试述矿用液压支架在煤层中的应用

摘要：文章简要介绍了矿用液压支架的组成及工作原理，重点阐述了其在煤层设计中的应用，利用Solidworks软件设计原理的煤层液压支架，达到了设计目的和要求，证明利用Solidworks软件设计液压支架的应用是可行的。

关键词：液压支架；煤层；应用设计

中图分类号：TH122

文献标识码：B

目前，矿用液压支架主要是用于支护采场围岩，同时还要与采煤机、刮板输送机协调运行。特别是由于采场围岩的复杂性以及不同结构类型液压支架与不同类别的采场围岩表现出的相互作用特性，从而导致液压支架工况和特性的复杂性和随机性。采场环境、开采方式和生产规模对液压支架性能和指标的要求不同，导致了液压支架的系列和品种很多，给设计和制造带来了一定的困难。由于煤层液压支架存在支架高度低、行人空间狭小和梁体薄等结构上的特点，因此结构设计必须采用紧凑设计，交叉布置才能满足要求。

1　矿用液压支架的组成。矿用液压支架主要是由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。其中金属结构件主要有顶梁、掩护梁、前梁、上连杆、前连杆、后连杆、底座、侧护板、护帮板等；缸主要有双作用双伸缩立柱、推移千斤顶、侧护千斤顶、前梁千斤顶等；液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀等及液压辅助元件等。

2　矿用液压支架的工作原理。目前的矿用液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高压乳化液，经主进液管传送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循环使用。

而它的承载原理则是：液压支架在顶底板之间支撑顶板。顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将压力传递底板。为保证支架结构件的强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板压力超过立柱安全阀限定压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板压力下降到立柱工作阻力时，安全阀关闭进行保压承载。

3　应用Solidworks对煤层液压支架设计

3.1设计分析。利用Solidworks三维设计软件可对设计进行分析包括实体造型、重量核算、确定重心、干涉检查、图纸尺寸检验、运动检查等。新建零件文件－选择基础特征命令－选择参考面－绘制支架部件二维草图轮廓－完成支架部件基础特征的创建－添加支架部件其他特征－保存零件文件。

创建完支架所有部件模型后，开始对支架进行装配。在装配环境中调人底座作为支架模型的基准部件，系统自动对它施加固定关系，通过面匹配、面对齐、轴对齐、联接、角度等装配关系，将后续调人的支架前连杆、后连杆、掩护梁、顶梁、立柱、千斤顶等零部件依次进行装配。

但在三维建模时需要注意以下几个问题：

(1)为节省时间和提高建模速度，各部件尽量采用单一实体方式，对于柱窝、柱帽由于形状稍微复杂，可以考虑装配方式；(2)保留危险部位的细小结构；(3)焊缝的联接强度等于母材强度；(4)略去工艺结构和不影响强度分析的细节；(5)立柱以及各种千斤顶的活塞和缸体在总装图中装配，方便进行运动分析。

完成支架所有部件的装配后，进行干涉检查。在制造样机之前对设计进行三维样机干涉检查，使支架设计的出错率降到最低。Solid-works可以利用微机计算，自动检查干涉，分析产生干涉的原因，并形象显示出来。对支架相关干涉的部位进行编辑和修改，然后再次对支架进行干涉检查，反复数次，直至没有干涉为止。

重量统计和重心计算也是利用计算机自动进行，有时矿方由于下井运输重量限制等原因，规定支架重量限制。支架厂家需要准确的设计重量来决策竞标价格底线，以及生产成本核算，这时重量计算的准确性就非常重要。三维自动计算比人工统计既迅速又准确。

在给矿方汇报方案时，利用支架三维实体模型和运动仿真，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动都清晰、直观地显示出来。由于矿方审核人员往往不是支架专业人士，对支架二维方案图缺乏三维想象力，这样三维实体模型使他们有了更感性的认识，方便交流和沟通。

3.2应力分析。利用Cosmos／works有限元分析软件可对支架数字实体模型进行应力分析，找到应力分布规律，确定安全系数，优化结构尺寸。

目前支架应力分析方法通常采用传统的材料力学和弹性力学来进行分析。传统计算方法主要进行平面力系计算，空间力学计算比较困难，而且无法处理一些结构件强度问题，如过桥的强度分析，使得计算简略而缺乏可靠性。

当前比较先进的强度分析方法是有限元法，有限元法是求解数理方程的一种数值方法，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术，由于它快速、高效地解决了许多学科和实际工程问题，因而得到逐步的推广应用。

支架有限元强度计算以液压支架通用技术条件为依据。根据实际需要，进行静力强度计算。加载方式采用组合加载方式进行计算，相对国内标准检测出液压支架的安全性。

在计算中不把垫块的作用力当作外力来考虑，而是把垫块的作用力当作边界条件来处理。由于将垫块作为结构的边界约束条件来处理，因此，对于支架来说，其外载只有立柱对顶梁、底座柱窝所加的载荷。由于柱窝同立柱的作用属于接触问题，处理起来较为复杂，因此假定立柱传递给柱窝的外力均匀作用于柱窝表面。

3.3问题分析。随着社会科技的发展，这种传统设计方法存在这一些问题，主要是：(1)如何避免支架设计中出现干涉现象，尤其是动态干涉检查问题；(2)如何确定支架重心，尤其是动态中的中心轨迹变化问题。重心的确定对于大倾角液压支架设计非常重要；(3)支架的整体受力分析，目前仍然依靠压架试验来检验设计的合理性，费工费时。如果用数字化的形式进行产品设计分析代替传统的实物样机实验，不仅减少了样机试制费用，同时还使设计出来的产品更加符合设计要求，保证产品性能，实现产品设计的一次性成功，缩短设计周期。