长平矿5302工作面设计为智能化工作面，采煤工艺为放顶煤形式，其可采面积为720 295.6㎡，可采储量为540 267 5.1t，切眼长度为300m，煤层平均厚度为5.48m，设计要求其平均采高为3.2m，放煤厚度为2.28m，采放比为1：0.713，进、回风巷道高均为4.3m、宽均为5.4m。

　　

　　针对工作面基本地质条件和采煤工艺，结合智能化工作面支护设备需求，研制一种满足工作面安全支护的高智能化重型放顶煤液压支架迫在眉睫。

　　

　　1 重型放顶煤液压支架工作阻力计算与选型

　　

　　1.1 工作阻力计算

　　

　　根据计算结果，综合考虑工作面地质构造可能存在的矿压不稳定性，为安全起见，适当增加安全系数，支架工作阻力取11 000kN，支护强度为1.12MPa。

　　

　　1.2 支架选型

　　

　　1.2.1 放顶煤结构型式分析

　　

　　目前放顶煤支架有两柱式和四柱式两种结构型式，两柱掩护式放顶煤支架特点是支撑力主要集中在顶梁部位，且分布较均匀，但由于立柱呈倾斜布置，切顶性较差。四柱支撑掩护式支架改善了支撑式和掩护式两类支架的性能，增强了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支撑和承载能力。针对长平矿5302工作面顶板条件较差，掩护梁和尾梁直接接触冒落的顶煤，掩护梁长时间处于高载荷状态，结合支架的结构特性，现有平衡千斤提供的力无法满足该放顶煤支架的需求，且也不能只依靠平衡千斤来进行支撑，所以本次设计选用四柱支撑掩护式放顶煤液压支架。

　　

　　1.2.2 支架型号确定

　　

　　根据工作阻力和支护强度的计算结果，结合长平矿5302工作面实际采煤工艺，综合考虑采煤最低最 高采高及最低运输高度要求，最终支架确定为ZF11000-20.5-38D四柱支撑掩护式放顶煤液压支架。

　　

　　2 支架优化设计与受力分析

　　

　　2.1 四连杆机构优化设计

　　

　　综合考虑在综放工艺采煤过程中支架支护应具备支撑力大、切顶性能好、防护性能好、结构稳定的特点，在最大最小采高升降架过程中梁端曲线变化规律稳定等要求，初设选定的四连杆基本模型如图1所示。

　　

　　图1 初设选定的四连杆基本模型

　　

　　利用迈实软件对四连杆机构进行优化设计，优化后的四连杆机构如图2所示。

　　

　　2.2 运动仿真模拟

　　

　　选定四连杆机构后，在液压支架最高3 800mm和最低2 050mm范围内间隔100mm做液压支架运动模拟，将相关数据进行分析优化后确定液压支架各结构尺寸。液压支架运动仿真模拟如图3所示。

　　

　　2.3 液压支架受力分析

　　

　　2.3.1 加载试验

　　

　　依据GB25974-2010液压支架通用技术条件，对设计的液压支架进行受力分析。分别进行以下加载试验：支架顶梁集中加载、顶梁扭转、顶梁单侧加载、底座集中加载、底座扭转、顶梁扭转+底座集中加载、顶梁集中+底座两点加载、顶梁前端水平加载、顶梁后端水平加载。经分析优化后，得到液压支架技术参数，如图4所示。

　　

　　图2 优化后的四连杆机构

　　

　　图3 液压支架运动仿真模拟

　　

　　图4 液压支架主要技术参数

　　

　　2.3.2 液压支架受力与力矩分析

　　

　　得出液压支架具体技术参数后，选取3.8m最大支护位置，采用前后底板比压和前后支护强度的形式对液压支架进行力与力矩的仿真，仿真结果分别如图5、图6所示。

　　

　　3 液压支架强度校核与三维模型

　　

　　3.1 主要结构件强度校核

　　

　　选取上述加载试验和受力分析中各主要部件所承受的最大弯矩或扭矩，分别对以下主要结构件进行强度校核：支架顶梁中心处弯曲校核、支架顶梁柱窝处弯曲校核、顶梁扭转校核、支架掩护梁与前连杆铰接处弯曲校核、ZF11000支架掩护梁扭转校核、支架前后连杆弯曲校核、支架底座后柱窝处弯曲校核。经校核计算，最小安全系数大于1.63，所有结构件均在安全系数范围内，满足强度要求。

　　

　　3.2 立柱校核

　　

　　根据确定的液压支架参数和受力分析结果，依次对立柱千斤缸筒壁厚、液压缸进液口直径等部位进行强度验算，经校核计算，立柱安全系数均在安全范围之内，满足强度要求。

　　

　　图5 液压支架的仿真结果（3.8m状态下）

　　

　　图6 液压支架力矩的仿真结果（3.8m状态下）

　　

　　3.3 三维模型

　　

　　综上所述，ZF11000-20.5-38D型液压支架满足长平矿5302工作面综放工艺采煤使用需求，选定支架具体技术参数后，对支架进行全三维设计，其三维模型如图7所示。

　　

　　图7 ZF11000-20.5-38D 液压支架三维模型

　　

　　4. 液压支架智能化设计

　　

　　本液压支架配备了全套成组程序自动控制装备，包含18+6功能电液控及相应控制器、采高及姿态传感器、压力传感器、行程传感器、红外接收器、无线接收器、声光报警器、接近开关、自动反冲洗过滤器、云台摄像仪等，可实现的智能化功能主要如下：

　　

　　（1）具有自动循环移架、成组自动推溜、成组向后拉溜、成组伸收护帮板、成组伸收伸缩梁、成组伸收插板、成组摆尾梁和成组喷雾等功能。

　　

　　（2）具有成组放煤功能，放煤时间可调，可实现半自动放煤、全自动放煤和记忆放煤功能。

　　

　　（3）具有任意截深定距自动推溜、自动拉架功能，动作误差不大于10mm；具有推溜和拉架修正功能，累计误差不大于10mm。

　　

　　（4）具有支架立柱自动补液功能，补偿开启压力值、关闭压力值可调。

　　

　　（5）具有三种控制方式：工作面支架就地控制(手动控制)、集中控制(遥控控制)和远程控制(集控中心控制)。

　　

　　（6）拥有先进的人员定位技术，在工作面内定位精度20cm。

　　

　　（7）具有支架遥控器集成人员定位功能和身份识别功能，与电液控制系统的无线连接时间1s。