智能化重型放頂煤液壓支架的研究

崔貝貝

(晉能控股裝備制造集團 金鼎公司，山西 晉城 048006)

0 引言

長平礦5302工作面設計為智能化工作面，采煤工藝為放頂煤形式，其可采面積為720 295.6 m2，可采儲量為540 267 5.1 t，切眼長度為300 m，煤層平均厚度為5.48 m，設計要求其平均采高為3.2 m，放煤厚度為2.28 m，采放比為1∶0.713，進、回風巷道高均為4.3 m、寬均為5.4 m。

針對工作面基本地質條件和采煤工藝，結合智能化工作面支護設備需求，研制一種滿足工作面安全支護的高智能化重型放頂煤液壓支架迫在眉睫。

1 重型放頂煤液壓支架工作阻力計算與選型

1.1 工作阻力計算

設計采用經驗估算法對支護強度P(MPa)進行計算，即：

Pη=αMγ×9.8×10-3.

(1)

其中：α為頂板巖層厚度相當于采高的倍數，取α=8；M為回采工作面采高，取M=3.7 m；γ為頂板巖石的容重，取γ=2.7 t/m3；η為支架的支護效率，取η=0.95。

將各數值代入式(1)計算得：P=0.83 MPa。

工作阻力F(kN)計算公式為：

F=PS×103.

(2)

其中：S為支護面積，S=12.16 m2。

將各數值代入式(2)計算得：F=100 93 kN。

根據計算結果，綜合考慮工作面地質構造可能存在的礦壓不穩定性，為安全起見，適當增加安全系數，支架工作阻力取11 000 kN，支護強度為1.12 MPa。

1.2 支架選型

1.2.1 放頂煤結構型式分析

目前放頂煤支架有兩柱式和四柱式兩種結構型式，兩柱掩護式放頂煤支架特點是支撐力主要集中在頂梁部位，且分布較均勻，但由于立柱呈傾斜布置，切頂性較差。四柱支撐掩護式支架改善了支撐式和掩護式兩類支架的性能，增強了支架的穩定性和防護性，提高了支架的支撐和承載能力。針對長平礦5302工作面頂板條件較差，掩護梁和尾梁直接接觸冒落的頂煤，掩護梁長時間處于高載荷狀態，結合支架的結構特性，現有平衡千斤提供的力無法滿足該放頂煤支架的需求，且也不能只依靠平衡千斤來進行支撐，所以本次設計選用四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架。

1.2.2 支架型號確定

根據工作阻力和支護強度的計算結果，結合長平礦5302工作面實際采煤工藝，綜合考慮采煤最低最高采高及最低運輸高度要求，最終支架確定為ZF11000-20.5-38D四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架。

2 支架優化設計與受力分析

2.1 四連桿機構優化設計

綜合考慮在綜放工藝采煤過程中支架支護應具備支撐力大、切頂性能好、防護性能好、結構穩定的特點，在最大最小采高升降架過程中梁端曲線變化規律穩定等要求，初設選定的四連桿基本模型如圖1所示。

圖1 初設選定的四連桿基本模型

利用邁實軟件對四連桿機構進行優化設計，優化后的四連桿機構如圖2所示。

圖2 優化后的四連桿機構

2.2 運動仿真模擬

選定四連桿機構后，在液壓支架最高3 800 mm和最低2 050 mm范圍內間隔100 mm做液壓支架運動模擬，將相關數據進行分析優化后確定液壓支架各結構尺寸。液壓支架運動仿真模擬如圖3所示。

圖3 液壓支架運動仿真模擬

2.3 液壓支架受力分析

2.3.1 加載試驗

依據GB25974-2010液壓支架通用技術條件，對設計的液壓支架進行受力分析。分別進行以下加載試驗：支架頂梁集中加載、頂梁扭轉、頂梁單側加載、底座集中加載、底座扭轉、頂梁扭轉+底座集中加載、頂梁集中+底座兩點加載、頂梁前端水平加載、頂梁后端水平加載。經分析優化后，得到液壓支架技術參數，如圖4所示。

圖4 液壓支架主要技術參數

2.3.2 液壓支架受力與力矩分析

得出液壓支架具體技術參數后，選取3.8 m最大支護位置，采用前后底板比壓和前后支護強度的形式對液壓支架進行力與力矩的仿真，仿真結果分別如圖5、圖6所示。

圖5 液壓支架力的仿真結果(3.8 m狀態下)

圖6 液壓支架力矩的仿真結果(3.8 m狀態下)

3 液壓支架強度校核與三維模型

3.1 主要結構件強度校核

選取上述加載試驗和受力分析中各主要部件所承受的最大彎矩或扭矩，分別對以下主要結構件進行強度校核：支架頂梁中心處彎曲校核、支架頂梁柱窩處彎曲校核、頂梁扭轉校核、支架掩護梁與前連桿鉸接處彎曲校核、ZF11000支架掩護梁扭轉校核、支架前后連桿彎曲校核、支架底座后柱窩處彎曲校核。經校核計算，最小安全系數大于1.63，所有結構件均在安全系數范圍內，滿足強度要求。

3.2 立柱校核

根據確定的液壓支架參數和受力分析結果，依次對立柱千斤缸筒壁厚、液壓缸進液口直徑等部位進行強度驗算，經校核計算，立柱安全系數均在安全范圍之內，滿足強度要求。

3.3 三維模型

綜上所述，ZF11000-20.5-38D型液壓支架滿足長平礦5302工作面綜放工藝采煤使用需求，選定支架具體技術參數后，對支架進行全三維設計，其三維模型如圖7所示。

圖7 ZF11000-20.5-38D液壓支架三維模型

4 液壓支架智能化設計

本液壓支架配備了全套成組程序自動控制裝備，包含18+6功能電液控及相應控制器、采高及姿態傳感器、壓力傳感器、行程傳感器、紅外接收器、無線接收器、聲光報警器、接近開關、自動反沖洗過濾器、云臺攝像儀等，可實現的智能化功能主要如下：

(1)具有自動循環移架、成組自動推溜、成組向后拉溜、成組伸收護幫板、成組伸收伸縮梁、成組伸收插板、成組擺尾梁和成組噴霧等功能。

(2)具有成組放煤功能，放煤時間可調，可實現半自動放煤、全自動放煤和記憶放煤功能。

(3)具有任意截深定距自動推溜、自動拉架功能，動作誤差不大于10 mm；具有推溜和拉架修正功能，累計誤差不大于10 mm。

(4)具有支架立柱自動補液功能，補償開啟壓力值、關閉壓力值可調。

(5)具有三種控制方式：工作面支架就地控制(手動控制)、集中控制(遙控控制)和遠程控制(集控中心控制)。

(6)擁有先進的人員定位技術，在工作面內定位精度≤20 cm。

(7)具有支架遙控器集成人員定位功能和身份識別功能，與電液控制系統的無線連接時間≤1 s。

5 結語

本智能化重型放頂煤液壓支架結構型式先進、智能化程度高，可廣泛適用于各中厚煤層放頂煤工作面，有效推動了全國煤礦智能化開采的進程，對國家機械化換人，自動化減人的發展目標和推進煤機裝備、智能化、自動化、數字化建設具有重要意義。