液压支架及推移千斤顶的设计.doc

前言我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，煤炭生产的高产高效和现代化是当今国际煤炭工业的发展方向，也是我国煤炭行业的必然选择，这就要求大力发展综合机械化采煤。综合化采煤方法是高校安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中的最重要的设备之一。从消化引进设备开始，到我国能独立设计、研究和制造液压支架，我们已经积累了丰富的经验，对这些经验进行总结和提高势在必行。在采煤工作面的煤炭时间生产过程中，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。而液压支架的是以高压液体作为动力，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。液压支架在工作面工作时，为了及时保护，采用先移架后推溜的工作方式一个循环包括降柱，移架，升柱，推溜等四个动作。随着采煤机的前进，按次序搬动操纵阀，使顶梁下降，支架前移，到达预定位置后，顶梁升起，支护顶板。再通过支架的推移千斤顶，又将输送机推向煤壁。1 概述1.1 综合机械化采煤与液压支架采煤机械和可弯曲刮板运输机是机械化采煤工作面的基本设备。普通机械化采煤（简称“普采”）工作面用单体液压支柱（或摩擦支柱）和铰接顶梁支护顶板；综合机械化采煤（简称“综采”）工作面用液压支架支护顶板。在采用双滚筒采煤机的综采工作面，采煤机从工作面一端开始采煤，先行的滚筒贴着顶板截割，后随的滚筒贴着底板截割，截割碎落的煤炭，由滚筒的螺旋叶片推运并装进可弯曲刮板运输机。煤炭被运到工作面下端，再经转载机和可伸缩胶带运输机外运。在采煤机后面一段距离的刮板运输机溜槽和液压支架，即可向煤壁推移，及时支护新暴露的顶板，并为下一个工作行程做好准备。从工作面一端开始采煤直至工作面另一端，为一个工作行程。在同一个工作行程中，采煤机的两个滚筒连续转动，整个机器沿着一定的方向牵引前进。采煤机到达工作面的一端，就结束一个工作行程。把原来贴着顶板的滚筒降下直至贴着底板，同时把原来贴着底板的滚筒升起，直至贴着顶板，再把两滚筒的挡煤板，翻转到滚筒的另侧，即可反向牵引采煤机，开始一个新的工作行程。为了保证仍能向工作面运输机装运煤炭，滚筒的转向不能改变。就是说，在方向相反的两个工作行程中，采煤机的牵引方向不同，滚筒的转向则不变。在采用双滚筒采煤机的普采工作面，采煤过程的区别仅在于：随着采煤机的向前牵引，滞后于采煤机一段适当距离，要先推移刮板运输机溜槽，再在运输机的采空区一侧悬挂顶梁和架设支柱。在采用单滚筒采煤机的普采工作面，根据煤层厚度和含有坚硬夹杂物等情况，可以双向采煤或单向采煤。若煤层厚度接近滚筒直径，煤不粘连顶板，就可以双向采煤，每经过一个工作行程就向前推进一次运输机。若煤粘连顶板，煤层较厚，特别是顶板稳定性较差时，采煤机向上牵引的工作行程中，滚筒贴着顶板截割，以便先挂顶梁把近煤壁顶板支护好；向下牵引的工作行程中，滚筒贴着底板截割，清理浮煤，并随着采煤机的移动推移运输机，因此往返两个工作行程只能推进一次运输机，但还是双向采煤的。如果煤层中坚硬夹杂物较多、煤质坚韧，需要先用高压注水、震动炮等方法松动煤层；采煤机在向上工作面上端牵引的行程中，滚筒截割煤层底部，随机人工挑落顶煤并悬挂顶梁；到达工作面上端后，翻转挡煤板，向下牵引清扫浮煤，随机推移运输机溜槽并架设支柱。因此，采煤机往返牵引两个行程只能推进一次运输机，而且是单向采煤。不论是哪一种普采方式，由于要用人力挂顶梁，架设和回收支柱，所以生产效率低，生产安全性差，但工作面设备投资比较少。根据我国十多年推广综采的经验，综采工作面平均工效为普采工作面的3.3倍，是炮采工作面的4.5倍。综采不仅提高工作面产量和工效，改善生产安全和劳动条件，而且有利于矿井合理地集中生产，简化生产系统，提高矿井综合效益。1.2 设计目的及其意义1.2.1 课题研究意义在综合机械化设备组成中，液压支架的重量约占综采设备总重量的8090%，成本占综采设备的70%左右。而且，综采工作面的安全性也主要取决于支架的支护效果。因此，为了降低成本，提高开采效益，并使支架的结构与性能适应不同的围岩与煤层条件，各国均在积极开展液压支架的设计、试验与研究。按支架的设定架型、基本结构和一般性能参数，设计典型支架，设计者根据已有的设计知识与经验，参考现有液压支架的结构与参数，或用类比法来设计支架。 国内外整层垮落开采缓厚煤层的采面矿压初步研究成果可知：随着采高加大，上覆岩层动压现象仍然存在，且表现频繁；直接顶越稳定，高支架支护效果越好；支架应具有足够的支护力，特别是对老顶来压强烈的顶板；采高加大后，应防止片帮、冒顶，尽力保持支架的稳定性，为此提高支架刚度是十分重要的。总之，除要求支架具有顶得住、切得下、护得好和走得动等基本条件外，针对高支架的特点，要求支架站得稳，煤壁立得牢。站得稳系指支架不歪倾斜倒，具有较强的防倒、防滑、导向、调架的能力；立得牢系指煤壁不片帮，不导致冒顶，支架具有较强的防片帮和及时支护的能力。