綜放工作面超靜定液壓支架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

侯 勇

（西山煤電馬蘭礦 ，山西 古交 030200）

0 引 言

就目前統(tǒng)計(jì)來看，我國厚煤層分布范圍逛，且儲(chǔ)量巨大，厚煤層儲(chǔ)量基本占到了44.8%以上[1]。隨著采掘的進(jìn)行，現(xiàn)正朝著深度開采延伸，但是其采出率等問題是采礦界面臨的難題[2～3],給采礦界機(jī)械化研究者帶來了不小的挑戰(zhàn)。

綜放工作面液壓支架是綜放工作面放頂煤開采過程中不可或缺的關(guān)鍵采掘設(shè)備，液壓支架的性能直接影響著一座礦山的效率及安全，也是綜采工作面采煤核心技術(shù)[4～5]。

超靜定液壓支架根據(jù)普通的液壓支架理論基礎(chǔ),進(jìn)行了升級(jí)和改良，主要對(duì)液壓支架尾梁和連板進(jìn)行了改設(shè)，設(shè)計(jì)成了放煤部，這樣大大增加了放煤率，就目前的厚煤層放頂煤開采來說，超靜定液壓支架具有重要的責(zé)任擔(dān)當(dāng)和使用價(jià)值。本論文就是針對(duì)綜放工作面超靜定液壓支架頂梁、底座、懸浮立柱和放煤部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望能夠進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)綜放液壓支架性能。

1 確定主要參數(shù)

1.1 主要參數(shù)計(jì)算

1）支架高度。

要想確定超靜定液壓支架高度，需要綜合多方面的因素進(jìn)行分析，但煤層厚度是主要因素，為了計(jì)算方便，這里忽略次要因素。

支架最大高度：

支架最小高度：

式中：Mmax、Mmin為煤的最大、最小截高；S1為偽頂冒落的最大高度，一般取300～400mm；S2為周期來壓頂板下沉量，一般取500～900mm。

液壓支架最大、最小高度之比我們稱之為伸縮比，伸縮比值是衡量超靜定液壓支架的適用范圍的一個(gè)參數(shù)，缺憾的是就目前設(shè)計(jì)還不能使得這個(gè)參數(shù)達(dá)到無窮大。綜放工作面液壓支架直接與頂煤相接觸，采煤機(jī)的采高基本對(duì)其沒影響，相應(yīng)伸縮比在此種情況可以作為次要條件考慮，通過實(shí)踐表明，只要在設(shè)計(jì)中考慮能夠承受0.3倍的水平力基礎(chǔ)上采用較小立柱傾角就能滿足要求。參考其他先進(jìn)支架可以確定本液壓支架的最大高度6000mm，最小高度3300mm。

2）立柱傾角。為了確定超靜定液壓支架立柱傾角，其最小抵抗水平力，經(jīng)查閱資料顯示為0.3倍的工作阻力，把伸縮比考慮進(jìn)去，則立柱傾角可以確定為26.8°。

3）頂梁和底座參數(shù)。立柱鉸接點(diǎn)間距c不僅與頂梁和底座長度有關(guān)，而且還與立柱傾角相關(guān)：

式中：H為支架高，取6000mm；G為底座與底座底板垂直距離，mm；α為傾角，取26.8°。

設(shè)計(jì)取g為430mm，經(jīng)計(jì)算得c為1300mm。

頂梁長度L1可由下式?jīng)Q定：

式中：b為最前鉸接點(diǎn)到頂梁最前端距離；D為最后鉸接點(diǎn)到頂梁最后端距離；

查閱相關(guān)資料，b可取820mm，d可取720mm，代入公式可得L1為5440mm。

底座長度L2可由下式?jīng)Q定：

式中：e為最前鉸接點(diǎn)到底座最前端距離；F為最后鉸接點(diǎn)到底座最后端距離；

查閱相關(guān)資料，e取670mm，f取380mm，代入公式計(jì)算得頂梁長度L2為4950mm。

1.2 技術(shù)參數(shù)歸納

通過查閱相關(guān)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]以及上述計(jì)算，綜放工作面超靜定液壓支架主要技術(shù)參數(shù)整理歸納見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架頂梁設(shè)計(jì)

