综放工作面超静定液压支架关键部件优化设计

2019-07-25侯勇

煤矿现代化 2019年5期

关键词：放顶顶梁综放

侯勇

（西山煤电马兰矿，山西古交 030200）

0 引言

就目前统计来看，我国厚煤层分布范围逛，且储量巨大，厚煤层储量基本占到了44.8%以上[1]。随着采掘的进行，现正朝着深度开采延伸，但是其采出率等问题是采矿界面临的难题[2～3],给采矿界机械化研究者带来了不小的挑战。

综放工作面液压支架是综放工作面放顶煤开采过程中不可或缺的关键采掘设备，液压支架的性能直接影响着一座矿山的效率及安全，也是综采工作面采煤核心技术[4～5]。

超静定液压支架根据普通的液压支架理论基础,进行了升级和改良，主要对液压支架尾梁和连板进行了改设，设计成了放煤部，这样大大增加了放煤率，就目前的厚煤层放顶煤开采来说，超静定液压支架具有重要的责任担当和使用价值。本论文就是针对综放工作面超静定液压支架顶梁、底座、悬浮立柱和放煤部进行优化设计，希望能够进一步优化升级综放液压支架性能。

1 确定主要参数

1.1 主要参数计算

1）支架高度。

要想确定超静定液压支架高度，需要综合多方面的因素进行分析，但煤层厚度是主要因素，为了计算方便，这里忽略次要因素。

支架最大高度：

支架最小高度：

式中：Mmax、Mmin为煤的最大、最小截高；S1为伪顶冒落的最大高度，一般取300～400mm；S2为周期来压顶板下沉量，一般取500～900mm。

液压支架最大、最小高度之比我们称之为伸缩比，伸缩比值是衡量超静定液压支架的适用范围的一个参数，缺憾的是就目前设计还不能使得这个参数达到无穷大。综放工作面液压支架直接与顶煤相接触，采煤机的采高基本对其没影响，相应伸缩比在此种情况可以作为次要条件考虑，通过实践表明，只要在设计中考虑能够承受0.3倍的水平力基础上采用较小立柱倾角就能满足要求。参考其他先进支架可以确定本液压支架的最大高度6000mm，最小高度3300mm。

2）立柱倾角。为了确定超静定液压支架立柱倾角，其最小抵抗水平力，经查阅资料显示为0.3倍的工作阻力，把伸缩比考虑进去，则立柱倾角可以确定为26.8°。

3）顶梁和底座参数。立柱铰接点间距c不仅与顶梁和底座长度有关，而且还与立柱倾角相关：

式中：H为支架高，取6000mm；G为底座与底座底板垂直距离，mm；α为倾角，取26.8°。

设计取g为430mm，经计算得c为1300mm。

顶梁长度L1可由下式决定：

式中：b为最前铰接点到顶梁最前端距离；D为最后铰接点到顶梁最后端距离；

查阅相关资料，b可取820mm，d可取720mm，代入公式可得L1为5440mm。

底座长度L2可由下式决定：

式中：e为最前铰接点到底座最前端距离；F为最后铰接点到底座最后端距离；

查阅相关资料，e取670mm，f取380mm，代入公式计算得顶梁长度L2为4950mm。

1.2 技术参数归纳

通过查阅相关资料、设计手册[6]以及上述计算，综放工作面超静定液压支架主要技术参数整理归纳见表1。

表1 主要技术参数统计表

2 关键部件优化设计

2.1 液压支架顶梁设计

超静定液压支架与顶煤直接接触的是其顶梁，它的作用遮挡、支撑顶板上部松散的煤岩体，防止上部煤岩体掉落伤人、损机，为工作面工作提供一定的安全空间。另外在放煤的时候主要是来回升降破碎上部顶煤，为回收顶煤起到关键作用。

此次设计液压支架顶梁是铰接式，梁内安装伸缩梁和千斤顶，分别用来控制前梁和主梁，这样就能在移架时很好的实现及时支护作用。在考虑立柱铰接状况后，分别由六主钢架和六横钢筋形成箱型结构，再加钢板焊接成顶梁结构，整个结构做成闭合的箱装式构造，综放工作面超静定液压支架顶梁结构布置如图1所示。

