新型液壓支架組裝架設(shè)計(jì)與分析研究

魏雁亭(晉城乾泰安全技術(shù)有限公司，山西 晉城 048006)

新型液壓支架組裝架設(shè)計(jì)與分析研究

魏雁亭
(晉城乾泰安全技術(shù)有限公司，山西 晉城 048006)

傳統(tǒng)綜采液壓支架的拆除與組裝通常采用手動(dòng)葫蘆作為起吊工具，不僅效率低，而且安全隱患較大，為了快速、安全地完成液壓支架的組裝與拆除，從各回路執(zhí)行油缸的負(fù)載分析、液壓系統(tǒng)原理圖及相關(guān)液壓元件的選型設(shè)計(jì)入手，并結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用設(shè)備，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

液壓支架組裝架；液壓系統(tǒng)；油缸負(fù)荷

煤礦現(xiàn)代化技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)綜采工作面設(shè)備的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的小型液壓支架已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化大型礦井的要求。然而，由于井下空間和條件的限制，大型液壓支架必須在地面拆解后再運(yùn)輸至井下完成組裝，因此，在煤礦綜采面成套設(shè)備安裝與回撤中任務(wù)量最大的工作即為液壓支架的組裝和拆卸。

煤礦生產(chǎn)中只注重引進(jìn)大功率大噸位的綜采設(shè)備，忽略了綜采設(shè)備繁瑣的拆卸工作，為煤礦生產(chǎn)帶來(lái)諸多不必要的麻煩。因此，研究一種新型液壓支架組裝架以提高煤礦井下機(jī)械化作業(yè)水平，實(shí)現(xiàn)礦井的高效生產(chǎn)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度是非常必要的。

1 組裝架總體設(shè)計(jì)

新型液壓支架組裝架適應(yīng)性強(qiáng)、組裝空間大、能夠自移，真正實(shí)現(xiàn)了液壓支架組裝與拆解的機(jī)械化操作，具有靈活便捷的優(yōu)勢(shì)。

新型綜采液壓支架組裝架自成框架，不以頂板為依托，采用電極驅(qū)動(dòng)、液壓控制的液壓支架起吊裝置，由底座、縱向移動(dòng)裝置、側(cè)翻裝置、起吊裝置及自移裝置等組成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 起吊工作由4條起吊鏈共同完成，不僅可以提高設(shè)備起重重量，而且提高了安全性。

2) 側(cè)翻裝置，4個(gè)起吊裝置共同配合，實(shí)現(xiàn)了液壓支架的翻轉(zhuǎn)工作，可操作性良好。

3) 4條起吊鏈操作靈活，可以實(shí)現(xiàn)前后左右任意轉(zhuǎn)動(dòng)。

4) 多級(jí)升降立柱實(shí)現(xiàn)了設(shè)備整體高度的調(diào)整功能，使得操作空間增大，完成了液壓支架的拆裝工作。

5) 新型設(shè)備在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)自行移動(dòng)，便于液壓支架拆裝位置的調(diào)整。

具體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 新型設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算

2.1確定系統(tǒng)工作壓力

載荷與設(shè)備類(lèi)型決定了系統(tǒng)的壓力，在工程實(shí)踐中，依據(jù)實(shí)際載荷，參考不同機(jī)械類(lèi)型的常用系統(tǒng)壓力表，經(jīng)過(guò)初步研究，確定液壓系統(tǒng)工作壓力為32 MPa，不同機(jī)械常用系統(tǒng)壓力表見(jiàn)表1.

表1 機(jī)械常用系統(tǒng)壓力表

有效工作壓力由于存在背壓力以及進(jìn)油管路的壓力損失，因此低于系統(tǒng)壓力，那么有效工作壓力p1為：

(1)

式中：

p1—執(zhí)行元件的有效壓力，MPa；

p—系統(tǒng)工作壓力，MPa，取32；

Δp—進(jìn)油管路壓力損失，MPa，取0.5；

p2—液壓系統(tǒng)背壓，MPa；

A1—無(wú)桿腔活塞有效面積,mm2；

A2—有桿腔活塞有效面積,mm2.

