四连杆支架与水平力关系的分析研究
文章编号:100320794(2004) 0420037203
四连杆支架与水平力关系的分析研究
李雪伟1, 林鸿飞2, 田真真1
(11平顶山煤矿机械厂, 河南平顶山467001; 21平顶山工业职业技术学院, 河南平顶山467001)
摘要:针对四连杆支架的结构特点, 分析四连杆支架水平力产生的原因, 以寻求四连杆支架
的合理受力状态及接点, 从而提高四连杆支架抗水平力的能力, 在根本上改善支架的受力条件, 并且在设计上找到优化结构、降低重量、降低成本的有效途径。
关键词:四连杆支架; 水平力; 受力状态; 接点
中图号:T D355
1 引言
文献标识码:A
图2) 。
T c =Q tg ββ—式中 ——煤层倾角。
在掩护与支撑掩护型支架中, 四连杆架型抗水
平力高是这类架型的优点, 但也是导致架型笨重, 某些受力结构有待改进的问题所在。如何评价支架的合理抗水平, 应分析了解支架水平力的来源和水平力在支架工作过程中的关系和作用。
2 架型上水平力的来源
(2)
支架上的水平力可分为:(1) 由外载作用产生的水平力; (2) 2载荷, 构, 。
211 支架在工作面中, 顶板除给顶梁一定的垂直载荷Q cos α外, 还给顶梁施加一个指向老塘的滑动力。一般支架下沉引起顶梁倾斜角度α很小, 可近似地把该滑动力作为顶板给支架的水平力如图1所示。
T =Q sin α式中
Q —
——支架对顶板的支护阻力;
(1)
图2 支架在倾斜煤层受力图
Fig . 2 Diagram of the force reception of the support
in slant seam
α———顶梁倾斜角度。
图1 顶梁载荷引起的水平力
Fig . 1 The horizontal force brought by the beam load
该力的方向指向老塘, 而顶板给予顶梁的摩擦力fQ cos α这时通常也指向老塘。因此顶梁与顶板间不可能出现相对运动, 而保持同步向老塘方向移动。这时将引起立柱的向后倾斜, 导致立柱侧向受载增大, 恶化立柱受力状况。对四连杆架型, 则取决于四连杆机构的运动轨迹, 出现相对运动。
在倾斜煤层中, 顶板对支架还作用着侧向力(见
该力指向倾斜方向, 因此在倾斜煤层, 支架承受的顶板载荷, 立柱由于和顶梁、底座间均采用球型绞链连接, 仍按轴线方向传力, 但对于支架四连杆则呈倾倒翻转力矩
(3) M =HQ tg β
式中 H ———支架支护高度。
由式(3) 可知, 煤层越高, 倾角越大, 支架横向稳定性越差时, 支架承受的倾倒翻转力矩也越大。从图2和式(3) 可知, 正常时顶梁相对底座偏斜距离为e 。当支架横向稳定性差时, 顶梁要比正常时要多偏斜一个e ′。这时支架受力偏距为e +e ′, 实际工作的倾斜角度由β增大到β′, 当顶板载荷偏载作用于K 点时, β′将更大。这时情况比试验台偏载试验受力要严重得多, 因此, 对倾斜煤层支架, 特别是高煤层支架, 为保持支架本身工作的稳定性能与良好支护状态, 必须可靠地解决支架的横向稳定性和防倒防滑问题。
在架型设计中, 为了减小支架的接顶面积, 提高支架的支护强度, 通常都采取“支撑”和“掩护”相结合的结构布置方式。根据不同的使用条件, 采取不同的“支撑”与“掩护”长度之比。对矸石掩护的方式, 多数架型则采取除在顶梁尾部带斜面掩护结构外, 主要采取掩护结构来解决, 不管哪种防矸掩护结构。在矸石冒落过程, 除对支架承载力带来影响外, 还对支架产生一定的水平推力, 其大小取决于外载的大小、作用的方式、掩护斜面的水平夹角和矸石冒落时冲出的高度等, 即
T c ′=K M (g n H Πg n t ) cos αsin α
(4)
式中n ———前排立柱数; m ———后排立柱数;
S ———前排立柱每根工作阻力; S 1———后排立柱每根工作阻力;
β———前排立柱倾斜角度;
β——
后排立柱倾斜角度。1—
式中T c ′———矸石以冲击的方式作用在支架掩护斜
面上产生的水平力; W ———作用矸石重量; K ———矸石对支架掩护斜面或掩护梁的作用