通过课题的研究，了解了液压支架的结构和工作原理等方面，对以前所学的知识有了更进一步的认识，为即将开始的工作打下坚实的基础。1.2.2 研究现状液压支架是综合机械化工作面的主体设备，它能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，保持安全的地下作业空间，并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。液压支架与采煤机、可弯曲输送机和顺槽转载机配合，构成了回采工作面的综合机械化设备，从而为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。因此，采用液压支架支护顶板是当代采煤技术的一次重要变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。支护和控制顶板，保持工作面的安全生产空间，是煤矿地下开采中的首要任务。在二十世纪五十年代，国内外煤矿生产中，基本上均采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架，将液压技术应用到支护设备上，从而开辟了回采工作面支护设备的技术革命。从二十世纪六十年代起，国外各主要产煤国家，如前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制了各种型式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用，从根本上改革和提高了地下开采的作业条件和安全性。据统计，目前这些主要产煤国家的地下开采综合机械化程度已达到90%左右，取得了良好的经济和社会效益。目前，以液压支架为主体的地下开采设备，以逐步向程控、遥控和自动化方向发展。我国是煤炭生产大国，在二十世纪六十年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。七十年代我国从英、德、波兰和前苏联等国引进了数十套液压支架，经过试用、仿制和总结经验，到八十年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多种不同规格的液压支架，并在国内大、中型煤矿中推广应用，大大提高了我国煤矿开采的机械化水平。据统计：1995年，我国统配煤矿的综合机械化程度已达50%左右，液压支架在籍套为509套，2000年统配煤矿的综合机械化程度已达65%。液压支架在籍套数达700多套。目前，国内大、中型煤矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。液压支架已成为保证安全、高效生产的一种重要设备。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已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，液压支架的研究与发展方向是：1. 在已有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计和结构与参数的 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 液压支架的选型2.1 原始资料 泵站压力P泵=35MPa；P安=40MPa；Q泵=50L/min2.2 ZY-35型液压支架的结构特点和主要技术参数 表2-1高度/m宽度/m初撑力/kN工作阻力/kN支护强度/MPa对地比压/MPa适应坡度/度质量/t1.83.51.431.6261732000.561.292510.8ZY-35型支撑掩护式液压支架适用于走向长壁后退式开采法，煤层赋存比较稳定，无影响支架通过的断层，煤层厚度在23m、倾角小于30、中等稳定或中等稳定以下顶板的地质条件。单位面积顶板压力不大于700KPa，并且移架后能自动冒落，底板较平整，但抗压强度不得小于2000 KPa。2.2.1 ZY-35型支架的结构特点（1） 工作阻力大，支护强度高，切顶能力强。立柱分前后两排布置。（2） 调高范围大。立柱长度为14253175毫米，行程1750毫米（其中液压行程1000毫米，机械加长段的最大调节长度为750毫米）（3） 防护性能好。主梁、掩护梁两侧都有侧护板，前端有防片帮板。（4） 梁端距变化小（254296毫米，变化量为42毫米）（5） 采用框架式推移装置。（6） 前梁千斤顶承载腔油路上装有大流量安全阀，其整定压力为38.8MPa，比立柱安全阀整定压力（31.8MPa）高，流量也大（约40升/分）。升架时前梁千斤顶先推出，前梁端部先接触顶板；在支架继续升起直到顶梁撑紧顶板的过程中，前梁千斤顶被迫收缩，承载腔压力陡增，大流量安全阀溢流。2.2.2 ZY-35型支架的结构1. 结构件 1）前梁 前梁为一钢板焊接件，它可以向上摆动18，向下摆动15，从而改善了前梁与顶板的接触状况。在前梁前端装有护帮装置，该装置采用四连杆机构，主要由上连杆、下连杆、护帮板和顶梁上的支座组成。2）主顶梁 主顶梁为焊接箱式结构。