用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架
阅读说明：本技术 用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架 (Gravity center self-balancing special-shaped hydraulic support for pseudo-pitching inclined working face of large-inclination-angle coal seam ) 是由 伍永平 杨玉冰 闫壮壮 孙明明 曹建利 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架包括顶梁、掩护梁、尾梁、底座、立柱和前连杆,顶梁与底座上下相对设置并通过立柱支撑连接,立柱的两端分别与顶梁和底座铰接；前连杆靠近设置在尾梁的内侧且位于立柱与尾梁之间,前连杆的底端与底座的尾部铰接,前连杆的顶端与掩护梁的尾部铰接,掩护梁、尾梁、底座和前连杆共同构成四连杆机构；顶梁的左右两侧分别铰接有顶梁侧护板,掩护梁的左右两侧分别铰接有掩护梁侧护板,顶梁的下方设有支起或回收顶梁侧护板的伸缩液压缸,掩护梁的下方也设有支起或回收所述掩护梁侧护板的伸缩液压缸。本发明的四连杆机构,提高了整体支护的稳定性；且有效改善大倾角煤层液压支架倾倒问题。(The gravity center self-balancing special-shaped hydraulic support for the pseudo-pitching inclined working face of the large-inclination coal seam comprises a top beam, a shield beam, a tail beam, a base, an upright post and a front connecting rod, wherein the top beam and the base are arranged oppositely up and down and are connected through the upright post in a supporting manner, and two ends of the upright post are respectively hinged with the top beam and the base; the front connecting rod is arranged close to the inner side of the tail beam and positioned between the upright post and the tail beam, the bottom end of the front connecting rod is hinged with the tail part of the base, the top end of the front connecting rod is hinged with the tail part of the shield beam, and the shield beam, the tail beam, the base and the front connecting rod form a four-bar mechanism together; the left side and the right side of the top beam are respectively hinged with a top beam side guard plate, the left side and the right side of the shield beam are respectively hinged with a shield beam side guard plate, a telescopic hydraulic cylinder for supporting or recovering the top beam side guard plate is arranged below the top