系数, 一般K =0~1;
t ———矸石冲击作用的时间, T =0101~0102s ; H ———矸石冒落时对支架部件的冲击高度; g ———重力加速度。
3. to horizontal force
in different w ay
, , , 所以设计计响。但对坚硬沙砾岩难冒顶板因支架后方常会跟随一定的悬板, 一旦冒落时常呈大块, 呈冲击性作用在支架掩护结构上。该力对支架支护性能的影响与引起的水平推力, 就成为一个重要的作用外载, 支架常因该力而损坏, 这主要是由架型上某些结构不适应这类顶板支护要求所造成的结果。要改善或消除支架上这类载荷受力条件, 必须从架型结构上去解决。从式(4) 可看出要消除T c ′, 只有α=90°。因此只要采取直角形尾梁结构和垂直型防矸结构就可获得满意的解决。
212 支架自身结构引起的水平力
为改善支架自身受力条件, 对双排立柱支架, 常
采取立柱V 形或X 形布置, 以求支架内力相互平衡。
(2) 支架工作机构的水平力
四连杆机构, 主要作用在于保持支架自身工作的稳定性, 如忽略销轴间的配合间隙和构件受力时的弹性变形的影响, 四连杆机构可看成是刚性传力机构, 即支架工作过程中要求顶梁始终沿四连杆机构的轨迹而上下运动。因此, 在支架支护过程中, 随顶板的自然下沉, 顶梁与顶板不可能保持同步运动, 机构将迫使顶梁必须克服顶板给顶梁的摩擦力, 沿顶板向工作面方向或向老塘方向产生相对滑动, 摩擦力
(7) F =Qf
式中Q ———强制架对顶板的有效支护阻力;
f ———顶板与顶梁间的滑动摩擦系数(取f =
011~013) 。
摩擦力方向取决于四连杆机构瞬心的位置。从式(7) 可知, 支架对顶板的有效工作阻力越大, 所需克服的摩擦力也越大, 支架结构件所承受的力也越高。有人把支架能克服水平摩擦阻力大作为评价四连杆支架好坏的重要依据之一, 同时认为这种架型具有顶梁对顶板向着工作面方向的水平力, 有利于顶板控制的优点。实际工况如何, 只要分析一下四连杆机构的运动轨迹就可明白。目前国内外
(1) 立柱的不同布置方式引起的水平力
为了扩大支架对煤层变化的适应能力, 除用双伸缩立柱或单伸缩加机械调高立柱替代单伸缩立柱外, 现多数架型还广泛地采用立柱的不同倾斜布置方式(见图3) 来扩大使用范围, 从而引起支架自身的一定水平力, 其大小主要取决于立柱的工作阻力, 倾斜角度, 立柱的排数, 每排柱数和倾斜的方向。
单排立柱(见图3(a ) 、3(b ) )
T 1=nS sin β双排立柱(如图4(c ) 、4(f ) )
T 2=nS sin β±mS 1sin β1
(5) (6)
设计的四连杆机构, 主要可归纳为呈S 形轨迹曲线的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3种基本形式(见图4) 。有的S 形弯曲度较大如Ⅰ、Ⅱ型, 有的弯曲度较平缓, 并扭转了一个角度α, 使上下升降过程中, 只呈现向一个方向水平移动的轨迹如Ⅲ型
。
架移动后初撑时, 支架产生的水平力对顶板的作用。
这时与上述情况相反, 支架让压时, 顶梁给顶板施加向前的水平力, 这时就变为向后的水平力。3 四连杆架型合理抗水平力问题
如上所述, 由于四连杆架型在支护过程中, 顶梁是按四连杆机构的轨迹而上下运动的。因此, 它必须克服非支护所必须的顶梁和顶板间水平摩擦阻力, 从而引起支架部件受力增大, 不得不加大强度, 导致整体重量增加。近年来, 许多国家正对此开展改进试验, 如国内采用液压缸替代刚性前连杆, 为通过四连杆机构液压缸安全阀弹性让压, 保持顶梁与顶板同步运动的工作方式的试验取得了良好结果。这一改进试验证明, 不仅可改善支架自身构件的受力条件, 也可大大降低支架的重量。
采取上述限制连杆受力分析的措施, 支架重量可以从1219t 减少到716t , 即可减少41%。通过分析刚性传力四连杆支架的工作过程把四连杆承受不同的水平力对底座压力分布的影响进行了测定。测定结果:10%, 。因此, 对这, , 提高支架工作自, 。4 结语
