工作面液压设计

1、0023-4工作面液压系统设备选型设计综采工作面液压传动系统主要由乳化液泵站、液压支架、管路组成一个封闭式循环线路，在额定的泵站压力下，来实现液压支架完成各项工序。液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。泵站提供的高压液体，通过液压控制系统控制不同的液压缸来完成。每组支架的液压管路都与工作面的主管路并联，形成各自独立的液压系统。一、0023-4工作面液压支架选型主要考虑以下几个因素：（1）、液压支架类型与工作面煤层赋存条件（顶、底板条件；煤层的倾角与厚度、瓦斯涌出量等）相适应；（2）、液压支架对顶板的支护强度与顶板的破断运动规律相适应；（3）、液压支架的支撑高度与采高相适应；（4）、

2、液压支架通风断面与工作面通风断面相适应；（5）、液压支架的运输周转条件与快捷安装效率。（6）、液压支架的可靠性与高产高效区队的生产技术条件相适应。二、在选择泵站时主要的指标是满足液压支架所要求的泵站工作压力，以保证支架有足够的初撑力。另外，为保证液压支架的升降和工作面的支护速度，乳化液流量也是一个重要的因素。第一章 工作面液压支架选型该工作面位于林西井田杜军庄背斜区域构造块内，本区域煤层赋存稳定，煤层厚度1.2m3.0m，平均2.1m，倾角1925，平均22，煤层走向1554，煤层结构简单，由于受原始沉积影响，局部有底凸现象，造成局部煤层变薄。根据相邻工作面实见，本区域断层较为发育，断层走向多

3、与煤层走向斜交，影响工作面开采的断层共5条。一、液压支架结构式选型根据林西矿煤层条件与近年来支架使用情况，综采工作面配套的液压支架使用为ZY320013/32型（以下简称A型）；ZY420012/29型（以下简称B型）液压支架，11煤层为薄煤层ZY4000/08/18D型。（一）液压支架的主要技术参数确定1、支护强度计算支架结构确定后，与支架重量和成本关系最大的是支护强度。从理论上分析，合理的支护强度与顶板的压力相均衡，支护强度过大，不仅增加支架的重量与设备的投资，而且给搬运、安装带来困难；过小则会造成顶板过早下沉、离层、冒落，使顶板破碎，造成顶板维护困难。因此支护强度大小取决于工作面采场矿压

4、的大小。但由于目前对采场矿压大小还不能进行准确的定量计算，目前主要以经验法或实测数据来确定支架的支护强度。经验公式：（1） 式中： 可按照以下情况选取：周期来压不明显顶板；=1.1；周期来压明显顶板=1.3；周期来压强烈顶板=1.51.7。A型支架：B型支架：A型支架顶梁面积：B型支架顶梁面积：式中： L支架顶板长度，m；C支架梁端距，m；B支架顶梁宽度，m。A型支架：P=1722kNB型支架：P=1460kN对于掩护式支架，受到立柱倾角的影响，支架阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支架立柱的总工作阻力的比值，称为支架的支撑效率。支架立柱的总工作阻力P总为：掩护式支架一般取8090%支护

5、效率，取85%。A型支架：工作阻力PA=3200kN0.85=2720 kN1722 kN；即支护强度满足要求。B型支架：工作阻力PB=4200kN0.85=3570kN1460kN；即支护强度满足要求。2、支架初撑力初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。液压支架的初撑力对于维护顶板的能力要比工作阻力起着更加显著的作用。在确定初撑力时，要考虑以下原则：对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%以上；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60%；对于周期来压明显的顶板，为了避免大面积跨落对工作面的动载威胁，应取较高的

6、初撑力，约为工作阻力的75%。3、移架阻力及推溜力移架阻力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关，通常根据煤层厚度来考虑，即采高越高，移架阻力越大。一般薄煤层移架力为100150kN;中厚煤层支架为150300kN；厚煤层为300400kN。当支架初撑力达24Mpa时：ZY320013/32型支架的推溜力/移架力：120/299kN；ZY420012/29型支架的推溜力/移架力：360/633kN；0023-4工作面煤层变化较大，煤层较薄，开采高度约2.5米，移架的阻力比较小。A型、B型支架均在合理范围。4、支架推移步距液压支架的有效推移步距应与采煤机的截深相配套，采煤机选

