支架顶梁和四杆机构的优化设计

2015-05-07张建中刘坤华王庆张超

机械工程师 2015年1期

关键词：护板顶梁连杆

张建中，刘坤华，王庆，张超

（1.山东科技大学泰安校区，山东泰安 271019；2.山东科技大学机电学院，山东青岛266510）

1 西山煤矿地质条件及支架主要技术参数要求

开采煤层为2号煤，平均厚度是1.8 m。巷道高度为2.4 m，巷道宽度为4.0 m，巷道断面面积约为9.6 m。顶板岩性直接顶为3.25 m沙质泥岩，底板岩性直接底为5.33 m细沙岩，岩石普氏系数3.5～6，巷道支护方式为锚杆支护。

支架高度1.1～2.5 m，工作阻力为3 600 kN，支护形式为两柱掩护式，推溜行程900 mm，控制方式为手动控制，支护强度大于0.5 MPa，支架中心距1.5 m，工作压力31.5 MPa，流量 200 L/min。

2 架型选择

根据煤矿地质条件选择两柱掩护式液压支架，型号：ZY3600/11/25［2］。此种支架两柱斜撑顶梁，支撑合力点靠前，适合不稳定和较稳定顶板，顶梁和掩护梁均设有活动侧护板、防滑、防矸，抗倒性能好。ZY3600/11/25掩护式液压支架三维图和二维图分别如图1和图2所示。

图1 ZY3600/11/25掩护式液压支架三维图

图2 ZY3600/11/25掩护式液压支架二维图

3 ZY3600/11/25掩护式液压支架主要结构特点

3.1 顶梁的结构设计

顶梁结构形式分为整体式顶梁和铰接分体式顶梁［3］。两种顶梁的特点对比如表1所示。

表1 整体式顶梁和铰接分体式顶梁的区别

支架为放顶煤支架，顶煤相对于岩性顶板较弱，因此本支架采用整体式刚性顶梁机构，顶梁前端加设伸缩梁和护帮板机构。伸缩梁机构可在采煤机过后及时支护暴露的顶板，加强对支架前方顶板（煤）的维护，防止顶板（煤）冒落。护帮板机构在采煤机过后及时伸出，维护软弱易片帮煤体，防止煤壁片帮和由片帮引起的顶板（煤）冒落。ZY3600/11/25型液压支架顶梁三维图如图3所示。

图3 ZY3600/11/25型液压支架顶梁

该支架工作面直接顶的顶板为3.25 m砂质泥岩，属易冒落顶板。为适应这种顶板条件，我们对顶梁的结构形式进行了以下优化设计［4］：1）支架顶梁设计为整体式刚性顶梁，结构简单，可靠性好，支架选择破碎顶板。破碎顶板的特点在“护”不在“支”，关键是怎么维护前方顶板，防止冒顶。2）顶梁前端采用上翘结构设计，在移架中确保支架前端先接顶，改善接顶效果，加强顶梁前端顶板维护［5］。3）顶梁侧护板选用单向长侧护板，通过封闭顶部空间而达到防止架间漏矸的目的，保证人员安全。顶梁与掩护梁铰接处设有挡矸板，顶梁与顶梁侧护板圆弧包裹，侧护板伸出后仍具有一定重合量，实现全封闭不漏矸。4）为了有效地抑制粉尘，改善工作环境，顶梁装配内含式喷雾降尘系统。5）矿压检测表安装在每个立柱上，所以在顶梁设置挂钩。6）为了使支架能适应顶板因破碎冒漏或仰俯采造成的顶板不平和顶板起伏变化，支架顶梁应具有良好的操纵性能。支架的顶梁最高位下摆角不小于10°。7）顶梁的腹部设置有内含式的起重运输机吊环、安装照明灯的灯座、安装通讯设施的挂钩等。

3.2 四连杆机构

液压支架实际工况十分复杂，经常受到非对称载荷、横向或纵向的作用力。承受这些力并决定其稳定性的唯一机构就是四连杆机构。所以四连杆机构的强度、刚度也就决定了支架的稳定性及使用寿命。前后连杆、掩护梁及底座组成了该支架的正四连杆机构［6］。ZY3600/11/25型液压支架前连杆，后连杆和掩护梁分别如图4、图5、图6所示。

支架采用单前连杆和双后连杆的结构形式，连杆通过钢板焊成箱形结构，该机构具有较好的稳定性和偏载能力。通过ANSYS的大量分析可知，四连杆机构连接孔出容易出现应力集中现象，因此四连杆各联接孔均采用整体焊完低温回火时效处理后数控整体镗孔加工的措施，并且严格控制孔同轴度不大于0.2 mm，孔与轴的最大间隙不大于0.75 mm。