两柱掩护式液压支架平衡千斤顶的选择原则及计算过程

第1页两柱掩护式液压支架平衡千斤顶的选择原则及计算过程李雪伟（平顶山煤矿机械有限责任公司，平顶山467001）摘要：平衡千斤顶是两柱掩护式液压支架的重要组成部分，它的作用是调节支架顶梁合力、合力作用点的位置及顶梁的载荷分布，其缸径和上、下腔安全阀卸载压力的选择至关重要，一方面要保证顶梁前端能承受足够大的载荷而又要保证不会出现支架失稳，另一方面要保证顶梁后端和掩护梁能承受一定厚度的岩石重量，针对这两个方面的要求，本文提供了其具体的推导过程、计算方法和选择原则。关键词：液压支架；平衡千斤顶；推导过程；计算方法；选择原则SelectionPrincipleandCalculationMethodofStabilizingCylinderforTwo-legHydraulicShieldLiXuewei(PingdingshanCoalMineMachineryCo.,Ltd.,Pingdingshan467001China)Abstract：Stabilizingcylinderisamainpartoftwo-leghydraulicshield.Itisusedtoadjustthepointoftheresultantforcethatthefloorappliestothecanopyandtheloadingpointonthecanopy.Itisveryimportanttochoosetherightdiameterofthecylinderandrightpressureoftheyieldvalveinboththeupperandthelowercylinderchamberstomakesurenotonlythatthefrontpartofthecanopycanstandlargeloadingandtheroofsupportstandsfirmbutalsothatthehinderpartofthecanopyandthegobshieldcanstandtheweightofcertainrock.Basedonthosetworequirements,thisthesisprovidesthespecificderivationprocess,calculationmethodsandselectionprincipal.Keywords:hydraulicroofsupport;stabilizingcylinder;derivationprocess;calculationmethods;selectionprincipal0序言两柱掩护式液压支架的典型结构如下图1，其中平衡千斤顶起着至关重要的作用，它铰接着顶梁和掩护梁，使支架构成稳定的结构，通过它可以调节顶梁的倾角，使顶梁成水平或者需要的角度。此外，平衡千斤顶还设有双向锁和安全阀，随着顶梁顶板载荷的变化，使平衡千斤顶呈拉力或者压力状态，如果载荷过大，安全阀还可以通过卸载来调整顶梁的角度，从而也调整了载荷分布，避免进一步损坏结构件。图1两柱掩护式支架典型结构1护帮2顶梁3立柱4平衡千斤顶5掩护梁6前连杆7后连杆8底座平衡千斤顶缸径与上下腔安全阀压力的选择是否合适，直接关系到顶梁的接顶和切顶能力，甚至关系到支架的稳定性，如果选择的不合适，可能会引起支架倾倒，造成事故。1、平衡千斤顶推力的计算当顶梁前端承受一个载荷Fx，并不断加大时，支架可能处于以下三种状态：1）、平衡千斤顶先卸载，顶梁前端向下旋转；2）、立柱先卸载，顶梁前端向下旋转；3）、支架向前倾倒。前两种状态下，仅仅顶梁发生转动，不会引起较大的问题，第三种状态情况下，支架容易发生倾倒，可能会引发事故，因此，第2页设计时必须避免。为避免此情况，必须使支架在任何高度满足下面公式(1)：图2支架前端受力简图xXGXwF由此可得：xGXwXF(1)式子(1)确定了Fx的值，下面由Fx计算平衡千斤顶和立柱在此情况下的受力情况以顶梁为研究对象：图3顶梁受力简图对顶掩铰点O1取矩：1031sin271cos2(31)2sin362cos3(23)0FxLfFxBPALPABBPALPABB(2)图4顶梁、掩护梁受力简图对虚铰点O2取矩：(101)1sin2(71)(32)1cos2(321)0FxLMPALMfFxBMPABMB(3)由公式（2）、（3）可以求出P1和P2的值；H（mm）FX（kN）P1（kN）P2（kN）52002865611150510028353511955000282518123949002835031280…………260030453016002500302538158424003005481568表1某一型号支架顶梁前端力计算情况G-------支架重量(39.6t)Fx------顶梁前端集中受到的载荷P1------顶梁前端加载荷Fx时立柱受到的载荷P2------顶梁前端加载荷Fx时平衡千斤顶受到的载荷P-------支架工作阻力（12000kN）由表1可以看出P1和P2都是一组与支架状态（高度、摩擦力等）有关的数据，P1相对与支架工作阻力P较小，不在一个数量级上，一般情况下，立柱不会先卸载；平衡千斤顶缸径和安全阀的卸载压力应根据P2的最小值来确定，让平衡千斤顶在支架任何情况下都先卸载，保证支架不会出现失稳和倾倒的现象。2、平衡千斤顶拉力的计算当顶梁后端和掩护梁上承受载荷时，平衡千斤顶承受拉力，一般来说，如果没有特殊要求，平衡千斤顶需要至少能够承受支架最低采高的岩石垮落到顶梁后端或者掩护梁上的重量。同时，要求在此情况下，由于立柱也需要承受拉力，所以立柱连接件（销轴、耳板等）也需要有足够的安全系数。（限于篇幅，本文只推导掩护梁承受h厚度岩石重量时平衡千斤顶承受的拉力的状态，实际还需计算顶梁后端和掩护梁均承受一定厚度的岩石的重量时平衡千斤顶的受力第3页情况，两种情况都需要满足。）。垮落到掩护梁上岩石的重量Wt为：=(h3)WtgLZxj以顶梁、掩护梁为研究对象：图5顶梁、掩护梁受力简图对虚铰点O2取矩：3sin2(71)3cos2(321)0WtLxPALMPABMB由上式可求得P3：3sin2(71)cos2(321)WtLxPALMABMB(4)以顶梁为研究对象：图6顶梁受力简图对顶梁、掩护梁铰接点O1取矩：3sin273cos2(31)4sin364cos3(23)0PALPABBPALPABB由上式可求得P4：3(sin27cos2(31))4sin36cos3(32)PALABBPALABB(5)其中：ρ------岩石密度h------岩石高度Zxj------支架中心距L3------掩护梁长度Lx------岩石重心到虚铰点水平距离P3------立柱拉力P4------平衡拉力P3和P4均为一组与支架高度状态相关的一组数据，取其最大值作为设计立柱连接件和选择平衡千斤顶的依据。[1]丁绍南，液压支架设计[M]，世界图书出版社，1996[2]王国法.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社,1999.[3]王国法等.高端液压支架及先进制造技术[M].北京：煤炭工业出版社,2010.