【導(dǎo)讀】隨著煤炭資源的日益減少，如何更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)薄煤層的開(kāi)采成為了一個(gè)重要話題。在我國(guó)西南部的很多礦區(qū)，薄煤層已經(jīng)成為主采煤層。護(hù)設(shè)備，在保證工人的人身安全的同時(shí)，還要提高煤礦的生產(chǎn)效率。因此，研制高質(zhì)高。效的薄煤層液壓支架具有重要的意義。困難，最終只能用近似的雙紐線實(shí)現(xiàn)頂梁端部的運(yùn)動(dòng)，頂梁仍然有傾向煤壁的趨勢(shì)。力抵抗水平力，是液壓支架設(shè)計(jì)方法的巨大進(jìn)步。液壓支架的三維模型，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，最后進(jìn)行有限元分析校核關(guān)鍵部件的強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：八根立柱對(duì)頂板實(shí)現(xiàn)密集支護(hù)，不僅提高了支護(hù)阻力，化生產(chǎn)，大大縮短了生產(chǎn)和檢測(cè)周期，加快了我國(guó)綜采機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)程。控制的液壓系統(tǒng)，對(duì)液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

　　

【正文】 源嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著厚煤層及中厚煤層煤炭資源的逐漸減少，許多煤礦開(kāi)始重視對(duì)薄煤層的開(kāi)采工作。 液壓支架是現(xiàn)代化煤礦進(jìn)行高效綜采和安全生產(chǎn)最為關(guān)鍵的設(shè)備之一。無(wú)論是采用刮板輸送機(jī)、滾筒采煤機(jī)和液壓支架的綜采技術(shù) ， 還是運(yùn)行軌道、強(qiáng)力刨煤機(jī)和液壓支架的綜采技術(shù) ， 液壓支架都是作為煤礦井下支護(hù)關(guān)鍵設(shè)備，因此，研究高質(zhì)高效的薄煤層液壓支架有著重要的意義。 薄煤 層開(kāi)采技術(shù) 五十年代以前， 我國(guó)在薄煤層中主要使用炮采工藝 ， 以后使用了截煤機(jī)掏槽爆破落煤 ， 并發(fā)展了薄煤層采煤機(jī) ，六十 年代開(kāi)始采用刨煤機(jī) ， 并在技術(shù)上逐步得到 完善。 薄煤層開(kāi)采應(yīng)有合適的配套設(shè)備 ， 目前 ， 從國(guó)內(nèi)外發(fā)展來(lái)看 ， 比較理想 的 是刨煤機(jī) 或爬底板式采煤機(jī) 采煤 ， 用液壓支架進(jìn)行支護(hù) ，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)械化。 在現(xiàn)有技術(shù)條件下， ： 1 傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁炮采采煤法； 2 單體液壓支柱高檔普采采煤法； 3 薄煤層螺旋鉆采煤法； 4 綜合機(jī)械化采煤法。 以上四種可行的薄煤層采煤方法中，第一、二種采煤方法由于工人 勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)條件惡劣，生產(chǎn)效率低，同時(shí)不符合現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展方向，除個(gè)別開(kāi)采條件過(guò)于復(fù)雜，難以使用綜采機(jī)組開(kāi)采的區(qū)域以外，不應(yīng)推薦其作為主要的采煤方法。第三種采煤方法具有勞動(dòng)強(qiáng)度較小，作業(yè)環(huán)境良好的優(yōu)點(diǎn)，但由于其生產(chǎn)效率太低，難以使作為保護(hù)層開(kāi)采的薄煤層開(kāi)采和主采煤層的開(kāi)采速度相配套，也難以作為薄煤層開(kāi)采的主要采煤方法。只有薄煤層綜采開(kāi)采既具有工人勞動(dòng)強(qiáng)度小、作業(yè)環(huán)境較好的優(yōu)點(diǎn)，也具有安全高效的優(yōu)勢(shì)，滿足了主采煤層高強(qiáng)度開(kāi)采的需要，更代表了薄煤層采煤方法的技術(shù)發(fā)展方向 ,因此，對(duì)于薄煤層的高產(chǎn)高效提出了更高 的要求。 液壓支架的用途及分類(lèi) 液壓支架的作用 液壓支架是綜采工作面的主要設(shè)備之一，它的主要作用是支護(hù)采場(chǎng)頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。 