【正文】 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）液壓支架四連桿的設(shè)計(jì)和液壓支架的使用維護(hù)畢業(yè)論文緒論（概述）液壓支架是在摩擦支柱和單體液壓支柱等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的工作面機(jī)械化支護(hù)設(shè)備。它與滾筒采煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及膠帶輸送機(jī)等組成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了采、支、運(yùn)等主要工序的綜合機(jī)械化采煤工藝，從而使長(zhǎng)壁采煤技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。液壓支架能可靠而有效的支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進(jìn)而機(jī)械化移動(dòng)，不斷的將采煤機(jī)和輸送機(jī)推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。液壓支架的總重量和初期投資費(fèi)用占工作面整套綜采設(shè)備的60%~~70%左右，因此液壓支架成了現(xiàn)代采煤技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。1）液壓支架使用現(xiàn)狀液壓支架的設(shè)計(jì)、制造和使用，從1854年英國(guó)研制成功了支架發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)基本成熟。他已經(jīng)形成了能適應(yīng)各種不同煤礦地質(zhì)條件的各類(lèi)液壓支架。從液壓支架的形式來(lái)看，有支撐式液壓支架發(fā)展到掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架。從支架的質(zhì)量來(lái)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(lái)看，有薄煤層液壓支架、中厚煤層支架和厚煤層液壓支架，其中厚煤層液壓支架又分厚煤層一次采全高液壓支架、厚煤層分層開(kāi)采液壓支架和放頂煤液壓支架。從用途來(lái)看，有端頭液壓支架和中間液壓支架。所以從支架的現(xiàn)狀來(lái)看，液壓支架已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)完整的液壓支架體系。從液壓支架的設(shè)計(jì)來(lái)看，由過(guò)去的手工設(shè)計(jì)發(fā)展到全部計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)。2）液壓支架的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀液壓支架是綜合機(jī)械化工作面的主體設(shè)備，它能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，保持安全的地下作業(yè)空間，并實(shí)現(xiàn)回采工作面及其相關(guān)設(shè)備的機(jī)械化推移。液壓支架與采煤機(jī)、可彎曲輸送機(jī)和順槽轉(zhuǎn)載機(jī)配合，構(gòu)成了回采工作面的綜合機(jī)械化設(shè)備，從而為煤礦地下開(kāi)采實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。因此，采用液壓支架支護(hù)頂板是當(dāng)代采煤技術(shù)的一次重要變革，也是煤礦生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。3）國(guó)外液壓支架現(xiàn)狀支護(hù)和控制頂板，保持工作面的安全生產(chǎn)空間，是煤礦地下開(kāi)采中的首要任務(wù)。在二十世紀(jì)五十年代前，國(guó)內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中，基本上均采用木支柱、木頂梁或金屬摩擦支柱和鉸接頂梁來(lái)支護(hù)頂板。1954年英國(guó)首次研制出液壓支架，將液壓技術(shù)應(yīng)用到支護(hù)設(shè)備上，從而開(kāi)辟了回采工作面支護(hù)設(shè)備的技術(shù)革命。