超靜定液壓支架與頂煤直接接觸的是其頂梁，它的作用遮擋、支撐頂板上部松散的煤巖體，防止上部煤巖體掉落傷人、損機(jī)，為工作面工作提供一定的安全空間。另外在放煤的時(shí)候主要是來回升降破碎上部頂煤，為回收頂煤起到關(guān)鍵作用。

此次設(shè)計(jì)液壓支架頂梁是鉸接式，梁內(nèi)安裝伸縮梁和千斤頂，分別用來控制前梁和主梁，這樣就能在移架時(shí)很好的實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)作用。在考慮立柱鉸接狀況后，分別由六主鋼架和六橫鋼筋形成箱型結(jié)構(gòu)，再加鋼板焊接成頂梁結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)做成閉合的箱裝式構(gòu)造，綜放工作面超靜定液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 液壓支架頂梁裝配圖

2.2 液壓支架底座設(shè)計(jì)

超靜定液壓支架的底座主要起四個(gè)方面的作用：一是頂板上方的壓力傳遞到底板，底板是整個(gè)支架穩(wěn)固的基礎(chǔ)；二是為立柱、推移等提供一定的作業(yè)空間；三是底座必須滿足起伏不平的地板；四是要滿足排矸當(dāng)矸，并要有行人通道。

就目前來看，整體剛性底座優(yōu)點(diǎn)主要是強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐用性強(qiáng)、對(duì)底板比壓小，缺點(diǎn)是排矸能力不足。底分式剛性底座構(gòu)造獨(dú)特，采用的是對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，排矸能力強(qiáng)，但強(qiáng)度較差、底座面積較小、適應(yīng)條件有限、使用時(shí)間較短。

根據(jù)以上兩種底座對(duì)比分析，本次設(shè)計(jì)的超靜定液壓支架底座選擇整體剛性底座，裝配簡圖如圖2所示。底座前端被優(yōu)化設(shè)計(jì)成類人鞋，并優(yōu)化設(shè)計(jì)滑移功能。與頂梁設(shè)計(jì)一個(gè)原理，其結(jié)構(gòu)分別六主筋和六橫筋交錯(cuò)形成。有所區(qū)別的是，因推移需要大空間安裝，主筋和橫筋在推移安裝處進(jìn)行了打斷。在底座前端設(shè)計(jì)了過橋箱，目的是增加底座剛度和抗扭強(qiáng)度，并為液壓控制系統(tǒng)提供了一定的作業(yè)空間，在后端又安裝抬高架，這個(gè)抬高架與部件形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

圖2 液壓支架底座裝配圖

2.3 液壓支架懸浮立柱設(shè)計(jì)

綜放工作面超靜定液壓支架懸浮立柱采用新型懸浮立柱—DWX型懸浮立柱，該新型懸浮立柱通過試驗(yàn)，在采煤工作面運(yùn)用效果良好，適應(yīng)能力較強(qiáng)，很好的解決了綜采放頂煤液壓支架立柱吃力不足問題。該立柱內(nèi)部空間較大，比傳統(tǒng)的立柱容納液體體積大，在某種程度上大大提高了抗沖擊載荷，油缸和活柱均采用筒體，生產(chǎn)成本低，加工方便。頂梁與立柱和底座與立柱的連接是采用的是銷軸鉸接，這樣立柱就成了一種二力平衡杠桿，不易受偏，顯著提高了立柱平衡性，進(jìn)而增加了支架的安全性。液壓支架懸浮立柱機(jī)械示意圖如圖3所示。

圖3 液壓支架立柱

2.4 液壓支架放煤部設(shè)計(jì)

綜采放頂煤能否實(shí)現(xiàn)高出煤率，關(guān)鍵看液壓支架的放頂煤部，故支架放煤部在放頂煤開采中起著舉足輕重的作用，并且在液壓支架設(shè)計(jì)中也對(duì)放煤部提出了放煤效果和破碎大塊率的要求。

