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机械毕业设计全套

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XYY01-051@低位放顶煤液压支架设计,机械毕业设计全套

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中国矿业大学 2008 届毕业生毕业设计 第 1 页 摘 要 采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。而液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。 液压支架主要有以下几个基本部分组成：顶梁，底座，液压支柱，千斤顶，掩护梁，四连杆机构。设计要遵从支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。 在支撑掩护式的设计中，前梁、主顶梁、掩护梁和立柱等结构件的设计是重点。本论文介绍了液压支架的结构、类型 、工作原理、目的及要求，对掩护使液压支架作了详尽的分析和介绍，讲述了这种支架的设计方案和用途。 关键词： 液压支架 ; 支护 ; 四连杆机构 ; 顶梁 ; 掩护梁 ; 液压支柱或者支柱 ; 结构设计 . nts 中国矿业大学 2008 届毕业生毕业设计 第 2 页 ABSTRACT The comprehensive mechanization of coal mining is the zcceleration coal industrial development of our country , raises labor productivity substantially, realizes the modern a strategic measure of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement working environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is one of the comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining. Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle. In the design course that the type of supports cover type, the design of canopy and caving shield and props is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support. Keywords: hydraulic support; shoring; 4 linkage mechanisms; canopy; caving shield; hydraulic legs or props; structure design. nts 第 1 页 1 综 述 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。它与滚筒采煤机、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进入了一个新的阶段。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，并且能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，从而满足了工作面高产、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，因此液压支架成了现代采煤技术中的关键设备之一。 1.1 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。 1.1.1 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nts 第 2 页 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. 8 1m 的截深。支架还采用屈 服强度 800 1000MPa 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 40 50MPa ， 额定流量 400 500L / min ， 可实现工作面成组或成排快速移架 ， 达到 6 8s/ 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 6 8s/ 架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护 式支架 ， 使用寿命 8 10 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 250 5280m 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 5000 6000t 。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 6000 8000kN 。 1.1.2 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。nts 第 3 页 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 20 a 。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。 nts 第 4 页 1.2 液压支架的研究与发展趋势 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 25 32mm ， 回液管25 50mm ， 最快移架速度 10 12s/ 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 (6 8s/ 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nts 第 5 页 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 30s/架 ，提高到 9 12s/8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。 