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太原理工大学硕士研究生学位论文 支顶支掩式液压支架的运动与静强度分析研究 摘要 高产高效综采技术的迅速发展，煤矿井下支护设备的安全问题是十分 必要的。在综采工作面中，作为支护设备的液压支架是实现煤炭综合机械 化采煤的关键因素，在使用过程中的安全性和可靠性直接决定着综合机械 化采煤技术的成败。 本文首先分析了国内外液压支架的设计制作和使用现状，指出了液压 支架的发展趋势。介绍了液压支架的分类、设计要求以及常见的结构形式。 同时指出了我国在传统液压支架的设计过程中所存在的问题，并把三维实 体模型的设计、运动学仿真分析和有限元分析等应用在对液压支架的设计 过程中。 本文以支顶支掩式液压支架为研究对象，用p r o e 进行三维机械设计 和运动学仿真分析，并在其基本参数的要求下实现对支架三维模型的建立、 各零件之间的相互关系、对模型进行适当的简化，从而进行了整机的虚拟 装配。利用p r o e 的m e c h a n i s m 运动分析模块中对整机迸行了干涉检查从而 避免模型各零件之间的“碰撞 ，并通过对支架的运动分析来验证其设计 和装配的合理性。 本文通过建立两种不同的数学模型来对液压支架项梁的运动情况进行 分析研究，得出一些具有参考价值的结论，在机械优化设计过程中，数学 模型建立的合理与否是至关重要的，优化方法的不同虽然可以决定计算过 太原理工大学硕士研究生学位论文 程的繁简、运算速度的快慢，甚至于精度的高低，但对于同一个设计对象 如果采用的数学模型的不同，得到结果也有所不同，其优化的结果相差比 较大。 利用有限元这一数值分析方法，对支架在受水平载荷、扭转载荷和偏 载荷三种不同工况下的受力进行分析，并可以用图形的方式直观地表现出 所有单元或节点的位移和应力分布情况，获得比试验室更多的资料和数据， 从而可以确定其危险的边界条件。这有利于液压支架的全面的优化设计， 比传统试验更快更经济。为液压支架在结构设计、优化设计以及降低成本 等方面提供一些有参考价值的数据。 关键词：液压支架；三维建模；运动仿真；静力学分析 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o v e m e n ts i m 【，a t i o na n ds 似r i cs t r e n g 耶h a n ai ，y s i sf o rah y d r a u l i cs u p p o r t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i l g hy i e l da n dh i g he f f i c i e n c yc o m b i n e d m i n i n gt e c h n o l o g y , r e s e a r c ho nt h es e c u r i t yp r o b l e m so ft h ec o a lm i n es u p p o r t e q u i p m e n ti sv e r yn e c e s s a r y i nt h ec o m b i n e dm i n i n gt e c h n o l o g yf i e l d ，t h e h y d r a u l i cs u p p o r t , w h i c ha c t sa saa ss u p p o r te q u i p m e n t , i st h ek e yf a c t o rt o r e a l i z et h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i z a t i o no fc o m b i n e d m i n i n g t h i sp a p e ra n a l y s i st h eh y d r a u l i cd e s i g n ，p r o d u c t i o na n du s es t a t u s p o i n t e d o u tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h eh y d r a u l i cs u p p o r t i ti n t r o d u c e dt h eh y d r a u l i c c l a s s i f i c a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g ne l e m e n t sa n dt h ec o m m o ns t r u c t u r e m e a n w h i l e ，n o t i n gt h ep r o b l e mt h a te x i s t si nt h et r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s so f t h e h y d r a u l i cs u p p o r t , a n da p p l yt h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e ld e s i g n ， k i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nt