基于截面幾何尺寸的礦井液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

次亞坤

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037001）

引言

礦井液壓支架的支護(hù)是地下煤礦開(kāi)采的基本保護(hù)措施。從開(kāi)采過(guò)程來(lái)看，液壓支架支撐的著力點(diǎn)更為重要，因?yàn)樗苯颖Ｗo(hù)了巖體開(kāi)采區(qū)。液壓支架支撐主要是旨在保護(hù)工作空間（開(kāi)采長(zhǎng)壁）免受巖體變形的影響，支架由相互配合的獨(dú)立連接部分組成。單個(gè)區(qū)段和整個(gè)支架的操作參數(shù)影響開(kāi)采過(guò)程的能耗和頂板巖層崩落的程度[1]。在操作過(guò)程中，每個(gè)液壓支架的組件部分都執(zhí)行許多動(dòng)作，并且隨時(shí)向前移動(dòng)。本文旨在驗(yàn)證液壓支架簡(jiǎn)化模型的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)和傾角儀，并證明液壓支架伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)行期間會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致不平衡載荷。在這種狀態(tài)下工作可能會(huì)導(dǎo)致支腿負(fù)載不均勻、截面結(jié)構(gòu)元件不對(duì)稱彎曲，對(duì)巖體切割過(guò)程的能耗產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)得出無(wú)論是在臺(tái)架試驗(yàn)還是在真實(shí)條件下，使用支撐截面的簡(jiǎn)化模型可以驗(yàn)證特定狀態(tài)下試驗(yàn)截面的幾何形狀是否滿足工程要求。

1 液壓支架應(yīng)用簡(jiǎn)介

1.1 基本機(jī)構(gòu)

圖1-1顯示了Glinik-20/45-POz型礦井液壓支架的支撐部分，通過(guò)圖形標(biāo)記了基本部件。液壓支架支撐部分的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，基本結(jié)構(gòu)組件如圖1-1所示。

圖1-2顯示了由于未能保持其幾何形狀而產(chǎn)生的不均勻載荷對(duì)支架運(yùn)行的影響。礦井液壓支架滾輪系統(tǒng)螺栓的凸耳安裝處有一條可見(jiàn)的裂紋。

1.2 應(yīng)用工況

實(shí)際上，隨著時(shí)間的推移，液壓支架支架最常承受靜態(tài)或可變負(fù)載，但變化幅度小、頻率低。因此，斷面荷載參數(shù)主要取決于圍巖狀態(tài)[2]。然而，單個(gè)部分的結(jié)構(gòu)以及所使用的電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)對(duì)這些負(fù)載有重大影響。

圖1 液壓支架支撐部分及其由非對(duì)稱載荷引起的變形示例

頂板支護(hù)部分與巖體配合的簡(jiǎn)圖如下頁(yè)圖2所示，作業(yè)期間，頂板支架承受頂板巖石的過(guò)載，并將它們轉(zhuǎn)移到?jīng)_擊支架的底板上。因此，頂板支護(hù)與巖體的配合既取決于頂板支護(hù)的結(jié)構(gòu)，也取決于進(jìn)行開(kāi)挖的巖體的力學(xué)特性[3]。同時(shí)崩落或碎石的塌陷的物理特征對(duì)整個(gè)區(qū)域安全性也有著較大的影響。

2 簡(jiǎn)化模型的截面幾何分析

在液壓支架操作過(guò)程中，頂板伸縮部分不能總是完全展開(kāi)（即平行于屋頂和地板）。事實(shí)上，即使液壓支架達(dá)到這樣的狀態(tài)，它也會(huì)在不同的平面上運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致該部分的頂棚和地板基座以及其他機(jī)械元件上的負(fù)載不均勻，液壓缸上的負(fù)載也不均勻。由此產(chǎn)生的不對(duì)稱可能導(dǎo)致超出允許的狀態(tài)，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致截面元件的損壞及其不正確的操作，同時(shí)阻礙了支架與巖體的配合，并可能導(dǎo)致屋頂損壞和整個(gè)動(dòng)力聯(lián)合體的運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題。

圖2 液壓支架支撐圍巖簡(jiǎn)圖

因此，對(duì)單個(gè)支持部分的分析采用適當(dāng)?shù)募僭O(shè)至關(guān)重要。有必要對(duì)液壓支架截面的幾何模型開(kāi)展分類討論。截面的基本幾何參數(shù)將根據(jù)液壓支架模型確定。本文根據(jù)工程情況，探討了截面的幾何模型種類如圖3所示。

