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1、摘要我课题的研究内容是支撑掩护式液压支架的总体及推移千斤顶强度设计。现代长壁工作面采煤已经在开采区使用液压支架。液压支架不仅支撑顶板，推动刮板输送机工作面和自移式支架本身，而且还为相关的采煤设备提供一个安全的工作环境。因此正确的选择和应用液压支架是长壁工作面采煤成功的先决条件。此外，由于对液压支架需求数量很大，对液压支架的投资经常要占到长壁采煤工作面初始投资的一半以上。因此，从技术和经济两方面的观点看，液压支架是长壁采煤工作面设备中十分重要的一部分。支撑掩护式液压支架结合了垛式液压支架和掩护式液压支架的特点。所以，支撑掩护式液压支架具有以上两者所具有的优点。液压支架作为回采工作面的一种支护设备
2、，液压支架在工作过程中能否取得良好的支护效果，取决于支架的架型，结构和相关参数。首先，通过C语言程序确定支架的四连杆机构各杆系的长度；然后，以力学模型为依据，分析了液压支架的顶梁、掩护梁上载荷的作用机理，得到了较为合理的支架载荷的计算公式；其次，结合设计的支架，从平面和空间两方面对支架主要结构件进行受力分析；最后对支架主要结构件、掩护梁、推移千斤顶和立柱进行强度效核,并画出所有的机械图。关键词：支撑掩护式液压支架；顶梁；四连杆；推移千斤顶；强度 AbstractMy paper mainly foused on the problem which designs about a type of
3、 chock-shield support.Modern longwall mining employs hydraulic powered supports at the face area. The supports not only holds up the roof, pushes the face chain conveyor, and advances itself, but also provides a safe environment for all associated mining activities. Therefore its successful selectio
4、n and application are the prerequisite for successful longwall mining. Furthermore, due to the large number of units required, the capital invested for the power support usually accounts for more than half of the initial capital for a longwall face. Therefore both from technical and economic points
5、of view, the powered support is a very important piece of equipment in a long wall face.The chock shield combines the features of the chocks and the shields. As such it possesses the advantages of both.The hydraulic support is a part of the mining industry equipment in the mine, is used for protecti
6、on of working environment in the gallery. It works well or bad at work basing on its support mode, frame and some parameters. In the first, the length of every pole of the leading four-bar mechanism are determined by C Programming Language, the base of mechanic model of support-surrounding, the mech
7、anism and loads on the support is decided. The next work, with the condition of the design, the main mechanics of hydraulic support is analyzed and calculated by plane and spatial model. Finally, the under frame, top beam cave shield, T beams and columns are analyzed by calculation. And draw out all