h ed e s i g np r o c e s so ft h e h y d r a u l i cs u p p o r t 一 一一 t a k et h es h i e l dc o v i n gh y d r a u l i cs u p p o r ta st h er e s e a r c h o b j e c t ，u s i n g t h e p r o | es o f t w a r et od e s i g ni t s3 dm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n ds i m u l a t ek i n e m a t i c s t a t u s ，u n d e rt h er e q u i r e m e n to fb a s i cp a r a m e t e r s ，e s t a b l i s h3 dm o d e la sw e l la s t h em u t u a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ev a r i o u s p a r t s ，s i m p l y t h em o d e l a p p r o p r i a t e l y ，c h o o s et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，d e a lw i t ht h ec o n t a c t t t t 太原理工大学硕士研究生学位论文 s u r f a c eb e t w e e nt h ev a r i o u sp a r t s ，m e s ho nt h es u p p o r tb e a ma n dc a r r yo u tt h e s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i sd e e p l y t h i sa r t i c l et h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft w od i f f e r e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l o fh y d r a u l i cs u p p o r tb e a mt ot h et o po ft h et r a j e c t o r yi ss t u d i e da n da n a l y z e d ， a n dd r a ws o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s ：i nm e c h a n i c a lo p t i m a ld e s i g np r o c e s s ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e ls e tu pr e a s o n a b l eo rn o ti sv e r yi m p o r t a n t ，t h eo p t i m i z a t i o n m e t h o do fd i f f e r e n ta l t h o u g hm a yd e c i d et ot h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o na n d s i m p l i f i e d ，a n dt h es p e e do ft h es p e e d ，e v e nt h ed i s c r e t i o no ft h ep r e c i s i o n ，b u t t h es a m ed e s i g no b je c tc a nb eb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d g e tt h eo p t i m a ls o l u t i o no ft h ed i f f e r e n t ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t si sd i f f e r e n t a p p l y i n gc a ei nh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ，s o l v i n gw i t hc o m p u t e r ，w h i c hc a na f f o r dm o r eo v e r a l l ，m o r e a c c u r a t ed a t ao fa l ln o d a lp o i n t so fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t ，a n dc a n d e m o n s t r a t ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fa l le l e m e n t