固体充填液压支架的设计研究

2021-06-05杜志超

机械管理开发 2021年4期

杜志超

（晋能控股集团晋华宫矿普掘六队，山西大同 037016）

引言

煤炭需求的急剧增加使得煤炭开采量大幅上升，越来越多的煤矿呈现出了资源枯竭的现象，同时随着开采作业的进行，产生了大量的固体废弃物，如矸石等，开采作业中，大量矸石从地下被运出，堆砌在矿区周围，占据大片地表面积，对环境造成污染，且存在危害人身安全的可能。为解决此问题，目前在煤炭开采中存在一种技术即固体垃圾填充置换煤炭技术[1]。该技术主要应用在煤炭综采重要设备液压支架上，液压支架结合固体充填技术，不仅在开采过程中提升了液压支架的安全性能，也有效利用废弃物，将矸石充填至采空区，将矸石由废弃物变为作业材料，解决了矸石作为废弃物产生的一切弊端。

1 固体充填液压支架结构的设计

1.1 结构组成

固体充填液压支架的结构除常规综采液压支架的一般结构之外，增加了一套专有的固体充填夯实机构，包括带有卸料孔的刮板运输机以及夯实机构。固体充填液压支架的结构设计不仅要满足普通液压支架的受力、承载及空间要求，还需要实现其充填作用，有良好的充填夯实效果，比如开采过程中要有最大程度的充填采空区，并且要尽可能地压实固体充填材料[2]。图1为固体充填液压支架结构简图。

1.2 主要结构的设计

1.2.1 整体参数的确定

支架中心距的确定一般按公式（1）计算：

图1 固体充填液压支架结构简图

式中：bc为支架中心距；n为整体自移支架，取1；c3为相邻液压支架顶梁间的间隙，取0.1 m；Bm为支架顶梁的总宽度。考虑井下刮板输送机的溜槽长度，我国当前普遍取中心距为1.5m，大采高液压支架取1.75m，小采高液压支架取1.25 m，本文设计选择中心距1.5 m（见表1），满足支架稳定性，方便安装、移动和运输。

表1 固体充填液压支架参数设计表

1.2.2 顶梁结构的设计

液压支架的顶梁结构一般有两种：整体顶梁和铰接顶梁。前者具有整体性，顶板接触面大，载荷能力强、支护作用好，结构工艺简洁，便于制造，顶梁前端位置上翘1°～3°。铰接顶梁有可伸缩前梁，顶梁由千斤顶控制，可灵活摆动，接顶适应性高，要求千斤具有较大的连接强度和支承作用，相较于整体梁结构较复杂。结合两者优缺点，本文设计顶梁由前后两梁组成，前后梁各自为整体梁，前后梁两者铰接，同时具备整体梁和铰接梁的特点[3]。

1.2.3 底座结构的设计

底座结构是液压支架结构中的重要组成部分，因此底座设计应具有以下特点：

1）底座结构必须具备足够的刚度、强度，顶板作用在顶梁和立柱上的力最终都将由底座承载，同时还要对底板有足够的适应性，从而确保液压支架的稳定性；

2）底座结构设计应保证有足够的空间，液压支架的辅助控制设施要能够安装在底座中；

3）底座结构要具有尽可能小的比压，以便液压支架移动动作的顺利进行，特别是前端比压要满足要求。底座设计如图2所示。

图2 固体充填液压支架底座结构图

1.2.4 充填夯实结构的设计

充填夯实结构主要完成将矸石充填至采空区并夯实的工作任务，其工作过程为：煤矿开采过程中，产生了矸石和采空区，矿井运输装置将矸石和粉煤灰按比例配好的固体充填物送至带卸料口的刮板输送机上，卸料口大小可以自由调整，充填物由卸料口充填至采空区，充填夯实机构通过往复振动充填夯实，采空区达到一定充填密度后，充填效果即可承受煤层上覆岩层的载荷，既利用了开采废弃物矸石，保护了环境不受污染，又保证了地底结构不因开采而被破坏。

本文设计的充填夯实机构由夯实板、夯实液压缸、液压振动器、调高液压缸组成。液压振动器一端连接夯实板，一端连接夯实液压缸，当夯实板侧有填充物时，振动器往复振动使填充达到足够的密度。充填夯实结构设计模型图如图3所示。

2 固体充填液压支架三维建模及有限元分析

2.1 三维建模

本文对设计的固体充填液压支架进行三维建模时选用的是Pro/E软件，支架整体结构包括前顶梁、后顶梁、底座、充填夯实结构、移动机构等部分，建模时，遵循整体简化、部件简化原则，去掉不受力部件，将各受力部件视作独立的零件[3]。建立的三维模型如图4所示。

图3 固体充填液压支架充填夯实结构模型图

图4 固体充填液压支架参数化三维模型

2.2 有限元分析

本文对设计的固体充填液压支架进行有限元分析时选用的是ANSYS Workbench 12软件。在Pro/E中一次性建立好各种工况下的液压支架的简化模型，分别导入ANSYS Workbench软件进行有限元分析。分别进行顶梁两端加载、底座扭转，顶梁中间加载、底座扭转，顶梁两端加载、底座两端加载三种状态下的有限元分析，结果如表2所示。