龐曉亮，徐亞軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

1 概 述

液壓支架作為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著支護(hù)工作面頂板、保障人員和設(shè)備安全的重要任務(wù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，四連桿式液壓支架因其具有調(diào)高幅度大、抗扭能力強(qiáng)、擋矸裝置完善等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-4]。但是隨著開采高度的增加和工作面支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，四連桿式液壓支架的缺點(diǎn)開始逐漸暴露出來。

首先，對于大采高液壓支架，由于支架調(diào)高幅度過大，當(dāng)支架處于低位時(shí)(高架低用)，掩護(hù)梁背角較小，堆積在掩護(hù)梁上的矸石不易滑落。當(dāng)掩護(hù)梁上的矸石密實(shí)接頂時(shí)，掩護(hù)梁會(huì)出現(xiàn)承載現(xiàn)象，支架上方的合力作用點(diǎn)向采空區(qū)方向移動(dòng)，支架容易出現(xiàn)“高射炮”不良支護(hù)姿態(tài)，此時(shí)液壓支架的頂梁或掩護(hù)梁等結(jié)構(gòu)件最容易變形損壞[5-8]。

其次，對于目前常用的兩柱掩護(hù)式液壓支架，平衡千斤頂作用力是內(nèi)力，只能調(diào)整頂梁狀態(tài)，無法改變四連桿機(jī)構(gòu)姿態(tài)。由于四連桿是一個(gè)單自度的開環(huán)控制機(jī)構(gòu)，液壓支架接頂承載時(shí)立柱無法調(diào)整行程，四連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作失去了動(dòng)力源，因而無法在承載狀態(tài)下進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整與控制，這也是目前液壓支架只進(jìn)行姿態(tài)感知而不進(jìn)行姿態(tài)控制的主要原因[9，10]。

《智能化煤礦驗(yàn)收辦法(試行)》規(guī)定生產(chǎn)條件較好的Ⅰ、Ⅱ類礦井薄及中厚煤層工作面應(yīng)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化無人操作，生產(chǎn)條件較差的Ⅲ類礦井薄及中厚煤層工作面每班作業(yè)人數(shù)不超過3人。若要真正實(shí)現(xiàn)工作面無人化開采，必須要解決液壓支架自主調(diào)姿問題[11-15]。

1—頂梁；2—立柱；3—平衡千斤頂；4—掩護(hù)梁；5—后連桿；6—調(diào)姿千斤頂；7—上前連桿；8—下前連桿；9—底座圖1 五連桿式液壓支架

不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有四連桿式液壓支架已很難滿足智能化開采需要，為此提出五連桿式液壓支架，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[16]。由圖1可知，該型支架是在原有四連桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)下前連桿(控制連桿)和調(diào)姿千斤頂。整個(gè)液壓支架由頂梁、立柱、平衡千斤頂、掩護(hù)梁、后連桿、調(diào)姿千斤頂、上前連桿、下前連桿、底座等部件組成。其中，掩護(hù)梁、上前連桿、下前連桿、后連桿和底座五個(gè)部件是該型支架的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)(圖1中紅色部分)，因此將其稱為五連桿式液壓支架。由于底座是該連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架，易知其自由度為[17]：

F=3×n-2×pl

(1)

式中，n為該連桿機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量；pl為該連桿機(jī)構(gòu)的低副數(shù)量。該型支架的活動(dòng)構(gòu)件為上前連桿、下前連桿、后連桿和掩護(hù)梁，易知n=4；由于上前連桿、下前連桿、后連桿、掩護(hù)梁和底座一共有5個(gè)鉸接點(diǎn)，易知pl=5。