nts 第 6 页 (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。 1.3 液压支架的工作情况 移溜后状态移架后状态截割后状态截割前状态图 1-1 综采工作面 图 1-1所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板即时支护，采用即时支护的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推 溜四个主要动作过程。 A-A 截面是采煤机割煤前支架的工作状态，此时，输送机紧靠煤壁，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，输送机紧靠煤壁。 B-B截面是采煤机截割后的状态，端面距等于 920mm。 C-C 断面是移架后的状态。它是在采煤机截割后，支架经降柱卸荷，并以输送机为支点，支架前移到靠近输送机的位置，然后升柱，支护好新暴露的顶板。 D-D 断面是推溜后的状态。在支架支撑顶底板后，以支架为支点，把输送机推向煤壁情况 随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四割主要动作过程。从而对顶板进行即时支护，防止顶板冒落 ，保持一定的作业空间，确保nts 第 7 页 综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。 1.4 液压支架的组成 液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。 根据各部件的功能，液压支架的组成可归纳为五个部分见下表 1-1 表 1-1 液压支架组成表 序 号 部 件 功 能 举 例 1 承载结构件 承受并传递顶板载荷作用的结构件 顶梁、掩护梁、底座、连杆 2 动力油缸 用液体作介质可以主动产生作用力，实现各种动作的油缸 立柱、 各类千斤顶 3 控制元部件 操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压 (电气 )元部件 操纵阀、单向阀、安全阀及管路、液压 (电控 )元件 4 辅助装置 不直接承受顶板载荷，而实现支架某些动作或功能所必须的装置 推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置 5 工作液体 传递能量的工作液压介质 乳化液 nts 第 8 页 1.4.1 四柱式低位放顶煤液压支架的组成 图 1 .2 低位放顶煤液压支架组成示意图 1 立柱 2 底座 3 顶梁 4 掩护梁 5 伸缩放煤板 6 尾梁 7 前四连杆 8 后四连杆 9 尾梁千斤顶 10 放煤板千斤顶 1.4.2放顶煤液压支架适用范围 （ 1）煤层厚度一般为 512m左右、或着厚度变化较大。 （ 2）煤质比较松软，或节理发育，容易在矿压下冒落的煤层。 （ 3）对于松软和易破裂煤层，厚度为 58m左右时，可选用掩护式支架，采用天窗式结构，如单输送机放顶煤支架；对于厚度较大，煤质较硬，但节理发育，易破裂的煤层，可用支撑掩护式支架，采用插板式或天窗插板式等结构。 （ 4）顶板中等稳定以下，可随采随冒。 （ 5）工作面倾角一般不大于 300 （ 6）煤的自然发火期一般不大于半年，并应采取相应措施。 1.4.3低位 放顶煤液压支架主要技术特征 这是一种双运输机运煤、在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁 、低位nts 第 9 页 放煤的支撑掩护式液压支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁 （ 摆动幅度在 045 左右 ），用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液夜控制的放煤插板，用于放煤和破碎大块煤。具有连续的放煤口。 其主要特点如下： （ 1）由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高。 （ 2）和其它支架相比，从煤壁到 放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，是顶煤破碎较充分，对放煤极为有利。 （ 3）后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤，是放煤口不易堵塞。 （ 4）低位放顶煤使煤尘减少。 （ 5）前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏 截能力差，支架的稳定性较差。 （ 6）尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差。 这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种架型在缓斜长臂工作面中发挥其优势，如今做了如下探索： （ 1）把四连杆的上连接 位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架的强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式 低位放顶煤液压支架。 （ 2）大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达 20t 以上，但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力。 （ 3）增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可以让顶煤顺利放落和运出。 （ 4）后四连杆前连杆设计为 Y型，后连杆设计为 I 型，增大了制件前、后人行道的宽度并加大了后部的 人员工作与维护空间。 （ 5）把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞 杆弯曲并防止说松鸡和支架下滑。 