劉向麗

（山西大同大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心，山西大同 037000）

0 引言

目前，大采高綜采液壓支架在內(nèi)蒙、山西、山東、陜西等地區(qū)大型和特大型煤礦開采中得到了廣泛應(yīng)用，它具有支護(hù)斷面大、支護(hù)能力強(qiáng)、資源采出率高等特點(diǎn)[1]。在大采高綜采液壓支架的結(jié)構(gòu)組成中，伸縮梁是其重要組成部分之一，它位于支架頂梁前端與護(hù)幫板相連，其主要作用是在工作面采煤機(jī)割煤后及時(shí)伸出超前支護(hù)煤層頂板，防止頂板冒落和煤

壁片幫[2-3]。

1 工程概況

常村煤礦在對(duì)大采高ZY9400/28/62 型液壓支架進(jìn)行維修過程中發(fā)現(xiàn)，該類型液壓支架有部分支架伸縮梁與托板連接處的耳板容易出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象，如果對(duì)變形的耳板進(jìn)行修理，則需要先將耳板切割下來，再重新加工耳板后焊接上去，但是在焊接時(shí)由于塞焊孔不能焊接的原因，重新加工焊接的耳板達(dá)不到原耳板的強(qiáng)度。因此，在維修支架時(shí)需將伸縮梁進(jìn)行更換，從而造成液壓支架維修成本增加，且維修時(shí)間較長，對(duì)井下工作面支架安裝及生產(chǎn)帶來較大影響。

為了解決因受地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力變化等因素影響而造成的ZY9400/28/62 型大采高綜采液壓支架頂梁前端在井下工作面支護(hù)使用過程中出現(xiàn)受力不均衡，從而導(dǎo)致支架伸縮梁與托板連接處的耳板容易出現(xiàn)嚴(yán)重變形的問題，對(duì)支架伸縮梁與護(hù)幫板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 伸縮梁耳板易變形原因分析

伸縮梁安裝在液壓支架頂梁內(nèi)部的前端，它與支架護(hù)幫板進(jìn)行鉸接，利用油缸伸縮性進(jìn)行超前支護(hù)煤壁頂幫。伸縮梁上的耳板與托板一端鉸接，而托板的另一端浮動(dòng)在支架頂梁滑道內(nèi)，它通過兩根液壓油缸與支架護(hù)幫板相連接，并利用油缸的伸縮來控制支架護(hù)幫板的轉(zhuǎn)動(dòng)[4-5]。在工作面生產(chǎn)期間液壓支架支護(hù)作業(yè)過程中，造成托板受力不均勻的主要原因有3個(gè)方面：

（1）工作面回采支護(hù)期間，托板受到的力是來自護(hù)幫板作用傳來的，而護(hù)幫板受到的力則來自煤壁側(cè)作用傳來的，由于煤壁上產(chǎn)生的力本身就是不均衡的，從而導(dǎo)致托板所承載的力也不均衡，造成托板在頂梁滑道內(nèi)左右偏移造成對(duì)伸縮梁連接耳的頻繁沖擊作用。

（2）在工作面操作液壓支護(hù)作業(yè)過程中，經(jīng)常會(huì)頻繁收縮和打開護(hù)幫板，也會(huì)造成對(duì)托板的沖擊作用。

（3）在工作面液壓支架進(jìn)行供停液壓油的瞬間，由于受高壓膠管長短或乳化液配比、材質(zhì)等客觀因素的影響，雙液壓油缸伸縮會(huì)出現(xiàn)不同時(shí)作用的現(xiàn)象，這樣也會(huì)造成托板出現(xiàn)受力不均衡問題。

當(dāng)工作面液壓支架在支護(hù)作業(yè)過程中出現(xiàn)上述的3 種現(xiàn)象時(shí)，一旦支架伸縮梁連接耳板承載的不均衡力超過其抗彎強(qiáng)度時(shí)，耳板就會(huì)出現(xiàn)彎曲變形。

3 伸縮梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案

3.1 初始優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了增強(qiáng)伸縮梁連接耳板的抗彎屈服強(qiáng)度，初始優(yōu)化設(shè)計(jì)思路是選擇強(qiáng)度更高一級(jí)的高強(qiáng)度鋼板材料加工耳板，但是在試驗(yàn)更換加工材料的材質(zhì)后，仍然不能從根本上解決支架伸縮梁耳板受力變形的問題。因?yàn)槭芫麻_采條件不確定性因素影響，在采取更換高強(qiáng)度材料加工耳板后，只能減緩耳板變形的時(shí)間，并不能真正從根本上消除這一問題。當(dāng)工作面支架頂梁上方大塊煤塊或巖石出現(xiàn)掉落到支架頂梁上時(shí)，傳到支架伸縮梁連接耳板上的力仍然會(huì)超過耳板的屈服強(qiáng)度極限，造成耳板受力變形。因此仍需要考慮從支架伸縮梁結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來根本解決這一問題。

