礦用自動(dòng)化液壓支架與立柱的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

王 偉

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430050）

0 引言

液壓支架是采煤過(guò)程中非常重要的支護(hù)設(shè)備，為了使其更好地運(yùn)作，需要對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，來(lái)提升其性能，使礦井的生產(chǎn)效率更高效。由于國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)液壓理論的相應(yīng)支撐，因此下面將詳盡探討與之相關(guān)的研究和理論知識(shí)。

1 液壓支架簡(jiǎn)介

液壓支架廣泛應(yīng)用于采煤綜合化的機(jī)械生產(chǎn)，做好相應(yīng)的安全保護(hù)工作，不僅能保證相關(guān)設(shè)備安全移動(dòng)，同時(shí)也能提升生產(chǎn)效率，擴(kuò)大工作面頂板和地下作業(yè)的空間。在采煤過(guò)程中，它和采煤機(jī)組成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，主要是在采煤機(jī)通過(guò)支架之后將其回收，在采煤機(jī)移動(dòng)到另一個(gè)地方時(shí)將支架進(jìn)行移動(dòng)，對(duì)頂板進(jìn)行相應(yīng)的支撐，用支架對(duì)頂板進(jìn)行推動(dòng)，這樣就可以保證有著更大的空間去運(yùn)作：可以使采煤效率得到進(jìn)一步提升，提升企業(yè)工作效率，有利于加快采煤機(jī)的運(yùn)行速度，使煤礦企業(yè)的效益更好。

2 礦用液壓支架系統(tǒng)常見(jiàn)故障分類

2.1 噪聲故障

系統(tǒng)中主要的噪聲源頭是液壓泵，液壓泵如果出現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的振動(dòng)和波動(dòng)有可能會(huì)使得設(shè)備出現(xiàn)了吸空的情況，就會(huì)使得過(guò)濾器出現(xiàn)堵塞而造成較大的噪聲。壓力閥和彈簧的工作條件較差也可能會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲，這樣就可能會(huì)引起壓力的變化，空氣在進(jìn)入到液壓缸之后就可能會(huì)影響系統(tǒng)的整體功能。假設(shè)液壓系統(tǒng)的一端是容器，另一端是閥門就可能會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，造成一定的波動(dòng)和沖擊，瞬時(shí)作業(yè)的壓力比較高就可能造成元件工作異常而產(chǎn)生更大的問(wèn)題。

2.2 壓力故障

（1）油箱油位過(guò)低，系統(tǒng)壓力處于正常的狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)備操作各項(xiàng)元件沒(méi)有動(dòng)作或動(dòng)作緩慢。

（2）溢流閥旁的通閥結(jié)構(gòu)損壞，減壓閥設(shè)定參數(shù)值比較低，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力供應(yīng)明顯不足。

（3）油液黏度比較高，閥的壓力明顯不足，閥內(nèi)的阻尼孔存在堵塞的問(wèn)題。

2.3 立柱故障

（1）脹缸的發(fā)生主要是因?yàn)轫敯逅查g增大壓力，安全閥流量比較低，立柱并不能實(shí)現(xiàn)快速泄壓，進(jìn)而出現(xiàn)漲缸的問(wèn)題，會(huì)造成密封結(jié)構(gòu)損壞。

（2）立柱的中、外缸是頂板超載運(yùn)行后導(dǎo)致安全閥失效，無(wú)法完成卸載。

（3）安全閥失效是因?yàn)殚y芯生銹或者存在雜質(zhì)卡死，導(dǎo)致動(dòng)作無(wú)法進(jìn)行[1]。

3 液壓支架與立柱的優(yōu)化分析

3.1 大采高支架側(cè)護(hù)板液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

支架活動(dòng)車的護(hù)板能夠有效支撐其寬度，對(duì)支架狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般通過(guò)側(cè)推裝置的設(shè)計(jì)就可以綜合彈簧和液壓系統(tǒng)對(duì)與其進(jìn)行頂梁機(jī)構(gòu)的平衡，但是由于采礦的高度在不斷提升，有工作層面的傾角加大，有可能造成側(cè)護(hù)板沒(méi)法維持支架的工作，需要依靠千斤頂對(duì)其進(jìn)行更多的支撐，所以采用彈簧和液壓系統(tǒng)的技術(shù)和方式可以有效進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)支架動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，提升工作效率和安全性，降低千斤頂、使得其更加安全?，F(xiàn)代科技使自動(dòng)液壓控制系統(tǒng)得到了較快發(fā)展，全新的監(jiān)控系統(tǒng)與組態(tài)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，因此選擇使用先進(jìn)的算法與精確的傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制是非常有必要的，可以提高控制精度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精密性控制，能夠以原有的控制方式為基礎(chǔ)更好地展現(xiàn)其作用，提高生產(chǎn)效率。較高性能的控制系統(tǒng)可以減小工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升工作效率，避免誤操作的情況，也能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求[2]。