實(shí)踐表明 ，液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、 移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓支架與可彎曲刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)組成綜采機(jī)械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對(duì)增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)是不可缺少 的有效措施。因此，液壓支架是技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、安全上可靠， 是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的主要設(shè)備。 液壓支架的工作過(guò)程 1 支架的升降和推移 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 圖 液壓支架工作原理圖 1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(jī)； 10乳化液泵； 11主供液管； 12主回液管 當(dāng)操縱閥 8 處于升柱位置時(shí)，從乳化液泵站來(lái)的高壓液體通過(guò)操縱閥 液控單向閥6 進(jìn)入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥 8 處于降柱位置時(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開(kāi)液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。 支架的前移和推移輸送機(jī)是通過(guò)操縱閥 7 和推移千斤頂 4 來(lái)進(jìn)行的。移架時(shí)，先使支架卸載下降，再把操縱閥 7 置于移架位置，從乳化液泵站來(lái)的高壓液體進(jìn)入推移千斤頂 4的前腔即活塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時(shí)，支架以輸送機(jī)為支點(diǎn)前移。移架結(jié)束后，在把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥 7 置于推溜位置，高壓液體進(jìn)入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時(shí)輸送機(jī)以支架為支點(diǎn)被推向煤壁。 2 支架的承載過(guò)程 支架的承載過(guò)程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過(guò)程。它包括初撐、承載增阻和恒阻三個(gè)階段。 （ 1） 初撐階段 在升架過(guò)程中，當(dāng)支架的頂梁接觸頂板，直到立柱 下腔的液體壓力逐漸上升到泵站工作壓力時(shí)，停止供液，液控單向閥 6 立即關(guān)閉，這一過(guò)程為支架的初撐階段。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(guò)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。 （ 2） 承載增阻階段 支架初撐結(jié)束后，隨著頂板的下沉，立柱下腔的液體壓力逐漸升高，支架對(duì)頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過(guò)程為支架的承載增阻階段。 （ 3） 恒阻階段 隨著頂板壓力的進(jìn)一步增加，立柱下腔的液體壓力越來(lái)越高。當(dāng)升高到安全閥 5 的調(diào)定壓力時(shí)，安全 閥打開(kāi)溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復(fù)這一過(guò)程。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這是支架的恒阻階段。此時(shí)，支架對(duì)頂板的支撐力稱(chēng)為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。對(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計(jì)算還要考慮到立柱傾角的影響因素。 支架的支撐力和時(shí)間 的關(guān)系 曲線，稱(chēng)為支架的工作特性曲線，如圖 所示。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 圖 支架的工作特性曲線 t0— 初撐階段； t1— 增阻階段； t2— 恒阻階段； p1— 初撐力 ； p2— 工作阻力 液壓支架的現(xiàn)場(chǎng)布置 圖 液壓支架在工作面布置示意圖 1－采煤機(jī) 2－液壓支架 3－傳送帶輸送機(jī) 4－轉(zhuǎn)載機(jī) 5－刮板輸送機(jī) 6－主進(jìn)液管 7－主回液管 8－乳化液泵 9－乳化液箱 10－端頭支架 11－單體液壓支柱 圖 所示為液壓支架在工作面的布置示意圖。每個(gè)工作面一般由滾筒、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、裝載機(jī)、乳化液壓站和油管等主要設(shè)備組成。