試述礦用液壓支架在煤層中的應用

劉艷東

（唐山開灤鐵拓重型機械制造有限責任公司 技術研發中心,河北 唐山 063103）

目前，礦用液壓支架主要是用于支護采場圍巖，同時還要與采煤機、刮板輸送機協調運行。特別是由于采場圍巖的復雜性以及不同結構類型液壓支架與不同類別的采場圍巖表現出的相互作用特性，從而導致液壓支架工況和特性的復雜性和隨機性。采場環境、開采方式和生產規模對液壓支架性能和指標的要求不同，導致了液壓支架的系列和品種很多，給設計和制造帶來了一定的困難。由于煤層液壓支架存在支架高度低、行人空間狹小和梁體薄等結構上的特點，因此結構設計必須采用緊湊設計，交叉布置才能滿足要求。

1.礦用液壓支架的組成。礦用液壓支架主要是由金屬結構件、油缸和液壓控制元件三大部分組成。其中金屬結構件主要有頂梁、掩護梁、前梁、上連桿、前連桿、后連桿、底座、側護板、護幫板等；缸主要有雙作用雙伸縮立柱、推移千斤頂、側護千斤頂、前梁千斤頂等；液壓控制元件主要有液壓控制閥、操縱閥、雙向鎖、安全閥、截止閥等及液壓輔助元件等。

2.礦用液壓支架的工作原理。目前的礦用液壓支架是由乳化液泵站提供高壓乳化液控制系統，液壓油缸和金屬構件組成。來自泵站的高壓乳化液，經主進液管傳送到工作面，并與每架支架的進液截止閥相連導入支架，再經過組合操縱閥配液到各液壓缸，以完成支架所需的各項動作。從支架回流的低壓乳化液通過組合操縱閥與回液截止閥由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循環使用。

而它的承載原理則是：液壓支架在頂底板之間支撐頂板。頂板壓力作用在頂梁上，并通過頂梁和底座間立柱將壓力傳遞底板。為保證支架結構件的強度及撐在支架頂安全，在立柱的下腔裝有安全閥。當頂板壓力超過立柱安全閥限定壓力時，安全閥開啟釋放出立柱中的液體進行讓壓，當頂板壓力下降到立柱工作阻力時，安全閥關閉進行保壓承載。

3.應用Solidworks對煤層液壓支架設計

3.1 設計分析。利用Solidworks三維設計軟件可對設計進行分析:包括實體造型、重量核算、確定重心、干涉檢查、圖紙尺寸檢驗、運動檢查等。新建零件文件-選擇基礎特征命令-選擇參考面-繪制支架部件二維草圖輪廓-完成支架部件基礎特征的創建-添加支架部件其他特征-保存零件文件。

創建完支架所有部件模型后，開始對支架進行裝配。在裝配環境中調人底座作為支架模型的基準部件，系統自動對它施加固定關系，通過面匹配、面對齊、軸對齊、聯接、角度等裝配關系，將后續調人的支架前連桿、后連桿、掩護梁、頂梁、立柱、千斤頂等零部件依次進行裝配。

但在三維建模時需要注意以下幾個問題:

(1)為節省時間和提高建模速度，各部件盡量采用單一實體方式，對于柱窩、柱帽由于形狀稍微復雜，可以考慮裝配方式；(2)保留危險部位的細小結構；(3)焊縫的聯接強度等于母材強度；(4)略去工藝結構和不影響強度分析的細節；(5)立柱以及各種千斤頂的活塞和缸體在總裝圖中裝配，方便進行運動分析。

完成支架所有部件的裝配后，進行干涉檢查。在制造樣機之前對設計進行三維樣機干涉檢查，使支架設計的出錯率降到最低。Solidworks可以利用微機計算，自動檢查干涉，分析產生干涉的原因，并形象顯示出來。對支架相關干涉的部位進行編輯和修改，然后再次對支架進行干涉檢查，反復數次，直至沒有干涉為止。

重量統計和重心計算也是利用計算機自動進行，有時礦方由于下井運輸重量限制等原因，規定支架重量限制。支架廠家需要準確的設計重量來決策競標價格底線，以及生產成本核算，這時重量計算的準確性就非常重要。三維自動計算比人工統計既迅速又準確。

在給礦方匯報方案時，利用支架三維實體模型和運動仿真，將支架的每一個部件結構，每一層裝配關系，各種運動都清晰、直觀地顯示出來。由于礦方審核人員往往不是支架專業人士，對支架二維方案圖缺乏三維想象力，這樣三維實體模型使他們有了更感性的認識，方便交流和溝通。

3.2 應力分析。利用Cosmos/works有限元分析軟件可對支架數字實體模型進行應力分析，找到應力分布規律，確定安全系數，優化結構尺寸。

目前支架應力分析方法通常采用傳統的材料力學和彈性力學來進行分析。傳統計算方法主要進行平面力系計算，空間力學計算比較困難，而且無法處理一些結構件強度問題，如過橋的強度分析，使得計算簡略而缺乏可靠性。

當前比較先進的強度分析方法是有限元法，有限元法是求解數理方程的一種數值方法，它是將彈性理論、計算數學和計算機軟件有機地結合在一起的一種數值分析技術，由丁它快速、高效地解決了許多學科和實際工程問題，因而得到逐步的推廣應用。

支架有限元強度計算以液壓支架通用技術條件為依據。根據實際需要，進行靜力強度計算。加載方式采用組合加載方式進行計算，相對國內標準檢測出液壓支架的安全性。

在計算中不把墊塊的作用力當作外力來考慮，而是把墊塊的作用力當作邊界條件來處理。由于將墊塊作為結構的邊界約束條件來處理，因此，對于支架來說，其外載只有立柱對頂梁、底座柱窩所加的載荷。由于柱窩同立柱的作用屬于接觸問題，處理起來較為復雜，因此假定立柱傳遞給柱窩的外力均勻作用于柱窩表面。

3.3 問題分析。隨著社會科技的發展，這種傳統設計方法存在這一些問題，主要是：(1)如何避免支架設計中出現干涉現象，尤其是動態干涉檢查問題；(2)如何確定支架重心，尤其是動態中的中心軌跡變化問題。重心的確定對于大傾角液壓支架設計非常重要；(3)支架的整體受力分析，目前仍然依靠壓架試驗來檢驗設計的合理性，費工費時。如果用數字化的形式進行產品設計分析代替傳統的實物樣機實驗，不僅減少了樣機試制費用，同時還使設計出來的產品更加符合設計要求，保證產品性能，實現產品設計的一次性成功，縮短設計周期。

[1]路佳，張樹齊.基于組態軟件的液壓支架壓力遠程監測系統[J]工礦自動化，2007,(04).

[2]張良.液壓支架電液控制系統的應用現狀及發展趨勢[J]煤炭科學技術，2003,(02).

[3]董繼先，郭媛.綜采液壓支架發展回顧與前瞻[期刊論文]煤礦機械，2004(12).