮立柱安全閥開啟壓力及支撐效率等因素，故該液壓支架工作阻力取11000 kN。

某煤礦的煤層厚度變化幅度大，其采高范圍為2.5～5.9 m，為提高工作面煤炭采出率，本文擬采用雙伸縮立柱并適當提高支護高度，液壓支架最大高度設定為6.3 m，最低高度設定為2.8 m。

2 液壓支架主要構件優(yōu)化設計

2.1 底座設計

本文采用開底式設計，前端為鑲嵌式過橋設計，后端為箱式過橋，可增大底座抗扭能力，方便人員通過，提升無支護空間。前端的底座運用船型設計并適當加長，減小比壓，使底座適應性適當提高。前端還進行了抬底設計，當?shù)鬃У缀螅墒褂们Ы镯攲⒌鬃穑奖沩樌萍堋Ｆ渚唧w底座三維模型示意圖，如圖1 所示。

圖1 液壓支架底座三維模型示意圖

2.2 四連桿設計

四連桿機構是支架的主要運行機構，其性能對頂梁運動軌跡和支架穩(wěn)定性、剛度影響較大。本文利用MATLAB 軟件對四連桿機構進行質量優(yōu)化設計，得到具體的最優(yōu)參數(shù)后，采用雙前后連桿加后連桿側幫板的方法進行支架設計，保證梁端平穩(wěn)性及支架的高性能性。其具體的三維模型示意圖，如下頁圖2所示。將四連桿機構進行試驗后發(fā)現(xiàn)，頂梁前端與煤壁距離相對穩(wěn)定，頂梁由高往低運動梁端距離減小，且無突變情況發(fā)生，故該機構設計合理，有利于頂板控制與支架維護。

圖2 四連桿機構三維模型示意圖

2.3 頂梁設計

頂梁作為與頂板直接接觸且承受頂板壓力的主要承壓部件，是液壓支架是否可靠、支護性能是否達標的關鍵部件。頂梁是液壓支架立柱、掩護梁等部件的重要連接點，對于液壓支架設計至關重要。本文采用二級幫護及帶伸縮梁結構的方法對頂梁進行設計，伸縮梁體采用內置式，其由矩形箱體水平排列組成，并將箱體前端連接在一起，后端安裝在相應框口內，通過油缸運動實現(xiàn)支架頂梁的伸縮。三箱伸縮頂梁設計較為安全可靠，二級幫護可實現(xiàn)180°幫護板旋轉，較為適合頂梁設計。其具體三維模型示意圖，如圖3 所示。

圖3 頂梁三維模型示意圖

3 動力液壓缸優(yōu)化設計

動力液壓缸設計主要分為立柱與千斤頂兩部分。立柱與千斤頂?shù)闹饕饔檬钦{整和承載支架，由于其長期處于高壓的支撐狀態(tài)之下，故其需要有良好的抗彎與抗壓能力，同時其密封性能也應較好，以確保支架在工作過程中的安全可靠性。

3.1 立柱設計

一般情況下，通過選取匹配度較高的缸徑與柱徑，可較好地增強立柱的抗沖擊能力，保證立柱可靠性。大采高厚煤層由于壓力較大，支架承載負荷也隨之變大，故立柱缸徑也應加大，保證支架可靠性要求。立柱缸徑的計算公式如下：

式中：u 為比值系數(shù)，一般為0.65～0.8；P 為泵站壓力，MPa。

由上文可知，工作阻力為11000 kN，本設計為雙伸縮式結構，故F 取值為5500 kN，將各參數(shù)代入式（2）可得：D=380～421 mm，選立柱缸徑為400 mm。綜合考慮密封形式、安全系數(shù)等，立柱的柱徑選為380 mm。

3.2 千斤頂設計

支架千斤頂?shù)淖饔脼檎{節(jié)頂梁對頂板作用力大小及受力點位置，從而保持頂梁的平衡。千斤頂是掩護梁與頂梁之間的重要構件，在設計時應主要注意三個易發(fā)生斷裂的部位，其分別為活塞桿扁尾處、活塞與活塞桿連接卡鍵處及缸口處。

基于上述分析，對上述三個部位進行針對性改進優(yōu)化。將活塞桿扁尾尺寸增大至160 mm，以提高其強度，增強安全可靠性。活塞與活塞桿連接卡鍵進行加工工藝優(yōu)化，提高部件加工精度。缸口的斷裂主要是因為千斤頂與掩護梁相對運動造成的擠壓而產(chǎn)生的，故應增大頂梁與掩護梁之間的限位行程，降低其相對運動的可能性，保證缸口完整性。按上述要求設計，千斤頂?shù)娜S模型示意圖，如圖4 所示。

圖4 千斤頂三維模型示意圖

4 液壓支架現(xiàn)場實測分析

將液壓支架按上述部件設計進行組合設計后，可得液壓支架三維模擬示意圖，如圖5 所示。將該液壓支架應用于實際生產(chǎn)中并進行相應測試后發(fā)現(xiàn)，梁端曲線較為平穩(wěn)，無突變發(fā)生；支架四連桿附加力減小；工作阻力符合設計要求，液壓支架可靠性大大提升。

圖5 液壓支架三維模擬示意圖

5 結論

1）液壓支護主要部件及動力液壓缸設計符合優(yōu)化設計要求，構件性能得以提升。

2）按上述部件設計進行組合安裝后，液壓支架梁端曲線較為平穩(wěn)，無突變發(fā)生。支架四連桿附加力減小，工作阻力符合設計要求，液壓支架可靠性大大提升，可應用于實際生產(chǎn)之中。