中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 1 緒論 我國煤炭儲量十分豐富， 1979年世界能源會議估計我國煤炭資源為 15000億噸，其中煤層厚度大于 3.5米的厚煤層占 40%左右。從采煤工藝看，我國 1972年開始裝備綜合機械化采煤，至 1990年已經(jīng)達到 29.8%。當(dāng)時對厚度在 3.5 5米的煤層多采用一次采全高工藝，特別是大采高支架，平均單產(chǎn)可超過 3萬噸，最高超過 6萬噸，最高月產(chǎn) 142211噸。然而，對于厚度大于 5米的特厚煤層的開采，存在著產(chǎn)量低、效率低、勞動強度大、安全差等問題，盡管分層開采技術(shù)較為成熟，但其成本高、工序多，影響效率。 1.1 液壓支架發(fā) 展歷史 歷史地來看， 大約在四五十年前回采工作面還是采用木支柱 。隨著刨煤機、鉆削式和滾筒式采煤機等快速采煤機的使用 ,木支柱既不能對頂板提供足夠大的阻力，其支設(shè)和回收亦難滿足連續(xù)采煤的要求。于是，剛性木支柱被可壓縮性摩擦和液壓支柱所代替，并以支柱加鉸接頂梁的結(jié)構(gòu)形式支護回采工作面。 1954 年，英國研制出 垛 式支架。它主要由安裝在矩形整體底座上的立柱和頂梁組成。幾個月后，英國奧爾蒙德煤礦的低主煤層的整個工作面都裝備了這種支架。這就是世界上首個裝備液壓支架的采煤工作面。從此，開創(chuàng)了煤炭工業(yè)的新時代。 1958 年法國 試驗成功了節(jié)式支架 。 五十年代末，為開采煤層厚超過 2m 的松散和破碎頂板條件下的褐煤，前蘇聯(lián)開始研制掩護式液壓支架，并 于 1961 年在阿樂斯 -科拖舉辦的貿(mào)易展覽會上展出了 OMKT 型掩護式支架。這種支架頂梁很短，僅 0.8m， 并與掩護梁鉸接，單根朝前傾斜液壓支柱連接著掩護梁和底座。當(dāng)支架在其工作高度范圍內(nèi)升降時，頂梁頂點相對于煤壁作圓弧運動。這樣，不僅影響了支架的承載能力，而且端面距變化很大，不利于頂板的維護。但比起 垛 式和節(jié)式支架，掩護式支架能有效的控制頂板，防止開采過程中矸石滲入工作面，工作能力很好 。 為了保持 頂梁端點相對于煤壁作近似的直線運動，在 OMKT 型 掩護式支架的基礎(chǔ)上作了許多改進： 1.利用支架滑架，即把支撐掩護梁的支座利用千斤頂沿滑架向前移動一個中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 位置，以補償由于立柱升高時端面距加大的差值。 2.利用伸縮頂梁，即當(dāng)立柱升高時，在頂梁里利用千斤頂將頂梁伸出，以保持端面距基本不變。 3.將四連桿機構(gòu) 應(yīng)用于 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，研制出具有四連桿機構(gòu)的液壓支架，不僅從根本上解決了端面距變動大和支架不能承受水平力的問題，而且開辟了液壓支架設(shè)計的新時代。 4.1964 年，英國國家煤炭局實施液壓支架試驗規(guī)范； 1965 年， F.Dobson等人研制的剛性底座都促進了液壓支架的進一步發(fā)展。 60 年代末和 70 年代初，隨著液壓支架在歐洲使用經(jīng)驗的日益增加，支架結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化。長頂梁、二柱、四柱以及多柱四連桿機構(gòu)的液壓支架相繼問世。并且，為適應(yīng)底板不平，底座采用分離鉸接式結(jié)構(gòu)；對于松軟底板，為減小底板比壓，采用接觸面積較大的底座；為防止碎矸竄入采區(qū)，采用了各種防竄矸的掩護裝置。 1974 年，英國國家煤炭局實施的 “高科技采礦工程 ”推動了液壓支架及采煤設(shè)備的進一步發(fā)展。這項工程要求在選擇工作面綜合采煤設(shè)備時，必須采用最先進的設(shè)備和開采 工藝，以提高煤炭產(chǎn)量和改善作業(yè)環(huán)境。 進入 70 和 80 年代，液壓支架又有了新的發(fā)展。頂梁不僅實現(xiàn)了 “立即前移支護 ”，而且整個支架安裝了電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)微機控制與操作。 1981 年杜賽爾多夫采礦展覽會上，展出了液壓連桿式液壓支架和具有液壓調(diào)高機構(gòu)的掩護式支架，并研制出采高為 6m 的大采高支架及放頂煤支架；對于堅硬巖層設(shè)計了強力液壓支架等。 1.2 我國液壓支架的發(fā)展 我國研制液壓支架起步也不算晚。 1959 年 10 月，原北京礦業(yè)學(xué)院設(shè)計了三種液壓支架。 1961 年設(shè)計了 “本溪 - 型 ”支架，并制造出樣機進行井下試驗。1965 年北京煤炭科學(xué)院和鄭州煤礦機械廠協(xié)作制造出仿英支架。 1967 年，太原煤炭研究所首次研究出四組邁步式支架，經(jīng)修改后于 1972 年由鄭州煤礦機械廠制造，并進行井下試驗。 1970 年又為大同礦務(wù)局設(shè)計了 TZ-140 型支架，在此基礎(chǔ)上研制出 TZ- 支架，開發(fā)了 TZ-IB、 TZ- 、 TZ- 、 TZ- 和 TZ- 型等液壓支架。 1973 年，北京煤礦機械機械廠生產(chǎn)出第一套 BZZ 垛式支架，在陽泉礦務(wù)局使用。它是發(fā)展我國液壓支架的起點。此外，有關(guān)院校、研究所和制造廠合作，還研制出一批較有成效的液壓支架，如 ZY-3、 WKM-400、 BZZB、KD-280 和 FX-440 等。這些液壓支架由于受到多種因素的限制，雖然使用效果中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 不佳，幾乎全被淘汰，但為后來研制和開發(fā)更好的架型提供了寶貴的經(jīng)驗。 