液壓支架快速回撤平臺的設計分析研究

吉 喆

（晉能控股煤業集團四臺礦， 山西 大同 037000）

引言

隨著采煤業朝著自動化、無人化方向的逐漸發展，機械化綜采成為煤礦主要的開采方式，大大提高了煤礦開采的效率，同時自動化開采煤礦的安全問題也是至關重要的。在進行機械化綜采的過程中，液壓支架是重要的支護設備，對頂板進行支撐及控制，以保障足夠的開采作業空間[1]。液壓支架提供了充足的安全保障，隨著工作面回采速度的提升，對綜采設備的快速拆除也提出了較高的要求，傳統的液壓支架在回撤過程中需要多部絞車進行配合，需多次進行拆裝才能完成回撤[2]。針對液壓支架回撤耗時長、效率低的問題，進行快速回撤平臺的設計，并針對關鍵的牽引部件進行仿真分析，從而保證快速回撤平臺的性能滿足使用需求。

1 液壓支架快速回撤平臺的整體設計

隨著機械化綜采的程度逐漸提高，工作面所使用的液壓支架的數量也在提高，設計可快速回撤的液壓支架，提高回撤的利用率是當前機械化綜采的需求。傳統的液壓支架進行回撤時需要采用多個絞車進行支架的拆除及轉向、裝車等步驟[3]，回撤過程中需進行多次拆裝及相互的交叉作業，回撤的工藝復雜且勞動強度大，作業效率低。快速回撤平臺設計采用牽引平臺的形式[4]，通過外部的絞車對牽引平臺進行拖拉，從而對液壓支架進行快速回撤，其整體結構如圖1 所示。

圖1 液壓支架快速回撤平臺的結構示意圖

液壓支架快速回撤平臺的操作靈活簡單，簡化了拆除、轉向及裝車的過程，可以減少絞車的使用數量，通過液壓、氣動裝置可以實現遠程的控制，提高系統的安全系數，回撤平臺設定有自移裝置，可實現自我移動。

回撤平臺的主體結構包括牽引平臺、過渡平臺、待裝平臺及裝車平臺，牽引平臺是進行液壓支架和絞車之間聯系的樞紐，成為回撤平臺的主要受力部件，連接液壓支架及鋼絲繩，通過鋼絲繩的作用實現液壓支架的回撤、轉向機裝車[5]，實現液壓支架的快速回撤。

牽引平臺通過平臺本體及液壓馬達、齒輪齒條等裝置組成，液壓馬達作為牽引平臺移動的驅動，通過齒輪齒條的作用實現牽引平臺本體的移動，從而對回撤平臺的移動提供牽引導向[6]。牽引平臺以液壓泵站作為動力源，可以進行遠程的控制，提高了施工過程中的安全性，并可通過牽引平臺實現液壓支架回撤平臺的自主移動，避免了人工的作業，減輕了勞動強度，牽引平臺中齒輪齒條的機構能夠進行自潤滑，改善了機構使用的環境，提高了設備使用的可靠性。在工作過程中，由于牽引平臺承載的作用力較大，對牽引平臺的強度及剛度進行仿真分析，以保證設計的回撤平臺的可靠性。

2 液壓支架快速回撤牽引平臺的仿真分析

2.1 模型的建立

牽引平臺的承載較大，為保證回撤平臺的穩定可靠，對牽引平臺的主要結構進行仿真分析。采用ANSYS Workbench 進行牽引平臺的結構分析，首先依據設計的快速回撤平臺結構，進行牽引平臺的三維建模，將其導入到ANSYS Workbench 中，在建模過程中，對于不影響分析結果的細小結構進行簡略化處理，以提高計算分析的效率。

對建立的牽引平臺的模型在ANSYS 中進行網格劃分，選擇六面體網格的形式進行網格劃分，將牽引孔周圍主要的受力結構的跨度中心角設定為細分，將模型進行網格劃分處理，得到牽引機構的網格劃分模型[7]。對牽引平臺進行材質設定，選擇Q235 鋼作為牽引平臺的材料，具有良好的機械性能及耐磨性，適用于復雜工況的使用。依據牽引平臺的使用工況，進行載荷及約束的施加，牽引平臺通過牽引孔的作用施加載荷，并以支撐面進行固定，依據相應的載荷大小，設定牽引平臺的載荷及約束如圖2 所示，對牽引平臺進行靜態仿真分析。

圖2 牽引平臺的載荷及約束示意圖

2.2 仿真結果分析

依據牽引平臺的使用情況，建立相應的有限元分析模型，對其進行有限元仿真分析，經過計算，得到牽引平臺應力及變形量分別如圖3、圖4 所示。從圖3中可以看出，牽引平臺的整體應力分布較為均勻，其最大的應力值位于牽引平臺的牽引孔位置處，最大應力值為150.5 MPa，相對選用材料Q235 的屈服強度235 MPa 較小。從圖4 中可以看出，牽引平臺的整體變形分布較為均勻，不存在變形較大的異常點，最大變形同樣位于牽引孔的位置，最大變形量為0.016 mm，變形量較小。

圖3 牽引平臺的應力分布

圖4 牽引平臺的變形量分布

通過上述的分析可知，對牽引平臺進行靜態分析，其強度及剛度均可滿足使用的需求，所設計的快速回撤平臺的牽引機構滿足使用的安全及可靠性。

3 結語

針對液壓支架的回撤，設計了液壓支架快速回撤平臺，主體結構包括牽引平臺、過渡平臺、待裝平臺及裝車平臺。牽引平臺可進行遠程控制，回撤過程中可進行快速的轉向、裝車，減輕了勞動強度，并可改善設備使用的環境，提高可靠性，實現快速的回撤。針對承載作用較大的牽引平臺進行靜態性能分析，建立牽引平臺的有限元分析模型，通過仿真計算可知，牽引平臺的應力及變形整體分布較為均勻，其強度及剛度均可滿足使用的需求。由此說明，所設計的牽引平臺滿足液壓支架回撤平臺的使用需求，保證了回撤平臺的穩定可靠。通過液壓支架快速回撤平臺可提高設備回撤轉移的效率，提高煤礦的生產效率。