立柱布置方式对掩护式液压支架力学性能的影响分析.pdf

第 1 7卷 第4期 总第 1 0 7期 2 0 1 2年 8月 煤矿 开采 Co a l mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 7 N o ． 4 S e r i e s N o ． 1 0 7 Au g us t 2 01 2 立柱布 置方 式对掩护式液压支架力学性能 的影响 分析 辛家祥 ，李明忠 ，王建国 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘 要] 立柱布置方式对液压支架的很多力学参数都有影响，立柱布置不合理容易引起液压 支架发生故障或损坏，影响煤矿安全生产。建立了掩护式液压支架的力学模型，分析了立柱布置方式 对支架底座前端比压及连杆受力的影响，为立柱的合理布置提供了理论依据和可行方法。 [ 关键词] 立柱；布置方式；底座比压；连杆受力 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 ． 6 2 2 5 2 0 1 2 0 4 ． 0 0 3 5 0 3 I nflue nc e o f Pr o p Ar r a n g e m e n t o n M e c ha ni c a l Ch a r a c t e r i s t i c o f Sh i e l d Po we r e d Su pp o r t XI N J i a x i a n g ，L I Mi n g z h o n g，WANG J i a n g u o C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g D e p a r t me n t ，T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t S e v e r al me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p r o p a r r a n g e me n t a r e i n fl u e n c e d b y p r o p a r r a n g e me n t ．I rra t i o n a l a r r a n g e me n t ma y r e s u i t i n p o we r e d s u p p o f a i l u r e o r d a ma g e a n d i n f l u e n c e s a f e mi n i n g ．Me c h a n i c a l mo d e l o f s h i e l d p o w e r e d s u p p o wa s s e t u p t o a n aly z e t h e i n f l u e n c e o f p r o p a rra n g e me n t o n s p e c i f i c p r e s s u r e o f f o u n d a t i o n “ s f r o n t e n d a n d f o r c e o f c o n n e c t i n g r o d，a n d p r o v i d e t h e o r e t i c al b a - s i s a n d f e a s i b l e me t h o d f o r r a t i o n a l p r o p a r r a n g e me n t ． Ke y wor ds p r o p；a r r a n g e me n t ；s p e c i fic p r e s s u r e o f f o u nd a t i o n；f o r c e o f c o n ne c t i ng r o d 掩护式液压支架多年的使用经验和试验研究发 现 ，立柱的布置方式对该型支架很多力学参数都有 影响。