新型液壓支架組裝架設計與分析研究

魏雁亭(晉城乾泰安全技術有限公司，山西 晉城 048006)

新型液壓支架組裝架設計與分析研究

魏雁亭
(晉城乾泰安全技術有限公司，山西 晉城 048006)

傳統綜采液壓支架的拆除與組裝通常采用手動葫蘆作為起吊工具，不僅效率低，而且安全隱患較大，為了快速、安全地完成液壓支架的組裝與拆除，從各回路執行油缸的負載分析、液壓系統原理圖及相關液壓元件的選型設計入手，并結合工程實際設計了一種專用設備，提高了工作效率，降低了勞動強度。

液壓支架組裝架；液壓系統；油缸負荷

煤礦現代化技術水平的不斷提高，對綜采工作面設備的要求越來越高，傳統的小型液壓支架已無法適應現代化大型礦井的要求。然而，由于井下空間和條件的限制，大型液壓支架必須在地面拆解后再運輸至井下完成組裝，因此，在煤礦綜采面成套設備安裝與回撤中任務量最大的工作即為液壓支架的組裝和拆卸。

煤礦生產中只注重引進大功率大噸位的綜采設備，忽略了綜采設備繁瑣的拆卸工作，為煤礦生產帶來諸多不必要的麻煩。因此，研究一種新型液壓支架組裝架以提高煤礦井下機械化作業水平，實現礦井的高效生產，降低工人的勞動強度是非常必要的。

1 組裝架總體設計

新型液壓支架組裝架適應性強、組裝空間大、能夠自移，真正實現了液壓支架組裝與拆解的機械化操作，具有靈活便捷的優勢。

新型綜采液壓支架組裝架自成框架，不以頂板為依托，采用電極驅動、液壓控制的液壓支架起吊裝置，由底座、縱向移動裝置、側翻裝置、起吊裝置及自移裝置等組成，具有以下優點：

1) 起吊工作由4條起吊鏈共同完成，不僅可以提高設備起重重量，而且提高了安全性。

2) 側翻裝置，4個起吊裝置共同配合，實現了液壓支架的翻轉工作，可操作性良好。

3) 4條起吊鏈操作靈活，可以實現前后左右任意轉動。

4) 多級升降立柱實現了設備整體高度的調整功能，使得操作空間增大，完成了液壓支架的拆裝工作。

5) 新型設備在電機驅動下可以實現自行移動，便于液壓支架拆裝位置的調整。

具體結構示意圖見圖1.

圖1 新型設備總體結構示意圖

2 液壓系統主要參數計算

2.1確定系統工作壓力

載荷與設備類型決定了系統的壓力，在工程實踐中，依據實際載荷，參考不同機械類型的常用系統壓力表，經過初步研究，確定液壓系統工作壓力為32 MPa，不同機械常用系統壓力表見表1.

表1 機械常用系統壓力表

有效工作壓力由于存在背壓力以及進油管路的壓力損失，因此低于系統壓力，那么有效工作壓力p1為：

(1)

式中：

p1—執行元件的有效壓力，MPa；

p—系統工作壓力，MPa，取32；

Δp—進油管路壓力損失，MPa，取0.5；

p2—液壓系統背壓，MPa；

A1—無桿腔活塞有效面積,mm2；

A2—有桿腔活塞有效面積,mm2.

2.2油缸主要結構尺寸

頂梁升降油缸活塞桿上最大載荷力是在穩定承壓狀態下的最大靜負載，活塞桿為45鋼，最大載荷力為78 kN，直徑≥30 mm，圓整后取為40 mm. 結構尺寸見表2.

表2 頂梁升降油缸實際工作壓力表

其余各油缸主要結構尺寸見表3.

表3 其余油缸實際工作壓力表

3 液壓傳動系統設計及分析研究

綜采液壓支架組裝架主要用于液壓支架的拆裝任務，其工作深度在480 m以上，環境溫度為15 ℃～38 ℃，相對濕度≤95%，傳動系統主要結構包括起吊回路、側翻回路、頂梁升降回路及縱向回路等。

3.1液壓傳動系統設計參數

綜采液壓支架組裝架的額定起重量為23 t，提升行程最大為3 m，綜采液壓支架組裝架液壓系統設計參數見表4.

表4 液壓系統設計參數表

頂梁升降油缸為三級伸縮油缸，三級油缸行程分別為600 mm、650 mm、700 mm，各回路油缸啟動及制動時間均為0.5 s. 因此，可以計算出各回路油缸往返位移值，見表5.