7、型计算推荐采用600mm截深的滚筒，因此对应液压支架的有效推移步距应为600mm。两种支架的推溜有效步距都合理。5、支架高度支架高度一般指支架最大和最小结构高度，它必须适应煤层厚度变化要求的最大和最小支撑高度。最小高度过大，可能会出现压架现象；最大支撑高度过小，可能会造成丢煤浪费资源或支架顶空现象。（1）、支架高度可由以下计算：式中： A型支架：B型支架：根据一些生产经验，为了防止伪顶冒落而引起支架顶空现象和一些难以预见的因素，最大结构高度要在计算的基础上，再考虑增加0.10.3m的富余量。在确定支架最低高度时还应考虑到井下巷道运输高度。支架伸缩比:A型支架：B型支架：值的大小反映支架对煤层厚

8、度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚度变化能力越强，根据所算数据，两种型的支架相差不大。6、确定支架型号根据以上所确定的架型和计算的参数，支架技术特征选择支架，根据计算知，选用两种液压支架均合理。二、性能验算1、工作阻力（支护强度）和初撑力的验算所选定支架在H采高时支撑力计算值。若使用高度与支架本身的最大高度相差不多或立柱倾斜角较少时，可以不用计算。2、顶板覆盖率支架顶梁对支护面积的覆盖率为式中： ：覆盖率应符合顶板性质的要求，一般不稳定顶板不小于8595%；中等稳定顶板不小于7585%；稳定顶板不小于6070%。根据计算所得，覆盖率在合理的范围。4、支架布置台数 （台）式中： 三、

9、通风验算1、按气象条件计算：Qcf1=6070%VcfScfKchKcl=6070%1.09.991.21.0=503.5m3/ min式中： Vcf采煤工作面的风速，按0023-4工作面在掘进时期生产过程中进风流的温度为18，查表4-1取1.0m/s；Scf采煤工作面的平均有效断面积，按最大和最小控顶有效断面的平均值计算，即平均控顶距平均采高；4200-12/29型液压支架有效通风断面积为2.7（3.4+4.0）/2=9.99m2；3200-13/32型液压支架有效通风断面积为2.7（3.2+3.8）/2=9.45m2； 取最大断面9.99 m2；Kch采煤工作面采高调整系数，按采高2.7m

10、查表得4-4：1.2；Kcl采煤工作面长度调整系数，按面长93m查表得4-5：1.0；70%有效通风断面系数；60为单位换算产生的系数。表1-1 采煤工作面进风流气温与对应风速采煤工作面进风流气温/采煤工作面风速/（m/s）201.020231.01.523261.51.8表1-2 Kch采煤工作面采高调整系数采高/m2.02.02.52.5及放顶煤面系数（Kch）1.01.11.2表1-3 Kcl采煤工作面长度调整系数采煤工作面长度/m长度风量调整系数（Kcl）150.815800.80.9801201.01201501.11501801.21801.301.402、风速的验算：=；应满足煤

11、矿安全规程的规定。=，得0.25m/s0.844 m/s四、液压支架主要技术参数表1-4 工作面支护设备及技术参数支架型号ZY4200-12/29ZY3200-13/32支架宽度/（m）1.411.581.4201.597支架中心距/（m）1.51.5重量/（t）15.10610.905工作阻力/ （kN）42003200最大支撑高度/（m）2.93.2最小控顶距离（m）3.43.2最大控顶距离（m）4.03.8额定泵站压力/（ MPa）31.5初撑力/ （MPa）24移架步距/（m）0.6工作液介质乳化液（3%5%）、浓缩液（2%3%）操作控制方式邻架控制，即上架控制下架（末组支架为本架操作

12、）第二章 乳化液泵站选型乳化液泵站主要是为综采工作面液压支架提供高压乳化液，作为液压支架和推移工作面输送机时的动力源。泵站由2台乳化液泵和一台乳化液箱组成，一台泵工作，另外一台备用。一、乳化液泵站选型原则（1）、泵站输出压力应满足液压支架初撑力的要求；（2）、泵站输出流量应满足液压支架移架速度的要求；（3）、要设手动卸载阀，以实现泵的空载启动；（4）、系统中要装单向阀，以防止停泵时液体倒流；（5）、为能在拆除支架或检修支架管路时泄出管路的液体，应加手动卸载阀；（6）、应设有缓冲减震的蓄能器。在选择泵站时主要的指标是满足液压支架所要求的泵站工作压力，以保证支架有足够的初撑力。另外，为保证液压支架

