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煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 综采工作面端头超前支护经历多代发展， 从木支 护已经发展到现在的液压端头支架支护。 目前矿井为 实现安全高效生产， 却受到综采工作面端头支护管理 难度和作业时间长限制，严重制约了煤矿生产效率。 根据资料显示，综采工作面端头支护占用人工数量 大，端头支护管理占用工作面工序时间几乎一半； 在端头还容易发生冒顶等安全事故， 发生比例还比较 高 [1-2]。 较为突出的是支护量大、 强度高、 移架困难、 区 域长时间待机等问题[3]。 为减轻工人劳动强度、提高机械化和自动化， 确 保安全、 增强支架推进速度， 需要改善综采工作面端 头支护， 这是实现安全高效开采亟待解决的困难。论 文正是基于此种情况， 研究综采工作面端头液压支架 的。 1端头支架要求及结构 1.1端头支架要求 综采工作面端头是采煤面和顺槽的交汇点， 各种 设备交织于此， 人员来往频繁， 受采动影响， 顶板压力 复杂， 管理难度大， 这就对支护顶板的端头支架提出 了与普通支架不一样的要求。 1 ）对上端头支架要求[4]。 工作面与回风巷交岔点 称为上端头。 刮板输送机机尾以及其它设备被布置在 上端头， 端头支护在支护顶板时， 须确保设备安全运 行和输送机正常推进。为保障工作面安全， 通风面积 需足够， 端头支架支护处需有正常范围的通风口。上 端头人员来往密集， 而且该处也是事故易发区， 为避 免发生安全事故，上端头支架支护必须满足支护强 度。上端头是割煤机割煤刀掉向的地方， 端头支架不 得妨碍采煤机运转。 2 ）工作面下端头支护要求 。工作面与运输巷交 岔点称为下端头。 下端头设备众多， 需要支护强度高。 为保证设备正常运行、 移动， 需要较大空间， 那么下端 头支架在支护时不能占用过大空间。 下端头支架推移 力、 拉架力要满足生产需求， 因为刮板输送机、 转载 机、 破碎机等设备移动均需要支架推移。另外端头支 架还需具有护巷、 护帮、 灵活运动等要求。 1.2端头支架结构 在传统的液压支架基础上， 根据自移式超前液压 支架等特征， 改良设计了新型综采工作面端头超前支 综采工作面端头支架重要部件优化设计及仿真研究 王 振 华 山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿 ， 山西 兴县 033602 摘要 针对综采工作面端头支护难题， 对端头支架重要部件进行了优化设计， 选择最优的顶梁、 立 柱、 底座、 四连杆机构参数和材料。 分析了支架动作顺序和四连杆机构运动轨迹， 仿真模拟端头支架应 力和位移变化， 结果表明优化设计后的端头液压支架具有支护强度高、 适用性强等优势， 能够满足生 产要求。为矿井解决端头支护困难提供了新型支护设备。 关键词 端头支架 ； 四连杆机构 ； 运动学 ； 仿真模拟 中图分类号 TD355. 4文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0040- 04 Optimization Design and Simulation Research on Main Components of End Support in Fully Mechanized Face WANG Zhenhua （Shanxi xishan JinXingenergyco., LTDXiegou Mine ， Shanxi Xingxian 033602 ） Abstract Aiming at the difficult problem of end support in fully mechanized mining face, the important parts of end support are optimized, and the optimumparameters and materials ofroofbeam, column, base and four- bar linkage mechanism are selected. The movement sequence of the support and the locus of the four- bar linkage mechanism are analyzed, and the stress