劉艷東（唐山開灤鐵拓重型機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北 唐山 063103）

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基于液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)特點(diǎn)分析與研究

劉艷東
（唐山開灤鐵拓重型機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北 唐山 063103）

摘 要：本文主要針對(duì)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的功能及影響四連桿性能的設(shè)計(jì)因素進(jìn)行探索。其中重點(diǎn)介紹了液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及特點(diǎn)，并從影響四連桿參數(shù)設(shè)計(jì)的九個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：液壓支架；四連桿機(jī)構(gòu)；梁端距；掩護(hù)梁背角；雙扭線

1 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成與功能

1.1 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成從表面上看只有前連桿和后連桿，實(shí)際上掩護(hù)梁和底座是組成四連桿機(jī)構(gòu)的另外一個(gè)連桿，掩護(hù)梁和底座除了構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)以外，還承擔(dān)著掩護(hù)功能、推移功能、抬底功能等其它的功能。前后連桿也具有擋矸、管環(huán)、閥架等功能。因此，四連桿設(shè)計(jì)首先是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，還包括各部件的其它功能設(shè)計(jì)。

液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)有正負(fù)之分，正四連桿機(jī)構(gòu)被廣泛采用，反四連桿多用于放頂煤過(guò)渡支架。在反四連桿機(jī)構(gòu)中由于處于掩護(hù)梁位置的部件已不再承擔(dān)掩護(hù)功能，通常被改稱為斜梁。

1.2 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的功能

液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)有三個(gè)功能：一是縱向與橫向的穩(wěn)定功能，即承接外部施加到支架上的橫向、縱向的水平力，使支架頂梁不會(huì)出現(xiàn)大幅度的水平扭轉(zhuǎn)和橫向縱向翻轉(zhuǎn)，使支架立柱免受水平力。要實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)中應(yīng)確保組成四連桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件具有足夠的強(qiáng)度，要進(jìn)行機(jī)構(gòu)受力分析和零部件強(qiáng)度校核計(jì)算。二是將頂梁所受到來(lái)自頂板的外載通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)傳遞到底座上。這一功能我認(rèn)為是四連桿機(jī)構(gòu)負(fù)面效應(yīng)。三是讓支架頂梁在升降過(guò)程中，頂掩鉸接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為一條垂線。實(shí)質(zhì)是讓支架在升降過(guò)程中，頂梁或前梁的前端至采煤工作面煤壁的距離基本保持不變，使得因空頂距變化量帶來(lái)的支架頂梁前端的支護(hù)效果變化量最小。液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)中頂掩鉸接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般呈“雙扭線”狀，水平運(yùn)動(dòng)范圍被稱為“擺幅”。MT/T556-1996《液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范》有具體的規(guī)定：“具有四連桿機(jī)構(gòu)的支架梁端水平位移量在支架使用高度范圍內(nèi)應(yīng)不大于80mm。在總圖樣和技術(shù)文件應(yīng)注明使用高度范圍內(nèi)梁端距范圍”。實(shí)際支架產(chǎn)品中擺幅與支架架型、高度差值、正反四連桿機(jī)構(gòu)均有影響，此數(shù)值并非不可突破。

液壓支架四連桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與理論運(yùn)動(dòng)軌跡存在較大的差異。其原因是四連桿機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)、頂掩鉸接點(diǎn)的鉸接耳與鉸接銷軸設(shè)有徑向間隙，鋼板焊接結(jié)構(gòu)件受力后會(huì)產(chǎn)生彈性變形。尤其是立柱掩護(hù)式支架立柱軸心線與頂梁、底座設(shè)計(jì)有明顯的傾斜角度，在立柱推力的作用下，銷與孔的鉸接必然是弧面接觸，而不是圓心重合。至于軌跡扭動(dòng)方向?qū)敯暹\(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生利弊的觀點(diǎn)，我不贊成。因?yàn)楝F(xiàn)代支架提倡高初撐力，初撐過(guò)程中是頂梁上升，四連桿機(jī)構(gòu)的的軌跡扭動(dòng)方向剛好相反，此時(shí)效果正相反。我認(rèn)為綜采工作面頂板與液壓支架頂梁頂面之間的摩擦力主要是由礦山壓力導(dǎo)致的頂板運(yùn)動(dòng)造成的。