圖3 液壓支架不同幾何尺寸造型

圖3顯示了由于不同圍巖與煤炭連接導(dǎo)致變形、由屋頂施加的載荷的靜態(tài)沖擊而處于膨脹狀態(tài)的支撐部分。根據(jù)斜撐狀態(tài)，為斜撐準(zhǔn)備了不同截面結(jié)構(gòu)圖和表征其載荷的力的平面圖。它構(gòu)成了針對(duì)礦井給定開(kāi)挖條件的設(shè)計(jì)過(guò)程和液壓支架支護(hù)選擇的基礎(chǔ)。

3 液壓支架工程試驗(yàn)分析

3.1 測(cè)試臺(tái)的安裝

通過(guò)簡(jiǎn)化模型研究獲得的液壓支架截面最可能的幾何狀態(tài)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。如前所述，對(duì)Glinik-20/45-POz型液壓支架支撐部分的原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)是開(kāi)發(fā)合適的測(cè)量系統(tǒng)并專門(mén)用于測(cè)試支撐部分的幾何形狀，傾斜儀是這個(gè)系統(tǒng)的基本元件。開(kāi)發(fā)了一種特殊的信息技術(shù)工具來(lái)記錄、分析和可視化測(cè)試結(jié)果。

3.2 測(cè)試幾何圖形的確定

作為臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，簡(jiǎn)化截面模型的試驗(yàn)結(jié)果得到了驗(yàn)證。將臺(tái)架試驗(yàn)中獲得的幾何參數(shù)值與液壓支架理論計(jì)算獲得的幾何參數(shù)值進(jìn)行比較，確定每個(gè)幾何尺寸的精確投影圖，將這些通過(guò)理論和試驗(yàn)分析后得出的幾何尺寸模擬于真實(shí)工況。

在這些測(cè)試中選取常見(jiàn)的四種液壓支架幾何狀態(tài)的示例，如圖4所示。

圖4 四種類型液壓支架幾何狀態(tài)簡(jiǎn)化圖

3.3 測(cè)試組件安裝

工作面長(zhǎng)壁移動(dòng)的液壓支架截面幾何形狀的分析包括平行于頂板和底板的天棚、雙紐線系統(tǒng)和盾構(gòu)支架。無(wú)線傳感器和測(cè)量系統(tǒng)的布置類似于臺(tái)架試驗(yàn)。為此，在安裝傳感器時(shí)，使用了帶有磁鐵的特殊設(shè)計(jì)的板，傾斜儀安裝在該板上。該解決方案的應(yīng)用能夠穩(wěn)定、連續(xù)地測(cè)量測(cè)試參數(shù)，并明確了長(zhǎng)壁工作面液壓支架容易斷裂的位置。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)工作面對(duì)支架工作阻力進(jìn)行觀測(cè)，開(kāi)始時(shí)采取遠(yuǎn)程讀取直讀式壓力表的方式，每天只觀測(cè)一次。在工作面過(guò)斷層開(kāi)采期間分別四個(gè)不同幾何尺寸的液壓支架前后兩立柱工作阻力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)記錄，工作阻力變化曲線如下頁(yè)圖5所示。

圖5 液壓支架前后兩立柱工作阻力曲線圖

由下頁(yè)圖5可以看出，工作面支架工作阻力主要分布在6 200～7 500 kN之間，最大工作阻力為7 412.6 kN，是額定工作阻力的88.23%，該情況出現(xiàn)在類型1幾何尺寸上，說(shuō)明液壓支架呈現(xiàn)出類型1的幾何尺寸后容易發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂。同時(shí)其余類型幾何尺寸也出現(xiàn)了不同程度的前后立柱受力不一致的情況，說(shuō)明處于非常不利的負(fù)荷條件下。因此，在對(duì)液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮頂板與立柱之間的夾角，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的受力有著較大的影響。類型3幾何尺寸顯示頂板的角度是180°，且前后立柱的受力趨勢(shì)較為均勻，而類型2和類型4顯示出了前后立柱受力方向的不統(tǒng)一性。由此可以得出，液壓支架頂板的角度與地面保持平行為最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的主要目的是研究開(kāi)發(fā)一種有效的方法，以確定在液壓支架在操作過(guò)程中的位置（幾何形狀）合理性。利用了角度傳感器（傾角計(jì)）的使用安裝在選定的機(jī)械元件的部分，獲得不同形態(tài)的幾何形式測(cè)試結(jié)果。所獲得的結(jié)果清楚地表明，在理論分析中還沒(méi)有考慮到的液壓支架結(jié)構(gòu)存在一些擾動(dòng)。在運(yùn)行過(guò)程中獲得的分析結(jié)果表明，在許多工況情況下，其整體部件受力是不對(duì)稱的，處于非常不利的負(fù)荷下。因此，在強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)對(duì)該因素進(jìn)行考慮，因?yàn)樵谠S多情況下，幾何尺寸不合理是造成截面元件損壞的原因，尤其是頂板角度的安裝問(wèn)題，在對(duì)礦井液壓支架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)加以注意。本文研究成果為礦井液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。