張 闖

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽110027）

0 前言

在煤炭采掘生產過程中，頂板隨時有冒落的危險，為了保證采煤工作面上各項作業(yè)正常進行和礦工的人身安全，必須對頂板進行支護。液壓支架主要由液壓元件與金屬構件組成，以高壓液體作為動力，對采場頂板進行控制和支護的設備，它可以實現(xiàn)支撐、擋矸、移架和推移輸送機等一系列工序[1-2]。

本文針對全倫煤礦綜采面的工況條件、工作阻力、采高范圍和配套設備情況。設計一套工作阻力為5 200 kN，最低高度為1.9 m，最大高度為4.2 m的掩護式液壓支架。支架結構圖如圖1所示。

圖1 支架結構圖

1 支架總體設計

液壓支架結構由圖1所示，主要由推移裝置、底座、前后連桿、掩護梁、頂梁等結構件和液壓系統(tǒng)構成。

1.1 支架中心距和底座長度的確定

支架的中心距一般根據(jù)配套輸送機溜槽每節(jié)長度來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)常規(guī)為1.5m和1.75 m，根據(jù)工作阻力5 200 kN，可選取1.5 m.支架底座的寬度由立柱中心距和直徑確定，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距。根據(jù)技術要求，推移千斤頂行程為700mm，所以底座長度為2 450mm.

1.2 四桿機構設計

四桿機構指由連桿和掩護梁組成的結構，掩護梁和連桿長度的計算一般采用解析法，如圖2所示：A為連桿長度；G為掩護梁長度；H1為支架最大高度；H2為支架最低高度。從幾何關系可得：

圖2 掩護梁和連桿計算圖

在 ZY5200/19/42 型支架中 P1=55°，P2=10°，Q1=35°，Q2=75°，H1=4 200mm 代入式（1） 和式（2）（對于掩護式支架，A/G的比值取0.6），可計算出掩護梁G=2 490 mm，和連桿A=1 490mm.

1.3 頂梁長度的確定

頂梁長度與三機配套尺寸有直接關系，因為頂梁必須要保護配套的設備。配套設備的采煤機在工作時可能向支架傾斜一定角度，并且采煤機的滾筒不允許截割頂梁，還需考慮煤壁的外表面形狀不一定是垂直的平面，因此要求支架前端距煤壁必須有最小距離安全距離，可取300 mm，故頂梁長度公式為：

頂梁長度L=[底座長度+配套尺寸 +A cos Q1]-[G cos P1+300]+頂梁與掩護梁鉸點至頂梁后端的距離。在ZY5200/19/42型支架中L=2 483+2 450+387-1 420-300+100=3 700mm.

1.4 立柱上下鉸點位置的確定

根據(jù)頂板載荷分布和底板條件，在設計液壓支架立柱上、下柱窩的位置時，必須先確定底座對底板的比壓分布和支架頂梁的支撐力分布，使支架能適應工作面條件的要求[3]。

（1）立柱上柱窩位置的確定

液壓支架立柱上柱窩位置的確定，首先需要把支架的空間桿系結構，簡化成平面桿系結構。假定外部載荷沿支架寬度方向均布，沿頂梁長度方向按線性規(guī)律變化，并且頂梁與頂板接觸均勻。同時處于安全起見，按集中載荷計算，載荷沿頂梁長度方向呈三角形分布并向頂梁后部越來越大。因此，支架支撐力也是呈三角形分布，以上述條件計算上柱窩位置。此時認為支架集中載荷F作用于頂梁上，且在頂梁1/3處，分離頂梁單獨做受力分析，情況如圖3所示。

圖3 分離頂梁單獨做受力分析圖

對A點取距：∑MA＝0

在ZY5200/19/42型支架中，h1=196mm，h2=270 mm、α =11°，L=3 700mm，P=5 200 mm，F(xiàn)=4 722 KN（F=q × S，q=797.6mm，S=5.92mm），帶入式（2-4）計算出x=1 090mm.

（2）立柱下柱窩位置的確定。下柱窩的位置影響移架的效率，因此要使底座前端的比壓小，利于移架。立柱的最大傾角在支架處于最低工作位置時一般小于30°，并考慮支架的調高范圍和柱前行人空間以及底座與前連桿鉸點的位置關系，計算如圖4所示，實物圖如圖5所示。

圖4 支架的調高范圍和柱前行人空間以及底座與前連桿鉸點的位置關系圖

圖5 支架的調高范圍和柱前行人空間以及底座與前連桿鉸點的位置關系實物圖

在ZY5200/19/42型支架中，H=1 900-196-246=1 458mm，α1=34°，α2=22°，β =9°，代入式（7）計算出x1=1 725mm.

2 結論

液壓支架的總體設計是液壓支架設計中最關鍵的環(huán)節(jié)，在滿足技術參數(shù)的前提下，總體設計的合理性與適用性決定了液壓支架產品性能，本文中設計的ZY5200/19/42型液壓支架在全倫煤礦服役使用，可滿足現(xiàn)場使用需求和技術要求。