如果立 柱布置不合 理 ，会造成 支架受力 不 当，进而引起支架发生故障或结构损坏 ，影响煤矿 安全生产 。因此 ，液压支架设计过程中，必须合理 布置立柱 ，使支架 的综合力学性能达到最优。 本文着重分析 了立柱布置方式对底座前端比压 及连杆受力的影响。 1 力学模型建立 液压支架二维杆系力学模型及受力分析如图 1 所示 。 图 1 液压 支架受力 取顶梁为研究 对象 ，对顶 梁与掩 护梁铰 点 D 取矩，由∑M 。 0 ， 得 P D2P 3 D 3 F 1 B 3一 F 1 0 1 取顶梁、掩护梁整体为研究对象，对前后连杆 瞬 心0 点 取矩， 由∑M 。 0 ， 得 F 1 日 1 一 厂 F B 3 一P D l 0 2 由 1 ， 2 式可得 P D2 P3D3一 P Dl t玄j ， 一 ， 等 3 4 同理 ，由水平 方向和竖直方 向合力分别为零 ， 可得 F1 c o t A 一P s i n A 3c o s A 3 c o t A ，3 __ s l n ,z l c __ ot A co s ／ t 一 。 一 F1一 P c o s A3一 F3s i n A5 5 6 取底座为研究对象 ，对前 后连杆瞬心 O取矩 ， 由E M 。 0 ， 得 P D 1F 1 D 4 厂 1 H1 一B 2一B 3 7 由 5 ， 7 式可得 F 1 其 中， 3 式与 8 式是等价的， 据具体情况选用。 [ 收稿 日期 ]2 0 1 2 0 5 0 2 [ 基金项 目] 国家高科技研究发展计划 8 6 3 资助项 目两柱 式超 强力大采高放顶煤液压支架研制 2 0 1 2 A A 0 6 A 4 0 7 [ 作者简介]辛家祥 1 9 8 3 一 ，男，山东阳谷人 ，工程师，主要研究方向为采煤工作面液压支架设计。 8 使用时根 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 7期 煤 矿 开 采 2 0 1 2年 第 4期 上述各式中， P为立柱工作阻力 ，k N； D 为顶 梁与掩护梁铰点 到立柱 中心线 的垂 直距离 ， mm P s 为支架平衡千斤顶工作阻力 ，k N； D 为顶梁与 掩护梁铰点到平衡千斤顶中心线的垂直距离 ， m m ／ 。 为顶梁与顶板问的摩擦系数 ； F 。为顶板对顶梁 的 集 中载荷 ，k N； B s 为顶梁上表面到顶梁与掩护粱铰 点垂直距离，m m； 为顶梁与掩护梁铰点到顶梁外 载作用点的水平距离 ， m m； B 为前 、后连杆瞬 fi , 到顶梁与掩护梁 铰点 的水平距 离 ，m m； B 。为前 、 后连杆瞬 到顶梁与掩护梁铰点的垂直距离 ， mm D- 为前 、后连杆 瞬 C , f tJ ,中心线 的垂 直距 离 ， m m； 为底板对底座的作用力，k N ； D 为前 、后 连杆瞬心到底板对底座支反力作用线的水平距离 ， ” m； ／ 为底座与底板间的摩擦系数 ； H 。为支架 的 计算商度 ，m m； F 3 ， F 4 分别为前 、后连杆力 ， k N 4 ， 为立柱与竖直线的夹角 ， o ； A ， 4分别为前 、 后连杆与水平线夹角 ， 。 。 2 立柱布置对底座前端比压的影响 在布置立柱时 ，假设立柱下铰点相对底座前端 距离固定 ，在立柱行程许可的条件下 ，如果把立 上铰点前移 ，立柱倾角增大 ，不仅可以增加支架调 范围，还可以提高顶梁前端对煤壁的水平分力 ， 拿 鎏 成 底 座 前 端 比 压 增 大 ， 松 软 底 板 条 件 下 会 造 戚文架扎底 ，移架困难。 ． 假设支架底座与底板均匀接触且载荷呈线性分 ，则底座底板比压为梯形分布或三角形及矩形分 布。图 2所示底板比压为梯形分布情况 。 图2底板 比压梯形 分布 由 图2 可 知， 若∑F 0 ， 得 ， 1 ～ g 5 q 6 己 ． B 0 若 ∑ 0 ， 得 F 1 J 。 ～ B g6 0 由 9 ， 1 O 两式 ，可得 一 2 X 一凡 q 一 一 ．‘ 2 凡一 q 6 _ L‘ 上述各式中， F ． 为底板对底座的合力 ， m m 为底座总长度 ，m m； B为底座有效宽度 ， mm ；q ．