支撑掩护式液压支架概述

中国矿业大学2007届本科生毕业设计 第101页1支撑掩护式液压支架概述1.1 液压支架的用途在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是一高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.2液压支架的工作原理液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图11所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。1.2.1支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1、初撑操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。2、承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。 3、卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图12，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段，这就是液压支架的阻力时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。1.2.2 支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.3 液压支架的分类液压支架按结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。1、支撑式支架支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性能好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。支撑式支架有垛式和节式之分。（1）节式节式支架由24个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进，（2）垛式整个支架为一整体结构，整体移动，通常有46根立柱，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。2、掩护式支架掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶能力弱；顶梁短，控顶距小；由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性能好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。3、支撑掩护式支架支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。1.4 液压支架的组成液压支架由以下六个主要部分组成：顶梁、底座、立柱、掩护梁、活动侧护板、推移机构、操纵控制系统1.4.1 顶梁用途：1、用于支撑维护控顶区的顶板；2、承受顶板的压力；3、将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求：1、顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；2、顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；3、顶梁对顶板的覆盖率高；4、顶梁能适应顶板的起伏变化。1.4.2 底座用途：1、为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础；2、与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构；3、将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：1、底座应有足够的强度和刚度；2、底座对底板的起伏变化适应性好；3、底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板；4、底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；5、底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。1.4.3 立柱用途：1、支撑顶梁，承受载荷的作用；2、调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；3、立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。1.4.4 掩护梁用途：1掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座；2掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩；3掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。1.4.5 活动侧护板用途：1、消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；2、作为支架移架过程中的导向板；3、防止支架降落后倾倒；4、调整支架的间距。1.4.6 连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。其四连杆机构的作用：1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能；2、能承受较大的水平力。