2.2油缸主要結(jié)構(gòu)尺寸

頂梁升降油缸活塞桿上最大載荷力是在穩(wěn)定承壓狀態(tài)下的最大靜負(fù)載，活塞桿為45鋼，最大載荷力為78 kN，直徑≥30 mm，圓整后取為40 mm. 結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2.

表2 頂梁升降油缸實(shí)際工作壓力表

其余各油缸主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表3.

表3 其余油缸實(shí)際工作壓力表

3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析研究

綜采液壓支架組裝架主要用于液壓支架的拆裝任務(wù)，其工作深度在480 m以上，環(huán)境溫度為15 ℃～38 ℃，相對(duì)濕度≤95%，傳動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括起吊回路、側(cè)翻回路、頂梁升降回路及縱向回路等。

3.1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

綜采液壓支架組裝架的額定起重量為23 t，提升行程最大為3 m，綜采液壓支架組裝架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)表

頂梁升降油缸為三級(jí)伸縮油缸，三級(jí)油缸行程分別為600 mm、650 mm、700 mm，各回路油缸啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)間均為0.5 s. 因此，可以計(jì)算出各回路油缸往返位移值，見(jiàn)表5.

表5 油缸往返動(dòng)作位移值表

3.2負(fù)載分析

綜采液壓支架組裝架在組裝液壓支架時(shí)，油缸的負(fù)載不同，為了使組裝架能夠滿(mǎn)足不同類(lèi)型的液壓支架的拆裝工作，以最大重量23 t為負(fù)載進(jìn)行分析。

1) 頂梁升降油缸的合理計(jì)算。

新型設(shè)備包含4個(gè)頂梁升降油缸，在操作過(guò)程中，不允許對(duì)頂梁進(jìn)行升降。當(dāng)設(shè)備進(jìn)行安裝與回撤時(shí)，允許頂梁升降油缸，外負(fù)載由設(shè)備頂梁自身重量和啟、制動(dòng)過(guò)程中的慣性載荷組成。此時(shí)最大外負(fù)載FW1為：

(2)

式中：

Fg—油缸工作負(fù)載，N；

G—頂梁自身重力，N；

m—頂梁質(zhì)量，kg，取7 000；

a—加速度，m/s2，取0.08.

代入式(1)中，得到FW1=17 640 N.

2) 起吊油缸負(fù)載力計(jì)算。

由于支架起吊工作由4個(gè)起吊裝置組成，每組起吊裝置僅承受1/4重量，在起吊過(guò)程中，由于增速滑輪組的運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致油缸的工作負(fù)荷增加，由于工作負(fù)荷大于慣性負(fù)載與摩擦負(fù)荷之和，因此認(rèn)為此時(shí)的外負(fù)荷即為起吊油缸最大工作負(fù)荷FW：

(3)

式中：

Fg—油缸工作負(fù)載，N；

n—?jiǎng)踊唫€(gè)數(shù)，取2；

G—支架部件最大重力,N，取230 000.

得到FW=230 000 N.

3) 側(cè)翻油缸載荷力計(jì)算。

側(cè)翻油缸外負(fù)載的產(chǎn)生主要是由起重鐵鏈、滑動(dòng)支座與移動(dòng)橫梁之間的摩擦和滑動(dòng)支座與鏈輪的慣性負(fù)荷組成，此時(shí)側(cè)翻油缸外負(fù)載FW為：

FW=Fg+Ff=Fg+μ(Fg+G)

(4)

式中：

Fg—油缸工作負(fù)載，N，取57 000；

Ff—摩擦負(fù)載，N；

μ—摩擦系數(shù)；

G—滑動(dòng)支座與鏈輪總重力，N，取1 100.

代入式(4)，得FW=65 715 N.

