基于液压支架四连杆机构参数特点分析与研究

刘艳东（唐山开滦铁拓重型机械制造有限责任公司，河北 唐山 063103）



基于液压支架四连杆机构参数特点分析与研究

刘艳东
（唐山开滦铁拓重型机械制造有限责任公司，河北 唐山 063103）

摘 要：本文主要针对液压支架四连杆机构的功能及影响四连杆性能的设计因素进行探索。其中重点介绍了液压支架四连杆机构的构成及特点，并从影响四连杆参数设计的九个方面进行了详细论述。

关键词：液压支架；四连杆机构；梁端距；掩护梁背角；双扭线

1 液压支架四连杆机构的构成与功能

1.1 液压支架四连杆机构的构成

液压支架四连杆机构的构成从表面上看只有前连杆和后连杆，实际上掩护梁和底座是组成四连杆机构的另外一个连杆，掩护梁和底座除了构成四连杆机构以外，还承担着掩护功能、推移功能、抬底功能等其它的功能。前后连杆也具有挡矸、管环、阀架等功能。因此，四连杆设计首先是运动机构设计，还包括各部件的其它功能设计。

液压支架四连杆机构有正负之分，正四连杆机构被广泛采用，反四连杆多用于放顶煤过渡支架。在反四连杆机构中由于处于掩护梁位置的部件已不再承担掩护功能，通常被改称为斜梁。

1.2 液压支架四连杆机构的功能

液压支架四连杆机构有三个功能：一是纵向与横向的稳定功能，即承接外部施加到支架上的横向、纵向的水平力，使支架顶梁不会出现大幅度的水平扭转和横向纵向翻转，使支架立柱免受水平力。要实现这一功能，设计中应确保组成四连杆机构的各个零部件具有足够的强度，要进行机构受力分析和零部件强度校核计算。二是将顶梁所受到来自顶板的外载通过四连杆机构传递到底座上。这一功能我认为是四连杆机构负面效应。三是让支架顶梁在升降过程中，顶掩铰接点的运动轨迹近似为一条垂线。实质是让支架在升降过程中，顶梁或前梁的前端至采煤工作面煤壁的距离基本保持不变，使得因空顶距变化量带来的支架顶梁前端的支护效果变化量最小。液压支架四连杆机构中顶掩铰接点的运动轨迹一般呈“双扭线”状，水平运动范围被称为“摆幅”。MT/T556-1996《液压支架设计规范》有具体的规定：“具有四连杆机构的支架梁端水平位移量在支架使用高度范围内应不大于80mm。在总图样和技术文件应注明使用高度范围内梁端距范围”。实际支架产品中摆幅与支架架型、高度差值、正反四连杆机构均有影响，此数值并非不可突破。

液压支架四连杆的实际运动轨迹与理论运动轨迹存在较大的差异。其原因是四连杆机构各铰接点、顶掩铰接点的铰接耳与铰接销轴设有径向间隙，钢板焊接结构件受力后会产生弹性变形。尤其是立柱掩护式支架立柱轴心线与顶梁、底座设计有明显的倾斜角度，在立柱推力的作用下，销与孔的铰接必然是弧面接触，而不是圆心重合。至于轨迹扭动方向对顶板运动会产生利弊的观点，我不赞成。因为现代支架提倡高初撑力，初撑过程中是顶梁上升，四连杆机构的的轨迹扭动方向刚好相反，此时效果正相反。我认为综采工作面顶板与液压支架顶梁顶面之间的摩擦力主要是由矿山压力导致的顶板运动造成的。

理论上梁端距应为零，即支架的顶梁或前梁其前端与工作面煤壁平齐。但是，采煤机在采煤过程中，因煤质硬度不均匀等因素，采煤机滚筒会出现后仰的现象，这时采煤机滚筒的后端面就会截割到支架的顶梁或前梁，造成采煤机和支架设备的损坏。尤其是在仰采工作面，在重力的作用下，采煤机滚筒必然产生后仰。为防止出现支架被割，空顶距是必须设置的。很显然，当采煤机滚筒后仰角度一定的条件下，滚筒后仰产生的横向距离与采煤高度成正比，即支架工作高度越大，所需防止割顶梁的空顶距也越大。

通过以上分析得知，设置梁端距是必须的。至于梁端距数值的大小在MT/T556-1996《液压支架设计规范》中有具体的规定：“大采高支架应取350mm～480mm。中厚煤层支架应取280mm～400mm。薄煤层支架应取200mm～350mm。”实际支架产品中梁端距更多是由采煤工作面顶板稳定条件和经验确定的。顶板越破碎梁端距应越小，反之顶板越完整梁端距可适当加大，实践经验数据更可靠。