1.4.7操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。1.5 液压支架的设计1.5.1 设计目的 采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需求，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需求量是很大的。由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。1.5.2 对液压支架的基本要求1为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以便有效的控制顶板，保证合理的下沉量。2液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为100左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100150，中厚煤层一般为150250，厚煤层一般为300400。3防矸性能要好。4排矸性能要好。5要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。6为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。7调高范围要大，照明和通讯方便。8支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。9要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷。10在满足强度条件下，尽可能减轻支架的重量。11要易于拆卸，结构简单。12液压元件要可靠。1.5.3 设计液压支架必需的基本参数1顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。2最大和最小采高根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3瓦斯等级根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。4底板岩性和小时涌水量根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。5工作面煤壁条件根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。6煤层倾角根据煤层倾角，决定是够选用防滑防倒装置。7井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。8配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.5.4坚硬顶板的液压支架设计坚硬顶板工作面顶板不易冒落，直接顶或基本顶悬顶时间长。一但冒落，瞬间顶板压力显著增大，支架立柱安全阀来不及释放，立柱可能遭破坏。因此，对坚硬顶板液压支架设计的要求是：1、根据直接顶和基本顶的岩性、分类级别、截高及配套设备，确定支护强度和工作阻力，支架要有足够切顶能力。2、应尽量减小掩护梁长度，增大掩护梁与水平夹角，减小掩护梁在水平线上的投影长度。如有的支架在低位状态时，掩护梁与垂线夹角仍有30左右，相当于一般支架在高位状态时的掩护梁夹角。如果在工作高度时，掩护梁大部分都能被顶梁所遮盖是较为理想的。另外，掩护梁结构设计，除保证必要的强度和刚度之外，还要具有抗冲击能力。3、支架掩护梁间的密封可严些，顶梁架间密封要求不十分严格，因为顶梁间漏矸的可能性较小。4、支架立柱应设置大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。为此，安全阀流量的选择应考虑立柱缸径、冲击载荷来压程度。对于有冲击载荷的顶板，如不采取顶板处理措施，立柱应安设置一大一小两个安全阀以确保支架的安全5、考虑冲击载荷影响，支架结构件安全系数应提高，至少应比通常支架安全系数提高20%。6、应考虑支架可能承受的水平方向冲击力。支架结构件设计时，摩擦系数取值应考虑f=0.3时水平力对支架强度的影响。1.6 液压支架的设计动向21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期，也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需要，就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控制系统。液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上已经有70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口，我们要自己研制，否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。我国液压支架经过20 多年的发展， 尽管取得了显著成绩， 在双高矿井建设中出现过日产万吨、甚至班产超万吨的记录， 但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几， 有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处， 但国产液压支架技术含量偏低， 电液控制阀可靠性差，所用钢材一般为16Mn ，最好的屈服极限才700 ， 液压系统压力在35 以下，流量在200 以内，供液管2532 ，回液管2550 ， 最快移架速度1012 (井下实际应用有时在20 以上) ， 工作阻力更是相对较低。