為了實(shí)現(xiàn)頂板及時(shí)支護(hù)，常采用先移架后推溜的方式。采煤機(jī)每切割一刀，液壓支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四個(gè)主要?jiǎng)幼鬟^(guò) 程。 AA截面是采煤機(jī)割煤前支架的工作狀態(tài)。此時(shí)，推溜千斤頂活塞桿處于伸出狀態(tài)，端間距為零，輸送機(jī)緊靠煤壁。采煤機(jī)割煤后，支架尚未前移時(shí)（ BB 截面），端面距最大（等于采煤機(jī)截深）；當(dāng)支架降柱卸載前移，然后升柱支護(hù)新裸露頂板時(shí)，端面距又達(dá)到最小（ CC 截面）。支架支撐頂板后，以其為支點(diǎn)操作推溜千斤頂。將輸送機(jī)推向煤壁，實(shí)現(xiàn)推溜。此時(shí)，推溜千斤頂?shù)幕钊麠U又處于伸出狀態(tài)（ DD 截面），以便完成下一個(gè)動(dòng)作過(guò)程。 隨著采煤機(jī)割煤的繼續(xù)，工作面液壓支架不斷重復(fù)上述四個(gè)主要?jiǎng)幼鬟^(guò)程。從而對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，防止頂板冒 落，保持一定的作業(yè)空間，確保綜采工作面人員和設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)頂板管理及采煤作業(yè)過(guò)程機(jī)械化，提高采煤工作效率。 液壓支架的分類(lèi) 1 按架型結(jié)構(gòu)及與圍巖關(guān)系分 （ 1） 掩護(hù)式 1）支掩掩護(hù)式支架分插底式和不插底式； 2）支頂掩護(hù)式分為支架平衡千斤頂設(shè)在頂梁與掩護(hù)梁之間和支架平衡千斤頂設(shè)在底座與掩護(hù)梁之間。 （ 2）支撐掩護(hù)式 1）支頂支撐掩護(hù)式支架； 2）支頂支掩支撐掩護(hù)式，其中一排立柱支撐在掩護(hù)梁上。 （ 3） 支撐式支架 1）節(jié)式支架分兩框架式、三框架及四框架組合式兩類(lèi)； 2）垛式支 架。 2 按適用煤層傾角分 （ 1）一般工作面支架； （ 2）大傾角支架。 3 按適用采高分 （ 1）薄煤層支架； （ 2）中厚煤層支架； （ 3）大采高支架。 4 按適用采煤方法 （ 1）一次采全高支架； （ 2）放頂煤支架； （ 3）鋪網(wǎng)支架； （ 4）充填支架。 5 按在工作面中的位置分 （ 1）工作面支架； （ 2）過(guò)渡支架（排頭支架）； （ 3）端頭支架。 6 按穩(wěn)定機(jī)構(gòu)分 （ 1）四連桿機(jī)構(gòu)支架； （ 2）單鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)支架； （ 3）反四連桿機(jī)構(gòu)支架； （ 4）單擺桿式支架； （ 5）機(jī)械限 位支架（橡膠限位、彈簧鋼板限位、千斤頂限位）。 7 按組合方式 （ 1）單架式支架； （ 2）組合式支架。 8 按控制方式分 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) （ 1）本架控制方式； （ 2）鄰架控制方式； （ 3）成組控制方式。 9 按控制原理分 （ 1）液壓直接控制支架； （ 2）液壓先導(dǎo)控制支架； （ 3）電液控制支架。 液壓支架的支護(hù)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(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的 3 種支護(hù)方式，從而決定工作面 “三機(jī) ”的不同配套關(guān)系。 1 即時(shí)支護(hù) 一般循環(huán)方式為：割煤 —移架 —推溜 。 即時(shí)支護(hù)的特點(diǎn)是：頂板暴露時(shí)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(hù)方式。 2 滯后方式 一般循環(huán)方式為：割煤 —推溜 —移架。 滯后支護(hù)的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間較長(zhǎng)，梁端距大，支護(hù)頂梁較短。適用于穩(wěn)定、完整的頂板。 3 復(fù)合支護(hù) 一般循環(huán)方式為：割煤 —支架伸出伸縮梁 —推溜 —收伸縮梁 —移架。 復(fù)合支護(hù)的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間短，但增加的反復(fù)支撐的次數(shù)?？捎糜诟鞣N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。 對(duì)液壓支架的基本要求 1 為了滿足采煤工藝 及地質(zhì)條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。 