液压支架伸缩护帮结构优化设计分析

刘向丽

（山西大同大学教学实验与实训中心，山西大同 037000）

0 引言

目前，大采高综采液压支架在内蒙、山西、山东、陕西等地区大型和特大型煤矿开采中得到了广泛应用，它具有支护断面大、支护能力强、资源采出率高等特点[1]。在大采高综采液压支架的结构组成中，伸缩梁是其重要组成部分之一，它位于支架顶梁前端与护帮板相连，其主要作用是在工作面采煤机割煤后及时伸出超前支护煤层顶板，防止顶板冒落和煤

壁片帮[2-3]。

1 工程概况

常村煤矿在对大采高ZY9400/28/62 型液压支架进行维修过程中发现，该类型液压支架有部分支架伸缩梁与托板连接处的耳板容易出现严重变形现象，如果对变形的耳板进行修理，则需要先将耳板切割下来，再重新加工耳板后焊接上去，但是在焊接时由于塞焊孔不能焊接的原因，重新加工焊接的耳板达不到原耳板的强度。因此，在维修支架时需将伸缩梁进行更换，从而造成液压支架维修成本增加，且维修时间较长，对井下工作面支架安装及生产带来较大影响。

为了解决因受地质条件、围岩应力变化等因素影响而造成的ZY9400/28/62 型大采高综采液压支架顶梁前端在井下工作面支护使用过程中出现受力不均衡，从而导致支架伸缩梁与托板连接处的耳板容易出现严重变形的问题，对支架伸缩梁与护帮板结构进行了优化设计。

2 伸缩梁耳板易变形原因分析

伸缩梁安装在液压支架顶梁内部的前端，它与支架护帮板进行铰接，利用油缸伸缩性进行超前支护煤壁顶帮。伸缩梁上的耳板与托板一端铰接，而托板的另一端浮动在支架顶梁滑道内，它通过两根液压油缸与支架护帮板相连接，并利用油缸的伸缩来控制支架护帮板的转动[4-5]。在工作面生产期间液压支架支护作业过程中，造成托板受力不均匀的主要原因有3个方面：

（1）工作面回采支护期间，托板受到的力是来自护帮板作用传来的，而护帮板受到的力则来自煤壁侧作用传来的，由于煤壁上产生的力本身就是不均衡的，从而导致托板所承载的力也不均衡，造成托板在顶梁滑道内左右偏移造成对伸缩梁连接耳的频繁冲击作用。

（2）在工作面操作液压支护作业过程中，经常会频繁收缩和打开护帮板，也会造成对托板的冲击作用。

（3）在工作面液压支架进行供停液压油的瞬间，由于受高压胶管长短或乳化液配比、材质等客观因素的影响，双液压油缸伸缩会出现不同时作用的现象，这样也会造成托板出现受力不均衡问题。

当工作面液压支架在支护作业过程中出现上述的3 种现象时，一旦支架伸缩梁连接耳板承载的不均衡力超过其抗弯强度时，耳板就会出现弯曲变形。

3 伸缩梁机构优化方案

3.1 初始优化设计方案

为了增强伸缩梁连接耳板的抗弯屈服强度，初始优化设计思路是选择强度更高一级的高强度钢板材料加工耳板，但是在试验更换加工材料的材质后，仍然不能从根本上解决支架伸缩梁耳板受力变形的问题。因为受井下开采条件不确定性因素影响，在采取更换高强度材料加工耳板后，只能减缓耳板变形的时间，并不能真正从根本上消除这一问题。当工作面支架顶梁上方大块煤块或岩石出现掉落到支架顶梁上时，传到支架伸缩梁连接耳板上的力仍然会超过耳板的屈服强度极限，造成耳板受力变形。因此仍需要考虑从支架伸缩梁结构方面进行优化设计来根本解决这一问题。

3.2 支架伸缩梁机构优化设计方案

为了解决支架伸缩梁连接耳弯曲变形问题，以液压支架伸缩梁及护帮板结构为载体建立了架构模型，如图1 所示。

图1 液压支架伸缩梁及护帮板组件架构模型

（1）考虑将液压支架伸缩梁托板与顶梁之间的滑板滑道更换成滚珠滑道，从而可以将利用液压油缸与耳板联动控制伸缩梁伸缩的方式更改为直接利用液压油缸来控制伸缩梁伸缩的方式，防止耳板出现变形。

（2）考虑在液压支架伸缩梁耳板易变形侧使用加强筋进行焊接加固，增加了耳板抗压强度，提高了耳板抵御从液压支架托板方向传过来的不均衡力的作用，从而改善了耳板变形状况。

（3）考虑利用力的反向作用的原理在液压支架伸缩梁耳板易变形处的内侧焊接一道弯盖板，从反方向上增加一个支撑力来抵消耳板正向受力作用，防止耳板变形。

3.3 方案评估

针对以上提出的3 个优化方案进行分析，具体方案如下：

方案一：能够解决液压支架伸缩梁耳板受力变形问题，但对液压支架的改动范围较大，而且改进后伸缩梁托板承压能力没有原来的强度大，因液压支架伸缩梁和护帮板主要作用是用来支护顶板和煤壁，保证工作面顶板支护安全，所以在对液压支架构件进行优化改造时支护强度的大小是需要首先考虑的问题，因此排除方案一。

方案二：能够解决液压支架伸缩梁耳板受力变形问题，而且改动范围较小，屈服强度也得到了提高，但是因耳板与托板连接处的间隙太小，在进行增焊加强筋操作时施工工艺非常困难，只能在耳板上增焊小部分加强筋，从而导致在井下使用过程中加强筋容易脱落的现象，因此排除方案二。

方案三：能够彻底有效解决液压支架伸缩梁耳板受力变形问题，而且改动范围较小，耳板的屈服强度也得到了很大的提高，同时在正常施工过程中也不会出现焊接困难问题，因此方案三为最优方案。

3.4 方案实施及效果分析

通过对设计方案的校核并利用三维仿真技术，得到了如图2 所示的支架伸缩梁机构优化设计方案。

图2 液压支架伸缩梁机构优化设计

一般情况下，在进行综采液压支架维修时，当支架伸缩梁耳板出现弯曲变形时，通常情况下需重新更换伸缩梁，一件ZY9400/28/62 型液压支架伸缩梁单价在4 万元左右，而在耳板上增焊一块弯板，材料费用及加工费用合计约600 元左右。由此可知，采用方案三对支架伸缩梁机构进行优化改造，每架支架修理费用约节省39 400 元，极大地节约了维修成本，经济效益显著。

4 结语

该优化方案设计利用了力的反向作用原理，彻底有效解决了大采高综采液压支架伸缩梁耳板在使用过程中受到不可抗拒因素出现弯曲变形的问题，从而进一步增强了该类型液压支架的支护性能和对井下作业环境的适应性。该优化方案施工工艺简单，取得的经济效益显著，为今后在设计优化该系列液压支架伸缩梁机构提供了参考，具有较好的推广应用价值。