高端液壓支架柱帽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與適應(yīng)性分析

韓會軍，劉新華

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

高端液壓支架柱帽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與適應(yīng)性分析

韓會軍，劉新華

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

高端液壓支架具有高工作阻力、高可靠性、高支護(hù)性能的技術(shù)特點(diǎn)，頂梁柱帽作為液壓支架頂梁承載關(guān)鍵部件，其使用條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是否與實(shí)際工況相適應(yīng)，直接影響煤礦井工安全開采進(jìn)程。針對兩柱與四柱液壓支架不同承載特性，頂梁與柱帽不同聯(lián)接方式，柱帽不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析相應(yīng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)柱帽的適應(yīng)性，為液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

液壓支架；柱帽結(jié)構(gòu)；適應(yīng)性；承載特性

液壓支架作為煤礦井工開采的重要支護(hù)設(shè)備，其工作性能及可靠性直接影響煤炭生產(chǎn)安全。伴隨煤炭高產(chǎn)高效及綠色安全開采技術(shù)的推廣，在大工作阻力、高支護(hù)性能、高可靠性的要求下，液壓支架設(shè)計(jì)制造技術(shù)取得長足發(fā)展，支架柱帽作為其零部件之一，焊接固定于支架頂梁上，一面與立柱柱頭接觸，另一面承受頂梁頂板傳遞的外部載荷作用，其可靠性在支架的整體工作性能中起到關(guān)鍵性的作用。針對不同開采工藝及支架結(jié)構(gòu)，柱帽應(yīng)該具有不同的結(jié)構(gòu)形式以確保支架支護(hù)性能以及高可靠性。

1 高端液壓支架承載特性

伴隨煤礦開采技術(shù)發(fā)展，高端液壓支架現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及制造技術(shù)經(jīng)過長期的完善，針對大采高與放頂煤的不同采煤工藝，形成了以四連桿為穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的兩柱及四柱支架設(shè)計(jì)思路。在支護(hù)工作空間過程中，由于立柱支撐角度、合力作用點(diǎn)等不同，支架四柱與兩柱的承載特性也存在差別，進(jìn)而柱帽受力狀態(tài)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)也不同。

兩柱掩護(hù)式支架通過立柱與平衡千斤頂共同發(fā)揮支架的承載作用，使支架能及時調(diào)整合力作用點(diǎn)位置，提高支架頂板適應(yīng)性及承受水平力的性能。兩柱支架所受合力經(jīng)由頂梁向下傳遞，位于同一排的兩顆立柱承受頂板壓力，雖然力平衡區(qū)較窄(圖1)，但可以完美發(fā)揮支架的承載能力，此時可認(rèn)為柱帽只受壓力作用。

圖1 相同工作阻力兩柱與四柱支架的承載特性示意

四柱支架力平衡區(qū)較寬，對外載荷適應(yīng)性更好，但往往存在立柱受力不均的弊端，尤其對于四柱放頂煤液壓支架，其開采過程中后部背矸量減少，合力作用點(diǎn)前移，支架前后排立柱受力不均衡，前排受力大，后排受力小，甚至出現(xiàn)后排立柱受拉現(xiàn)象。此時支架支護(hù)能力不能有效發(fā)揮，甚至造成支架失效故障。相應(yīng)地，此時支架頂梁柱帽與立柱的連接處，前排受壓，后排受拉。

2 立柱與柱帽聯(lián)接類型

支架頂梁與柱帽的聯(lián)接方式對支架支護(hù)性能的良好發(fā)揮有很大影響。如圖2所示，常見聯(lián)接結(jié)構(gòu)有通銷聯(lián)接和耳軸聯(lián)接。通銷聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單，在柱頭處加工通孔，使用一根通銷作為柱帽與頂梁間的主要聯(lián)接零件；耳軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，占用空間較大，但裝配方便，切削加工量少，用2個盲孔取代柱頭通孔，用耳軸取代通銷。

圖2 立柱與柱帽兩種聯(lián)接結(jié)構(gòu)

以工作阻力12000kN的兩柱掩護(hù)式支架為例，立柱與柱帽取相同結(jié)構(gòu)參數(shù)，簡要分析2種不同聯(lián)接結(jié)構(gòu)的受力情況。

2.1 立柱柱頭受力分析

相同工作參數(shù)下，2種聯(lián)接結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要在于柱頭處孔的加工形式不同。通銷結(jié)構(gòu)中，通孔處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，柱頭最大應(yīng)力為384MPa；耳軸結(jié)構(gòu)中，柱頭最大應(yīng)力為255MPa，遠(yuǎn)小于通銷結(jié)構(gòu)，耳軸聯(lián)接方式受力優(yōu)于通銷聯(lián)接。2種聯(lián)接結(jié)構(gòu)下柱頭應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 2種聯(lián)接結(jié)構(gòu)下柱頭應(yīng)力

2.2 柱帽耳子受力分析

當(dāng)立柱受壓時，柱頭與柱帽緊密接觸承受載荷，當(dāng)立柱受拉時，拉力最終作用于柱帽耳子上，假設(shè)立柱所受拉力為其降柱力F，則對通銷結(jié)構(gòu)，柱帽耳子的薄弱環(huán)節(jié)為其斷面面積最小處[5]，其應(yīng)力為

(1)

