六柱支撑式固体充填液压支架的设计研究.pdf

21 采 掘 本栏目编辑 李文民 第 39 卷 2011 年第 7 期 六柱支撑式固体充填液压支架的 设计研究 崔永亮，郭海伟，金 桃 郑州四维机电设备制造有限公司 河南郑州 450001 摘要介绍了六柱支撑式充填液压支架的主要结构和工作原理，确定了工作阻力以及相关设备选型， 完成了后部压实机构的设计，通过 PSOD 系统对液压支架进行了受力分析和相应的参数优化。 关键词充填开采；液压支架；参数优化 中图分类号TD355.41 文献标识码B 文章编号1001-3954201107-0021-04 Design and study of six-legged supporting solid-fi lling hydraulic support CUI Yongliang，GUO Haiwei，JIN Tao Zhengzhou Siwei Mechanical hydraulic support; parametric optimization 作者简介崔永亮，男，1969 年生，工程师，主要从事液压支 架的设计工作。 目 前，固体废弃物的井下处理和“三下”压煤的 合理回收已成为国内外煤矿可持续发展的一个 主要技术途径，固体充填采煤技术是解决煤矿开采环 境问题的理想途径之一，已经取得了一些有益的研究 结果和部分实践经验，初步解决了充填采矿的成本和 高效机械化开采配套设备的研制问题，这为充填液压 支架的研究奠定了良好的基础。 1 充填液压支架原理 充填液压支架是综合机械化采煤工作面主要装备 之一，它与采煤机和刮板输送机配套使用，起着管理 顶板、隔离围岩和维护作业空间的作用，与刮板输送 机配套，推进采煤工作面连续作业[1]。 综采固体充填液压支架工作原理如图 1 所示。固 体充填物料通过后悬式固体充填输送机中部槽槽板上 的落矸孔落下充入采空区。为有效控制固体的充填范 围，在中部槽的侧面增设插口，并安设插板，以控制 3 结语 1 在合理的渗硼剂与渗硼工艺下，渗硼层的物 相主要为 Fe2B，最终的渗硼层的厚度约为 117 m， 平均显微硬度约为 1 680 HV。 2 碳硼复合渗层的硬度与磨粒硬度满足 Hm≥ 1.3Ha 的关系，可以预测该处理方法可以提高其耐磨 性能。 3 在同硬度区间内的磨损试验中，40CrNiMo 钢 碳硼复合渗后的耐磨性是企业标准处理试样的 2.17 倍，在企业中具有一定指导生产的作用。 参 考 文 献 [1] 杨丽颖，王守仁，王红岩，等. 截齿形变热处理的组织观察 [J]. 机床与液压，2001，7108-110. 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[5] 邵和生，张 清. 金属的磨料磨损与耐磨材料 [M]. 北京机 械工业出版社，198853. □ 收稿日期2011-03-07 修订日期2011-04-24 22 第 39 卷 2011 年第 7 期 采 掘 本栏目编辑 李文民 漏矸量。在充填过程中，固体充填输送机上刮板推移 充填物料进入落矸孔进行充填，输送机下刮板推平由 落矸孔落入采空区的固体充填物，安装在液压支架后 部的推压压实装置将固体充填物压实，提高固体充填 物的密实度和接顶率。 图 1 综采固体充填液压支架示意图及工作原理 Fig 1 Sketch and working principle of fi lling hydraulic support with solid from fully-mechanized mining operation 后悬式固体充填输送机随移架前移，可实现弯曲 运输，移架不影响运输充填物料。后悬式固体充填输 送机是在充填液压支架尾梁的掩护下进行的，可保证 充填设备的安全。设备维修时，可以前移支架以保证 维修空间。充填过程中人员无需进入充填区。 2 充填液压支架设计 2.1 充填工作面基本条件 以平煤集团某矿为例，充填工作面煤层厚度 2.3～3.5 m，平均 3.0 m，工作面长度为 150 m 煤对 煤，煤层倾角 15，煤质硬度 f＝1.2，顶底板条件如 表 1 所列。全区可采，属于较稳定煤层，初步设计生 产能力为 60 万 t/a。 