13、的升降和工作面的支护速度，乳化液流量也是一个重要的因素。目前泵站的乳化液流量有逐渐向大流量发展的趋势，以获得较高的支护速度。1、泵站压力的确定根据初撑力的要求 式中： 确定的支架初撑力，MPa；支架立柱缸径，m；支架立柱个数；考虑到立柱倾斜布置等因素的修正系数，1/cos，为立柱倾斜角度，选择为85；由初撑力确定的泵站压力。 （压力损失系数=1.11.2）27.51.130.25MPa所需的泵站压力=30.25MPa。2、泵站流量确定满足移架速度要求的系统供液量为：Qb=10-4VKb(n1s1F1+ n1s1F2+ n2s2F3)/L,L/min=10-462.0（2100380+21005

14、6+160095）/1.50=115L/min式中： Qb系统供液量，L/min；V采煤机截煤时牵引速度,取最大6m/min；Kb考虑系统漏液和其他千斤顶同时动作时的修正系数；取2.0;n1移架时升、降立柱数目，取2；s1移架时立柱升、降高度，取100mm；s2移架步距，取600mm；F1 、F2 、F3分别为立柱活塞腔、活塞杆及推移千斤顶移架的有效作用面积，cm2；L支架宽度，1.50m；n2工作面同时移架的数目。确定的原则是：液压支架的移架速度采煤机的工作牵引速度（这样才能保证连续、安全地进行生产），即：式中：采煤机工作牵引速度，MG-200/500-AWD型采煤机割煤速度为012.8m/

15、min，由于工作面有一定的倾角，根据现场割煤实际，采煤机割煤速度一般为1.0m/min；支架的沿采面移架速度，架/min。即：单位时间内移动支架的数目，它反映了沿采煤机牵引方向的距离。= = =3.58m/min 4m/min式中：一台支架宽度，一般为1.5m；移架时间，=+。为降架、移架、升降的动作时间（供液时间），根据现场取15s，即0.25min；为操作调整时间，一般约为10s，即0.17min。根据比较，采煤机速度一般不大于4m/min，根据现场测试并运用公式计算：移架速度最小为4m/min，所以此数据合理。与移架千斤顶、立柱、调架千斤顶的缸径和行程以及乳化液泵站的流量有关。= 0.1

16、7= 式中： 所需乳化液泵的额定输出流量，/min；、移架千斤顶缸径和行程。0.11m，0.7m；、前梁柱缸径和移架时升降行程。约为0.215m；、立柱缸径和移架时升降行程。降架移架时为0.050.1m；带压移架时=0；升降的立柱个数。满足，可计算得=192.8L/min。3、选择乳化液泵根据以上计算，并参考公司在用的乳化液泵类型，选用BRW400315乳化液泵站型泵站，即可满足要求。二、乳化液箱容积的验算乳化液箱应能容纳以下三部分流量，已知液箱的总容量为3000L，则：=+=1800L+2.55L+0.17L=1802.72 L式中： =3+=1200+600=1800L；3三分钟泵的流量，

17、按每分钟400L流量，即三分钟为1200L；箱底存液量，计算时取1/5V,即为600L。停泵时管路回流液量，；=2.55L 式中： 分别为主供液内径，取0.05m； 取回液管长度，1300m。煤层厚度变化造成的液量差：= =0.17L式中： 立柱缸径，取0.22m，m；工作面煤层厚度变化量，m；每架支架的立柱数；1同时动作的支架数。此容量液箱能满足供液要求。三、乳化液液压支架一般用乳化液作工作介质，它是由水和乳化油按不同比例配制而成乳白色液体，按其比例的不同，乳化液分两类：水包油型乳化液（o/w）：乳化油含量为35；油包水型乳化液（w/o）：乳化油含量为1540。国内外的液压支架多用水包油型乳

18、化液。0023-4工作面液压支架使用的MS10-5型浓缩物，配比后浓缩物含量为2%3%。第三章 管路敷设及选型验算根据设计条件来确定管道直径，需要时，可以有设计条件下压力降1525的富余量。一、供液线路泵站选用BRW400/31.5型液泵，两泵一箱，安装在1000石门位置，泵站到工作面铺设进、回液管约800m，供液管路使用1.5寸无缝铁管，回液管路使用2寸镀锌铁管。供液管路：1000石门12s横管1000副石门上风工作面液压支架。回液管路：工作面液压支架上风1000副石门12s横管1000石门泵站 图3-1 0023-4工作面液压管路布置图二、管径液体流速计算计算公式如下： 式中： d管道内直

