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基于ADAMS仿真軟件的液壓支架四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
摘要：在設(shè)計一個大傾角的工作面液壓支架時，提出了一種四桿連機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點,并使用ADAMS軟件應(yīng)用于四連桿機構(gòu)的建模與仿真。為了達到最佳效果,實現(xiàn)參數(shù)化的建模和優(yōu)化,設(shè)計結(jié)果要滿足實際要求的才好。通過這種虛擬設(shè)計的方法，可以降低誤差及其設(shè)計效率能得到有效的改善。
關(guān)鍵詞：液壓支架；四連桿機構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；ADAMS仿真軟件
1.簡介
四連桿機構(gòu)是掩護式液壓支架或支撐掩護式液壓支架至關(guān)重要的一個組成部分。它的功能有兩個方面: 第一，幫助液壓支架的立柱上升或降低，頂梁的前端差不多是垂直的上上下下移動， 如此可以在煤壁和頂梁的前緣之間保持一段差不多恒定的沒有支撐的距離。對于頂板的控制來說，這是被廣泛地認為非常合乎需要的一個特點。第二，液壓支架要能承擔(dān)更大的水平方向的載荷。
在設(shè)計一個大斜傾角度的液壓支架時，四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是一個重要工作。四連桿機構(gòu)的的尺寸直接影響液壓支架的性能和地位。在傳統(tǒng)的四連桿機構(gòu)設(shè)計中，BASIC 程序被用于去計算設(shè)計，但是其結(jié)果經(jīng)常不能滿足設(shè)計要求，并且不能獲得這個最佳的解決問題的辦法。目前，ADAMS 軟件被越來越多的廣泛地在機械力學(xué)領(lǐng)域方面使用。因此，為了得到一個最佳的解決問題的設(shè)計辦法，本文利用ADAMS軟件建模和模擬四連桿機構(gòu)的之間的關(guān)系。
2.四連桿機構(gòu)的尺寸計算
2.1. 四連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性
(1) 如圖1所示，當(dāng)液壓支架從最底位置伸到最高位置時，其雙紐線運動軌跡的最大寬度小于或等于70毫米，最好應(yīng)該不到30毫米。
圖1 四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征
(2)如圖1四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征所示，P角為頂梁與掩護梁之間的夾角，Q角是后連桿與水平線之間的夾角。P角與Q角應(yīng)該滿足以下要求。當(dāng)支架伸到最高位置時，P≤52°~62°，Q ≤ 75°~85°。當(dāng)支架在最低位置時，tanP>W，根據(jù)摩擦學(xué)理論，它能使巖石落下地并且用掩護梁擋住巖石防止其落在工作區(qū)。鋼材和巖石的摩擦系數(shù)W是0.3，即P=16.7°。當(dāng)支架在最低的位置時，為了保障安全性，P>25才是合理的。在后桿底部和底座之間的有一段距離，Q≥25°~30°。
(3)如圖1四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征所示，θ角是水平線與從e1點到瞬時中心O的直線之間的夾角，e1點是掩護梁與頂梁連接的鉸點。在支架的設(shè)計中，θ角應(yīng)該滿足的條件：tanθ ≤0.35，其直接影響支護的增量力。
2.2.四連桿機構(gòu)的尺寸計算
；；；；；；
；；；；；
圖2 四連桿機構(gòu)參數(shù)
1) 后連桿與掩護梁的長度計算
如圖2所示,如果H1被確定，掩護梁的長度：
（1）
后連桿的長度
（2）
前、后連桿上鉸點之距為：
（3）
前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距為：
F =G—B （4）
如圖3所示，在后連桿和坐標原點的在底部連接點之間的距離是E1。
圖3 四連桿機構(gòu)幾何關(guān)系
2） 前連桿長度及角度的確定方法：
b1的坐標