so rn o d a lp o i n t sw i m f i g u r e ， a l s og e tm o r ed a t at h a nl a b o r a t o r yt e s t f u r t h e rm o r e ，i ti sf a s t e r ，m o r ee c o n o m i c t h a nt h et r a d i t i o n a lt e s t ，f a v o r a b l et ot h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o nd e s i g no f h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o r t a c c o r d i n g l y ，t h ew e i g h to f t h ee q u i p m e n ta n dm a n u f a c t u r i n g c o s tc a nb er e d u c e db yar e l a t i v e l yl a r g em a r g i n k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t ；3 de n t i t ym o d e l i n g ；m o v e m e n t s i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 煤炭是我国国民经济的支柱产业，随着现代工业的迅速发展，在日常生活中，人们 对能源的需求越来越明显。从上个世纪九十年代开始，中国已经成为了世界上最大的煤 炭生产国和消费国，在未来相当长的时间内，煤炭仍将是我们的主要能源。煤矿开采是 一个重大工程，所涉及的人员、设备、资金相当庞大。但是，由于我国矿山的自然条件 差，再加上技术和管理等多方面因素的不完善，以及近年来我国日益增长对煤炭资源 的需求量，使得煤矿的安全问题十分严峻。 伴随着煤炭工业的不断发展，煤矿支护技术和支护设备也得到了长足的进步。煤矿 支护设备主要是指在回采工作面中，为了保护工作面内机器的正常运转和人员的安全生 产，对顶板实行支撑和管理，以防止在工作空间内项板垮落而设计制造的支护工具。在 综采工作面中，液压支架是为了能保证实现高产高效和安全生产的关键设备之一。经过 3 0 多年来的艰苦努力，我国的液压支架在架型设计、结构设计和加工制造等方面取得了 较为丰富的经验，并达到或接近了国际水平。近年来在液压支架及其液压系统的动态性 能和控制技术方面的研究，计算机辅助设计等方面也取得了相当的进展。随着高产、高 效综采技术的飞速发展和机、电、液一体化技术的应用，对综采设备的可靠性和动态特 性的要求越来越高，所以现在我们对于液压支架的设计和研究仍然具有非常重要的理论 意义和实用价值。 在实现综合采煤机械化的过程中，液压支架作为复杂的煤矿机械，在使用过程中与 滚筒采煤机、刮板输送机和乳化液泵站等设备相配套。其中，液压支架起着十分重要的 作用，它可以防止在采煤过程中顶板的冒落、为工人提供一定的安全工作空间和保证各 种作业正常进行的作用，因此液压支架必须得具有能可靠而有效的支撑和控制工作面内 的顶板，隔离采空区，以防止矸石等杂质冒落进入到工作面，进而实现支撑、切顶、移 架和推移输送机等一整套的工序。因此，为了避免由于空顶作业时间过长而引起顶板发 生沉降、离层和变形，造成不必要的人员伤亡，设计研究出一种结构改造合理、性能稳 定、动作灵活、质量可靠的综采放顶煤液压支架显得十分必要。它不仅可以起到安全支 护的作用，而且还能大大的提高采煤基础设施的安全工作环境，降低工人的劳动强度，从 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 而达到实现高产高效、安全和低能耗的目的，对于提高煤矿的经济效益和社会效益有着 极为重要的意义。 通过对液压支架的深入研究，在分析其工作原理和受力特性的基础上，利用h y p e r w o r k s 软件建立数学模型，进行顶梁的静力学分析，通过理论研究与数值模拟分析试验， 达到以下预期目标： 将数值模拟分析的结果与实际情况进行对比，判断结果的一致性，从而验证所建 立数学模型的正确性； 通过h y p e rw o r k s 分析获得顶梁各点的应力分布图，为理论分析和实际工程应用 提供参考依据； 分析顶梁的应力分布图，得出顶梁后部撕裂的主要原因，并验证改进措施的可行 性。 液压支架的强度试验只能测有限个点( 一般少于2 0 个点) 的应力状况，而且工作 量大，一些应力大的危险区因无法贴片，而无法测得其应力值。因此应用有限元技术， 在以液压支架空间力学模型为基础，借助电子计算机对液压支架进行模拟试验，掌握总 体应力分布状况，是强化试验手段，提高产品设计可靠性的重要途径。 由于液压支架在工作面内主要是以静态存在，对顶梁进行静力学分析，是对机构进 行数值模拟分析的初步探索，也能够有效地提高液压支架的设计效率，因此本课题的研 究具有理论及现实意义。 同时，虽然本课题主要是针对支顶支掩式液压支架的顶梁进行研究的，但是其中的 分析方法却是对各部件进行分析的一般步骤，可以推广到液压支架其它零部件的设计研 究中，所以本文的研究方法及结论具有一定的工程应用价值。 1 2 国内外液压支架的现状 1 2 1 国外液压支架的现状 大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱支撑。