19、径，mm，取50mm； Vf流体体积流量，取24m3/h； u流体平均流速，m/s； W流体质量流量，kg/h； 流体密度，kg/m3。经过计算得：流体的平均流速为：u=3.5m/s。根据下列图标进行校正，所计算数据合理。图3-2 流速、流量、管径计算图一、 流动型态 流体在管道中流动的型态分为层流和湍流两种流型，层流与湍流间有一段不稳定的临界区。湍流区又可分为过渡区和完全湍流区。确定管道内流体流动型态的准则是雷诺数(Re)。图3-3 液体、气体经济管径图雷诺数按下式计算：= 式中：Re雷诺数，无因次；u流体平均流速，ms，取3.5；d管道内直径，mm，取50mm；流体粘度，mPas，查图3-

20、3，取1.5；W流体的质量流量，kgh；Vf流体的体积流量，m3h；流体密度，kgm3，取103。a. 层流 雷诺数Re104。因此，工程设计中管内的流体流型多处于湍流过渡区范围内。(b) 完全湍流区 摩擦系数与雷诺数无关而仅随管壁粗糙度变化。c. 临界区 2000Re3000时，可按湍流来考虑，其摩擦系数和雷诺数及管壁粗糙度均有关，当粗糙度一定时，摩擦系数随雷诺数而变化。三、压力损失验算1、管道压力降计算1.1概述(1) 管道压力降为管道摩擦压力降、静压力降以及速度压力降之和。管道摩擦压力降包括直管、管件和阀门等的压力降，同时亦包括突然扩大、突然缩小以及接管口等产生的局部压力降；静压力降是由

21、于管道始端和终端标高差而产生的；速度压力降是指管道始端和终端流体流速不等而产生的压力降。表3-1 一般工程管道设计压力降每100m管长控制值(2) 管壁粗糙度管壁粗糙度通常是指绝对粗糙度()和相对粗糙度(d)。绝对粗糙度表示管子内壁凸出部分的平均高度。在选用时，应考虑到流体对管壁的腐蚀、磨蚀、结垢以及使用情况等因素。如无缝钢管，当流体是石油气、饱和蒸汽以及干压缩空气等腐蚀性小的流体时，可选取绝对粗糙度0.2mm；输送水时，若为冷凝液(有空气)则取0.5mm；纯水取0.2mm；未处理水取0.30.5mm；对酸、碱等腐蚀性较大的流体，则可取l mm或更大些。对相同绝对粗糙度的管道，直径愈小，对摩擦

22、系数影响程度愈大，因此用和d的比值d来表示管壁粗糙度，称为相对粗糙度。在湍流时，管壁粗糙度对流体流动的摩擦系数影响甚大。摩擦系数()与雷诺数(Re)及管壁相对粗糙度(d)的关系见图35所示；在完全湍流情况下，清洁新管的管径(d)占绝对粗糙度()的关系见图36所示。某些工业管道的绝对粗糙度见表3-4，查表取0.2mm；相对粗糙度(d)计算得0.004，根据图3-6可以查出完全湍流、粗糙管摩擦系数()。表3-2 某些工业管道的绝对粗糙度序 号管 道 类 别绝对粗糙度(c) mm1234567金属管无缝黄铜管、铜管及铅管新的无缝钢管或镀锌铁管新的铸铁管具有轻度腐蚀的无缝钢管具有显著腐蚀的无缝钢管旧的

23、铸铁管钢板制管0.010.050.10.20.250.420.20.30.5以上0.85以上0.338910111213非金属管干净玻璃管橡皮软管木管道陶土排水管接头平整的水泥管石棉水泥管0.00150.010.010.030.251.250.456.00.330.030.8 图3-4 摩擦系数（）与雷诺数（）及管壁相对粗糙度（）的关系由此图可以判断出，高压液体处于完全湍流状态，有下图查出摩擦系数()：图3-5清洁新管的粗糙度由上图可以查出摩擦系数()为0.028（根据图像比例计算）。1.2 压力降公式计算a. 摩擦压力降 由于流体和管道管件等内壁摩擦产生的压力降称为摩擦力压降。摩擦压力降都是正值.正值表示压力下降。亦可以阻力系数法表示，即= 2744.735KPa=2.7MPa此式称为范宁(Fanning)方程式，为圆截面管道摩擦压力降计算的通式，对层流和湍流两种流动型态均适用。式中：Pf管道总摩擦压力降，MPa；摩擦系数，根据计算得0.028；L管道长度，m，供液管路取800m；D管道内直径，m，取0.05m，；K管件、阀门等阻力系数之和，取0.12；u流体平均流速，ms，取3.5 ms；流体密度，kgm3，取103kgm3。通常，将直管摩擦压力降和管件、阀门等的局部压力降分开计算，对直管段用以下公式计算