8、 the process drawings.Key words: chock-shield hydraulic support; canopy; four-bar links; strength目录前言11概述21.1液压支架发展过程及现状21.2液压支架的应用31.2.1 液压支架的作用31.2.2 综采工作面的布置31.3液压支架的类型及其结构特点31.4支架的结构及工作原理41.4.1 液压支架的组成41.4.2 液压支架的工作原理71.4.3 液压支架工况分析91.4.4 液压支架立柱的工作过程101.5 液压支架设计的目的和要求121.5.1 设计目的121.5.2 对液压支架的基本
9、要求122液压支架整体结构分析及选型142.1支撑掩护式(ZZY)支架的特点及适用条件142.2液压支架基本结构部件选型142.2.1顶梁142.2.2 护帮装置形式的选择162.2.3 支架侧护板形式的选择172.2.4 底座182.2.5 推移装置的形式选择192.2.6 其他部件选择202.3主要参数设计202.3.1 支架的最大高度和最小高度202.3.2 梁端距和顶梁长度的确定212.3.3 支架的中心距和宽度222.3.4 底座长度222.3.5 底座宽度222.3.6 立柱位置的确定222.3.7其他附属设备的配套233液压支架四连杆机构设计243.1 四连杆的分类243.1.1
10、 分体式243.1.2 液压千斤顶式243.2 四连杆机构的力学影响及几何特征243.2.1 四连杆的力学影响243.2.2 四连杆机构的几何特征253.3电算法设计263.3.1 后连杆L1与掩护梁长度L4的确定263.3.2 确定其他各杆的长度263.3.3四连杆机构的选优273.4C语言程序编制293.5 立柱和千斤顶位置的确定313.5.1 立柱的布置313.5.2 立柱柱窝位置的确定323.5.3 侧推千斤顶位置的确定343.6通风断面的验算344液压支架受力分析364.1液压支架基本技术参数的确定364.2数学模型的建立384.2.1 与之间的关系394.2.2 受力分析计算404
11、.3 支护强度和底座接触比压444.3.1 实际支护强度计算444.3.2 底座接触比压计算444.4C语言程序编制455 主要零、部件的强度校核475.1校核的基本要求475.2 掩护梁强度验算485.2.1 掩护梁485.2.2掩护梁强度校核485.3立柱强度的校核535.3.1立柱535.3.2 立柱稳定性校核545.3.3 活塞杆的强度验算555.3.4 验算缸体厚度565.4推移千斤顶缸筒和缸盖焊缝的强度计算575.4.1 缸筒壁厚验算585.4.2活塞杆的强度验算586液压控制系统选型设计616.1液压支架控制方式616.2电液控制系统616.2.1 电液控制系统的组成616.2.
12、2 控制功能626.2.3 电液控制系统的工作原理636.3支架液压系统63经济技术分析66结论67致谢68参考文献69附录70附录AC语言程序编制70A.1支撑掩护式液压支架四连杆机构优选设计程序70A.2液压支架受力分析优化程序73附录B中华人民共和国煤炭行业标准（部分）76B.1液压支架立柱千斤顶内径及活塞杆外径系列（MT/T94-1996）76B.2液压缸活塞行程系列79译文80外文文献84前言我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，煤炭生产的高产高效和现代化是当今国际煤炭工业的发展方向，也是我国煤炭行业的必然选择，这就要求大力发展综合机械化采煤。综合化采煤方法是高校安全的采煤方法，而液
13、压支架是综合机械化采煤方法中的最重要的设备之一。从消化引进设备开始，到我国能独立设计、研究和制造液压支架，我们已经积累了丰富的经验，对这些经验进行总结和提高势在必行。在采煤工作面的煤炭时间生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架的是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、
14、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理，安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。液压支架在工作面工作时，为了及时保护，采用先移架后推溜的工作方式一个循环包括降柱，移架，升柱，推溜等四个动作。随着采煤机的前进，按次序搬动操纵阀，使顶梁下降，支架前移，到达预定位置后，顶梁升起，支护顶板。再通过支架的推移千斤顶，又将输送机推向煤壁，完成整个采煤过程。1概述1.1液压支架发展过程及现状图1.1 综采工作面设备布置图Fig .1-1 Fully mechanized coal face equipment layout1-采煤机；