随着刨煤机、采煤机的使用， 木支柱支护不能对顶板提供足够大的阻力，其支设和回收也很难满足连续采煤的要求， 于是，刚性木支柱开始逐步被可压缩性摩擦式液压支柱所代替，回采工作面开始使用以 支柱加铰接顶梁的结构形式的支护设备。唿n y 唧等人在研究液压支架的发展过程中指 出，早在1 9 5 4 年，英国研制出垛式支架，它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿装备了这种支架，成为世界上首个装备液压支架 的煤矿。从此，开创了煤炭工业的新时代。1 9 5 8 年法国试验成功了节式支架，节式支架 由2 至4 个框架组成，每个框架装有前后两根立柱和窄面铰接顶梁，其支撑能力虽然不 如垛式支架大，但结构灵活，重量轻跚。二十世纪五十年代末，苏联为开采厚度超过2 m 的松散和破碎顶板条件下的煤层，开始研制掩护式液压支架，并在1 9 6 1 年举办的贸易 展览会上展出了其研制的o m k t 型掩护式支架。c a i r n s t l 5 1 ，m c k i n n c y t 2 2 等指出掩护式支 架的项梁只有0 8 m ，顶梁与掩护梁铰接，单根朝前倾斜的液压支柱连接着掩护梁和底座。 这种支架在其工作高度范围内升降时，顶梁的前端相对于煤壁作圆弧运动。顶梁前端的 这种运动轨迹，不但影响支架的承载能力，而且顶梁前端距离的变化很大，不利于顶板 的维护n 3 。但同垛式和节式支架相比，这种掩护式支架不仅能有效的控制顶板，而且还 可以防止开采过程中研石进入工作面，工作性能比较好。二十世纪6 0 年代末和7 0 年代 初，随着液压支架在欧洲使用经验的不断积累，液压支架在结构上发生了巨大的变化。 长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。同时，t h o m p s o n p 4 1 ， c h i s l a g h i 【3 6 】等指出为了能适应底板不平，底座开始采用分体铰接式结构，对于松软底板， 采用接触面积较大的底座以减小底板比压。为防止碎研石窜入采区，采用了各种防窜研 的掩护装置。h o s s a i n ，m s 【l o 】等在研究液压支架的系统中指出，在进入二十世纪七、 八十年代，液压支架又有了新的发展。顶梁实现了“立即前移支护 ，整个支架安装了 电液控制系统，实现了微机控制与操作。刘小峰汹1 等在浅谈液压支架的技术与发展中指 出，在美国、澳大利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术。9 0 以上的美国长 壁综采工作面使用了电液控制两柱掩护式液压支架，额定工作阻力最高可达9 8 0 0 k n 。 到了二十一世纪，随着优化设计、运动仿真、虚拟样机技术、有限元分析方法及c a d 、c a e 、 c a m 等各种新技术的推广应用，液压支架从设计水平到制造质量都有了非常大的进步。 1 2 2 国内液压支架的现状 虽然我国在液压支架技术方面取得了可喜的成绩，但与世界发达国家相比，还存在 一些不足，主要表现在：首先，我国综采比例低，落后的生产技术与世界产煤大国的地 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1 。如俄罗斯 是8 5 7 ，波兰是9 2 ，而美国、英国、德国、日本都是9 9 以上。据1 9 9 8 年统计， 我国国有重点煤矿综采比例是4 9 3 2 ；地方煤矿和乡镇煤矿比例远低于此数，初步统 计，若按全国井工生产的煤炭来算，综采比例只有2 3 左右。还有连年发生在地方煤矿 气 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于生产落后而造成的一些惨烈的安全事故在不断警醒我们，这与我国世界煤炭生产国 的地位极不相称。第二，我国液压支架制造技术水平相对落后。我国在支架材料、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。例如，1 9 7 9 年引进 i 0 0 套综采支架期间，德国支架结构材料是s t 5 2 ，屈服极限50 0 0 左右，前苏联支架 结构材料性能更高。而我国基本上长期使用1 6 m n ，屈服极限30 0 0 左右的支架结构材 料。近年来高强度钢板在支架结构件中的使用才有所增加。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却是没有竞争力的。第三， 液压支架控制系统的研究处于落后状态，严重制约支架移架速度的提高和综采经济效益 的发挥n 羽。西方主要采煤大国在2 0 世纪7 0 年代中后期广泛采用液压多芯管先导控制 系统。从2 0 世纪8 0 年代开始，大力着手电液先导程序控制的研究和使用，因此，现 在美、德、英、日等基本全是可编程电液控制啪3 。而我国液压支架还普遍采用手动操纵。 2 1 世纪是以煤矿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，我们必须抓紧研制和推广电液控制系统。近年来，我国采煤综合机械化的水平 有所提高，随着综合机械化采煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机的 出现，要求支架与之相配套，但若支架的控制系统不作相应的改进，是满足不了这一要 求的。