此次設(shè)計(jì)的綜放工作面超靜定液壓支架選用大插板的結(jié)構(gòu)形式，放煤部尾梁擺動(dòng)靠兩個(gè)大缸徑千斤頂作用，對(duì)放煤口大小和位置的控制由放煤部尾梁和其滑道內(nèi)插板的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)。超靜定液壓支架放煤部的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 液壓支架放煤部結(jié)構(gòu)示意圖

3 Pro/E三維設(shè)計(jì)

通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)Pro/E機(jī)械繪圖軟件，首先設(shè)計(jì)超靜定液壓支架各個(gè)零部件，把已經(jīng)建立好的各個(gè)零部件根據(jù)相互之間的裝配關(guān)系進(jìn)行約束，完成整個(gè)三維實(shí)體的建模。根據(jù)軟件裝配，實(shí)現(xiàn)可視化，就能把液壓支架直觀的呈現(xiàn)出來，為下一步車間生產(chǎn)提供圖紙和思路。另外在可視化裝配過程，若發(fā)現(xiàn)存在問題，則可以及早的對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。

完成特綜放工作面超靜定液壓支架的零部件后，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行裝配，過程如下：

1）插入基礎(chǔ)部件。底座是整個(gè)裝配件的基礎(chǔ)，在確定了基礎(chǔ)配件后，其他部件的位置也相應(yīng)確定了，此時(shí)約束類型為缺省狀態(tài)。

2）插入各個(gè)零部件。由Pro/E軟件要求，依次插入連板、尾梁、頂梁、立柱、前梁、伸縮梁、護(hù)幫板等零配件。鉸接約束在軟件中設(shè)置為“銷釘連接”；只有底座和抬高架設(shè)置為“剛性連接”；立柱的活柱與油缸連接設(shè)置為“滑動(dòng)桿連接”。

支架在Pro/E機(jī)械繪圖軟件中組裝后形成的的三維可視化模型如圖5所示。

圖5 液壓支架三維模型

4 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了設(shè)計(jì)的綜放工作面超靜定液壓支架是否滿足要求，采用ANSYS軟件對(duì)液壓支架整架進(jìn)行有限元分析[7]，液壓支架受力云圖和變形位移云圖結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬圖

從模擬結(jié)果應(yīng)力云圖可以讀出，液壓支架的能夠承受的最大應(yīng)力約為524MPa，從軟件中顯示最大應(yīng)力是在頂梁和墊塊的接觸面邊緣處，但發(fā)生面積很小，支架受力較為均一。位移云圖可以看出，液壓支架最大的變形位移是在頂梁中部下端，原因是該側(cè)未受約束作用，從模擬中讀出最大變形量約為7mm。通過應(yīng)力和位移分析，該支架應(yīng)力和變形位移均在合理范圍內(nèi)，說明設(shè)計(jì)的綜放工作面超靜定液壓支架關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求。

5 結(jié) 論

根據(jù)綜采放頂煤對(duì)超靜定液壓支架使用特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了液壓支架的頂梁、底座、懸浮立柱和放煤部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，并確定了支架的主要性能、技術(shù)參數(shù)。利用Pro/E組裝了液壓支架的三維可視化模型，并利用ANSYS進(jìn)行了應(yīng)力、變形位移分析，結(jié)果表明該液壓支架能夠滿生產(chǎn)要求。

通過對(duì)綜放工作面超靜定液壓支架重要結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，主要有以下特點(diǎn)：

1）液壓支架受力較為均勻。與傳統(tǒng)液壓支架相比，能夠以較小工作力實(shí)現(xiàn)支撐、破煤，在采煤過程中較好的實(shí)現(xiàn)了受力均勻性。

2）放煤效果好。兩根大缸徑千斤頂支撐尾梁，靈活的運(yùn)轉(zhuǎn)，加上尾部伸縮插板，很好的實(shí)現(xiàn)了放煤連續(xù)性，增大了破碎率，提高了放頂煤的采出率。

3）立柱受力狀況好。該液壓支架是由八根立柱與頂梁、底座銷軸鉸接，立柱是一種二力杠桿，不會(huì)造成偏向作用，顯著提高了工作面安全性。

4）立柱抗沖擊載荷強(qiáng)。采用懸浮式液壓立柱，立柱的內(nèi)腔液體容量更大，可壓縮量大?？箾_擊載荷能力顯著提高。