表 1 充填工作面顶底板条件 Tab 1 Conditions of top and bottom plate of fi lling face 类别岩石名称厚度/m主要岩性特征 顶 板 基本顶 细砂岩、 中砂岩 31.20～ 56.90 灰白色，成分以石英为主、长 石次之，石英含量 80 直接顶 中砂岩、 细砂岩 0～9.00 灰白色，成分以石英为主、长 石次之，石英含量 70。20-1 钻 孔发育有 2.58 m 的泥岩伪顶 底 板 底 1炭质泥岩0.90～1.20 黑色，松软易碎，染手，含大 量植物化石 底 2 泥岩、细 砂岩 3.57～9.83 20-1 孔为泥岩，乡-40 孔为 细砂岩 2.2 工作阻力的确定 综采工作面液压支架主要受上覆可垮落下位岩层 直接顶 的静压力和上位岩层 基本顶 来压时的动 压力的影响[2-3]。笔者采用跨落带岩重法计算工作阻 力，即 P＝nBpLKLD103/η1η2， 1 其中，p＝kH1， H1＝M/ϕ-1。 式中P 为支架工作阻力，kN；n 为安全系数，n＝ 1.1～1.4；B 为支架中心距，m；p 为顶板直接压强， MPa；k 为基本顶来压时动载荷系数，k＝1.1～2.0； LK 为空顶距，mm；LD 为顶梁长度，mm；η1 为支护 效率，η1＝0.90～0.98；η2 为安全阀波动系数，η2＝ 0.95；H1 为可及时垮落的上岩层厚度，m；M 为煤 层最大采高，m；ϕ 为直接垮落后未经压实的碎胀系 数，ϕ＝1.1～1.3；γ 为岩层密度，t/m3。 根据式 1 的计算结果及我国行业标准中工作阻 力系列，工作阻力选择 8 800 kN。 2.3 配套设备选型 选择 MG300/700-WD 型采煤机，SGZ764/500 型刮板输送机，SGBC764/250 型充填输送机。 2.4 压实机构设计 以矸石和粉煤灰混合物作为充填物料，在不同 配比条件下，充填物料压实度与压实力的变化关系 如图 2 所示。经试验可知，当矸石与粉煤灰配比为 1∶0.6，压实力为 1.5～7.0 MPa 时，压实的变形量最 小，表明此时的充填物料经夯实后，给予覆岩层的有 效变形空间最小，可以较好地控制采场顶板，达到限 定覆岩层的移动，从而控制地表的变形量在允许的变 形范围之内[4-5]。 矸石与粉煤灰配比1─1.0∶0.8；2─1.0∶0.6；3─1.0∶0.4； 4─1.0∶0.2；5─0.2∶1.0；6─0.8∶1.0；7─0.4∶1.0；8─1.0∶0.5； 9─1.0∶1.0；10─0.6∶1.0；11─1.0∶0；12─0∶1.0。 图 2 不同配比条件下充填材料压实度与压实压力的关系 Fig 2 Relationship between compacting degree and compacting stress at various matching proportions 从图 2 可以看出，当矸石与粉煤灰配比为 1∶0.6 时，压实压力大于 2 MPa 以后，压实度的变化并不明 显。经过综合考虑，认为压实力达到 2 MPa 即可满足 对固体充填物的压实需求[6]。上部压实机构采用与底 座铰接的方式，压实头仿铲斗机构设计并可拆卸。下 部压实机构采用 2 个独立的内伸缩式箱体结构，大大 改善了压实效果。 2.5 充填液压支架结构 六柱支撑式充填液压支架的型号最终确定为 ZC8800/20/38，结构如图 3 所示。支架采用铰接前 梁-前顶梁-后顶梁，Y 形正四连杆六柱支撑式。采用 Y 形上连杆，上部 2 处与前顶梁铰接，提高了支架的 抗扭能力。Y 形上连杆中间留有观察口，便于观察后 23 采 掘 本栏目编辑 李文民 第 39 卷 2011 年第 7 期 部的充填程度。后顶梁采用 2 根立柱支撑，以提高支 架后顶梁的支护能力。 1. 前顶梁 2. 后顶梁 3. 后顶梁立柱 4. 上部压实机 5. 下部压实机 6. 底座 图 3 六柱支撑式充填液压支架结构 Fig 3 Six-legged supporting solid-fi lling hydraulic support 3 参数优化及受力分析 3.1 充填液压支架参数优化 液压支架参数优化的关键在于对四连杆结构的优 化。当四连杆的运动轨迹呈正摆曲线时，液压支架受 力状况和底板比压最为合理。通过 PSOD 软件对六柱 支撑式充填液压支架的四连杆进行结构优化，取前后 连杆的比值范围为 0.9～1.2，其他优化设置条件设定 如图 4 所示。 