當(dāng)支架在最高位置時的計算高度為H1，此時b1點的坐標為：
( 5 )
( 6 )
b2的坐標
支架在最低位置時的計算高度為H2，此時b2點的坐標為：
（7）
（8）
根據(jù)四連桿機構(gòu)幾何特征要求，支架降到最低位置時，Q2≥25°~30°。為了計算方便，令Q2=25°。
（9）
b3點坐標
當(dāng)支架的掩護粱與后連桿成垂直位置時，根據(jù)幾何關(guān)系b3點的坐標為:
（10）
（11）
（12）
（13）
c點坐標
為前連桿的長度，因此，可以用圓的方程求得前連桿的長度。
（14）
c點坐標是:
（15）
（16）
c點坐標求出后，前連桿長度和角度就可以確定了。
3) 前連桿下鉸點的高度D和前、后連桿下鉸點在底座上的投影距離E
當(dāng)前連桿c點坐標確定后，D和E的長度為：
D=yc （17）
E=E1—xc (18 )
對于大傾角的液壓支架來說，當(dāng)傾斜角度增大時，液壓支架的重力線，或者對頂板的壓力和自身重力將背離支架底座，那些將沿支架軸向方向的力，將產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的一個力矩，導(dǎo)致支架倒下。根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系和力矩平衡狀況，結(jié)論是要使支架不倒的情況為 Qr ≤G。因此，煤壁的傾角a是決定液壓支架不會倒下的因素。
(19)
式中，Q是作用在頂板上的力，N是支架底座的寬度，H是支架的使用高度，h是支架質(zhì)量的中心的高度。
設(shè)計的大傾角的液壓支架，它的最大支護高度為2600mm，支架的支護高度應(yīng)滿足在大傾角煤壁條件下的支架要求，支架的計算高度H1應(yīng)該增加到2118mm。
使用程序以傾斜射線作為目標函數(shù)，下面結(jié)果可以被獲得。
，，，
，，，
，，，
，.
3.四連桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)優(yōu)化
3.1.四連桿機構(gòu)的建模和雙紐線的模擬
ADAMS軟件，即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析，該軟件是MDI公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。
通過程序可以計算和繪出如圖2和實體尺寸，通過ADAMS軟件可以建立四連桿機構(gòu)的模型。選擇中心點O為基準， 與x軸一致， 與y軸一致，如圖4所示。
圖4 四連桿機構(gòu)的簡單模型
模型建立以后，使用限制條件(關(guān)節(jié))工具條加進連接點旋轉(zhuǎn)對，和旋轉(zhuǎn)工具 線加進連接點旋轉(zhuǎn)對形成輪狀的對和研磨連結(jié)點。最后既定的模擬條件，通過ADAMS/PostProcesser軟件跟蹤的e1點，它類似于雙紐線軌跡如圖5所示。
圖5 e1點的雙紐線軌跡
由于上述分析，這條雙紐曲線軌跡不能滿足設(shè)計要求。它應(yīng)該考慮到θ角度對頂梁上的力和大傾斜角度的工作面液壓支架的影響。降低支架的最大高度并且選擇較小的角度θ的位置 ,選擇垂直高度在927mm~1673mm范圍內(nèi)的曲線，作為頂梁的前緣的運動軌跡。
3.2.四連桿機構(gòu)的建模和最優(yōu)化的參數(shù)確定
因為考慮到計算的值并不是由模擬和分析引起的最佳的結(jié)果，最佳的設(shè)計連桿尺寸是由建模中的參數(shù)所獲得，所以能滿足設(shè)計要求的最佳的結(jié)果。
在確定參數(shù)的建模期間，每個連接點被調(diào)整成為變量，并且每個變量的設(shè)計結(jié)果通過分析變量可以從中獲得，如下表格1中所示。
表格1 設(shè)計結(jié)果
設(shè)計變量
設(shè)計點
坐標
原值
（mm）
精度
（mm）
優(yōu)化結(jié)果（mm）
1
1點
Y
367.3
4.4
265
2
2點
X
421.91
-2.3
478
3
3點
X
981.96
0.46
1006.5
4
4點
Y
814.88
-5.9
835.25
5
5點
X
756.22
-3.5
829.40
6
6點
Y
1001.99
0.86
1024
7
7點
X
-52.36
0.86
12.10
8
8點
X
0