and displacement changes of the end support are simulated. The structure shows that the end support has high strength and strong applicability, which can meet the production requirements and provides a newsupportingequipment for solvingthe difficulties ofthe end support in the mine. Key words face end support ; four bar mechanism; kinesiology; analogue simulation 40 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 架。 该支架箱体构造更加科学， 保护顶板的面积更大； 顶梁间采用齿形交错形式， 顶梁护顶移架， 空顶距大 大降低； 支架与其他设备相互推拉， 快速实现设备的 移动； 端头支架增设护帮， 有效增大了护帮面积。 5 个支架组成端头超前支架组， 推移千斤顶和转 载机相互连接， 被安装在端头支架底座上， 在自行移 动时， 相互拉架和前移， 实现了机械自动化。 2支架重要硬件优化设计 2.1顶梁设计 液压支架重要构件之一便是顶梁。 顶梁其截面为 箱型梁体，顶梁的力学特性是由结构和形式决定， 因 此顶梁箱体截面几何尺寸十分关键。 箱型结构截面 大多数采用对称的多腔室、 非对称的多腔室、 单腔室 和双腔室[5]等。端头液压支架顶梁采用三腔室截面箱 体。支架顶梁设计尺寸详见表 1。 表 1支架顶梁设计尺寸 根据设计尺寸， 设计了支架顶梁三维结构， 顶梁 正视和内部三维视图如图 1 所示。 顶梁左右两腔室较 宽， 并辅以筋板， 目的提高顶梁强度。内腔较窄， 为的 是安放和固定油缸， 实现推移护帮机构。 图 1顶梁正视和内部三维视图 2.2立柱选型 表 2立柱承受作用力与内径关系 液压支架的主要承载部件是立柱。 根据煤矿实际 工作条件， 采用单伸缩双作用立柱， 该立柱结构简单 可靠， 方便调整高度。决定立柱性能优良的参数是立 柱内径， 立柱公称承载力由立柱的内径和液压泵站的 额定压力共同决定， 立柱内径与公称承载力匹配关系 极为重要， 立柱承受作用力与内径关系如表 2。 为了选择合理的立柱公称承载力， 需要计算支顶 板压力、 顶梁自重和承载力， 然后根据表 2 选择立柱 内径。 1 ） 支架顶梁承受压力 。 根据压力公式， 顶梁受到顶板的压力 FP S0.351068.22870kN（1 ） 式中 F 为顶板压力， kN； P 为支护强度， 取 0.35MPa； S为支护面积， 取 8.2m2。 2 ） 顶梁自重。 根据重力公式， 顶梁自重为 Gm g50509.849.49kN（2 ） 式中 G 为自重， kN； M为质量，取 5050kg； G 为 重力加速度， 取 9.8m/s2。 3 ） 单根立柱承载力。 支架有 3 根立柱， 则单个立柱承载力 F FG 3 287049.49 3 973.16kN（3 ） 式中 F为每个立柱承受平均力， kN。 计算得到单根支柱承载力为 973.16kN，按表 2 给出的匹配关系， 立柱内径选择 200mm。 立柱的高度调整范围可根据巷道高度、 端头支架 高度、顶梁和底座的高度选择，本次设计确定为 3500～3000mm 2.3底座设计 分体刚性底座端头支架能够实现高产高效。 优点 在于煤层底板上是中档推移机构， 浮煤、 碎矸直接后 排到采空区， 不需要人工清理， 自行解决了该问题， 其 功能主要归功于支架底座是中分式底板。 为更好的适 应底板变化和移架顺利， 把底座设计成了类船型。 2.4四连杆设计 对液压支架起稳定作用的主要是四连杆机构， 四 连杆机构能够在纵向和横向两个方向确保端头支架 稳定性； 四连杆机构具有承受和传递外载作用； 四连 杆机构能够起到对支架保持整体刚度。 