【正文】 前言綜合機械化采煤是煤礦技術(shù)進步的標(biāo)志，是煤礦增加產(chǎn)量、提高勞動效率、增加經(jīng)濟效益的重要手段。實踐證明大力發(fā)展綜合機械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關(guān)鍵的。至今，我國煤礦中使有的支架類型很多，按照支架采煤工作面安裝位置來劃分有端頭支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所的位置的支架。目前使用的液壓支架分為三類。即：支撐式液壓支架、掩護式液壓支架、支撐掩護式液壓支架。從架型的結(jié)構(gòu)特點來看，由于架型的不同，它的支撐力分布和作用也不同；從頂板條件來看，由于直接類別和老頂級別的不同，支架所承受的載荷也不同，所以為了在使用中合理地選擇架型，要對支架的支撐力承載力的關(guān)系進行分析，使支架的支撐力能適應(yīng)頂板載荷的要求。，老頂級別為二級，直接頂類別為一類的掩護式液壓支架的設(shè)計。支撐力較小，切頂性能差，但由于頂梁短，支撐力集中在靠近煤壁的頂板上，所以支護強度較大、且均勻，掩護性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復(fù)支撐的次數(shù)少，能帶壓移架。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風(fēng)斷面小。其因此本設(shè)計設(shè)計這類掩護式液壓支架。1 緒論 液壓支架現(xiàn)狀液壓支架的設(shè)計、制造和使用，從1954年英國研制成功了液壓支架發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)基本成熟，它已經(jīng)形成了能適應(yīng)各種不同煤礦地質(zhì)條件的各類液壓支架。從液壓支架的形式來看，由支撐式液壓支架發(fā)展到掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架；從支架的質(zhì)量來看，有輕型液壓支架、中型液壓支架和重型液壓支架；從支撐高度來看，有薄煤層液壓支架、中厚煤層液壓支架和厚煤層液壓支架，其中厚煤層液壓支架又分煤層一次采全高液壓支架和中間液壓支架。所以從液壓支架的現(xiàn)狀來看，由過去的手工設(shè)計、制造和使用發(fā)展到全部計算機程序設(shè)計。總之，隨著時代的發(fā)展和進步，液壓支架設(shè)計、制造和使用，將越來越完善、安全、可靠。我國液壓支架經(jīng)過30多年的發(fā)展，盡管取得了顯著的成績，在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn)過日產(chǎn)萬噸甚至班產(chǎn)超萬噸的記錄，但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾，有些地方特別是特厚煤層用的放頂媒支架，鋪網(wǎng)支架，兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處，但國產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏低，電液控制閥可靠性差，所用鋼材的耐壓能力一般為16MPa，最好的屈服極限才700MPa，液壓系統(tǒng)壓力在35MPa以下，流量在200L/min以內(nèi)，供液管直徑25～35mm，回液管直徑25～50mm，最快移架速度為10～12s/架，工作阻力更是相對較低。新型液壓支架普遍具有微型電機或電磁鐵驅(qū)動的電液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器，采煤機裝有紅外線傳感裝置，立柱缸徑超過400mm，為減少割媒時間，～1m截深。支架還采用屈服強度800～1000MPa的鋼板，既有較高的強度、硬度和韌性，又具有良好的冷焊性能。隨著長壁工作面長度的不斷增加，為適應(yīng)快速移架的需要，國外還廣泛采用高壓大流量乳化液泵站，其額定壓力為40～50MPa，額定流量400～500/min可實現(xiàn)工作面成組或成排快速移架，移架速度達到6～8s/架。美國是世界上最先進的采煤國家，澳大利亞液基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)，使用兩柱掩護式液壓支架，支架的平均 工作阻力為7640KN，英國液大力發(fā)展兩柱掩護式液壓支架，工作阻力有了很大提高，達到6000～8000KN 液壓支架的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外在液壓支架的設(shè)計、制造和使用中，新產(chǎn)品在不斷的改進和研制中，下面做簡單介紹。1) 前連桿設(shè)油缸的液壓支架2) 沿頂板移架的液壓支架3) 適應(yīng)特種條件下的液壓支架(1) 特厚煤層一次采全高液壓支架(2) 新型放頂煤液壓支架(3) 水采支架(4) 重型支架(5) 新型端頭支架(6) 大傾角工作面支架4) 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計方向(1) 輕型化(2) 標(biāo)準化(3) 材質(zhì)強化(4) 高壓化5) 操縱自動化能適應(yīng)無人采煤工作面的需要，設(shè)計遠程操作的新型全自動液壓支架。今后，握我國的液壓支架的設(shè)計將朝技術(shù)含量大、鋼板強度高、移架速度快(6～8s/架)和電液控制閥的方向發(fā)展，對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力，盡量采用整體可靠推桿和抬底座機構(gòu)，并減少千斤頂數(shù)量。