关于矿用液压支架掩护梁结构性能改进研究_张少华.pdf

201917 科研开发101 Modern Chemical Research 当代化工研究 关于矿用液压支架掩护梁结构性能改进研究 ＊张少华 （阳煤一矿机电工区 山西 045000） 摘要众所周知，掩护梁是液压支架的重要组成部分。通过连杆或连接点将顶梁承受的部分顶板压力传递到底座上，隔离采空区，防止 落煤矸石流入工作面，进一步提高了掩护梁活动侧护板的作用；它还可以承受采空区冒落煤矸石的压力，并将其传递到顶梁、连杆和底座 上。本文对矿用液压支架掩护梁结构性能改进进行了研究和说明。 关键词液压支架；掩护梁；结构性能 中图分类号T 文献标识码A Research on Structural Perance Improvement of Shield Beam of Mine Hydraulic Support Zhang Shaohua Electromechanical Work Area of Yangmei No.1 Mine, Shanxi, 045000 AbstractAs we all know, shield beam is an important part of hydraulic support. Part of the roof pressure borne by the roof beam is transmitted to the base through the connecting rod or the connecting point, so as to isolate the mined-out area, prevent falling coal gangue from flowing into the working face, and further improve the function of the movable side guard plate of the shield beam. It can also bear the pressure of coal gangue falling from the goaf and transmit it to the top beam, connecting rod and base. This paper studies and explains the structural perance improvement of shield beam of mining hydraulic support. Key wordshydraulic support；shield beam；structural perance 引言 液压支架是用于井下综采工作面支护的机械设备，其 支护作业的可靠性直接关系到井下综合开采作业的安全性和 煤炭生产企业的经济效益。为了更好地保证液压支架的可靠 性，详细的分析了在危险应力状态之下液压支架核心部件的 基本力学性能，为液压支架结构优化提供了理论依据。 1.掩护梁结构介绍 掩护梁是掩护支架的特征构件之一，它的作用是隔离采 空区，覆盖工作面空间，防止采空区冒落的煤矸石进入工作 面，同时承受部分冒落的煤矸石的重量荷载和顶压时支架上 的横向荷载。当顶板不平整或支架倾斜时，屏蔽梁也将承受 扭转荷载。 屏蔽梁的侧面形状可分为折线形和直线形两种，如图1 所示。与直线掩护梁相比，支架下的通风截面和安全空间较 大，但其工艺性较差。目前主要采用的是线性屏蔽梁。 （a）（b） 图1 掩护梁结构 2.液压支架概述 液压支架指的就是将液压系统作为运行的动力，做好 工作面顶板支护的一种机械设备。其主要组成部分包括了前 梁、支架、连杆、防护梁、防护装置、推杆以及液压支架等 多个部分。 1轴承单元 轴承单元的主要组成部分包括了屏蔽梁、顶梁以及底座 三个部分。其中底座承受了整个液压支架的压力，同时将所 承受的压力直接的传达到地面顶梁并且还要同巷道底部相接 触，从而达到盾构的作用。一般而言，其主要目的是为了防 止巷道顶部落石落下。 2控制单元 控制单元是整个液压支架液压的控制部分，一般而言其 内部的基本结构随着液压系统的结构而变化。 3执行机构 执行机构的主要组成部分包括液压支架立柱以及各种千 斤顶设备。通过应用该执行机构，能够使支架移动，同时对于 液压支架的工作状态进行调整或者是保护。作为液压支架最重 要的执行机构，液压支架立柱主要设置在底座以及顶梁之间承 受巨大的冲击，或者是通过调整支撑的角度，从而对于液压支 架的支撑高度以及承受外在的能力进行起到决定性作用。 4辅助单元 辅助单元一般由复位机构、照明设备以及移动结构共同 组成，其主要作用是辅助液压支架正常运行。 3.液压支架的工作原理 图2 液压支架结构示意图 基础施工前，首先需要调整液压支架的支撑结构。当运 输机提前移动时，控制液压泵将高压油输送至天井机装置， ChaoXing 201917 科研开发 102Modern Chemical Research 当代化工研究 调整千斤顶与之相适应，以保留运输机系统的方向。 液压支架的盖子用于防止液压支架工作时间隙中的石块 被清除。液压支架在整个运行过程中不受煤的冲击，保证液 压支架各部件的安全，因为液压支架经常受到落石的冲击， 所以具有足够的强度保证了该材料的可靠性和使用寿命。 4.液压支架结构优化 虽然在优化液压支架结构的过程中要保证整个液压支架 具备有一定的安全性，但是在对于支架进行采购的过程中，首 先要考虑是支架的价格。