2 液压支架四连杆机构的特点与影响设计因素

2.1 液压支架四连杆机构的特点

由于液压支架产品的需要形成了液压支架四连杆机构的特点是：连杆之一的底座位于机构的下方；连杆之一的掩护梁或斜梁位于机构的上方；对于正四连杆机构的前连杆位于前方（左边），后连杆位于后方（右边）；前连杆与后连杆相比长度更长些；与掩护梁铰接的前、后连杆上铰接点间距小于与底座铰接的前、后连杆下铰接点间距；允许后连杆杆身中轴线不与两端铰接点连线重合，使得后连杆呈现偏心或弯曲；掩护梁上的三个铰接点允许不在一条直线之上（三个铰接点设计在一条直线上被广泛采用，前连杆铰接点位于另两个铰接点连线之下使得前连杆铰接点所在截面抗弯能力更强，前连杆铰接点位于另两个铰接点连线之上在反四连杆机构中采用较多）；掩护梁上的任意两个铰接点连线所在平面允许不与掩护梁顶板顶面平行（可使前连杆铰接点处截面面积增大）。

2.2 配套设备对四连杆机构在支架总体布局位置的影响

采煤机、刮板输送机是液压支架在采煤工作面的配套设备，并形成支架前方至煤壁的距离的设计依据。

（1）梁端距指标对四连杆机构的影响

前面已分析过，梁端距对四连杆机构的影响有两条：一是梁端距的数值区段，二是摆幅值。有时可能还有运动趋势的要求。

（2）掩护梁背角的限制

一般来说，掩护梁背角掩护的作用是十分重要的，主要体现在减少掩护梁的水平投影距离和防止冒落到掩护梁顶面上的矸石不能自行下滑，影响支架升起。掩护梁背角的限制范围具体是：掩护式支架一般在57°以上；支撑掩护式支架一般在60°以上；掩护梁背角应大于16.7°。

（3）后连杆水平夹角的限制

后连杆与水平面的夹角随着支架高度的增加而增大。若此夹角接近90°，一旦后连杆、掩护梁手动指向煤壁方向的外力，后连杆继续旋转将导致此角大于90°，后连杆将无法自行复位。为防止这一现象发生，此角应不大于80°。

2.3 受力对液压支架四连杆机构设计的影响

抛开受力研究四连杆机构设计优化是毫无意义的。据经验得知：四连杆机构中前后连杆所受载荷与液压支架的工作阻力几乎是同一数量级的。例如ZY9200液压支架连杆受到的推拉力是在9200kN左右，而连杆铰接点的耳板如果要在此拉力下安全工作，那么制作连杆主筋板就得用钢板材料强度等级均不超过1000MPa的材质才可以。

2.4 低位放顶煤支架中间架对四连杆机构设计的影响

对于低位放顶煤支架中间架，由于放煤机构的设置，底座上前后连杆的铰接点必须提高。放顶煤支架通常都是在最大极限高度稍低的位置工作，放煤机构对掩护梁的背角有特殊的要求，通常在35°左右，而对最小工作高度一般不必考虑，即没有最小工作高度时掩护梁背角的要求，因此有的放顶煤支架最小极限高度时掩护梁背角为零，甚至为负值。放顶煤支架的掩护梁下端还要设置尾梁机构，掩护梁设计需要考虑的因素更为复杂。

2.5 薄煤层支架对四连杆机构设计的影响

薄煤层支架在最小极限高度时，顶梁与底座几乎要紧靠在一起，平衡千斤顶与推移千斤顶几乎要紧靠在一起，此时对底座上前连杆的下铰接点高度提出了严格的限高条件。

2.6 其它约束条件对液压支架四连杆机构设计的影响

如系列产品中为简化设计，可考虑通过采用相同的顶梁组件、底座组件，只是更换掩护梁和前后连杆实现相同工作阻力不同极限高度支架的设计，以达到提高通用化水平，降低设计成本和风险。此时，可调整的参数数量被压缩，增加了设计的困难。通常顶梁部件是液压支架中长度最大的部件，有些矿井受罐笼装运支架的影响，对支架部件的最大长度有限定，对于支架四连杆机构设计就是对掩护梁上顶掩铰接点位置做出了限定，增加了设计的困难。

反四连杆机构中常采用单前连杆、单后连杆、Y形斜梁等，在其他支架设计中也有采用前单连杆后双连杆或前双连杆后单连杆的。掩护梁上平衡千斤顶耳座的位置、掩护梁上侧推装置中套筒的位置均对四连杆机构的设计产生影响，有时需要为此作出必要的调整。

结语

在液压支架四连杆设计过程中，其中任何一个参数变化都会对梁端距数值与运动趋势、掩护梁背角、前后连杆水平夹角、立柱长度、平衡千斤顶长度、支架重量、支护强度、底板比压分布、行人通道宽度、构件强度、安装间隙等产生影响，需综合考虑。每个参数对考察指标的影响幅度是不同的，正在考察指标在得到改善的同时还改变了其它指标。只有通过长期摸索、试算，方能找到如何优化的感觉。可以说液压支架四连杆机构方案设计没有最好，只有更好，甚至只有满足主要要求的相对较好的方案。

参考文献

［1］苗耀华.液压支架四连杆机构计算机辅助设计［J］.煤炭科学技术，2007，35（06）.

中图分类号：TD355

文献标识码：A