新型履帶行走液壓支架的開發與動力學分析

趙海斌

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

液壓支架為綜采工作面重要的支護設備。目前，工作面所應用的液壓支架主要為步進式液壓支架，該型液壓支架實際是在原有液壓支架基礎上進行局部改造所得的產品，并沒有從根本上解決頂板支撐易碎的問題。超前液壓支架為比步進式液壓支架更進一步且技術更先進的液壓支架，但是該型液壓支架在前行時由于頂梁和頂板之間的滑動摩擦同樣會影響設備工作的穩定性和可靠性[1]。因此，為有效解決上述問題，設計履帶液壓支架，其采用滾筒移架的方式完成液壓支架的前行，減小頂梁和頂板之間的摩擦。

1 履帶液壓支架的總體參數確定

1.1 工作面超前支護現狀分析

根據《煤炭安全規程》的相關標準規范，要求順槽工作面超前支護的距離不小于20 m。傳統工作面主要以單體液壓支柱實現超前支護，但是其在實際應用中存在支護強度低、支護速度慢以及勞動強度大的問題。雖然超前液壓支護在某種程度上解決了單體液壓支護所面臨的問題，但是其并未從根本上解決頂板破碎嚴重的問題。因此，本文將根據相關標準要求和實際生產工況完成履帶液壓支架的設計，并對其進行仿真評估驗證[2]。

理論上影響綜采工作面超前支護性能的主要因素包括有礦壓和移架方式。其中礦壓直接決定配套液壓之際的工作阻力和支護強度；而移架方式直接影響頂梁對頂板的摩擦系數，從而決定對頂板的破壞程度。

單體液壓支柱為我國最早應用的超前支護設備，該設備主要通過人工進行移架，在實際工況中主要表現為支護強度低、支護效率低以及開采成本高的不足。

對于超前支護液壓支架，根據結構特點的不同可分為自移式超前支護液壓支架、跨騎式超前支護液壓支架、大采高四連桿式超前支護液壓支架和履帶行走式液壓支架。總的來講，超前支護液壓支架仍然存在頂梁和頂板滑動摩擦的問題[3]。因此，本文將設計一款新型履帶行走式超前支護液壓支架。

1.2 新型履帶行走式超前支護液壓支架總體參數確定

結合履帶行走式液壓支架在實際生產應用問題，將頂梁與頂板之間的滑動摩擦改進為滾筒摩擦，即將頂梁也采用履帶式結構，其整體結構如圖1 所示。

圖1 新型履帶行走式超前液壓支架整體結構

如圖1 所示，新型履帶行走式超前液壓支架主要包括有頂梁履帶、上下驅動輪、液壓立柱、四連桿機構以及上下導向輪等。結合超前液壓支架的基礎結構參數和綜采工況，對應新型履帶行走式超前液壓支架的整體結構參數如表1 所示。

表1 新型履帶行走式超前液壓支架的整體結構參數

2 新型履帶行走式液壓支架行走機構的設計

新型履帶行走式液壓支架與傳統普通超前支護液壓支架的本質區別在于頂梁與頂板的滑動摩擦改進為滾筒摩擦。因此，本文重點對頂梁履帶頂梁機構進行設計[4]。為保證所設計新型履帶行走式液壓支架在實際應用的效果，對應履帶頂梁機構設計時應滿足如下要求：

1）所新增的履帶頂梁機構不能影響液壓支架立柱和四連桿功能的發揮。

2）新增的履帶頂梁機構在實際移機過程中的阻力應較小且不影響液壓支架的正常支護功能的發揮。

3）履帶頂梁機構應具備一定的轉向功能，以適應彎曲工作面的生產要求。

2.1 履帶板結構設計

履帶板為直接與工作面頂板接觸的部件，其作為載荷傳動的部件，而且在移架過程中還需承受一定的滾筒摩擦。因此，對履帶板硬度的要求較高，故采用合金鋼對履帶板進行鑄造。履帶板可以分為整體式和組合式兩種形式。由于整體式履帶板的制造成本較高且加工精度較大，本方案采用組合式履帶板結構。為保證履帶板具有足夠的牽引力，需在履帶板結構上配置一定高度的履刺。為保護工作面頂板的完整性，頂梁履帶板上履刺的高度設計為20 mm。

2.2 驅動方案設計

履帶頂梁機構需要足夠且穩定的驅動力才能夠達到高效、安全、快速移架功能。針對頂梁履帶機構可采用的驅動方式包括有曲柄滑塊、曲柄滑塊加鏈傳動、搖桿滑塊、液壓缸直線等驅動方案。其中，曲柄滑塊和曲柄滑塊加鏈傳動的驅動方式由液壓缸直接向驅動輪提供驅動力；搖桿滑塊驅動方式通過液壓缸將驅動力傳動至擺桿，由擺桿向驅動輪提供驅動力；液壓缸直線驅動方式由液壓缸直接將驅動力提供給履帶實現直線運動，同時所配套的兩組液壓缸能夠保證履帶的驅動力連續[5]。

綜合從空間限制因素、復雜程度、傳動效率對比上述四種驅動方案的優劣勢，得出頂梁履帶機構采用液壓缸直線方式實現驅動功能，該驅動方式具有較高的驅動效率，且其不受空間的限制，復雜程度也一般。

3 頂梁履帶機構的動力學分析

頂梁履帶機構的動力學性能直接決定履帶行走式液壓支架在實際應用中的移架效率和可靠性。本節基于ADAMS 仿真軟件對頂梁履帶結構的動力學特性進行仿真分析。頂梁履帶結構的主要參數如表2 所示。

根據表2 中的參數完成模型的搭建，并完成約束副添加、接觸定義，對兩組液壓缸施加驅動后對履帶架的行走速度進行仿真分析，仿真結果如圖2 所示。

表2 頂梁履帶機構關鍵參數

圖2 履帶架行走速度仿真結果

如圖2 所示，由于頂梁履帶機構是依靠兩組液壓缸交替完成驅動任務，在6.26 s 后由于第一組液壓缸向第二組液壓缸的轉移，履帶架行走速度出現較為明顯的波動，但是波動時間僅持續在6.26～6.295 s 之間。但是，除此更替階段以外，履帶架的行走速度均處于相對穩定運行狀態，保持在138.89 mm/s 左右。

4 結語

本文設計的新型履帶行走式液壓支架的關鍵改進點在于其頂梁與頂板之間的摩擦從滑動摩擦改進為滾筒摩擦。通過動力學仿真分析可知，基于液壓缸直線驅動方式可保證頂梁履帶機構保持在相對恒定的速度穩定運行，實現高效、快速的移架功能。