前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大，且重量也轻。 nts 第 10 页 1.5 液压支架的机构类型 液压支架有许多类型。按围岩的相互作用和维护回采空间的方式 ， 可分为支撑式、掩护式和支撑式三类 ； 按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式两类 ； 按使用地点不同可分为工作面支架和端头支架两类 ； 工作面支架按煤 层厚度和开采方法不同可分为铺联网支架和放顶煤液压支架。 支撑掩护式液压支架是在支撑式液压支架的基础上 ， 吸取掩护式液压支架的特点而设计的。 如图 1-2所示， 支撑掩护式液压支架 一般由顶梁、掩护梁、前后连杆、底座、立柱等主要结构件和前梁、侧护板、平衡千斤顶、前梁千斤顶、推移千斤顶等辅助结构件以及各种操纵阀 、控制阀、动力液压缸等组成。 顶梁又称主梁，是支护顶板的直接承载部件，并为立柱、掩护梁及护顶 装置提供联结点。它不但要求具有一定的强度和刚度，而且接触面积要大，并能适应顶板压力的变化。顶梁与顶板尽可能均匀接触，避 免因局部接顶而造成顶梁集中受载，损坏支架其他构件。顶梁均设计成多腔室薄壁箱型结构，由上下盖板等钢板焊接而成。为了增强其结构的刚度，上下盖板之间设有加强筋板；顶梁前端呈滑撬状，以较少顶梁与顶板间的移动阻力 项 目 ZFS2800/14/28 （ FY280-14/28） ZFS4400/19/28 （ HFS4400-19/28） ZFS3000/15/30 （ Z300-15/30） 架 型 高度（ m） 宽度（ m） 中心距（ m） 初撑力（ KN） 工作阻力（ KN） 支护强度（ Mp） 对底板比压 (Mpa) 泵 站工作压力（ Mpa） 质量（ t） 支撑掩护 1.452.85 1.431.6 1.5 1960 2744 0.490.5 1.131.27 24.5 9.0 支撑掩护 1.92.8 1.431.6 1.5 3460 4263 0.490.84 1.862.06 31.4 12.6 支撑掩护 1.563.04 1.431.6 1.5 2509 2940 0.4360.50 1.2 31.4 11.1 nts 第 11 页 1、 2 互帮装置 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 力 柱 形式 /数量 缸径 /柱径（ mm） 初撑力（ kN） 工作阻力（ Kn） 单伸 +机 /4 160/150 490 686 单伸 +机 /4 230/210 1568 单伸 +机 /4 160/ 630 735 推 移 千 斤 顶 形式 缸径 /杆径（ mm） 行程（ mm） 推力 /拉力（ kN） 浮动活塞 140/80 700 125/259 浮动活塞 140/170 700 121/364 浮动活塞 140/80 700 157/331 后机 部千 运斤 输顶 缸径(mm) 行程（ mm） 推力 /拉力（ kN） 100 800 196/101 100 750 246/126 150 700 196/100 nts 第 12 页 图 1-3 支架组成结构 掩护梁是组成液压支架四连杆机构的杆件之一。因此，掩护梁要求具有较高的强度和抗扭强度，其焊缝要求高标准 、严要求以免开焊。 掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构 ， 它联结着顶梁、前后连杆以及底座，承载才空区矸石的作用载荷以及因顶梁受偏载作用而产生的扭转载荷， 起着稳定支架重心 并防止 采空区 矸石渗入工作面 的作用 ， 既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距 基本恒定 ， 又承担了支架在工作过程中的水平分力 ， 以保证支架的工作稳定性，一般 掩护梁也设计箱型结构。 底座是钢板焊接的箱型结构 ， 底座是将顶板载荷传递到底板及固定立柱和前后连杆的承载部件，也是组成支架四连杆机构的杆件之一， 它与底板直接接触 ， 将立柱传来的顶板压力传递给底板。底座的后部与前后连杆铰接 ，前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳 ， 推移千斤顶的另一端与工作面运输机连接 ， 通过推移千斤顶的伸缩 ， 实现推溜和移架行走动作。因此它 要求具有一定强度和刚度，对起伏不平地板的适应性要强，接触面积要大，由足够的空间安装立柱、推移千 斤顶等其他辅助装置，便于人员操作与行走，以及确保支架的稳定性等。底座也是由钢板焊接成的薄壁箱型结构，前端均做成滑撬状，以减少支架的移动阻力。成多腔室薄壁。 1.6 液压支架的工作原理 PO12934561178 12101-顶梁； 2-立柱； 3-底座； 4-推移千斤顶； 5-安全阀； 6-液控单向阀； 7、 8-操纵阀； 9-输送机； 10-乳化液泵； 11-主供液管； 12-主回液管 nts 第 13 页 图 1-4 液压支架基本工作原理图 1.6.1 支架升降和推移 当操纵阀 8 处于升柱位置时，从乳化液泵 站来的高压液体通过操纵阀 8、液控单向阀 6进入立柱 2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀 8处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀 7和推移千斤顶 4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀 7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶 4的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，在把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀 7置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前 腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。 1.6.2 支架的承载过程 支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。 (1)初撑阶段 在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀 6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。 (2)承载增阻阶段 支架初 撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。 (3)恒阻阶段 随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高。当升高到安全阀 5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当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，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这nts 第 14 页 是支架的恒阻阶段。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。对于掩护式和支撑 掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。 1.7 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。 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1 5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 1 5 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1 5 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 nts 第 15 页 图 1 6 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 nts 第 16 页 2 液压支架选型及综采选面 2.1 液压支架设计目的、要求、基本参数及其它 2.1.1 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要，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 )。而每个综采丁作而平均需要安装 150台液压支架，可见对液压支架的需要 量是很大的。 由于不同采煤工作面的顶顺板条件、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的液压支架。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，因此其设计工作员也是很大的，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。 2.1.2 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，以便有效地控制顶板，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 100kN 150kN，中厚煤层一般为 150kN至 250kN厚煤层一般为 300kN 400kN。 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和冲击载荷。 10 在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。 11要易于拆卸，结构要简革。 12液压元件要可靠。 2.1.3液压支架必需的基本参数 nts 第 17 页 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底板岩性及小时涌水量 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，决定是否选用 防倒防滑装置。 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。 2.2 液压支架选型影响因素 影响液压支架选型的因素首先是矿山地质条件其次才是采矿技术条件。矿山地质条件主要有：顶底板稳定性，煤层厚度、倾角、煤层赋存状况及瓦斯含量等。其中以煤层及其顶底板稳定性影响最大。 2.2.1 顶板稳定性 支架支护强度及架型与顶板稳定性密切相关。顶板稳定程度决定着所选支架的支护强度及架型。我国适用于综采面的顶板分类方案，在一定程度上，反映出顶板稳定性和 架型的关系。在英国，煤层顶板稳固平整，多用整体移动的垛式支架，苏联开采煤质松软、顶板破碎的煤层，主要采用掩护式支架，美国煤层顶板坚硬，多用各式强力支架。 nts 第 18 页 2.2.2 底板稳定性 国内外为实践表明，底板岩石组成、结构及岩石力学性质已经是支架选型时不可忽视的条件。我国鸡西小恒山矿某踪采面底板为松软的炭质页岩及薄煤互层，抗压能力小，使用道梯 (4X280t)垛式支架，出现座箱一端偏向压入底板，支架移动困难。铜川东坡矿综采面底板上有一层厚 0.3m 的松软炭质页岩 (抗压强度约为 2.5MPa)使用伽立克垛式支架，也出现底 座偏向陷入底板的现象。 底板稳定性对支架底座影响很大。联邦德国煤层底板局部变化较大，支架普遍采用弹簧钢底座：英国煤层底板抗压强度较低 (约为 5 8吨每平方英尺 )，支架普遍采用箱形底座。 根据我国煤层底板岩石抗压强度，煤矿设计单位情报协作组“综采”调查组曾于一九七八年建议：对于不同底板，选用不同架型。但选型时，要区分具体的支架结构型式和参数，如同属支撑式支架，节式支架就不适用软底板，而垛式支架能够用于软底板，整体底座又较分体底座适用于松软底板。对于掩护式支架；插腿的能够适应较软底板，非插腿的就差些。总之，根据底 板条判：选型，主要应当依据底座的结构型式，合力作用点在底座上的位置，以及支架对底板的比压分布而定。 2.2.3 煤层厚度 支架支护强度与煤层厚度有关，煤层厚度愈大，支架支护强度愈高， 由于煤炭工业的快速发展，需要提高综采设备的可靠性，所以，当前生产的液压支架支护强度都比理论数据要高。 此外，煤层厚度变化对支架结构高度选择也有影响，国外采用留煤皮、设机械加长段装置或更换座箱，改用双伸缩立柱等措施，提高支架对煤层厚度变化的适应性。 2.2.4 煤层倾角 如前所述，煤层倾角直接影响支架稳定性。倾角增大，支 架倾倒、下滑、输送机下滑问题均会发生，必须采取防倒、防滑措施。它为液压支架制造和采面回采工艺、安全生产等方面都带来了麻烦。