1974年和 1979 年，我國先后從英國、原聯(lián)邦德國、波蘭三國的五大公司進口了 48套和 100 套綜采設(shè)備。國外先進支架的引進，促進了國產(chǎn)液壓支架設(shè)計和制造水平的明顯提高。到 1983 年末，全國在籍的各類支架共 31990 架。其中，國產(chǎn)支架 64 套，其性能質(zhì)量和使用效果都是早期支架所不能比擬的。從 70 年代至今，光煤炭科學(xué)研究總院北京開采所共研制出 30 余種不同結(jié)構(gòu)型式的 液壓支架。架型包括：支撐式、掩護式和支撐掩護式，還有特殊采煤工藝用液壓支架，如放頂煤支架，水砂填充支架及端頭支架等。其中， 20 多種支架已通過鑒定，五種支架獲獎。 總之，我國液壓支架是從 50 年代末開始著手研制，經(jīng)歷可研制試驗、引進、仿制和改進創(chuàng)新等階段，直到現(xiàn)在的獨立設(shè)計階段。目前，除液壓支架電液控制和支架計算機輔助設(shè)計與繪圖方面落后于國外，其他方面均以達到國外同期水平。 1.3 放頂煤開采工藝及放頂煤液壓支架 放頂煤綜采近年來在我國得到迅速的發(fā)展。放頂煤綜采技術(shù)的推廣使用，擴大了綜合機械化開采的使用范圍，簡化 了礦井的采掘系統(tǒng)和生產(chǎn)組織，大幅度地提高了綜采工作面的勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)量，降低了煤炭的生產(chǎn)成本，在煤礦生產(chǎn)上取得了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。 1.3.1 放頂煤采煤方法的發(fā)展 放頂煤采煤方法，就是在開采煤層的底部，或在特厚煤層中部位置，布置采煤工作面，利用工作面礦山壓力的作用或輔以爆破等方法，將頂煤破碎并促使其垮落，而后將垮落的頂煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放頂煤采煤方法在很早以前就用于開采厚煤層。如我國以前使用過的高落式采煤法就屬于這種采煤方法。在當(dāng)時，放頂煤開采是不正規(guī)的，完全手工式的，而且煤炭損失特 別大，長期以來受到嚴格限制。還有倉儲式采煤法、倉房式采煤法也都屬于早期的放頂煤開采方法。隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，特別是煤礦支護設(shè)備的發(fā)展，放頂煤采煤法已經(jīng)發(fā)展成為一種正規(guī)的采煤方法。 放頂煤開采方法的應(yīng)用條件，也由開采殘留煤柱、極不穩(wěn)定的特厚煤層，發(fā)展到穩(wěn)定的各種傾斜煤層的常規(guī)工作面，特別是賦存穩(wěn)定的長臂工作面的開中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 采。放頂煤開采方法按工作面的巷道布置方式可分為：緩傾斜、傾斜特厚煤層預(yù)采頂分層煤（鋪網(wǎng)或不鋪網(wǎng)）放頂煤開采法；緩傾斜、傾斜特厚煤層預(yù)采中間層放頂煤采煤方法；緩傾斜、傾斜特厚煤層一次采全厚放頂煤采煤 法；急傾斜特厚煤層水平分段放頂煤采煤法。按放頂煤工作面的回采工藝方式可分為：炮采放頂煤開采；普通機械化放頂煤開采；綜合機械化放頂煤開采。 放頂煤工作面的機械化程度與普通的采煤工作面一樣，也經(jīng)過了緩慢的發(fā)展過程。其主要體現(xiàn)在落煤、支護、放頂煤和運煤等方式四個方面。落煤方式由手鎬、風(fēng)鎬、炮采發(fā)展為機采（采煤機或刨煤機）；支護方式由木支護、金屬摩擦支柱、單體液壓支柱、滑移頂梁支架發(fā)展為放頂煤液壓支架；放煤方式由手工落、裝發(fā)展為雙輸送機?；夭上锏纼?nèi)運輸也由運量較小的刮板輸送機發(fā)展為運量大、運距長的帶式輸送機運煤；工 作面的作業(yè)方式也由采、放輪流作業(yè)，發(fā)展為采、放平行作業(yè)，大大提高了工作面的產(chǎn)量和效率。 下面重點介紹低位放頂煤綜采： 低位放頂煤綜采的顯著特征是支架的放煤口位置低、尺寸大。而且是連續(xù)的，多為插板式，無脊背煤炭損失，支架的四連桿機構(gòu)置于支架中間，后輸送機置于支架拖板上或直接在底板上。低位放頂煤綜采的主要優(yōu)點為放煤在支架后下方，放煤效果好，煤塵小。后輸送機外運煤炭順利，一般不需清理后方浮煤。支架尾梁還可以擺動，以利提高頂煤的回收率。但低位放頂煤支架的穩(wěn)定性差，工作面端頭的維護較困難。該類支架在窯街礦務(wù)局、兗州礦 務(wù)局鮑店煤礦均取得高產(chǎn)、高效。低位放頂煤綜采如圖 1.1所示。 1.3.2 放頂煤液壓支架發(fā)展及特點 自 60年代法國率先研制節(jié)式放頂煤支架開采特厚煤層取得成功以來， 70年代法國、英國、匈牙利、原聯(lián)邦德國、前蘇聯(lián)等國家又先后研制出插板式、開天窗式、后開門式放頂煤液壓支架，使特厚煤層采煤工藝有了新的突破，產(chǎn)量與效率不斷提高。以匈牙利奧伊克礦為例，使用 VHP 730 型支架，開采厚6.2米煤層，平均月產(chǎn)量達到 3.39萬噸，效率 26.1噸 /工，工作面回收率 91%。 我國綜采放頂煤開采開始于 1982年，是由鄭州煤礦機械廠、 煤炭科學(xué)研究 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 圖 1.1 低位雙運輸機放頂煤綜采示意圖 1 放煤口； 2 前輸送機； 3 后輸送機 總院北京開采所、沈陽煤研所共同研制的 FY400 14/28中位放頂煤支架在沈陽 局蒲河礦安裝試驗； 10多年來得到了迅速的發(fā)展，截止到 1993 年，已經(jīng)在 13個省的 26個礦務(wù)局 59個工作面使用，達到了日產(chǎn)萬噸，月產(chǎn) 31萬噸，年產(chǎn)253萬噸的生產(chǎn)水平，成為世界上綜采放頂煤開采技術(shù)發(fā)展最快、擁有放頂煤液壓支架數(shù)量最多的國家。 