式中，δ為柱帽耳子厚度；c為耳子截面長度；d為耳子銷軸直徑。

對耳軸結(jié)構(gòu)，其危險(xiǎn)斷面在靠近頂梁頂板的銷軸處，該處應(yīng)力為

(2)

式中，e為耳子截面長度；D為耳子銷軸直徑；l為柱頭邊緣到上耳軸孔長度；a為耳軸長度；h為兩耳軸孔間高度。

圖4為耳軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 耳軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 柱帽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

頂梁柱帽安裝于支架頂梁上，是頂板壓力對液壓立柱的直接作用位置。常見的柱帽為鑄造式一體化柱帽結(jié)構(gòu)，直接坐于支架頂梁頂板上，周圍通過角焊或填平焊與頂梁頂板及主筋焊接，柱帽結(jié)構(gòu)較厚，保證了與主筋間的焊縫長度，連接穩(wěn)固。

工作過程中，立柱受頂板壓力作用，柱頭與柱帽球冠間的最大接觸壓力[6]為

(3)

式中，p為載荷；e為材料彈性模量；r1為柱頭半徑；r2為柱帽球冠半徑。

設(shè)計(jì)過程中利用式(3)進(jìn)行計(jì)算，通過適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)保證柱帽使用強(qiáng)度。

圖5 實(shí)心柱帽下加十字肋結(jié)構(gòu)

隨著高端液壓支架現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法逐步發(fā)展，設(shè)計(jì)人員在高端支架的設(shè)計(jì)中開始采用實(shí)心柱帽下加十字肋的拼裝結(jié)構(gòu)，如圖5所示，通過調(diào)整十字肋結(jié)構(gòu)即可適應(yīng)不同應(yīng)用場合，因此柱帽本身通用性較強(qiáng)，互換性較好，利于節(jié)省生產(chǎn)成本。此結(jié)構(gòu)較之傳統(tǒng)柱帽結(jié)構(gòu)形式簡單，重量較輕，柱帽下的墊板和十字肋結(jié)構(gòu)有利于頂板壓力傳遞，減少頂梁頂板載荷集中，使頂梁相較一體化柱帽結(jié)構(gòu)可以承受更大的沖擊壓力。以工作阻力12000kN的兩柱掩護(hù)式液壓支架為例，分別計(jì)算一體化柱帽與拼裝式柱帽結(jié)構(gòu)受力情況，經(jīng)計(jì)算得出，一體化柱帽結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為287MPa，載荷主要集中于柱窩本身，拼裝式柱帽結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為257MPa，最大應(yīng)力值減小10%，且從應(yīng)力圖6中可看出，該結(jié)構(gòu)所受載荷對主筋及頂板有更顯著的傳遞效果。需說明的是，拼裝式柱帽結(jié)構(gòu)相對簡單，但相比鑄造式一體化柱帽而言，更加輕便的體型及實(shí)心結(jié)構(gòu)，使其在生產(chǎn)過程中更容易產(chǎn)生鑄造缺陷，降低零件強(qiáng)度，因此拼裝柱帽結(jié)構(gòu)須采用鍛造加工。

4 結(jié) 論

針對高端液壓支架高工阻、高可靠性、高支護(hù)性能的特點(diǎn)，頂梁柱帽結(jié)構(gòu)應(yīng)采用不同的結(jié)構(gòu)形式以適應(yīng)不同工況。

(1)四柱液壓支架前后排立柱受力不均勻，后柱帽處可能承受拉力，在進(jìn)行支架設(shè)計(jì)時除保證柱帽承載外，還需要考慮柱帽固定耳及焊縫能承受一定拉力載荷。

(2)耳軸聯(lián)接結(jié)構(gòu)減少了立柱柱頭鉆孔加工量，提高了柱頭承載能力，抗沖擊性能加強(qiáng)，便于拆裝，適應(yīng)性優(yōu)于通銷結(jié)構(gòu)。

(3)拼裝式柱帽對所受載荷有更好的傳遞作用，減少柱帽處的應(yīng)力集中，較一體化柱帽更能承受沖擊壓力，且更利于通用件互換，但其結(jié)構(gòu)決定其必須通過鍛造加工，以保證零件強(qiáng)度。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Adaptability Analysis and Structural Characters of Advanced Hydraulic Support Prop Cap

HAN Hui-jun，LIU Xin-hua

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

The advanced hydraulic support has the following characters，which include high working resistance，high reliability and high supporting performance，prop cap of roof beam is key component of roof beam bearing of hydraulic support，the safety mining process was influenced directly by the adaptability between practical situation，structural characters and working condition.The characters were studied，which include different bearing characters between tow columns and four columns hydraulic support，different connection type between roof beam and prop cap，different structural characters of prop cap，the adaptability of prop cap was studied，it references for structural design of hydraulic support.

hydraulic support；prop cap structure；adaptability；bearing characters

2016-08-05

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.009

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)課題;深部圍巖自適應(yīng)支護(hù)原理及系統(tǒng)創(chuàng)成理論(2014CB046302)

韓會軍(1984-)，男，山西呂梁人，助理研究員，主要從事液壓支架設(shè)計(jì)研究工作。

韓會軍，劉新華.高端液壓支架柱帽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與適應(yīng)性分析[J].煤礦開采，2017，22(2)：34-36.

TD355.41

A

1006-6225(2017)02-0034-03