2 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為 100kN左右；移架力按煤層厚度而定，對(duì)中厚煤層一般為 150～ 250kN。 3 防矸性能要好。 4 排矸性能要好。 5 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。 6 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈? 7 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。 8 支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。 9 要求支架有足夠的 剛度，能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。 10 在滿足強(qiáng)度條件下，盡可能減輕支架重量。 11 要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。 12 液壓元件要可靠。 薄煤層液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 根據(jù)煤層厚度劃分，薄煤層截高一般小于 。我國(guó)不少礦區(qū)薄煤層是主采煤層。薄煤層支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是： 1 伸縮比大 立柱大多采用雙伸縮立柱，薄煤層支架高度低，操作不太方便，立柱很少采用帶機(jī)械加長(zhǎng)段結(jié)構(gòu)。為滿足大伸縮比的要求，特別是掩護(hù)式液壓支架，立柱傾角較大，在低位狀態(tài)工作時(shí)，支護(hù)效率較低。 2 人行通道困難 對(duì)于薄煤層支架，如何設(shè) 置人行通道是十分重要的。在瓦斯含量大、對(duì)通風(fēng)有特殊要求的綜采工作面，大多設(shè)計(jì)成雙人行通道。支撐掩護(hù)式支架的前立柱前留有人行通道，在前、后柱間再設(shè)計(jì)一個(gè)人行通道，二柱掩護(hù)式支架立柱前后各設(shè)一通道這樣有利于通風(fēng)，便于行人。對(duì)于通風(fēng)沒(méi)有特殊要求的綜采工作面，大多設(shè)計(jì)成二柱掩護(hù)式液壓支架，在柱前設(shè)置人行通道。 3 梁體薄 薄煤層支架由于其伸縮比大，且最低高度很低，所以結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要截面高度尺寸盡可能小。為此，結(jié)構(gòu)件大多采用高強(qiáng)度鋼板、箱形結(jié)構(gòu)，頂梁前部有的設(shè)計(jì)成板式結(jié)構(gòu)，甚至是幾層彈簧鋼板疊加。 4 結(jié)構(gòu)交叉布置 薄煤層支架由于其最低位置的高度十分低，結(jié)構(gòu)件除了盡量薄之外，結(jié)構(gòu)件間盡量采用空間交錯(cuò)布置，所以，前連桿大多設(shè)計(jì)成單連桿，后連桿設(shè)計(jì)成雙連桿，在最低位置時(shí)，前、后連桿可以側(cè)投影重疊而不干涉，底座設(shè)計(jì)成分底座、活連接，左右底座中間為推移機(jī)構(gòu)布置的空間；對(duì)于兩柱掩護(hù)式支架，平衡千斤頂和推移液壓缸采取交錯(cuò)布置，以滿足最大重合度。由于柱前大多為人行通道，所以薄煤層支架推桿前部大多設(shè)計(jì)成板式，厚度為 50～ 70mm。人行通道最小要求寬 ，凈高 。 5 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 薄煤層支架結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，以減 少事故，頂梁可設(shè)計(jì)成整梁，適當(dāng)加寬頂梁寬度，一般可不設(shè)置活動(dòng)側(cè)護(hù)板。 6 提高控制系統(tǒng)自動(dòng)化 薄煤層工作面行人困難，所以操作系統(tǒng)最好實(shí)現(xiàn)成組控制、自動(dòng)控制或鄰架控制，以減輕工人體力勞動(dòng)和提高安全程度、工作效率及產(chǎn)量。 液壓支架的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 液壓支架的設(shè)計(jì)、制造和使用，從 1854 年英國(guó)研制成功發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)基本成熟，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、中厚煤層液壓支架和厚煤層液壓支架。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。所以從液壓支架的現(xiàn)狀來(lái)看，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)。總之，隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，液壓支架設(shè)計(jì)、制造和使用，將越來(lái)越完善、安全、可靠。