3.2 液壓支架立柱背壓優(yōu)化

液壓系統(tǒng)形成的背壓通常不會(huì)超出4 MPa，否則就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤操作。在支架試驗(yàn)過(guò)程中，支架推移千斤頂不連接推移桿或者溜槽的情況下，動(dòng)作立柱或千斤頂?shù)倪^(guò)程中推移千斤頂活動(dòng)會(huì)直接將活塞桿頂出。如果系統(tǒng)中沒(méi)有設(shè)置液壓鎖的形式，背壓時(shí)也會(huì)導(dǎo)致中下低調(diào)裝置自動(dòng)伸出，造成支架移動(dòng)不正常。盡量降低背壓的影響，低壓系統(tǒng)一般要求不能超過(guò)4 MPa，否則就有可能引起較為嚴(yán)重的誤操作等情況。進(jìn)行支架實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果支架推移千斤頂沒(méi)有進(jìn)行連接，進(jìn)行連接推桿時(shí)就可能會(huì)造成自動(dòng)的伸出情況，使得移架受到一定的影響[3]。

一旦出現(xiàn)較為嚴(yán)重的誤動(dòng)作，就有可能影響支護(hù)的效果。在井下工作時(shí)，如果移架動(dòng)作影響到立柱，那么就有可能增大千斤頂阻力，影響頂梁和頂板的支撐性。解決方案為：減少回液管長(zhǎng)度，降低回液阻力，再?gòu)幕芈窋嗦吩O(shè)計(jì)上選用回液斷路閥，不采用平面截止閥，這樣就能減少誤操作動(dòng)作、降低千斤頂損壞問(wèn)題的發(fā)生概率。如果采用平面截止閥，還有可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)不徹底或回液不暢造成嚴(yán)重的問(wèn)題。

3.3 立柱優(yōu)化計(jì)算分析

液壓支架的主要液壓元件主要有立柱、千斤頂和液壓閥，可以對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，管控系統(tǒng)的壓力和運(yùn)動(dòng)方向。壓縮流體在液壓閥管道中的流動(dòng)會(huì)影響到其整體運(yùn)作特點(diǎn)，因此其結(jié)構(gòu)參數(shù)是較為重要的，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)當(dāng)中。液壓閥是最為重要的元件，國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)于研發(fā)參數(shù)設(shè)計(jì)和性能分析并不合理，因此需要采用較為先進(jìn)的方式對(duì)其優(yōu)化，讓其更加可靠地運(yùn)作，同時(shí)還需要設(shè)計(jì)電子閥門，使得其能滿足高性能的要求[4]。

支柱規(guī)格的選擇，主要依據(jù)支柱在開采煤層使用時(shí)需要達(dá)到的最大高度和最小高度。

3.3.1 支柱的最大高度Hmax

支柱的最大高度Hmax計(jì)算公式如下：

式中 Mmax——工作面最大采高，m（該礦煤層在最高2.0 m）

b——頂梁厚度，m

l——為了避免支柱在完全抽出狀態(tài)下工作，預(yù)留的活柱富余行程，一般為100 mm

如果在直接頂與煤層中存在有0.1～0.2 m 的隨采隨落的偽頂，支柱最大高度還應(yīng)考慮偽頂厚度c，即Hmax=Mmax+c-b+l=2.2 m。

3.3.2 支柱的最小高度Hmin

滿足放頂前支柱高度的需要，為了使液壓支柱回收正常，避免出現(xiàn)壓死的情況，根據(jù)普通采煤管的設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)留有100 mm 伸縮余量：

Hmin=Mmin-s-b-a

式中 Mmin——工作面最小高采，m

s——頂板在最大控頂距處平均最大下沉量，m

a——支柱卸載高度（一般≥0.1），m

立柱是液壓支架非常重要的一個(gè)元件，其工作過(guò)程是控制供液方向：液壓?jiǎn)蜗蜷y從這個(gè)方向進(jìn)行液體的輸入，乳化液要將立柱進(jìn)行頂起，下個(gè)階段的工作和這個(gè)階段差不多，但受力略有不同。這個(gè)階段通過(guò)反向輸入的方式讓其進(jìn)入到活塞、對(duì)其進(jìn)行控制，重點(diǎn)要考慮單向閥的作用，分析各個(gè)作用的影響[5]。

4 總結(jié)

對(duì)于液壓支架進(jìn)行分析是非常重要的，它是煤礦在綜采過(guò)程當(dāng)中非常重要的設(shè)備，因此需要通過(guò)仿真設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，使得整個(gè)支架的工作特性得到保持、更加高效地進(jìn)行生產(chǎn)。