理論上梁端距應(yīng)為零，即支架的頂梁或前梁其前端與工作面煤壁平齊。但是，采煤機(jī)在采煤過(guò)程中，因煤質(zhì)硬度不均勻等因素，采煤機(jī)滾筒會(huì)出現(xiàn)后仰的現(xiàn)象，這時(shí)采煤機(jī)滾筒的后端面就會(huì)截割到支架的頂梁或前梁，造成采煤機(jī)和支架設(shè)備的損壞。尤其是在仰采工作面，在重力的作用下，采煤機(jī)滾筒必然產(chǎn)生后仰。為防止出現(xiàn)支架被割，空頂距是必須設(shè)置的。很顯然，當(dāng)采煤機(jī)滾筒后仰角度一定的條件下，滾筒后仰產(chǎn)生的橫向距離與采煤高度成正比，即支架工作高度越大，所需防止割頂梁的空頂距也越大。

通過(guò)以上分析得知，設(shè)置梁端距是必須的。至于梁端距數(shù)值的大小在MT/T556-1996《液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范》中有具體的規(guī)定：“大采高支架應(yīng)取350mm～480mm。中厚煤層支架應(yīng)取280mm～400mm。薄煤層支架應(yīng)取200mm～350mm?！睂?shí)際支架產(chǎn)品中梁端距更多是由采煤工作面頂板穩(wěn)定條件和經(jīng)驗(yàn)確定的。頂板越破碎梁端距應(yīng)越小，反之頂板越完整梁端距可適當(dāng)加大，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠。

2 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與影響設(shè)計(jì)因素

2.1 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

由于液壓支架產(chǎn)品的需要形成了液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：連桿之一的底座位于機(jī)構(gòu)的下方；連桿之一的掩護(hù)梁或斜梁位于機(jī)構(gòu)的上方；對(duì)于正四連桿機(jī)構(gòu)的前連桿位于前方（左邊），后連桿位于后方（右邊）；前連桿與后連桿相比長(zhǎng)度更長(zhǎng)些；與掩護(hù)梁鉸接的前、后連桿上鉸接點(diǎn)間距小于與底座鉸接的前、后連桿下鉸接點(diǎn)間距；允許后連桿桿身中軸線不與兩端鉸接點(diǎn)連線重合，使得后連桿呈現(xiàn)偏心或彎曲；掩護(hù)梁上的三個(gè)鉸接點(diǎn)允許不在一條直線之上（三個(gè)鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)在一條直線上被廣泛采用，前連桿鉸接點(diǎn)位于另兩個(gè)鉸接點(diǎn)連線之下使得前連桿鉸接點(diǎn)所在截面抗彎能力更強(qiáng)，前連桿鉸接點(diǎn)位于另兩個(gè)鉸接點(diǎn)連線之上在反四連桿機(jī)構(gòu)中采用較多）；掩護(hù)梁上的任意兩個(gè)鉸接點(diǎn)連線所在平面允許不與掩護(hù)梁頂板頂面平行（可使前連桿鉸接點(diǎn)處截面面積增大）。

2.2 配套設(shè)備對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)在支架總體布局位置的影響

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)是液壓支架在采煤工作面的配套設(shè)備，并形成支架前方至煤壁的距離的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（1）梁端距指標(biāo)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的影響

前面已分析過(guò)，梁端距對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的影響有兩條：一是梁端距的數(shù)值區(qū)段，二是擺幅值。有時(shí)可能還有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的要求。

（2）掩護(hù)梁背角的限制

一般來(lái)說(shuō)，掩護(hù)梁背角掩護(hù)的作用是十分重要的，主要體現(xiàn)在減少掩護(hù)梁的水平投影距離和防止冒落到掩護(hù)梁頂面上的矸石不能自行下滑，影響支架升起。掩護(hù)梁背角的限制范圍具體是：掩護(hù)式支架一般在57°以上；支撐掩護(hù)式支架一般在60°以上；掩護(hù)梁背角應(yīng)大于16.7°。