图1 液压支架顶梁装配图

2.2 液压支架底座设计

超静定液压支架的底座主要起四个方面的作用：一是顶板上方的压力传递到底板，底板是整个支架稳固的基础；二是为立柱、推移等提供一定的作业空间；三是底座必须满足起伏不平的地板；四是要满足排矸当矸，并要有行人通道。

就目前来看，整体刚性底座优点主要是强度高、稳定性好、耐用性强、对底板比压小，缺点是排矸能力不足。底分式刚性底座构造独特，采用的是对称式结构，排矸能力强，但强度较差、底座面积较小、适应条件有限、使用时间较短。

根据以上两种底座对比分析，本次设计的超静定液压支架底座选择整体刚性底座，装配简图如图2所示。底座前端被优化设计成类人鞋，并优化设计滑移功能。与顶梁设计一个原理，其结构分别六主筋和六横筋交错形成。有所区别的是，因推移需要大空间安装，主筋和横筋在推移安装处进行了打断。在底座前端设计了过桥箱，目的是增加底座刚度和抗扭强度，并为液压控制系统提供了一定的作业空间，在后端又安装抬高架，这个抬高架与部件形成一个整体结构。

图2 液压支架底座装配图

2.3 液压支架悬浮立柱设计

综放工作面超静定液压支架悬浮立柱采用新型悬浮立柱—DWX型悬浮立柱，该新型悬浮立柱通过试验，在采煤工作面运用效果良好，适应能力较强，很好的解决了综采放顶煤液压支架立柱吃力不足问题。该立柱内部空间较大，比传统的立柱容纳液体体积大，在某种程度上大大提高了抗冲击载荷，油缸和活柱均采用筒体，生产成本低，加工方便。顶梁与立柱和底座与立柱的连接是采用的是销轴铰接，这样立柱就成了一种二力平衡杠杆，不易受偏，显著提高了立柱平衡性，进而增加了支架的安全性。液压支架悬浮立柱机械示意图如图3所示。

图3 液压支架立柱

2.4 液压支架放煤部设计

综采放顶煤能否实现高出煤率，关键看液压支架的放顶煤部，故支架放煤部在放顶煤开采中起着举足轻重的作用，并且在液压支架设计中也对放煤部提出了放煤效果和破碎大块率的要求。

此次设计的综放工作面超静定液压支架选用大插板的结构形式，放煤部尾梁摆动靠两个大缸径千斤顶作用，对放煤口大小和位置的控制由放煤部尾梁和其滑道内插板的协调工作实现。超静定液压支架放煤部的结构示意图如图4所示。

图4 液压支架放煤部结构示意图

3 Pro/E三维设计

通过运用计算机Pro/E机械绘图软件，首先设计超静定液压支架各个零部件，把已经建立好的各个零部件根据相互之间的装配关系进行约束，完成整个三维实体的建模。根据软件装配，实现可视化，就能把液压支架直观的呈现出来，为下一步车间生产提供图纸和思路。另外在可视化装配过程，若发现存在问题，则可以及早的对其设计进行修改。

完成特综放工作面超静定液压支架的零部件后，通过计算机软件对其进行装配，过程如下：

1）插入基础部件。底座是整个装配件的基础，在确定了基础配件后，其他部件的位置也相应确定了，此时约束类型为缺省状态。

2）插入各个零部件。由Pro/E软件要求，依次插入连板、尾梁、顶梁、立柱、前梁、伸缩梁、护帮板等零配件。铰接约束在软件中设置为“销钉连接”；只有底座和抬高架设置为“刚性连接”；立柱的活柱与油缸连接设置为“滑动杆连接”。

支架在Pro/E机械绘图软件中组装后形成的的三维可视化模型如图5所示。

图5 液压支架三维模型

4 计算机数值模拟验证

为了设计的综放工作面超静定液压支架是否满足要求，采用ANSYS软件对液压支架整架进行有限元分析[7]，液压支架受力云图和变形位移云图结果如图6所示。

图6 数值模拟图

从模拟结果应力云图可以读出，液压支架的能够承受的最大应力约为524MPa，从软件中显示最大应力是在顶梁和垫块的接触面边缘处，但发生面积很小，支架受力较为均一。位移云图可以看出，液压支架最大的变形位移是在顶梁中部下端，原因是该侧未受约束作用，从模拟中读出最大变形量约为7mm。通过应力和位移分析，该支架应力和变形位移均在合理范围内，说明设计的综放工作面超静定液压支架关键部件的优化设计满足强度和刚度要求。