四连杆机构还 能决定支架升降顶梁的运动路线， 因此四连杆结构在 端头液压支架中起着关键性作用， 对参数的选择需具 有合理性、 可行性， 选择恰当能够控制顶梁路线， 增强 支架 序号 截面长 /m高 /m腔室宽 /m 顶板厚 /m 侧板厚 /m 隔板厚 /m 12.00.250.70.030.020.01 21.50.250.60.030.020.01 31.50.250.60.030.020.01 41.50.250.60.030.020.01 52.00.250.70.030.020.01 序号内径 /mm承受力 /kN 14004000～5000 23503300～4000 33002600～3300 42602000～2600 52401600～2000 62201100～1600 7200950～1100 8180750～950 9160600～750 41 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 支护能力， 避免连杆受力。 端头支架升降， 顶梁运动路线在前行方向摆幅要 小， 从理论上来说， 越小摆幅越有利， 但实际不可能降 为无穷小。考虑实际， 四连杆机构摆幅设计为 40mm， 这有利于支架反复支撑时， 顶梁不易遭到过大顶板压 力破坏， 管理顶板更具有可行性； 支架移架时不会与 邻架产生挤压、 摩擦、 阻碍。 四连杆机构只需承受支架 自重， 顶板压力不会加载在其上。 3基于 Pro/E 软件下支架运动学分析 支架运动学分析， 主要分析动作顺序， 说明支架 运转和推移具有合理性和可行性。另一方面， 分析支 架顶梁升降轨迹， 有利于支架顶梁路线管理。 3.1支架顺序动作分析。 端头液压支架总装配模型设置好各个部件的运 动情况， 在 Pro/E 软件中设置 “机构” 命令， 通过设计 不同先后顺序， 让其推移千斤顶和支架的立柱执行不 同运动任务， 这样就可以分析端头支架运动情况。其 运动情况通过图 2 和图 3 加以说明。 采煤工作面未开采时，顶板被 5 架支架支承着， 支架顶梁通过齿形相互咬合连接在一起， 此时未推进 转载机， 其运动情况如图 2 所示。 图 2未推进转载机 采煤机准备开采推进时， 千斤顶协同作用， 在其 协力配合下，转载机被向前推移被向前推移一个步 距， 支架组仍然接顶， 支撑上覆岩层， 如图 3 所示。 图 3转载机被推进 1 个步距 3.2分析四连杆轨迹。 为了确保支架顶梁不会影响采煤机及刮板输送 机工作，需要分析支架顶梁在升降过程的轨迹情况。 根据支架整体装配模型， 机械软件能够显示顶梁支撑 上覆岩层， 四连杆转角， 其角度测得 51.68； 降低立 柱杆后， 在 Pro/E 软件设置降低 400mm， 此时对应的 转角显示为 28.5。通过转角变化， 就可以得到顶梁 铰接点坐标， 采用数学线性插值法原理， 则可得出铰 接点的运动轨迹曲线， 如图 4 所示。 图 4顶梁运动轨迹 从图 4 可以看出， 支架顶梁在下降过程中， 先是 向左移动， 并且也同时下降； 而后又向右移动， 整个过 程至降柱截止。从图中可以读出， 顶梁左右最大位移 约为 30.4mm， 整个下降高度约 300.5mm。 从而表明支 架顶梁下降过程中不会与相邻支架顶梁发生障碍。 从运动学分析表明，端头液压支架总体可行， 自 移动比较符合生产实际， 也是具有替代现在普通端头 支柱的潜力。 4利用 ANSYS 软件对支架仿真研究 4.1建模 仿真时采用 ANSYS WORKBENCH 软件中的节 点四面体单元和节点六面体单元划分模型网格[6]， 研 究的区域细化网格， 应力集中区， 加密网格， 最后整个 模型有 540000 节点， 260000 个单元。网格尺寸基本 控制在较小范围之内， 虽然微小的网格有利于计算精 度， 但会造成计算机运行负荷， 极易死机， 无法进行仿 真， 最后网格划分上采取了适宜的尺寸。 对支架边界条件， 加载了荷载和约束， 支架顶梁 施加面的均匀载荷， 底座采用边界约束。并对支架材 料赋予了不同参数， 相应还设置了弹性模量、 泊松比、 屈服强度等相关参数。 4.2结果分析 通过对端头支架进行仿真，利用 ANSYS 软件施 加载荷和边界条件后进行了求解， 并对仿真结果的支 架应力和位移做了后处理。 仿真分析结果如图 5 和图 6 所示。 从支架应力云图 5 可以看出， 顶梁上板分布应力 较大， 最大值约为 160MPa， 位置大概在柱帽焊接点， 42 ChaoXing （上接第 39 页 ） 一步造穴冲孔设计起指导、 优化作用。 参考文献 [1] 冯文军,苏现波,王建伟,秦俊宾,李贤忠. “三软” 单一煤层 水力冲孔卸压增透机理及现场试验[J].煤田地质与勘探, 2015,43 （01） 100- 103. 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