四柱液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

王 躍

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

固體充填采礦技術(shù)自研發(fā)以來(lái)，在多礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，解放了多種困煤類(lèi)型，涉及建筑物下、水體下、鐵路下的煤。四柱液壓支架是固體充填采礦技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備[1-3]。隨著科技的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)和功能不斷更新，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性也有了顯著提高。四柱液壓支架在該技術(shù)中也起著至關(guān)重要的作用，它不僅輔助固體四柱材料的運(yùn)輸，而且直接提供四柱空間和四柱材料的夯實(shí)力。由于這些作用，需要對(duì)四柱液壓支架的性能參數(shù)進(jìn)行充分的研究。它直接影響到充填體的效率和充填體的密實(shí)度，從而影響最終的巖層控制效果。四柱液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究有助于改善其性能參數(shù)[4-6]。

為了合理地提高四柱液壓支架的性能，改善其充填性能，本文從四連桿機(jī)構(gòu)、后頂蓋、夯實(shí)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面闡述了四柱液壓支架的設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，建立了四柱式液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 四柱式液壓支架概況

為同時(shí)掩護(hù)采煤作業(yè)空間和充填體作業(yè)空間，充填體液壓支架的頂控距離（即頂蓋長(zhǎng)度）增大，支架整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的綜采液壓支架有明顯區(qū)別。具體結(jié)構(gòu)特性為：

1）車(chē)頂雨棚結(jié)構(gòu)變化：盾構(gòu)梁改為后車(chē)頂雨棚，車(chē)頂雨棚由前車(chē)頂雨棚和后車(chē)頂雨棚組成；

2）所增加的四柱物料刮輸送機(jī)懸浮在后車(chē)頂雨棚內(nèi)，提供固體四柱物料的運(yùn)輸動(dòng)力；

3）搗固結(jié)構(gòu)鉸接在底座上，為固體四柱材料提供搗固動(dòng)力。搗固結(jié)構(gòu)鉸接在底座端部，實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)不同角度；

4）搗固結(jié)構(gòu)前端設(shè)置有搗固板，通過(guò)搗固板傳遞壓力，實(shí)現(xiàn)固體材料的密實(shí)搗固。

5）六柱-四桿和四柱-四桿四柱液壓支架結(jié)構(gòu)的差異分別為：柱數(shù)不同、四桿連桿與天篷鉸接位置不同、夯實(shí)結(jié)構(gòu)控制方式不同。

四柱液壓支架是充填采礦一體化的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)性能包括結(jié)構(gòu)性能、支護(hù)性能、夯實(shí)性能和力學(xué)響應(yīng)性能等。結(jié)構(gòu)性能包括柱數(shù)、水平間隙、垂直間隙、頂蓋比等；支護(hù)性能包括支護(hù)強(qiáng)度、板比壓等；夯實(shí)性能包括夯實(shí)力、夯實(shí)角等；力學(xué)響應(yīng)特性包括柱的荷載分布特征等。

四柱液壓支架在多個(gè)礦區(qū)的推廣應(yīng)用，通過(guò)對(duì)四柱液壓支架的工程應(yīng)用總結(jié)，主要存在以下問(wèn)題：對(duì)煤層傾角和特殊地質(zhì)條件的適應(yīng)性低；夯實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)采動(dòng)高度變化范圍大的適應(yīng)性差；夯實(shí)結(jié)構(gòu)與四柱刮板輸送機(jī)的協(xié)同效率有待提高。針對(duì)工程應(yīng)用中存在的上述缺陷，需要對(duì)四柱式液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則和關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則

四柱液壓支架的結(jié)構(gòu)嚴(yán)格控制其功能。由于四柱式液壓支架的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支架有明顯的不同，因此這兩種支架具有不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和方法。后頂蓋和夯實(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使四柱液壓支架具有特殊的四柱屏蔽和實(shí)現(xiàn)功能。頂板控制長(zhǎng)度、頂蓋長(zhǎng)度比、四桿聯(lián)動(dòng)形式和鉸孔位置等關(guān)鍵構(gòu)件的尺寸參數(shù)影響充填體的支護(hù)性能、夯實(shí)性能和力學(xué)性能。四柱式液壓支架設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本原則是結(jié)合工程實(shí)際條件，通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，使支架四柱性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，即滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的基本技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化合理的尺寸配置，實(shí)現(xiàn)充填體性能的最佳狀態(tài)。從零件選擇和尺寸優(yōu)化兩個(gè)方面對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文中的尺寸優(yōu)化涉及四桿機(jī)構(gòu)、后頂蓋和夯實(shí)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)四柱體性能評(píng)價(jià)體系驗(yàn)證尺寸優(yōu)化的有效性，采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

2.2 四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

四桿連桿機(jī)構(gòu)的有效性決定了頂蓋前端的運(yùn)動(dòng)軌跡、連桿機(jī)構(gòu)及前后頂蓋的應(yīng)力、采煤和充填空間等。在四柱式液壓支架四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，變量主要包括最大支護(hù)高度、最小支護(hù)高度、橫向幅值、后連桿機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)與底座、后連桿機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)與上連桿機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的水平距離、后方連桿鉸鏈點(diǎn)和基礎(chǔ)，包括角度，后方連桿和水平線，如圖1-1 所示。