中间以两根主骨架为主体，在主骨架中焊接四个柱窝。在顶梁两侧装有侧护板，根据工作面方向不同可使一侧固定，另一侧活动。要使侧护板固定，只要把弹簧套筒收回，用销子销在销孔中。为了防止销子脱出，用挡板固定。如果不销住，侧护板就在弹簧作用下伸出。3）掩护梁 掩护梁焊接方式与顶梁相似。掩护梁上端铰接座与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座铰接。掩护梁上的侧护板的装配方法与顶梁相同。4）底座 底座由钢板焊成箱形整体结构。在底座前端两侧焊有千斤顶转架。在底座前端中间有推移千斤顶耳座。在中部有平台，可以安装阀组框架，人员在平台上进行操作。5）导向梁 导向梁作用是为支架前移导向，导向梁安设在相邻两架支架之间，其前端与工作面输送机相连。2. 立柱和千斤顶立柱为一双作用油缸，为了适应顶底板的变化和改善其受力状况，立柱两端均采用球面结构，以便更好的承受顶板压力。推移千斤顶在ZY-35型支架上有推移千斤顶、防滑千斤顶、护帮千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶（短柱）等。3. 防倒滑装置 在倾斜工作面中，ZY-35型支架的防滑措施采用排头导向梁的方法。它的一端与输送机连接，另一端用单体支柱固定，并支撑住顶板，从而保证首架不下滑。推溜前，首先撤去单体支柱，使排头导向梁随着输送机推移而前移，并与输送机保持垂直的位置。推溜结束后，再用单体支柱支撑住排头导向梁，移架时，首架支架就能沿着排头导向梁前移而防止下滑。防止输送机下滑，采用防滑千斤顶。在工作面中每十架配置一个防滑千斤顶。千斤顶的缸底与支架座上的转架相连，活塞杆端的圆环链与两架之间的导向梁相连。平时活塞杆收缩，链子销紧；推溜时，由于推溜力大于防滑千斤顶的拉力，导向梁前移时将千斤顶的活塞杆也拉出，此时活塞杆腔油路系统中的大流量安全阀在一定的整定压力下溢流，使圆环链始终保持有一定的拉力，防止输送机下滑。移架后，防滑链松弛，待升柱后在拉紧防滑链。为了防止排头支架的倾倒，采用了斜拉千斤顶，将为首的两架支架连在一起，当首架移架时，通过圆环链拉伸活塞杆，油路系统中的安全阀起作用，使链子保持一定的拉力，拉住首架不使其倾倒；待首架升柱撑顶后再移上架，同时收缩防倒千斤顶拉紧锚链。4. 阀组ZY-35型支撑掩护式液压支架的主要阀组都组装在一个框架上。操纵阀采用ZC型组合操纵阀，由8片组成。液控单向阀采用型。立柱安全阀采用型，整定压力为31.8MPa。短柱安全阀采用型，整定压力为38MPa。2.2.3 ZY-35型支架的液压系统 ZY-35型支架的液压系统采用下列的操作控制方式：前后两排立柱的升降动作，各用一片操纵阀操作，所以根据需要，前后排立柱既可以同时升降，可以单独升降。为了使前梁能及时支护新暴露出的顶板，并迅速达到工作阻力，在短柱活塞腔的回路里装一只型安全阀，以便在升后柱的同时升短柱的情况下，当前梁顶端比顶梁先接触顶板，前梁过负荷时，是安全阀泄液，以保证短柱的工作阻力。为了防止煤壁片帮，支架上设有防片帮装置，并用一只SSF型双向锁对防片帮千斤顶中的活塞腔与活塞杆腔分别进行互相联锁。在推移千斤顶的活塞杆腔中接入闭锁回路，防止在移架时输送机往后退缩。2.2.4 已知的可供参考的ZY-35型支架的主要技术特征:支架型式 支撑掩护式操作方式 本架操作高度 1.83.5 m宽度 1.421.60 m初撑力 1848 KN工作阻力 4000 KN支护宽度 1.5 m支护强度 721 KPa底座面积 2.15 m底座比压 187 重量 10.8 T2.3 总体设计2.3.1 液压支架的工作原理1液压支架自动移架的原理：液压支架以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，使支架完成升起、降落、行走和推移运输机等各种动作，以便支架随工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作过程分别加以叙述。如图示2-1图2-1液压支架自动移架的原理图Fig 2-1 The hydraulic support moves to a schematic diagram automatically（1）降柱：当旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管，进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主回液管，支柱卸载下降。（2）移架：液压支架卸载后，把操纵阀转到移架位置，打开供液阀，高压液体由主进液管经操纵阀、油管进入推移千斤顶的活塞杆腔，同时进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀、操纵阀流回主回液管，推移千斤顶收缩，以运输机为支点，拉架前移。运输机靠相邻支架的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单向阀锁紧。（3）升柱：液压支架移至新的工作位置后，应及时升柱，以支撑新暴露的顶板。