机械毕业设计（论文）-中厚煤层支撑掩护式液压支架设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2011届本科生毕业设计 第 79 页1 支撑掩护式液压支架概述全套图纸，加153893706液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备，支架与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体，实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使长壁采煤技术迈入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且可以够随着工作面的推进而机械化移动，不断的将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右，因此液压支架是现代采煤技术中的关键设备之一。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。 a 垛式 b 节式图13支撑式支架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。a插腿式支架 b立柱支在掩护梁上非插腿式支架 c立柱支在顶梁上非插腿式支架 图14掩护式支架3、 支撑掩护式支架 (a)支顶型支撑掩护式 (b)混合型支撑掩护式图15支撑掩护式液压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 图16 支架组成结构1护帮板2护帮千斤顶 3前梁 4顶梁 5、6立柱 7掩护梁 8后连杆 9前连杆 10底座 11推移装置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100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN150KN，中厚煤层一般为150KN250KN，厚煤层一般为300KN400KN。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700MPa， 液压系统压力在35MPa以下，流量在200L/min以内，供液管2532mm ，回液管2550mm ， 最快移架速度1012s/架(井下实际应用有时在20s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(68s/架) 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40MPa 、额定流量为400L/min 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360mm，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2030s/架，提高到912s/架。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。1.7 液压支架的应用与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。1.7.1 国外液压支架现状支护和控制顶板，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前，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，从根本上改变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己达到90%左右，取得了良好的经济和社会效益。八十年代以来， 世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力， 他们积极开发和应用新技术， 致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制。目前，以液压支架为主体的地下开采设备，己逐步向程控、遥控和自动化方向发展。这种新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器， 采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过400mm。为减少割煤时间，一般采用0.81m 的截深。支架还采用屈服强度8001000MPa 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性， 又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站， 其额定压力为4050MPa ，额定流量400500L / min ，可实现工作面成组或成排快速移架，达到68s/架。美国是世界上最先进的采煤国家，早在1990年就已采用额定压力50MPa 、额定流量478L / min的乳化液泵站，以实现支架快速推进， 移架速度达68s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命810 年，可用率高达95 %98 % 。支架平均工作阻力6470KN (最大为9800KN),支架宽度普遍增大，中心距达到1.75m ，并向2m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20 英里矿在2505280m 长壁综采面用工作阻力为28565kN 电液控制两柱掩护式支架，1997 年6 月产商品煤90. 43 万t ， 成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面；1995 年9 月，阿科煤炭公司的西糜鹿矿用工作阻力为8900kN 电流控制的两柱掩护式支架，月产煤达到60. 11 万t 。美国综采工作面最高日产超7 万t ，最高工效1336t/工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产， 使用两柱掩护式支架， 支架的平均工作阻力为7640kN 。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在1995 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3.41 万t 的最高记录， 班产一直保持在50006000t。英国也在大力发展两柱掩护式支架， 工作阻力有了很大提高，达到60008000kN 。1.7.2 国内外液压支架现状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。我国在1964 年由太原分院和郑州煤机厂设计70 型迈步式自移支架， 从此开始了液压支架的国产化道路。1984 年，北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，继而研制了多种低位、中位和高位放顶煤支架， 成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。1990 年后，国产液压支架得到了全面的发展，到1998 年止，全国已建成88 处高产高效矿井，其中14 处矿单个工作面的单产达15.72 万t / 月，原煤生产人员效率达9.16t / 工， 综采机械化水平达49.32 % ，达到了世界先进水平。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年统配煤矿机械化程度己达65%。液压支架在籍套数达700多套。目前，国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。液压支架己成为保证安全、高效生产的一种重要设备。在综采比例方面也低与世界产煤大国地位极不相称世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井工生产的比例。波兰是92.5 % ，俄罗斯是85.7 % ，乌克兰是76.4 % ，而美国、德国、英国、日本都是99 %以上。我国1998 年统计，国有重点煤矿回采产量3.67 亿t ，只有1.87 亿t 是综采生产，占49.32 %。而国有地方煤矿的综采比例远低于此数；乡镇地方煤矿则基本是空白。据初步估计，按全国井工生产的煤炭来算，综采比例只有23 %左右。