今后10 年， 我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68) 和电液控制阀的方向发展， 对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力， 尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为40 、额定流量为400 的高压大流量乳化液泵站， 以适应快速移架的需要； 系统采用环形或双向供液， 保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。ZY 两柱掩护式支架的比重将大大增加， 缸径将增至360 ， 端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。所以，今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件，开发一些新架型、新品种外，还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下方面：1、 设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。2、 完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限元模型，开发出SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性，广泛应用于液压支架设计研究，达到国际先进水平， 为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。3、 技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。4、 计算机辅助设计(CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库，并正在逐步实现支架设计CAD化。5、液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的20 30，提高到912。6、 新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。新型高可靠性支架，反向四连杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。基于以上进展，液压支架的研究与发展方向是：1、 在己有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计方法和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。2、 研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。3、 研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。4、 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。2 液压支架的结构设计2.1 液压支架基本尺寸的确定2.1.1 支架高度和伸缩比支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大和最小高度为： 式中支架最大高度，；支架最小高度；煤层最大高度，；煤层最小高度，；考虑伪顶，煤皮冒落后，仍有可靠初撑力所需要的支撑力高度，一般最200300，取；顶板最大下沉量，一般100200mm，取；a移架时支架的最大可缩量，一般取；浮矸石，浮煤厚度，一般取； 支架伸缩比一般范围内采用单伸缩立柱，所以应采用双伸缩立柱。2.1.2 支架中心距考虑液压支架配套使用SGB-764/264型刮板输送机，该刮板运输机溜槽每节长度为1.5，因此，取中心距为1.5。2.1.3 支架的宽度支架的宽度应考虑支架的运输，安装和调架要求，支架顶梁上装有活动侧护板，侧护板的行程一般为170200，取200.支架的最小宽度，一般为14001430，取1400；支架的最大宽度，一般为15701600，取1600。2.2 支架整体机构尺寸确定2.2.1底座长度底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，应考虑如下方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作和行走；保证支架的稳定性。因此，取底座长度为2900 。2.2.2确定四连杆机构和掩护梁长度2.2.2.1四连杆机构的作用1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线，从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。2、能承受较大的水平力。2.2.2.2四连杆机构的几何特征1、支架从最高高度降到最低高度时，如图21所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度，最好为30以下。 2、支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图21所示，应满足以下要求：支架在最高位置时，P ，Q ；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，,如果按钢和矸石的摩擦系数为,即：,求得；为了安全可靠在最低工作位置时，应使为宜，而Q角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能降下来，一般取。3、由图2-1可知，掩护梁与顶梁铰点E和瞬时中心O之间的连线与水平线的夹角为Q，设计时，要使范围内，主要原因是Q角直接影响附加力Qy的数值大小。