将操纵阀转到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主进液管进入，经操纵阀到液控单向阀，顶开阀球经油管进入支柱活塞腔，支柱活塞杆腔的油液，经油管和操纵阀流回主回液管，活柱和顶梁升起，支撑顶板。（4）推移运输机：当液压支架前移并重新支撑后，把操纵阀转到推溜位置，打开供液阀，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入推移千斤顶的活塞腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，已液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。在实际生产中，对于具体支架的动作，根据该支架的结构和需要来确定。2液压支架的支撑承载原理：液压支架的支撑承载原理，是指液压支架与顶板之间相互力学作用原理，它包括初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。（1）初撑增阻阶段：在升柱过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站的工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭，阀球封闭了支柱活塞腔的油液，这就是支架的初撑阶段。此时支柱或支架对顶板产生的支撑力称为初撑力（即支架的初撑力）为Pc=Pbn103 kN式中 Pb泵站工作压力，MPaD立柱的缸径，m；n立柱的数目。支架初撑力的大小，取决于泵站的工作压力、支架支柱数目和支柱缸体的内径以及架型等。实际上，支柱初撑后，活塞腔的油液压力由于阻力、操作情况和阀的灵敏度等原因，往往低于泵站工作压力。（2）承载增阻阶段：支架初撑后，随顶板的下沉，支柱活塞腔被封闭油液受到压缩，油液压力继续升高，呈现承载增阻状态。这时由于支柱缸径增大，油液压缩而体积缩小，即使乳化液没有任何漏损，安全阀并未动作卸载，支柱总长度也将缩短。这个缩短量可用下式计算： l=Pl+ （mm）式中：P支柱由初撑力起达到工作阻力时，支柱内压力的增量 （MPa）；乳化液的体积压缩系数，近似取水的饿压缩系数=0.0000475；l支柱内被压缩液柱的高度（mm）；E钢材的弹性系数 E=2.1106 （MPa）钢材的泊松比 =0.28；D支柱缸体外径 （mm）；d支柱缸体内径 （mm）。这个缩短量是有弹性的，如果作用在支柱上的载荷，反过来从工作阻力减小到初撑力时，支柱仍会恢复到原来的长度。因此，这个支柱长度上的缩短量，称为支柱的弹性可缩量。经使用证明，减小支柱的弹性可缩量，对改善顶板管理起着重要的作用。具体措施是，使用高压乳化液泵，提高支柱初撑力；改善单向阀的质量，要能及时关闭液路；注意操作方法，使支柱下腔尽可能达到泵站的工作压力。（3）恒阻阶段：支架承载后，如果完全支撑住顶板，不允许顶板下沉，需要有强大的支撑力。在实际生产中，由于顶板压力有时相当巨大，想设计出能抗住巨大顶板压力，而一点也不让压的支架是极其困难的，实际上也没有这种必要。因此，都使支架能随顶板下沉时，有一定的可缩量，但又保持一定的支撑力，不致于使顶板任意下沉而造成破坏冒落。要求支架既具有一定的支撑力，又具有可缩性。液压支架的这种特性，是由支柱的安全阀来控制的。在顶板压力增大时，支柱活塞腔被封闭的油液压力就迅速升高，当压力值超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泄出，支柱降缩，支柱活塞腔的液体压力减小，这就是支架的“让压”特性；当压力小于安全阀的动作压力时，安全阀又关闭，停止泄液，支柱活塞腔的液体又被封闭，支架恢复正常工作。由于安全阀动作压力的限制，支柱呈现出恒阻特性，此时支柱或支架承受的最大载荷称为工作阻力。液压支架的工作阻力为： P=Pan103 kN式中 Pa安全阀调定压力，MPa。支架的工作阻力取决于安全阀的动作压力、支架支柱数、支柱缸体内径和架型等。安全阀使支柱具有恒定的设计工作阻力，同时又使支柱在承受大于设计工作阻力的顶板压力时，可随顶板的下沉而下缩，这就是液压支架的恒阻性和可缩性。为防止安全阀频繁动作而失效，应使支架的工作阻力大于正常的顶板压力，也就是说，在工作面生产过程中，支架还没有达到设计工作阻力之前，就已前移到新的支撑位置。工作阻力是液压支架的饿一个基本参数，用来表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，并不能完全反映支架对顶板的支撑能力，因此常采用表示单位面积顶板上所受支架工作阻力值大小的支护强度参数，来比较支架的支护性能。支架支护强度：W=103（kg/m2）式中：A支架的支护面积（m2）由上可知，支柱或支架工作时，其支撑力随时间的变化过程是，支架升起，顶梁开始接触顶板至液控单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑结束至安全阀卸载前的承载增阻阶段t1和安全阀出现重复卸载时的恒阻阶段t2。