實踐證明，在特厚煤層開采中，采用放頂煤開采較分層開采等具有明顯的優(yōu)越性，主要有： （ 1）、煤 層掘進量小，掘進費用低、緩和了采掘關(guān)系； （ 2）、減少了搬家倒面次數(shù)，節(jié)省了綜采面設(shè)備搬遷、安裝的工作量及費用； （ 3）、較分層開采減少了鋪網(wǎng)工序、材料、工資及巷道維護費用等； （ 4）、對急斜厚煤層，較普通法開采的工作面產(chǎn)量提高 1 3倍； （ 5）、提高了煤炭的塊炭率，增加煤炭的售價； （ 6）、減少了設(shè)備的運行費，特別是采煤機，相對減少了噸媒設(shè)備折舊費或租賃費； （ 7）、有利于礦井的集中控制，實現(xiàn)減面、減人、提高工效的目的； （ 8)、提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，比一般回采工效提高 2 5倍，經(jīng)濟效益十分顯著，噸媒 成本一般降低 8 20 元 /噸。 基于上述原因，我國放頂媒液壓支架從 1984年至 1992 年上半年已發(fā)展到42套， 32個品種，占世界總數(shù)的 66。當(dāng)然，放頂煤開采也有急待解決的問題，主要是： （ 1）、煤塵大，比分層開采高出 1 3倍，甚至更高； 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 （ 2）、回采率偏低，一般在 80左右，造成一定的煤炭損失； （ 3）、自然發(fā)火的問題尚未得到很好的解決； （ 4）、對高瓦斯礦井，瓦斯涌出量大，有局部積聚的危險。 因此，煤炭工業(yè)部提出要有試點地進行，穩(wěn)步發(fā)展的方針。然而有于放頂煤開采的優(yōu)點十分突出，并對存在的問題逐步得到解決的 同時，使這一新的特厚煤層的開采工藝從東北、西北迅速擴展到華北， 1992年初又推廣到華東四個礦務(wù)局，并首先在兗州興隆莊礦創(chuàng)出了月產(chǎn) 11萬噸的好成績（ 1994年月產(chǎn)已達 25萬噸），可以預(yù)計，今后將會更快地發(fā)展。 下面重點介紹放頂煤液壓支架的特點及適應(yīng)性。 1 放頂煤液壓支架的分類 按與液壓支架配套的輸送機的臺數(shù)，放頂煤液壓支架可分類如下： 插底式 單輸送機 不插底式 放頂煤液壓支架 單鉸接式 開天窗式 雙輸送機 四連桿式 前四連桿式 插板式 后四連桿式 按放煤口位置，放頂煤液壓支架可分類如下： 高位（單輸送機開天窗式） 放頂煤液壓支架 中位（雙輸送機開天窗式） 低位（雙輸送機插板式） 下面重點介紹低位放頂煤液壓支架的特點及適應(yīng)性： 2.低位放頂煤支架的特點 這是一種雙輸送機運煤，在掩 護梁后部鉸接一個帶有插板的尾梁、低位放煤的支撐掩護式支架。這類支架有一個可以上下擺動的尾梁（擺動幅度在 45左右）用以松動頂煤，并維持一個落煤空間。尾梁中間有一個液壓控制的放煤插板，用以放煤和破碎大塊頂煤，具有連續(xù)的放煤口。其主要特點如下： (1)由于具有連續(xù)的放煤口，放煤效果好，沒有脊背煤損失，回收率高； 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 (2)和其他支架相比，從煤壁到放煤口的距離最長，經(jīng)過頂梁的反復(fù)支撐和在掩護梁上方的垮落，使頂煤破碎較為充分，對放煤極為有利； (3)后輸送機沿底板布置，浮煤容易排出，移架輕快，同時尾梁插板可以切斷大塊煤 ，使放煤口不易堵塞； (4)低位放煤使煤塵減少； (5)前四連桿低位放頂煤液壓支架的抗扭及抗偏載能力差，支架的穩(wěn)定性較差； (6)尾梁擺動力和向上的擺角較小 ，破煤和松動頂煤的能力差。 這類支架的原始形式 是 前四連桿式 ，在礦壓較小的急斜水平分段開采時比較適應(yīng)，為使這種支架在緩斜長臂工作面發(fā)揮其優(yōu)勢，幾年來作了如下的探索： (1)把四連桿的上 連 接位置由頂梁上改在掩護梁上，使 支 架底部和上部的連接位 置 更接近扭轉(zhuǎn)力矩的作用點，增加了支架強度，減少 了 支架的損壞，形成了 目前在緩斜工作面大量使用的后四 連 桿式低位放頂煤液壓支架 ； (2)大幅度加強前四連桿本身以及它與頂梁、底座的聯(lián)接強度，這種作法增加了支架的重量，有的重達 20t以上，但設(shè)計時容易實現(xiàn)加大后部運輸空間和增加破煤能力 ； (3)增大后部空間和尾梁向上擺動的力，使其在較硬煤層中使用時也可讓頂煤順利放落和運出，如 ZFPS5200/17/32 型支架尾梁端部向上擺動力可達到500kN，使用效果良好 ； (4)后四連桿前連桿設(shè)計為 Y型，后連桿設(shè)計為 I型，增大了支架的 前、 后人行道的寬度并加大了后部的人員工作與維護空間 ； (5)把后輸送機千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接，改善了運輸狀況 。在后輸送機與千斤頂之間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機與千斤頂活塞桿彎曲并防止輸送機和支架下滑。 前四連桿式支架和后四連桿式支架相比，前四連桿式支架穩(wěn)定性及抗扭性較差，但其后部空間較大，且重量也輕。 3.低位放頂煤液壓支架的適應(yīng)性 前四連桿式支架在急斜水平分段放頂煤綜采中取得成功，如對四連桿及有關(guān)聯(lián)接件再進一步增加強度，成為定型設(shè)備，可以不考慮在急斜條件下使用后四 連 桿式支架。 緩斜中硬難放煤層在選型時考慮到低位放頂煤液壓支架的強度低，又無成功的實例，往往選用中位放頂煤液壓支架，但受到放煤口的限制，實際上也 未能很好解決其放煤問題。