到目前为止，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：工人劳动条件差、安全性差；移 架速度慢，影响采煤机效率的发挥；通风条件差，支架故障率高；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口们。 液压支架的发展趋势 我国是煤炭大国，但是在煤矿支护设备的发展初期，由于受到煤层赋存情况和设 备费用的限制，使用的支护设备较为原始，但随着科学技术水平和国家经济实力的不断 增长，我国煤矿的支护设备也逐渐朝着机械化程度较高的方向发展，经过多年的努力和 科技攻关，支护水平在整体上有了长足的进步。 随着高新技术不断向采矿领域的渗透，集中了微机工况检测监控、自动化控制和机 电一体化等先进技术的应用，适应于不同煤层和地质条件的高效综采设备己被许多国家 研制出来。我国的综采设备在一定程度上也取得了一定的发展，采煤机、液压支架和刮 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 板输送机逐渐向大型化、大功率、高强度方向发展。其中，采煤机的牵引方式不断的向 电牵引方向改变、装机总功率的逐渐增大和监控保护系统的智能化。在液压支架的发展 方面相对较快，郑煤机集团生产的液压支架，支架中心距可达2 0 5 米，支护高度可以达 到7 0 米，然而国产的刮板输送机目前仅能满足年产6 0 0 万吨的综合采煤设备的配套要 求。总体上，我国综采成套设备的生产能力和技术性能与国际先进水平还存在有一定的 差距，所以有些设备在很大程度上还是需要依靠进口。基于这种现状，我们要一方面继 续努力提高综采设备的性能，另一方面还需要做好综采设备的配套使用，以实现高产高 效的目的。 液压支架作为回采工作面上的一种支护设备，在生产实践中已显示出其巨大的优越 性。其优越性主要表现在顶板的管理和安全条件得到了改善，实现了工作面综合机械化 的开采，并为进一步的自动化提供了可能性，而且能够增加产量，极大的提高了劳动生 产效率，因此，近些年的发展十分迅速。但是由于煤层赋存条件的复杂多变，以及在支 架的设计、制造和使用上尚不够成熟，因而，液压支架仍存在继续完善的空间。 为了改进支架的性能，提高其适应性，扩大支架的使用范围，延长支架的寿命。目 前，液压支架正在向多样化、高压化、强力化和自动化的方向发展。 1 、多样化 液压支架在缓倾斜的中厚煤层中已经获得了成功和广泛的应用。现正在研制能适应 薄、厚及大倾角煤层的支架。从架型上看，节式型支架己趋于淘汰，垛式支架日益减少， 而各种型式的掩护式和支撑掩护式支架则正处于兴旺发展的时期。 为了能满足在各种条件下的支护需要，简化支架的设计和制造过程，液压支架正朝 着多样化方向发展。从而能达到根据需要选用一系列标准部件进行组合，或是在基本架 型的基础上，按需要增加或设计其它装置，扩大支架的适用范围的目的。 2 、高压化 为提高支架的初撑力，采用了高压乳化液泵，泵站压力已可达3 0 m p a 以上。同时， 采用高压安全阀来增大工作阻力，现已研制出压力可达6 0 m p a 的安全阀。 3 、强力化 即发展强力液压支架。这种液压支架的工作阻力一般为4 0 0 - 1 0 0 0 t 。由于支撑能力 比较大，强度高，坚固耐用，因而发生的事故少，其使用寿命长，维护费用低，适应性 能强和稳定的可靠性，与强力采煤机相配合，实现快速回采。但其缺点是对钢材的要求 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 比较高，重量大，成本也较高。 4 、自动化 为了能提高支护速度，改善其操作，实现工作面的自动化，液压支架的程序控制和 自动控制正在研究。目前，单架程序控制已获得了较好的效果；分组程序遥控也已达到 可以应用的阶段，但是由于系统较为复杂，费用较高，还未及推广使用；而全工作面的 自动化则还处在研究阶段。 总体而言，液压支架的发展方向是朝着自动化程度高，初撑力、支撑强度大，对断面 和地势适应性好，推进方便的方向发展。 1 4 论文研究的主要内容 本文主要是利用三维实体建模与分析软件p r 0 e ，对液压支架进行了三维建模，并对 其工作过程进行了运动仿真。然后利用h y p e r w o r k s 对其进行了结构静力学分析。 研究内容包括以下几个方面： 1 ) 首先对液压支架的结构进行了设计研究，其中包括对液压支架架型的设计，对 液压支架的顶梁，掩护梁，四连杆机构和底座的强度分别进行了计算，同时对液压支架 立柱的缸径大小进行了计算，获得了液压支架各零件的具体尺寸。 2 ) 利用p r o e 软件来创建液压支架各零件的三维实体模型，同时在其装配环境下 实现对液压支架的整体虚拟装配，然后利用p r 0 e 软件中的m e c h a n i s m 运动分析模块对 虚拟样机进行了干涉检查，对于模型中的各零件之间有“碰撞 的部件进行重复的设 计，从而达到装配的合理。对液压支架项梁建立数学模型，分析并计算了项梁的运动 情况，然后在p r 0 e 的运动仿真模块对支架进行了运动仿真，得到了液压支架重心的轨 迹曲线，从而进一步验证其设计的合理性。 3 ) 对液压支架的顶梁单独进行研究。在h y p e r w o r k s 中建立简化后的顶梁的 有限元模型，对其进行网格划分，并分析顶梁在受水平载荷、扭转载荷和偏载荷三种工 况，得到相应的应力云图和变形图。