这种变化过程反映了支架的支撑力和时间之间的关系。图示2-2中虚线表示，有些支架的支柱并未达到额定工作阻力值就已降柱前移，支架前移后按原过程重新支撑。图2-2Fig2-2 上述工作过程表明：液压支架在额定工作阻力值以下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；当支架支撑力超过额定工作阻力值时，支架能随顶板下沉而下缩，使支架保持恒定的工作阻力，即具有可缩性和恒阻性。支架本身的增阻性取决于液控单向阀和支柱的密封性能，可缩性和恒阻性则由安全阀的溢流性能决定。因此，液控单向阀、安全阀、支柱这三个部件，是保证支架工作性能的关键元件。2.3.2 液压支架的分类 按在采煤工作面的安装位置来划分，液压支架有端头支架和中间支架。中间支架按其结构形式划分，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，通风面大，适用中等稳定以上的顶板。图2-3垛式和节式支撑式支架Fig2-3 Piles up the type and the festival type brace type support 支撑式支架又分为垛式和节式，见上图2-3。垛式支架为一个整体结构，整体移动，通常有46根立柱，可以支撑坚硬与极硬的顶板。节式支架由24个框架组成，用导向机构相互联系，交替前进。但其稳定性差，目前已很少用。（2）掩护式支架掩护式支架利用立柱、短的顶梁支撑顶板，用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶性能弱；顶梁短，控顶距小；由前立、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；而且使顶梁前端的运动轨迹为近似平行煤壁的双纽线，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。根据支架是否插入输送机溜槽下面，掩护式支架可分为有插底式（下图2-4b）和非插底式 （下图2-4a 、c、d、e）按照立柱的支撑位置，掩护式支架可分为支顶式（d）、支掩式（a、b、c）和支顶支掩式（e）。支顶式掩护支架的顶梁和掩护梁间必设一平衡千斤顶，以保证结构稳定。在立柱工作阻力相同的条件下，支顶式比支掩式的支撑力大。图2-4掩护式支架分类Fig2-4 Shield type support classification （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，适于压力大、易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、后排立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。分类如图示2-5图2-5支撑掩护式支架分类Fig2-5 Support shield type support classification2.3.3 液压支架的结构分析1.顶梁：顶梁是支护顶板的直接承载部件，除满足一定的刚度和强度外，对顶板的覆盖率要高，以满足支护顶板的需要；要尽可能适应顶板不平的变化，与顶板的接触应力分布均匀，以避免因局部压力而引起损坏。掩护式支架顶梁（分类如图示2-6）有：（1）平衡式顶梁：这种顶梁长度短，顶梁下部与掩护梁铰接，铰接前后段的比例接近2：1。为保持顶梁的正确位置和端部支撑力，顶梁与掩护梁之间装有机械和液压限位装置。这种顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被矸石堵住，影响支护效果。为此，在顶梁后部加挂挡矸板，或填塞橡胶棍等。（2）潜入式顶梁：为克服三角区所带来的不良后果，顶梁后端做成扇形结构，扇形结构可潜入掩护梁内，这就消除了三角区，所以又叫潜入式扇形封闭结构。（3）铰接式顶梁：顶梁为整体结构，后端直接和掩护梁铰接，取消了三角区 ，支柱直接支撑在顶梁上。（4）铰接顶梁加前梁或前探梁：这种顶梁结构型式加大了工作空间和通风断面，应用越来越多。图2-6掩护梁支架梁的结构形式Fig2-6 Shield boom support Liangs structural style1.顶梁 2.立柱 3.前梁 4.掩护梁 5.主梁 6.前梁千斤顶还有一种短顶梁和前梁组合的顶梁结构型式，支柱直接支撑在短顶梁上，前梁用千斤顶控制。这种支架稳定性好，切顶能力较大，前梁梁端接顶情况好，可保持十几吨的支撑力。顶梁按宽度方向，又可分为宽顶梁与窄顶梁、整体式和对分式等，可根据支架类型不同而异。本次设计采用铰接顶梁加前梁或前探梁式。各类顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为增强刚性，上下盖板之间有加强筋板。顶梁前端呈滑撬形，以减少移动阻力。支撑式支架顶梁后端焊有挂帘板，作为挂挡矸帘之用，顶梁上焊有铸钢柱帽。柱帽的两侧有孔，用钢丝绳或销轴把顶梁和支柱连接起来。2.