我们液压支架制造技术水平比较落后，在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。支架液压系统的阀类，用的是乳化油，防锈蚀要求很高，国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯；我国是45 号钢加表面防腐处理。密封件的寿命国外大于5a ，我国是2a 左右。我国液压支架耐久性试验要求是大于7 000 次，印度要求是大于35 000 次，美国是大于45 000 次。这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，在国内高产工作面及在国际上是没有竞争力的。综采工程技术人员普遍认为目前我国支架的工艺技术水平尚未达到1979 年引进的100套支架的技术水平，可想落后远不止20a 。国内产煤大矿务局高产工作面使用进口设备这一问题发人深省。我们液压支架控制系统的研究也落后，目前，我国国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式，虽然具有控制系统简单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性较强的优点，但它存在严重缺点：(1) 工人劳动条件差，安全性差；(2)移架速度慢，影响采煤机效率的发挥；(3) 通风条件差，支架故障率高；(4) 支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验多少和技能高低有密切关系。1.8 液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。1.即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜，工作面“三机”的配套关系如图17所示。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。图17 即时支护“三机”配套关系2滞后支护一般循环方式为：割煤一推溜一移架。工作面“三机”的配套关系如图18所示。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。图18 滞后支护“三机”配套关系3复合支护一般循环方式为：割煤支架伸出伸缩梁推溜收伸缩梁移架。复合支护的特点是，支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件。但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。1.9液压支架的选型液压支架的选型原则：液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面条件，投产后能做到高产，高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条进行选择。1 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。2 当煤层厚度超过1.5m，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。3 当煤层厚度达到2.52.8m以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩立柱的支架。4 应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。5 煤层倾角10时，支架可不设防倒防滑装置；1525时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置；25时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。6 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。7 当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤时，支架最大采高一般3.5m；硬煤时，支架最大采高5m。8 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。9 断层十分发育，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在58m2，时间在20min以上时，暂不宜采用综采。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 支架高度的确定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：mm(2-1) mm(2-2)式中支架最大高度，mm；支架最小高度，mm；煤层最大高度， mm；煤层最小高度， mm；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200300mm，取 mm；顶板最大下沉量，一般100200mm，取mm；移架时支架的最大可缩量，一般取 mm；浮矸石，浮煤厚度，一般取mm；=3200+300=3500 mm=2000-200-50-50=1700 mm2.1.2支架的伸缩比和单位缸长行程的确定文架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值，即(2-3) 由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为19；支撑掩护式支架为25；掩护式支架可达3.0。一般范围是1.5-2.5，煤层较薄时选大值。考虑尽量减轻支架质量，降低造价，可进行系列化，加强支架对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般根据单位缸长行程Kl来确定，当K10.7范围内时可采用单伸缩。(2-4)式中 K1 单位缸长行程,mm；Lm 活塞全部伸出时立柱的总长度,mm； Ln 活塞全部缩回时立柱的总长度,mm； Lm-Ln 活塞行程,mm。所以应采用单伸缩立柱加机械加长杆。2.1.3 支架中心距的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，按下式计算(2-5)式中bc 支架间距(支架中心距),mm；Bm 每架支架顶梁总宽度,mm； 相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙,mm；n 相邻支架包含的组架或框架数，整体自移式支架n=1；整体迈步式 支架n2；节式组合迈步支架n支架节数。 支架间距bc要根据支架型式来确定，但由于每架支架的报移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜榴每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在每节溜槽中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。所以考虑到液压支架配套使用SGZ-730/400型刮板输送机，该刮板运输机溜槽每节长度为1.5m，因此，取中心距为1.5m。2.1.4 支架的宽度的确定支架的宽度是指顶梁的最小和最大宽度。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100200mm，取100mm。当支架中心距为1.5m时，支架的最小宽度，一般为14001470mm，取1470mm；支架的最大宽度，一般为15701600mm，取1570mm。2.1.5底座长度的确定 底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑以下诸方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够空间用于安装立柱、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，等等。通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右；支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即24m左右。因此，取底座长度为2.4mm。2.1.6底座宽度的确定支架底座的宽度一般为1.11.2m。此支架取1.2 m，底座中间安装推移装置的槽子宽度，与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为0.30.38m，此支架取0.37m。