倾角大，使用普通液压支架回采，如对支架不加改进或不采取必要措施，是十分困难的。 nts 第 19 页 2.2.5 煤层埋藏稳定性 实践表明，煤层埋藏越平稳，综采的效果越好。河北煤研所为了摸清河北适宜发展综采的煤炭储量，以便创定综机发展规划，搞了 个“河北省各矿区煤层按开采条件统一编号的意见”；其中划分开采条件的第一个标准就是地质构造。 国内外大量的经验教训说明，断层及其性质对支架使用好坏有决定性的影响。断层落差 大，综采设备通不过，断层条数多，综采面搬家次数多。开滦煤矿百米采面，综采面每搬家一次约用 400工。西德采用改进支架结构，增加其灵活性，并便于拆装和搬运的办法，适应煤层赋存条件。我国开滦唐山矿在南翼五煤层使用 HD 型节式支架，顺利地穿过了落差一米左右的料交断层，穿过了数条平行采面的断层及“岩坎”、“岩墙”。日本来用缩短采面，英国采用大功率采煤机煤岩一齐割硬行通过断层的办法适应地质破坏。 ” 2.2.6 煤层瓦斯含量 对于高瓦斯矿井，必须考虑支架通风断面能否保证通过足够的风量。如果围岩条件允许调整架型，则应 选用通风断面大的支架。据我国对现用液压支架不完全统计，以最大通风断面计算， HD 型节式支架较垛式支架大 3875，较支撑掩护式支架大 44，较掩护式支架大 48 80。节式支架与国内现用的其它架型相比，其通风断面约大 40左右。 如果围岩条件不允许调整架型，则要采用降低割煤速度，如采用不等速割煤，以及缩短采面减少煤壁暴露面积等办法弥补支架过风断面不足。此时应降低产量要求。 至于采矿技术条件如回采方式、采面长度、采煤机械类型、生产环节等因素都对选型有一定影响。例如： (1)推采方式中，前进式有三个缺点 常造 成运输障碍；无法预报断层；瓦斯涌出量大，不安全；后退式相反，对选型可做到心中有数， (2)采面长度方面，若煤层厚度变化较大，断层较多，采面短些为好，我国综采面一般以 150m左右为宜。 nts 第 20 页 2.3 液压支架的基本架型及支护能力 2.3.1 支撑式支架 支撑式支架立柱较多 (4 6)，均呈直立状态，顶梁较长，立柱顶梁与底座构成多铰点的矩形结构如图 2-1 ( a )所示。这类支架的工作阻力较大，支撑合力位于后部，切顶能力强，架型空间较大。但框架结构不够稳定，承受侧向力的能力较差。适用于直接顶稳定和坚硬 (3 4 类 )， 老 顶周期压力明显或强烈的顶板 ( )，不适用于破碎顶板。支撑式支架有垛式和节式两种。 2.3.2 掩护式支架 掩护式支架都有掩护梁挡住采空区研石，立柱较少 (1 2) ，均呈倾斜布置，顶梁较短，立柱可斜支在底座与顶梁或掩护梁之间。顶梁、掩护梁与底座构成一半封闭式结构，将顶板、采空区与工作面空间隔开。如图 2-1 ( b)所示。这类支架的工作阻力较小，切顶能力较弱，架型空间较小，但支架的防护性能较好。适用于破碎和中等稳定直接顶 (1 2 类 )，老顶压力不明显的顶板 ( 级 )。有直支式和间支式两种。 2.3.3 支撑 掩护式支架 支撑掩护式支架兼有支撑式和掩护式支架的结构特点，如图 2-1 (c)所示。均为四柱式，立柱可直立或斜支在顶梁或掩护梁上，相当于支撑式与掩护式的组合，以支撑为主，掩护为辅。这类支架的工作阻力、切顶能力均介于上述二者之间，但由于有掩护梁，其掩护性能与稳定性均较好，适用于直接顶稳定和中等稳定 (2 4类 )，周期压力明显 ( )的顶板。 图 2-1(a)支撑式支架 图 2-1(b)掩护式支架 图 2-1(c)支撑掩护式支架 nts 第 21 页 2.3.4放顶煤 液压支架的分类 放顶煤 液压支架按 放煤高度 划分，可分为 高位放顶 煤、中位放顶煤和低位放顶煤液压支架 三类。 （ 1） 高位放顶煤液压支架 高位放顶煤支架在国内外已的到推广和应用。综合目前所生产使用的高位放顶煤支架可分为两大类，。如图 2 2 、 2 3、所示 图 1-8所示的支架，其特点是支架底座的前部插到输送机下部，而输送机放在其拖座上面。这种称为插底式支架。 图 1-9、所示的支架，它的液压支架和输送机的关系与一般支架相同，这种支架称为不插底式放顶煤液压支架 （ 2） .中位放顶煤液压支架 中 位放顶煤液压支架是指放煤口设在掩护梁上，并采用两部输送机且后部输送机置于支架底座上的液压支架 中位放顶煤液压支架是我国当前应用数量较多，分布较广的综放支护设备，还是一种依靠矿山压力破碎顶煤，具有放煤功能的综采设备。中位放顶煤液压支架按其结构形式可分为两类：单绞点中位放顶煤液压支架和四连杆中位放顶煤液压支架。 图 2-2 YFY2000 16/26 型支架 nts 第 22 页 图 2-3ZYF4000 17/32 型支架 （ 3）低位放顶煤液压支架 低位放顶煤液压支架的放煤口位于支架掩护梁的下方，其后输送机直接放在底板上或在底座的拖板上。随着放顶煤综采推广应用，放顶煤支架的研制也迅速发展，特别是低位放顶煤液压支架有了新的突破，解决了工作空间、强度、抗扭和稳定性问题。 低位放顶煤液压支架发展很快，各种支架按四连杆机构的位置，基本可分为连接顶梁和底座的中四连杆机构及连接掩护梁和底座的后四连杆机构两类。 （ a）中四连杆机构放顶煤支架的特点 支架的四连杆机构为单片式，铰接在顶梁和底座间。掩护梁有千斤顶控制可进行摆动，放煤口位于掩护梁下部，由千斤顶控制插板调节放煤口大小，后输送机位置空间较大；顶梁带有侧护板可防止漏碎 煤并提高了横向稳定性；中四连杆机构提高了支架在垂直于工作面方向上的稳定性；放煤口大，放煤位置低，顶煤垮落下降量大易碎，煤层小；无脊背损失，回收率高；通过能力大，不易堵口。但由于四连杆机构为铰接在顶梁、底座上的单片，四连杆机构所以稳定性和承受侧向力的性能较差。 （ b）后四连杆机构放顶煤支架的特点 该支架架型与一般四柱支撑掩护式支架相同，由于支架后部需要有较大的后部输 送机工作空间，因此采用了 Y形前连杆和单片后连杆，而且前后连杆与掩护梁、底座的铰接点都比一般支架偏高，偏前。在掩护梁下端铰接一个带插板式尾梁，由两个尾梁千斤顶支撑，这就形成了放煤所需空间。根nts 第 23 页 据支架工作高度不同，利用尾梁千斤顶及插板千斤顶控制、调节放煤口的开启和大小。 2.3.5 低位放顶煤 液压支架的主要结构 低位放顶煤 液压支架 的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶底板状况，矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况，硬度和开采方法等，支架总体技术参数的确定应满足： （ 1）工作阻力、支护强度的要求 （ 2）稳定性好，抗扭能力强；