掩护梁：掩护梁是掩护式支架的重要构件，除防止采空区冒落矸石涌入工作面外，并承受冒落矸石压力。掩护梁也是钢板焊接的箱型结构，用厚钢板式型钢作骨架。掩护梁下部焊有与前后连杆相铰接的耳座，有的支架掩护梁上焊有支柱柱窝。活动侧护板一侧有弹簧筒和液压千斤顶和掩护梁相连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。从侧面看，掩护梁的形状有折线型和直线型两种。折线型掩护梁的掩护支架相对于直线型掩护梁的支架断面大。但折线型掩护梁的工艺性差，当支架歪斜时，架间密封性差。从支架宽度方向来说，掩护梁又可分为整体式和对分式两种，对分式构件小，易于加工、运输和安装。3.四连杆机构：顶梁和掩护梁的铰点为圆弧曲线的支架，它的梁端到煤壁的距离，随采高的变化而变化。这种端面距的变化，对机道上方顶板的破碎度起直接影响，当端面距超过300毫米时，影响相当严重。同时，这种支架的后铰点是固定的，往往为冒落矸石压住，造成移架工作的困难。为了改善支架的性能，近年来广泛采用使顶梁铰点轨迹呈双纽线的四连杆机构。液压支架上所用的四连杆机构，实质上是双摇杆机构。双摇杆机构的特征是，以四连杆的最短边的对边为固定边，摇杆AB和CD不能作整周运动。双摇杆机构的功能之一是连杆BC上的某点E走双纽线的轨迹，其中某段轨迹近似于直线，这种机构最早是在港口的起重机上使用。用在液压支架上可使顶梁梁端的变化大大减小。如果连杆长度和顶梁铰点轨迹线段选取合适，可使支架在顶板来压下降时，顶梁向煤壁方向移动，从而使顶梁对顶板产生一个水平挤压力，有利于顶板管理。连杆长度的选取，可根据支架在预定的最小和最大高度时的梁端距差值，可用作图法求得。由于连杆不仅承受冒落矸石的负荷，同时还要承受顶板的侧向力，所以连杆应有足够的强度。连杆在结构上可以采用整体式和单杆式。4.底座：底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的承压部件。因此，除满足一定的刚度和强度外，对底板起伏不平的适应性要强；对底板接触比压要小；要有足够的空间安装支柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；要便于人员操作和行走，能起一定的挡矸作用；要考虑排矸能力；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。目前它的结构型式有以下几种：（1）整体式：这种底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定性好，强度高，不易变形，与底板接触面积大，比压小。（2）对开式：为使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化，常把底座做成前后或左右对分式的。（3）底靴式：这种底座的特点是，每根支柱支承在一个底靴上，支柱之间用弹簧钢板连接，支柱与底靴之间用销轴连接。它的结构轻巧，动作灵活，对底板不平的适应性强，但刚性差，与底板接触面积小，稳定性也差，多用在节式支架上。各种型式的底座前端都做成滑靴形，以减少支架的移动阻力，避免移架时底座啃底。底座与支柱之间连接处也采用球面接触，以免因支柱偏斜受偏载，并用限位板和销轴限位，防止支柱脱出柱窝。5.控制和操纵元件（1）控制阀：控制阀由液控单向阀和安全阀组成，是支架的关键元件之一。按照它们封闭元件形状的不同，有球面密封式、锥面密封式、平面密封式和圆柱面密封式四种。球面密封式和锥面密封式控制阀的优点是结构简单，制造方便，缺点是磨损大，对污物的敏感性强。在高压系统中使用时，常采用阀套导向和塑料阀座，以提高可靠性和密封性。平面密封式控制阀采用橡胶阀垫，具有较宽的密封带。利用阀座的限位作用，可使阀体与阀垫之间既保持足够的接触压力，又可避免压力太大而损坏阀垫。此阀工作可靠，密封性能好，对污物不敏感。圆柱面密封式控制阀的优点是磨损小，多污物的敏感性较小，工作可靠。缺点是密封性差，漏损大，特别在采用低粘度的工作液体时尤为严重。使用时，必须在圆柱面加O形圈，以增强密封性。液控单向阀：液控单向阀质量的好坏，直接影响支架工作的可靠性。如果单向阀的饿密封性能不好，锁不住支柱活塞腔的工作液体，当顶板来压时，支架就会出现自动降柱现象，这在支架工作中是不能允许的。如果单向阀动作不灵敏，封闭压力小，则支柱的初撑力就达不到设计要求。因此，要求液控单向阀必须密封可靠，动作灵敏，使用寿命长。 影响单向阀工作性能的关键是密封性，因此用于高压系统中的各种液控单向阀，均集中于研究单向阀密封元件的结构要素、材质和工艺我国液压支架上主要采用前三种型式，目前已定型生产的是KDF1型平面密封式单向阀。为了增加这种阀在更高油液压力下工作的稳定性，我国又设计了KDF2s型平面密封式单向阀。它的特点是，改变了阀芯与导向套的结构形状和相互关系，在导向套上加工一个节流孔，及早释放少量油液，以控制阀芯的移动速度。液控单向阀按动作的不同，又分为单液控和双液控两种。单液控只有一个液控口，一个顶杆；双液控有两个液控口，两个顶杆，可使支柱实现强迫降柱和自重降柱。液控单向阀按卸载动作的不同，又分单级卸载和分级卸载两种。