15、2-液压支架；3-可伸缩皮带运输机；4-转载机；5-工作面可弯曲刮板机；6-主进液管；7-主回液管；8-乳化液泵；9-乳化液箱；10-端头支架；11-单体液压支架液压支架是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，分散布置在整个采煤工作面上，液压支架是以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它能实现支撑、切顶、自移的推溜等工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板机运输机组成回采工作面的综合机械化设备。由于液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点，所以，它的使用能增加采煤产量、提高劳动生产率、降低开采成本、减轻工人的劳动强度和保证生产安全等。 因此，液压支架是实现采煤综合机械
16、化和自动化不可缺少的主要设备。作为综采工作面关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。50年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架(具有四连杆机构)，解决了支架梁端距变化大且不能承受水平力的问题，开辟了液压支架设计的新时代：70年代主要是“立即支护”方式；80年代以来，为提高生产率和降低生产成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高。我国从1958年开始设计掩护式支架，从1964年开始由专门研究室全面开展架型及阀类的攻关，1970年在山西大同首次全工作面装备了TZ-1
17、40型垛式液压支架。至70年代中期，研制了QY型掩护支架和ZY35型支撑掩护支架。80年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大吨位TZ-720型支架，分层开采自动铺联网支架、放顶煤液压支架及大流量安全阀和操纵阀等。到目前为止，适于我国高产高效的国产液压支架有20余种架型，其中用于缓倾斜中厚煤层和缓倾斜厚煤层的各占一半。适用于缓倾斜厚煤层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支架、一次采全高支架和放顶煤支架三大类。1.2液压支架的应用1.2.1 液压支架的作用液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件(油缸和阀件)与一些金属结构件组合而成的支撑和控制顶板的支护设备。其作用是：(1)对采煤工作面工作空间的顶
18、板进行有效的支护。(2)随着采煤工作面的推进，支架本身可以向前移动，防止支架后部垮落的矸石窜入工作空间。(3)推移工作面运输机。1.2.2 综采工作面的布置综合机械化采煤设备在工作面的布置情况如图1-1所示，其中主要设备有：用于破煤和装煤工作的滚筒式采煤机1(也可用刨煤机)，进行运煤的工作面可弯曲刮板运输机5和顺槽运输设备(转载机4和可伸缩皮带运输机3)，用以支护顶板的工作面液压支架2和端头支架10及单体液压支柱11，设在下顺槽的乳化液泵站(包括乳化液泵8和乳化液箱9)，以及由乳化液泵站引入工作面的主进液管6和主回液管7等。1.3液压支架的类型及其结构特点支撑式支架液压支架掩护式支架垛式支架节
19、式支架单铰式掩护支架四连杆式掩护支架支撑掩护式支架到目前为止，世界各主要产煤国家对液压支架仍没有一个统一的架型分类标准。根据支架与围岩的相互作用，一般将液压支架分为三大类，即支撑式支架的特点是：顶梁较长，其长度多在4m左右；立柱多，一般46根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置，以平衡水平推力和防止矸石串入支架工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易串入支架工作空间；支架的工作空间和通风断面大。支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平
20、力小的条件。掩护式支架的特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业工作空间；底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力；立柱较少，一般为2根，倾斜布置，以增加支架的调高范围；支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封；顶梁较短。掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。支撑掩护式支架是在
