两柱掩护式液压支架承载特性研究

引言

在以往研究中只是单一分析支架理想水平位时的受力状况，且忽略掩护梁受力对顶梁合力作用点位置及大小造成的影响，然而实际工况中，支架姿态往往会随围岩运移及周期来压等地质现象的发生而改变，掩护梁也会承受后部垮落矸石的压力，上述研究方法不能准确求出支架不同姿态下顶梁合力作用点的位置及大小，继而无法确定当前姿态下支架顶梁合力作用点的合理受力区间，不能提出有效的姿态调整策略。因此，为了及时了解支架与围岩相互作用关系，维护围岩稳定，保证工作面设备的安全生产，有必要对支架不同姿态下的顶梁承载特性开展深入研究[1]。

1液压支架受力

分析

本文构建了支架平面力学模型，并充分考虑掩

护梁受力对支架顶梁合力作用点带来的影响，该模

型可描述两柱掩护式液压支架在纵向平面内任意姿

态下的受力状况，如图1所示[2]。

其中：O为参考坐标点，O1为支架四连杆机构

运动瞬心，G为顶梁与掩护梁铰接点，Q为垂直于顶

梁的载荷（即支架顶梁承载力）、X Q为G点到承载力

作用线的距离，Q f为顶板对支架的摩擦阻力（摩擦系

数f一般为0.1～0.3），P为立柱的工作力，P E为平衡

千斤顶的工作阻力（当活塞腔受压时P E取“＋”，当

活塞杆腔受压时P E取“－”），r1为O1点到G点所在

直线距离，r2为O1点到顶梁所在直线距离，r3为O1

点到立柱所在直线距离，r4为O1点到平衡千斤顶所

在直线距离，r5为G点到立柱所在直线距离，r6为G

点到平衡千斤顶所在直线距离，F为掩护梁所承受

作用载荷（分解为水平方向F X和竖直方向F Y），L F为

掩护梁作用载荷到下铰点的距离，F1、F2分别为前连

杆和后连杆所受作用力，α、β、γ分别为顶梁、后连

杆、底座与水平面的夹角，H、X、Y及各铰接点坐标

为因变量，构建如下运动方程组，其中K1～K18为中

间变量，其中各力与角度的正方向如图1所示

。

本文对支架的运动学特性进行了分析，并推导

出了基于顶梁、底座、后连杆三倾角传感器的两柱掩

护式液压支架姿态算法，利用该算法可对A、B、D、E

点坐标进行求解，通过计算其结果表示如下[3]：

A点：X A=L16·sinγ

Y A=L16·cosγ

{，（1）

B点：X B=L14·sinγ+L15·cosγ

Y B=L14·cosγ-L15·sinγ

{，（2）

D点：X D=X A-L4·cosβ

Y D=Y A+L4·sinβ

{，（3）

E点：

Y E=-K5±K52-4K4·K6

√

2K4

X E=K1-K2·Y E

K3

⎧

⎩

⏐⏐

⏐⏐

⏐⏐

⎨⏐

⏐⏐

⏐⏐

⏐

.（4）

作BE与AD的延长线使其交于O1点，如图1

所示，则依据理论力学相关定理可知O1点为支架四

连杆机构的运动瞬心，在已知A、B、D、E点坐标前提两柱掩护式液压支架承载特性研究

韩进军1，王彪2

（1.潞安集团常村煤矿，山西屯留046100；2.潞安集团安监局，山西襄垣046299）摘要：首先构建了基于三倾角传感器的两柱掩护式液压支架平面受力模型，在姿态算法的基础上推导了顶梁