2.2 支架整体机构尺寸确定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。2.2.2四连杆机构的几何特征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e70mm，最好为30mm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，P1= ，即0.911.08弧度；Q1=，即1.311.48弧度。后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I=0.450.61；支撑掩护式支架为I=0.610.82。前、后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为I1=0.220.3。支架在最高位置时的值小于0.35，在优化设计中，对掩护式支架最好应小于0.16，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。前、后连杆的比值范围：C/A=0.91.2。前连杆的高度不宜过大，一般应使DH1/5。支架降到最低位置时，Q2。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2.2.3四连杆机构的几何作图法四连杆机构设计的几何作图法按如下步骤进行。（1）确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离一般同类型支架用类比法来确定，关于这两个尺寸的大小对支架受力的影响，后面进行专门研究。（2）确定掩护梁和后连杆长度用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图23所示设 G 掩护梁长度，mm； A 后连杆长度，mm； L2 e点引垂线到后连杆下铰点之距，mm； H1 支架最高位置时的计算高度，mm；H2 支架最低位置时的计算高度，mm。从几何关系可以列出以下两式：(2-6)(2-7)将以上两式联立解得：令 ，支撑掩护式支架：支架最高位置时的计算高度为：根据的值和上式可以求得掩护梁的长度 G和后连杆长度A，经过取整后，再重新算出、的角度。按四连杆机构的几何特征所要求的角度选定：,掩护梁的长度为： mm；后连杆的长度为: A= I G =1469 mm；前连杆的长度为: C=1434 mm；前、后连杆上铰点之距为： mm； mm mm mm mm mm mm mm mm（3）几何作图法作图过程具体作图步骤如下：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200250mm，考虑太低安装销子困难，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Q1。4、在此斜线上截取线段,长度等于A，a点即为后连杆与掩护梁的铰点。5过点作与HH线有交角的斜线，以为圆心，以G为半径作弧交此斜线于点，此点为掩护梁、与顶梁的铰点。6、 过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，即为液压支架最高位置的计算高度。7、 以点为圆心，以（0.220.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交于点b，为前连杆上铰点的位置。8、 过点作FF线的垂线(认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动)。9、在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。10、取线中间某一点为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状和变化宽度等）。11、以O点为圆心，为半径作圆弧。12、以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前面圆弧上一点，此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。13、以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点，此点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。14、连接、，并以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点，则b、b三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。15、连接、为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。16、分别作和的垂直平分线交于C点，即为前连杆的下铰点，bc为前连杆的长度。17、过点c向HH线作垂线，交于d点。则、液压支架的四连杆机构。18、按以上初步求出的四这杆机构的几何尺寸用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e的运动曲线，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线来，再按液压支架四连杆机构的几何特征进行校核，最终选出较优的四连杆机构尺寸来。按以上步骤作图，结果如图2-4所示。2.2.4 确定顶梁的长度顶梁长度：(2-8)式中：B液压支架的配套尺寸；液压支架的配套设备有：MG200/500-QWD型采煤机，SGZ 730/400型刮板输送机。其配套尺寸如图26所示。B=630+400+730+420=2180 mm ；A后连杆长度，A=1469mm；G掩护梁长度，G=2011mm；e支架由高到低顶梁前端最大位移量，e=30mm；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280340mm，取mm；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，=3535mm2.3 液压支架的性能参数2.3.1液压支架的支护强度支护强度：(2-9)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，取最大截割高度，M=3.5m；岩石密度，一般取 。 =0.7 MPa2.3.2液压支架的工作阻力支架支撑顶板的有效工作阻力为：KN(2-10)式中：Fc支架的支护面积， (2-11)式中：L支架顶梁长度，L=3.535m；C梁端距，C=0.3m；B支架顶梁宽度，B=1.4m；K架间距，K=0.1m。 =5.7525 =4026.75KN2.3.3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，2400KN。2.3.4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 KN，取移架力为 286 KN ；推溜力一般为100150KN，取推溜力为150 KN。2.3.5 覆盖率支架覆盖率是顶梁接触顶板的面积与支架支护面积之比值，即(2-12) = =86 （合适）覆盖率的大小与顶板性质有关。对于不稳定顶板不小于8595；中等稳定顶板不小于7585；稳定顶板不小于60 70。否则会引起冒顶。2.4支架立柱的计算在液压支架的总体设计中，除了顶梁、掩护梁、底座的长度与宽度，立柱布置和连杆机构尺寸，从而形成支架的总体框架结构外，为保证支架安全、可靠地工作和良好的支护性能，还必须根据工作和支护要求，设置相应的立柱和液压千斤顶。2.4.1 立柱布置 该液压支架采用单伸缩加机械加长杆立柱，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11.5m。本支架立柱间距选0.76m。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，前立柱与底座垂线的夹角为5，后立柱与底座垂线的夹角为1。2.4.2 单伸缩立柱缸径的确定立柱的缸体内径按下式进行计算： (2-13)式中： D立柱缸体内径（mm） F1支架承受的理论总载荷力（KN） n 每架支架立柱数 Pa安全阀调正压力（MPa） 立柱最大倾角（）本支架中，=4000kN，=4，=40MPa，=11，带入数据得：所以，立柱缸径取200mm。根据计算值，依据MT/T94-1996液压支架立柱及活塞