仔細研究各類放煤支架，就會發(fā)現(xiàn)，只有前四連 桿 式中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 支架具備大幅度擺動掩護梁破煤的條件。有的低位放頂煤液壓支架采取強化四連桿及聯(lián)接銷 軸 ，把擺動掩護梁的千斤頂一端布置在底座上，而不是布置在頂梁上，盡管這種架型尚無滿意的效果，但這種探索無疑是很有意義的。 后四連桿式支架在煤層硬度系數(shù) f 2左右，層節(jié)理比較發(fā)育的緩斜厚煤層中使用取得很大成功，如在潞安礦務(wù)局五陽煤 礦 、王莊煤礦和 兗州 礦務(wù)局興隆莊煤礦、鮑店煤礦。這種架型與設(shè)計先進的過渡支架配合 使用 ，創(chuàng)出了新水 平 ，被廣泛推廣使用。如石炭井礦務(wù)局烏蘭礦將 這種支架與過渡支架、端頭支架配套使用，在傾角為 24 的 工 作面上取得了成功。由此表明了后四連桿式放頂煤液壓支架在緩斜中硬煤層和傾斜厚煤層中均有良好的適應(yīng)性 和 使用前景。 1.4 液壓支架的組成 根據(jù)各部件的功能 ，液壓支架的組成可歸納為五個部分見表 1.1。 1.5 液壓支架的支護方式 綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤 、移架和推溜。 3 個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的 3 種支護方式，從而決定工作面 “三機 ”的不同配套關(guān)系。具體的循環(huán)方式見表 1.2。 1.6 液壓支架的工作原理 液壓支架在工作過程中 ，不僅要可靠的支撐頂板，維 護一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進，進行移架和推移輸送機。因此，支架要實現(xiàn)升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓液體，通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來完成的，如圖 1.2 所示 表 1.1 液壓支架組成表 序 號 部 件 功 能 舉 例 1 承載結(jié)構(gòu)件 承受并傳遞頂板載荷作用的結(jié)構(gòu)件 頂梁、掩護梁、底座、連桿 2 動力油缸 用液體作介質(zhì)可以主動產(chǎn)生作用 立柱、各類千斤頂 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 力，實現(xiàn)各種動作的油缸 3 控制元部件 操縱、控制支架各個動力油缸動作及保證所需工作特性的液壓（電氣）元部件 操縱閥 、單向閥、安全閥及管路、液壓（電控）元件 4 輔助裝置 不直接承受頂板載荷，而實現(xiàn)支架某些動作或功能所必須的裝置 推移裝置、護幫裝置、活動側(cè)護板、防倒、防滑裝置 5 工作液體 傳遞能量的工作液壓介質(zhì) 乳化液 表 1.2 液壓支架的支護方式表 支護方式 循環(huán)方式 支護特點 應(yīng)用條件 即時支護 割煤移架推溜 支護滯后時間短 適用于各種頂板條件，應(yīng)用最為廣泛 滯后支護 割煤推溜移架 支護滯后時間較長 可用于穩(wěn)定、完整的頂板條件，較少支架結(jié)構(gòu)緊湊，目前應(yīng)用 復(fù)合支護 割煤支架伸出探梁推溜 移架 支護滯后時間短 但增加了反復(fù)支撐 可適用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，目前應(yīng)用較少 1.6.1 支架升降和推移 當(dāng)操縱閥 8 處于升柱位置時，從乳化液泵站來的高壓液體通過操縱閥 8、液控單向閥 6 進入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥 8 處于降柱位置時，工作液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。 支架的前移和推移輸送機是通過操縱閥 7 和推移千斤頂 4 來進行的。移架中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 時，先使支架卸載下降，再把操縱閥 7 置于移架位置，從乳化液泵站來的高壓液體進入推移千斤頂 4 的前腔即活 塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時，支架以輸送機為支點前移。移架結(jié)束后，在把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥 7 置于推溜位置，高壓液體進入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時輸送機以支架為支點被推向煤壁。 PO192345681171210圖 1.2 液壓支架工作原理圖 1-頂梁； 2-立柱； 3-底座； 4-推移千斤頂； 5-安全閥； 6-液控單向閥； 7、 8-操縱閥； 9-輸送機； 10-乳化液泵； 11-主供液管； 12-主回液 管 1.6.2 支架的承載過程 支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過程。它包括初撐、承載增阻和恒阻三個階段。 1.初撐階段 在升架過程中，當(dāng)支架的頂梁接觸頂板，直到立柱下腔的液體壓力逐漸上升到泵站工作壓力時，停止供液，液控單向閥 6 立即關(guān)閉，這一過程為支架的初撐階段。初撐力的大小取決于泵站的工作壓力 / 立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。 2.承載增阻階段 支架初撐結(jié)束后，隨著頂板的下沉，立柱下腔的液體壓力逐漸升高，支 架對頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過程為支架的承載增阻階段。 