两柱掩护式液压支架承载特性研究

韩进军， 王 彪

（1.潞安集团常村煤矿， 山西 屯留 046100； 2.潞安集团安监局， 山西 襄垣 046299）

引言

在以往研究中只是单一分析支架理想水平位时的受力状况，且忽略掩护梁受力对顶梁合力作用点位置及大小造成的影响，然而实际工况中，支架姿态往往会随围岩运移及周期来压等地质现象的发生而改变，掩护梁也会承受后部垮落矸石的压力，上述研究方法不能准确求出支架不同姿态下顶梁合力作用点的位置及大小，继而无法确定当前姿态下支架顶梁合力作用点的合理受力区间，不能提出有效的姿态调整策略。因此，为了及时了解支架与围岩相互作用关系，维护围岩稳定，保证工作面设备的安全生产，有必要对支架不同姿态下的顶梁承载特性开展深入研究[1]。

1 液压支架受力分析

1.1 支架平面力学模型建立

本文构建了支架平面力学模型，并充分考虑掩护梁受力对支架顶梁合力作用点带来的影响，该模型可描述两柱掩护式液压支架在纵向平面内任意姿态下的受力状况，如图1所示[2]。

图1 支架平面受力图

其中：O为参考坐标点，O1为支架四连杆机构运动瞬心，G为顶梁与掩护梁铰接点，Q为垂直于顶梁的载荷（即支架顶梁承载力）、XQ为G点到承载力作用线的距离，Qf为顶板对支架的摩擦阻力（摩擦系数f一般为0.1～0.3），P为立柱的工作力，PE为平衡千斤顶的工作阻力（当活塞腔受压时PE取“＋”，当活塞杆腔受压时PE取“－”），r1为O1点到G点所在直线距离，r2为O1点到顶梁所在直线距离，r3为O1点到立柱所在直线距离，r4为O1点到平衡千斤顶所在直线距离，r5为G点到立柱所在直线距离，r6为G点到平衡千斤顶所在直线距离，F为掩护梁所承受作用载荷（分解为水平方向FX和竖直方向FY），LF为掩护梁作用载荷到下铰点的距离，F1、F2分别为前连杆和后连杆所受作用力，α、β、γ分别为顶梁、后连杆、底座与水平面的夹角，H、X、Y及各铰接点坐标为因变量，构建如下运动方程组，其中K1～K18为中间变量，其中各力与角度的正方向如图1所示。

1.2 合力作用点计算

本文对支架的运动学特性进行了分析，并推导出了基于顶梁、底座、后连杆三倾角传感器的两柱掩护式液压支架姿态算法，利用该算法可对A、B、D、E点坐标进行求解，通过计算其结果表示如下[3]：

作BE与AD的延长线使其交于O1点，如图1所示，则依据理论力学相关定理可知O1点为支架四连杆机构的运动瞬心，在已知A、B、D、E点坐标前提下，可进一步求解瞬心O1点坐标，其结果表示如下：

其中：

1）若不考虑掩护梁受力，则：

以顶梁、掩护梁为隔离体，对瞬心O1点取力矩平衡方程：

以顶梁为隔离体，对G点取力矩平衡方程：

联立求解可得：

式中：f为顶板与顶梁之间的摩擦系数，取0.1～0.3。

2）若考虑掩护梁受力，则：

以顶梁、掩护梁为隔离体，对瞬心O1点取力矩平衡方程：

a为GX作用点与瞬心O1之间的距离，其值可表示为：

b为作用点GY与瞬心O1之间的距离，其值可表示为：

以顶梁为隔离体，对G点取力矩平衡方程为：

联立求解可得：

通过上述计算可确定支架在任意姿态下顶梁所承受载荷的大小及作用位置，为对支架姿态与顶梁承载特性关系的进一步分析提供了研究基础。

2 液压支架承载特性分析

本节将利用matlab软件以掩护梁受力、支架高度、顶梁倾角三个影响因素为方向对支架承载特性的变化加以论述。

2.1 掩护梁受力对支架承载性能的影响分析

假设上页图 1中 α、β、γ 分别等于 0°、60°、0°，将支架合力作用点计算公式编写为matlab可执行代码，利用绘图功能绘制不同受力状态下支架的承载性能曲线。

将不考虑掩护梁受力与不考虑掩护梁受力两曲线叠加分析，如图2所示。

图2 掩护梁受力对支架承载性能影响曲线

对考虑掩护梁受力及不考虑掩护梁受力两种状态时支架承载特曲线做比较，可知当掩护梁承受一定载荷时，支架承载特性曲线向左上方偏移，顶梁承受外部载荷及平衡千斤顶受拉工作区的承载能力均略有增加，但平衡千斤顶受压工作区的承载能力略有下降，支架易出现低头现象。因此，在实际生产中，当支架掩护梁承受载荷时，应避免支架低头，并对已经低头的支架活塞腔及时补压或进行其他辅助措施，提高支架前端的支护能力。

2.2 支架高度对支架承载性能的影响分析

假设支架顶梁、底座处于水平状态，对前述matlab可执行代码进行修改，绘制支架处于不同高度时的支架承载特性曲线。

将三组曲线叠加分析，如下页图3所示。

图3 不同支架高度对支架承载性能影响曲线

通过对上图中三组曲线作对比分析可知，该型支架在顶梁底座水平，由低位升至高位的过程中，支架承载性能曲线向左上方移动，平衡千斤顶受拉工作区变化较小可忽略不计而受压工作区承载能力则显著提升，立柱工作区变长且承受外部载荷能力增加。由此可见，该型支架在实际工作中，处于高位态时的工作姿态可以提升支架的承载能力，增大立柱工作区间，提高支架稳定性，同时也可提高支架前端的支护能力，有利于防止低头现象的出现。

2.3 顶梁倾角对支架承载性能的影响分析

假设支架底座水平，立柱伸长量为固定值，对前述matlab可执行代码进行修改，绘制支架顶梁不同倾角时的支架承载特性曲线。

将三组曲线叠加分析，如图4所示。

对比图中三条曲线可知，支架立柱伸长量为定值、底座水平时，支架承载性能会随顶梁倾角的改变而发生变化。当顶梁呈现抬头状态时，支架承载性能曲线向右上方移动，支架承受外载能力增强，立柱主平衡区向顶梁后端移动，平衡千斤顶受拉工作区即顶梁后端承载能力增强，有利于阻止顶梁的进一步抬头；当顶梁呈现低头状态时，支架承载性能曲线向左下方移动，支架承受外载能力略有降低，立柱主平衡区向顶梁前端移动，但平衡千斤顶受压工作区即顶梁前端承载能力增强，有利于阻止顶梁的进一步低头。

图4 顶梁支架承载性能曲线

3 结论

通过从掩护梁受力、支架高度、顶梁倾角三个方面对影响支架承载性能的因素进行直观的图形曲线分析，可知三者对支架的承载性能有着重要的影响。在实际工况中应充分考虑掩护梁受力、支架姿态及工作高度，对已处于平衡千斤顶最大受拉及受压极限状态的支架做调整，使其尽可能工作于立柱主平衡区，提高支架承载能力及稳定性。