新型履带行走液压支架的开发与动力学分析

赵海斌

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030200）

引言

液压支架为综采工作面重要的支护设备。目前，工作面所应用的液压支架主要为步进式液压支架，该型液压支架实际是在原有液压支架基础上进行局部改造所得的产品，并没有从根本上解决顶板支撑易碎的问题。超前液压支架为比步进式液压支架更进一步且技术更先进的液压支架，但是该型液压支架在前行时由于顶梁和顶板之间的滑动摩擦同样会影响设备工作的稳定性和可靠性[1]。因此，为有效解决上述问题，设计履带液压支架，其采用滚筒移架的方式完成液压支架的前行，减小顶梁和顶板之间的摩擦。

1 履带液压支架的总体参数确定

1.1 工作面超前支护现状分析

根据《煤炭安全规程》的相关标准规范，要求顺槽工作面超前支护的距离不小于20 m。传统工作面主要以单体液压支柱实现超前支护，但是其在实际应用中存在支护强度低、支护速度慢以及劳动强度大的问题。虽然超前液压支护在某种程度上解决了单体液压支护所面临的问题，但是其并未从根本上解决顶板破碎严重的问题。因此，本文将根据相关标准要求和实际生产工况完成履带液压支架的设计，并对其进行仿真评估验证[2]。

理论上影响综采工作面超前支护性能的主要因素包括有矿压和移架方式。其中矿压直接决定配套液压之际的工作阻力和支护强度；而移架方式直接影响顶梁对顶板的摩擦系数，从而决定对顶板的破坏程度。

单体液压支柱为我国最早应用的超前支护设备，该设备主要通过人工进行移架，在实际工况中主要表现为支护强度低、支护效率低以及开采成本高的不足。

对于超前支护液压支架，根据结构特点的不同可分为自移式超前支护液压支架、跨骑式超前支护液压支架、大采高四连杆式超前支护液压支架和履带行走式液压支架。总的来讲，超前支护液压支架仍然存在顶梁和顶板滑动摩擦的问题[3]。因此，本文将设计一款新型履带行走式超前支护液压支架。

1.2 新型履带行走式超前支护液压支架总体参数确定

结合履带行走式液压支架在实际生产应用问题，将顶梁与顶板之间的滑动摩擦改进为滚筒摩擦，即将顶梁也采用履带式结构，其整体结构如图1 所示。

图1 新型履带行走式超前液压支架整体结构

如图1 所示，新型履带行走式超前液压支架主要包括有顶梁履带、上下驱动轮、液压立柱、四连杆机构以及上下导向轮等。结合超前液压支架的基础结构参数和综采工况，对应新型履带行走式超前液压支架的整体结构参数如表1 所示。

表1 新型履带行走式超前液压支架的整体结构参数

2 新型履带行走式液压支架行走机构的设计

新型履带行走式液压支架与传统普通超前支护液压支架的本质区别在于顶梁与顶板的滑动摩擦改进为滚筒摩擦。因此，本文重点对顶梁履带顶梁机构进行设计[4]。为保证所设计新型履带行走式液压支架在实际应用的效果，对应履带顶梁机构设计时应满足如下要求：

1）所新增的履带顶梁机构不能影响液压支架立柱和四连杆功能的发挥。

2）新增的履带顶梁机构在实际移机过程中的阻力应较小且不影响液压支架的正常支护功能的发挥。

3）履带顶梁机构应具备一定的转向功能，以适应弯曲工作面的生产要求。

2.1 履带板结构设计

履带板为直接与工作面顶板接触的部件，其作为载荷传动的部件，而且在移架过程中还需承受一定的滚筒摩擦。因此，对履带板硬度的要求较高，故采用合金钢对履带板进行铸造。履带板可以分为整体式和组合式两种形式。由于整体式履带板的制造成本较高且加工精度较大，本方案采用组合式履带板结构。为保证履带板具有足够的牵引力，需在履带板结构上配置一定高度的履刺。为保护工作面顶板的完整性，顶梁履带板上履刺的高度设计为20 mm。

2.2 驱动方案设计

履带顶梁机构需要足够且稳定的驱动力才能够达到高效、安全、快速移架功能。针对顶梁履带机构可采用的驱动方式包括有曲柄滑块、曲柄滑块加链传动、摇杆滑块、液压缸直线等驱动方案。其中，曲柄滑块和曲柄滑块加链传动的驱动方式由液压缸直接向驱动轮提供驱动力；摇杆滑块驱动方式通过液压缸将驱动力传动至摆杆，由摆杆向驱动轮提供驱动力；液压缸直线驱动方式由液压缸直接将驱动力提供给履带实现直线运动，同时所配套的两组液压缸能够保证履带的驱动力连续[5]。

综合从空间限制因素、复杂程度、传动效率对比上述四种驱动方案的优劣势，得出顶梁履带机构采用液压缸直线方式实现驱动功能，该驱动方式具有较高的驱动效率，且其不受空间的限制，复杂程度也一般。

3 顶梁履带机构的动力学分析

顶梁履带机构的动力学性能直接决定履带行走式液压支架在实际应用中的移架效率和可靠性。本节基于ADAMS 仿真软件对顶梁履带结构的动力学特性进行仿真分析。顶梁履带结构的主要参数如表2 所示。

根据表2 中的参数完成模型的搭建，并完成约束副添加、接触定义，对两组液压缸施加驱动后对履带架的行走速度进行仿真分析，仿真结果如图2 所示。

表2 顶梁履带机构关键参数

图2 履带架行走速度仿真结果

如图2 所示，由于顶梁履带机构是依靠两组液压缸交替完成驱动任务，在6.26 s 后由于第一组液压缸向第二组液压缸的转移，履带架行走速度出现较为明显的波动，但是波动时间仅持续在6.26～6.295 s 之间。但是，除此更替阶段以外，履带架的行走速度均处于相对稳定运行状态，保持在138.89 mm/s 左右。

4 结语

本文设计的新型履带行走式液压支架的关键改进点在于其顶梁与顶板之间的摩擦从滑动摩擦改进为滚筒摩擦。通过动力学仿真分析可知，基于液压缸直线驱动方式可保证顶梁履带机构保持在相对恒定的速度稳定运行，实现高效、快速的移架功能。