武雪威

(河北天擇重型機(jī)械有限公司， 河北 邯鄲 056200)

0 引言

我國薄煤層儲量占煤炭總儲量的20%左右，如何有效地利用這些資源尤其是資源枯竭礦井是正在研究的課題。山西介休市義棠鎮(zhèn)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，薄煤層煤炭資源沒有得到有效利用，為提高煤炭資源回收率，特針對安益煤礦地質(zhì)條件，利用軟件模擬計(jì)算和受力分析等先進(jìn)的技術(shù)方法，開發(fā)研制了ZY3400/06/15掩護(hù)式液壓支架。

1 工作面技術(shù)條件和設(shè)計(jì)方案

1.1 工作面技術(shù)條件

安益煤礦1#煤層綜采工作面采煤工藝為一次采全高，煤層厚度平均1.1 m，煤層長度152.5 m，工作面采高1.2 m，煤層傾角近水平，煤質(zhì)硬度、頂板硬度及底板硬度均為f≤3，首采工作面方向?yàn)樽蠊ぷ髅?。風(fēng)巷、機(jī)巷均為矩形巷道，斷面尺寸為(寬×高)3.5 m×2.4 m。

1.2 液壓支架設(shè)計(jì)方案

根據(jù)安益煤礦1#煤層實(shí)際技術(shù)條件，確定三機(jī)配套設(shè)備為ZY3400/06/15液壓支架、MG100/240-BW采煤機(jī)、SGZ630/320刮板輸送機(jī)，配套圖見圖1。

該液壓支架主要技術(shù)參數(shù)如下：

架型 兩柱掩護(hù)式液壓支架

支撐高度/mm 600～1 500

支架寬度/mm 1 430～1 600

支架中心距/mm 1 500

支架初撐力/kN 2 615

工作阻力/kN 3 400

支護(hù)強(qiáng)度/MPa 0.22～0.46(f=0.2)

底板比壓(前端)/MPa 1.03～1.57(f=0.2)

運(yùn)輸尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)

5 200×1 430×600

圖1 ZY3400/06/15掩護(hù)式液壓支架及配套

支架質(zhì)量/t 10.5(±2%)

操縱方式 鄰架手動控制

2 四連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

1) 建立仿真參數(shù)模型圖。運(yùn)用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，建立ZY3400/06/15掩護(hù)式液壓支架的仿真參數(shù)模型圖，如圖2所示。

a=750 mm;c=500 mm;d=600 mm;e=330 mm;f=980 mm;g=0 mm;h=150 mm;H=280 mm;頂梁高(LM)=150 mm;最大工作高度=1 500 mm;最小工作高度=600 mm。

2) 對其四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。支架高度從600 mm開始，以步長為50 mm逐漸增大至1 500 mm，支架梁端軌跡和瞬心軌跡如圖3所示。

圖3 支架運(yùn)動模擬

3) 液壓支架總體設(shè)計(jì)決定。經(jīng)過運(yùn)動仿真模擬和詳細(xì)數(shù)據(jù)分析得出，支架梁端距變化平穩(wěn)。支架從底到高的過程中，梁端距逐漸減小，最大變化量為89 mm。在經(jīng)常使用的1 100～1 300 mm區(qū)間變化量僅為37 mm，滿足液壓支架設(shè)計(jì)要求。

3 部件強(qiáng)度校核

1) 液壓支架的底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)定支架的部件，該支架底座由Q550鋼板焊接而成。結(jié)構(gòu)件的校核以底座為例，其他部件同理可得。在設(shè)計(jì)軟件中輸入液壓支架的基本技術(shù)參數(shù)后，軟件會自動對底座進(jìn)行受力分析。該底座各關(guān)鍵部位受力分析如下：柱窩處最大彎矩3 161.2 kN·m，前連桿處最大彎矩2 790.8 kN·m，后連桿處最大彎矩464 kN·m，底座最大扭矩752.6 kN·m。以受力最大的柱窩處為例進(jìn)行校核，底座柱窩彎曲截面見圖4。

圖4 底座柱窩彎曲截面

在強(qiáng)度校核模塊輸入最大彎矩3 161.2 kN·m，許用應(yīng)力輸入550 MPa，柱窩處各板受力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1中合成應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，安全系數(shù)也滿足設(shè)計(jì)要求，故柱窩處滿足設(shè)計(jì)可行，否則必須通過加厚鋼板或改變材質(zhì)等手段重新設(shè)計(jì)。底座其他關(guān)鍵部位的校核同理可得。

2) 銷軸是連接各部件形成四連桿機(jī)構(gòu)的唯一軸類零件，主要承受剪切力。在設(shè)計(jì)軟件中輸入液壓支架的基本技術(shù)參數(shù)后，銷軸安全系數(shù)取1.3，可知頂梁掩護(hù)梁鉸接銷軸最大剪切力2 027.7 kN。銷軸許用應(yīng)力為1 000 MPa時(shí)，銷軸直徑應(yīng)大于81 mm。同理可知前連桿銷軸直徑應(yīng)大于72 mm，后連桿銷軸直徑應(yīng)大于59 mm。

表1 柱窩處各板校核數(shù)據(jù)

4 液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1) 整體頂梁結(jié)構(gòu)，不帶護(hù)幫板，頂梁前部設(shè)計(jì)有液壓護(hù)板裝置，臨時(shí)炮采時(shí)起到保護(hù)作用；頂梁中部有單體支柱支承裝置，便于單體支柱輔助支撐。

2) 頂梁、掩護(hù)梁均為雙側(cè)護(hù)板，適應(yīng)性強(qiáng)，便于在多個(gè)工作面使用。

3) 采用整體剛性底座，中部開檔，利于排矸。底座前過橋處設(shè)有抬底裝置，對底板起伏適應(yīng)性強(qiáng)，便于移架。

4) 支架在使用狀態(tài)時(shí)主進(jìn)、主回、噴霧主管路布置在支架底座上，掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板前端優(yōu)化設(shè)計(jì)，降至最低高度時(shí)不切架間主進(jìn)回噴霧主管路。

5) 立柱采用新型結(jié)構(gòu)型式，導(dǎo)向套采用矩形螺紋緊固，同時(shí)導(dǎo)向套和活塞均采用組合密封，最大限度地縮短導(dǎo)向套和活塞長度，實(shí)現(xiàn)了超大伸縮比。

6) 支架操作方式為鄰架操作，提高了工作面支護(hù)的安全系數(shù)，能有效避免人身傷害事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

ZY3400/06/15掩護(hù)式液壓支架安裝在安益煤礦1#煤層工作面。該工作面2018年7月開始安裝，8月開始試生產(chǎn)，工作面平均日進(jìn)尺2.5 m，日產(chǎn)原煤1 500 t，月產(chǎn)可達(dá)40 500 t，2018年8月至2018年10月，3個(gè)月生產(chǎn)原煤12萬t。使用該套掩液壓支架后，不僅提高了工作面的安全系數(shù)，而且簡化了操作工序，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效的目標(biāo)。