中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計第1頁第1章前言液壓支架以液壓為動力實現(xiàn)升降、前移等運動，既能支撐又能維護頂板的支護設(shè)備，為采煤工作面綜合機械化的主要設(shè)備。和刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機及膠帶輸送機等形成了一個有機的整體，實現(xiàn)了包括采、支、運等主要工序的綜合機械化采煤工藝。液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進而機械化移動，不斷地將采煤機和輸送機推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。1.1立柱設(shè)計的意義我國是世界主要產(chǎn)煤國家，煤礦總數(shù)超過全世界其他所有國家煤礦的總和。綜采技術(shù)經(jīng)過30多年發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，高產(chǎn)高效礦井建設(shè)已初見成效。發(fā)展綜采技術(shù)是建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的重要任務(wù)，加大技術(shù)改造力度，優(yōu)化工作面配套、提高設(shè)備可靠性、提高開機率是高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的發(fā)展趨勢。我國自70年代初開始大規(guī)模引進國外綜采設(shè)備，發(fā)展綜合機械化采煤。與此同時，煤炭科學(xué)研究院及相關(guān)廠礦共同開始了對液壓支架的科研和技術(shù)攻關(guān)，至80年代末，已先后研制成功薄煤層、中厚煤層、厚煤層和特厚煤層綜采成套設(shè)備和技術(shù)，基本上取代了進口，促進了煤炭工業(yè)的快速發(fā)展。到1997年全國國有重點煤礦綜合機械化程度已達到4838，相繼建成一批高產(chǎn)高效的礦井。國產(chǎn)綜采設(shè)備的水平有了較大的提高，一些技術(shù)指標(biāo)接近或達到國際先進水平。我國綜采設(shè)備已開始打入國際市場，先后出口到美國、印度、土耳其、俄羅斯等國家。液壓支架是綜采工作面的重要設(shè)備之一，其投資約占綜采工作面成套設(shè)備總投資的70左右，其作用不僅是支護頂板、維護安全作業(yè)空間，而且要推移工作面輸送機和采煤機。因此，液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關(guān)鍵因素之一。液壓支架與滾筒采煤機(或刨煤機)、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機及膠帶輸送機等形成了一個有機的整體，實現(xiàn)了包括采、支、運等主要工序的綜合機械化采煤工藝。液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進而機械化移動，不斷地將采煤機和輸送機推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。在煤礦機械中液壓缸的應(yīng)用比較廣泛，掘進機、采煤機的搖臂，刮板輸送機的可伸縮機頭部分的動作都是靠液壓缸的伸縮來實現(xiàn)，尤其是在液中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計第2頁壓支架中，幾乎所有的動作都是通過液壓缸（通常稱為立柱千斤頂）的往復(fù)運動來實現(xiàn)的。一個150米長的綜采工作面，一般就有1000多個立柱千斤頂在工作，如果是放頂煤工作面，立柱千斤頂數(shù)量則更多。作為液壓系統(tǒng)地執(zhí)行元件立柱千斤頂數(shù)量龐大且往復(fù)運動次數(shù)多，容易出現(xiàn)問題，維護和更換密封所需要的總時間就長，直接影響了開機率和工作面的推進速度。所以，立柱千斤頂?shù)母呖煽啃允敲旱V綜采工作面高產(chǎn)高效的前提。隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展和國家對煤炭開采回收率的調(diào)控，液壓支架的開采高度也向兩極化發(fā)展，薄煤層支架走向越來越低，中厚煤層支架走向越來越高，對支護強度的要求也越來越高，支架適應(yīng)的煤層傾角也越來越大，支架形式主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和四柱支撐掩護式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進一步完善，設(shè)計方法更先進，參數(shù)向高工作阻力、大中心距(1.75m、2m)發(fā)展，結(jié)構(gòu)件材料越來越多地采用高強度鋼材，例如屈服極限69MPa以上的鋼板，支架的壽命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性試驗循環(huán)次數(shù)達50000次。立柱千斤頂也隨之向大缸徑、大伸縮比發(fā)展，復(fù)雜的地質(zhì)條件對立柱穩(wěn)定性的要求也越來越高。經(jīng)統(tǒng)計鄭煤機集團近兩年生產(chǎn)的產(chǎn)品中，適用于大采高、大傾角、薄煤層的液壓支架占了70%左右。目前，國內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準MT313-92液壓支架立柱技術(shù)條件、MT97-92液壓支架千斤頂技術(shù)條件中對立柱千斤頂?shù)膶嶒炓笙鄬捤?表一)，總體低于國外標(biāo)準。國內(nèi)煤機企業(yè)的發(fā)展不僅僅局限于國內(nèi)市場，還要搶占國際市場，產(chǎn)品的性能要經(jīng)得住國際上其他國家相應(yīng)標(biāo)準的檢驗。