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摘要：结合ZY2800/10/23支架在水城煤电集团相关矿井的实际使用情况，在满足“三机配套”相关原则的基础上，对改造后的ZY2800/10/23支架进行了受力分析及理论计算。为以后同类型支架的结构改造提供了一定的参考。
关键词：液压支架；三机配套；改造分析
Abstract: combining the ZY2800/10/23 stents in coal mine water group related the actual use of the situation, and to meet "three turbines supporting" related on the basis of the principle for the reconstruction of the ZY2800/10/23 after stent for the stress analysis and theoretical calculation. For the same type of structure after stent transformation for a certain reference.
Keywords: hydraulic support; Three turbines matching; Transformation analysis
中图分类号: TD355.4文献标识码：A文章编号：
0 概述
ZY2800/10/23综采液压支架作为我局主要的薄煤层开采架型，在矿井采面生产过程中，承担着重要的角色。随着我局产能的不断提高，大刮板、大采煤设备的不断投入，原有的ZY2800/10/23支架已经无法满足现有综采工作面 “三机配套”的要求。综采工作面的“三机”是指采煤机、液压支架、刮板输送机，是综采工作面的主要设备。其选型首先必须考虑配套关系，选型正确先进、配套关系合理是提高综采工作面生产能力、实现高产高效的必要条件。从综采工作面“三级配套”原则、综采液压支架受力情况、顶梁的强度校核等方面对ZY2800/10/23支架顶梁加长加长方案进行系统的可行性分析。
1 改造原因
根据综采液压支架与采煤机、刮板输送机“三机配套”原则，现有的ZY2800/10/23A支架已经无法满足综采工作面对梁端距的要求（梁端距从顶板管理的角度来说，其值越小越好，推荐为300mm左右）。综采工作面配套设备：刮板输送机：SGZ764/400；采煤机：MG300/700-AWD；综采液压支架：ZY2800/10/23A。
综采液压支架梁端距一般取150～400mm。它主要取决于采高、底板起伏情况、顶板条件及采煤机械的型式。从顶板管理来看，梁端距应尽可能的小。但由于采煤机在走向方向上倾角的变化，容易引起割顶梁。由于采煤机滚筒截深、刮板输送机宽度的变化，同时考虑到推移杆长度的限制，支架顶梁的理论梁端距增加至615㎜，故无法满度“三机配套”对支架梁端距的要求。
ZY2800/10/23支架作为主要的薄煤层开采架型，较适合水城的地质条件，同时操作人员对此架型支架也较为熟悉，在考虑充分利用现有设备及“三机”配套原则的基础上，对ZY2800/10/23支架顶梁结构进行适当的修改，以适应现有采煤机及刮板输送机的布置要求。
2 改造方案
根据以上原因的分析，决定对ZY2800/10/23支架顶梁部分进行加长处理，以满足“三机配套”对梁端距及相关细节尺寸的要求（图1，图2）。
图1顶梁改造前示意图
图2顶梁加长后示意图
具体实施方案是：搭接如图所示板材，在不破坏顶梁原有箱型结构的基础上，保证所有焊缝强度。同时借助于辅助工装，保证搭接部分与原顶梁顶板的平整度。此方案在原有顶梁长度的基础上增加了235mm的顶梁长度，同时搭接板材全部才有Q460高强度板材，保证了支架顶梁结构的强度。
3改造分析与计算
ZY2800/10/23支架顶梁的改造势必会影响支架整体受力情况，同时对顶梁的力学性能提出了更高的要求，为了确保支架安全性能能满足综采工作面的使用要求，對支架的受力及强度计算进行如下分析。
3.1对改造后的支架进行受力分析
由于支架受力条件复杂，尤其掩护式与支撑掩护式支架载荷，既作用在顶梁上，也作用在掩护梁上，很难确定各部分载荷大小与方向；此外，对不同工况时支架受力分析表明，顶梁单独受载，比顶梁与掩护梁同时受载的状况更为危险，因此，设计时，支架载荷一般均按顶梁单独承载的危险状态考虑。经过相应的计算，支架在最高位置时的顶梁与底座合力点具体位置及大小如图3所示。
支架顶梁及底座合力Q=2153kN；支架顶梁合力点位置X=1137mm；支架底座合力点位置XG=830mm。
图3 支架受力简支图
3.2支架结构件强度校核
校核支架承载结构件强度主要有两种方法可供选用，即材料力学方法与结构有限元分析方法。传统的材料力学方法比较简单，对正常工况来说，准确度已基本能满足要求。