表5 油缸往返動作位移值表

3.2負載分析

綜采液壓支架組裝架在組裝液壓支架時，油缸的負載不同，為了使組裝架能夠滿足不同類型的液壓支架的拆裝工作，以最大重量23 t為負載進行分析。

1) 頂梁升降油缸的合理計算。

新型設備包含4個頂梁升降油缸，在操作過程中，不允許對頂梁進行升降。當設備進行安裝與回撤時，允許頂梁升降油缸，外負載由設備頂梁自身重量和啟、制動過程中的慣性載荷組成。此時最大外負載FW1為：

(2)

式中：

Fg—油缸工作負載，N；

G—頂梁自身重力，N；

m—頂梁質量，kg，取7 000；

a—加速度，m/s2，取0.08.

代入式(1)中，得到FW1=17 640 N.

2) 起吊油缸負載力計算。

由于支架起吊工作由4個起吊裝置組成，每組起吊裝置僅承受1/4重量，在起吊過程中，由于增速滑輪組的運行，會導致油缸的工作負荷增加，由于工作負荷大于慣性負載與摩擦負荷之和，因此認為此時的外負荷即為起吊油缸最大工作負荷FW：

(3)

式中：

Fg—油缸工作負載，N；

n—動滑輪個數，取2；

G—支架部件最大重力,N，取230 000.

得到FW=230 000 N.

3) 側翻油缸載荷力計算。

側翻油缸外負載的產生主要是由起重鐵鏈、滑動支座與移動橫梁之間的摩擦和滑動支座與鏈輪的慣性負荷組成，此時側翻油缸外負載FW為：

FW=Fg+Ff=Fg+μ(Fg+G)

(4)

式中：

Fg—油缸工作負載，N，取57 000；

Ff—摩擦負載，N；

μ—摩擦系數；

G—滑動支座與鏈輪總重力，N，取1 100.

代入式(4)，得FW=65 715 N.

4) 縱向牽引油缸負載計算。

縱向牽引油缸的外負載包括工作負載與慣性負載。移動橫梁與軌道之間的滾動摩擦為工作負載，運動部件產生的負載為慣性負載，因此縱向牽引油缸的外負載由兩個油缸共同牽引組成，記為FW：

(5)

式中：

μ—摩擦系數，取0.05；

m—運動部件質量，kg，取25 000；

a—加速度，m/s2，取0.06.

代入式(5)中得FW=7 000 N.

綜上所述，頂梁升降油缸各階段負載及其余油缸最大負載見表6、7，油缸機械效率取值為η=0.9.

表6 頂梁升降油缸各階段負載變化表

表7 各油缸最大負載表

該新型設備設計較為復雜，工作量較大，以乳化液泵站為動力源，實現了井下快速安全高效對支架的拆裝作業，提高了礦井的生產能力。

3.3液壓傳動系統各功能的實現

運動方向的控制：根據設計可知，本系統各執行油缸所需流量不大，故可直接釆用換向閥進行有機組合，從而實現所需動作。

速度控制：由于本液壓系統中較多的執行油缸均承受負載荷，并且對往返速度有一定要求，因此選用雙向節流閥進行進油節流調速，實現了節流調速回路開式循環形式的功能，具有結構簡單，散熱性好等優點。

壓力控制：通過選用定量泵供油對本系統進行雙向進油節流調速，用溢流閥控制所需壓力，實現壓力恒定的功能。

鎖緊回路的實現：由于各執行油缸在實際運動過程中，容易出現起吊油缸活塞桿在自重的作用下伸出或者在有負載的情況下回縮的現象，因此對起吊油缸實行雙向鎖緊；并對頂梁升降油缸進行單方向鎖緊，實現防止頂梁由于自重作用產生下降的功能。

4 結 論

1) 通過對各零部件在工作狀態下實際受力情況的計算分析，得到各零部件在此種狀態下的最大外負載力，從而確保組裝架各零部件強度與剛度均滿足工作要求。

2) 對新型液壓支架組裝架液壓系統的設計，主要從參數設計與液壓系統功能出發，通過各零部件所受最大外負載來確定系統工作壓力，進而確定各油缸結構尺寸。

3) 新型液壓支架組裝架具有起重重量大，可側翻性，起重吊鏈可實現前后左右任意轉動，升降立柱調節高度，并且自行移動等功能，相比傳統手動葫蘆，提高了工作效率，對煤礦生產具有重要意義。

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DesignandAnalysisonANewHydraulicSupportAssembledSteelFrame

WEIYanting

The dismantling and assembling for hydraulic support traditionally being a low efficient process with the manual operated windlass as lifting tool, which generates a big risk for safety production. The paper introduced the device that tailored for the quick and complete dismantling and assembly of supports, the design took into consideration of the load in executing hydro-cylinder , the system schematics and related hydro-parts to be adopted in the device. The application of the device improved efficiency and reduced labor intensity.

Hydraulic support assembled steel frame; Hydraulic system; Oil cylinder load

·技術經驗·

2017-07-21

魏雁亭(1988—)，男，山西晉城人，2011年畢業于晉中學院，助理工程師，主要從事大型設備的檢測工作(E-mail)376574246@qq.com

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1672-0652(2017)10-0044-04