3.恒阻階段 隨著頂板壓力的進一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高。當(dāng)升高到安中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 全閥 5 的調(diào)定壓力時，安全閥打開溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時，安全閥關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復(fù)這一過程。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這是支架的恒阻階段。此時，支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影 響因素。 1.7 采煤工作面液壓支架設(shè)計要求和設(shè)計必要的基本參數(shù) 1.7.1 采煤工作面對液壓支架的設(shè)計要求 為了滿足長臂工作面的生產(chǎn)要求對液壓支架提出了以下要求： 1.能有效的控制頂板。具體有這些要求 ： 能適應(yīng)頂板下沉、來壓及冒落的特性；能防支架前方與上方冒頂；不應(yīng)出現(xiàn)陷底而影響性能與移架 。 2.保證安全的工作空間。具體要求如下：有寬敞的工作空間；能很好的防矸、排矸；能良好的通風(fēng)、照明、通訊、防塵、防火 。 3.應(yīng)該適應(yīng)煤層地址條件變化。要求支架有足夠的調(diào)高范圍；適應(yīng)不平頂?shù)装?、臺階和斷層等條件；適應(yīng)煤層傾角變 化 。 4.能夠保證正常的生產(chǎn)循環(huán)。也就是說應(yīng)保證正常移架、推溜；能與采煤、運輸?shù)裙に嚋?zhǔn)確配合；運輸，安裝，搬家方便；還得便于維修 。 5.最后對于投資者來說，應(yīng)該保證初期投資低、維修費用低。 1.7.2 液壓支架設(shè)計的基本參數(shù) 1.頂板條件 根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，對支架進行選型。 2.最大和最小采高 根據(jù)最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。 3.瓦斯等級 根據(jù)瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風(fēng)斷面。 4.底板巖性及小時涌水量 根據(jù)底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。 5.工作面煤壁條件 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。 6.煤層傾角 根據(jù)煤層傾角，決定是否選用防倒防滑裝置。 7.井筒罐籠尺寸 根據(jù)井筒罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。 8.配套尺寸 根據(jù)配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度 。 1.8 本文做的主要工作 畢業(yè)設(shè)計名稱： 放頂煤液壓支架設(shè)計 參數(shù)如下： （ 1） 要求工作阻力 500t； （ 2） 最大采高 4.5m。 本次設(shè)計主要工作如下：四連桿機構(gòu)的設(shè)計、各個結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、各結(jié)構(gòu)件的受力分析及強度校核、液壓 立 柱的設(shè)計及支架液壓 電液控制系統(tǒng) 統(tǒng)原理設(shè)計 。 2 液壓支架整 體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 支架主要尺寸的確定 2.1.1 支架的高度和支架的伸縮比 一般應(yīng)首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度。 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 由于我國急斜煤層煤層厚度都比較大，煤層厚度在 20 80m之間，所以按厚煤層高度的確定原則來確定該放頂煤液壓支架的高度。 maxmax MH （ 200 300） （ 2.1） minmin MH （ 300 400） （ 2.2） 式中：maxH 支架最大高度（ mm） ； minH 支架最小高度（ mm） ； maxM 最大采高（ mm） ； minM 最小采高（ mm） 。 本 設(shè)計最 大 采高maxM 4500mm,取支架最大高度 maxH 4500 200 4700mm 支架 最大高度 與最小高度之差為支架的調(diào)高范圍。調(diào)高范圍越大，支架適用范圍越廣，但過大的調(diào)高范圍給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計造成困難，且可靠性降低。由于此次設(shè)計對最小采高無具體限制，并且放頂煤液壓支架的調(diào)高范圍無需太大，取支架的調(diào)高范圍為 1500mm,則支架的最小高度 minH 4700 1500 3200mm 支架的伸縮比系指其最大高度與最小高度之比值。即： mmaxminHH(2.3) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 m=32004700=1.47 2.1.2 支架間距和寬度的確定 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。