beam, and a telescopic hydraulic cylinder for supporting or recovering the shield beam side guard plate is also arranged below the shield beam. The four-bar linkage mechanism improves the stability of the integral support; and effectively improve the problem that the large-dip-angle coal seam hydraulic support topples over.)
技术领域
本发明涉及液压支架设计领域，具体涉及一种用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架。
背景技术
大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，是国内外采矿界公认的难采煤层，该类煤层开采对促进我国区域经济发展具有重要意义。采用沿煤层倾斜布置、走向推进的传统的走向长壁开采方法时，由于煤层倾角较大，在工作面顶板和支架与设备自身重力的倾斜分力作用下，支架无法稳定于工作面，导致支架下滑倾倒，造成设备损坏，影响生产进度，增大顶板管理难度。采用伪俯斜开采方法时，虽有效减缓了工作面倾角，减小了片帮飞矸威胁，但由于伪俯斜工作面存在伪斜角，支架受力与真斜工作面开采支架受力不同，支架摆尾、滑倒或倾倒等失稳问题仍没有得到彻底解决。
由于理论和设计研究较少，为了适应大倾角煤层开采对支架稳定性的要求，现有的大倾角综采支架都是在缓倾斜开采支架的基础上局部改造而来的，要从根本上解决液压支架的稳定性问题，就要针对大倾角煤层伪俯斜工作面的环境特点，对液压支架的结构进行改进，设计一种区别于传统支架形态，能够利用自身结构特点在大倾角伪俯斜采场保持稳定的新型液压支架。
发明内容
基于此，本发明提供了一种用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架，以解决现有技术由于伪俯斜工作面存在伪斜角，支架受力与真斜工作面开采支架受力不同，支架摆尾、滑倒或倾倒等失稳问题的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架，其包括顶梁、掩护梁、尾梁、底座、立柱和前连杆，其中：
所述顶梁与所述底座上下相对设置并通过所述立柱支撑连接，所述立柱的两端分别与所述顶梁和所述底座铰接；
所述掩护梁相对所述顶梁倾斜设置，所述顶梁的前端为自由端，所述顶梁的后端与所述掩护梁的前端铰接，所述掩护梁的后端与所述尾梁的顶端铰接，所述尾梁的底端与所述底座的后端铰接，所述前连杆靠近设置在所述尾梁的内侧且位于立柱与尾梁之间，所述前连杆的底端与所述底座的尾部铰接，所述前连杆的顶端与所述掩护梁的尾部铰接，所述掩护梁、尾梁、底座和前连杆共同构成四连杆机构；
所述顶梁的左右两侧分别铰接有顶梁侧护板，所述掩护梁的左右两侧分别铰接有掩护梁侧护板，所述顶梁的下方设有支起或回收所述顶梁侧护板的伸缩液压缸，掩护梁的下方也设有支起或回收所述掩护梁侧护板的伸缩液压缸。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述底座的左右两侧分别竖立设有底座侧边，所述底座的尾部通过所述底座侧边与所述前连杆的底端铰接，并使底座与前连杆的铰接位置相对底座所在平面高于底座与尾梁的铰接位置。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述重心自平衡异形液压支架的整体结构沿侧向倾斜角度Φ，即当重心自平衡异形液压支架在工作面支护时，重心自平衡异形液压支架在工作面倾斜方向上向回风巷侧倾斜角度Φ，从煤壁方向向采空区方向观察重心自平衡异形液压支架，此时，立柱与顶梁和底座之间的夹角为90°-Φ，其中角度Φ的下限为0°，上限取重心自平衡异形液压支架在平面放置时稳定不倒的临界角度。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述顶梁与掩护梁之间、掩护梁与尾梁之间、尾梁与底座之间，以及前连杆与掩护梁和底座之间的各个铰接部位各对应有一个转动轴，所有转动轴的轴线互相平行且都垂直于未支起状态时的顶梁侧护板及掩护梁侧护板所在平面。