從二十世紀(jì)六十年代起，國(guó)外各主要產(chǎn)煤國(guó)家，如前蘇聯(lián)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、波蘭等國(guó)家均相繼大力發(fā)展和研制了各種型式的液壓支架，并在煤礦生產(chǎn)中獲得了廣泛而成功的應(yīng)用，從根本上改變和提高了地下開(kāi)采的作業(yè)條件和安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前這些主要產(chǎn)煤國(guó)家的地下開(kāi)采綜合機(jī)械化程度己達(dá)到90%左右，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。八十年代以來(lái)， 世界主要采煤國(guó)家一直圍繞減面提產(chǎn)、減人提效、降低成本、實(shí)現(xiàn)礦井集中生產(chǎn)做努力， 他們積極開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)， 致力于高性能、高可靠性的新一代重型液壓支架的研制。目前，以液壓支架為主體的地下開(kāi)采設(shè)備，己逐步向程控、遙控和自動(dòng)化方向發(fā)展。這種新型液壓支架普遍具有微型電機(jī)或電磁鐵驅(qū)動(dòng)的電液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器， 采煤機(jī)裝有紅外線傳感裝置，立柱缸徑超過(guò)400mm。為減少割煤時(shí)間，一般采用0. 8～1m 的截深。支架還采用屈服強(qiáng)度800～1000MPa 的鋼板，既有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性， 又具有良好的冷焊性能。隨著長(zhǎng)壁工作面長(zhǎng)度的不斷增加， 為適應(yīng)快速移架的需要， 國(guó)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400～500L / min ，可實(shí)現(xiàn)工作面成組或成排快速移架，達(dá)到6～8s/ 架。美國(guó)是世界上最先進(jìn)的采煤國(guó)家， 早在1990年就已采用額定壓力50MPa 、額定流量478L / min的乳化液泵站， 以實(shí)現(xiàn)支架快速推進(jìn)， 移架速度達(dá)6～8s/ 架。美國(guó)的高產(chǎn)高效工作面采用兩柱掩護(hù)式支架， 使用壽命8～ 10 年， 可用率高達(dá)95 %～98 % 。支架平均工作阻力6470kN ( 最大為9800kN) ， 支架寬度普遍增大， ，并向2m 發(fā)展，增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時(shí)間、增加有效工作時(shí)間和提高單產(chǎn)。如洛斯公司20 英里礦在2505280m 長(zhǎng)壁綜采面用工作阻力為28565kN 電液控制兩柱掩護(hù)式支架，1997 年6 月產(chǎn)商品煤90. 43 萬(wàn)t ， 成為世界上首次月產(chǎn)商品煤近百萬(wàn)噸的工作面； 1995 年9 月， 阿科煤炭公司的西糜鹿礦用工作阻力為8900kN 電流控制的兩柱掩護(hù)式支架，月產(chǎn)煤達(dá)到60. 11 萬(wàn)t 。美國(guó)綜采工作面最高日產(chǎn)超7 萬(wàn)t ，最高工效1336t / 工。澳大利亞也基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)， 使用兩柱掩護(hù)式支架， 支架的平均工作阻力為7640kN 。如尤蘭礦用電流控制的兩柱掩護(hù)式支架，在1995 年8 月8 萬(wàn)t 的最高記錄， 班產(chǎn)一直保持在5000～6000t 。英國(guó)也在大力發(fā)展兩柱掩護(hù)式支架， 工作阻力有了很大提高，達(dá)到6000～8000kN 。4）國(guó)內(nèi)液壓支架現(xiàn)狀我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，在二十世紀(jì)六十年代也曾研制了幾種液壓支架，但未得到推廣和應(yīng)用。七十年代我國(guó)從英、德、波蘭和前蘇聯(lián)等國(guó)引進(jìn)了數(shù)十套液壓支架，經(jīng)過(guò)試用、仿制和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，到八十年代以后我國(guó)液壓支架的研制和應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展，相繼研制和生產(chǎn)了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多種不同規(guī)格的液壓支架，并在國(guó)內(nèi)大、中型煤礦中推廣應(yīng)用，大大提高了我國(guó)煤礦開(kāi)采的機(jī)械化水平。我國(guó)在1964 年由太原分院和鄭州煤機(jī)廠設(shè)計(jì)70 型邁步式自移支架， 從此開(kāi)始了液壓支架的國(guó)產(chǎn)化道路。