为了使选择或采购的支架强度以及刚 度满足生产要求，国内的有关厂家投入大量的人力及物力购买 了厚支撑钢板，同时在应用该钢板时需要遵循有关行业的标 准。因为在井下所使用到运输重型支架不方便移动或者是整体 移动较为缓慢，从而使得煤矿的生产效率受到了抑制。而液压 支架设计其未来的趋势将会朝着轻量化的方向发展，通过改变 液压支架内部的设计结构，并且减少钢材在其中的含量，从而 降低生产成本，使得产品具备有更高的竞争力。 从机械设计的角度来看，四杆机构多为双摇杆机构。顶 杆的运动轨迹类似于双纽扣线的形状，既保证了构件间距离 变化的最小值，又保证了屋盖的可控性。因此，四连杆机构 是煤矿液压支架最重要的结构形式。由于工作条件和工作环 境的不同，在实际开采过程中，不同工作面采用不同的四连 杆机构进行液压支架开采。 1支架的拓扑优化 拓扑优化主要目的是通过计算得出设计区域内部的最佳 形状以及材料的最佳分布。一般而言，最为经常使用到的连 续式拓扑优化方法就是将一个固定的优化空间进行划分，之 后根据算法判断设计单元空间内部的哪一些单元需要保留， 哪一些又需要删除。有限元软件通常采用密度法和平均值法 确定材料的分布。而相比于形状优化以及尺寸优化，拓扑优 化具备更高的设计自由度以及更宽阔的设计空间，同时具备 着更为优良的设计效果，能够进一步的优化支架的结构，但 是又因为某一些制造工艺不能达标，支架的拓扑优化也受到 了一定的限制。 2支架的尺寸优化 尺寸优化的另一个别名为参数优化技术，通过应用该 技术，能够对有限元模型的一些结构参数进行优化，比如说 可以通过优化壳单位的厚度、梁单位的截面特性以及材料特 性，还有质量单元的质量系数等等，从而更好的满足设计的 要求。而随着增加支架中心同支架高度之间的距离，不仅仅 加大了工作的阻力，同时也增加了支架的总体质量。而如何 提高支架的性能，减轻支架的重量，是支架生产厂家迫切需 要解决的问题。尽管近年来，国内的一部分企业已经注意到 了液压支架，想要达到更好的效果就必须减轻本身的重量， 同时为了提高支架的基本性能，同时减轻质量的重量，此时 就需要应用高强度钢，而通过应用高强度钢能够达到这一目 的，但是却需要投入大量的资金成本。而在支架生产过程 中，应用高强度钢除了会增加的成本之外，也具备有较强的 焊接难度。但因我国焊接领域发展并不很长久，对焊缝的处 理技术也并不是很高明，也因此在焊接过程中并不能很好的 提高高强度钢所具备的力学性能，使得高强度钢具备有更好 的焊接性。 又因为高强度钢具备有较强的裂缝敏感性，然而我国内 图3 液压支架掩护梁 三维模型示意图 部所有的支架几乎全部都是由人工焊接，这样就使得焊接过 程较为复杂。那么如何才能够使焊接工艺更为简单化，使得 钢板具备更强的可焊接性能，这就是在高强度钢制作支架时 需要注意的问题。同时在焊接高强度钢之后，还要对于钢材 进行保温处理，通过对支架的底座、屏蔽梁以及屋顶梁等多 个部件使用蒸汽回火的方式进行保温。 在目前我国的液压支架逐渐的朝着轻量化的方向发展， 而其中主要采用的方法为建立在结构之上的轻量化方法。通 过在其中融入现代化的设计理念以及方法，同时利用计算机 辅助分析的优势，做好支架的设计工作。通过深入的研究高 强度钢以及新材料，能够将这些技术应用于液压支架轻量化 设计过程当中，从而使支架具备有更强的性能，而不仅仅只 改进原有的结构。然而又因为如今设计者在思想、制造工艺 以及材料学科等多方面的原因，想要设计具备更高性能的液 压支架，就需要将该支架的设计同新型材料、新型制造技术 以及新型结构相结合才能达到这一目的。 3液压支架三维模型的建立 利用UG三维建模软件建立了四柱盾构支架的三维结构 模型，并将其导入仿真分析软件中。利用HyperMesh强大的 六面体划分功能，做好液压支架的网格划分，同时通过四柱 掩护式液压支架所具备的最为基本的对称结构，从而能够形 成对称统一的网格单元布置结构。而在进行仿真分析的过程 中，通过对液压支架的上梁承受单向载荷及底座所承受的扭 转载荷的各个部件的力学特性进行分析，从而能够在设计支 架的边界条件时，通过约束顶梁位置的部分荷载，同时根据 实际工况，对该工况下液压支架的强度节点在液压支架底座 上增加扭转约束，液压支架的压力为50MPa。 5.结束语 本文通过对四柱掩护式液 压支架在荷载作用下的受力分 析，模拟分析了液压支架主要 部件在局部荷载作用下的力学 特性。结果表明（1）在局部 荷载作用下，顶梁上的应力主 要集中在柱承座的位置上，顶 梁的顶板处的应力分布趋势最 大，（2）基座在荷载作用下处于局部荷载作用下；下部结 构桥梁受力较大，存在一定的危险性。在偏心荷载作用下， 应通过增大过渡点圆角半径来减小底座的应力集中，以提高 底座运行时的稳定性。 【参考文献】 [1]高郁.我国液压支架技术现状及发展[J].煤炭技术,2003, 2274-6. [2]宁桂峰,满翠华.CAE在液压支架设计中的应用研究[J].煤 矿机械,2005249-51. [3]王纪申.液压支架三维建模和运动仿真[D].太原煤炭科学 研究总院太原分院,2003. [4]李秋生,催汉涛,马希青,等.应用Pro/E和ANSYS软件提高液 压支架的设计水平[J].煤炭技术,2006,251113-15. 【作者简介】 张少华（1987-），男，阳煤一矿机电工区；研究方向液压 支架。 ChaoXing