综放工作面超静定液压支架关键部件优化设计_侯勇.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 就目前统计来看， 我国厚煤层分布范围逛， 且储 量巨大， 厚煤层储量基本占到了 44.8以上[1]。 随着采 掘的进行， 现正朝着深度开采延伸， 但是其采出率等 问题是采矿界面临的难题[2～3],给采矿界机械化研究者 带来了不小的挑战。 综放工作面液压支架是综放工作面放顶煤开采 过程中不可或缺的关键采掘设备， 液压支架的性能直 接影响着一座矿山的效率及安全， 也是综采工作面采 煤核心技术[4～5]。 超静定液压支架根据普通的液压支架理论基础, 进行了升级和改良， 主要对液压支架尾梁和连板进行 了改设， 设计成了放煤部， 这样大大增加了放煤率， 就 目前的厚煤层放顶煤开采来说， 超静定液压支架具有 重要的责任担当和使用价值。 本论文就是针对综放工 作面超静定液压支架顶梁、 底座、 悬浮立柱和放煤部 进行优化设计， 希望能够进一步优化升级综放液压支 架性能。 1确定主要参数 1.1主要参数计算 1 ）支架高度。 要想确定超静定液压支架高度， 需要综合多方面 的因素进行分析， 但煤层厚度是主要因素， 为了计算 方便， 这里忽略次要因素。 支架最大高度 HmaxMmaxS1（1 ） 支架最小高度 HminMmin- S2（2 ） 式中 Mmax、 Mmin为煤的最大、 最小截高； S1为伪顶 冒落的最大高度， 一般取 300～400mm； S2为周期来压 顶板下沉量， 一般取 500～900mm。 液压支架最大、最小高度之比我们称之为伸缩 比， 伸缩比值是衡量超静定液压支架的适用范围的一 个参数， 缺憾的是就目前设计还不能使得这个参数达 到无穷大。综放工作面液压支架直接与顶煤相接触， 采煤机的采高基本对其没影响， 相应伸缩比在此种情 况可以作为次要条件考虑， 通过实践表明， 只要在设 计中考虑能够承受 0.3 倍的水平力基础上采用较小 立柱倾角就能满足要求。 参考其他先进支架可以确定 本液压支架的最大高度 6000mm， 最小高度 3300mm。 2 ） 立柱倾角。为了确定超静定液压支架立柱倾 角， 其最小抵抗水平力， 经查阅资料显示为 0.3 倍的 综放工作面超静定液压支架关键部件优化设计 侯勇 （西山煤电马兰矿 ， 山西 古交 030200 ） 摘要 本论文通过对综放工作面超静定液压支架关键部件的主要参数就行了计算和归纳， 优化设计 了支架顶梁、 底座、 立柱及放煤部等关键节点， 采用 Pro/E 软件对整个支架进行了装配调试。运用计算 机数值模拟软件对该综放工作面超静定液压支架进行了验证， 验证表明该支架结构合理、 安全。该支 架与传统支架相比， 更具支架受力均匀、 放煤效果好、 立柱抗冲击载荷强等优点。 关键词 超静定液压支架 ； 关键硬件 ； Pro/E 机械设计软件 ； ANSYS模拟软件 中图分类号 TD355.4文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0114- 04 Optimizing the Key Structures of Statically Indeterminate Hydraulic Support in Fully-mechanized Caving Face HOU Yong （Xishan Coal and ElectricityMalan Mine ，Shanxi Gujiao 030200 ） Abstract In this paper, the main parameters as the key components of the indeterminate hydraulic support are calculated and summarized. The key nodes such as the top beam, the base, the pillar and the caving part of the support are optimized. The whole support is assembled and debugged by Pro/E software. The indeterminate hydraulic support is verified by