4、支架工作段要求曲线向前凸的一段，如图21所示的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向老塘，同时底板阴止底座向后移；使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了前梁端部的支护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩护梁来地克服，所以减轻了掩护梁的受力。从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取曲线向前凸的一段，所以当已知掩护和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时，只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，进行作图计算就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图22所示。从图22可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了，其具体作法是顺时针转动后连杆，使支架最高位置时的E点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁上前连杆上铰点所作的运动轨迹上，任找几点，把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了2.2.2.3四连杆机构的几何作图法首先用解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图23所示。L掩护梁长度；后连杆长度；E点垂直线到后连杆下铰点之距；支架最高位置时的计算高度；支架最低位置时的计算高度；从几何关系可以列出:将以上两式联立解得：按四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定：；。支架在最高位置时的值为：因此掩护梁的长度为：取：后连杆长度为：取：前后连杆上铰点之间的距离L为：一般，具体作图步骤如下： 1、确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座略高，一般为200250，考虑太低国安装销子困难，太高底座又笨重。2、过O点作水平线HH线与底座相平行。3、过O点作一条直线与水平线HH线相交其交角为。4、以O点为圆心，以为半径作圆，与该直线相交于A点，即为后连杆与掩护梁的上铰点。5、过A点作一条直线与水平线HH线相交其交角为。6、以A点为圆心，以L为半径作圆，与该直线相交于E点，即为掩护梁、与顶梁的铰点。7、过E点作一条直线与水平线HH平行的FF直线，则HH线与FF线的距离为h，即为液压支架最高位置的计算高度。8、以A点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，即为前连杆的上铰点。9、过E点作FF线的垂线。假设在液压支架升降过程中，E点近似在此直线上滑动。10、在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点为E。11、取EE中点为E点，为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与顶梁的铰点。12、以O点为圆心，以为半径作圆弧。13、以E点为圆心，以掩护梁长L为半径作圆，与圆弧相交于A点，此点为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与后连杆的铰点。14、以E点为圆心，以掩护梁长L为半径作圆，与圆弧相交于A点，此点为液压支架在最高位置时，掩护梁与后连杆的铰点。15、。并以A点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，与EA相交于B点。以A点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，与EA相交于B点。即B、B、 B三个点为液压支架在三个位置时的前连杆的上铰点。16、连接AO、AO，为液压支架降到中间位置和最低位置时，后连杆的位置。17、分别作BB和BB的垂直平分线交于C点，即为前连杆的下铰点，BC为前连杆的长度。16、过点C向HH线作垂线，交于D点。则AO、AB、BC、CD为液压支架的四连杆机构。按以上步骤作图，结果如图2-5所示。2.2.2.4四连杆机构的VB程序优化使用VB程序模拟顶梁的双纽线运动轨迹。使用不同的参数，得到相应的e，取最优的解。模拟程序见附录。 2.2.3确定顶梁的长度顶梁长度：式中：B液压支架的配套尺寸；液压支架的配套设备有：MG300型采煤机，SGB764/264型刮板输送机。其配套尺寸如图26所示。A后连杆长度，；G掩护梁长度，；e支架由高到低顶梁前端最大位移量，；C梁端距，考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距。中厚煤层液压支架梁端距在280340，取；液压支架在最高位置时，后连杆与水平面的夹角。由前面知，液压支架在最高位置时，掩护梁与水平面的夹角。由前面知，取2.2.4 液压支架的性能参数2.2.4.1液压支架的支护强度支护强度：式中：K作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般为58。取M截割高度，m。取最大截割高度，岩石密度，一般取 2.2.4.2液压支架的工作阻力支架支撑顶板的有效工作阻力为：式中：Fc支架的支护面积，式中：L支架顶梁长度，；C梁端距，；B支架顶梁宽度，；K架间距，。2.2.4.3液压支架的初撑力初撑力的大小对支架的支护性能和成本都有很大影响。较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。