將上述參數(shù)代入到式(1)得：F=3×4-2×5=2。不難發(fā)現(xiàn)，五連桿式液壓支架的自由度為2。正是由于多了一個(gè)自由度，這樣液壓支架在正常支護(hù)時(shí)，盡管立柱無法動(dòng)作，但是液壓支架還有一個(gè)自由度，因而可以實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下自由調(diào)姿。由圖可知，下前連桿與上前連桿鉸接，以便于液壓支架進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控；調(diào)姿千斤頂分別與下前連桿、底座鉸接，通過控制調(diào)姿千斤頂長度就可以改變五連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)狀態(tài)，具體方式為：當(dāng)調(diào)姿千斤頂?shù)拈L度不變，調(diào)姿千斤頂與下前連桿的位置相對固定，則五連桿機(jī)構(gòu)就變?yōu)槟壳暗乃倪B桿機(jī)構(gòu)，若改變調(diào)姿千斤頂?shù)拈L度，調(diào)姿千斤頂與下前連桿的固定關(guān)系隨即解除，則五連桿機(jī)構(gòu)的姿態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)液壓支架支護(hù)姿態(tài)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)自適應(yīng)控制。相對四連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，五連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)具有更大的設(shè)計(jì)自由度：通過增加一個(gè)控制連桿，理論上可以縮短充填式等特殊型液壓支架的斜梁長度，保證整個(gè)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)位于前、后立柱中間，將現(xiàn)有的特殊型液壓支架前、后單連桿式結(jié)構(gòu)改為前、后雙連桿式結(jié)構(gòu)，提高液壓支架穩(wěn)定性和抗扭能力。不難發(fā)現(xiàn)，五連桿機(jī)構(gòu)作為液壓支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，不僅可以保證液壓支架的橫向和縱向穩(wěn)定性，而且可以提高液壓支架抵抗偏載能力。

2 液壓支架平面桿系力學(xué)分析

建立五連桿式液壓支架平面桿系模型如圖2所示(為簡單起見，不考慮液壓支架受力不均而引起的扭轉(zhuǎn)力)。圖2中，O點(diǎn)為頂梁與掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)，O1點(diǎn)、O2點(diǎn)分別為上前連桿和后連桿、下前連桿和后連桿速度瞬心，L為頂梁長度，H為液壓支架高度，H1、H2分別為O2點(diǎn)到頂梁和調(diào)姿千斤頂?shù)拇咕?，r、r1、r2分別為O點(diǎn)、O1點(diǎn)、O2點(diǎn)到立柱的垂距，F(xiàn)1、F2、F3分別為上前連桿力、下前連桿力和后連桿力，P為液壓支架支護(hù)阻力，P1為調(diào)姿千斤頂作用力，PE為平衡千斤頂作用力，Q、x分別為液壓支架合外力及其作用位置，t為O點(diǎn)到平衡千斤頂?shù)拇咕?，bc為O1點(diǎn)到O點(diǎn)的水平距離，be為O2點(diǎn)到O點(diǎn)的水平距離，f為頂梁與頂板間的摩擦因數(shù)，取f=0～0.3。

圖2 五連桿式液壓支架平面桿系模型

取頂梁和掩護(hù)梁作為隔離體，各力對O1點(diǎn)取矩，根據(jù)平衡方程，有：

r1P+(H0+bctanφ)Qf-(x+bc)Q=0

(2)

取頂梁作為隔離體，各力對O點(diǎn)取矩，根據(jù)平衡方程，有：

rP+H0Qf+tPE-xQ=0

(3)

取頂梁、掩護(hù)梁、下前連桿和后連桿作為隔離體，各力對O2點(diǎn)取矩，有：

H1Qf+r2P-Q(x+be)-H2P1=0

(4)

由方程(2)和(3)得到液壓支架合外力Q為：

頂梁合力作用點(diǎn)位置x為：

由方程(4)得到調(diào)姿千斤頂作用力P1為：

取頂梁和掩護(hù)梁作為隔離體，各力分別對水平和垂直方向取力系平衡方程，有：

Qf+F1sinα1+F3sinα3-Psinβ=0

(8)

Pcosβ+F1cosα1+F3cosα3-Q=0

(9)

式中，α1、α3、β分別為上前連桿、后連桿、立柱的垂直方向夾角。

由方程(8)和(9)得到上前連桿力F1和后連桿力F3為：

取頂梁、掩護(hù)梁、上前連桿、下前連桿和后連桿作為隔離體，各力分別對水平和垂直方向取力系平衡方程，有：

Qf+F3sinα3-F2sinα2-P1sinα4-Psinβ=0

(12)