图 4 液压支架四连杆优化条件设置 Fig 4 Setting for optimization conditions of four-bar linkage of hydraulic support 根据设定的优化条件，经液压支架优化设计系统 的计算，得出前后连杆长度及其他参数 见图 5。 3.2 充填液压支架优化结果 1 采用计算机对四连杆的受力和双纽线振摆进 行优化。如图 6 所示，双纽线振摆为 65 mm，满足规 范 不应大于 80 mm 要求，在工作段由高向低屈服回 缩时，支架有向前方运动趋势，顶板对顶煤产生向煤 壁方向的压力，可防止顶煤的破断而发生冒顶。 2 选取顶梁对顶板的摩擦因数 f＝0.3，摩擦力指 向采空区，对参数优化后的六柱支撑式充填液压支架 的四连杆受力状况进行分析。连杆受力如图 7 所示。 图 7 连杆受力 f＝0.3 Fig 7 Stress of bar f＝0.3 从图 7 中可以看出，参数优化后的前、后连杆在 工作段高度为 2 000～3 800 mm 时，最大受力分别为 图 5 液压支架四连杆优化设计计算 Fig 5 Optimization calculation of four-bar linkage of hydraulic support 图 6 六柱支撑式充填液压支架双扭线 Fig 6 Double twist curve of six-legged supporting solid-fi lling hydraulic support 24 第 39 卷 2011 年第 7 期 采 掘 本栏目编辑 李文民 基于 ANSYS Workbench 的 液压支架立柱优化分析 郑晓雯，李锦彪，刘 颖，张东杰 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院 北京 100083 摘要在有限元分析软件 ANSYS Workbench 的 Design Modeler DM 模块中建立液压支架立柱缸体 的参数化模型，然后导入该软件的 Design Simulation DS 模块中进行有限元分析。根据有限元分析结 果，选取缸体内、外径为设计变量，等效应力和变形量为目标参数，最后在该软件的 Design Xplorer DX 模块中对立柱缸体进行优化。 关键词液压支架；立柱；参数化模型；有限元分析；优化设计 中图分类号TD355 文献标识码A 文章编号1001-3954201107-0024-03 作者简介郑晓雯，女，1958 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事机械现代设计方法及应用方面的研究。 -5 800 kN 和 6 200 kN，只相当于工作阻力的 66 和 70.5，符合设计规范 连杆力小于 80 的工作阻力 的要求。在同等连杆断面和选材情况下，相对提高了 连杆的抗弯和抗偏载能力。 3 摩擦因数 f＝0.3 时，底板比压如图 8 所示。 图 8 底板比压 f＝0.3 Fig 8 Specifi c pressure of bottom plate f＝0.3 从图 8 中可以看出，经过结构优化设计，该支架 底板前端比压较小，后端比压较大。这样能防止支架 在使用过程中产生扎底现象，有利于支架的推移。 4 结语 六柱支撑式充填液压支架的设计，突破了以往四 柱式充填液压支架对于后顶梁支护方式的限制，大大 提高了对顶板下沉量的控制，提高了对后部充填物的 压实效果。采用 PSOD 对液压支架四连杆结构的参数 优化，使四连杆的运动轨迹呈正摆曲线，在工作段由 高向低屈服回缩时，支架有向前方运动趋势，可防止 因顶煤的破断而发生冒顶。通过参数优化，提高了四 连杆的抗弯曲和抗偏载能力，支架的底板比压也更为 合理。 目前六柱支撑式充填液压支架已在平煤集团某矿 的充填工作面投入使用，取得了良好的效果，基本解 决了该矿村庄下压煤的开采问题，具有良好的经济、 社会和环境效益。 参 考 文 献 [1] 宓德广. 充填液压支架的研制 [J]. 煤矿机电，2008，316 38-42. 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