单级卸载是靠顶杆推开阀芯元件而实现一次卸载，目前大多数采用这种型式。但当支柱活塞腔封闭液体的压力高达600700kg/cm2时，打开单向阀需要较大的推力，并容易产生液压冲击，加速阀垫的冲刷。为此，可采用分级卸载的液控单向阀。分级卸载的液控单向阀的特点是，具有两个套在一起的大阀芯和小阀芯，。这种分级卸载的液控单向阀在结构上虽然复杂，但由于小阀芯的作用面积小，所需要的顶杆推力也小，大阀芯的作用面积大，但由于已被小阀芯卸载，故油液压力小，顶杆所需推力也小，使用寿命长。还有一种V型控制阀，它是一个由三套分级液控单向阀共体的阀组，大大简化了阀的结构。阀座材料是不锈钢（EN56C），精加工后再进行真空热处理来提高表面硬度，最后用一个高精度的碳化钨球将阀口击压一下。阀球也采用不锈钢材质，处理硬度比阀座再高些。这种阀对粉尘的敏感性小，过液量提高50%，卸载的初始阶段，液流必须经过一个0.038毫米的间隙，重合长度约为12毫米，从而减小液压冲击。安全阀：安全阀是使支柱保持恒阻力工作特性的关键元件，同液控单向阀一样，长期处于高压状态下工作，如果它的密封性能不好，就不能保证支架达到设计的工作阻力和稳定的工作状态。因此，要求安全阀动作灵敏、密封可靠、工作稳定、使用寿命长。液压支架上采用的安全阀均为直动式，这种阀的结构简单，工作灵敏，在过载时能及时起到卸载溢流的作用。各种安全阀在动作原理上均相同，它们都是利用液体压力和弹簧力的相互作用，以实现阀的开启溢流和定压关闭的作用，在结构上也基本相似。我国液压支架上主要采用后三种阀型。（2）操纵阀：操纵阀是控制支架各支柱和千斤顶进出油液，完成支架预定动作的操纵元件。因此，它必须满足支架各动作的要求，密封性能好，操作力小，工作可靠，操作方便。按阀芯结构型式的不同，液压支架的操纵阀可分为滑阀式、平面转阀式和组合单向阀式等。按控制方式不同，又分为手控、液控和电控等。下面按阀芯的不同结构型式分别介绍。滑阀式操纵阀：滑阀的阀芯元件在同一平面中平行布置，沿轴向方向运动，以开闭进出口液路，实现换向作用。这类阀的阀芯和阀体之间靠圆柱面密封，密封性差，易引起渗漏，所以设置供液阀，它也可防止误动作。由于支架动作较多，用一个滑阀难以操纵，常是两个（或多个）滑阀组合使用。平面转阀式操纵阀：转阀的配液元件是阀片，阀片绕中心轴线转动，以此来接通或断开各液口，实现配液换向动作。这类阀由于阀片与阀座之间是平面接触，轴向配液，有自闭特性，利于增强密封性，但由于支架动作较多，阀体端面轴向孔数较多，又往往易造成漏损。由于这类阀实行多位配液，为避免误动作，必须安设供液阀。组合式单向阀式操纵阀：此类型操纵阀按操作方式不同，又可分为杠杆摆动式和凸轮回转式两种。杠杆摆动式：这种阀的阀芯元件在同一平面中平行布置，由杠杆的摆动使操纵阀阀芯元件沿轴向方向运动，以开闭进出口液路，实现换向动作。这种阀每个单独操作，一个阀芯元件只控制支柱或千斤顶的一个动作，所以不需设供液阀。由于液压支架动作较多，常是多个阀片组合使用，易实现复合动作。BCF4型是我国近来研制的一种操纵阀，它的阀芯元件采用锥面密封式。它的结构特点在于阀芯在高压腔内的受压面积较小，因而操作力小，适用于油液压力在350MPa以下的高压系统。凸轮回转式：这种阀的配液元件，沿操纵手把转动轴线的半径方向布置。靠转动凸轮，推动顶杆打开和关闭阀门，实现配液换向的动作。这种操纵阀常做成一个或多个阀块，每个阀块又做成若干个动作平面。每个动作平面又有一个或多个凸轮控制油缸的一个或两个动作。由于这种阀各动作平面之间是相互隔绝的，所以不设供液阀。6.辅助装置（1）推移装置：推移装置是液压支架必备的重要辅助结构件。移架和推溜的动作，就是通过推移千斤顶及其附属装置来完成的，但随着矿山地质条件、液压支架结构和工作过程的不同，推移方式和推移千斤顶的布置也不一样。如图示2-7图2-7推移装置结构形式Fig2-7 Passage installment structural style由于液压支架工作过程的不同，推移方式有两种。分别是先移架、后推溜方式和先推溜、后移架方式。（2）护帮装置：液压支架上的护帮装置，是为了开采厚煤层或煤质松软的一些中厚煤层时防止煤壁片帮而设计的。护帮装置一般由液压千斤顶和护帮板构成，安装在前梁下部。正常情况下，护帮板伸出紧贴煤壁，防止片帮，或在片帮时起缓冲作用，防止砸伤工作人员。当采煤机割到支架前面时，需将护帮收回，让采煤机通过。然后，随支架移到新的工作位置后重新伸出以支护新暴露的煤壁。（3）挡矸装置：矸石涌入支架内会造成行人不便，移架困难，有时甚至会埋住操纵阀手把，损坏高压软管，严重影响支架的正常工作，架内矸石的清理也需要繁重的体力劳动。为此，需要良好的挡矸装置。（4）防倒防滑装置：液压支架在移架过程中，由于支架自重在倾斜方向的分力会使支架沿倾斜下滑，所以煤层倾角越大，下滑力也越大。支架的后部因重量大，离固定点较远，所以下滑程度比前部严重，造成支架的倾斜。当煤层倾角增大到使支架失去横向稳定时，支架会向下倾倒。因此，为了保证支架的正常工作，必须采取相应的防滑、防倒和调架措施。2.3.4 总体结构布局1.支架高度和伸缩比液压支架结构高度的正确选择，是设计支架能否正常工作的关键。