高端液压支架柱帽结构特点与适应性分析

韩会军，刘新华

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

高端液压支架柱帽结构特点与适应性分析

韩会军，刘新华

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

高端液压支架具有高工作阻力、高可靠性、高支护性能的技术特点，顶梁柱帽作为液压支架顶梁承载关键部件，其使用条件及结构特点是否与实际工况相适应，直接影响煤矿井工安全开采进程。针对两柱与四柱液压支架不同承载特性，顶梁与柱帽不同联接方式，柱帽不同结构特点进行研究，分析相应结构特点柱帽的适应性，为液压支架结构设计提供参考。

液压支架；柱帽结构；适应性；承载特性

液压支架作为煤矿井工开采的重要支护设备，其工作性能及可靠性直接影响煤炭生产安全。伴随煤炭高产高效及绿色安全开采技术的推广，在大工作阻力、高支护性能、高可靠性的要求下，液压支架设计制造技术取得长足发展，支架柱帽作为其零部件之一，焊接固定于支架顶梁上，一面与立柱柱头接触，另一面承受顶梁顶板传递的外部载荷作用，其可靠性在支架的整体工作性能中起到关键性的作用。针对不同开采工艺及支架结构，柱帽应该具有不同的结构形式以确保支架支护性能以及高可靠性。

1 高端液压支架承载特性

伴随煤矿开采技术发展，高端液压支架现代设计理论及制造技术经过长期的完善，针对大采高与放顶煤的不同采煤工艺，形成了以四连杆为稳定机构的两柱及四柱支架设计思路。在支护工作空间过程中，由于立柱支撑角度、合力作用点等不同，支架四柱与两柱的承载特性也存在差别，进而柱帽受力状态及相应结构也不同。

两柱掩护式支架通过立柱与平衡千斤顶共同发挥支架的承载作用，使支架能及时调整合力作用点位置，提高支架顶板适应性及承受水平力的性能。两柱支架所受合力经由顶梁向下传递，位于同一排的两颗立柱承受顶板压力，虽然力平衡区较窄(图1)，但可以完美发挥支架的承载能力，此时可认为柱帽只受压力作用。

图1 相同工作阻力两柱与四柱支架的承载特性示意

四柱支架力平衡区较宽，对外载荷适应性更好，但往往存在立柱受力不均的弊端，尤其对于四柱放顶煤液压支架，其开采过程中后部背矸量减少，合力作用点前移，支架前后排立柱受力不均衡，前排受力大，后排受力小，甚至出现后排立柱受拉现象。此时支架支护能力不能有效发挥，甚至造成支架失效故障。相应地，此时支架顶梁柱帽与立柱的连接处，前排受压，后排受拉。

2 立柱与柱帽联接类型

支架顶梁与柱帽的联接方式对支架支护性能的良好发挥有很大影响。如图2所示，常见联接结构有通销联接和耳轴联接。通销联接结构简单，在柱头处加工通孔，使用一根通销作为柱帽与顶梁间的主要联接零件；耳轴联接结构相对复杂，占用空间较大，但装配方便，切削加工量少，用2个盲孔取代柱头通孔，用耳轴取代通销。

图2 立柱与柱帽两种联接结构

以工作阻力12000kN的两柱掩护式支架为例，立柱与柱帽取相同结构参数，简要分析2种不同联接结构的受力情况。

2.1 立柱柱头受力分析

相同工作参数下，2种联接结构的区别主要在于柱头处孔的加工形式不同。通销结构中，通孔处会出现应力集中，柱头最大应力为384MPa；耳轴结构中，柱头最大应力为255MPa，远小于通销结构，耳轴联接方式受力优于通销联接。2种联接结构下柱头应力云图如图3所示。

图3 2种联接结构下柱头应力

2.2 柱帽耳子受力分析

当立柱受压时，柱头与柱帽紧密接触承受载荷，当立柱受拉时，拉力最终作用于柱帽耳子上，假设立柱所受拉力为其降柱力F，则对通销结构，柱帽耳子的薄弱环节为其断面面积最小处[5]，其应力为

(1)

式中，δ为柱帽耳子厚度；c为耳子截面长度；d为耳子销轴直径。

对耳轴结构，其危险断面在靠近顶梁顶板的销轴处，该处应力为

(2)

式中，e为耳子截面长度；D为耳子销轴直径；l为柱头边缘到上耳轴孔长度；a为耳轴长度；h为两耳轴孔间高度。

图4为耳轴联接结构参数。

图4 耳轴联接结构参数

3 柱帽结构特点

顶梁柱帽安装于支架顶梁上，是顶板压力对液压立柱的直接作用位置。常见的柱帽为铸造式一体化柱帽结构，直接坐于支架顶梁顶板上，周围通过角焊或填平焊与顶梁顶板及主筋焊接，柱帽结构较厚，保证了与主筋间的焊缝长度，连接稳固。

