第一章 绪论

1.1液压支架的发展概况

1.1.1液压支架使用现状

液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在基本成熟，它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架，发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展和进步，液压支架设汁、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。

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，—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，移架速度达到6-8s／架。

1.1.2液压支架的发展趋势

下面作简单介绍。

1)前连杆的油缸的液压支架

新产品在不断的改进和研制中，在掩护式和支撑掩护式液压支架中的四连杆机构，克服了顶板作用在支架上的水平力，但当水平力过大时，不能让压，为了安全起见，掩护梁和前、后连杆的强度计算中安全系数比其他构件增加20％。为了解决此间题。日前国外正在设计一种前连杆带油缸的液压支架，油缸为双作用单伸缩，上下腔都带安全阀，当顶板水平力大于额定值时，油缸让压，液压支架达到新的平衡，从而在设计时可降低安全系数，减轻了液压支架的重量。

2)沿顶板移架的液压支架

为适应破碎顶板下使用液压支架的需要，设计了一种不在底板上移架的液压支架，即利用提起底座擦顶移架的液压支架，其底座与节式液压支架类似，为底靴式，质量较轻，架与架之间用液压千斤顶连接起来。

3)适用特种条件下的液压支架

(1)特厚煤层一次采全高液压支架。

(2)新型放顶煤液压支架。设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。

(3)水采支架。为适应水采工作面的支护需要，设计一种水采工作面液压支架。

(4)重型支架。为适应顶板压力特大的需要，还可将工作阻力设计成较大的液压支架。

(5)新型端头支架。为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作，既安全又可靠的新型端头液压支架。

(6)大倾角工作面支架。为适应煤层倾角小于等于的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。

4)液压支架结构设计的方向

（1）轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，使满足强度条件和配套的条件下，底座及顶梁尽量短些，使液压支架轻型化。

(2)标准化。为了减轻支架质量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性变小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。

(3)材质强化。提高结构性钢材的强度，采用优质钢材，减轻液压支架的质量，设计时可先进行技术经济比较，再选用合理的材质。

(4)高压化。各种阀类的压力等级加高．相应的强度增高液压支架的质量减轻。

5)操作自动化。使阀和油缸的体积减小，能适应无人采煤工作面的需要，设计远程操作的新型全自动液压支架。

1.1.3我国液压支架的状况

我国液压支架经过30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其至班产超万吨的记录．但总体水个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儿，存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，所用钢材的耐压能力一般为16MPa，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，供液管直径25—32mm，回液管直径25—50mm，最快移架速度为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。

我国科学工作者经过30多年的努力，液压支架的设计、制造水平在不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型已基本趋于成熟、完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比，差距越来越小。但在控制元件和控制系统方面，与先进国家的产品相比还有较大差距。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，还应在设计支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量大、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拾底座机构，并减少于斤顶的数量。另外，将普速采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/mim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。两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸的直径将增生360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。

1.2液压支架的分类

液压支架在采煤工作面的位置来划分，液压支架分端头液压支架和中间液压支架。端头液体支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面两端以外的采煤工作面上所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式与顶板相互作用的原理来划分，可分为3种基本类型，即：支撑式、掩护式、和支撑掩护式液压支架。支撑式液压支架又有垛式和节式之分。掩护式液压支架又有插腿式和非插腿式之分． 支撑掩护式液压支架又有四柱支在顶梁上和两柱支在顶梁上，一柱或两柱支在掩护梁上之分。

1)支撑式液压支架

支撑式液压支架有垛式和节式两种。

垛式支架的作用好像一堆木垛，所以叫它为垛式支架。垛式支架一般具有很长的顶梁。立柱的支撑力通过顶梁完全用于支撑顶板。垛式支架支撑力大．切顶性能好，稳定性较好．工作空间比较大，容易满足通风的要求。垛式支架由于顶梁较宽又长，移架时顶板暴露的面积较大，在直接顶比较破碎的顶板条件下使用很困难。所以垛式支架仅适用于顶板较坚硬和稳定的煤层。

节式支架由前后立柱、顶梁、底座组成一个框节。一架节式支架一般由两个框节组成，也有的由三节或更多的框节组成，所以叫它为节式支架。由于节式支架立杆的支撑力也是完全用于支撑顶板，所以它也属于支撑式支架。它与垛式支架相比，结构比较灵巧，质量较轻。移架时顶板暴露的面积较小，对顶底板的适应性较好，但是它的稳定性很差(容易倒架)。从现在支架发展情况来看，基本被淘汰。

2)掩护式液压支架

掩护式支架没有支撑部件即顶梁，只有掩护部件，立柱的承载能力完全用以承受掩护梁上的载荷(冒落的矸石)。所以称为掩护式支架。掩护式支架适于顶板特软、特破碎的煤层。

3)支撑掩护液压式支架

支撑掩护式液压支架的顶梁很长（与垛式支架的顶梁相似)，掩护梁很短，四根立柱组成垛式结构。这类支架对顶板的控制主要是立柱通过顶梁来支撑顶板，掩护梁只隔绝支架后面冒落的酐石，所以称为支撑掩护式液压支架，实质上它是加强挡矸装置的垛式支架。

1.3液压支架的工作原理

1.3.1 液压支架的用途

在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定空间，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、强度大、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织成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤作面产量、提高劳动生产率、降低成本、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、安全上可靠的实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。

1.3.2液压支架的动作原理及它的特性曲线形式

液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移4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的。其工作原理如图1.1所示。

图1.1  液压支架工作原理

1—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

(1)升柱。当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔。另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞扦相连接的顶梁紧密接触顶板。

(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，迫使活塞扦下降，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，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点，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，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，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1.2所示。

图 1.2  支架的工作特性曲线

t—初撑阶段；t—增阻阶段；t—横阻阶段；P—初撑力；P—工作阻力

当支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为3个阶段：支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，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；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，立柱下腔压力超过支架的安全阀调正压力，安全阀打开而溢流，立柱下缩，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，这样在安全阀调正压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。

1.4设计目的与设计要求

1.4.1 液压支架的设计目的

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。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。由于不同采煤工作面的顶底板条件、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．因此其设计工作量也是很大的。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。

1.4.2 设计时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。椎溜力一般为100kN；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100-150kN，中厚煤层 一 般为150-250kN，厚煤层一般300-400kN。

(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，照明和通信方便。

(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

(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。