1984 年，北京開(kāi)采所、沈陽(yáng)所、鄭州煤機(jī)廠在沈陽(yáng)蒲河礦進(jìn)行我國(guó)第一套放頂煤液壓支架的工業(yè)性試驗(yàn)，繼而研制了多種低位、中位和高位放頂煤支架， 成功地在緩傾斜厚煤層和急傾斜厚煤層水平分層工作面使用。1990 年后， 國(guó)產(chǎn)液壓支架得到了全面的發(fā)展，到1998 年止，全國(guó)已建成88 處高產(chǎn)高效礦井，其中14 萬(wàn)t / 月， / 工， % ，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)：1995年，我國(guó)統(tǒng)配煤礦的綜合機(jī)械化程度已達(dá)50%左右，液壓支架在籍套為509套：2000年統(tǒng)配煤礦機(jī)械化程度己達(dá)65%。液壓支架在籍套數(shù)達(dá)700多套。目前，國(guó)內(nèi)大、中型礦井中，條件合適的煤層均采用液壓支架進(jìn)行綜合機(jī)械化開(kāi)采。液壓支架己成為保證安全、高效生產(chǎn)的一種重要設(shè)備。在綜采比例方面也低與世界產(chǎn)煤大國(guó)地位極不相稱(chēng)世界主要產(chǎn)煤國(guó)家的綜采比例都是全國(guó)煤炭井工生產(chǎn)的比例。 % ， % ， % ， 而美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本都是99 %以上。我國(guó)1998 年統(tǒng)計(jì)， 億t ， 億t 是綜采生產(chǎn)， %。而國(guó)有地方煤礦的綜采比例遠(yuǎn)低于此數(shù)；鄉(xiāng)鎮(zhèn)地方煤礦則基本是空白。據(jù)初步估計(jì)，按全國(guó)井工生產(chǎn)的煤炭來(lái)算，綜采比例只有23 %左右。我們液壓支架制造技術(shù)水平比較落后，在支架材料、加工工藝、性能和使用壽命等方面與世界先進(jìn)國(guó)家相比還有很大差距。支架液壓系統(tǒng)的閥類(lèi)，用的是乳化油，防銹蝕要求很高，國(guó)外一直使用銅合金閥殼和高強(qiáng)度不銹鋼閥芯；我國(guó)是45 號(hào)鋼加表面防腐處理。密封件的壽命國(guó)外大于5a ，我國(guó)是2a 左右。我國(guó)液壓支架耐久性試驗(yàn)要求是大于7 000 次，印度要求是大于35 000 次，美國(guó)是大于45 000 次。這樣技術(shù)質(zhì)量水平的支架在國(guó)內(nèi)一般礦井勉強(qiáng)可以使用，在國(guó)內(nèi)高產(chǎn)工作面及在國(guó)際上是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的。綜采工程技術(shù)人員普遍認(rèn)為目前我國(guó)支架的工藝技術(shù)水平尚未達(dá)到1979 年引進(jìn)的100套支架的技術(shù)水平，可想落后遠(yuǎn)不止20 a 。國(guó)內(nèi)產(chǎn)煤大礦務(wù)局高產(chǎn)工作面使用進(jìn)口設(shè)備這一問(wèn)題發(fā)人深省。我們液壓支架控制系統(tǒng)的研究也落后，目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)液壓支架的控制方式仍然停留在跟機(jī)手把單向鄰架控制或本架控制水平。這種控制方式，雖然具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造容易、造價(jià)較低和對(duì)煤層地質(zhì)條件變化適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但它存在嚴(yán)重缺點(diǎn)： (1) 工人勞動(dòng)條件差，安全性差；(2)移架速度慢，影響采煤機(jī)效率的發(fā)揮； (3) 通風(fēng)條件差，支架故障率高； (4) 支架支護(hù)效能的發(fā)揮程度與操作人員的經(jīng)驗(yàn)多少和技能高低有密切關(guān)系。5）液壓支架的研究與發(fā)展趨勢(shì)21 世紀(jì)是以網(wǎng)絡(luò)信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時(shí)期，也是是煤礦以高效集約化生產(chǎn)為特征的新時(shí)期，為了滿足高產(chǎn)綜采工作面生產(chǎn)發(fā)展的需要，就煤炭綜采而言，國(guó)外主要產(chǎn)煤國(guó)家從未停止過(guò)依靠更大的技術(shù)投入取得采煤更高經(jīng)濟(jì)效益的努力。我們也必須抓緊研制和推廣電液控制系統(tǒng)。液壓支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后，就可有效地克服上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的電液控制，而且有多種控制方式可供選擇，人員可在較安全的地方集中對(duì)整個(gè)工作面的支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或程序控制?