21、吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的特点和性能，可适应各种顶底板条件。支撑掩护式支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。1.4支架的结构及工作原理1.4.1 液压支架的组成液压支架一般由承载结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。(1) 承载结构件 顶梁直接与顶板相接触并承受顶板载荷的支架部分叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、管理顶板功能。顶梁一般由两种结构形式：一种为整体顶梁，这种顶梁的梁体较长，结构简单，能顺利通过顶板局部冒落凹坑，但对顶板台阶的适应能
22、力差；另一种为分段顶梁，即顶梁分为前梁和后梁两部分，前梁又可分为伸缩式活动前梁、铰接式活动前梁或兼而有之的活动前梁。由于分段顶梁铰接处的纵向间隙和销轴可以允许各段之间相互有稍许扭转，因而比整体顶梁容易满足港督要求。伸缩式活动前梁可在伸缩千斤顶的作用下向煤壁方向伸出和缩回，及时支护采煤机割煤后所暴露的顶板，实现立即支护。当采煤工作面出现较严重的片帮时，伸缩梁可直接插入煤壁进行支护。因此，在顶板破碎、片帮现象严重的工作能，多采用带伸缩式活动前梁的支架。铰接式活动前梁又称摆梁，即在前梁千斤顶的作用下，可沿与顶梁铰接的铰接轴向上或向下摆动一定角度，以改善支架的接顶情况，从而可提高支架对靠近煤壁顶板的支
23、撑能力。 掩护梁阻挡采空区冒落的矸石窜入工作面并承受采空区冒落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的特征部件之一。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。当底板不平时，掩护梁还将承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱式整体结构，也有做成左、右对分结构的。 前后连杆前后连杆只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。前后连杆与掩护梁、底座组成的四连杆机构，即可承受支架的水平分力，又可使掩护梁的铰接点在支架的调高范围内做近似的直线运动，使支架的梁端距基本保持不变，从而提高了支架控制的可靠性。前后连杆一般采用箱形分体式结构，即左、右各一件。后连
24、杆常常用钢板将两个箱形结构连接在一起。 底座直接与底板相接触，承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件叫底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。侧护板目前生产的掩护式和支撑掩护式支架都具有较完善的侧护装置，不仅掩护梁两侧有侧护板，而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后端的两侧也有侧护板。侧护板的作用是：a.消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；b.作为支架移架过程中的导向板；c.防止支架降落后倾倒；d.调整支架的间距。支架工作时一侧的侧护板是固定的，另一侧为活动的。制造时，通常两侧侧护板做成对称的；安装时，可按需要将一侧侧护板用螺栓或销子
25、固定在顶梁和掩护梁上。按侧护板和掩护梁或顶梁上板面关系，侧护板有上复式、埋伏式、抽出式和拆页式等几种结构型式。(2) 执行元件执行元件包括立柱和各种千斤顶。 立柱支架上凡是支撑在顶梁（或掩护梁）和底座之间直接或间接承受顶板载荷、调节支护高度的液压缸称为立柱。立柱式液压支架的主要动力元件，可分为单伸缩和双伸缩两种。单伸缩立柱调高范围较小，但结构简单、成本低；双伸缩立柱则与之相反。有的立柱两端还有机械加长段。立柱两端一般采用球面结合形式与顶梁和底座铰接。 千斤顶液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶，依其功能分别为前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁
26、千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，所以结构与立柱基本相同，只是长度和行程较短，也有人称它为短柱。平衡千斤顶是掩护式支架独有的，其两端分别与掩护梁和顶梁铰接，主要用于改善顶梁的界定接顶状况，改变顶梁的载荷分布。当支架设置防倒防滑装置时，还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。(3) 控制元件液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。 安全阀安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀，可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力来调整开启压力