一般取初撑力为（0.60.8）倍的工作阻力。取初撑力为 ：2.2.4.4液压支架的移架力和推溜力移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关。一般中厚煤层支架的为移架力150300 ，取移架力为 250 ；推溜力一般为100150 ，取推溜力为150 。2.2.5 立柱布置 该液压支架采用双伸缩立柱，立柱数目为4。 立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为：有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式支架和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5。本支架立柱间距选1。对于支撑掩护式支架，前柱窝一般近似在顶梁后部三分之二处，而下柱窝的位置根据立柱的角度来确定，一般立柱与底座垂线的夹角角要小于，其具体位置如图2-7所示。2.2.6 支架在工作面的通风断面积验算采煤工作面的过风量与采煤工作面的通风断面积相关，采煤工作面的通风断面积不应过小。但在工作面中安装液压支架后，通风断面积明显减小。因此必须验算通风断面积。一般按工作面允许风速进行验算。根据保安规程规定，工作面风速应小于5。采煤工作面风速：式中： V工作面风速，； 支架在采煤工作面的通风断面积，； Q采煤工作面所需风量，。式中： 通风不均系数，一般取=1.5；保安规程允许的朝气含量，一般取；沼气涌出量所需要的风量，；式中： 日产量，=3000 T； q每分钟产生一吨煤沼气涌出量，一般取=10， 。则有: 5，这样支架在工作面的通风断面积满足要求。2.2.7 确定立柱和千斤顶2.2.7.1立柱的尺寸立柱采用双伸缩液压缸立柱的缸体内径：式中：F支架承受的理论总载荷力，F5611.5；n每架支架立柱数，n=4；Pa安全阀调整压力，Pa=40 ；立柱最大倾角，（支架降到最低位置时角最大），=。 参考表21取一级缸/柱径：230/220； 二级缸/柱径：180/160 ； 公称承载力：1800 表2-1双伸缩立柱缸、柱径匹配关系序号一级缸/柱径()二级缸/柱径()公称承载力（）1250/240200/185 22002230/220180/160 18003200/190160/130 14004180/170140/120 11005160/150120/105 8006140/130105/85 500缸筒内压力为：式中：F支架承受的理论总载荷力，F5611.5；n每架支架立柱数，n=4；D一级缸内径，D230。 缸筒材料采用27SiMn无缝钢管屈服极限：；安全系数：取；允用应力：缸筒内壁厚度： 考虑到在液压缸中处需要安装导向套，选取缸筒内壁厚度为2.2.7.2立柱的初撑力立柱的初撑力：式中：一级缸内径，；泵站压力，。2.2.7.3立柱的工作阻力立柱的工作阻力：式中：一级缸内径，；安全阀额定工作压力， 。在0.350.7之间满足要求。2.2.7.4移架千斤顶的尺寸移架千斤顶采用单伸缩液压缸移架千斤顶的缸体内径：式中：F移架力，F250；泵站压力，； 参考表22表2-2千斤顶缸、杆径匹配关系序号缸径()柱径()推力（）拉力（）114085 485 306212575 386 265310060 247 15848045 158 10856345 98 48取缸径：125；柱径：75 ； 推力：386； 拉力：265。缸筒内压力为： 式中：F移架力，F250；D缸筒内径，D125。 缸筒材料采用27SiMn无缝钢管屈服极限：；安全系数：取；允用应力：缸筒内壁厚度： 考虑到在液压缸中处需要安装导向套，选取缸筒内壁厚度为 2.2.7.5移架千斤顶的行程移架千斤顶的行程与推移步距的关，推移步距为600，所以移架千斤顶的行程一般为700750。取行程为750。3液压支架的受力分析及校核3.1液压支架的工作阻力假设掩护梁上没有负载，其摩擦系数为。液压支架在最高位置时，每根立柱的工作阻力为： 取顶梁和掩护梁为隔离体，忽略顶梁与掩护梁的铰点到顶梁之间的距离，并作出瞬时中心O，求得在第四象限中，如图3-1所示。液压支架的工作阻力为：式中：摩擦系数，；、两根立柱的工用阻力，； 直线OE与不平线的交角，；前立柱与竖直线的交角，；后立柱与竖直线的交角，。 的作用位置为：式中：前立柱上柱窝到顶梁与掩护梁的铰点的距离，；后立柱上柱窝到顶梁与掩护梁的铰点的距离，； 3.2压支架前连杆的受力前连杆的受力为：式中：前连杆与水平线的交角，；后连杆与水平线的交角，。 结果中的“”号，表示前连杆的受力方向与图中的方向相反，即前连杆受拉力作用。3.3支架后连杆的受力后连杆的受力为：式中：前连杆与水平线的交角，；后连杆与水平线的交角，。 结果中的“”号，表示前连杆的受力方向与图中的方向相反，即前连杆受压力作用。3.4顶梁强度计算3.4.1顶梁受力情况顶梁承受一集中载荷，其受力图如图32所示。因上面已求出为6400，距离铰结点832.6。最大弯矩为： 图32 顶梁受力图顶梁做成等断面箱式机构，再最大弯矩处的断面如图33所示。图33 最大弯矩处的断面图3.4.2 顶梁强度计算a形心位置各板件的计算数据列于表31中。表31件 号12345数 量1142131200252001250011500660051053525028.58.5机构件的形心位置为： b惯性矩c弯曲应力d. 安全系数 3.5掩护梁强度计算3.5.1 掩护梁受力情况由前面已经求出掩护梁上前后连杆的销轴处受力为-5731和-5954，其受力图表示于图34。最大弯矩处发生在前连杆处，其值为：图34 顶梁受力图最大弯矩处的断面表示于图35中 图35 前连杆处断面3.5.2掩护梁强度计算a形心位置各板件的计算数据列于表32中。机构件的形心位置为：表32件 号1234数 量4411790039501050047100207.5207.537315b惯性矩c弯曲应力 d安全系数3.6底座强度计算顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。