，F(xiàn)在世界上已經(jīng)有70 多個(gè)電液自動(dòng)化控制工作面。工作面的技術(shù)設(shè)備又正在以迅猛之勢(shì)向前發(fā)展。我們不能依賴(lài)?yán)蠈?shí)進(jìn)口，我們要自己研制，否則和我國(guó)產(chǎn)煤大國(guó)的地位也是極不相稱(chēng)的。我國(guó)液壓支架經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展， 盡管取得了顯著成績(jī)， 在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn)過(guò)日產(chǎn)萬(wàn)噸、甚至班產(chǎn)超萬(wàn)噸的記錄， 但總體水平與世界先進(jìn)采煤國(guó)家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國(guó)與國(guó)外相差無(wú)幾， 有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強(qiáng)力支架、端頭支架還有獨(dú)到之處， 但國(guó)產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏低， 電液控制閥可靠性差，所用鋼材一般為16Mn ，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?xún)?nèi)，供液管Φ25～Φ32mm ，回液管Φ25～Φ50mm ， 最快移架速度10～12s/ 架(井下實(shí)際應(yīng)用有時(shí)在20s 以上) ， 工作阻力更是相對(duì)較低。今后10 年， 我國(guó)的液壓支架將朝技術(shù)含量大、鋼板強(qiáng)度高、移架速度快(6～8s/ 架) 和電液控制閥的方向發(fā)展， 對(duì)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(jī)構(gòu)，并減少千斤頂?shù)臄?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(dá)到初撐力，保證支架接頂位置準(zhǔn)確。ZY 兩柱掩護(hù)式支架的比重將大大增加， 缸徑將增至Φ360mm ， 端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。所以，今后除應(yīng)繼續(xù)針對(duì)我國(guó)國(guó)情和煤層具體條件，開(kāi)發(fā)一些新架型、新品種外，還應(yīng)在改進(jìn)支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫。作為一種回采工作面的支護(hù)設(shè)備，液壓支架的架型、結(jié)構(gòu)與相關(guān)參數(shù)，必須與回采工作面的頂、底板條件和煤層條件相適應(yīng)，才能取得良好的支護(hù)效果。由于地下開(kāi)采條件的復(fù)雜性和多樣性，因此，盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)液壓支架己經(jīng)過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的研究和應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)十種不同的結(jié)構(gòu)架型，但至今為止，也僅能在緩傾斜中厚以下煤層中獲得了較為成功的應(yīng)用，對(duì)于傾斜、急傾斜或厚煤層中的液壓支架尚處在研究和試驗(yàn)階段。即使對(duì)于緩傾斜中厚煤層的液壓支架，其結(jié)構(gòu)、性能與控制方式如何更適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件，仍需不斷的改進(jìn)和研究。目前，液壓支架設(shè)計(jì)研究取得重要進(jìn)展，主要在以下方面：(1) 設(shè)計(jì)理論和方法有了突破。煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所對(duì)支架力學(xué)持性進(jìn)行了深入的研究，提出了液壓支架三維力學(xué)模型的計(jì)算方法，克服了傳統(tǒng)平面力系計(jì)算方法的缺陷，提出了液壓支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)出液壓支架設(shè)計(jì)計(jì)算通用軟件系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用，使我國(guó)液壓支架設(shè)計(jì)計(jì)算提高到一個(gè)新水平。