ZY2800/10/23支架顶梁改造后，顶梁长度加长了235mm。随着支架整体结构及相应参数的变化，支架的受力情况也随之发生变化，其原有设计的安全系数是否能满足现有工况的要求必须对结构件进行强度校核。现取顶梁为分离体,同时根据上述的各项计算参数（图4）。
图4 顶梁分离体受力图
支架强度校核时取顶梁柱窝处为危险断面（支架顶梁加长，对顶梁的抗弯要求提出了更高的要求，而支架其他部件设计上的安全系数基本上能够满足改造后的实际工况），现根据实际弯矩及其断面尺寸对支架顶梁的危险断面进行弯曲应力校核计算（图5）。
图5顶梁柱帽处截面图
1—小顶板；2—大顶板；3—侧板；4—主筋；5—盖板；6—柱帽；7—盖板
由顶梁结构的受力图5可知，在顶梁立柱柱帽处为顶梁受最大弯曲力处，应对此处进行弯曲力的强度校核。
首先对每块筋板进行编号，把位置和形状相同的筋板变成一个号，再计算截面积，最后计算截面积形心距（Yi）。即有：
截面形心距：
矩形截面的惯性矩为：JZC=bh3/12
式中 b——截面宽度；
h——为截面宽度。
计算每个零件对截面形心的惯性矩JZi：
对于A-A截面由力矩的平衡关系可知，截面左右所受的力矩一样。故截面左面立柱产生的力矩为为最大力矩:
计算弯曲应力和安全系数：
=341MPa
安全系数:
由此可知，安全系数在顶梁要求的安全系数范围之内。支架各部件安全系数表见表1。
表1支架各部件安全系数
安全系数 前梁 顶梁 底座 掩护梁 前连杆 后连杆
N 1.1 1.1 1.1 1.3 1.3 1.3
由表1可知，支架顶梁的安全系数要求在1.1左右，其计算结构基本能够满足支架的设计要求。故此改造方案是可以执行的。
4 改造后的使用效果
改造后的ZY2800/10/23支架使用效果良好，在水矿集团汪家寨煤矿工作面使用。改造后的支架未出现因强度不够而产生的变形。
总之改造后的支架能够继续满足水矿集团综采工作面的正常出煤要求。在大滚筒、大截深采煤的不断推广的前提下同时对原有架型的改造提出一个新的思路。
参考文献：
[1]刘玉堂. 煤矿支护手册[M].北京：煤炭工业出版社,1991
[2]李国军. 煤矿（矿山）综采液压支架设备选型设计、工况分析检测及液压支架安全运行维护检修使用手册.北京：中国煤炭出版社,
[3]孙训方,方孝淑,关来泰. 材料力学[M].北京:人民教育出版社,1979
[4]华东水利学院工程力学教研组.理论力学[M].北京:人民教育出版社,1979
作者简介：吴泽智（1983—），男，助理工程师。2005年毕业于北京理工机械与电子制造专业，现贵州省水城煤电集团机械制造分公司从事综采液压支架设计工作。发表专业学术论文2篇。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：液压支架；三机配套；改造分析
Abstract: combining the ZY2800/10/23 stents in coal mine water group related the actual use of the situation, and to meet "three turbines supporting" related on the basis of the principle for the reconstruction of the ZY2800/10/23 after stent for the stress analysis and theoretical calculation. For the same type of structure after stent transformation for a certain reference.
Keywords: hydraulic support; Three turbines matching; Transformation analysis
中图分类号: TD355.4文献标识码：A文章编号：
0 概述
ZY2800/10/23综采液压支架作为我局主要的薄煤层开采架型，在矿井采面生产过程中，承担着重要的角色。随着我局产能的不断提高，大刮板、大采煤设备的不断投入，原有的ZY2800/10/23支架已经无法满足现有综采工作面 “三机配套”的要求。综采工作面的“三机”是指采煤机、液压支架、刮板输送机，是综采工作面的主要设备。其选型首先必须考虑配套关系，选型正确先进、配套关系合理是提高综采工作面生产能力、实现高产高效的必要条件。从综采工作面“三级配套”原则、综采液压支架受力情况、顶梁的强度校核等方面对ZY2800/10/23支架顶梁加长加长方案进行系统的可行性分析。
1 改造原因
根据综采液压支架与采煤机、刮板输送机“三机配套”原则，现有的ZY2800/10/23A支架已经无法满足综采工作面对梁端距的要求（梁端距从顶板管理的角度来说，其值越小越好，推荐为300mm左右）。综采工作面配套设备：刮板输送机：SGZ764/400；采煤机：MG300/700-AWD；综采液压支架：ZY2800/10/23A。