底板与底座的接触面积： 式中 底座的长度；底座的宽度底座对底板的平均比压： 代入数据求得平均比压：3.6.1 底座受力情况假设底座两端支撑，各点的力都已经求出，其受力图表示于图46。现在求支点A的反力。，即：图36底座受力图式中 由式可以求出支反力 图37 后柱窝处断面 各点的弯矩： 在C处弯矩虽然大，但是侧板较高。所以校核后柱窝处的断面强度，其断面（柱窝简化）表示于图37。3.6.2 强度计算a形心位置各板件的计算数据列于表33中。表33件 号12345数 量42412372009400160009250120007108501130567.510机构件的形心位置为：b惯性矩c弯曲应力d安全系数3.6.3 底座接触比压计算顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度，则在设计支架时，应验算底板的比压。验算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。本支架使用带有过桥的整体刚性底座。该底座的特点有：底座分左右对称的两部分，上部用过桥或箱形结构固定连接，以提高整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座接底面积大，有利于减小对底版的比压，但推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，用于软底板条件下工作面支架。表3-1 几种较软岩石底板允许比压底板岩性Rc()P ()V5粘质可塑页岩10.50.50.30.30.15可塑页岩 灰质页岩21.52.01.00.50.50.3沙质 灰质 泥浆页岩43.02.02.01.01.00.3注：Rc底板抗压入强度 ()V矿井小时涌水量，()。涌水量大，岩石变软，降低了允许比压P允许比压 () 几种软岩底板的允许比压如表3-1所示，使用该液压支架的底板为3.7的砂质页岩，涌水量V2.5。因此：取：计算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。底板与支架底座的接触面结构如图3-8所示。则其与底板的接触面积为： 然后计算底座对底板的平均比压如下： 安全系数： 图38 底座面积3.7立柱强度计算3.7.1 立柱参数采用乳化液泵的压力为33.8。选取初撑力与阻力比值0.69。已知立柱内径为211.8，材料为2SiMn无缝钢管，。阻力为1287.3，初撑力为1868.7。安全系数选取1.5，许用应力为。缸壁厚度 。3.7.2 计算重叠长度最小导向长度用式435来计算，即： 式中 液压行程，根据立柱实际长度的需求，液压行程定为2500。 考虑了活塞厚度和导向套厚度，取重叠长度为365。图38 立柱计算尺寸图表3-4为了使立柱结构简单一些，立柱采用双伸缩的结构。立柱结构尺寸表示于图38。计算数据列于表34。3.7.3各种系数的计算假设立柱受一轴向力P,没有横向力，不偏载，既。为了清晰明了，先计算各有关数值。3.7.4上活柱的强度核算最大弯矩所在位置为： 由上式可知，最大弯矩发生在处。最大弯矩为：上活柱内的应力为由于轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力，即： 上活柱材料选用27SiMn无缝钢管，。安全系数 3.7.5下活柱的强度核算最大弯矩所在位置为： 由上式可知，下活柱的最大弯矩发生在处，即上活柱于下活柱发生初折曲的地方。活柱的最大弯矩为：活柱内的应力为由于轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力，即： 下活柱材料选用27SiMn无缝钢管，。安全系数 3.7.6缸体强度核算最大弯矩所在位置为： 由上式可知，缸体的最大弯矩发生在处，即缸体与活柱发生初折曲的地方。缸体的最大弯矩为：缸体内壁有三个应力，即： 按第四强度理论进行验算 缸体材料选用27SiMn无缝钢管，。安全系数 3.7.7立柱的稳定裕量验算 为了简化计算，把上下活柱作为一部分，这样就相当于单伸缩立柱，因此。 又。临界载荷为 稳定裕量为 3.8销轴的设计为了满足通用性要求，顶梁与掩护梁、掩护梁与前后连杆和前后连杆与底座的连接销轴，都采用相同的轴径。后连杆的受力最大，因而用该力来计算销轴的最小轴径。，后连杆销轴每个横截面上的受力为Qp/4=1488.5 ，材料为40Cr。屈服极限：安全系数：许用应力：许用剪应力：取：销轴的校核，其受力情况如图39所示。惯性矩：弯曲应力：安全系数：挤压许用应力：图39销轴受力情况挤压应力：该销轴通过安全校核。4 液压支架的液压系统液压支架不仅需要有良好的结构以适应所工作的煤层地质条件，而且还要配备完善而可靠的液压系统及液压元件来实现支架的优良工作性能。液压支架的液压系统属于泵缸开式系统。动力源是乳化液泵，执行元件是各种液压缸。系统回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增压，经各种控制元件供给各个液压缸，。乳化液泵站通常安装在工作面下顺槽，可随工作面一起向前推进。泵站通过沿工作面全长敷设的主供液管和主回液管，向各个支架供给高压乳化液，接收低压回液。工作面中每个支架的液压控制回路多数完全相同，通过截止阀连接与主管路，相对独立。其中任一支架发生故障进行检修时，可关闭该架与主管路连接的截止阀，不会影响其他支架工作。液压支架的液压系统具有下列特点：1工作压力高，泵站工作压强一般为19.6 34.3。立柱承载时，被封闭的下腔液压更高，一般为39.2 58.9。因此要求液压元件包括有足够的耐高压强度。2工作介质是水包油乳化液，水占95%左右。这种乳化液粘度低，润滑性能和防锈性能都不如矿物液压油。因而支架液压元件一般不采用间隙密封方式，对液压元件的材料、加工精度和防锈处理也有较高的要求。