李濤濤 河南理工大學(xué)；河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院

液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李濤濤 河南理工大學(xué)；河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院

液壓支架是綜合機(jī)械化采煤工藝的重要設(shè)備，已在我國使用很長的時間，為煤礦安全高效的生產(chǎn)提供了有力的保證，取得了很好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。液壓支架的使用對提高煤礦開采技術(shù)和環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。

液壓支架 支護(hù)強(qiáng)度 初撐力

1 液壓支架分類

在采煤工作面有端頭和中間兩種液壓支架。端頭液壓支架布置在采煤工作面的兩頭，主要為刮板輸送機(jī)機(jī)頭部、機(jī)尾部和轉(zhuǎn)載機(jī)支護(hù)頂板，提供作業(yè)空間，要求作業(yè)空間較大。端頭支架之間的液壓支架稱為中間支架，中間支架為采煤過程進(jìn)行支護(hù)，按照結(jié)構(gòu)不同中間支架又可分為支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式液壓支架三種。

1.1 支撐式液壓支架

支撐式液壓支架是較早的一種架型并且在煤礦得到廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)是支護(hù)力大切頂能力強(qiáng)。支撐式液壓支架主要分為垛式和節(jié)式支撐式液壓支架兩種。

（1）垛式支撐式液壓支架

垛式支撐式液壓支架的頂梁通過焊接或鉸接連在一起，頂梁較寬，有四個一樣的立柱起到支撐頂板的作用，底座采用箱型結(jié)構(gòu)，支架移動式整體向前。垛式支架具有較強(qiáng)的支撐能力和切頂能力。

（2）節(jié)式支撐式液壓支架

節(jié)式支撐式液壓支架的頂梁由兩個框架組成，頂梁較窄，由每兩個立柱支撐一個頂梁框架共四個立柱，節(jié)式支架支架重量比較小，移動比垛式支架靈活，適應(yīng)頂?shù)装迥芰Ρ容^強(qiáng)。

1.2 掩護(hù)式液壓支架

根據(jù)掩護(hù)式支架的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)不同把掩護(hù)式液壓支架分為單鉸式和雙鉸式掩護(hù)式液壓支架兩種。

（1）單鉸式掩護(hù)式液壓支架

單鉸式支架的掩護(hù)梁靠鉸接的方式與底座的連接在一起，支架做升降運(yùn)動時，掩護(hù)梁和與之連接的頂梁均會繞著鉸接點(diǎn)做圓弧形擺動。單鉸式支架的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，支護(hù)空間大，缺點(diǎn)是支架在升降過程中，頂梁前端與煤壁之間的距離不穩(wěn)定，隨著升降架變化比較大影響支架對頂板的支護(hù)效果。

（2）雙鉸式掩護(hù)式液壓支架

雙鉸式掩護(hù)式液壓支架的掩護(hù)梁、底座、前后連桿組成四連桿機(jī)構(gòu)，頂梁前端的呈雙紐線的運(yùn)動軌跡，這樣在升降支架時支架頂梁前端與煤壁能保證恒定的間距，能夠提供更好的支護(hù)環(huán)境。

1.3 支撐掩護(hù)式液壓支架

支撐掩護(hù)式液壓支架具有支撐式液壓支架支撐能力大、切頂能力強(qiáng)和頂板適應(yīng)性好的特點(diǎn)，又具有掩護(hù)式液壓支架的支護(hù)空間大、通風(fēng)斷面大、穩(wěn)定性較強(qiáng)和支架受力條件好的特點(diǎn)，集合了支撐式和掩護(hù)式兩種架型的特點(diǎn)。

2 液壓支架的設(shè)計原則

支架設(shè)計應(yīng)考慮：（1）支護(hù)強(qiáng)度與工作面礦壓相適應(yīng)；（2）支架結(jié)構(gòu)與煤層賦存條件相適應(yīng)；（3）支護(hù)斷面與通風(fēng)要求相適應(yīng)；（4）支架推移連接裝置與采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)等設(shè)備相匹配；（5）頂梁必須有足夠的強(qiáng)度，以滿足工作要求。

3 液壓支架的參數(shù)

3.1 支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力

K為作用于支架上的頂板巖石系數(shù)，一般取5～8；H為采高，m；為頂板巖石密度，2．3×10kg/m3；液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度通常取 0．5 ～ 0．7Mpa。

支護(hù)強(qiáng)度可根據(jù)下式進(jìn)行估算

掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架取支撐效率為百分之八十左右，支撐式支架的支撐效率為百分之百。

3.2 液壓支架的初撐力

支架初撐力與支架的工作阻力以及頂板的性質(zhì)有著緊密的聯(lián)系。對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，比較大的支架初撐力可以使支架在較短的時間內(nèi)達(dá)到所需的工作阻力，這樣便于維護(hù)頂板，阻止頂板過早的離層。

當(dāng)頂板不穩(wěn)定時，初撐力的等于工作阻力的百分之八十；對于穩(wěn)定頂板，初撐力等于工作阻力的百分之六十；周期來壓強(qiáng)烈的頂板初撐力等于工作阻力的百分之七十五以上。

3.3 液壓支架的移架力和推溜力

移架力的大小與支架類型、支架重量、支撐高度、工作面頂?shù)装逍再|(zhì)等因素有關(guān)。薄煤層的移架力為100～150kN，中厚煤層移架力為150～300kN，厚煤層移架力為300～400kN，推溜力一般為100～150kN。