（3）后連桿水平夾角的限制

后連桿與水平面的夾角隨著支架高度的增加而增大。若此夾角接近90°，一旦后連桿、掩護(hù)梁手動(dòng)指向煤壁方向的外力，后連桿繼續(xù)旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致此角大于90°，后連桿將無(wú)法自行復(fù)位。為防止這一現(xiàn)象發(fā)生，此角應(yīng)不大于80°。

2.3 受力對(duì)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

拋開受力研究四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是毫無(wú)意義的。據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知：四連桿機(jī)構(gòu)中前后連桿所受載荷與液壓支架的工作阻力幾乎是同一數(shù)量級(jí)的。例如ZY9200液壓支架連桿受到的推拉力是在9200kN左右，而連桿鉸接點(diǎn)的耳板如果要在此拉力下安全工作，那么制作連桿主筋板就得用鋼板材料強(qiáng)度等級(jí)均不超過(guò)1000MPa的材質(zhì)才可以。

2.4 低位放頂煤支架中間架對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

對(duì)于低位放頂煤支架中間架，由于放煤機(jī)構(gòu)的設(shè)置，底座上前后連桿的鉸接點(diǎn)必須提高。放頂煤支架通常都是在最大極限高度稍低的位置工作，放煤機(jī)構(gòu)對(duì)掩護(hù)梁的背角有特殊的要求，通常在35°左右，而對(duì)最小工作高度一般不必考慮，即沒(méi)有最小工作高度時(shí)掩護(hù)梁背角的要求，因此有的放頂煤支架最小極限高度時(shí)掩護(hù)梁背角為零，甚至為負(fù)值。放頂煤支架的掩護(hù)梁下端還要設(shè)置尾梁機(jī)構(gòu)，掩護(hù)梁設(shè)計(jì)需要考慮的因素更為復(fù)雜。

2.5 薄煤層支架對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

薄煤層支架在最小極限高度時(shí)，頂梁與底座幾乎要緊靠在一起，平衡千斤頂與推移千斤頂幾乎要緊靠在一起，此時(shí)對(duì)底座上前連桿的下鉸接點(diǎn)高度提出了嚴(yán)格的限高條件。

2.6 其它約束條件對(duì)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

如系列產(chǎn)品中為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可考慮通過(guò)采用相同的頂梁組件、底座組件，只是更換掩護(hù)梁和前后連桿實(shí)現(xiàn)相同工作阻力不同極限高度支架的設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高通用化水平，降低設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)，可調(diào)整的參數(shù)數(shù)量被壓縮，增加了設(shè)計(jì)的困難。通常頂梁部件是液壓支架中長(zhǎng)度最大的部件，有些礦井受罐籠裝運(yùn)支架的影響，對(duì)支架部件的最大長(zhǎng)度有限定，對(duì)于支架四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就是對(duì)掩護(hù)梁上頂掩鉸接點(diǎn)位置做出了限定，增加了設(shè)計(jì)的困難。

反四連桿機(jī)構(gòu)中常采用單前連桿、單后連桿、Y形斜梁等，在其他支架設(shè)計(jì)中也有采用前單連桿后雙連桿或前雙連桿后單連桿的。掩護(hù)梁上平衡千斤頂耳座的位置、掩護(hù)梁上側(cè)推裝置中套筒的位置均對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，有時(shí)需要為此作出必要的調(diào)整。

結(jié)語(yǔ)

在液壓支架四連桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中任何一個(gè)參數(shù)變化都會(huì)對(duì)梁端距數(shù)值與運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、掩護(hù)梁背角、前后連桿水平夾角、立柱長(zhǎng)度、平衡千斤頂長(zhǎng)度、支架重量、支護(hù)強(qiáng)度、底板比壓分布、行人通道寬度、構(gòu)件強(qiáng)度、安裝間隙等產(chǎn)生影響，需綜合考慮。每個(gè)參數(shù)對(duì)考察指標(biāo)的影響幅度是不同的，正在考察指標(biāo)在得到改善的同時(shí)還改變了其它指標(biāo)。只有通過(guò)長(zhǎng)期摸索、試算，方能找到如何優(yōu)化的感覺。可以說(shuō)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)沒(méi)有最好，只有更好，甚至只有滿足主要要求的相對(duì)較好的方案。

參考文獻(xiàn)

［1］苗耀華.液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（06）.

中圖分類號(hào)：TD355

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A