computer numerical simulation software. The result shows that the support structure is reasonable and safe. Compared with the traditional support, the support has the advantages of uni force, good cavingeffect and strongimpact resistance ofthe pillar. Key words staticallyindeterminate hydraulic support ; keystructures ; Pro/E mechanical design software ; ANSYSsoftware 114 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 工作阻力， 把伸缩比考虑进去， 则立柱倾角可以确定 为 26.8。 3 ）顶梁和底座参数。立柱铰接点间距 c 不仅与 顶梁和底座长度有关， 而且还与立柱倾角相关 2c （H- 2g ） tanα （3 ） 式中 H 为支架高， 取 6000mm； G 为底座与底座 底板垂直距离， mm； α 为倾角， 取 26.8。 设计取 g为 430mm， 经计算得 c 为 1300mm。 顶梁长度 L1可由下式决定 L13cbd（4 ） 式中 b 为最前铰接点到顶梁最前端距离； D 为 最后铰接点到顶梁最后端距离； 查阅相关资料， b 可取 820mm， d 可取 720mm， 代 入公式可得 L1为 5440mm。 底座长度 L2可由下式决定 L23cef（5 ） 式中 e 为最前铰接点到底座最前端距离； F 为最 后铰接点到底座最后端距离； 查阅相关资料， e 取 670mm， f 取 380mm， 代入公 式计算得顶梁长度 L2为 4950mm。 1.2技术参数归纳 通过查阅相关资料、 设计手册[6]以及上述计算， 综 放工作面超静定液压支架主要技术参数整理归纳见 表 1。 表 1主要技术参数统计表 2关键部件优化设计 2.1液压支架顶梁设计 超静定液压支架与顶煤直接接触的是其顶梁， 它 的作用遮挡、 支撑顶板上部松散的煤岩体， 防止上部 煤岩体掉落伤人、 损机， 为工作面工作提供一定的安 全空间。 另外在放煤的时候主要是来回升降破碎上部 顶煤， 为回收顶煤起到关键作用。 此次设计液压支架顶梁是铰接式，梁内安装伸 缩梁和千斤顶， 分别用来控制前梁和主梁， 这样就能 在移架时很好的实现及时支护作用。在考虑立柱铰 接状况后，分别由六主钢架和六横钢筋形成箱型结 构， 再加钢板焊接成顶梁结构， 整个结构做成闭合的 箱装式构造，综放工作面超静定液压支架顶梁结构 布置如图 1 所示。 图 1液压支架顶梁装配图 2.2液压支架底座设计 超静定液压支架的底座主要起四个方面的作用 一是顶板上方的压力传递到底板， 底板是整个支架稳 固的基础； 二是为立柱、 推移等提供一定的作业空间； 三是底座必须满足起伏不平的地板； 四是要满足排矸 当矸， 并要有行人通道。 就目前来看，整体刚性底座优点主要是强度高、 稳定性好、 耐用性强、 对底板比压小， 缺点是排矸能力 不足。底分式刚性底座构造独特， 采用的是对称式结 构， 排矸能力强， 但强度较差、 底座面积较小、 适应条 件有限、 使用时间较短。 根据以上两种底座对比分析， 本次设计的超静定 液压支架底座选择整体刚性底座， 装配简图如图 2 所 示。底座前端被优化设计成类人鞋， 并优化设计滑移 功能。与顶梁设计一个原理， 其结构分别六主筋和六 横筋交错形成。有所区别的是， 因推移需要大空间安 装， 主筋和横筋在推移安装处进行了打断。在底座前 端设计了过桥箱，目的是增加底座刚度和抗扭强度， 并为液压控制系统提供了一定的作业空间， 在后端又 安装抬高架， 这个抬高架与部件形成一个整体结构。 图 2液压支架底座装配图 2.3液压支架悬浮立柱设计 综放工作面超静定液压支架悬浮立柱采用新型 悬浮立柱DWX型悬浮立柱，该新型悬浮立柱通过 参数名称数值单位 支架高度3300～6000mm 额定工作阻力15000kN 初撑力12240kN 平均支护强度1.13MPa 底座平均比压1.81MPa 中心距1750mm 支架宽度1680～1800mm 运输长度8700mm 115 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 试验， 在采煤工作面运用效果良好， 适应能力较强， 很 好的解决了综采放顶煤液压支架立柱吃力不足问题。 