【導(dǎo)讀】作面后，使放頂煤開采技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。由于工作面由液壓支架實(shí)現(xiàn)可靠、使工作面產(chǎn)量有明顯提高。近年來，綜采放頂煤技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展和廣泛的普。及，綜采放頂煤正成為一種高產(chǎn)高效的采煤方法。的托姆烏辛斯克礦使用，開采該礦的2號和4～5號煤層。煤厚為9～12m，煤層傾角5°～。18°，該放頂煤工作面為預(yù)先開采頂層煤鋪設(shè)人工假頂，然后再采底煤。在布朗齊礦區(qū)試驗(yàn)成功。該支架為四柱式，尾梁呈“香蕉”型，其擺動(dòng)角度由千斤頂控制，配有兩臺輸送機(jī)，第二臺輸送機(jī)安置于尾梁后部的底板上。英國研制的“開天窗”式放頂煤液壓支架在掩。處裝有若干噴嘴，以便噴水除塵。MB17×28S和FB21×30S型放頂煤液壓支架分別代表了插板式和“開天窗”式放頂煤。后部空間大，易于排放大塊煤，而且輸送機(jī)置于煤層底板上，便于維修。發(fā)火中止了試驗(yàn)。支架在緩傾斜工作面試驗(yàn)，最高月產(chǎn)達(dá)萬t，獲得了成功。本文重點(diǎn)介紹低位放頂煤液壓支架的特點(diǎn)及適應(yīng)性。

　　

【正文】 放煤口進(jìn)行放煤，放煤后伸出插板擋住矸石流入后輸送機(jī)內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)能夠滿足放煤工藝、放煤口及工作空間的要求。從支架整體設(shè)計(jì)看，其橫向穩(wěn)定性差，特別是那種由底座上雙千斤頂支撐掩護(hù)梁的支架，極易將千斤頂及其支座損壞 ， 結(jié) 構(gòu)如圖 。 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 33 頁 圖 中四連桿結(jié)構(gòu)的大插板放煤機(jī)構(gòu) 在該支架后部由掩護(hù)梁、前后連桿、底座、尾梁形成工作空間，用以放煤和布置后輸送機(jī)。由尾梁及其千斤頂組成放煤機(jī)構(gòu)，操縱鉸接在掩護(hù)梁上的尾梁千斤頂，可使尾梁向上轉(zhuǎn)動(dòng)，以松動(dòng)頂煤或擋矸。向下轉(zhuǎn)動(dòng)尾梁時(shí)收回插板進(jìn)行放煤，可視情況反復(fù)多次進(jìn)行放煤。這種架型穩(wěn)定性好，利于放煤，放煤口大，操作方便。 尾梁由尾梁體、插板、插板千斤頂、側(cè)護(hù)板及其千斤頂組成。尾梁體和插板均為焊接箱體結(jié)構(gòu)，由插板千斤頂操縱插板在尾梁體的導(dǎo)軌上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮。 尾梁 長度的確定應(yīng)滿足 工作空間要求，插板千斤頂?shù)男谐虘?yīng)滿足擋矸要求，插板應(yīng)盡可能加寬，以減小架間間隙 ， 如圖 。 圖 后四連桿結(jié)構(gòu)的小插板放煤機(jī)構(gòu) 本文選擇小插板機(jī)構(gòu)，其尾梁可上擺 14176。，下擺 33176。 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 34 頁 4 液壓支架的受力分析 概述 液壓支架工作狀態(tài) 在采煤工作面中，當(dāng)煤被采空后，就會(huì)出現(xiàn)一定的空間，由于受上部巖層壓力，出現(xiàn)離層和裂縫，如果不及時(shí)支護(hù)，頂板就要冒落，不支 護(hù)的時(shí)間越長，危險(xiǎn)就越大。而頂板冒落是有一定的過程的，一般可分為三個(gè)階段：開始時(shí)頂板處于無壓狀態(tài)，此時(shí)頂板較完整，而且沒有下沉，稱為無壓狀態(tài)；但經(jīng)一定時(shí)間后，頂板就會(huì)下沉，通常稱為老頂來壓，此時(shí)頂板并不破裂，而且這種下沉是有一定周期性的，所以稱為老頂板來壓狀態(tài)；如果不及時(shí)支護(hù)，頂板就會(huì)破裂而冒落，此時(shí)叫冒落狀態(tài)。 支架在這三種狀態(tài)下工作情況如下：開始支架以初撐力支撐頂板，此時(shí)為無壓狀態(tài)；當(dāng)周期來壓時(shí)，頂板下沉，使立柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到大于安全閥調(diào)整壓力時(shí)，安全閥打開，使立柱下腔壓 力下降，稱為立柱讓壓狀態(tài)，使支架以工作阻力支護(hù)頂板；如果繼續(xù)來壓，就要不斷讓壓，所以立柱要有一定的向下行程，如沒有向下行程，稱為壓死狀態(tài)，這是在設(shè)計(jì)和使用中必須注意避免的現(xiàn)象；當(dāng)支架前移后，此時(shí)頂板處于無支護(hù)狀態(tài)，頂板就要冒落。 液壓支架在工作面受力是由于頂板下沉，同時(shí)又有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢，使頂梁受合力和底座受底板反力，其中頂板合力的垂直分力 F 由支架工作阻力來克服，所以在計(jì)算支架的工作載荷時(shí)按支架的工作阻力來確定。 