5 g 为底座前 、后端 比压 ， MP a ； 为合力作用点到 底座后端距离 ，m m； n为合力作用点到底座前端距 离 ，mm。 由 1 1 ， 1 2 两式可知 ，支架的主体结构 参数确定后 ， ， 一 一般变化不大 ，可以认为是定值 ， 底座宽度及形状等结构性要素对前端比压也有影 响，但合力作用点 位置的变化对前端比压 影 响最大 ，减小 对减小前端 比压 g 效果明显 。由 1 1 式可知，当 n ／ 2时 ，g 0， ] ～ l c z l 一--角 形分布 ，此时前端比压最小 ； n 时 ，， q 6； X ， 2 凡时， ～ t m ～ I ～ -- ⋯ ； 分布 ，此时前端 比压最 大。因此对于松软底板 ，为避免底座前端 比压过 大 ，应使底座合力作用点尽量靠后 。 通过以上分析 ，可以得出 ，在采高不变的情况 F底座总长度不变 ，如果立柱位置平行前移或只 上铰点 前移 ， 减小 ，底座合力作用点位置前 移，前端比压变大；立柱位置平行后移或只是上铰 点后移 ， 增大 ，底座合力作用点位置后移 ，前端 比』 盘变 小 。 ． 立柱布置方式及位置不 变 ，如果底座 前端加 ， 增大， 底座合力作用点位置不变 ，载荷分布 长度变大，前端 比压变小；底座前端缩短 ， 减 ／J、 ， 底 座 合 力 作 用 点 位 置 不 变 ， 载 荷 分 布 长 度 变 小 ，前端 比压变大。 所 以，不能为了增大支架的调高范围而 一 味地 增大 立柱倾斜角度 ，而应 当综合考虑 ，把底座前端 比压控制在合理 的范围内 ，支架设计方案的评判 应该把 当作判断底座前端 比压相对大小 的 一 个 3 立柱布置对前、后连杆附加力的影响 早期的两柱支掩式掩护支架 ，在实验室试验 台 上升到与上试验台接触时 ，顶梁立刻向前移动，移 9 动量一般大于 2 0 0 ra m ，当试 验 台开始加载 时 ，顶 继续前移，同时底座后端有一定的抬起量 ；现 两柱支顶式掩护支架，仍有上述现象 ，但移动量 1 0 警 制 在 O O m m 左 右 ， 且 底 座 后 端 不 上 抬 。 四 柱 支 撑 掩 护 式 支架也存在前移现象 ，但移动量较小 竺 o 0 m m 之 问 。 经 分 析 ， 支 架 在 试 验 台 上 前 移 1 1 是由于立柱倾斜布置所产生的水平力的作用 。而 由 ， 4 两 式 可 以 看 出 ， 立 柱 由 于 倾 斜 布 置 参 1 2 DI ， D 2的影响所产生 的水平分力对支架 的力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 辛家祥等立柱布置方式对掩护式液压支架力学性能的影响分析 2 0 1 2年第4期 顶板对 支架 顶梁产 生 的摩擦 力 取 f0 ～ 0 ． 3 由立柱及前 、后连杆 承受 ，合理布置立 柱倾 角可使立柱倾斜所产生的水平分力部分或全部平衡 掉顶板对顶梁的摩擦力 ，减小和改善前 、后连杆产 生的附加力 。分析如下 如果立柱垂直布置或接近于垂直布置 ，可以提 高支撑效率，改善对顶板的支护效果，但由于垂直 布置时立柱不产生水平分力，因此 当-厂 0 顶板 对顶梁 不产生摩擦力 时 ，前 、后连 杆 附加力会 很小 ；当f0 ． 3 顶板对 顶梁摩 擦力取最 大值 时 ，由于立柱不产 生水平分 力 ，摩擦 力将全部 由 前 、后连杆承受 ，此时前 、后连杆 附加力最大。 如果立柱倾斜布置 ，使其由于倾斜所产生的水 平分力可以完全平衡掉顶板的摩擦力 ，可以计算出 此时 A a r c t a n 0 ． 31 7 。。当．厂 0时，立柱倾斜所 产生 的水平分力 由前 、后连杆承受 ，这时的前 、后 连杆 附加力会很大；当f0 ． 3时 ，摩擦力将全部 由立柱来 承受 ，与立柱 的水 平分力平衡 ，这 时的 前 、后连杆附加力会减小很多。 虽然顶板与顶梁间的摩擦系数在f0 ． 10 ． 2 之间出现的概率最 大 ，但是 也要考 虑f0和f 0 ． 3时的情况 ，避免出现前 、后连杆附加力范 围变 化太 大。因此 ，要通过 优化设计 立柱 的倾角 ，使 前 、后连杆受力 出现 “ 哑铃” 型结果 ，即在摩 擦 系数f0和f0 ． 