3.2 支架伸縮梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為了解決支架伸縮梁連接耳彎曲變形問題，以液壓支架伸縮梁及護(hù)幫板結(jié)構(gòu)為載體建立了架構(gòu)模型，如圖1 所示。

圖1 液壓支架伸縮梁及護(hù)幫板組件架構(gòu)模型

（1）考慮將液壓支架伸縮梁托板與頂梁之間的滑板滑道更換成滾珠滑道，從而可以將利用液壓油缸與耳板聯(lián)動(dòng)控制伸縮梁伸縮的方式更改為直接利用液壓油缸來控制伸縮梁伸縮的方式，防止耳板出現(xiàn)變形。

（2）考慮在液壓支架伸縮梁耳板易變形側(cè)使用加強(qiáng)筋進(jìn)行焊接加固，增加了耳板抗壓強(qiáng)度，提高了耳板抵御從液壓支架托板方向傳過來的不均衡力的作用，從而改善了耳板變形狀況。

（3）考慮利用力的反向作用的原理在液壓支架伸縮梁耳板易變形處的內(nèi)側(cè)焊接一道彎蓋板，從反方向上增加一個(gè)支撐力來抵消耳板正向受力作用，防止耳板變形。

3.3 方案評(píng)估

針對(duì)以上提出的3 個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行分析，具體方案如下：

方案一：能夠解決液壓支架伸縮梁耳板受力變形問題，但對(duì)液壓支架的改動(dòng)范圍較大，而且改進(jìn)后伸縮梁托板承壓能力沒有原來的強(qiáng)度大，因液壓支架伸縮梁和護(hù)幫板主要作用是用來支護(hù)頂板和煤壁，保證工作面頂板支護(hù)安全，所以在對(duì)液壓支架構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化改造時(shí)支護(hù)強(qiáng)度的大小是需要首先考慮的問題，因此排除方案一。

方案二：能夠解決液壓支架伸縮梁耳板受力變形問題，而且改動(dòng)范圍較小，屈服強(qiáng)度也得到了提高，但是因耳板與托板連接處的間隙太小，在進(jìn)行增焊加強(qiáng)筋操作時(shí)施工工藝非常困難，只能在耳板上增焊小部分加強(qiáng)筋，從而導(dǎo)致在井下使用過程中加強(qiáng)筋容易脫落的現(xiàn)象，因此排除方案二。

方案三：能夠徹底有效解決液壓支架伸縮梁耳板受力變形問題，而且改動(dòng)范圍較小，耳板的屈服強(qiáng)度也得到了很大的提高，同時(shí)在正常施工過程中也不會(huì)出現(xiàn)焊接困難問題，因此方案三為最優(yōu)方案。

3.4 方案實(shí)施及效果分析

通過對(duì)設(shè)計(jì)方案的校核并利用三維仿真技術(shù)，得到了如圖2 所示的支架伸縮梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖2 液壓支架伸縮梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般情況下，在進(jìn)行綜采液壓支架維修時(shí)，當(dāng)支架伸縮梁耳板出現(xiàn)彎曲變形時(shí)，通常情況下需重新更換伸縮梁，一件ZY9400/28/62 型液壓支架伸縮梁單價(jià)在4 萬元左右，而在耳板上增焊一塊彎板，材料費(fèi)用及加工費(fèi)用合計(jì)約600 元左右。由此可知，采用方案三對(duì)支架伸縮梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，每架支架修理費(fèi)用約節(jié)省39 400 元，極大地節(jié)約了維修成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

該優(yōu)化方案設(shè)計(jì)利用了力的反向作用原理，徹底有效解決了大采高綜采液壓支架伸縮梁耳板在使用過程中受到不可抗拒因素出現(xiàn)彎曲變形的問題，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了該類型液壓支架的支護(hù)性能和對(duì)井下作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。該優(yōu)化方案施工工藝簡單，取得的經(jīng)濟(jì)效益顯著，為今后在設(shè)計(jì)優(yōu)化該系列液壓支架伸縮梁機(jī)構(gòu)提供了參考，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。