液壓支架可靠性優化設計

王蒼勁

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備有限公司中央機廠， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤炭企業在綜采工作面進行煤炭生產的重要生產設備，是頂板壓力、采空區矸石承受的主要設備，液壓支架的強度可靠性對于企業安全生產至關重要[1-5]。在我國，厚煤層的煤炭產量占全國煤炭產量的48%以上，是我國煤炭生產的主要煤層。我國的大采高厚煤層液壓支護具有高度高、支護強度大、圍巖控制困難、支架穩定性不高等問題，現階段液壓支護技術可靠性亟需提高。針對這一現象本文擬結合國外的相關技術對大采高厚煤層液壓支架技術進行優化改造，以提高大采高厚煤層液壓支架的安全可靠性，提升綜采工作面的煤炭生產效率。

1 液壓支架選型與參數確定

1.1 液壓支架選型

大采高厚煤層的液壓支架主要有兩柱掩護式和四柱掩護式兩種架型。西方國家在煤礦開采中多采用四柱掩護式，而我國一般采用兩柱掩護式。為匹配煤礦所用設備及煤礦所在地的地質圍巖等地理條件，本文選用兩柱掩護式液壓支架，以提高液壓支架的可靠性及高效性。

1.2 參數確定

液壓支架的參數主要包括支護強度、工作阻力及支架高度三項指標。其中，工作阻力是直接頂與基本頂作用力平衡的主要指標，可使圍巖變形量與頂板下沉量得以有效控制。由于工作阻力= 支護強度×支護面積，因此需確定好支護強度后才可確定工作阻力。本文以某煤礦為例進行研究，經實際勘測，某煤礦煤層厚度約為4.55 m，頂板圍巖密度為2400 kg/m3，最大采高為6.2 m，運用數值模擬法后可得，其最大支護強度為1.2 MPa。那么，支架工作阻力計算公式為：

式中：P 為最大支護強度，MPa；B 為控頂距，m；L 為支架中心距，m。

經分析，控頂距B 與支架中心距L 為5 m、1.75 m。將數值代入式（1）可得，工作阻力F=10500 kN。由于需考慮立柱安全閥開啟壓力及支撐效率等因素，故該液壓支架工作阻力取11000 kN。

某煤礦的煤層厚度變化幅度大，其采高范圍為2.5～5.9 m，為提高工作面煤炭采出率，本文擬采用雙伸縮立柱并適當提高支護高度，液壓支架最大高度設定為6.3 m，最低高度設定為2.8 m。

2 液壓支架主要構件優化設計

2.1 底座設計

本文采用開底式設計，前端為鑲嵌式過橋設計，后端為箱式過橋，可增大底座抗扭能力，方便人員通過，提升無支護空間。前端的底座運用船型設計并適當加長，減小比壓，使底座適應性適當提高。前端還進行了抬底設計，當底座抬底后，可使用千斤頂將底座抬起，方便順利移架。其具體底座三維模型示意圖，如圖1 所示。

圖1 液壓支架底座三維模型示意圖

2.2 四連桿設計

四連桿機構是支架的主要運行機構，其性能對頂梁運動軌跡和支架穩定性、剛度影響較大。本文利用MATLAB 軟件對四連桿機構進行質量優化設計，得到具體的最優參數后，采用雙前后連桿加后連桿側幫板的方法進行支架設計，保證梁端平穩性及支架的高性能性。其具體的三維模型示意圖，如下頁圖2所示。將四連桿機構進行試驗后發現，頂梁前端與煤壁距離相對穩定，頂梁由高往低運動梁端距離減小，且無突變情況發生，故該機構設計合理，有利于頂板控制與支架維護。

圖2 四連桿機構三維模型示意圖

2.3 頂梁設計

頂梁作為與頂板直接接觸且承受頂板壓力的主要承壓部件，是液壓支架是否可靠、支護性能是否達標的關鍵部件。頂梁是液壓支架立柱、掩護梁等部件的重要連接點，對于液壓支架設計至關重要。本文采用二級幫護及帶伸縮梁結構的方法對頂梁進行設計，伸縮梁體采用內置式，其由矩形箱體水平排列組成，并將箱體前端連接在一起，后端安裝在相應框口內，通過油缸運動實現支架頂梁的伸縮。三箱伸縮頂梁設計較為安全可靠，二級幫護可實現180°幫護板旋轉，較為適合頂梁設計。其具體三維模型示意圖，如圖3 所示。

圖3 頂梁三維模型示意圖

3 動力液壓缸優化設計

動力液壓缸設計主要分為立柱與千斤頂兩部分。立柱與千斤頂的主要作用是調整和承載支架，由于其長期處于高壓的支撐狀態之下，故其需要有良好的抗彎與抗壓能力，同時其密封性能也應較好，以確保支架在工作過程中的安全可靠性。

3.1 立柱設計

一般情況下，通過選取匹配度較高的缸徑與柱徑，可較好地增強立柱的抗沖擊能力，保證立柱可靠性。大采高厚煤層由于壓力較大，支架承載負荷也隨之變大，故立柱缸徑也應加大，保證支架可靠性要求。立柱缸徑的計算公式如下：

式中：u 為比值系數，一般為0.65～0.8；P 為泵站壓力，MPa。

由上文可知，工作阻力為11000 kN，本設計為雙伸縮式結構，故F 取值為5500 kN，將各參數代入式（2）可得：D=380～421 mm，選立柱缸徑為400 mm。綜合考慮密封形式、安全系數等，立柱的柱徑選為380 mm。

3.2 千斤頂設計

支架千斤頂的作用為調節頂梁對頂板作用力大小及受力點位置，從而保持頂梁的平衡。千斤頂是掩護梁與頂梁之間的重要構件，在設計時應主要注意三個易發生斷裂的部位，其分別為活塞桿扁尾處、活塞與活塞桿連接卡鍵處及缸口處。

基于上述分析，對上述三個部位進行針對性改進優化。將活塞桿扁尾尺寸增大至160 mm，以提高其強度，增強安全可靠性。活塞與活塞桿連接卡鍵進行加工工藝優化，提高部件加工精度。缸口的斷裂主要是因為千斤頂與掩護梁相對運動造成的擠壓而產生的，故應增大頂梁與掩護梁之間的限位行程，降低其相對運動的可能性，保證缸口完整性。按上述要求設計，千斤頂的三維模型示意圖，如圖4 所示。

圖4 千斤頂三維模型示意圖

4 液壓支架現場實測分析

將液壓支架按上述部件設計進行組合設計后，可得液壓支架三維模擬示意圖，如圖5 所示。將該液壓支架應用于實際生產中并進行相應測試后發現，梁端曲線較為平穩，無突變發生；支架四連桿附加力減小；工作阻力符合設計要求，液壓支架可靠性大大提升。

圖5 液壓支架三維模擬示意圖

5 結論

1）液壓支護主要部件及動力液壓缸設計符合優化設計要求，構件性能得以提升。

2）按上述部件設計進行組合安裝后，液壓支架梁端曲線較為平穩，無突變發生。支架四連桿附加力減小，工作阻力符合設計要求，液壓支架可靠性大大提升，可應用于實際生產之中。