Pcosβ+F3cosα3+F2cosα2+P1cosα4-Q=0

(13)

式中，α2、α4分別為下前連桿、調(diào)姿千斤頂?shù)拇怪狈较驃A角。

由方程(12)和(13)得到下前連桿力F2為：

3 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真

在如圖2所示的五連桿式兩柱掩護(hù)式液壓支架平面桿系模型的基礎(chǔ)上，利用Creo軟件對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析該型支架連桿力變化曲線以及連桿、立柱運(yùn)動(dòng)過程中垂直方向夾角變化特性，基于上述計(jì)算結(jié)果，對該型支架連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真是以液壓支架平面桿系模型為基礎(chǔ)(液壓支架骨架模型)，將前面建立的液壓支架支護(hù)阻力、調(diào)姿千斤頂作用力、連桿力等關(guān)系式編寫進(jìn)Creo軟件程序當(dāng)中，同時(shí)在程序中完成立柱垂直方向夾角、連桿與掩護(hù)梁夾角、梁端距、頂梁和掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)至平衡千斤頂、立柱的中心線距離等相關(guān)參數(shù)設(shè)置[18-20]?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，結(jié)合力學(xué)關(guān)系式，便可進(jìn)行五連桿式液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)而獲得液壓支架主要參數(shù)在支架不同工作高度變化曲線。

4 液壓支架連桿參數(shù)優(yōu)化

本文以ZY12000/29/65型四連桿式兩柱掩護(hù)式液壓支架為例，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，現(xiàn)在其基礎(chǔ)上增加一個(gè)下前連桿和調(diào)姿千斤頂，構(gòu)成五連桿式液壓支架。

表1 ZY12000/29/65型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

下前連桿初始長度為600mm，根據(jù)測量得到的變化曲線，分析下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的變化特性，具體結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在液壓支架由低到高的運(yùn)動(dòng)過程中，下前連桿力在液壓支架低位時(shí)基本保持穩(wěn)定，當(dāng)高度超過4519mm時(shí)，下前連桿由受壓變?yōu)槭芾?壓為正，拉為負(fù))，之后下前連桿力隨液壓支架高度增加開始不斷增大，最大壓力為174kN，最大拉力為3659kN；而調(diào)姿千斤頂作用力一開始隨液壓支架支護(hù)高度增加不斷減小，當(dāng)高度超過5334mm時(shí)，調(diào)姿千斤頂由受拉變?yōu)槭軌?，之后調(diào)姿千斤頂作用力開始不斷增大，最大壓力為5122kN，最大拉力為4212kN。由圖3可知，當(dāng)液壓支架高度在5158mm時(shí)，兩條曲線相交，下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力相等，此時(shí)下前連桿和調(diào)姿千斤頂都受拉，拉力為463kN。

圖3 液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力變化曲線

在其他參數(shù)不變的情況下，單純地改變下前連桿參數(shù)，觀察下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的變化特性。為簡單起見，本文分析5種下前連桿長度下(800mm、700mm、600mm、500mm、400mm)液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的變化特性，具體結(jié)果如圖4所示。不難發(fā)現(xiàn)，隨著下前連桿設(shè)計(jì)長度的減小，下前連桿具有整體受拉趨勢，當(dāng)下前連桿受壓時(shí)，下前連桿力隨之減小，當(dāng)下前連桿受拉時(shí)，下前連桿力隨之增大；而調(diào)姿千斤頂作用力則與之相反，當(dāng)調(diào)姿千斤頂受拉時(shí)，調(diào)姿千斤頂作用力隨之減小，當(dāng)調(diào)姿千斤頂受壓時(shí)，調(diào)姿千斤頂作用力隨之增大，并且下前連桿設(shè)計(jì)長度對兩者作用力的影響明顯。根據(jù)液壓支架設(shè)計(jì)要求，結(jié)合五連桿機(jī)構(gòu)本身的裝配要求，確定下前連桿設(shè)計(jì)長度為400mm，此時(shí)下前連桿整體受拉，最大拉力為3749kN；而調(diào)姿千斤頂在液壓支架工作高度為4884mm時(shí)，開始由受拉向受壓轉(zhuǎn)變，最大壓力為5128kN，最大拉力為3359kN。

