大采高液压支架稳定性分析

摘要：根据适合煤矿煤层实际地质条件，对支架工作阻力进行经验估算、理论计算、数值模拟，确定支架主要参数，从结构形式、可靠程度及有关数据分析，阐明了支架状况及稳定性。

关键词：四连杆机构可靠性稳定性

中图分类号：S605文献标识码： A

1合理选择支架参数

工作面概况：工作面倾斜长度300m，走向长度为1000m；煤层厚度5～7.79m，平均7m；直接顶为泥岩、砂质泥岩、细砂岩组成，直接底为砂质泥岩或细砂岩，煤的硬度系数为1.0～1.5。

（1）根据适合煤矿工作面地质条件、矿井现有提升、运输条件并结合目前国内液压支架研制水平，进行支架合理支护高度分析，确定支架最大高度为7.2米。

（2）现根据适合煤矿煤层实际地质条件，通过对支架工作阻力进行经验估算、理论计算、数值模拟，并与某矿22303工作面生产情况进行对比分析发现，对于支架而言，15000kN的支架工作阻力较为合理，能够基本满足工作面顶板的正常维护要求，有利于改善工作面存在的问题，提高工作面的安全系数，最大限度的提高矿井效益。

（3）根据质量标准化要求支架初撑力不低于支架工作阻力的80%要求，由此确定立柱600mm大缸内径、支架初撑力为12345kN、安全阀的开启压力38.2 MPa。

2支架结构设计分析

（1）四连杆机构的设计

根据支架设计软件，该支架四连杆机构顶梁运动轨迹自上而下为向工作面倾斜的斜线。当顶板下沉支架承载时，支架顶梁对顶板产生了一个向前的摩擦力，对保持顶梁端板处于挤压状态有利，有利于防止架前冒顶和煤壁片帮。

（2）支架主要技术参数的确定

支架型号：两柱掩护式＋伸缩顶梁＋铰接式三级护帮

支架额定工作阻力：15123kN（P=38.2MPa）

支架额定初撑力：12345kN（P=31.5MPa）

支架高度：3400--7300mm；

支架中心距：2080mm

支架支护宽度：1900--2200mm

支架平均支护强度：1.5-1.8MPa

平均底座比压：2.6～2.8Mpa

适应煤层倾角：≤20度

操纵方式：电液控制

支架重量：约80t

额定供液压力：31.5Mpa

梁端距控制在800mm左右；伸缩梁行程：800mm

3支架稳定性分析

底座的宽度加宽为1900mm，底座的长度加长至3800mm,底板面积加大；底座柱窝前端加长为1600mm，减少底座前端扎底现象；

前后连杆加宽，增大四连杆的抗扭能力；

优化四连杆机构参数，提高加工精度，控制四连杆机构销轴配合间隙，各构件总横向间隙不大于12mm；

侧推千斤顶加大，侧护板高度增大，增加支架的侧向调整能力和导向性；

采用高工作阻力，强护帮装置，护帮总高度5米，一护千斤缸径160（mm）推力58*2吨，二护千斤缸径120（mm），提高护帮性能。防止架前冒顶片帮造成支架失稳。

辅助的防倒措施。

4支架可靠性分析

四连杆机构受力优化，支架总体受力状态及双纽线合理，从高到低近似一条向前倾斜的斜线稳定性好，连杆力小可靠性高，对顶底板的适应性强。

支架采用600mm缸径的双伸缩立柱，工作阻力8500kN,缸口采用矩形螺纹结构，强度高，拆装方便。

平衡千斤采用国内外目前最大的360mm缸径，对顶梁的调节能力强，支架对顶板的控制能力和适应能力强，保证了支架具有较大的抗冲击能力。

根据受力分析，相应对结构件进行主筋 板、贴板加厚、底座梁体加高，提高支架构件强度，最大限度的提高结构刚度，减少支架承载后的变形和位移。

支架采用带四连杆机构的三级护帮机构，三级护帮高度达5米为国内外最大。护帮机构护帮机构在采煤机通过后打出，在系统中一级护帮伸、收时，二级护帮联动“伸”，二级护帮伸、收动作均可用电磁换向阀完成，三级护帮伸、收单独动作，并“收”动作与一级护帮“收”联动。这样的顺序动作不挤压胶管，保证操作性能。

立柱进回液系统采用双进双回的液压系统，实现了大直径立柱的快速升降，提高了移架速度。采用两个流量千升的反冲过滤器减少液压系统堵塞。

每架支架顶梁安装一个倾角传感器，对顶梁的角度进行监测，并在自动移架过程中对支架顶梁姿态进行控制；每10架支架增加配备3个倾角传感器，一个安装在支架掩护梁，一个安装在支架前连杆，一个安装在底座上，测量支架高度。一级护帮千斤配备一个压力传感器，监测煤壁压力并进行实时监控，防止工作面大面积片帮，提高护帮板对煤壁的管理效果。

提高安全阀流量，增加溢流保护性。立柱配置4个每分钟1000升流量的安全阀。

为保证结构件的焊接质量，使用药芯焊丝加混合器和机器人焊接，焊后进行去应力退火，然后整体喷砂，保证焊接的内在和外观质量。

样机试制，专家评测、进行5万次循环疲劳试验并取得煤安证。

5支架有限元结构应力及强度分析

支架高度3.4～7.3调高范围大，适应煤层厚度变化能力强。是目前世界上工作面使用最高的液压支架。

三级护帮高度达5米，减少片帮，提高工作面的安全性。

强力伸缩护帮装置，保证足够护帮力，护帮板压力传感器动态显示护帮力。

使用了顺序控制系统保证三级护帮顺序动作不挤胶管，保证三级护帮操作快速性和煤壁贴合性能。

采用多个角度传感器能够远距离显示了支架形态及高度。

采用双进双回的液压系统，满足500毫米大直径液压缸快速升降要求。

采用双千升反冲过滤器，减少液压系统堵塞，保证通液量和支架快速动作。

柱窝、连接头等关键部件采用硬度高，抗拉强度大、耐磨性好的新材料。采用高达1000MPa高强板焊接工艺技术。

采用机器人焊接先进工艺，确保产品的焊接质量，提高了焊接效率。

结束语

通过对液压支架架型主要部件进行有限元综合分析表明，该型液压支架的结构设计能满足在额定工作阻力下的强度条件，在完善措施及通过严格的生产技术管理情况下，该型液压支架能够满足适合煤矿煤层的地质条件下的工作稳定性要求。

作者简介：

陈桃杯（1968），女，出生地河南，工程师，大专学历，从事机械制造与设计工作。