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 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)裝有紅外線傳感器裝置，立柱缸 徑超過(guò) 400MPa。為減少割煤時(shí)間，一般采用 ~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 年就己采用額定壓力 50MPa， 額定流量478L/ mi n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，中心距達(dá)到 ，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 250 5280m長(zhǎng)壁綜采面用工作阻力為 2 8565kN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)噸，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，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)噸。美國(guó)綜采工作面最高日產(chǎn)超 7 萬(wàn)噸，工效 為 1336 噸 /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 日創(chuàng)下澳大利亞有史以來(lái)日產(chǎn) 萬(wàn)噸的最高記錄，班產(chǎn)一直保持在 5000~6000 噸。 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。 液壓支架的發(fā)展不斷完善，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾種： 1 前連桿加油缸的液壓支 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)，所以掩護(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%，為了解決此問(wèn)題，目前國(guó)外正在設(shè)計(jì)一種前連桿帶油缸的液壓支架。 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)到新的平衡，從而在設(shè)計(jì)時(shí)可降低安全系數(shù)，減輕了液壓支架的質(zhì)量。 2 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，設(shè)計(jì)了一種不在底板上移架的液壓支架，利用提起底座擦頂移 架的液壓支架，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)。 3 適用特種條件下的液壓支架 （ 1）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，支架高度為 ~，還可根據(jù)需要設(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。 （ 2）新型放頂煤液壓支架 可設(shè)計(jì)一種回收率高、夾矸少的放頂煤液壓支架。 （ 3）水采液壓支架 為適應(yīng)水采工作面的支護(hù)，可設(shè)計(jì)一種水采工作面液壓支架。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) （ 4）重型液壓支架 為適應(yīng)頂板壓力特大 的需要，還可依據(jù)將工作阻力設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)囊簤褐Ъ堋? （ 5）新型端頭液壓支架 為了加快綜采速度和無(wú)人采煤工作面的需要，設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)井上操作，既安全又可靠的新型端頭支架。 （ 6）大傾角工作面液壓支架 為適應(yīng)煤層傾角小于或等于 45176。 的工作面，設(shè)計(jì)一種新型的大傾角工作面液壓支架。 4 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向 （ 1）輕型化 對(duì)液壓支架各部分進(jìn)行受力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足強(qiáng)度條件和配套的條件下，底座及頂梁盡量短些，使液壓支架輕型化。 （ 2）標(biāo)準(zhǔn)化 為了減輕支架質(zhì)量、降低成本，提高對(duì)煤層厚度變化和頂板 條件的適應(yīng)性，使液壓支架的范圍變小，對(duì)同一型號(hào)設(shè)計(jì)成系列化，適應(yīng)不同煤層厚度的要求。 （ 3）材質(zhì)強(qiáng)化 提高結(jié)構(gòu)件鋼材的強(qiáng)度，采用優(yōu)質(zhì)鋼材，減輕液壓支架的質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，選用合理的材質(zhì)。 （ 4）高壓化 各種閥類(lèi)的壓力等級(jí)加高，相應(yīng)的強(qiáng)度增高，使閥和油缸的體積減小，使液壓支架的質(zhì)量減輕。 5 操作自動(dòng)化 能適應(yīng)無(wú)人采煤工作面的需要，設(shè)計(jì)自動(dòng)化操作的新型全自動(dòng)液壓支架。 我國(guó)液壓支架經(jīng)過(guò) 30 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)兒，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，所用鋼材的耐壓能力一般為 260MPa，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)，供液管直徑 25~32rnrn，回液管直徑 25~50mrn， 最快移架速度為 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。 我國(guó)科學(xué)工作者經(jīng)過(guò) 30 多年的 發(fā)展和努力，液壓支架的設(shè)計(jì)、制造水平在不斷提高，特別是在緩傾斜中厚煤層的液壓支架方面積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，架型已基本趨于成熟、完善，在品種和質(zhì)量方面與國(guó)際先進(jìn)水平相比，差距越來(lái)越小。但在控制元件和控制系統(tǒng)方面，與先進(jìn)國(guó)家的產(chǎn)品相比還 有較大差距 。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)將 設(shè)計(jì) 重點(diǎn)放在 支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面。 今后，我國(guó)的液壓支架的設(shè)計(jì)將向著 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中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 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，缸的直徑將增至 360mm，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。 超靜定結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)點(diǎn) 1 頂梁和底座通過(guò) 8 根懸浮式液壓立柱鉸接連接 ,， 立柱均為二力桿 ， 所以支架頂梁無(wú)論承受哪個(gè)方向上的壓力都不會(huì)對(duì)底座產(chǎn)生附加彎 曲應(yīng)力 。 2 頂梁所受的水平力均轉(zhuǎn)化為立柱的內(nèi)壓力 ， 因此只要立柱能夠承受足夠的壓力 ,，則支架就能承受與之相應(yīng)的水平載荷 。 3 立柱布置成正三角形 ， 不但使支架的水平內(nèi)力互相抵消 ， 減少了頂梁和底座的內(nèi)力 ， 也使支架具有很高的穩(wěn)定性 。 4 八 根立柱密集支撐頂梁 ， 在相同的泵站壓力下 ， 可以 用 較小的缸徑實(shí)現(xiàn)較大的支撐力 。 同時(shí) ， 頂梁成為具有多點(diǎn)支撐的柔性頂梁 ， 受力合理 ， 可靠性 高。 5 可以通過(guò)只更換缸徑相同 、 行程不同的立柱的方法 ， 裝配成采高不同而工作阻力相同的一系列液壓支架 ， 從而實(shí)現(xiàn)支架的模塊化設(shè)計(jì) 、 集成化裝配和規(guī)模化生 產(chǎn) ， 大大縮短了生產(chǎn)和檢測(cè)周期 ， 加快了我國(guó)綜采機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)程 。 6 由于沒(méi)有四連桿機(jī)構(gòu) ， 頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡為垂直直線而不是近似的雙扭線 ， 克服了傳統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)給支架設(shè)計(jì)帶來(lái)的缺陷和不足 。 7 支架前梁可以 上擺 3176。，下擺 42176。 ， 用 2 個(gè)缸徑相同的懸浮式液壓千斤頂支撐 ， 不僅支撐力大 ， 而且對(duì)不平整頂板的適應(yīng)性強(qiáng) 。 8 立柱采用懸浮式技術(shù)原理 ， 懸浮力達(dá)到工作阻力的 4/5， 立柱的受力僅為 1/5， 大大提高了立柱的穩(wěn)定性和安全性 ， 從而提高了支架的承載能力和抗偏載能力 。 9 懸浮式液壓立柱各密封點(diǎn)采用密封補(bǔ)償和密封脹緊技術(shù) ， 而且內(nèi)部 無(wú)圓弧焊縫 ，無(wú)內(nèi)泄漏 。 立柱一旦泄漏 ， 肉眼便可發(fā)現(xiàn) 。 