3泵站集中供液，工作介质输送路程长，损失较大，要求主管路由足够的过流断面。4工作环境恶劣：潮湿，粉尘多，空间有限，采场条件经常变化。检修不方便，要求液压元件可靠工作时间长。4.1 立柱和千斤顶在液压支架中，用于承受顶板载荷，调节支护高度的液压缸称为立柱。液压支架的立柱是双伸缩作用式液压缸。除立柱外，支架中其余的液压缸称为千斤顶，依其功能分别叫做推移千斤顶、侧推千斤顶、护帮千斤顶和抬底千斤顶等等。通常支架中各类千斤顶是单伸缩双作用作用液压缸。立柱控制回路如图4-1： 图4-1立柱控制回路护帮千斤顶控制回路如图4-2： 图4-2护帮千斤顶控制回路推移千斤顶控制回路如图4-3：图4-3推移千斤顶控制回路4.2 支架液压阀液压支架的液压控制系统中所使用的控制元件有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀，方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀和液控分配换向阀等。4.2.1 液控单向阀夜控单向阀在支架液压系统中主要用来闭锁液压缸中的液体，使之承载。它是大多数支架立柱必不可少的控制元件之一。对液控单向阀的要求：密封可靠，特别是锁紧立柱下腔液路的液控单向阀，需长时间保持绝对密封；动作灵敏，尤其要求关闭及时，保证刚刚锁紧的液压缸中的压强等于泵站供液压强；流动阻力小；工作寿命长，能保证工作面推进8001000米不需要更换；结构简单。支架常用的液控单向阀按其密封副形势可分为平面密封型、锥面密封型和球面密封型。4.2.2 安全阀安全阀是支架液压控制系统中必不可少的限定压强的元件。立柱安全阀可以防止支架的主要承载结构件过负荷，确保顶板岩层在不高于规定的工作阻力作用下沉降。对立柱安全阀的要求：关闭时必须完全封闭；能够稳定溢流的溢流量范围大，在顶板缓慢下沉时的微小流量(3040以下) 工况下，启闭压强差不大于整定压强的510%，以保证支架的恒阻性。在顶板急剧下沉的大流量(3050)工况下，被封闭的液体压强升高值不大于整定压强的25%。4.2.3 操纵阀在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作的手动换向阀，习惯上称为操纵阀。按压力液通过操纵阀后的用途不同，可分为全流量操纵阀和先导液压操纵阀。支架液压原理图如图4-4所示：1.前排立柱 2.后排立柱 3.顶梁侧推千斤顶4.掩护梁侧推千斤顶5.推移千斤顶6.护帮千斤顶7.抬底千斤顶8.操纵阀9.液控单向阀与安全阀 图4-4液压支架液压原理图 4.3 液压支架的控制方式采用自动控制的控制方式，由于手动控制的操作速度受到人员在工作面行走速度限制。特别是在薄煤层工作中，操作人员花费在从一个支架行走到另一个支架的时间较长，体力消耗也很大。因此，手动控制液压支架使高效采煤机械的工作能力不能充分发挥出来。所以，研制和开发自动控制系统是液压支架进一步发展的方向之一。因为地下工作条件复杂多变，在工作条件的监控方面，在人机之间和采煤机与支架之间的完善联系还有大量工作要做。总的趋势是采用带有电脑控制的电液先导液压控制系统。分配阀多采用安全火花型电液控制分配阀，监控装置多转换成电信号输入电脑指令系统。4.4 液压系统安装、调试4.4.1 安装液压系统的安装是液压系统能否正常可以运行的一个重要环节。 4.4.1.1液压管道的安装要求 液压管道安装是液压设备安装的一项主要工程。管道安装质量的好坏是关系到液压系统工作性能是否正常的关键之一。 1、布管设计和配管时都应先根据液压原理图，对所需连接的组件、液压元件、管接头、法兰作一个通盘的考虑。 2、管道的敷设排列和走向应整齐一致，层次分明。尽量采用水平或垂直布管，水平管道的不平行度应2/1000；垂直管道的不垂直度应2/400。用水平仪检测。 3、平行或交叉的管系之间，应有10以上的空隙。 4、管道的配置必须使管道、液压阀和其它元件装卸、维修方便。系统中任何一段管道或元件应尽量能自由拆装而不影响其它元件。 5、配管时必须使管道有一定的刚性和抗振动能力。应适当配置管道支架和管夹。弯曲的管子应在起弯点附近设支架或管夹。管道不得与支架或管夹直接焊接。 6、管道的重量不应由阀、泵及其它液压元件和辅件承受；也不应由管道支承较重的元件重量。 7、较长的管道必须考虑有效措施以防止温度变化使管子伸缩而引起的应力。 8、使用的管道材质必须有明确的原始依据材料，对于材质不明的管子不允许使用。 9、液压系统管子直径在50以下的可用砂轮切割机切割。直径50以上的管子一般应采用机械加工方法切割。如用气割，则必须用机械加工方法车去因气割形成的组织变化部分，同时可车出焊接坡口。除回油管外，压力由管道不允许用滚轮式挤压切割器切割。管子切割表面必须平整，去除毛刺、氧化皮、熔渣等。切口表面与管子轴线应垂直。 10、一条管路由多段管段与配套件组成时应依次逐段接管，完成一段，组装后，再配置其后一段，以避免一次焊完产生累积误差。 11、为了减少局部压力损失，管道各段应避免断面的局部急剧扩大或缩小以及急剧弯曲。 12、与管接头或法兰连接的管子必须是一段直管，即这段管子的轴心线应与管接头、法兰的轴心是平行、重合。此直线段长度要大于或等于2倍管径。 13、外径小于30的管子可采用冷弯法。管子外径在3050时可采用冷弯或热弯法。管子外径大于50时，一般采用热弯法。 14、焊接液压管道的焊工应持有有效的高压管道焊接合格证。 15、焊接工艺的选择：乙炔气焊主要用于一般碳钢管壁厚度小于等于2的管子。电弧焊主要用于碳钢管壁厚大于2的管子。管子的焊接最好用氩弧焊。对壁厚大于5的管子应采用氩弧焊打底，电弧焊填充。必要的场合应采用管孔内充保护气体方法焊接。 16、焊条、焊剂应与所焊管材相匹配，其牌号必须有明确的依据资料，有产品合格证，且在有效使用期内。焊条、焊剂在使用前应按其产品说明书规定烘干，并在使用过程中保持干燥，在当天使用。焊条药皮应无脱落和显著裂纹。 17、液压管道焊接都应采用对接焊。焊接前应将坡口及其附近宽1020处表面脏物、油迹、水份和锈斑等