圖4 不同下前連桿參數(shù)下液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力對比曲線

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相繼縮短上前連桿和后連桿設(shè)計(jì)長度，將上前連桿設(shè)計(jì)長度由2686mm縮短至2466mm，后連桿設(shè)計(jì)長度由2652mm縮短至2467mm，分析此時(shí)掩護(hù)梁背角(掩護(hù)梁表面與水平面的夾角)是否滿足設(shè)計(jì)要求。針對掩護(hù)式液壓支架，在最大支護(hù)高度時(shí)，掩護(hù)梁最大背角一般取αmax=58°～62°；在最小采高時(shí)，掩護(hù)梁最小背角滿足tanαmin≥f。若取f=0.3，最小采高為3.8m，測量得到掩護(hù)梁最大、最小背角分別為63.3°、18.5°，顯然，掩護(hù)梁背角符合設(shè)計(jì)要求，移架過程中掩護(hù)梁背負(fù)的矸石可以沿梁體下滑，說明該型支架最小采高應(yīng)不小于3.8m。此時(shí)根據(jù)測量結(jié)果，得到最大下前連桿力為3841kN，最大調(diào)姿千斤頂作用力為5254kN。

在此基礎(chǔ)上，分別得到上前連桿參數(shù)、后連桿參數(shù)對下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的大小影響變化曲線(圖5、圖6)。如圖5所示，隨著上前連桿設(shè)計(jì)長度的減小，當(dāng)下前連桿受壓時(shí)，下前連桿力隨之增大，反之，下前連桿力隨之減??；而調(diào)姿千斤頂作用力在調(diào)姿千斤頂受拉時(shí)隨之增大，在調(diào)姿千斤頂受壓時(shí)隨之減小。由圖6可知，后連桿設(shè)計(jì)長度與上前連桿設(shè)計(jì)長度對下前連桿力、調(diào)姿千斤頂作用力的影響作用正好相反，而且影響作用明顯。

圖5 不同上前連桿參數(shù)下液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力對比曲線

圖6 不同后連桿參數(shù)下液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力對比曲線

圖7 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度變化曲線

圖8 上前連桿與下前連桿鉸接點(diǎn)位置變化曲線

五連桿式液壓支架優(yōu)化前后各連桿設(shè)計(jì)長度及性能參數(shù)值分別見表2、表3。由表2可知，盡管五連桿式液壓支架增加一個(gè)下前連桿，但相比四連桿機(jī)構(gòu)，五連桿機(jī)構(gòu)整體尺寸還要小于其整體尺寸，沒有大幅增加液壓支架重量。由表3可知，五連桿式液壓支架連桿力經(jīng)過優(yōu)化有一定程度減小，從而改善了液壓支架受力特性。

表2 優(yōu)化前后各連桿設(shè)計(jì)長度

表3 優(yōu)化前后性能參數(shù)

5 結(jié) 論

1)在工作行程內(nèi)，五連桿式液壓支架的下前連桿力、調(diào)姿千斤頂作用力大小與連桿設(shè)計(jì)長度關(guān)系密切，且連桿設(shè)計(jì)長度對兩者作用力影響顯著。

2)上前連桿與下前連桿鉸接點(diǎn)位置變化對五連桿式液壓支架支護(hù)強(qiáng)度有明顯影響，通過相關(guān)優(yōu)化，在比較大的開采高度范圍內(nèi)，五連桿式液壓支架明顯高于四連桿式液壓支架，據(jù)此可以確定五連桿式液壓支架最大采高。

3)較四連桿式液壓支架而言，五連桿式液壓支架力學(xué)特性比較復(fù)雜，連桿參數(shù)對五連桿式液壓支架力學(xué)特性影響明顯，必須要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，讓五連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)滿足液壓支架設(shè)計(jì)要求。