作为本发明的进一步优选技术方案，当重心自平衡异形液压支架在工作面支护时，顶梁侧护板和掩护梁侧护板在未支起状态时，以及底座侧边均倾斜角度Φ，并且回风巷侧的顶梁侧护板长于运输巷侧的顶梁侧护板，运输巷侧的底座侧边高于回风巷侧的底座侧边。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述顶梁、掩护梁和底座的形状均为平行四边形，三个所述平行四边形的宽度相等、顶角相同，平行四边形的四个顶角的角度分别为λ、180°-λ、λ和180°-λ，所述λ与走向夹角γ保持一致，其中，γ为伪斜工作面与走向的夹角。
作为本发明的进一步优选技术方案，当多个重心自平衡异形液压支架沿伪斜工作面依次布设进行支护时，所有立柱排列在一条直线上，并且该直线与底座的前端平行。
本发明的用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
1)本发明的重心自平衡异形液压支架，由上下设置的顶梁与底座，以及支撑连接的立柱组成支护主体，掩护梁和尾梁挡护于后侧，掩护梁、尾梁、底座和前连杆共同构成四连杆机构，从而提高了整体支护的稳定性；
2)本发明的重心自平衡异形液压支架，可通过整体结构改变，在工作面倾斜方向上偏移一定角度，在大倾角煤层长壁伪俯斜工作面支护时支架整体重心上移，减小支架重力力矩的作用，增加支架稳定性，可以有效改善大倾角煤层液压支架倾倒的问题；
3)本发明的重心自平衡异形液压支架，其顶梁与伪俯斜工作面更加契合，可以防止架前漏矸及煤壁片帮等问题发生，保证了工作人员安全。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的重心自平衡异形液压支架的立体结构示意图；
图2为本发明的重心自平衡异形液压支架的的正视图；
图3为本发明的重心自平衡异形液压支架的使用状态参考图；
图4为图3中的B-B截面局部图；
图5为本发明的重心自平衡异形液压支架的侧视图；
图6为图5的A-A剖面图。
图中：1-顶梁、2-掩护梁、3-尾梁、4-底座、5-立柱、6-前连杆、7-底座侧边、8-护帮板、9-顶梁侧护板、10-掩护梁侧护板、11-顶梁—掩护梁转动轴示意线、12-掩护梁—前连杆转动轴示意线、13-掩护梁—尾梁转动轴示意线、14-前连杆—底座转动轴示意线、15-尾梁—底座转动轴示意线、16-伸缩液压缸、17-煤壁、18-运输巷、19-回风巷、20-采空区。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图6所示，本发明提供了一种用于大倾角煤层伪俯斜工作面的重心自平衡异形液压支架，包括顶梁1、掩护梁2、尾梁3、底座4、立柱5和前连杆6，其中：
所述顶梁1与所述底座4上下相对设置并通过所述立柱5支撑连接，所述立柱5的两端分别与所述顶梁1和所述底座4铰接；
所述掩护梁2相对所述顶梁1倾斜设置，所述顶梁1的前端为自由端，所述顶梁1的后端与所述掩护梁2的前端铰接，所述掩护梁2的后端与所述尾梁3的顶端铰接，所述尾梁3的底端与所述底座4的后端铰接，所述前连杆6靠近设置在所述尾梁3的内侧且位于立柱5与尾梁3之间，所述前连杆6的底端与所述底座4的尾部铰接，所述前连杆6的顶端与所述掩护梁2的尾部铰接，所述掩护梁2、尾梁3、底座4和前连杆6共同构成四连杆机构；
所述顶梁1的左右两侧分别铰接有顶梁侧护板9，所述顶梁1的前端设有护帮板8，所述掩护梁2的左右两侧分别铰接有掩护梁侧护板10，所述顶梁1的下方设有支起或回收所述顶梁侧护板9的伸缩液压缸16，掩护梁2的下方也设有支起或回收所述掩护梁侧护板10的伸缩液压缸16。
具体实施中，所述底座4的左右两侧分别竖立设有底座侧边7，所述底座4的尾部通过所述底座侧边7与所述前连杆6的底端铰接，并使底座4与前连杆6的铰接位置相对底座4所在平面高于底座4与尾梁3的铰接位置。
参阅图2所示，本发明的重心自平衡异形液压支架整体结构沿侧向倾斜角度Φ。