按下式計算： 3cmb B n C （ 2.4） 式 中： cb 支架間距（支架中心距）； mB 每架支架頂梁總長度； 3C 相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙 ； n 每架所 包含的組架的組數(shù)或框架數(shù)，整體自移式 支 架 n =1；整體邁步式支架 n =2；節(jié)式邁步支架 ， n =支架節(jié)數(shù)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 支架間距cb要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂連結(jié)塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為 1.5m,千斤頂連結(jié)塊位置在溜槽中長的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5m。 大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用 1.75m,輕型 支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用 1.25m。 本次設(shè)計 取 支架的中心距為 1.5m。 支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應(yīng)考慮支架的運輸、安裝和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動側(cè)護板，側(cè)護板行程一般為 170 200mm。其中寬面頂梁一般為 1200mm 1500mm，節(jié)式支架一般為 400mm 600mm。本次設(shè)計取支架頂梁的最小寬度為 1380mm,最大寬度為 1550mm,亦即頂梁側(cè)護板側(cè)推千斤頂?shù)男谐倘?170mm。 2.2 支架四連桿機構(gòu)的確定 2.2.1 四連桿機構(gòu)的作用 1梁端護頂 鑒于四連桿機構(gòu)可使托梁鉸接點呈雙紐線運動，故可選定雙紐線的近似直線部分作為托梁鉸接點適應(yīng)采高的變化范圍。這樣可使托梁鉸接點運動時與煤壁接近于保持等距，當(dāng)梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時，借此可以保證梁端頂板維護良好。 2擋矸 鑒于組成四連桿機構(gòu)的掩護梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內(nèi)破碎巖石所賦予的載荷，掩護梁一般做成整體箱形結(jié)構(gòu)，具有一定強度。由于它處在隔離采空區(qū)的位置，故可以起到良好的擋矸作用。 3抵抗水平力 觀測表明：綜采面給予支架的外載，不但有垂直于煤層頂板的分力，而且還有沿巖層層面指向 采空區(qū)方向（或指向煤壁方向）的分力，這個水平推力由液壓支架的四連桿機構(gòu)承受，從而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱彎曲變形。 4提高支架穩(wěn)定性 鑒于四連桿機構(gòu)將液壓支架連成一個重量較大的整體，在支架承載階段，其穩(wěn)定程度較高。 四連桿機構(gòu)在具有以上諸作用的同時，也有一些缺點。首先，支架在工作過程當(dāng)中，四連桿機構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸的加大和中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 重量的增加；其次，由于四連桿機構(gòu)對頂板產(chǎn)生一個水平力（又稱水平支撐力），因此對支架的工作性能將產(chǎn)生不良影響。 2.2.2 四連桿機構(gòu)設(shè)計的要求 1.支架 高度 在最大和最小范圍內(nèi)變化時，如圖 2.1所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬度 e 應(yīng)小于或等于 70mm，最好為 30mm以下。 2.支架 在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角 P 和后連桿與底平面的夾角 Q ，如圖 2.1所示，應(yīng)滿足如下要求：支架在最高位置時， P 5262， Q 75 85；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求 tan PW ，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù) W =0.3，則 P =16.7。為了安全可靠，最低工作位置應(yīng)使 P 25為宜。而 Q 角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取 Q 25 30，在特殊情況下需要角度較小時，可提高后連桿下鉸點的高度。 3.從圖 2.1中可知，掩護梁與頂梁鉸點 e 和瞬時中心 O之間的連線與水平線夾角為 。設(shè)計時，要使 角滿足 tan 0.35 的范圍，其原因是 角直 接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。 4.應(yīng)取頂梁前端點運動軌跡雙扭線向前凸的一段為支架工作段，如圖 2.1所示的 h 段。其原因為當(dāng)頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板阻止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應(yīng)減小，所以減輕了掩護梁的外負 荷。 