3时 ，连杆的附加力可以适当变 大 ，而在f0 ． 1～0 ． 2之 间，连杆 的附加力一定 小 ，这样既符合井下顶梁的实际受力情况 ，又改善 了支架 的总体力学性能。 以 Z Y 6 8 0 0 ／ 1 8 ／ 3 7 D液压支架 为例 ，在确定 四 连杆机构 的前提下 ，通过优化立柱的布置方式 ，使 连杆出现 “ 哑铃”型的受力结果 ，在支架 3 ． 5 m高 度时 f0 ． 3时 ，前 连杆 力 4 0 6 6 k N，后 连 杆 力 3 8 7 7 k N； f0时，前 连 杆力 3 3 9 9 k N，后 连 杆 力 2 7 3 8 k N； f0 ． 10 ． 2时 ，前连杆力 6 8 6 k N，后连 杆力 5 7 4 k N。 可 以看出，立柱布置较为合理。 4 结 论 重点分析 了掩护式液压支架立柱布置方式对底 座前端 比压和连杆受力的影响 ，为合理地布置立柱 提供了理论依据 ，为支架设计方案的优劣提供 了一 种快速可行 的评定方法 ，所得结论 同样适用于四柱 支撑掩护式液压支架。 [ 参考文献] [ 1 ] 王国法 ，等 ．液压支架技 术 [ M]．北京 煤 炭工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ]刘俊峰 ．两柱掩护式大采高强力液 压支架适应 性研究 [ D]． 北京 煤炭科 学研究总院 ，2 0 0 6 ． [ 3 ]朱凤志 ．厚煤 层掩护支架四连杆机 构的受 力分析 [ J ]．煤矿 开采 ，1 9 9 3 4 3 4 3 7 ． [ 4]王恩鹏 ，张英 ．液压支架底板 比压的试 验与研究 [ J ]．煤 炭科学技术 ，1 9 9 6 1 2 3 3 - 3 5 ． [ 5 ]杨培举 ．两 柱掩 护 式放 顶煤 支架 与 围 岩关 系 及适 应性 研 究 [ D]．徐州 中国矿业大学 ，2 0 0 9 ． [ 6 ]乔忠寿 ．关于液压支架顶梁上水平 力的探讨 [ J ]．矿 山压力 ， 1 9 8 6 4 1 O 一 1 3 ． [ 7 ]王正木 ，赵志超 ．两柱 掩护式 液压支 架使用 和设 计 中的几个 问题 [ J ]．煤炭科学技术 ，1 9 9 0 5 5 2 5 4 ． [ 8 ]丁绍南 ． 采煤工作面液压支架设计 [ M]． 北京世界图书出 版社 ．1 9 9 2 ． [ 责任编 辑徐 亚军] 上接 3 1页 程 中压力损失不超过 2 MP a 。仿真结果如表 1 所示 ， 选取管 径为 6 4 ra m，其压力 损失 为 1 ． 4 2 4 MP a ，满 足要求 ；实际系统 中采用的管径 为 6 4 ram，其压力 损失为 1 ． 6 8 MP a 。仿真与实际工况较为接近 ，根据 仿真结果所选取 的管径可以满足实际工程要求 。 表 1 仿真结果 管道 内径／ ram 压力损失／ MP a 4 0 0 L ／rai n 6 0 0L ／ rai n 3结 论 长距离供液管 道压力损失 主要 为沿程压力损 失 ，接头处产生局部压力损失很小 ，管长越长 ，流 量越大 ，压力损失越 大 ；管径 越大 ，压 力损 失越 小。根据实际工况下的管长与流量 ，需合理选择管 径 ，使压力损失满足要求 ；在长管道大流量的情况 下 ，需选择较大的管径 ，随着管径的逐渐增大 ，压 力损失变化幅度显著减小 ，管径到达某值时，其对 压力损失 的影响微乎其微 ，此时再增大管径效果不 再明显 ，同时会大幅增加系统造价 ，降低系统安全 等级 。 [ 参考文献] [ 1 ]路 甬祥 ．液压 气压 技术 手册 [ M] ．北京 机械 工业 出版 社 ， 2 o o 2 ． [ 2 ]蔡亦钢．流体传输管道动力学 [ M] ．杭州 浙江大学出版 社 ，1 9 9 0 ． [ 3]李 华 聪，李 吉 ．机 液 压 系 统 建 模 仿 真 软 件 A ME S i m [ J ]．计算机仿真 ． 2 0 0 6 1 2 ． [ 责任编辑 王兴库 ] 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m