27、。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力，即超过安全阀的调定压力时，工作腔内的压力液可通过安全阀释放，达到卸压目的。卸载以后，工作腔内的压力低于调定压力时，安全阀自动关闭。在此过程中，可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。 液控单向阀液控单向阀是液压支架的重要元件之一。它的作用是闭锁立柱或千斤顶的某一腔中的液体，使之承受外载产生的增加阻力，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力。液控单向阀往往和安全阀组合在一起，组成控制阀。 操纵阀在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作换向（分配）阀，习惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀二种类型。(4)
28、辅助装置辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。 推移装置推移装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置，由连接头、框架、推移千斤顶组成。推移千斤顶一端与支架底座相连，另一端通过框架、连接头与刮板输送机相连。 挡矸装置挡矸装置由悬挂在顶梁后端的挡矸帘或挡矸板构成，其作用是防止矸石从采空区涌入工作面。 复位装置复位装置是支撑式支架的特征装置。这是由于支撑式支架的顶梁、前后立柱和底座恰好形成四杆双曲柄机构，因而支架的结构是不稳定的，在侧向力的作用下，容易发生立柱倾斜现象。安设复位装置的目的就是为了使支架立柱保持在垂直于顶板的正确位置，使支架的结构稳定，具有抵抗顶板水平
29、分力的能力。 护帮装置煤层较厚或煤质松软时，工作面煤帮（壁）容易在矿山压力下崩落，这种现象称为片帮。工作面片帮使支架顶梁前端的顶板悬露面积增大，引起架前冒顶。我国规定，煤层采高超过2.52.8m，支架应设护帮装置，其目的在于防止煤壁片帮或在片帮时互帮板起到遮蔽作用，避免砸伤工作人员或损坏设备。护帮装置安设在支架顶梁前端，由护帮板和护帮千斤顶组成。 防倒防滑装置在煤层倾角较大（一般在15以上）时，支架需加设防倒防滑装置，以免支架降落或前移时倾倒或下滑。防滑装置一般安设在两相邻支架的底座侧面，防倒装置一般安设在两相邻支架的顶梁侧面。1.4.2 液压支架的工作原理 图1-2 液压支架工作原理Fig
30、.1-2 Hydraulic works1输送机； 2推移千斤顶； 3立柱；4安全阀； 5液控单向阀； 6操纵阀液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成。如图1-2所示。(1) 升柱当需要架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升。使活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。(2) 降柱当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。(3) 支架和输送机前移支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液体进
31、入千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机的为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-3所示。支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可以分为三个阶段。升柱时高压液体进入立柱的下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段t；此时支架的初撑力为, KN (1-1) 式中 D支架立柱的缸径，m； p泵站的工作阻力，； n支架立柱
32、的数量。支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段；随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀调正值时，安全阀打开溢流，立柱收缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段，此时支架的工作阻力为, KN (1-2) 式中 p支架安全阀的调定压力，； 其它符号意义同前。支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。图 1.3 支架的工作特性曲线Fig .1-3 line of support work chara