計(jì)算載荷的確定 液壓支架實(shí)際受載荷情況很復(fù)雜，頂梁和底座 上的載荷既非集中載荷，又非均勻載荷，分布規(guī)律隨著支架與頂?shù)装宓慕佑|情況而變化，為簡化計(jì)算，作如下規(guī)定： ，同時(shí)為偏于安全，按集中載荷進(jìn)行計(jì)算。 2. 金屬結(jié)構(gòu)件按材料力學(xué)上的直梁理論來計(jì)算。 3. 頂梁、底座與頂?shù)装逭J(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長度方向按線性規(guī)律，沿支架寬度方向?yàn)榫鶆蚍植肌? 4. 通過分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上矸石的作用力，只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降低，所以在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不計(jì)，使掩護(hù)梁偏于安全。 5. 立柱和短柱按最大工作阻力來計(jì)算。 6. 作用在頂梁上水平 力的產(chǎn)生有兩種情況：一種是由于支架在承載讓壓時(shí)，由于頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡為雙紐線，所以頂梁與底板有產(chǎn)生位移的趨勢，水平力為頂梁合力與靜摩擦系數(shù)的乘積，其方向與頂梁產(chǎn)生位移方向趨勢相反；另一種是由于頂板向采空區(qū)方向移動(dòng)，使支架頂梁受指向煤壁的水平力，最大水平力數(shù)值與第一種相同。頂梁與頂板的靜摩擦系數(shù) f ，目前國內(nèi)一般取 ～ 。 7. 支架各部件受力，按不同支護(hù)高度時(shí)受力最大值進(jìn)行強(qiáng)度校核。 8. 各結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核，除按理論支護(hù)阻力校核 危險(xiǎn)斷面外，還要按《液壓支架形式試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的各種加載方式，以及支架的額定工作阻力逐一校核，超過額定工作阻力 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 35 頁 10%的超載試驗(yàn)，將由安全系數(shù)來保證。 液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定 支護(hù)強(qiáng)度 支護(hù)強(qiáng)度是指支架對單位面積頂板提供的工作阻力。 Pq F??? （ ） 式中： P —— 支架總工作阻力， N ； ?—— 支護(hù)效率； 不同的架型可選擇以下數(shù)據(jù)： 支撐式支架 1?? 支撐掩護(hù)式支架 1?? 支頂掩護(hù)式支架 ?? 支掩掩護(hù)式支架 ?? 本設(shè)計(jì)為支撐掩護(hù)式支架，取 F —— 支架的支護(hù)面積， m2。 ? ?? ?F L C B K? ? ? （ ） ( 4 0 0 0 3 0 0 ) (1 5 0 0 8 0 )? ? ? ? ? mm2 式中： L —— 支架頂梁長度， mm； C —— 梁端距 ， mm； B —— 支架頂梁寬度， mm； K —— 相鄰支架頂梁間隙， mm。 帶入以上數(shù)據(jù)可得： 354 00 10 5 ????MPa 初撐力 初撐力大小對支架的支護(hù)性能和成本都有很大的影響。較大的初撐力能使支架較快達(dá)到工作阻力，減緩頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液和液壓元件的耐壓要求提高。一般取 初撐力為 ? ?~ 倍的工作阻力。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求：初撐力 = 工作阻力 = 5400 3780??kN 移架力和推溜力 移架力與支架結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、煤層厚度、頂板性質(zhì)有關(guān)。一般薄煤層支架的移架力為 100～150 kN；中厚煤層支架為 150～ 300 kN；厚煤層支架為 300～ 400 kN。推溜力一般為 100～150 kN。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： 取 移架力為 300kN，推溜力為 150kN。 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 36 頁 立柱及相關(guān)液壓系統(tǒng)參數(shù)的確定 立柱的缸體內(nèi)徑按下式進(jìn)行計(jì)算： 40cosd a FD np??? （ ） 式中 ： dD — — 立柱缸體內(nèi)徑 ， cm； F — — 支架承受的理論支護(hù)阻力 ， kN； n — — 每架支架立柱數(shù) ； aP — — 安全閥調(diào)正壓力 ， MPa； 按產(chǎn)品樣本選取 ， 選 1YFB 型安全閥， 40aP? MPa； ? — — 立柱最大傾角 。 本支架中， F =5400kN， n =4， ap =40MPa， ? = 10176。 