ZY3400/06/15掩护式液压支架的研制

武雪威

(河北天择重型机械有限公司， 河北 邯郸 056200)

0 引言

我国薄煤层储量占煤炭总储量的20%左右，如何有效地利用这些资源尤其是资源枯竭矿井是正在研究的课题。山西介休市义棠镇煤层地质条件复杂，薄煤层煤炭资源没有得到有效利用，为提高煤炭资源回收率，特针对安益煤矿地质条件，利用软件模拟计算和受力分析等先进的技术方法，开发研制了ZY3400/06/15掩护式液压支架。

1 工作面技术条件和设计方案

1.1 工作面技术条件

安益煤矿1#煤层综采工作面采煤工艺为一次采全高，煤层厚度平均1.1 m，煤层长度152.5 m，工作面采高1.2 m，煤层倾角近水平，煤质硬度、顶板硬度及底板硬度均为f≤3，首采工作面方向为左工作面。风巷、机巷均为矩形巷道，断面尺寸为(宽×高)3.5 m×2.4 m。

1.2 液压支架设计方案

根据安益煤矿1#煤层实际技术条件，确定三机配套设备为ZY3400/06/15液压支架、MG100/240-BW采煤机、SGZ630/320刮板输送机，配套图见图1。

该液压支架主要技术参数如下：

架型 两柱掩护式液压支架

支撑高度/mm 600～1 500

支架宽度/mm 1 430～1 600

支架中心距/mm 1 500

支架初撑力/kN 2 615

工作阻力/kN 3 400

支护强度/MPa 0.22～0.46(f=0.2)

底板比压(前端)/MPa 1.03～1.57(f=0.2)

运输尺寸(长×宽×高)/(mm×mm×mm)

5 200×1 430×600

图1 ZY3400/06/15掩护式液压支架及配套

支架质量/t 10.5(±2%)

操纵方式 邻架手动控制

2 四连杆优化设计

1) 建立仿真参数模型图。运用专业设计软件，建立ZY3400/06/15掩护式液压支架的仿真参数模型图，如图2所示。

a=750 mm;c=500 mm;d=600 mm;e=330 mm;f=980 mm;g=0 mm;h=150 mm;H=280 mm;顶梁高(LM)=150 mm;最大工作高度=1 500 mm;最小工作高度=600 mm。

2) 对其四连杆机构进行优化设计。支架高度从600 mm开始，以步长为50 mm逐渐增大至1 500 mm，支架梁端轨迹和瞬心轨迹如图3所示。

图3 支架运动模拟

3) 液压支架总体设计决定。经过运动仿真模拟和详细数据分析得出，支架梁端距变化平稳。支架从底到高的过程中，梁端距逐渐减小，最大变化量为89 mm。在经常使用的1 100～1 300 mm区间变化量仅为37 mm，满足液压支架设计要求。

3 部件强度校核

1) 液压支架的底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的部件，该支架底座由Q550钢板焊接而成。结构件的校核以底座为例，其他部件同理可得。在设计软件中输入液压支架的基本技术参数后，软件会自动对底座进行受力分析。该底座各关键部位受力分析如下：柱窝处最大弯矩3 161.2 kN·m，前连杆处最大弯矩2 790.8 kN·m，后连杆处最大弯矩464 kN·m，底座最大扭矩752.6 kN·m。以受力最大的柱窝处为例进行校核，底座柱窝弯曲截面见图4。

图4 底座柱窝弯曲截面

在强度校核模块输入最大弯矩3 161.2 kN·m，许用应力输入550 MPa，柱窝处各板受力计算结果见表1。

表1中合成应力值均小于许用应力值，安全系数也满足设计要求，故柱窝处满足设计可行，否则必须通过加厚钢板或改变材质等手段重新设计。底座其他关键部位的校核同理可得。

2) 销轴是连接各部件形成四连杆机构的唯一轴类零件，主要承受剪切力。在设计软件中输入液压支架的基本技术参数后，销轴安全系数取1.3，可知顶梁掩护梁铰接销轴最大剪切力2 027.7 kN。销轴许用应力为1 000 MPa时，销轴直径应大于81 mm。同理可知前连杆销轴直径应大于72 mm，后连杆销轴直径应大于59 mm。

表1 柱窝处各板校核数据

4 液压支架结构特点

1) 整体顶梁结构，不带护帮板，顶梁前部设计有液压护板装置，临时炮采时起到保护作用；顶梁中部有单体支柱支承装置，便于单体支柱辅助支撑。

2) 顶梁、掩护梁均为双侧护板，适应性强，便于在多个工作面使用。

3) 采用整体刚性底座，中部开档，利于排矸。底座前过桥处设有抬底装置，对底板起伏适应性强，便于移架。

4) 支架在使用状态时主进、主回、喷雾主管路布置在支架底座上，掩护梁侧护板前端优化设计，降至最低高度时不切架间主进回喷雾主管路。

5) 立柱采用新型结构型式，导向套采用矩形螺纹紧固，同时导向套和活塞均采用组合密封，最大限度地缩短导向套和活塞长度，实现了超大伸缩比。

6) 支架操作方式为邻架操作，提高了工作面支护的安全系数，能有效避免人身伤害事故的发生。

5 结论

ZY3400/06/15掩护式液压支架安装在安益煤矿1#煤层工作面。该工作面2018年7月开始安装，8月开始试生产，工作面平均日进尺2.5 m，日产原煤1 500 t，月产可达40 500 t，2018年8月至2018年10月，3个月生产原煤12万t。使用该套掩液压支架后，不仅提高了工作面的安全系数，而且简化了操作工序，降低了作业风险，实现了安全生产、高产高效的目标。