4) 縱向牽引油缸負(fù)載計(jì)算。

縱向牽引油缸的外負(fù)載包括工作負(fù)載與慣性負(fù)載。移動(dòng)橫梁與軌道之間的滾動(dòng)摩擦為工作負(fù)載，運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的負(fù)載為慣性負(fù)載，因此縱向牽引油缸的外負(fù)載由兩個(gè)油缸共同牽引組成，記為FW：

(5)

式中：

μ—摩擦系數(shù)，取0.05；

m—運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，kg，取25 000；

a—加速度，m/s2，取0.06.

代入式(5)中得FW=7 000 N.

綜上所述，頂梁升降油缸各階段負(fù)載及其余油缸最大負(fù)載見(jiàn)表6、7，油缸機(jī)械效率取值為η=0.9.

表6 頂梁升降油缸各階段負(fù)載變化表

表7 各油缸最大負(fù)載表

該新型設(shè)備設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，工作量較大，以乳化液泵站為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)了井下快速安全高效對(duì)支架的拆裝作業(yè)，提高了礦井的生產(chǎn)能力。

3.3液壓傳動(dòng)系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動(dòng)方向的控制：根據(jù)設(shè)計(jì)可知，本系統(tǒng)各執(zhí)行油缸所需流量不大，故可直接釆用換向閥進(jìn)行有機(jī)組合，從而實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)作。

速度控制：由于本液壓系統(tǒng)中較多的執(zhí)行油缸均承受負(fù)載荷，并且對(duì)往返速度有一定要求，因此選用雙向節(jié)流閥進(jìn)行進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了節(jié)流調(diào)速回路開(kāi)式循環(huán)形式的功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱性好等優(yōu)點(diǎn)。

壓力控制：通過(guò)選用定量泵供油對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行雙向進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，用溢流閥控制所需壓力，實(shí)現(xiàn)壓力恒定的功能。

鎖緊回路的實(shí)現(xiàn)：由于各執(zhí)行油缸在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，容易出現(xiàn)起吊油缸活塞桿在自重的作用下伸出或者在有負(fù)載的情況下回縮的現(xiàn)象，因此對(duì)起吊油缸實(shí)行雙向鎖緊；并對(duì)頂梁升降油缸進(jìn)行單方向鎖緊，實(shí)現(xiàn)防止頂梁由于自重作用產(chǎn)生下降的功能。

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)各零部件在工作狀態(tài)下實(shí)際受力情況的計(jì)算分析，得到各零部件在此種狀態(tài)下的最大外負(fù)載力，從而確保組裝架各零部件強(qiáng)度與剛度均滿(mǎn)足工作要求。

2) 對(duì)新型液壓支架組裝架液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要從參數(shù)設(shè)計(jì)與液壓系統(tǒng)功能出發(fā)，通過(guò)各零部件所受最大外負(fù)載來(lái)確定系統(tǒng)工作壓力，進(jìn)而確定各油缸結(jié)構(gòu)尺寸。

3) 新型液壓支架組裝架具有起重重量大，可側(cè)翻性，起重吊鏈可實(shí)現(xiàn)前后左右任意轉(zhuǎn)動(dòng)，升降立柱調(diào)節(jié)高度，并且自行移動(dòng)等功能，相比傳統(tǒng)手動(dòng)葫蘆，提高了工作效率，對(duì)煤礦生產(chǎn)具有重要意義。

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DesignandAnalysisonANewHydraulicSupportAssembledSteelFrame

WEIYanting

The dismantling and assembling for hydraulic support traditionally being a low efficient process with the manual operated windlass as lifting tool, which generates a big risk for safety production. The paper introduced the device that tailored for the quick and complete dismantling and assembly of supports, the design took into consideration of the load in executing hydro-cylinder , the system schematics and related hydro-parts to be adopted in the device. The application of the device improved efficiency and reduced labor intensity.

Hydraulic support assembled steel frame; Hydraulic system; Oil cylinder load

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

2017-07-21

魏雁亭(1988—)，男，山西晉城人，2011年畢業(yè)于晉中學(xué)院，助理工程師，主要從事大型設(shè)備的檢測(cè)工作(E-mail)376574246@qq.com

TD355+.4

B

1672-0652(2017)10-0044-04