則有 04 0 4 0 5 4 0 0 2 0 . 9c o s 4 3 . 1 4 4 0 c o s 1 0d a FD nP?? ?? ? ?? ? ? ?。?23dD? cm 230? mm 支架立柱的壁厚 ? （ mm） 一般為 16 ???,即中等壁厚，按下式計(jì)算： ? ?? ?2 .3 dpD cp? ??????? （ ） 式中： p —— 缸內(nèi)工作壓力，24 dPp D?? MPa； P —— 單個(gè)立柱的工作阻力，取 5400 / 4 1350P ?? kN 則： 324 1350 10 230p ????? MPa c —— 考慮管壁公差及腐蝕的附加厚度，一般取 2mm； ? —— 強(qiáng)度系數(shù)，無縫鋼管取 1?? ； ??? —— 缸體材料許用應(yīng)力， MPa，缸體選用 27SiMn ， ???? 980MPa； dD —— 立柱缸體內(nèi)徑， cm。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： ? ?? ? ? ?3 2 . 5 2 3 0 2 5 . 42 . 3 9 8 0 3 2 . 5 12 . 3 dpD cp? ??? ?? ? ? ? ?? ? ??? mm ?? mm 圓整，取 10?? mm。 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 37 頁 支架 立柱 為 單伸縮機(jī)械加長式 ， 根據(jù)液壓缸推薦相關(guān)鋼材最終確定尺寸 如 下表： 表 立柱相關(guān)尺寸 外徑 (mm) 內(nèi)徑 (mm) 壁厚 (mm) 長度 (mm) 缸體 273 230 1037 活柱 210 180 15 加長桿 179 1229 泵站壓力確定按產(chǎn)品目錄規(guī)定的泵站工作壓力，再考慮壓力 損失， XRB2B 型工作壓力為 20MPa 和 35MPa 兩種，一般選 35MPa 計(jì)算時(shí)考慮損失按 32MPa 進(jìn)行計(jì)算 。因此，取泵站壓力為 32MPa。 35bP? MPa 39。 32bP? MPa 立柱初撐力按下式進(jìn)行計(jì)算： 2 39。1 4 10d bDPP???? （ ） 式中： 39。bP —— 泵站 額定工作壓力減去從泵站到支架沿程壓力損失后的值，取 39。 32bP? MPa 帶入數(shù)據(jù)得： 2 239。1 23 32 13294 10 4 10d bDPP? ?? ? ? ? ??? kN 4. 安全閥壓力和 立柱工作阻力的確定 安全閥的的調(diào)整壓力，按選定后的立柱缸體內(nèi)徑 dD 和支架承受的理論支護(hù)阻力 1mF 來確定，即： 240 za dFP D?? （ ） 式中 zF 按下式計(jì)算 : 1cosmzdnFF na? （ ） 式中 na —— 支架在最高位置時(shí)立柱傾角，度。 代入數(shù)據(jù)得 5400 13554 c o s 5zF ??? kN 24 0 1 3 5 5 3 2 .6 33 .1 4 2 3aP ???? MPa 即 aP 取 40MPa 合理 立柱工作阻力按下式進(jìn)行計(jì)算： 22 4 10d aDPP???? （ ） 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 38 頁 帶入數(shù)據(jù)得： 22 23 40 16614 10P ?? ? ?? kN 液壓支架立柱強(qiáng)度驗(yàn)算 表 液壓支架立柱已知參數(shù) 初撐力 1/P kN 1329 工作阻力 2/P kN 1661 油缸外徑 0/D mm 273 活柱外徑 1/D mm 210 油缸內(nèi)徑 /Dmm 230 活柱內(nèi)徑 2/D mm 180 加長桿直徑 /D d mm? 179 158? 立柱調(diào)高行程 /mm 1500 液壓行程 /mm 800 加長桿調(diào)高 /mm 700 驗(yàn)算活塞桿全部伸出并受最大同心縱向載荷的穩(wěn)定性。油缸的穩(wěn)定性條件為： 211kkPP J PJ???????? （ ） 式 中 KP —— 油缸穩(wěn)定的極限力 ， kN； P —— 最大工作阻力 ， kN； 1J —— 活塞桿斷面 慣性矩 （設(shè)加長桿為活塞桿進(jìn)行驗(yàn)算） 。 4 4 411 15 .8 30 58 c m64 64dJ ? ? ?? ? ? 2J —— 缸體斷面 慣性矩 ? ? ? ?4 4 4 40 42 2 7 . 3 2 3 1 3 5 2 2 c m6 4 6 4DDJ ??? ? ?? ? ? 2113522 2 .1 0 33058JJ ?? 21981 0 .5 22 8 7 0 9 8 1ll ??? 中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 39 頁 1l —— 活塞桿端部銷孔至油缸限位處間距 ， cm； 2l —— 缸底銷孔至油缸限位處間距 ， cm； 由以上條件查 極限力計(jì)算圖，得到116KPJ ? 。 立柱穩(wěn)定性的極限力為： 22111 6 3 0 5 8 7 . 8 2 8kk PPJJ??? ? ? ????? MN 立柱最大工作阻力小于極限力，故滿足穩(wěn)定條件。 此 kP 值僅當(dāng)活塞桿頭