立柱千斤頂結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，進而提出應(yīng)用現(xiàn)代化軟件和手段對千斤頂、立柱進合理分組，建立立柱、千斤頂三維參數(shù)化模型，對千斤頂、立柱的安全系數(shù)、強度、穩(wěn)定性等進行計算校核，并開發(fā)簡單易用的千斤頂、立柱的分析校核軟件，為優(yōu)化立柱、千斤頂結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)，提高設(shè)計效率和縮短加工制造過程，進而為企業(yè)創(chuàng)造更大效益。表1-1：國內(nèi)立柱千斤頂強度試驗標(biāo)準與歐洲標(biāo)準對比表MT97-92MT313-92EN1804-2千斤頂至最大行程，軸向以額定工作壓力150加載，保持5min立柱至最大行程，軸向以額定工作壓力150加載，保持5min工作油缸用其許可壓力的80%全部伸出，接著將壓力腔閉鎖住，然后用一個外力對工作油缸加載，外力大小為許可力的2.0倍或1.5倍(沖擊)千斤頂處于最大和最小長度，分別立柱至全行程，活塞腔以額定泵壓立柱或支撐千斤頂伸出全長的7080%且剩余行程立柱中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計第3頁對活塞腔和活塞桿腔以額定泵壓125加載，保持5min125加載，保持5min100mm，千斤頂則30mm。用許可壓力的60%撐緊并將壓力腔閉鎖。接著用一個自由落下的物體對立柱和支撐千斤頂進行二次沖擊的外加載，對立柱來說，自由落體10000kg；對支撐千斤頂來說1000kg。此時必須達到許可壓力值的1.5倍（5%）。壓力從初始值至所要求的最大值的升壓必須在最大為30ms內(nèi)實現(xiàn)。千斤頂活塞桿處于2/3行程處，活塞腔以額定泵壓200加載，保持5min立柱處于2/3全行程，以額定工作載荷200軸向加載，保持5min立柱至最大行程，在柱頭和缸底同側(cè)偏心30mm位置，以110額定工作載荷軸向加載，保持5min在柱頂側(cè)和柱底側(cè)用一種球形推力軸承系統(tǒng)來傳遞力，那么作用力只偏心加在柱頂側(cè)球頭半徑的0.3倍處。柱底側(cè)的支承軸承必須對應(yīng)于柱底形狀來設(shè)計。柱底支承軸承的直徑不得大于立柱或支撐千斤頂直徑的25%，壓力值需計算立柱至最大行程，軸向預(yù)加額定初撐載荷，以15kNm能量沖擊柱頭2次立柱和支撐千斤頂全部伸出，開始時予加力為許可的立柱力和千斤頂力的10%。必須使立柱和支撐千斤頂?shù)膲毫η婚]鎖住。緊接著通過一個外力使立柱和支撐千斤頂加載至許可的立柱和千斤頂力。該力必須保持住3分鐘，而立柱和支撐千斤頂并不讓縮提拉點必須進行加載檢驗，直至達到許可力的4倍也不允許發(fā)生破斷。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國目前已經(jīng)形成一支有一定規(guī)模的從事液壓支架的設(shè)計、研究、制造和中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計第4頁檢驗的專業(yè)隊伍，積累了豐富的經(jīng)驗，已經(jīng)開發(fā)研制了多種適合我國煤礦不同生產(chǎn)地質(zhì)條件的液壓支架。支架最大高度已達6.3m，最小高度為0.5m；適應(yīng)最大傾角可達55；最大工作阻力達10800kN。不僅有用于一般工作面的液壓支架，還有用于放頂煤采煤、分層鋪網(wǎng)采煤等條件下的特種用途液壓支架。液壓支架的發(fā)展對立柱的長度、缸徑、密封、型式等諸多方面提出許多新的要求，促使立柱的結(jié)構(gòu)更加合理和有了很大的發(fā)展。1.2.1結(jié)構(gòu)和功能(1)單伸縮立柱結(jié)構(gòu)簡單、可靠，屬液壓無級調(diào)高，調(diào)整高度方便，但調(diào)高范圍小，用在調(diào)高范圍不大的支架上，許多種放頂煤支架裝配單伸縮立柱。(2)機械加長桿雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)高范圍較大，有液壓無級和加長桿有級兩種調(diào)高方式，使用中經(jīng)常用液壓無級調(diào)高。操作人員需根據(jù)采煤工作面煤層厚度的變化及時調(diào)整機械加長桿的高度（有級調(diào)高）以滿足支護要求，如果有級調(diào)高調(diào)整的不及時，會出現(xiàn)支架被壓死或頂空的問題。調(diào)整加長桿的高度費時、費力。多用于煤層厚度變化較大的中厚煤層支架上。(3)液壓雙伸縮立柱調(diào)高范圍大，屬液壓無級調(diào)高，操作方便靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求高，成本高。該類立柱多用于薄煤層和大采高支架上。由于該類某些缸徑立柱的中缸強度裕度偏小，遇有采煤工作面基本頂壓力顯現(xiàn)強烈時中缸有時會出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，損壞立柱。(4)三伸縮立柱一般為三級液壓無級調(diào)高，有的在雙伸縮立柱上加一段接長桿，主要是為增加立柱的調(diào)高范圍，以滿足某些特殊結(jié)構(gòu)支架對立柱增加調(diào)高的要求。國外較早使用了這種立柱，其調(diào)高范圍很大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，第三級缸內(nèi)壓力很高，對材料和加工都要求很高。目前中國還沒有研制這種立柱。(5)千斤頂?shù)男褪胶芏?，大多為單伸縮雙作用，個別為單伸縮單作用千斤頂。按進、回液方式可分為外進液和內(nèi)進液千斤頂，大多為外進液的。按活塞固定方式可分為固定活塞式和浮動活塞式千斤頂，固定活塞式的占絕大多數(shù)，只有推移千斤頂中有一部分為浮動活塞式的。按在液壓支架上的功能可分為推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、前梁千斤頂、護幫千斤頂、伸縮梁千斤頂、平衡千斤頂、防倒千斤頂、防滑千斤頂、調(diào)架