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章液压支架的设计 2 1 液压支架的分类与工作原理 2 1 1 液压支架的分类 按照支架和围岩相互作用以及维护回采空间的方式，液压支架一般可以分为支撑 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，因顶梁长、载荷大，立 柱也就多。立柱垂立，项板岩石在顶梁候补被切断垮落，如图2 - 1 所示【4 6 1 图2 1 支撑式支架 f i g 2 - 1s u p p o r t i n gt y p es t e n t s 卜顶梁；2 一前探梁；3 一立柱；4 一推移千斤顶；5 一前探梁千斤顶；6 一底座； 支撑式按其结构和工作方式又可分垛式支架( 如图2 - 2 4 6 1 ) 和节式支架( 如图2 - 3 4 6 1 ) 两 种。垛式支架是整个支架为一个整体，整体进行移动。通常有4 6 根立柱，支护性能好， 可支撑比较坚硬或极其坚硬的顶板。节式支架是由2 4 个框架组成。每个框架装有前后 两根立柱和窄面铰接顶梁，其支撑能力没有垛式支架的大，但是结构灵活，质量小，支 架稳定性比较差，适用于支撑中硬顶板。节式支架又可分两框架式、三框架式及四框架 组合式等。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 垛式支架图2 - 3 节式支架 f i g 2 2c o i n st y p es t e n t s f i g 2 3q u a r t e rt y p es t e n t s 卜前探梁：2 一顶梁；3 一侧护梁；4 一推移千斤顶；卜顸梁；2 一前探梁千斤顶；3 一侧护梁；4 一挡矸帘 5 一挡矸帘；6 一立柱；7 一平衡千斤顶 5 一推移千斤顶；6 一平衡千斤顸；7 一立柱；8 一底座 2 、掩护式支架 掩护式支架是以单排立柱为主要支撑部件并带有掩护梁，适用于支护松散破碎的 不稳定或中等稳定的顶板，如图2 4 所示h 引。 图2 _ 4 掩护式支架 f i g 2 - 4s c r e e nt y p es t e n t s 3 、支撑掩护式支架 支撑掩护式支架是在支撑式支架、掩护式支架两种架型的基础上发展起来，同时 具有切顶性能和防护作用，适用于矿山来压比较大、易于冒落的中等稳定的顶板，如图 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 - 5 所示【侗。 2 1 2 液压支架的工作原理 图2 - 5 支撑掩护式支架 f i g 2 - 5s u p p o r ts h i e l d - t y p es t e n t s 一、液压支架的基本要求 液压支架在回采工作面中应能有效地支撑和控制顶板，保护控顶区不致掉进岩石。 一般对液压支架的要求有： 1 ) 支架的架型与结构尺寸，应与顶底板岩石的性质、煤层赋存的条件及其与生产 方式相适应； 2 ) 支架能有效地控制顶板，允许顶板有合理的下沉量，而同时又要具有切顶作用； 3 ) 支架要有足够的强度和刚度，稳定性能好，能承受一定的不均衡载荷和冲击载 荷； 4 ) 移架方便，支架对底板的作用力应能使底座不陷入底板； 5 ) 需要有良好的挡矸装置，以防止老塘矸石窜入工作面内。在倾斜煤层和比较厚 的煤层中，应设有相应的防倒、防滑和护帮装置； 6 ) 在保证有足够用来布置设备、通风和行人空间的前提下，控顶距应最小： 7 ) 体积不应过大和笨重，就够紧凑，操作方便，易于拆装和维修，复用次数高。 二、液压支架的工作原理 液压支架是综合采煤机械化回采工作面的主要支护设备，它能可靠而有效地支撑和 o 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制工作面顶板，隔离采空区，保证安全的地下作业空间。液压支架是以高压乳化液为 动力，由顶梁、立柱、底座、推移千斤顶、阀体及各种附属装置所组成的设备。 液压支架在工作过程中，不仅能够可靠而有效的支撑顶板，维护一定工作空间的安 全，而且还能实现支架本身的移动或向前推送输送机。因此，液压支架在工作过程中要 实现升、降、推、移四个基本动作，然而这些动作的完成是需要利用泵站所供给的高压 液体，并通过几个工作性质不同的液压缸来配合实现的，如图2 - 6 所示 1 1 图2 - 6 液压支架工作原理图 f i g 2 6h y d r a u l i cs u p p o r tw o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a m 卜顶梁；2 一立柱；3 一底座；4 一推移千斤顶；5 一安全阀；6 一液控单向阀； 7 、8 一操纵阀；9 一输送机；1 0 一乳化液泵；1 卜主供液管；1 2 一主回液管； 1 ) 支架升降和推移 当操纵阀8 处于升柱位置的时候，高压液体从乳化液泵站出来通过操纵阀8 、液控 单向阀6 进入立柱2 的下腔内，立柱的上腔开始进行回液，此时支架逐渐升起并撑紧顶 板。当操纵阀8 处于降柱位置的时候，立柱的上腔充满工作液体，同时打开液控单向阀， 立柱下腔进行回液，支架处于下降的状态。支架的前移和输送机的推送是通过操纵阀7 和推移千斤顶4 来分别进行的。移架时，应先使液压支架的载荷卸下，同时将操纵阀7 置于移架的位置，而从乳化液泵站出来的高压液体进入推移千斤顶4 的前腔即活塞杆腔 内，后腔即活塞腔进行回液。此时以输送机为支点使液压支架前移。当液压支架的移动 结束后，再把支架升起，直到撑紧顶板。