另外，將普遍采用額定壓力為40MPa、額定流量為400L/min的高壓大流量乳化液泵站，以適應(yīng)快速移架的需要：系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液，保證支架有足夠的壓力達到初撐力，保證支架接頂位置準確。兩柱掩護式支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至360mm，端頭支架，輕放多用途支架將被廣泛采 液壓支架的組成、分類及支護方式 液壓支架的組成液壓支架是綜采工作面支護設(shè)備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設(shè)備。其組成可分為4個部分：1) 承載結(jié)構(gòu)件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各種動作，產(chǎn)生液壓動力。 3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動側(cè)護板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。 液壓支架的分類液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。1) 液壓支架按其結(jié)構(gòu)特點和與圍巖的作用關(guān)系—般分為三大類，即支撐式、掩護式(圖11)和支撐掩護式(圖12) 圖11 掩護式液壓支架結(jié)構(gòu) 圖12支撐掩護式液壓支架結(jié)構(gòu)Figure 11 Coverhydraulic support structure Figure 12 Support for the cover of the hydraulic support structure2) 液壓支架按在采煤工作面的安置位置分，端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。中間液壓支架按其結(jié)構(gòu)形式來劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式。(1) 支撐式支架，支撐式支架是出現(xiàn)最早的一種架型，按其結(jié)構(gòu)和動作方式的不同，支撐式支架又分為垛式支架（圖13 a）和節(jié)式支架（圖13 b）兩種結(jié)構(gòu)型式。垛式支架每架為一整體，與輸送機連接并互為支點整體前移。節(jié)式支架由2～3個框節(jié)組成，移架時，各節(jié)之間互為支點交替前移，輸送機用于支架相連的推移千斤頂推移。節(jié)式支架由于穩(wěn)定性差，現(xiàn)已基本淘汰。支撐式支架的結(jié)構(gòu)特點是：頂梁較長，其長度多在4m左右；立柱多，一般是4～6根，且垂直支撐；支架后部設(shè)復(fù)位裝置和擋矸裝置。以平衡水平推力和防止矸石竄入支架的工作空間內(nèi)。支撐式支架的支護性能是：支撐力大，且作用點在支架中后部，故切頂性能好；對頂板重復(fù)支撐的次數(shù)多，容易把本來完整的頂板壓碎；抗水平載荷的能力差，穩(wěn)定性差；護矸能力差，矸石易竄入工作空間；支架的的工作空間和通風(fēng)斷面大。由上可知，支撐式支架適用于直接頂穩(wěn)定、老頂有明顯或強烈周期來壓，且水平力小的條件。此種支架在現(xiàn)階段的綜采工作面的生產(chǎn)時都已基本不再采用。(a) 垛式支架 (b) 節(jié)式支架圖13支撐式支架結(jié)構(gòu)形式Figure 13 Support stent structure(2 ) 掩護式支架（如圖11），其主要由前梁、主梁、掩護梁和側(cè)護板、底座、前后連桿、前梁千斤頂、推移千斤頂、操縱閥等組成。 它的結(jié)構(gòu)特點是：有一個較寬的掩護梁以擋住采空區(qū)矸石進入作業(yè)空間，其掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端通過前后連桿與底座連接。底座、前后連桿和掩護梁形成四連桿機構(gòu)，以保持穩(wěn)定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撐力間接作用與頂梁或直接作用與頂梁上。掩護式支架的立柱較少，除少數(shù)掩護式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。這種支架的立柱都為傾斜布置，以增加支架的調(diào)高范圍，支架的兩側(cè)有活動側(cè)護板，可以把架間密封。通常頂梁較短。 掩護式支架的支護性能是：支撐力較小，切頂性能差，但由于頂梁短，支撐力集中在靠近煤壁的頂板上，所以支護強度較大、且均勻，掩護性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復(fù)支撐的次數(shù)少，能帶壓移架。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風(fēng)斷面小。由上可知，掩護式支架適用于頂板不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定、老頂周期來壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。(3 ) 支撐掩護式支架（如圖12），其主要由防片幫千斤頂、前梁、頂梁、掩護梁、底座、推移千斤頂、立柱等組成。支撐掩護式支架是在吸收了支撐式和掩護式兩種支架優(yōu)點的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護式支架的結(jié)構(gòu)特點和性能，可適應(yīng)各種頂?shù)装鍡l件。