新型蚌式液压支架的节能原理及受力分析

文/李玉岭郑国勤

新型蚌式液压支架的节能原理及受力分析

文/李玉岭郑国勤

新型蚌式液压支架与传统支撑掩护式液压支架一样，都是通过支架高度变化实现对顶板的支撑。但是新型蚌式液压支架其核心是充分利用回采工作面煤壁、顶板以及支架三者间的受力过程，最大限度地利用岩石力学和顶板形成的自然稳定状态，在确保支护安全的前提下，极大地降低了支护成本。因此新型蚌式液压支架比传统支架更加节能、性价比更高。本文就新型蚌式液压支架特别是单摆杆蚌式液压支架的节能原理及受力分析进行了阐述。

一、新型蚌式液压支架工作原理

新型液压支架用于调节顶梁高度和对支架进行支撑的调节机构主要由设在底座上的倾斜滑道、调节千斤顶和支撑连杆组成。支撑连杆通过双向滑动柱窝与调节千斤顶相连，调节千斤顶的伸缩带动柱窝沿着倾斜滑道滑动，从而带动支撑连杆围绕顶梁上的固定点做一定角度的摆动，达到调节顶梁高度变化的目的。

根据支架结构的变化，新型蚌式液压支架又可分为双摆杆蚌式液压支架和单摆杆蚌式液压支架两种。双摆杆蚌式液压支架其主要支撑件由传统的立柱变为支撑连杆，而支撑连杆的支点在支架的顶梁上。而单摆杆蚌式液压支架不仅与传统液压支架以及双摆杆蚌式液压支架结构不同，且使用原理也不尽相同。

单摆杆蚌式液压支架主要是由基本支架和前顶梁（包括作为临时支护的伸缩梁）组成。基本支架用于支撑并作为切顶支架，带有伸缩梁的顶梁控制回采工作面的顶板，基本支架与顶梁铰接连接，由掩护梁铰链座上固定的顶梁千斤顶支撑并调节角度。

二、单摆杆蚌式液压支架的结构组成

单摆杆蚌式液压支架的支撑连杆上端支撑在支架掩护梁上。见图1，单摆杆蚌式液压支架结构图。

图1单摆杆蚌式液压支架

单摆杆蚌式液压支架主要针对中等稳定性顶板和破碎顶板而设计。因此，单摆杆蚌式液压支架不需要像传统支架那样，承担支架水平投影长度的顶板的压力。支护过程中，基本支架依靠掩护梁（呈约52°角）阻挡冒落的碎矸石进入回采工作面，并作为控制回采工作面顶梁的悬挂主体。此外，基本支架还起到了切顶支架的作用。基本支架与煤壁、回采工作面顶板组成一个承受均布载荷的简支梁，基本支架和煤壁为简支梁的两个支点，二者间的顶板为简支梁的梁体。单摆杆蚌式液压支架用于破碎顶板回采工作面的支护原理和过程见图2。

图2单摆杆蚌式液压支架受力图

由图2可知，单摆杆蚌式液压支架的顶梁仅维护和支撑回采工作面范围的顶板，支架顶梁长度远小于传统液压支架，所以支架消耗的能量也远小于其他类型支架。

三、单摆杆蚌式液压支架力学计算

传统液压支架的工作阻力来自于回采工作面顶板压力，经支架顶梁集中于一条或两条横截面，然后沿立柱的中心线直接传递到支架的底座，最后呈均匀分布状态传递到底板。新型蚌式液压支架不是用单一或单纯的液压立柱支撑支架顶梁，而是用一个调节机构来支撑。因此，新型蚌式液压支架来自顶板的压力沿支撑连杆的中心线传递到可滑动的双向柱窝后，被分解成两个支撑力，一个是调节千斤顶，另一个是传递到底座上的倾斜滑道上。

由于单摆杆蚌式液压支架用于支撑顶板的部位仅仅限于顶梁，特此仅对该支架顶梁的工作阻力进行计算。

根据设计，单摆杆蚌式液压支架在使用高度范围内，顶梁调节千斤顶与顶梁间的夹角在27°~30°之间变化，依据“三力平衡汇交定理”计算出支架顶梁的工作阻力。

图3受力结构图和图4受力分析图中AB所示为与顶板平行的支架顶梁，受来自顶板的均布载荷力P，受力点为顶梁的中部，方向向下；BC为二力杆，它通过铰链延长线作用于顶梁中心线的B点，作用于顶梁AB的约束力Fbc沿BC杆，受力指向按照BC杆受压确定。约束力Fbc与均布载荷力P交与图中D点。

根据三力平衡汇交定理：固定铰点A的约束力Fa沿AD连线方向指向任意假设，以上三力构成一平面汇交力系，其中Fbc与Fa为已知要素。

图3受力结构图

图4受力分析图

根据以上因素列出平衡方程。

取图示坐标系Axy;其中Fa与AB夹角为θ；建立如下平衡方程

建立平衡方程组并以顶梁千斤顶和顶梁设计极限夹角30°计算顶梁的工作阻力。安全阀卸载压力40MPa，Fac=Fbc=顶梁调节千斤顶工作阻力，解析∑Fy=P。

如果回采高度2.0m，顶梁控制最大长度L=1.6m，矸石容重λ= 2.6，按照回采高度的8倍计算顶板岩石重量为P=815KN。

因此，单摆杆蚌式液压支架顶梁调节千斤顶对顶梁输入大于815KN的工作阻力就能满足采高2.0m以下的回采工作面、中等稳定或破碎型顶板的支护需要。

而基本支架的调节机构选取2xφ180mm千斤顶，以确保基本支架具有足够的工作阻力切顶。

四、新型蚌式液压支架节能原理分析

传统液压支架与新型蚌式液压支架的受力比较可以看出，传统液压支架由于支撑支架顶梁和对支架高度进行调节的过程，是通过立柱的伸缩实现的，而新型蚌式液压支架的上述目的是通过由支撑连杆、调节千斤顶和设计在底座上的倾斜滑道组成的支架调节机构来完成的。通过两种支架受力过程的对比不难看出，新型蚌式液压支架用于支撑顶板的支撑连杆上受到的压力，被分解到调节机构中的调节千斤顶和设计在底座上的倾斜滑道上，由于三个力存在失量关系。支撑连杆输出的工作阻力不仅与调节千斤顶输出的工作阻力有关，还与二者间的夹角有关系。因此，新型蚌式液压支架比传统液压支架能够节能40%。此外新型蚌式液压支架底座上设计的倾斜滑道，不仅分担来自支撑连杆的顶板压力，且对支架的高度变化起到了一定的补偿作用。而单摆杆蚌式液压支架由于支撑连杆上端连接在掩护梁上，支架高度上升时，顶梁呈摆线上升，虽然顶梁相对于底座的前后位移量较大，但是调节千斤顶和支架高度的变化量的比例却大得多，一般为：

综合调节千斤顶与支撑连杆工作阻力，以及调节千斤顶与支架高度变化量的比例进行分析，单摆杆蚌式液压支架比传统液压支架节能约为40%~50%。

（作者单位：中煤邯郸煤矿机械有限公司）

（责任编辑：周琼）