将操纵阀7 置于推移位置时，高压液体进入推 移千斤项的后腔即活塞腔，前腔即活塞腔回液，这时输送机是以液压支架为支点被推向 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤壁。 2 ) 支架的承载过程 支架与顶板之间相互力学作用的过程称为液压支架的承载过程。它包括三个阶段， 分别为初撑阶段、承载增阻阶段和恒阻阶段。 ( 1 ) 初撑阶段 在液压支架不断上升的过程中，支架的顶梁与顶板相互接触，直到立柱下腔内的液 体压力逐渐上升到泵站所工作时的压力，此时停止供液，立即关闭单向液控阀6 ，这一 过程称为液压支架的初撑阶段。此时支架对顶板的支撑力称之为初撑力。支架的初撑力 为 只= d 2 m 1 03(2-1) 式中只液压支架的初撑力，k n ： 刃支架立柱的缸体直径，m ： 泵站的工作压力，m p a ： 1 1 支架立柱的数量。 由上式可得知：泵站的工作压力、支架立柱的数量以及柱内的缸径的大小径决定 了液压支架初撑力的大小。支架初撑力的大小是否合理在安全生产方面起着至关重要的 作用，是为了防止由于直接顶过早而引起的下沉、离层，可以减缓顶板下沉的速度和增 加其稳定性。可以使用改进泵站的工作压力和增加立柱的缸径的大小来提高初撑力的大 小，通常采用前者来增加初撑力的大小，以避免立柱的缸径过大。 ( 2 ) 承载增阻阶段 当液压支架初撑结束后，立柱下腔内的液体压力随着顶板的不断下沉而逐渐升高， 此时支架对顶板的支撑力的大小也不断增大，呈现出增阻状态，这一过程称为液压支架 的承载增阻阶段。 ( 3 ) 恒阻阶段 立柱下腔内的液体压力随着支架顶板压力的进一步增加而变得越来越高。当工作压 力升高到安全阀5 的调定压力时，安全阀溢流被打开，立柱下腔内液体压力随之降低。 当腔内液体压力降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀 不断的重复上述过程。在安全阀的保护作用下，液压支架的支撑力可以维持在某一恒定 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 的数值上，这时液压支架进入了第二阶段恒阻阶段。液压支架对顶板的支撑力称为工作 阻力，它是由安全阀的调定压力所取决的。此时液压支架的工作阻力为： p = 争d 2 p 口刀l o 3 4 4 ( 2 2 ) 式中 p a 支架安全阀的调定压力，m p a ；其它符号意义同上。工作阻力的大小 反应着液压支架的承载能力。 由以上分析可得，液压支架在处于工作状态时，其支撑力与时间的关系，可以 用支架的工作特性曲线来表示，如图2 7 所示。曲线上的气、t 。、t 2 分别表示支架的初 撑、增阻和恒阻三个阶段的时间。 图2 7 支架工作特性曲线 f i g 2 - 7s u p p o r tw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 由以上分析可以看出：支架工作时，支撑力的变化可分为三个阶段，即：支架开始 升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段岛，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t 。，以及安 全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段如，这就是液压支架的阻力时间特性。它表明：液压支 架在达到额定工作阻力以前都具有增阻性，是为了确保支架对顶板的有效支撑作用；在 当支架达到额定工作阻力以后，支架可以随着顶板的下沉而下缩，即支架具有可缩性和 恒阻性。液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封性的好坏取决着液压支架的工作特 性，因此保证支架性能的关键元素是液压元件的性能。支架的工作阻力是用来表示支架 支撑力的大小的一个重要参数。但是，由于支架顶梁长短和间距大小的不同，因而并不 能完全反映其支撑能力。通常在单位面积上支护设备所承受的的工作阻力值的大小，即 12 太原理工大学硕士研究生学位论文 支护强度来表示支架的支护性能。即 g = f p 1 0 3 ，m p a 式中f 一液压支架的支护面积，朋2 。 2 2 液压支架设计必要的基本参数 ( 2 - 3 ) 由于我国煤矿井下地质条件的复杂性和特殊性，对在不同工作面上所配套使用的液 压支架的要求也有所不同，因此在对液压支架的设计研究中应具有一定的特殊性。为了 设计出能够满足矿方的要求的液压支架产品，以便能更好的适应煤矿井下比较复杂的条 件情况，因此在进行设计之前，需要对一些基本参数进行考虑。 1 、底板性质 由于支架的全部载荷都由液压支架的底板承受，对支架的底座有较大的影响，因而 底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支撑面积。在选型的过程中，需 要验算底座对底板的接触压力，在理论上接触压力的值要小于底板的允许比压( 砂岩底 板，允许的接触比压为1 9 6 - - - - 2 1 6 m p a ，软底板的允许比压为0 9 8 m p a 左右) 。 2 、煤层厚度 煤层的厚度不但直接影响着支架的高度和工作阻力，而且同时还影响着支架的稳定 性能，当煤层的厚度在2 5 - - - 2 8 m 的范围内时，需要选择具有抗水平推力强并且自带有 护帮装置的掩护式或支撑掩护式液压支架，当煤层厚度的变化比较大时，应该选择有调 高范围比较大的支架。