33、cteristict初撑阶段；t增阻阶段； t横阻阶段；P初撑力； P工作阻力1.4.3 液压支架工况分析液压支架是以乳化液泵站的高压液体为动力，通过液控系统，按要求使支架及附属装置完成支撑、降柱、移架、推移输送机以及防护等动作，从而实现支护工作机械化。其中卸载、降柱、推移和升柱支架是液压支架的主要操作工序，而支架之间的相对移动、支架及部件在空间里保持规定的位置和前梁伸缩等为辅助操作工序。这些辅助工序可与其中一种主要工序同时进行，或者单独进行。但调整支架应在降柱后升柱前进行，即在移架前后或移架过程中进行。液压支架支撑过程中，在操纵阀关闭前后(或供液系统关闭前后)，工作面顶板与支架顶梁的主被动关
34、系发生了变化。因此支架的支撑过程可分为主动支撑(初撑阶段)和被动支撑阶段(承载阶段)两种工况。在液压支架降柱开始时，随着封闭高压腔的液控单向阀快速开启，经常出现瞬态的液压冲击。故支架的降柱过程可分为卸载冲击和正常降柱两种工况。由于卸载降柱、推移和支撑操作工序对支架的移架速度、支护状态和支撑性能起着决定性作用。所以在研究支架动特性时，把卸载冲击、正常降柱、移架、推移输送机、主动支撑和被动支撑作为独立的基本工况。在长壁回采工作面，为了提高支架推进速度以适应采煤机的生产能力，往往安排几名支架操作工。同时沿着工作面长度方向的顶底板地质条件必然存在一定的差异，故对于工作面不同液压支架来说，既可出现相同的
35、基本工况，也可能出现不同的基本工况，且在时间和空间上都有一定的随机性。对于每台液压支架来说，既有立柱控制回路，又有推移千斤顶控制回路，因此可能出现不同基本工况的组合，如降柱与移架、升柱与推移输送机等。1.4.4 液压支架立柱的工作过程液压支架对顶板的作用过程主要取决于其立柱的工作过程。立柱的工作过程是在液压控制系统支配下进行的，图1.4所示为最基本的立柱控制回路。图1.5所示为立柱的工作过程。图1.4 基本的立柱控制回路Fig .1-4 Basic control loop column1.立柱 2.安全阀 3.液控单向阀4.换向阀O.回液管 P.高压管图1.5 液压支架立柱工作状态示意图Fi
36、g .1-5 State diagram of leg work (1)升柱初撑阶段把操纵阀置于的位置后，来自泵站的高压液打开液控单向阀进入立柱下腔使支架升起。从打开操纵阀到支架顶梁接触到顶板为升柱过程，立柱活塞腔压力从Po增到Ps，所需时间为ts，从顶梁接触顶板到关闭操纵阀为初撑过程，立柱活塞压力从Ps增到Pc，所需时间为tc(主要取决于支架液压系统特性和支架操纵工的主观判断，有一定的随机性)。Po是操纵阀打开前立柱活塞腔压力，Ps是升柱过程中克服运动阻力和立柱、顶梁等自重所需的压力，Pc是初撑结束时立柱活塞腔压力，其值取决于液压系统特性和初撑时间tc也有一定的随机性。通常将Pc与立柱活塞腔
37、面积的乘积成为立柱的初撑力，而将支架所有立柱初撑力之和与支撑效率的乘积称为支架的支撑力。当Pc达到泵站额定压力时，对应的初撑力称为额定支撑力。所谓支撑效率是指支架的有效支撑力与所有立柱在液体压力作用下产生的作用力之和的比值。有效支撑力不仅受立柱布置的影响，而且随着有效外载荷在顶梁上作用位置的变化而变化。客观地说，所有支架在任何工况下的支撑效率都小于1。从设计和使用的角度来看，希望Pc接近或达到回采工作面泵站压力，然而事实上是难以实现这一愿望。根据流体静力学原理，只要初撑时间tc足够大，Pc可以到达泵站压力，但是在实际生产中，支护速度必须满足牵引速度的要求。因此，允许的初撑时间tc很短，不可能使
38、支架初撑力达到设计要求。对于多数支架来说，如果要使Pc达到泵站压力，所需时间tc往往是ts的数倍。认为初撑阶段压力急剧线性增加的观点与客观实际有一定的差异。这是因为顶底板及支架顶梁、立柱等随着压力的增加会产生一定的弹性变形。同时也与泵站到立柱活塞腔的复杂液控系统特性有关。因此出现了初撑力保证系统和自动增压初撑系统等。在计算移架速度时，升柱初撑时间为tc与ts之和。在分析和计算过程中不考虑tc是不符合实际情况的。但对于具有初撑力保证系统或自动增压初撑系统的立柱控制回路，升柱初撑时间应为打开操纵阀到关闭操纵阀的实际所需时间，其值一般应略大于tc，由此可见初撑力保证系统或自动增压初撑系统可以解决同时
39、要求快速移架和提高初撑力的矛盾。(2)增阻承载阶段把操纵阀置于中位时，立柱活塞内的压力液体被液控单向阀封闭，从而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板的逐渐下沉，立柱活塞腔内的液体受到进一步压缩，其压力也随之升高，使支架对顶板产生更大的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉。顶板的下沉规律不仅取决于顶板岩层本身的结构特征，而且也受支架对顶板初始支撑力大小的影响。足够大的支架支撑力，可以最大限度地保持顶板的稳定，从而减慢或延缓顶板的下沉。一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架多顶板支撑力缓慢增加。但在相邻支架处于降柱工序时，支架对顶板的支撑力会发生急剧上升。对于大多数支架，在增阻承载阶段其支撑力缓慢增加时，一
