張 闖
(三一重型裝備有限公司,遼寧 沈陽110027)
在煤炭采掘生產(chǎn)過程中,頂板隨時有冒落的危險,為了保證采煤工作面上各項作業(yè)正常進行和礦工的人身安全,必須對頂板進行支護。液壓支架主要由液壓元件與金屬構(gòu)件組成,以高壓液體作為動力,對采場頂板進行控制和支護的設(shè)備,它可以實現(xiàn)支撐、擋矸、移架和推移輸送機等一系列工序[1-2]。
本文針對全倫煤礦綜采面的工況條件、工作阻力、采高范圍和配套設(shè)備情況。設(shè)計一套工作阻力為5 200 kN,最低高度為1.9 m,最大高度為4.2 m的掩護式液壓支架。支架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 支架結(jié)構(gòu)圖
液壓支架結(jié)構(gòu)由圖1所示,主要由推移裝置、底座、前后連桿、掩護梁、頂梁等結(jié)構(gòu)件和液壓系統(tǒng)構(gòu)成。
支架的中心距一般根據(jù)配套輸送機溜槽每節(jié)長度來確定,我國刮板輸送機溜槽每節(jié)常規(guī)為1.5m和1.75 m,根據(jù)工作阻力5 200 kN,可選取1.5 m.支架底座的寬度由立柱中心距和直徑確定,掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距。根據(jù)技術(shù)要求,推移千斤頂行程為700mm,所以底座長度為2 450mm.
四桿機構(gòu)指由連桿和掩護梁組成的結(jié)構(gòu),掩護梁和連桿長度的計算一般采用解析法,如圖2所示:A為連桿長度;G為掩護梁長度;H1為支架最大高度;H2為支架最低高度。從幾何關(guān)系可得:
圖2 掩護梁和連桿計算圖
在 ZY5200/19/42 型支架中 P1=55°,P2=10°,Q1=35°,Q2=75°,H1=4 200mm 代入式(1) 和式(2)(對于掩護式支架,A/G的比值取0.6),可計算出掩護梁G=2 490 mm,和連桿A=1 490mm.
頂梁長度與三機配套尺寸有直接關(guān)系,因為頂梁必須要保護配套的設(shè)備。配套設(shè)備的采煤機在工作時可能向支架傾斜一定角度,并且采煤機的滾筒不允許截割頂梁,還需考慮煤壁的外表面形狀不一定是垂直的平面,因此要求支架前端距煤壁必須有最小距離安全距離,可取300 mm,故頂梁長度公式為:
頂梁長度L=[底座長度+配套尺寸 +A cos Q1]-[G cos P1+300]+頂梁與掩護梁鉸點至頂梁后端的距離。在ZY5200/19/42型支架中L=2 483+2 450+387-1 420-300+100=3 700mm.
根據(jù)頂板載荷分布和底板條件,在設(shè)計液壓支架立柱上、下柱窩的位置時,必須先確定底座對底板的比壓分布和支架頂梁的支撐力分布,使支架能適應(yīng)工作面條件的要求[3]。
(1)立柱上柱窩位置的確定
液壓支架立柱上柱窩位置的確定,首先需要把支架的空間桿系結(jié)構(gòu),簡化成平面桿系結(jié)構(gòu)。假定外部載荷沿支架寬度方向均布,沿頂梁長度方向按線性規(guī)律變化,并且頂梁與頂板接觸均勻。同時處于安全起見,按集中載荷計算,載荷沿頂梁長度方向呈三角形分布并向頂梁后部越來越大。因此,支架支撐力也是呈三角形分布,以上述條件計算上柱窩位置。此時認為支架集中載荷F作用于頂梁上,且在頂梁1/3處,分離頂梁單獨做受力分析,情況如圖3所示。
圖3 分離頂梁單獨做受力分析圖
對A點取距:∑MA=0
在ZY5200/19/42型支架中,h1=196mm,h2=270 mm、α =11°,L=3 700mm,P=5 200 mm,F(xiàn)=4 722 KN(F=q × S,q=797.6mm,S=5.92mm),帶入式(2-4)計算出x=1 090mm.
(2)立柱下柱窩位置的確定。下柱窩的位置影響移架的效率,因此要使底座前端的比壓小,利于移架。立柱的最大傾角在支架處于最低工作位置時一般小于30°,并考慮支架的調(diào)高范圍和柱前行人空間以及底座與前連桿鉸點的位置關(guān)系,計算如圖4所示,實物圖如圖5所示。
圖4 支架的調(diào)高范圍和柱前行人空間以及底座與前連桿鉸點的位置關(guān)系圖
圖5 支架的調(diào)高范圍和柱前行人空間以及底座與前連桿鉸點的位置關(guān)系實物圖
在ZY5200/19/42型支架中,H=1 900-196-246=1 458mm,α1=34°,α2=22°,β =9°,代入式(7)計算出x1=1 725mm.
液壓支架的總體設(shè)計是液壓支架設(shè)計中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),在滿足技術(shù)參數(shù)的前提下,總體設(shè)計的合理性與適用性決定了液壓支架產(chǎn)品性能,本文中設(shè)計的ZY5200/19/42型液壓支架在全倫煤礦服役使用,可滿足現(xiàn)場使用需求和技術(shù)要求。