趙海斌

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

液壓支架為綜采工作面重要的支護(hù)設(shè)備。目前，工作面所應(yīng)用的液壓支架主要為步進(jìn)式液壓支架，該型液壓支架實(shí)際是在原有液壓支架基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造所得的產(chǎn)品，并沒有從根本上解決頂板支撐易碎的問題。超前液壓支架為比步進(jìn)式液壓支架更進(jìn)一步且技術(shù)更先進(jìn)的液壓支架，但是該型液壓支架在前行時由于頂梁和頂板之間的滑動摩擦同樣會影響設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。因此，為有效解決上述問題，設(shè)計(jì)履帶液壓支架，其采用滾筒移架的方式完成液壓支架的前行，減小頂梁和頂板之間的摩擦。

1 履帶液壓支架的總體參數(shù)確定

1.1 工作面超前支護(hù)現(xiàn)狀分析

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求順槽工作面超前支護(hù)的距離不小于20 m。傳統(tǒng)工作面主要以單體液壓支柱實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)，但是其在實(shí)際應(yīng)用中存在支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)速度慢以及勞動強(qiáng)度大的問題。雖然超前液壓支護(hù)在某種程度上解決了單體液壓支護(hù)所面臨的問題，但是其并未從根本上解決頂板破碎嚴(yán)重的問題。因此，本文將根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際生產(chǎn)工況完成履帶液壓支架的設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行仿真評估驗(yàn)證[2]。

理論上影響綜采工作面超前支護(hù)性能的主要因素包括有礦壓和移架方式。其中礦壓直接決定配套液壓之際的工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度；而移架方式直接影響頂梁對頂板的摩擦系數(shù)，從而決定對頂板的破壞程度。

單體液壓支柱為我國最早應(yīng)用的超前支護(hù)設(shè)備，該設(shè)備主要通過人工進(jìn)行移架，在實(shí)際工況中主要表現(xiàn)為支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效率低以及開采成本高的不足。

對于超前支護(hù)液壓支架，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同可分為自移式超前支護(hù)液壓支架、跨騎式超前支護(hù)液壓支架、大采高四連桿式超前支護(hù)液壓支架和履帶行走式液壓支架。總的來講，超前支護(hù)液壓支架仍然存在頂梁和頂板滑動摩擦的問題[3]。因此，本文將設(shè)計(jì)一款新型履帶行走式超前支護(hù)液壓支架。

1.2 新型履帶行走式超前支護(hù)液壓支架總體參數(shù)確定

結(jié)合履帶行走式液壓支架在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問題，將頂梁與頂板之間的滑動摩擦改進(jìn)為滾筒摩擦，即將頂梁也采用履帶式結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型履帶行走式超前液壓支架整體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，新型履帶行走式超前液壓支架主要包括有頂梁履帶、上下驅(qū)動輪、液壓立柱、四連桿機(jī)構(gòu)以及上下導(dǎo)向輪等。結(jié)合超前液壓支架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)和綜采工況，對應(yīng)新型履帶行走式超前液壓支架的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 新型履帶行走式超前液壓支架的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 新型履帶行走式液壓支架行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

新型履帶行走式液壓支架與傳統(tǒng)普通超前支護(hù)液壓支架的本質(zhì)區(qū)別在于頂梁與頂板的滑動摩擦改進(jìn)為滾筒摩擦。因此，本文重點(diǎn)對頂梁履帶頂梁機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。為保證所設(shè)計(jì)新型履帶行走式液壓支架在實(shí)際應(yīng)用的效果，對應(yīng)履帶頂梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)滿足如下要求：

1）所新增的履帶頂梁機(jī)構(gòu)不能影響液壓支架立柱和四連桿功能的發(fā)揮。

2）新增的履帶頂梁機(jī)構(gòu)在實(shí)際移機(jī)過程中的阻力應(yīng)較小且不影響液壓支架的正常支護(hù)功能的發(fā)揮。

3）履帶頂梁機(jī)構(gòu)應(yīng)具備一定的轉(zhuǎn)向功能，以適應(yīng)彎曲工作面的生產(chǎn)要求。

2.1 履帶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶板為直接與工作面頂板接觸的部件，其作為載荷傳動的部件，而且在移架過程中還需承受一定的滾筒摩擦。因此，對履帶板硬度的要求較高，故采用合金鋼對履帶板進(jìn)行鑄造。履帶板可以分為整體式和組合式兩種形式。由于整體式履帶板的制造成本較高且加工精度較大，本方案采用組合式履帶板結(jié)構(gòu)。為保證履帶板具有足夠的牽引力，需在履帶板結(jié)構(gòu)上配置一定高度的履刺。為保護(hù)工作面頂板的完整性，頂梁履帶板上履刺的高度設(shè)計(jì)為20 mm。

2.2 驅(qū)動方案設(shè)計(jì)

履帶頂梁機(jī)構(gòu)需要足夠且穩(wěn)定的驅(qū)動力才能夠達(dá)到高效、安全、快速移架功能。針對頂梁履帶機(jī)構(gòu)可采用的驅(qū)動方式包括有曲柄滑塊、曲柄滑塊加鏈傳動、搖桿滑塊、液壓缸直線等驅(qū)動方案。其中，曲柄滑塊和曲柄滑塊加鏈傳動的驅(qū)動方式由液壓缸直接向驅(qū)動輪提供驅(qū)動力；搖桿滑塊驅(qū)動方式通過液壓缸將驅(qū)動力傳動至擺桿，由擺桿向驅(qū)動輪提供驅(qū)動力；液壓缸直線驅(qū)動方式由液壓缸直接將驅(qū)動力提供給履帶實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，同時所配套的兩組液壓缸能夠保證履帶的驅(qū)動力連續(xù)[5]。

綜合從空間限制因素、復(fù)雜程度、傳動效率對比上述四種驅(qū)動方案的優(yōu)劣勢，得出頂梁履帶機(jī)構(gòu)采用液壓缸直線方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能，該驅(qū)動方式具有較高的驅(qū)動效率，且其不受空間的限制，復(fù)雜程度也一般。

3 頂梁履帶機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

頂梁履帶機(jī)構(gòu)的動力學(xué)性能直接決定履帶行走式液壓支架在實(shí)際應(yīng)用中的移架效率和可靠性。本節(jié)基于ADAMS 仿真軟件對頂梁履帶結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。頂梁履帶結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表2 所示。

根據(jù)表2 中的參數(shù)完成模型的搭建，并完成約束副添加、接觸定義，對兩組液壓缸施加驅(qū)動后對履帶架的行走速度進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

表2 頂梁履帶機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

圖2 履帶架行走速度仿真結(jié)果

如圖2 所示，由于頂梁履帶機(jī)構(gòu)是依靠兩組液壓缸交替完成驅(qū)動任務(wù)，在6.26 s 后由于第一組液壓缸向第二組液壓缸的轉(zhuǎn)移，履帶架行走速度出現(xiàn)較為明顯的波動，但是波動時間僅持續(xù)在6.26～6.295 s 之間。但是，除此更替階段以外，履帶架的行走速度均處于相對穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保持在138.89 mm/s 左右。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的新型履帶行走式液壓支架的關(guān)鍵改進(jìn)點(diǎn)在于其頂梁與頂板之間的摩擦從滑動摩擦改進(jìn)為滾筒摩擦。通過動力學(xué)仿真分析可知，基于液壓缸直線驅(qū)動方式可保證頂梁履帶機(jī)構(gòu)保持在相對恒定的速度穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效、快速的移架功能。