支架的高度小于煤层的厚度时，就要留煤皮或增加材料消耗；支架高度太大，则相对地减少了立柱的伸缩比，在煤层厚度厚度变小时，支架就可能在工作过程中被压死。支架高度应根据所采煤层的厚度，其最大和最小高度为：H max=3500 mmH min=1800 mm支架的伸缩比m为m= 由于液压支架的使用寿命较长，四柱支撑掩护式支架一般取1.52.5。 2.支架的间距 支架的间距是相邻两架中心之间的距离，是支架沿工作面布置的一个参数。 m式中 l支架间距； B每架顶梁总宽度； b相邻支架顶梁之间的间隙； n每架所包含的组架或框架数。整体自移式n=1。 由上式可以看出，当支架结构型式确定后，支架间距就取决于梁的宽度和顶板所允许的顶梁之间的间隙。因此在设计中，l虽不是一个独立的结构参数，但它却直接影响到移架速度、造型大小和支架在工作面的布置情况。由于b值受顶板条件的限制，所以，当l太大时，支架的宽度尺寸相应加大，重量增加；当l太小时，移架速度小，侧向稳定性差。一般可根据顶板性质和支架类型，在造型适宜、结构合理和利于支护的原则下，选用较大的间距。对整体自移式，l通常取1.21.5米。 3.顶梁尺寸 顶梁的长度和宽度取决于支架的里类型，它影响支架与顶板的接触性能、控顶距和造型大小。一般在保证一定工作空间和合理布置设备的前提下，应尽量减小顶梁长度，以缩小控顶距和减轻之重量。对于本次设计的掩护式支架，由于一般用于破碎顶板，应将顶梁控制在控顶距 区范围内的重复次数不超过45次，故顶梁长度较小，通常为1.01.5米，最长3米左右。衡量顶梁支护状况的一个重要指标是顶板的覆盖率： 在破碎板中，值应达85%95%，故掩护支架均装有可活动的侧护板，以维护支架间的间隙。 此外，为防止煤壁附近裸露面机过大而引起顶板冒顶，应使顶梁前端与煤壁之间的距离尽可能小，一般不超过30厘米。 4.立柱布置 掩护式支架一般取二柱式，均呈倾斜布置，立柱与垂线之间的夹角越小，则支撑力越大 。 立柱间距与支架的类型和总体布局有关，现有的支架一般为.1.01.5米。2.3.5 液压支架总图 图2-8 液压支架总体布局图Fig2-7 Hydraulic support entire distribution chart3 液压支架各部件结构方案设计及受力分析与计算3.1 立柱的设计计算及受力分析3.1.1 核心构件结构分析a 缸体缸体是液压缸承受液体压强的部件。支架液压缸的缸体一般采用合金无缝钢管如27SiMn或冷拔炭素钢管制成。缸体的内表面是活柱的密封面，因而要求有较高的加工要求。主要包括缸筒、缸底、缸盖及相互连接方式。 （1） 缸筒：缸筒通常用45号钢、27SiMn无缝钢管制成，并调质到241285，以改善加工性能和强度。缸体的内表面是活塞的密封面，因而要求较高的加工精度和较低的粗糙度。如图3-1对缸筒的技术要求如下： 1） 缸筒内径一般采用H8或H9级配合，表面粗糙度为0.81.6，需或滚压。外表面可不加工。 2） 内径的椭圆度、圆锥度不大于公差的一半。 3） 端面T对轴线的垂直度为0.04。 4） 当缸筒上焊有耳环时，耳环孔的中心线对缸筒轴线的偏移量不大于0.03，其轴线垂直度为0.01。5） 为防止缸筒的腐蚀和提高寿命，可在缸筒内表面镀0.030.05厚的硬铬，再进行研磨抛光。缸筒的外表面要涂耐油漆。图3-1Fig3-1 （2）缸底缸底的材料 可用35号或45号钢，也可采用球墨铸铁或灰铸铁。当缸筒采用铸件时，缸底与缸筒铸成一体。当缸筒采用无缝钢管时，缸底与缸筒一般采用焊接结构。如图示，它的特点是结构紧凑，加工简单，工作可靠，但容易产生焊接变形。通常刚体止口与缸筒的内孔间采用过度配合，以限制焊接变形。如图示3-2图3-2 Fig3-2b 活塞杆 活塞杆是液压缸传递机械力的部件，它将受拉、压、弯曲等载荷作用。它们通常选用由无缝钢管制成，小直径活塞杆也可采用圆钢制造。 活塞杆工作时经常伸出液压缸外，直接接触矿井中的潮气、腐蚀性气体和粉尘，因此，要求它的外表面除了耐磨外，还应耐腐蚀，不生锈。所以，通常支架液压缸的活塞杆外表面都镀一层几十微米厚的铜、镍、铬或锌等耐磨防耐腐蚀材料。使用支架时，要注意保护活塞杆表面，不要碰伤。 对活塞杆的技术要求为：粗加工后进行调质处理，硬度HB229285，最后高频淬火，表面硬度HRC4555。活塞杆销孔按H11加工，孔的轴线相对于活塞杆的轴线的偏移不大于0.1。活塞杆轴线的平行度为0.03。c 导向套导向套装在缸体的外端，为活塞杆伸缩往复运动导向。要求导向套内壁与活塞杆的接触紧密但又不妨碍活塞杆的动作灵活，导向套还应承受住由外部载荷对活塞杆形成的横向力、弯曲、振动产生的影响。通常导向套可以采用铜合金如青铜合金做成，或者基材是炭钢，内衬耐磨环。导向套的加工精度通常H8H9，内壁表面粗糙度为3.2。4. 机械接长帽或机械加长杆为了扩大支架的支护高度范围，可在立柱头上加装不同规格的机械接长帽。当单伸缩立柱支架的支撑高度不能满足回采高度的要求时，就可以加上或更换长度适宜的机械接长帽。煤层变薄，立柱的行程不足150mm时，则取下机械接长帽。机械接长段还可做成机械加长杆形式，我所设计便采取该形式。