综采液压支架梁端距一般取150～400mm。它主要取决于采高、底板起伏情况、顶板条件及采煤机械的型式。从顶板管理来看，梁端距应尽可能的小。但由于采煤机在走向方向上倾角的变化，容易引起割顶梁。由于采煤机滚筒截深、刮板输送机宽度的变化，同时考虑到推移杆长度的限制，支架顶梁的理论梁端距增加至615㎜，故无法满度“三机配套”对支架梁端距的要求。
ZY2800/10/23支架作为主要的薄煤层开采架型，较适合水城的地质条件，同时操作人员对此架型支架也较为熟悉，在考虑充分利用现有设备及“三机”配套原则的基础上，对ZY2800/10/23支架顶梁结构进行适当的修改，以适应现有采煤机及刮板输送机的布置要求。
2 改造方案
根据以上原因的分析，决定对ZY2800/10/23支架顶梁部分进行加长处理，以满足“三机配套”对梁端距及相关细节尺寸的要求（图1，图2）。
图1顶梁改造前示意图
图2顶梁加长后示意图
具体实施方案是：搭接如图所示板材，在不破坏顶梁原有箱型结构的基础上，保证所有焊缝强度。同时借助于辅助工装，保证搭接部分与原顶梁顶板的平整度。此方案在原有顶梁长度的基础上增加了235mm的顶梁长度，同时搭接板材全部才有Q460高强度板材，保证了支架顶梁结构的强度。
3改造分析与计算
ZY2800/10/23支架顶梁的改造势必会影响支架整体受力情况，同时对顶梁的力学性能提出了更高的要求，为了确保支架安全性能能满足综采工作面的使用要求，對支架的受力及强度计算进行如下分析。
3.1对改造后的支架进行受力分析
由于支架受力条件复杂，尤其掩护式与支撑掩护式支架载荷，既作用在顶梁上，也作用在掩护梁上，很难确定各部分载荷大小与方向；此外，对不同工况时支架受力分析表明，顶梁单独受载，比顶梁与掩护梁同时受载的状况更为危险，因此，设计时，支架载荷一般均按顶梁单独承载的危险状态考虑。经过相应的计算，支架在最高位置时的顶梁与底座合力点具体位置及大小如图3所示。
支架顶梁及底座合力Q=2153kN；支架顶梁合力点位置X=1137mm；支架底座合力点位置XG=830mm。
图3 支架受力简支图
3.2支架结构件强度校核
校核支架承载结构件强度主要有两种方法可供选用，即材料力学方法与结构有限元分析方法。传统的材料力学方法比较简单，对正常工况来说，准确度已基本能满足要求。
ZY2800/10/23支架顶梁改造后，顶梁长度加长了235mm。随着支架整体结构及相应参数的变化，支架的受力情况也随之发生变化，其原有设计的安全系数是否能满足现有工况的要求必须对结构件进行强度校核。现取顶梁为分离体,同时根据上述的各项计算参数（图4）。
图4 顶梁分离体受力图
支架强度校核时取顶梁柱窝处为危险断面（支架顶梁加长，对顶梁的抗弯要求提出了更高的要求，而支架其他部件设计上的安全系数基本上能够满足改造后的实际工况），现根据实际弯矩及其断面尺寸对支架顶梁的危险断面进行弯曲应力校核计算（图5）。
图5顶梁柱帽处截面图
1—小顶板；2—大顶板；3—侧板；4—主筋；5—盖板；6—柱帽；7—盖板
由顶梁结构的受力图5可知，在顶梁立柱柱帽处为顶梁受最大弯曲力处，应对此处进行弯曲力的强度校核。
首先对每块筋板进行编号，把位置和形状相同的筋板变成一个号，再计算截面积，最后计算截面积形心距（Yi）。即有：
截面形心距：
矩形截面的惯性矩为：JZC=bh3/12
式中 b——截面宽度；
h——为截面宽度。
计算每个零件对截面形心的惯性矩JZi：
对于A-A截面由力矩的平衡关系可知，截面左右所受的力矩一样。故截面左面立柱产生的力矩为为最大力矩:
计算弯曲应力和安全系数：
=341MPa
安全系数:
由此可知，安全系数在顶梁要求的安全系数范围之内。支架各部件安全系数表见表1。
表1支架各部件安全系数
安全系数 前梁 顶梁 底座 掩护梁 前连杆 后连杆
N 1.1 1.1 1.1 1.3 1.3 1.3
由表1可知，支架顶梁的安全系数要求在1.1左右，其计算结构基本能够满足支架的设计要求。故此改造方案是可以执行的。
4 改造后的使用效果
改造后的ZY2800/10/23支架使用效果良好，在水矿集团汪家寨煤矿工作面使用。改造后的支架未出现因强度不够而产生的变形。
总之改造后的支架能够继续满足水矿集团综采工作面的正常出煤要求。在大滚筒、大截深采煤的不断推广的前提下同时对原有架型的改造提出一个新的思路。
参考文献：
[1]刘玉堂. 煤矿支护手册[M].北京：煤炭工业出版社,1991
[2]李国军. 煤矿（矿山）综采液压支架设备选型设计、工况分析检测及液压支架安全运行维护检修使用手册.北京：中国煤炭出版社,
[3]孙训方,方孝淑,关来泰. 材料力学[M].北京:人民教育出版社,1979
[4]华东水利学院工程力学教研组.理论力学[M].北京:人民教育出版社,1979
作者简介：吴泽智（1983—），男，助理工程师。2005年毕业于北京理工机械与电子制造专业，现贵州省水城煤电集团机械制造分公司从事综采液压支架设计工作。发表专业学术论文2篇。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。