该立柱内部空间较大，比传统的立柱容纳液体体积 大， 在某种程度上大大提高了抗冲击载荷， 油缸和活 柱均采用筒体， 生产成本低， 加工方便。 顶梁与立柱和 底座与立柱的连接是采用的是销轴铰接， 这样立柱就 成了一种二力平衡杠杆， 不易受偏， 显著提高了立柱 平衡性， 进而增加了支架的安全性。液压支架悬浮立 柱机械示意图如图 3 所示。 图 3液压支架立柱 2.4液压支架放煤部设计 综采放顶煤能否实现高出煤率， 关键看液压支架 的放顶煤部， 故支架放煤部在放顶煤开采中起着举足 轻重的作用， 并且在液压支架设计中也对放煤部提出 了放煤效果和破碎大块率的要求。 此次设计的综放工作面超静定液压支架选用大 插板的结构形式， 放煤部尾梁摆动靠两个大缸径千斤 顶作用， 对放煤口大小和位置的控制由放煤部尾梁和 其滑道内插板的协调工作实现。 超静定液压支架放煤 部的结构示意图如图 4 所示。 图 4液压支架放煤部结构示意图 3Pro/E 三维设计 通过运用计算机 Pro/E 机械绘图软件， 首先设计 超静定液压支架各个零部件， 把已经建立好的各个零 部件根据相互之间的装配关系进行约束， 完成整个三 维实体的建模。 根据软件装配， 实现可视化， 就能把液 压支架直观的呈现出来， 为下一步车间生产提供图纸 和思路。 另外在可视化装配过程， 若发现存在问题， 则 可以及早的对其设计进行修改。 完成特综放工作面超静定液压支架的零部件后， 通过计算机软件对其进行装配， 过程如下 1 ） 插入基础部件。底座是整个装配件的基础， 在 确定了基础配件后，其他部件的位置也相应确定了， 此时约束类型为缺省状态。 2 ） 插入各个零部件。由 Pro/E 软件要求， 依次插 入连板、 尾梁、 顶梁、 立柱、 前梁、 伸缩梁、 护帮板等零 配件。铰接约束在软件中设置为 “销钉连接” ； 只有底 座和抬高架设置为 “刚性连接” ； 立柱的活柱与油缸连 接设置为 “滑动杆连接” 。 支架在 Pro/E 机械绘图软件中组装后形成的的 三维可视化模型如图 5 所示。 图 5液压支架三维模型 4计算机数值模拟验证 为了设计的综放工作面超静定液压支架是否满 足要求，采用 ANSYS软件对液压支架整架进行有限 元分析[7]， 液压支架受力云图和变形位移云图结果如 图 6 所示。 图 6数值模拟图 从模拟结果应力云图可以读出， 液压支架的能够 承受的最大应力约为 524MPa，从软件中显示最大应 力是在顶梁和垫块的接触面边缘处，但发生面积很 小， 支架受力较为均一。 位移云图可以看出， 液压支架 最大的变形位移是在顶梁中部下端， 原因是该侧未受 约束作用， 从模拟中读出最大变形量约为 7mm。通过 应力和位移分析， 该支架应力和变形位移均在合理范 围内， 说明设计的综放工作面超静定液压支架关键部 件的优化设计满足强度和刚度要求。 5结论 根据综采放顶煤对超静定液压支架使用特点， 优 116 ChaoXing （上接第 113 页 ） 测功能的实现过程为 皮带跑偏→跑偏传感器数据发 送→数据存储→皮带跑偏模块数据对比→超出安全 值判定→皮带跑偏声光报警。 图 3数据监测硬件布置示意图 3结语 1 ） 皮带运输机底座曲率半径小于皮带曲率半径 时， 皮带悬空， U 型槽变平槽， 煤炭撒落， 应尽可能地 采用较大的凹段曲率半径来避免此类情况的发生。 2 ） 基于 PLC 控制系统的皮带运输机故障报警 设计实现了皮带运输机的故障定位、 运输机启停等功 能， 提高了故障一次定位的准确性， 减少了人力物力 成本， 提高了皮带运输机的效率。 3 ） 该系统具有开发简单、 研发周期短、 体积小、 维护使用简单、 可靠性高等优点， 尤其适用于煤矿井 下恶劣的生产环境， 在效率、 实用性、 经济性等方面具 有一定的推广价值。 参考文献 [1] 张涛. 基于 PLC 和组态软件的煤矿皮带运输机监控系统 的设计[J]. 华北科技学院学报,2015,12 （06） 50- 55. 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