液壓支架高度結構優化

蔡永倫，張治華

(重慶松藻礦山機械廠， 重慶 401420)

0 引言

液壓支架是一種針對性很強的綜采設備，一直以來都是“以銷定產”。液壓支架高度是根據井下運輸條件和煤層厚度(采高)、頂板等具體地質條件及立柱伸縮比確定的，若最大高度不足，則必須放棄一部分頂煤或底煤地開采，不但造成資源浪費，有時甚至給支架正常工作造成困難。若最小高度超高，則只能采取割頂板或底板的方式，從而影響采煤的質量，同時也會導致采煤機截齒磨損或損壞。制造新支架周期長，費用高，同時造成浪費[1]。

西南某礦ZY4000/10/24型掩護式支架在工作面轉場時，由于新工作面煤層厚度增加，使用原有支架必須留頂煤或底煤，造成資源浪費。因此，需要對現有支架進行改造，為了節省支架改造費用，要求在盡量利用原有頂梁、底座、掩護梁的情況下，將ZY4000/10/24型支架改造為ZY4000/10/26.5型，以滿足新工作面的使用要求。

1 ZY4000/10/24型支架及四連桿運動分析與受力分析

首先對ZY4000/10/24型掩護式支架原有四連桿進行運動分析與受力分析。由于掩護梁長度設計是根據支架最大高度按比例選取的，所以掩護梁長度及其前后連桿鉸接位置成為能否利用原有頂梁、底座、掩護梁部件進行改造的關鍵。

圖1為ZY4000/10/24型支架四連桿機構圖。

圖1 ZY4000/10/24型四連桿機構

根據圖1四連桿結構尺寸，經過運動分析計算，ZY4000/10/24型支架高度1 000～2 400 mm的運動分析相關計算結果如表1所示[2]。

表1 ZY4000/10/24型支架的四連桿運動分析

根據計算結果可以看出，原設計四連桿運動軌跡值在使用高度1 300～2 200 mm范圍內的最大變化值為44.7 mm，空頂距范圍348.5～393.2 mm，數據均在合理范圍內。從表1可以看出，在最高位置時，其后連桿與水平方向夾角偏小,僅為70.2°(設計規范要求不大于85°)，所以從運動分析角度來看，具備改造條件。

經過受力分析計算，在平衡千斤頂受拉，摩擦因數f=0.2時，前連桿受力值為2 075～3 052 kN，后連桿受力為2 414～4 832 kN，處于合理范圍之內[3]。

圖2、圖3和圖4分別為ZY4000/10/24型支架掩護梁、前后連桿、立柱的相關尺寸。

圖2 ZY4000/10/24型支架掩護梁

(a) 前連桿

圖4 ZY4000/10/24型支架立柱

2 改造后ZY4000/10.5/26.5型支架的運動和受力分析

根據上述分析結果，由于原設計掩護梁長度偏長，在不改變掩護梁原有長度及鉸接孔位置的前提下，為了降低改造工作量及改造費用，計劃通過增加前后連桿長度尺寸和增加立柱可拆卸加長帽，將支架最大高度按2650 mm進行改造。

在對原四連桿進行分析的基礎上，按照盡量利用原支架零部件的原則，經過反復琢磨、調整運算，重新設計出的ZY4000/10/26.5型支架四連桿機構如圖5所示。

圖5 ZY4000/10/26.5型支架四連桿機構

根據圖5四連桿尺寸進行運動分析計算，ZY4000/10/26.5型支架高度1 000～2 650 mm的運動分析相關參數計算結果如表2所示。

表2 ZY4000/10/26.5型支架的四連桿運動分析

從表2計算結果可以看出，改進后四連桿運動軌跡在使用高度1 300～2 450 mm范圍內口最大變化值僅為19.4 mm，運動軌跡更好，空頂距變化范圍383.7～398.9 mm，均在合理范圍內。后連桿在最高位置與水平線夾角增加到82.2°，受力更加合理。因立柱位于最大高度時長度不足，所以需要增加228 mm加長帽。從運動分析結果可知，在不改變原有掩護梁和底座相關尺寸的前提下可以實現將最大高度增加到2 650 mm。

經過受力分析計算，在平衡千斤頂受拉，摩擦因數f=0.2時，前連桿受力2 048～3 016 kN，后連桿受力2 308～4 647 kN，與原設計受力差距不大，均處在合理范圍內。從綜合分析來看，按該方案進行改造可以實現。

3 改造后的ZY4000/10.5/26.5型掩護式支架

按照上述四連桿改造設計方案，經過三維制圖校核，支架在最低位置仰頭時的極限位置頂梁與掩護梁出現干涉，需要對掩護梁頂板前端進行維修，同時對前、后連桿進行改造處理(前連桿加長69 mm，后連桿加長90 mm)，立柱增加228 mm加長帽，同時經過立柱穩定性計算保證使用要求[4]，其他部分利用原支架零部件即可。

按照GB 25974.1—2010標準相關要求進行三維作圖校核，支架處于最大高度位置時其適應性能滿足頂梁俯角要求，最低位加300 mm時能滿足標準規定的仰角要求[5]。

圖6和圖7分別為改造后的掩護梁和前、后連桿，圖8為改造后的立柱，圖9為改造完成后的ZY4000/10/26.5型液壓支架。

圖6 改造后的ZY4000/10/26.5型支架掩護梁

(a) 前連桿

圖8 改造后的ZY4000/10/26.5型支架立柱

圖9 改造完成后的ZY4000/10/26.5型掩護式液壓支架

4 結論

方案改造利用原設計掩護梁尺寸選擇過長的弊端，通過增大前后連桿尺寸改變四連桿運動軌跡，實現了在利用原ZY4000/10/24型支架頂梁、掩護梁和底座的條件下，將支架參數改造成ZY4000/10/26.5型的目標。在改造過程中，只需對掩護梁頂板前端進行整改，對前、后連桿進行加長處理并增加立柱加長帽，實現了預期改造目標，為煤礦節省了改造費用，節約了資源，可滿足支架在新工作面的使用要求。