经试验分析和论证, 认为在保证四连杆在移架时能给顶梁施加的水平推力, 至少具有等于移架力以克服移架时顶梁所遇到的阻力, 保证支架移架过程的初撑后, 达到设计要求的最佳支护状态。这样, 支架四连杆机构所需的克服水平阻力, 对高煤层支架可降到150~200kN , 对中厚以下煤层支架可降到50~100kN , 这样将可进一步改善支架的支护性能。上述试验和分析, 还未考虑外载对支架整体造成扭转载荷问题。若将这部分外载加以合理的改进处理, 效果将更显著。
作者简介:李雪伟(1969-) , 河南襄城人,1990年毕业于郑州航空工业管理学院机械制造工艺与设备专业, 毕业后一直从事技术工作1
图4 四连杆机构顶梁升降曲线的基本形状Fig . 4 Diagram of curves of four connection -rod top beam
支架从最大工作支护高度H max 到最小高度H min
范围工作中, 对Ⅰ、Ⅱ图形, 当支架从高度A 下降到高度B 时, 顶梁铰销沿Ab 弧线运动, 这时顶梁将向左方向水平位移Δx 1, 当从高度B 下降到高度C 时, 顶梁铰销沿bc 曲线运动, 这时顶梁将向右水平方向位移Δx 2; 当从高度C 到高度D 时, 顶梁铰销将沿CD 曲线运动, Δx 3对Ⅲ型图形, , , x =Δx 1+Δx 2+Δx 3Ⅲ型外, 通常都存在既有向工作面方向水平位移的时候, 也有向老塘方向水平位移的时候。在井下实际观测顶梁对顶板的摩擦力方向时, Ⅰ、Ⅱ型在向老塘方向产生水平位移中, 也会测到仍向着工作面方向的摩擦力, 这里应注意分析顶板与顶梁间存在的相对运动因素问题。即当所设计的四连杆机构向着老塘方向的偏移量小于因顶板下沉导致顶板向老塘方向滑移时, 就会出现顶梁相对于顶板仍向着工作面方向的摩擦力。因此, 只有如Ⅲ型四连杆支架或单铰圆弧式掩护支架, 才能保证顶梁对顶板施加的摩擦力始终向着工作面方向。
上述情况, 只是顶板下沉支架恒阻让压过程中由于四连杆机构的运动轨迹, 引起支架对顶板的一种水平力。另外一种尚不被人注意的情况, 就是支
收稿日期:2004201219
The analysis on the connection betw een the four connection -rod
support and surface force
LI Xue -w ei , LIN H ong -fei , TIAN Zhen -zhen
(1. Pingdingshan C oal Mine Machinery Factory ,Pingdingshan 467001,China ;
2. Pingdingshan T echnology Institute of Industry and Career ,Pingdingshan 467001,China )
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Abstract :Considering the structure characteristics of the four connection-rod support ,we analyze the reas on why the hori 2zontal force produces ,in order to find the suitable condition and point where the support receives the horizontal force ,im 2prove its ability to resist the horizontal force ,makes its force reception condition better ,further find the effective way to optimize its structure ,decrease its weight and cost.
K ey w ords :fourconnection-rod support ; horizontal force ; force reception condition ; point