從以上分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計四連桿機構(gòu)的運動軌跡時，應(yīng)盡量使 e 值減小，取雙扭線向前凸的一段為支架工作段。所以，當(dāng)已知掩護梁和后連桿的長度后，從這個觀點出發(fā)，在設(shè)計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構(gòu)，運用作圖法就可以了，如圖 2.2。 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 e1hPQoe= 30圖 2.1 四連桿機構(gòu)幾何特征圖 e圖 2.2 掩護梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu) 2.3 四連桿機構(gòu)的設(shè)計 四連桿機構(gòu)的設(shè)計的主要方法有：直接求解法、解析法、幾何作圖法等。本設(shè)計鑒于各種方法的優(yōu)缺點，采用了計算機求解的方式來求解。 在計算之前，先確定幾個值。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，取頂梁與掩護梁的絞點至上頂板的距離為 400mm , 要求雙紐線的偏擺量為 30mm ,后連桿下絞點至底座的距離為 900mm 。 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 2.3.1 四連桿機構(gòu)的電算法 1.目標(biāo)函數(shù)的確定 為了減少附加力，必須使得 tan 有較小值。同時，為有效的 控制 頂板，要求支架在某一高度時的 角，恰好是頂梁前端點的雙紐線軌跡上的切線與頂梁垂線間的夾角。所以，只要令支架由高到低變化時，頂梁前端點運動軌跡近似成直線為目標(biāo)函數(shù)，這兩項要求都能滿足。 2.四連桿機構(gòu)的幾何特征 四連桿機構(gòu)的幾何特征，如圖 2.3 所示 。 （ 1）支架在最高位置時， 1P 52: 62 ，即： 0.91 1.08: 弧度；1Q75 85:即 1.31: 1.48弧度 ；支架在最低位置時，保證 P1 25。 （ 2）后 1 連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為 I =0.45: 0.61;支撐掩護式為 I = 0.61: 0.82。 （ 3）前后連桿上絞點之距與掩護梁的比 值為 I10.22: 0.3。 （ 4） e 點的運動軌跡呈近似雙紐線，支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度 70e mm以下。 （ 5）支架在最高位置時的 tan 應(yīng)小于 0.35，在優(yōu)化設(shè)計中，對支撐掩護式支架最好應(yīng)小于 0.2。 3.四連桿機構(gòu)各部尺寸的計算 四連桿機構(gòu)各部參數(shù)如圖 2.3 所示，圖中的 1H 為支架在最高位置時的計算高度。令 ： oa2= A ; ab = B ; ab = C ; cd = D ; 2od= E ; ae = G ; eb = F ; 1Jo=S ; Je =L ; A IG; ab Iae 1;tan =SL=U 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 e圖 2.3 四連桿機構(gòu)參數(shù)圖 (1)后連桿與掩護梁長度的確定 如圖 2.3所示 ，當(dāng)支架在最高位置時的 H1值確定后，掩護梁長度 G為： 111s i n s i nHG P I Q （ ） （ ） （ 2.5） 后連桿長度為： A I G （ 2.6） 前后連桿上絞點之距為 ： B I G1 （ 2.7） 前連桿上絞點至掩護梁上絞點之距為： F G B （ 2.8） 從 式 （ 2.5）至 式 （ 2.8），可求 出多組后連桿和掩護梁的尺寸。為了簡化計算，對變量規(guī)定相應(yīng)的步長如下： 1P 的步長為 0.34弧度； 1Q 的步長為 0.34弧度；1I 的步長為 0.02； I 的步長，支撐掩護式為 0.042。若上述四個變量各向前邁 出五步，經(jīng)排列組合變得到 625組數(shù)據(jù)。此處，步長也可根據(jù)精度自行確定不必遵循此規(guī)定。 （ 2）后連桿下絞點至坐標(biāo)原點之距為 1E ，如圖 2.4所示 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 圖 2.4 四連桿機構(gòu)幾何關(guān)系 （ 3）前連桿長度及角度的確定 當(dāng)支架高度變化時，掩護梁上絞點 ,e 的運動軌跡為近似雙紐線，為使雙紐線最大寬度和 角盡量小，可把 ,e 點的軌跡視為理想直線，當(dāng)然實際上并非如此。但是，我們可以做到支架高度變化時，有三點在一條直線上，如圖 2.4所示，即：支架在最高和最低以及中間某一位置的三點。當(dāng)支架的最高和最低位置確定后，在直線上的最高和最低點就確定了。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng) ,e 點沿理想垂線由最高向最低運動時，后 連桿 與掩護梁的夾角由大于 90o 到小于 90o 變化，在夾角變化過程中，一定有一位置使后連桿與掩護梁呈垂直狀態(tài)，以這一特殊狀態(tài)為所求的中間某一位置，來確定直線上中間某一位置的點。 