(2) 完成液壓支架計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的研究。把有限元方法成功地用于液壓支架的研究，建立了液壓支架整體有限元模型，開(kāi)發(fā)出SSTS液壓支架模擬試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真軟件系統(tǒng)，大大提高了液壓支架設(shè)計(jì)的可靠性，廣泛應(yīng)用于液壓支架設(shè)計(jì)研究，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平， 為我國(guó)液壓支架打入國(guó)際市場(chǎng)發(fā)揮了重要作用。(3) 技術(shù)規(guī)范和標(biāo)淮化建設(shè)取得重要進(jìn)展。我們已先后制定液壓支架系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)17項(xiàng)，成為國(guó)際上液壓支架標(biāo)準(zhǔn)較完善的國(guó)家之一，促進(jìn)了液壓支架技術(shù)的發(fā)展。(4) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)有了較大發(fā)展。開(kāi)發(fā)了CAD工作站和微機(jī)CAD系統(tǒng)，建成了較完整的液壓支架數(shù)據(jù)庫(kù)和通用件國(guó)庫(kù)，并正在逐步實(shí)現(xiàn)支架設(shè)計(jì)CAD化。(5) 液壓支架控制系統(tǒng)有了重大進(jìn)步。根據(jù)我國(guó)國(guó)情研制的全液壓手動(dòng)控制快速移架系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由過(guò)去的20～ 30s/架，提高到9～12s/8架。(6) 新架型研制成績(jī)顯著，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善。新型高可靠性支架，反向四連桿高產(chǎn)高效低位放頂煤支架，適應(yīng)中小煤礦的單一煤層開(kāi)采用輕型支架和輕型單擺桿放頂煤支架均取得成功。基于以上進(jìn)展，液壓支架的研究與發(fā)展方向是：(1) 在己有支架設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究支架的智能化設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高支架設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可靠性和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化性。(2) 研究特殊煤層使用的液壓支架，以適應(yīng)不同的開(kāi)采條件。(3) 研究新型元件與材質(zhì)，以減輕支架重量，提高支架的性能和使用壽命。(4) 研究支架的遙控、程序控制和性能自動(dòng)監(jiān)測(cè)，為回采工作面的半自動(dòng)化與自動(dòng)化創(chuàng)造條件。液壓支架的發(fā)展趨勢(shì)目前有以下幾種：a) 前連桿的油缸的液壓支架 在掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式液壓支架中的四連桿機(jī)構(gòu)，克服了頂板作用在支架上的水平力，但當(dāng)水平力過(guò)大時(shí)，不能讓壓，為了安全起見(jiàn)，掩護(hù)梁和前后連桿的強(qiáng)度計(jì)算中安全系數(shù)比其他構(gòu)件增加20%，國(guó)外的前連桿帶油缸的支架中，油缸為雙作用單伸縮，上下腔都帶安全閥，當(dāng)頂板水平力大于額定值時(shí)，油缸讓壓，使液壓支架達(dá)到新平衡。b) 沿頂板移架的液壓支架為適應(yīng)破碎頂板下使用液壓支架的需求，設(shè)計(jì)了一種不在底板上移架的液壓支架，即利用提起底座擦頂移架的液壓支架，其底座與節(jié)式液壓支架類(lèi)似，為底靴式，質(zhì)量較輕，架與架之間用液壓千斤頂連接起來(lái)。c) 適應(yīng)特種條件下的液壓支架特厚煤層一次采全高液壓支架。目前北京煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的BC52025/47型液壓支架，——，將來(lái)根據(jù)需要，可設(shè)計(jì)支架高度為6m的液壓支架，立柱可采用三伸縮柱的液壓支架。新型放頂煤液壓支架，設(shè)計(jì)一種回采率高，夾矸少的放頂煤液壓支架。水采支架，為適應(yīng)水采工作面的支護(hù)需求，設(shè)計(jì)一種水采工作面液壓支架。重型支架，為適應(yīng)頂板壓力特大的需要，還可將工作阻力設(shè)計(jì)成較大的液壓支架。新型端頭支架，為了加快綜采速度和無(wú)人采煤工