如果支架中有 1 一 3 根立柱損壞 ， 可以在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行更換與維修 ， 而不影響整個(gè)支架的超靜定結(jié)構(gòu)和工作狀況 ， 大大減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 ， 縮短了維修設(shè)備的時(shí)間 。 10 在設(shè)計(jì)過(guò)程中 ， 對(duì)支架各部件進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析和強(qiáng)度校核 ， 并對(duì)各結(jié)構(gòu)件的焊縫進(jìn)行了強(qiáng)度校核 ， 而且充分考慮了沖擊載荷的影響 ， 其安全系數(shù) 滿足設(shè)計(jì)要求 。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 2 液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 液壓 支架 的設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù) 數(shù)值 支架的立柱數(shù) 8 支架的工作阻力（ KN） 5000 支架的中心距（ mm） 1500 支架的最大高度（ mm） 1300 立柱伸縮形式 單伸縮 煤層傾角 8176。 支架的高度和支架的伸縮比 支架高度 支架高度的確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來(lái)確定， 其最大與最小高度為： 1mmH h S?? （ 21） 2n n aH h S a ?? ? ? ? （ 22） 式中 ： mH —— 支架最大高度（ mm）； nH —— 支架最小高度（ mm）； mh —— 煤層最大厚度（ mm）； nh —— 煤層最小厚度（ mm）； 1S —— 考慮偽頂、煤皮冒落后仍有可能靠初撐力所需要的支撐高度 2S —— 頂板最大下沉量，一般取 100～ 200mm； a—— 移架時(shí)支架的最小可縮量，一般取 50mm； a? —— 浮矸石、浮煤厚度，一般取 50mm； 由設(shè)計(jì)參數(shù) mH = 及液壓缸的活塞行程 L=400mm，可得出液壓支架的最小高度 約為 nH =，所以液壓支架的高度范圍為： ～ 。 通過(guò)公式 2 22 可得，可采煤層的 高度 約為 。 支架的伸縮比 支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值即： （ 23） 由于液壓支架的使用壽命較長(zhǎng)，并可能被安裝在不同的采煤工作面，所以，支架應(yīng)具有較大的伸縮比。一般范圍是 ，煤層較薄時(shí) 選大值。但是考慮盡量減輕支架重量，降低造價(jià)，可搞系列化，加強(qiáng)支架 對(duì)頂?shù)装宓倪m應(yīng)性，降低伸縮比， 盡量采用單伸縮油缸或帶機(jī)械加長(zhǎng)桿來(lái)增加調(diào)高范圍。該支架的伸縮比 m=。 . 支架間距 maxminHm H?中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 所謂支架間 距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。按下式計(jì)算： （ 24） 式 中 : b—— 支架間距（支架中心距）； B—— 每架支架頂梁總長(zhǎng)度； c—— 相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙 ； n—— 每架所包含的組架的組數(shù)或框架數(shù)，整體自移式 支 架 n =1； 整體邁步式支架 n =2；節(jié)式邁步支架 ， n =支架節(jié)數(shù)。 支架間距 b 要根據(jù)支架型式來(lái)確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機(jī)的一節(jié) 溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度及幫槽上千斤頂 連結(jié)塊 的位置來(lái)確定，我國(guó)刮板輸送機(jī)溜槽每 節(jié)長(zhǎng)度為 ,千斤頂連結(jié)塊位置在溜槽中長(zhǎng)的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為 。 大采高支架為提高穩(wěn)定性 ， 中心距可采用 ， 輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用 。 本次設(shè)計(jì)的薄煤層液壓支架， 取 支架的中心距為 。 底座長(zhǎng)度的確定 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要小；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作和行走；保證支架 的穩(wěn)定性等。