此種支架的優(yōu)點是：支撐力大，切頂性能強，防護性能好，通風(fēng)斷面大，穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣。它的缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。支撐掩護式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾或后傾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，兩排立柱都是直接支撐在頂梁上，個別情況下，也有后排立柱支撐在掩護梁上而前排立柱支撐在頂梁上。(4) 特種液壓支架，特種液壓支架是為了滿足某些特殊的要求而發(fā)展起來的液壓支架，在結(jié)構(gòu)形式上仍屬于以上某種液壓支架。包括放頂煤支架等。 液壓支架的支護方式綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關(guān)系。1) 即時支護—般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機”的配套關(guān)系。即時支護的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護方式。2) 滯后支護一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。3) 復(fù)合支護—般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。復(fù)合支護的特點是：支護滯后時間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)?？蛇m用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應(yīng)高產(chǎn)高效要求，目前應(yīng)用較少。 液壓支架的工作原理及工作特性液壓支架在工作過程中必須具備升、降、推、移四個基本動作。這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來實現(xiàn)完成的。如圖14所示圖14 液壓支架工作原理Figure 14 Hydraulic support principle1頂梁 2立柱 3底座 4推移千斤頂 5安全閥 6液控單向閥8操縱閥9輸送機 10乳化液泵11主供液管12主回油管1) 升柱當(dāng)需要支架上升支護頂板時。高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。2）降柱當(dāng)需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。3）移架移架是由底座上的推移千斤頂來完成的。當(dāng)需要支架前移時，先降柱卸載然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁。4）推溜當(dāng)需要推運輸機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊唬硪磺换匾?，以支架為支點，是活塞桿伸出，把運輸機推向煤壁。 液壓支架工作特性圖15 液壓支架的工作特性曲線Figure 15 Hydraulic support the work of curvet0初撐階段 t1增阻階段 t2恒阻階段 P1初撐力 P2工作阻力 支架上升時，其支撐力隨時間的變化分如下三個基本階段：1）初撐階段支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的夜控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段t0，此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。2）承載增阻階段支架初撐后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段t1。3）恒阻階段隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調(diào)正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段t2。此時支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。支架的工作阻力標(biāo)志著支架的最大承載能力。對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。支架的工作阻力是支架的一個重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，常用單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。2 液壓支架總體設(shè)計 液壓支架的選型老頂為Ⅱ級；直接頂為1類；~（1）架型選擇的依據(jù)正確選擇液壓支架的架型，對于提高綜采工作面的產(chǎn)量和效率，充分發(fā)揮綜采設(shè)計的效能，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，是一個很重要的因素。在具體選擇架型時，首先要考慮煤層的頂板條件。表21是根據(jù)國內(nèi)外液壓支架的使用經(jīng)驗，提出了各種頂板條件下適用的架型，它是選擇支架的主要依據(jù)。（2） 架型選擇應(yīng)考慮的因素1) 煤層厚度煤層厚度不但直接影響到支架的高度和工作阻力，而且還影響到支架的穩(wěn)定性?！?