3.4 液壓支架的調(diào)高范圍

伸縮比在一定程度上反映了支架對煤層厚度變化的適應(yīng)性，伸縮比越大支架對煤層厚度適應(yīng)性越好。單級伸縮液壓缸的伸縮比一般為1．6左右，采用雙級伸縮液壓缸的可以進(jìn)一步提高伸縮比，伸縮比可達(dá)到2．5左右，相比單極液壓缸具有更大伸縮比。

3.5 液壓支架頂梁尺寸和覆蓋率

液壓支架和其支護(hù)頂板的接觸情況、支架控制頂板的距離、移架快慢和整體的穩(wěn)定性影響支架頂梁的尺寸選擇。支撐式和支撐掩護(hù)式支架的支護(hù)力較大，這兩支架能夠支護(hù)更大的空間，所以支架頂梁可以選擇的更大一些，采用滯后支護(hù)的工作面，支架頂梁的長度可以達(dá)到2．5m；工作面采用及時支護(hù)時，支架頂梁的長度可以達(dá)到4m。單排立柱掩護(hù)式支架支護(hù)力較小，頂板尺寸選擇也應(yīng)當(dāng)小一些，通常為1．5～2．5m，最長達(dá)3．0m左右。

支架中心距和架型決定支架頂梁的寬度。液壓支架頂梁寬度一般為1．4～1．6m。

覆蓋率應(yīng)滿足頂板性質(zhì)，頂板不穩(wěn)定時為85%～95%；頂板中等穩(wěn)定時為75%～85%；頂板穩(wěn)定時為60%～70%。

3.6 液壓支架中心距的確定

兩個支架如果相鄰，它們中心線之間的距離即是支架中心距，如式：

bc為支架的中心距；n為每架所包含的組架數(shù)，整體自移支架n=l；c3為相鄰支架之間的間隙；Bm為支架頂梁的總寬度。

4 支架主要部件的設(shè)計

4.1 底座設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)確定

（1)底座長度的確定

頂板通過立柱將壓力傳遞給底座，底座將力傳遞給底板，底座是穩(wěn)固支架的重要部件。設(shè)計底座時應(yīng)滿足這幾個方面：支架對地板的壓強(qiáng)要?。坏鬃鶅?nèi)部應(yīng)該具有盡可能大的空間用以安放液壓元件及其他設(shè)備；底座上便于人員操作支架；支架應(yīng)該有足夠的穩(wěn)定性適應(yīng)地板。

（2)底座寬度的確定

根據(jù)支架底座接觸底板壓強(qiáng)要求及煤礦地質(zhì)條件現(xiàn)實(shí)情況，結(jié)合上述支架底座的長度。

（3)底座是由高強(qiáng)度焊接箱形結(jié)構(gòu)

立柱、前后連桿與底座之間采用鉸鏈連接形式，底座中間設(shè)有推溜裝置，推溜裝置在推移千斤頂?shù)淖饔孟缕鸬酵屏镆萍艿淖饔?，這種結(jié)構(gòu)更加便于將支架中間的浮煤、矸石的排出。

4.2 頂梁設(shè)計

（1）長度的確定

頂梁的長度由支架工作方式和支架下方支護(hù)設(shè)備尺寸息息相關(guān)，本課題研究的是支撐矸石充填液壓支架及時支護(hù)方式。

（2）寬度的確定

頂梁的寬度應(yīng)根據(jù)頂梁的性質(zhì)來確定，寬頂梁能夠改善支架的穩(wěn)定性，但是支架對頂板適應(yīng)性就變得較差。

（3）頂梁型式的選擇

普通綜采工作面支架頂梁的結(jié)構(gòu)形式主要有整體頂梁和鉸接頂梁兩種。

1）整體頂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：頂梁剛性好，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造，具有較強(qiáng)的支護(hù)能力，但是整體鋼梁頂板適應(yīng)性比較差，運(yùn)輸安裝不方便。

2）鉸接式頂梁主要由前頂梁、頂梁、后頂梁、護(hù)幫板等部件組成。鉸接式頂梁各部分通過銷軸鉸接在一起，活動性比較好，與整體頂梁相比接頂能力比較強(qiáng)，便于支架在井下運(yùn)輸安裝，鉸接式頂梁制造安裝精度要求較高。

（4）頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂梁斷面形式采用箱體結(jié)構(gòu)，頂梁內(nèi)部有多根縱橫交錯的加強(qiáng)筋，這種結(jié)構(gòu)可以在減輕頂梁重量的同時使頂梁有足夠的強(qiáng)度。頂梁在設(shè)計時應(yīng)該考慮材料的特性，結(jié)構(gòu)的受力情況，頂梁的加工工藝，最終取得比較好的效果。

4.3 立柱及千斤頂?shù)脑O(shè)計

立柱是支架的受力構(gòu)件，內(nèi)部充滿高壓油，因此要求立柱具有良好的抗壓，抗彎，嚴(yán)格的密封性，可靠的工作特性。立柱采用雙級雙作用液壓缸，擴(kuò)大支架的支護(hù)高度范圍以便適應(yīng)回采高度的變化要求，它由缸體、柱塞等部件組成。

本文對液壓支架類型，選型設(shè)計原則，液壓支架參數(shù)的選擇進(jìn)行的闡述，為液壓支架選型設(shè)計提供了依據(jù)，具有一定的社會應(yīng)用價值。

[1]孫長春．液壓支架的現(xiàn)狀與發(fā)展思路[J]．科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19(6)：150-152

[2]羅恩波．國內(nèi)外液壓支架的現(xiàn)狀及我國的發(fā)展趨勢[J]．煤礦機(jī)電，2010(3)：27-30

[3]王國法．液壓支架技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1999