所以在设计液压支架的最大和最小高度时需要考虑其最大和最小 的采媒高度。 3 、煤层倾角 影响液压支架稳定性的主要原因是煤层倾角，当倾角大的时候支架容易发生倾倒、 下滑等现象。当煤层倾角大于1 0 0 - - 1 5 0 时，应该设有防滑和调架装置，若当倾角超过 1 8 0 时，应同时具有防滑防倒装置。 4 、瓦斯涌出量 若在工作面上对于有大量瓦斯涌出时，液压支架的通风断面处应需要满足要求，选 型时要多做考虑。 5 、地质构造 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 当遇到地质构造十分复杂，煤层厚度的变化又很大，顶板允许的暴露面积和时间分 别在5 8 m 2 和2 0 m i n 以下时，暂不适合采用液压支架。 6 、设备成本 在满足要求的前提下，应尽量选择价格比较便宜的支架。 2 3 液压支架总体设计 2 3 1 液压支架设计基本要求 设计出的液压支架各项参数不仅需要符合液压支架设计规范、液压支架通用技 术条件的要求，同时对于不同类型的液压支架在设计中也需要符合技术条件的支架类 型的相关需求。对于处在大采高工作面内的液压支架必须符合大采高液压支架技术条 件、大倾角液压支架必须按照大倾角液压支架技术条件、放顶煤液压支架必须遵循 放顶煤液压支架技术条件的要求n 羽。但是从总体上来说，在设计上的各类液压支架 必须要满足一些基本的主要参数、安全性和适应性的要求，其基本要求如下： 1 、支架调高范围： 液压支架的最大结构高度h 一= m 一+ st ， m m 液压支架最小的结构高度h i n 。m 曲一sz ，m m m 一、mm ；n 分别为煤层的最大和最小截高，单位为衄。 s - 为考虑伪顶冒落时的最大厚度，一般取值在2 0 0 - - - 3 0 0 m m 的范围内；s 2 为考虑周 期来压时顶板的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸、浮媒厚度之和， 一般取值在2 5 0 3 5 0 m m 间。支架的伸缩比足。；鲁一；k 。值的大小反映了液压支架对 m 血 煤层厚度变化的适应能力，ks 值越大，说明液压支架对煤层厚度变化的适应能力越强。 如果选用单伸缩立柱时，ks 值一般在1 6 左右。若想进一步提高支架的伸缩比，需要 采用带有机械加长杆的立柱或双伸缩立柱的液压支架，其足s 值一般在2 5 左右。在薄 煤层中液压支架的伸缩比可达到3 。 2 、支护强度和工作阻力 顶板的性质和煤层的厚度决定了支架的支护强度。可根据以下公式来估算： 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 q = k - y 1 0 ，m p a ( 2 - 4 ) 式中 k 一作用在液压支架上的顶板岩石系数，一般取5 8 内。若顶板的条件比较 好同时周期来压不明显时取下限，否则取上限； 日采高，m ； 7 一顶板岩石密度，一般取2 3 1 03 培m 3 。 放顶煤支架的支护强度一般为0 5 - - 0 7 m p a 。 支架的工作阻力p 应该满足顶板支护强度的要求，即液压支架的工作阻力是由支护 强度和支护面积所决定的。 p=qf x1 03 ，k n ( 2 - 5 ) 式中 p 一液压支架的支护面积，m 2 。可按下式计算 f = ( 三+ c ) ( 曰+ k 1 ) = ( 三+ c ) a ，m 2 ( 2 6 ) 式中 卜液压支架顶梁的长度( m ) ； 卜梁端距( m ) ； 肛液压支架顶梁的宽度( m ) ； 厨一架间距( m ) ； 卜液压支架的中心距( m ) 。 支架的工作阻力和支架立柱的总工作阻力的比值，称为支架的支撑效率r 。所以支 架立柱的总工作阻力最为 如= 矿p ，kn(2-7) j ， 支撑式支架的，7 = 1 0 0 ，支掩护式和支撑掩护式支架取巧= 8 0 左右。 3 、初撑力 在液压支架中，当所有立柱下腔内的液体压力都达到泵站所提供的额定工作压力 对，支架对顶板的支撑力称为支架的初撑力。支架的工作阻力决定了初撑力的大小，而 1s 太原理工大学硕士研究生学位论文 且顶板的性质直接关系着初撑力的大小。在对于不稳定或中等稳定的顶板时，受较高的 初撑力，约为工作阻力的8 0 ；若对于相对稳定的顶板时，初撑力的大小不易过大，一 般在工作阻力的6 0 三li - ；对于周期来压强烈的顶板，受较高的初撑力，约工作阻力的 7 5 。 4 、顶梁尺寸和覆盖率 顶梁的长度和宽度取决于支架类型，它直接影响着液压支架与顶板的接触性能、 控顶距、移架速度和稳定性，一般在保证有一定的工作空间和合理布置设备的前提下， 应尽量减小顶梁长度，以缩小控顶距和支架的重量。顶梁的宽度应根据支架间距和架型 来定。我国规定液压支架标准的中心距为1 5 m 。掩护式和支撑式支架包括侧护板在内 的项梁高度为1 4 1 6 m 。垛式支架的架间距一般为0 1 0 2 m 。 支架顶梁对支护面积的覆盖率为 扯面10。(2-8)c b ( +) (+ k 1 ) 。“ 覆盖率应符合顶板。蚪i - 士厶匕f g , 要求，一般不稳定顶板8 5 9 5 ；中等稳定底板7 5 8 5 ；稳定底板为6 0 一- - 7 0 。 5 、底座宽度 支架底座宽度一般为1 1 1 2 m 为了提高横向稳定性和减小对地板比压，厚煤层 支架可加大到1 3 m 左右，放顶煤支架为1 3