参阅图3所示，MN为伪俯斜工作面，MN长度为伪斜工作面的倾斜长度，∠MNO为伪斜角，记为β；MP为真倾斜工作面，MP长度为真倾斜工作面长度，∠MPO为真倾角，记为α，PM方向为工作面的倾斜方向，图中左侧为煤壁17，右侧为采空区20，在所述伪斜工作面上侧布置区段回风巷19，在下侧超前回风巷19一段距离布置区段为运输巷18，所标箭头方向为工作面的走向推进方向。其中，γ为伪斜工作面与走向的夹角，又称走向夹角。图3中为多个重心自平衡异形液压支架沿MN依次布设以实现支护。
参阅图4所示，当重心自平衡异形液压支架在工作面支护时，本发明的液压支架整体结构在工作面倾斜方向上向回风巷19侧倾斜角度Φ，即从煤壁17方向向采空区20方向观察重心自平衡异形液压支架，立柱5与顶梁1和底座4之间的夹角为90°-Φ。为确保重心自平衡异形液压支架自身的稳定性，Φ角度下限为0°，上限取重心自平衡异形液压支架在平面放置时稳定不倒的临界角度。设该临界角度为Φmax，重心自平衡异形液压支架重心高度为h，支架宽度为L，支架由n部分组成，各部分质量为mi(i＝1，2，…，n)，则有：
其中
因此，结合上述公式，根据重心自平衡异形液压支架的具体结构尺寸和各组成部件的质量，求得Φ的角度范围为0°＜Φ≤Φmax。
与普通支架相比，本发明的重心自平衡异形液压支架整体结构的改变和偏移使得支架整体重心位置发生偏移，当重心自平衡异形液压支架在大倾角煤层长壁伪俯斜工作面进行支护时，支架重心上移，即向回风巷19侧偏移，可以消减支架重力产生的力矩对其倾倒的作用，增强了支架的稳定性，防止支架倒滑。
同时，参阅图2、图4所示，为确保重心自平衡异形液压支架的正常升降架功能不受阻碍和影响，支架顶梁侧护板9和掩护梁侧护板10在未支起状态时，以及底座侧边7均要倾斜角度Φ，并且回风巷19侧的顶梁侧护板9要长于运输巷18侧的顶梁侧护板9，运输巷18侧的底座侧边7要高于回风巷19侧的底座侧边7，以便使支架的五个转动轴(顶梁1与掩护梁2之间的转动轴、掩护梁2与尾梁3之间的转动轴、尾梁3与底座4之间的转动轴，前连杆6与掩护梁2之间的转动轴，前连杆6与底座4之间的转动轴)的轴线互相平行且都垂直于未支起状态时的顶梁侧护板9及掩护梁侧护板10所在的平面，其中，顶梁—掩护梁2转动轴示意线11、掩护梁—前连杆6转动轴示意线12、掩护梁—尾梁3转动轴示意线13、前连杆—底座转动轴示意线14、尾梁—底座转动轴示意线15，请参阅图2和图4所示。
参阅图5、图6所示，所述顶梁1的左右两侧分别铰接有顶梁侧护板9，所述掩护梁2的左右两侧分别铰接有掩护梁侧护板10，所述顶梁1的下方设有支起或回收所述顶梁侧护板9的伸缩液压缸16，掩护梁2的下方也设有支起或回收所述掩护梁侧护板10的伸缩液压缸16。用伸缩液压缸16控制顶梁侧护板9和掩护梁侧护板10支起和收回，不仅可以保证顶梁侧护板9和掩护梁侧护板10倾斜角度，当工作面由多个重心自平衡异形液压支架组合进行支护时，还能大大提高了重心自平衡异形液压支架对相邻重心自平衡异形液压支架的适应性，有利于重心自平衡异形液压支架对工作面进行支护。
当多个重心自平衡异形液压支架沿伪斜工作面依次布设进行支护时，所有立柱5排列在一条直线上，并且该直线与底座4的前端平行。此外，这些立柱5均朝向底座4的前端倾斜一定角度，倾斜后，立柱5与竖直方向的夹角控制在5°-15°范围内，从而使得立柱5与掩护梁2之间构成一个小空间，多个重心自平衡异形液压支架依次整齐排列时可形成一条通道，该通道可供操作人员行走和移动。另外，立柱5的这种布置方式可以使重心自平衡异形液压支架的尾部不易翘起，顶梁1载荷分布均匀，同时增加支架稳定性。
参阅图6所示，顶梁1、掩护梁2和底座4的形状均为平行四边形，三个平行四边形的宽度相等、顶角相同，平行四边形的四个顶角的角度分别为λ、180°-λ、λ和180°-λ，λ与走向夹角γ保持一致。顶梁1采用平行四边形结构，可以对工作面煤壁17及顶板进行完全契合支护，避免煤壁17与顶板悬露，有效防止架前冒顶与煤壁17片帮。掩护梁2采用平行四边形结构，可以防止相邻重心自平衡异形液压支架间咬架事故发生。
使用本发明的液压支架进行支护时，从伪俯斜工作面MN的下部向上依次移架，这样利于预防重心自平衡异形液压支架的倒滑。此外，要严格控制相邻重心自平衡异形液压支架的顶梁1的高度差，此高度差不应超过顶梁1高度的三分之一，以防止咬架或背架事故发生。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
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