液压支架偏载工况下特性试验分析

李凤麒

（太原煤气化公司炉峪口煤矿，山西 古交 030203）

引言

矿山机械中的液压支架特性及运行工况较为复杂，虽然液压支架结构主要由多执行元件构成，不包含复杂的控制机构和传动机构，但因支架工作过程中运行环节多，对于围岩条件较为复杂的采场，不同类型液压支架会表现出不同的与采场围岩相互作用的特性，使液压支架运行工况及特性的随机性与复杂性大大增加。

本文通过模拟液压支架在试验过程中承受偏载的情况，构建起符合实际运行工况的实验室模型，并借助ZTN-1 型外加载支架试验台向支架施加外在荷载，以进行偏载工况下液压支架支护性能、压缩量变化等特性的分析，为矿用液压支架结构设计及安全运行提供基础依据。

1 试验准备

矿用液压支架通常与刮板输送机、采煤机、乳化液泵站、装载机等配合使用，为避免回采时顶板发生冒落，并为其余施工机械和人员提供稳定的工作空间，必须加强顶板支护。液压支架便能为工作面顶板提供可靠有效的支撑，起到支撑回采工作面、隔离采空区、切顶、移架及输送机推移、避免工作面矸石掉落等作用。因回采工作面顶板稳定程度和压力不同，故液压支架类型也不尽相同，根据支架和围岩的作用关系，通常将矿用液压支架分为支撑式和掩护式两类。各类型液压支架功能特性基本一致，其操作工序与结构型式基本无关，仅受液压系统工作循环状态的影响。但由于回采工作面所有支架相同工序均重复进行，故其可能面临较复杂的工况。

1.1 模型构建

为模拟回采工作面液压支架实际运行工况，测试平台采用液压支架外加载试验装置，并将偏载检测工装安装于支架顶梁上部，便于进行液压支架实际运行工况的模拟。在正式试验前必须根据设计要求调试安全阀并开启压力供应，将液压支架抬升至与试验台上平面贴合；此后垂直外加载至全部立柱安全阀均达额定工作阻力并开启溢流。根据装置档距设置，依次进行不同采高下支架支护性能和压缩量的检测[1]。具体而言，应通过两台压力传感器进行左右侧立柱下腔压力值测试，同时借助两台位移传感器进行支架定量变形量和压缩量检测，上述全过程中的数据均通过实时采集系统采集、记录、存储、传输。

1.2 检测方法与对象

针对每台液压支架结构压缩变形量、顶梁压缩变形量、支护性能等分别设置两个测试方案，分别对应着两种工况：方案一为不安装测试工装（无垫块）情况下液压支架外加载测试；方案二为顶梁一侧设置测试工装，即液压支架在偏载情况下外加载测试。

为保证测试结果的准确性与广泛适用性，选择两种型号液压支架进行试验，分别为ZF15000/24/45型放顶煤支架和ZY12000/29/63 型掩护式支架。掩护式液压支架根据立柱具体支撑位置的设置方式不同可分为两种：其一为全部立柱均支撑于顶梁和底座间的直接撑顶掩护式支架；其二为仅前排立柱直接支撑于顶梁和底座间，后排立柱则支撑于掩护梁和底座间的掩护式支架[2]。本文所选取的支架为ZY12000/29/63 型掩护式支架，属于第二种情况。两种液压支架双伸缩立柱数量分别为4 个和2 个，缸径360/270 mm 和420/305 mm，安全阀开启压力分别为36.9 MPa 和43.8 MPa。

2 试验结果

2.1 液压支架支护性能

结合矿用液压支架井下运行实际，针对本文所提出的两种测试方案，通过外加载试验装置进行支架加载过程的模拟。具体采高下两种不同型号液压支架两侧立柱下腔压力测试结果详见表1 和表2。表中p1、p2指液压支架不安装测试工装（无垫块）工况下两侧立柱下腔试验压力值，p3、p4表示液压支架顶梁一侧设置测试工装（偏载）工况下两侧立柱下腔试验压力值；p5、p6表示设置测试工装两侧立柱悬空侧立柱下腔试验压力值。

表1 ZF15000/24/45 型放顶煤支架立柱下腔压力值 MPa

表2 ZY12000/29/63 型掩护式支架立柱下腔压力值 MPa

根据以上试验结果，在顶板下沉过程中液压支架两侧立柱下腔压力不断升高，且在顶梁一侧增设测试工装、测试工装悬空等偏载工况下支架两侧立柱压力值差异较大。ZF15000/24/45 型放顶煤支架不安装测试工装工况下两侧立柱下腔试验压力值达到安全阀开启压力37.1 MPa 时，测试工装悬空侧立柱压力只有11.2 MPa，所对应的液压支架支撑力为9 827.71 kN，仅达到液压支架额定运行阻力的64.9%。ZY12000/29/63 型掩护式支架不安装测试工装工况下两侧立柱下腔试验压力值达到安全阀开启压力42.3 MPa 时，测试工装悬空侧立柱压力只有23.8 MPa，所对应的液压支架支撑力为11 422.08 kN，为液压支架额定运行阻力的67.1%。可见，液压支架压缩过程应持续进行，直到设置测试工装悬空侧立柱安全阀全部开启。但是液压支架在偏载的影响下达到额定阻力的时间将大大延长，支护性能也受到较大影响，为此，必须提高液压支架初撑力，以确保支架支护性能充分发挥。

2.2 液压支架压缩特性

根据所取得的试验数据分别绘制ZF15000/24/45 型放顶煤支架和ZY12000/29/63 型掩护式支架在两种不同方案下整个支架压缩量曲线，具体见图1。根据液压支架压缩量变动趋势，在两种方案下，两种支架压缩量均随采高的增大而增大，变动趋势基本一致；但在方案二偏载工况下液压支架压缩量比方案一大。根据矿用液压支架支护特性，其一侧承受偏载时，该侧的承载立柱必将发生压缩下沉，但悬空侧立柱因未承受荷载，反而会出现上拔现象，所以液压支架在偏载工况下仅承载侧立柱下沉。对偏载工况下的矿用液压支架施加外荷载，支架在横向作用力的影响下产生附加力矩，导致顶梁围绕承载侧立柱柱窝发生变形和下沉，不同采高所对应的顶梁沉降变形量数据借助位移传感器收集。根据所采集到的试验数据分别绘制ZF15000/24/45 型放顶煤支架和ZY12000/29/63 型掩护式支架顶梁沉降变形量～采高曲线，根据对曲线的分析发现，无论采高如何变化，液压支架在偏载工况下顶梁均会发生不同程度的形变，且随采高的增大而呈减小趋势[3]。

图1 液压支架压缩量曲线

3 结论

ZF15000/24/45 型放顶煤支架和ZY12000/29/63型掩护式支架设计时必须在满足采高的基础上寻求最佳的立柱和连杆几何尺寸。为保证矿用液压支架在承受偏载情况下结构整体的稳定性，其承压侧立柱安全阀的开启时间必须先于悬空侧立柱安全阀，并通过增大初撑力以增强支架的支护能力；偏载工况下因支架两侧立柱承受荷载状态存在一定差异，故矿用液压支架结构压缩量比无荷载下支架结构压缩量大；且在支架整体压缩量和顶梁变形量的综合作用下，支架顶梁会同时表现出一定的变形和下沉。