40、般不会超过安全阀的调定压力Pt，而是先缓慢增加到Pz1，在邻架降柱移架时急剧上升到Pz2。其值能否达到或超过Pt，取决于许多因素。当然如果在增阻承载阶段发生顶板垮落或周期来压等情况时，应另当别论。(3)溢流承载阶段在顶板不断下沉或发生顶板来压时，支架对顶板的支撑力会急剧上升，并超过安全阀的调定压力Pt。此时，安全阀开始溢流，使立柱活塞腔内的压力基本上恒定于安全阀的调定压力Pt。需要指出的是溢流承载阶段可能发生在相邻支架移架前或后，有一定的随机性。图1.3所示为相邻支架降移后立柱活塞腔压力Pz2略超过Pt的溢流承载过程。Pz2与Pt的差值取决于顶板的下沉速度或者来压的强烈程度，同时取决于安全阀的
41、溢流特性。对强烈的顶板周期来压，该差值会很大，有时会导致立柱结构或控制回路的破坏或失效。这主要是由于安全阀的溢流速度太慢而不能适应顶板压力来变化。故在易发生强烈周期来压的工作面，必须使用装设有大流量安全阀的液压支架。溢流承载过程中，立柱活塞腔压力有微小的波动，体现了安全阀的启闭特性。某些支架在特定的工作循环内，可能不会出现溢流承载阶段。(4)卸载降柱阶段在采煤机割煤后，必须支护新裸露的顶板，故要卸载降柱。当把操纵阀置于II的位置后，泵站来的压力液进入立柱活塞杆腔，同时作用与液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解除对立柱活塞腔液体的封锁，允许其经回液管路流到回液箱。故立柱的活塞可以回缩，支
42、架降落离开顶板，其降柱时间tj主要取决于降柱行程。较小的降柱行程不仅可以减小降柱时间tj，而且可以缩短升柱时间ts，故对移架速度有着重要意义。具有擦顶带压移架液控系统的液压支架，只需卸载时间tx和初撑时间tc，而不需升柱时间ts和降柱时间tj，可见擦顶带压移架不仅可以防止破碎顶板漏顶，而且有利于提高移架速度。但移架阻力会有很大增加，需要配合能产生较大移架力的机构和液控系统。如果移架力不是足够大，反而会增加移架的时间，从而影响以加速度。需要指出的是立柱的卸载过程极短(tx一般仅为0.2 s左右)，且存在着瞬态的高频液压冲击。这主要是由于封锁高压液体的液控单向阀的快速关闭引起。顶底板、支架顶梁及立
43、柱等的弹性变形对卸载冲击有不利影响。1.5 液压支架设计的目的和要求1.5.1 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。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。由于不同煤层的底板结构、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，液压支架设计的工作是非常重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是很大的，由此可见，研制和开
44、发新型液压支架是必不可少的一个环节。1.5.2 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，以便有效的控制顶板，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100KN150KN，中煤层一般为150KN至250KN，厚煤层一般为300KN400KN。(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
45、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，结构要简单。(12).液压元件要可靠。2液压支架整体结构分析及选型2.1支撑掩护式(ZZY)支架的特点及适用条件支撑掩护式支架是以支撑为主，同时兼有掩护作用的支架。它的特点是：(1)支撑能力大，顶梁受力状态好，切顶性能强；(2)具有掩护梁，能有效地将工作空间和采空区隔开，防止矸石窜入；(3)支架稳定性较好，有较大的工作空间，便于通风和行人；(4)结构比较复杂，钢材用量多，造价高。支撑掩护式支架是在
46、支撑式支架与掩护式支架后发展起来的一种支架。它可用在破碎顶板、中等稳定顶板，稳定顶板和松软底板等条件下均可应用。由本设计原始条件：老顶III级、直接顶2类 可确定支架类型为支撑掩护式；2.2液压支架基本结构部件选型2.2.1顶梁(1)功能：支撑、维护和覆盖顶板，为工作面创造安全的工作空间;将立柱的支撑力传递至顶板，并给予合理地分布；对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用；对无立柱空间的顶板起支撑作用同时为护帮、防倒装置等提供依托。 (2)顶梁的结构形式与选择 支架常用顶梁形式有3种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。 整体顶梁(如图2-1)图2-1 整体顶梁Fig .2-1 Integrated roof整体顶梁的特点是：结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端(8001000mm)一般上翘13。 铰接式顶梁(如图2-2)在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前