工作过程中，立柱受顶板压力作用，柱头与柱帽球冠间的最大接触压力[6]为

(3)

式中，p为载荷；e为材料弹性模量；r1为柱头半径；r2为柱帽球冠半径。

设计过程中利用式(3)进行计算，通过适当的安全系数保证柱帽使用强度。

图5 实心柱帽下加十字肋结构

随着高端液压支架现代设计方法逐步发展，设计人员在高端支架的设计中开始采用实心柱帽下加十字肋的拼装结构，如图5所示，通过调整十字肋结构即可适应不同应用场合，因此柱帽本身通用性较强，互换性较好，利于节省生产成本。此结构较之传统柱帽结构形式简单，重量较轻，柱帽下的垫板和十字肋结构有利于顶板压力传递，减少顶梁顶板载荷集中，使顶梁相较一体化柱帽结构可以承受更大的冲击压力。以工作阻力12000kN的两柱掩护式液压支架为例，分别计算一体化柱帽与拼装式柱帽结构受力情况，经计算得出，一体化柱帽结构最大应力为287MPa，载荷主要集中于柱窝本身，拼装式柱帽结构最大应力为257MPa，最大应力值减小10%，且从应力图6中可看出，该结构所受载荷对主筋及顶板有更显著的传递效果。需说明的是，拼装式柱帽结构相对简单，但相比铸造式一体化柱帽而言，更加轻便的体型及实心结构，使其在生产过程中更容易产生铸造缺陷，降低零件强度，因此拼装柱帽结构须采用锻造加工。

4 结 论

针对高端液压支架高工阻、高可靠性、高支护性能的特点，顶梁柱帽结构应采用不同的结构形式以适应不同工况。

(1)四柱液压支架前后排立柱受力不均匀，后柱帽处可能承受拉力，在进行支架设计时除保证柱帽承载外，还需要考虑柱帽固定耳及焊缝能承受一定拉力载荷。

(2)耳轴联接结构减少了立柱柱头钻孔加工量，提高了柱头承载能力，抗冲击性能加强，便于拆装，适应性优于通销结构。

(3)拼装式柱帽对所受载荷有更好的传递作用，减少柱帽处的应力集中，较一体化柱帽更能承受冲击压力，且更利于通用件互换，但其结构决定其必须通过锻造加工，以保证零件强度。

[1]孙公赞，张晓东，樊 军.两柱与四柱放顶煤液压支架架型及结构浅析[J].煤矿机械，2009，30(2)：167-169.

[2]陈 静，刘建英.ZY12000-28-63D型液压支架柱窝结构的优化[J].机械设计，2012，29(8)：61-63.

[3]王彪谋，郭昊峰.四柱放顶煤液压支架主要技术问题研究[J].煤矿开采，2009，14(5)：56-57.

[4]张小卫，马军涛，黄 鑫，等.矿用柱窝裂纹的原因分析及改进措施[J].煤矿机械，2015，36(7)：235-236.

[5]贾伟民，张 召.液压支架立柱和顶梁联接结构分析[J].煤矿机械，2016，37(2)：102-104.

[6]王建鲁，王 建.高工作阻力液压支架柱窝的计算和分析[J].煤矿机械，2010，31(6)：9-10.

[7]赵忠辉.基于有限元法的液压支架立柱与柱窝接触分析[J].煤矿机械，2009，30(2)：83-84.

[责任编辑：徐亚军]

Adaptability Analysis and Structural Characters of Advanced Hydraulic Support Prop Cap

HAN Hui-jun，LIU Xin-hua

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

The advanced hydraulic support has the following characters，which include high working resistance，high reliability and high supporting performance，prop cap of roof beam is key component of roof beam bearing of hydraulic support，the safety mining process was influenced directly by the adaptability between practical situation，structural characters and working condition.The characters were studied，which include different bearing characters between tow columns and four columns hydraulic support，different connection type between roof beam and prop cap，different structural characters of prop cap，the adaptability of prop cap was studied，it references for structural design of hydraulic support.

hydraulic support；prop cap structure；adaptability；bearing characters

2016-08-05

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.009

国家重点基础研究发展计划(973计划)课题;深部围岩自适应支护原理及系统创成理论(2014CB046302)

韩会军(1984-)，男，山西吕梁人，助理研究员，主要从事液压支架设计研究工作。

韩会军，刘新华.高端液压支架柱帽结构特点与适应性分析[J].煤矿开采，2017，22(2)：34-36.

TD355.41

A

1006-6225(2017)02-0034-03