1）1b點坐標(biāo) 當(dāng)支架在最高位置 時 的計算高度為1H，此時1b點的坐標(biāo)為： 11c o sx F P（ ）（ 2.9） 1 1 1s i ny H F P （ ） （ 2.10） 2）2b點坐標(biāo) 支架 在最低位置時的計算高度為2H，此時2b的坐標(biāo)為： 22c o sx F P （ ）（ 2.11） 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 2 2 2s i n s i ny B P （ ） + A （ Q）（ 2.12） 根據(jù)四連桿機構(gòu)的幾何特征要求，支架降到最低位置時，2 2 5 3 0Q :為計算方便2 25Q ，即 0.436 弧度。 根據(jù)幾何關(guān)系2P為： 2212212c o sa r c t a nc o sG E A QPE A Q （ ）（ ）（ 2.13） 3）3b點坐 標(biāo) 當(dāng)支架的掩護梁與后連桿成垂直位置時，根據(jù)幾何關(guān)系，3b點坐標(biāo)為：33c o sx F P（ ）（ 2.14） 3 3 3s i n s i ny B P A Q （ ） （ ）（ 2.15） 式中 P3由下式進行計算： 132 2 21a r c t a n a r c t a n2EAPG G A E （ ）（ 2.16） 332QP（ 2.17） 4） c點坐標(biāo) 根據(jù)圖 2.4所示，支架在三個位置時四連桿機構(gòu)幾何關(guān)系確定后， c點就是以1b、2b、3b這三點 為圓 的圓心。所以，1 2 3cb cb cb為前連桿的長度。因此，可以用圓的方程求得前連桿長度。即： 2211ccC x x y y （ ） （ ） （ 2.18） 上式中cx、cy為 c點坐標(biāo)，可以按下列方程聯(lián)立求得 : 2 2 2 21 1 3 3c c c cx x y y x x y y （ ） （ ） （ ） （ ） （ 2.19） 2 2 2 23 3 2 2c c c cx x y y x x y y （ ） （ ） （ ） （ ） （ 2.20） 由式（ 2.19）和式（ 2.20）得： 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 2 2 2 2 2 2 2 23 1 3 1 2 3 2 3 2 3 3 13 1 2 3 3 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( ) ( ) ( )cx x y y y y x x y y y yxx x y y y y x x （ 2.21） 2 2 2 2 2 2 2 22 3 2 3 3 1 2 1 3 1 2 33 1 2 3 3 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( ) ( ) ( )cx x y y x x x x y y x xyx x y y y y x x （ 2.22） 令 : 2 2 2 23 1 3 1M x x y y （ 2.23） N 2 2 2 22 3 2 3x x y y （ 2.24） T 3 1 2 3 3 1 2 32 ( ) ( ) ( ) ( )x x y y y y x x （ 2.25） 把 式 （ 2.23）到 式 （ 2.25）帶入 式 (2.22)式得： 2 3 3 1( ) ( )c M y y N y yx T （ 2.26） 3 1 2 3( ) ( )c N x x M x xy T （ 2.27） c點坐標(biāo)求出后，前連桿 的 長度和角度就可以確定了。 （ 4）前連桿下絞點 的 高度 D和 四連桿機構(gòu)的底座長度 E。 當(dāng)前連桿 c點坐標(biāo)確定后， D和 E的長度為： cDy（ 2.28） 1 cE E x（ 2.29） 4.四連桿機構(gòu)的優(yōu)選 按上述方法可求出很多組四連桿機構(gòu)，并非所有的值都可以用，故要優(yōu)選。優(yōu)選的方法 是給定約束條件，對所計算出的各組值進行篩選，最終選出一組最優(yōu)的值來。 其 約束條 件 是 根據(jù) 四連桿機構(gòu)的幾何體特征要求 ， 以及支架的結(jié)構(gòu)關(guān)系，通過 對國內(nèi)外現(xiàn)有支架的調(diào)查統(tǒng)計 ， 得出的 約束條件如下 ： （ 1）前后連桿的比值范圍 根據(jù)現(xiàn)有資料的調(diào)查統(tǒng)計，前后連桿的比值 CA 0.9: 1.2范圍。 （ 2）前連桿的高度不宜過大，一般應(yīng)使 15HD。 （ 3） E的長度，一般應(yīng)使 E1H4.5. （ 4）對掩護式支架應(yīng)使 tan 的值 U 0.16 ；對支撐掩護式支架 02U. 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 tan 的值按下面的方法進行計算。 如圖 2.5所示，為支架在 最高位置時的幾何關(guān)系。 （ 1） a1點坐標(biāo) 4x= 11c o sE A Q（ 2.30） 41s iny A Q （ 2.31） （ 2）2o點55( , )xy坐標(biāo)為1( ,0)E（ 3）1cb直線的斜率 ： 111ccyyK xx （ 2.32） （ 4）2oa直線的斜率 ： 45245yyK xx （ 2.33） 由于 c 、 b1、 o1在同一條直線上，因此，1cb和 11bo直線的斜率相同，所以11bo直線的斜率為 ： 61161yyK xx （ 2.34） 同理直線11ao的斜率為 64264yyK xx （ 2.35）聯(lián)立（ 2.34）、（ 2.35）得： 1 1 1 2 4 4612K x y K x yx KK （ 2.36） 6 1 6 1 1y K ( x x ) y （ 2.37） 中國礦業(yè)大學(xué) 2006 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2