液压支架高度结构优化

蔡永伦，张治华

(重庆松藻矿山机械厂， 重庆 401420)

0 引言

液压支架是一种针对性很强的综采设备，一直以来都是“以销定产”。液压支架高度是根据井下运输条件和煤层厚度(采高)、顶板等具体地质条件及立柱伸缩比确定的，若最大高度不足，则必须放弃一部分顶煤或底煤地开采，不但造成资源浪费，有时甚至给支架正常工作造成困难。若最小高度超高，则只能采取割顶板或底板的方式，从而影响采煤的质量，同时也会导致采煤机截齿磨损或损坏。制造新支架周期长，费用高，同时造成浪费[1]。

西南某矿ZY4000/10/24型掩护式支架在工作面转场时，由于新工作面煤层厚度增加，使用原有支架必须留顶煤或底煤，造成资源浪费。因此，需要对现有支架进行改造，为了节省支架改造费用，要求在尽量利用原有顶梁、底座、掩护梁的情况下，将ZY4000/10/24型支架改造为ZY4000/10/26.5型，以满足新工作面的使用要求。

1 ZY4000/10/24型支架及四连杆运动分析与受力分析

首先对ZY4000/10/24型掩护式支架原有四连杆进行运动分析与受力分析。由于掩护梁长度设计是根据支架最大高度按比例选取的，所以掩护梁长度及其前后连杆铰接位置成为能否利用原有顶梁、底座、掩护梁部件进行改造的关键。

图1为ZY4000/10/24型支架四连杆机构图。

图1 ZY4000/10/24型四连杆机构

根据图1四连杆结构尺寸，经过运动分析计算，ZY4000/10/24型支架高度1 000～2 400 mm的运动分析相关计算结果如表1所示[2]。

表1 ZY4000/10/24型支架的四连杆运动分析

根据计算结果可以看出，原设计四连杆运动轨迹值在使用高度1 300～2 200 mm范围内的最大变化值为44.7 mm，空顶距范围348.5～393.2 mm，数据均在合理范围内。从表1可以看出，在最高位置时，其后连杆与水平方向夹角偏小,仅为70.2°(设计规范要求不大于85°)，所以从运动分析角度来看，具备改造条件。

经过受力分析计算，在平衡千斤顶受拉，摩擦因数f=0.2时，前连杆受力值为2 075～3 052 kN，后连杆受力为2 414～4 832 kN，处于合理范围之内[3]。

图2、图3和图4分别为ZY4000/10/24型支架掩护梁、前后连杆、立柱的相关尺寸。

图2 ZY4000/10/24型支架掩护梁

(a) 前连杆

图4 ZY4000/10/24型支架立柱

2 改造后ZY4000/10.5/26.5型支架的运动和受力分析

根据上述分析结果，由于原设计掩护梁长度偏长，在不改变掩护梁原有长度及铰接孔位置的前提下，为了降低改造工作量及改造费用，计划通过增加前后连杆长度尺寸和增加立柱可拆卸加长帽，将支架最大高度按2650 mm进行改造。

在对原四连杆进行分析的基础上，按照尽量利用原支架零部件的原则，经过反复琢磨、调整运算，重新设计出的ZY4000/10/26.5型支架四连杆机构如图5所示。

图5 ZY4000/10/26.5型支架四连杆机构

根据图5四连杆尺寸进行运动分析计算，ZY4000/10/26.5型支架高度1 000～2 650 mm的运动分析相关参数计算结果如表2所示。

表2 ZY4000/10/26.5型支架的四连杆运动分析

从表2计算结果可以看出，改进后四连杆运动轨迹在使用高度1 300～2 450 mm范围内口最大变化值仅为19.4 mm，运动轨迹更好，空顶距变化范围383.7～398.9 mm，均在合理范围内。后连杆在最高位置与水平线夹角增加到82.2°，受力更加合理。因立柱位于最大高度时长度不足，所以需要增加228 mm加长帽。从运动分析结果可知，在不改变原有掩护梁和底座相关尺寸的前提下可以实现将最大高度增加到2 650 mm。

经过受力分析计算，在平衡千斤顶受拉，摩擦因数f=0.2时，前连杆受力2 048～3 016 kN，后连杆受力2 308～4 647 kN，与原设计受力差距不大，均处在合理范围内。从综合分析来看，按该方案进行改造可以实现。

3 改造后的ZY4000/10.5/26.5型掩护式支架

按照上述四连杆改造设计方案，经过三维制图校核，支架在最低位置仰头时的极限位置顶梁与掩护梁出现干涉，需要对掩护梁顶板前端进行维修，同时对前、后连杆进行改造处理(前连杆加长69 mm，后连杆加长90 mm)，立柱增加228 mm加长帽，同时经过立柱稳定性计算保证使用要求[4]，其他部分利用原支架零部件即可。

按照GB 25974.1—2010标准相关要求进行三维作图校核，支架处于最大高度位置时其适应性能满足顶梁俯角要求，最低位加300 mm时能满足标准规定的仰角要求[5]。

图6和图7分别为改造后的掩护梁和前、后连杆，图8为改造后的立柱，图9为改造完成后的ZY4000/10/26.5型液压支架。

图6 改造后的ZY4000/10/26.5型支架掩护梁

(a) 前连杆

图8 改造后的ZY4000/10/26.5型支架立柱

图9 改造完成后的ZY4000/10/26.5型掩护式液压支架

4 结论

方案改造利用原设计掩护梁尺寸选择过长的弊端，通过增大前后连杆尺寸改变四连杆运动轨迹，实现了在利用原ZY4000/10/24型支架顶梁、掩护梁和底座的条件下，将支架参数改造成ZY4000/10/26.5型的目标。在改造过程中，只需对掩护梁顶板前端进行整改，对前、后连杆进行加长处理并增加立柱加长帽，实现了预期改造目标，为煤矿节省了改造费用，节约了资源，可满足支架在新工作面的使用要求。