通常掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取 倍的移架步距（一個(gè)移架步距為 ），即 左右，支撐掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取 4 倍的移架步距，即 左右。 本次設(shè)計(jì)的超靜定液壓支架，由于立柱數(shù)目較多，設(shè)置雙人行通道的要求，底座寬度相對(duì)較長(zhǎng)， 參照以前的支架， 人行道寬度 600mm，單根立柱安裝空間 300mm，立柱距底座前后端面 400mm，由此 暫將底座長(zhǎng)度確定為 。 頂梁尺寸 根據(jù)支架工作方式和設(shè)備配套尺寸來(lái)確定頂梁長(zhǎng)度 。 支架工作方式對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 支架工作方式對(duì)支架頂梁長(zhǎng)度 有 很大影響 。先移架后推溜方式（ 即 時(shí)支護(hù)）要求頂梁有較大長(zhǎng)度；先推溜后移架方式（滯后支護(hù)）要求頂梁長(zhǎng)度較小。這是因?yàn)椴捎孟纫萍芎笸屏锏墓ぷ鞣绞綍r(shí)，支架要超前輸送機(jī)一個(gè)步距，以便采煤機(jī)過(guò)后，支架能及時(shí)前移，支控新暴露的頂板，做到及時(shí)支護(hù)，因此，先移架后推溜時(shí)頂梁長(zhǎng)度要比先推溜后移架時(shí)的頂梁長(zhǎng)度要長(zhǎng)一個(gè)步距，一般為 600 mm 。 本次設(shè)計(jì)采用了雙人行通道，頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為減小控頂距，降低控頂面積，因此采用 滯后 支護(hù)方式。 頂梁長(zhǎng)度 頂梁長(zhǎng)度的確定應(yīng)根據(jù)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的配套尺寸來(lái)確定， 薄煤層“三機(jī)”配套除了從生 產(chǎn)能力、性能、壽命考慮外，由于薄煤層的復(fù)雜賦存條件 ， 它還必須結(jié)合煤礦的實(shí)際情況 ， 更多地考慮機(jī)械設(shè)備工作機(jī)構(gòu)的最大結(jié)構(gòu)高度、調(diào)高范圍、機(jī)身高度及過(guò)機(jī)空間等問(wèn)題，否則會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)能力和設(shè)備性能的發(fā)揮，降低設(shè)備的使用壽命。 b B nc??中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 11 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 1 采煤機(jī)與液壓支架的配套原則： （ 1）采煤機(jī)的采高范圍應(yīng)與液壓支架的調(diào)高范圍相適應(yīng)。一般，支架的最大高度應(yīng)大于采煤機(jī)最大高度 ～ 。 （ 2）為減小液壓支架的控頂距，尤其是對(duì)于破碎頂板，應(yīng)采用較載機(jī)身的采煤機(jī)。 （ 3）采煤機(jī)的最大可能工作牽引速度應(yīng)與支架的移架速度相適應(yīng)。對(duì)滾筒采煤機(jī) ： 式中 : t—— 每架支架的平均移架時(shí)間， s； A—— 支架中心距， m； v—— 采煤機(jī)工作牽引速度， m/min。 （ 4）液壓支架的移動(dòng)步距應(yīng)與采煤機(jī)的截深相適應(yīng)。由于推移機(jī)構(gòu)間隙等原因，推移千斤頂?shù)男谐桃话阋?100～ 200mm。 （ 5）梁端距一般取 150～ 400mm。它主要取決于采高、底板起伏情況、頂板條件及采煤機(jī)械的型式。從頂板管理的角度看，梁端距應(yīng)盡可能的小，但由于采煤機(jī)沿走 向方向傾角的變化，容易引起割頂梁。所以，一般采高較大，底板起伏變化大， 梁端距要求也大。事實(shí)上一些掩護(hù)式支架在初撐時(shí)都有頂梁移向煤壁、使 梁端距減小的趨勢(shì)，所以在確定梁端距時(shí)應(yīng)考慮以上因素。本次設(shè)計(jì)的超靜定薄煤層液壓支架，取消了 傳統(tǒng)的 四連桿機(jī)構(gòu)，采高較小，所以梁端距定為 200mm。 2 采煤機(jī)的選型： MG2 75PF 型外牽引爬底板式采煤機(jī)，采高范圍 ～ ，牽引速度 0～ 5m，截深 800mm，外形尺寸 5600 1660 550，生產(chǎn)能力： Q=60HBVP=3 刮板輸送機(jī)與液壓支架的配套原 則： （ 1） 當(dāng)支架與輸送機(jī)直接相連時(shí)，溜槽長(zhǎng)度應(yīng)與支架中心距相適應(yīng)。目前最長(zhǎng)見(jiàn)的溜槽長(zhǎng)度 為 ，支架中心距 也為 ， 個(gè)別為 。 （ 2） 與支架 推移 機(jī)構(gòu)相聯(lián)結(jié)的位置、配合尺寸和強(qiáng)度等應(yīng)與支架推移機(jī)構(gòu)的位置、結(jié)構(gòu)尺寸和推拉力等相適應(yīng)，并保證推溜時(shí)不致于上飄或下扎。