圖1 四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化示意圖

主要約束條件包括在從高到低的支撐高度的支撐過(guò)程中，雨棚前端軌跡總是傾向于肋側(cè)；前聯(lián)動(dòng)鉸點(diǎn)和上聯(lián)動(dòng)鉸點(diǎn)的距離與前聯(lián)動(dòng)鉸點(diǎn)和后聯(lián)動(dòng)鉸點(diǎn)的距離之比應(yīng)控制在4∶1～6∶1 之間。如圖1-2 所示，四柱液壓支架四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是通過(guò)改變前連桿鉸鏈點(diǎn)的比值，即將圖1-1 中ME的長(zhǎng)度在圖1-2 中的S 改為圖1-2 中的S'。這種變化將導(dǎo)致頂篷前端運(yùn)動(dòng)軌跡的差異、聯(lián)動(dòng)及前后頂篷受力的差異、采煤四柱空間的差異等。

2.3 頂蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

頂層長(zhǎng)度比的變化對(duì)頂層荷載分布、支架穩(wěn)定性、支架承重及夯筑性能有明顯影響；頂蓋長(zhǎng)度比是支架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要優(yōu)化目標(biāo)。不同類(lèi)型的四柱式液壓支架具有不同的頂篷長(zhǎng)度比；六柱四柱支護(hù)頂板長(zhǎng)度比為1∶0.70～1∶0.50，四柱四柱支護(hù)頂板長(zhǎng)度比為1∶1.36～1∶0.54。本研究主要通過(guò)優(yōu)化后車(chē)頂雨棚長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)雨棚長(zhǎng)度比的優(yōu)化。通過(guò)改變后車(chē)頂雨棚長(zhǎng)度，得到結(jié)構(gòu)性能、支護(hù)性能、夯實(shí)性能和力學(xué)響應(yīng)性能等指標(biāo)，頂蓋比優(yōu)化示意圖如圖2 所示。

圖2 頂層長(zhǎng)度比優(yōu)化示意圖

2.4 夯實(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

夯實(shí)結(jié)構(gòu)是影響搗實(shí)性能的重要結(jié)構(gòu)，具體體現(xiàn)在搗實(shí)板的面積和搗實(shí)油缸的尺寸決定搗實(shí)力的大小；夯擊結(jié)構(gòu)的鉸鏈位置和夯擊臂的最大、最小長(zhǎng)度影響夯擊頭水平間隙、垂直間隙和夯擊頭間隙的大小；填土刮板輸送機(jī)的夯實(shí)臂和懸掛位置共同影響夯實(shí)角的大小。夯擊力、屋頂垂直間隙、屋頂水平間隙、夯擊角和夯擊頭間隙是夯擊性能的具體內(nèi)涵。本研究中夯實(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是改變夯實(shí)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、鉸接位置以及充填體刮板輸送機(jī)的懸浮高度。夯實(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖3 所示。

3 工程應(yīng)用

按照四柱式液壓支架的設(shè)計(jì)流程，其結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化主要包括三部分，即四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化、頂蓋長(zhǎng)度比優(yōu)化和夯實(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)改變后車(chē)頂雨棚長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了車(chē)頂雨棚長(zhǎng)度比的優(yōu)化；通過(guò)改變搗實(shí)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、鉸接位置和四柱刮板輸送機(jī)的懸掛高度，實(shí)現(xiàn)了搗實(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化四桿機(jī)構(gòu)、頂蓋長(zhǎng)度比和夯實(shí)結(jié)構(gòu)，充填體的垂直頂板間隙、水平頂板間隙、夯實(shí)角和夯實(shí)頭間隙等性能得到了明顯改善。

在采礦液壓支架、刮板輸送機(jī)、四柱刮板輸送機(jī)等充填采礦設(shè)備的配合下，實(shí)施了循環(huán)采礦技術(shù)。循環(huán)操作的順序繼續(xù)前面的輸送機(jī)前進(jìn)。液壓支架的推進(jìn)與采煤機(jī)緊密相關(guān)，采煤機(jī)后滾筒后面的四柱液壓支架首先推進(jìn)，支撐采煤機(jī)卸煤后立即暴露的頂板，然后運(yùn)送到煤巷。四柱物料刮板輸送機(jī)開(kāi)始將固體四柱物料卸入采空區(qū)，并利用支架背面的夯實(shí)裝置進(jìn)行加固。四柱刮板輸送機(jī)移動(dòng)后，雙滾筒采煤機(jī)反方向切煤，所有作業(yè)開(kāi)始循環(huán)。該方法可在開(kāi)采煤炭資源的同時(shí)，將固體充填入采空區(qū)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，四柱液壓支架的充填效率得到明顯提高，壓實(shí)率控制在90.0%以上，從而大大保證了充填工作面巖層控制效果。

4 結(jié)論

通過(guò)改變上連桿鉸鏈位置來(lái)優(yōu)化四桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變后車(chē)頂雨棚長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化雨棚長(zhǎng)度比，通過(guò)改變搗實(shí)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、鉸接位置和四柱刮板輸送機(jī)的懸掛高度來(lái)優(yōu)化搗實(shí)結(jié)構(gòu)。工程實(shí)例表明，通過(guò)優(yōu)化四桿機(jī)構(gòu)，充填體垂直頂板間隙、水平頂板間隙、搗固角和搗固頭間隙等性能得到了明顯改善。