承受外载合力及其作用位置的求解方法，并编写为matlab可执行代码，绘制了支架承载性能曲线。其次利用

matlab软件分别对掩护梁受力、支架高度、顶梁倾角对支架承载性能造成的影响进行了研究，通过对不同曲线加

以比较，得出了支架承载性能在不同姿态及受力状态下的变化规律，有利于对支架进行合理调控。

关键词：液压支架承载特性稳定性

中图分类号：TD355.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2018）07-0086-03

DOI:10.16525/14-1134/th.2018.07.037总第183期

2018年第7期

机械管理开发

MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT

Total183

No.7，2018

收稿日期：2018-04-13

第一作者简介：韩进军（1979—），男，研究生，工程师，毕业于

中国矿业大学安全工程专业，从事机电技术管理工作。

图1支架平面受力图

L1

L6

L10

L15

L8

L5

α

K

J

G

C

B

D

β

A

O

E

F

H

机械分析与设计

下，可进一步求解瞬心O 1点坐标，其结果表示如下：

X O1=N 2·M 3M 2-N 3N 1-N 2·M 1M 2Y O1=M 1·X O1+M 3M 2⎧⎩

⏐

⏐

⏐⏐

⏐

⏐⏐⏐⎨⏐

⏐

⏐⏐⏐⏐

⏐⏐.（5）其中：

M 1=Y E -Y B ，

（6）M 2=X E -X B ，

（7）M 3=Y B ·（X E -X B ）-X B

·（Y E -Y B ），（8）N 1=Y D -Y A ，

（9）N 2=X D -X A ，

（10）N 3=Y A ·（X D -X A ）-X A

·（Y D -Y A ），（11）K 1=X B 2-X D 2+Y B 2-Y D 2+L DE 2-L 32，

（13）K 2=2·（Y B -Y D ），（14）K 3=2

·（X B -X D ），（15）K 4=K 22

K 3

2+1，

（16）K 5=2K 2·X B K 3-2K 1·

K 2K 32-2Y B ，（17）

K 6=K 12

K 32+X B 2-2K 1·X B

K 3

+Y B 2-L 32.

（18）1）若不考虑掩护梁受力，

则：以顶梁、掩护梁为隔离体，

对瞬心O 1点取力矩平衡方程：

P ·r 3+Q f ·r 2-Q

（X Q +r 1）=0.（19）以顶梁为隔离体，对G 点取力矩平衡方程：

P ·r 5+Q f ·L 20-Q

·X Q +P E ·r 6=0.（20）联立求解可得：X Q =P ·（r 1·r 5+r 3·f ·L 20-r 2·f ·r 5）+P E ·（r 1·r 6-r 2·f ·r 6）P ·（r 3-r 5）-P E ·r 6Q =P E ·r 6+P ·r 5X Q -f ·L 20⎧⎩

⏐

⏐

⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐

⏐⏐⏐

⏐.（21）式中：f 为顶板与顶梁之间的摩擦系数，

取0.1～0.3。2）若考虑掩护梁受力，

则：以顶梁、掩护梁为隔离体，

对瞬心O 1点取力矩平衡方程：

P ·r 3+Q f ·r 2-Q

（X Q +r 1）+F X ·a-F Y ·b =0.（22）a 为G X 作用点与瞬心O 1之间的距离，

其值可表示为：

a =Y O1-（Y E +L 18cos β+（L 23

-L 19）sin β）b 为作用点G Y 与瞬心O 1之间的距离，其值可表示为：

b =X O1-（X E +L 18sin β+（L 23

-L 19）cos β）以顶梁为隔离体，

对G 点取力矩平衡方程为：P ·r 5+Q f ·L 20-Q

·X Q +P E ·r 6=0.（23）联立求解可得：X Q =P ·（r 1·r 5+r 3·f ·L 20-r 2·f ·r 5）+P E ·（r 1·r 6-r 2·f ·r 6）P ·（r 3-r 5）-P E ·r 6+F X ·a-F Y ·b +F X ·a ·f ·L 20-F Y ·b ·f ·L 20P ·（r 3-r 5）-P E ·r 6+F X ·a-F Y ·b .Q =P E ·r 6+P ·r 5X Q -f ·L 20⎧⎩

⏐

⏐⏐⏐

⏐

⏐⏐⏐

⏐

⎨⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐（24）通过上述计算可确定支架在任意姿态下顶梁所承受载荷的大小及作用位置，为对支架姿态与顶梁承载特性关系的进一步分析提供了研究基础。2液压支架承载特性分析

本节将利用matlab 软件以掩护梁受力、支架高度、顶梁倾角三个影响因素为方向对支架承载特性的变化加以论述

。

假设上页图1中α、β、γ分别等于0°、60°、0°，将支架合力作用点计算公式编写为matlab 可执行代码，利用绘图功能绘制不同受力状态下支架的承载性能曲线。

将不考虑掩护梁受力与不考虑掩护梁受力两曲

线叠加分析，

如图2所示。对考虑掩护梁受力及不考虑掩护梁受力两种状态时支架承载特曲线做比较，可知当掩护梁承受一

定载荷时，支架承载特性曲线向左上方偏移，

顶梁承受外部载荷及平衡千斤顶受拉工作区的承载能力均略有增加，但平衡千斤顶受压工作区的承载能力略有下降，支架易出现低头现象。因此，在实际生产中，

当支架掩护梁承受载荷时，

应避免支架低头，并对已经低头的支架活塞腔及时补压或进行其他辅助措施，提高支架前端的支护能力

。假设支架顶梁、底座处于水平状态，对前述matlab 可执行代码进行修改，绘制支架处于不同高度时的支架承载特性曲线。

将三组曲线叠加分析，

如下页图3所示。通过对上图中三组曲线作对比分析可知，该型

支架在顶梁底座水平，由低位升至高位的过程中，

支图2掩护梁受力对支架承载性能影响曲线

23456714X Q /mm

平衡千斤顶受压工作区

不考虑掩护梁受力

考虑掩护梁受力

立柱工作区

平衡千斤顶受拉工作区

韩进军，等：两柱掩护式液压支架承载特性研究

2018年第7期87··