0.44
10.2
9
9點
Y
0
0.375
-9.58
觀察設(shè)計變量在設(shè)計中的影響和范圍。通過MSC.ADAMS/View軟件提供各種圖的解析作為研究報告，這包括設(shè)計變量的準確性。如上表格1所示的設(shè)計結(jié)果那樣，點1，點2，點4，點6的靈敏度較大。這暗示著這4個變量對最優(yōu)的結(jié)果影響也較大。設(shè)置4個準確性更加大的設(shè)計點， 采用ADAMS/PostProcesser軟件一起改變每個設(shè)計點的曲線，然后通過比較并選出最優(yōu)的分析結(jié)果。通過操作優(yōu)化程序，四個設(shè)計點被優(yōu)選出來得到最好的結(jié)果。最終四連桿機構(gòu)的最優(yōu)的實體尺寸通過分析和計算得到。
，，，
，，，
，，，
，。
通過ADAMS軟件，根據(jù)計算的四連桿尺寸的模型，然后通過軌跡模擬分析各連接點，如下圖6中所示。
圖6較完善的軌跡曲線
通過分析四連桿機構(gòu)的尺寸優(yōu)化的結(jié)果完全滿足液壓支架的設(shè)計要求。
4. 結(jié)論
使用先進的ADAMS軟件不僅取得四連桿機構(gòu)模型的確定參數(shù)，運動軌跡模擬和最優(yōu)化的大傾斜角的工作面液壓支架的設(shè)計的參數(shù)，而且分析有關(guān)組成部分的運動狀態(tài)。盡可能完善液壓支架的優(yōu)化設(shè)計，完全滿足實際大傾角液壓支架使在復(fù)雜條件下的最大要求， 因此基于ADAMS軟件優(yōu)化的結(jié)果證明液壓支架的四連桿機構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計的可行性。
致謝
感謝中國的第十一個五年計劃里國家關(guān)鍵技術(shù)和計劃的工程給予這篇文章的支持。
參考文獻
[1] 毛耀華著，液壓支架的四連桿機構(gòu)計算機輔助設(shè)計，煤炭工業(yè)出版社，第06卷，2007年，第51-54頁。
[2]戴維斯，教長(猶他州大學(xué)) ,漢森，克雷格，機械工程師，基于ADAMS軟件的風(fēng)輪機建模的前景。
[3]王國標，高榮，液壓支架的雙紐線運動學(xué)分析與優(yōu)化方法，
遼寧技術(shù)大學(xué)，第3卷的雜志，1991，第49-53頁 .
[4]韓曉鋒，胡鄧高，凡訊等著，液壓支架的四連桿機構(gòu)的三尺寸的模型和動態(tài)的動畫，煤炭工業(yè)出版社， 2006年9月，第67-68頁 。
[5]張安晉，大傾斜液壓支架防護技術(shù)，第25卷，煤炭工業(yè)出版社， 2006年9月，第78-80頁。
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
任務(wù)下達日期： 20** 年 2 月 28 日
畢業(yè)設(shè)計日期： 20** 年 3 月 7 日至 20** 年 6 月 10日
畢業(yè)設(shè)計題目：中厚煤層支撐掩護式液壓支架設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計專題題目：
畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：
主要內(nèi)容：
支撐掩護式液壓支架的設(shè)計：
1、液壓支架的緒論、原理、發(fā)展等；
2、根據(jù)圍巖性質(zhì)、煤層賦存條件、初選配套設(shè)備的相關(guān)尺寸，確定支架基本架型及支架結(jié)構(gòu)；液壓支架的基本參數(shù)確定及其尺寸計算；
3、液壓支架的受力分析合強度校核 ；
4、液壓支架的設(shè)計。
基本要求：
工作阻力4000KN，最小高度1.7m，最大高度3.5m，中心距1.5。完成主要部件、組件及主要零件工作圖的設(shè)計，編寫完成整機設(shè)計計算說明；設(shè)計圖紙量折合成A0圖紙不少于3張，并完成設(shè)計說明書，要求說明書正文不少于70頁,要有英文相關(guān)文章的翻譯，翻譯成中文后不少于3000字。
院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：
摘 要
我課題的研究內(nèi)容是中厚煤層支撐掩護式液壓支架的總體設(shè)計。
現(xiàn)代長壁工作面采煤已經(jīng)在開采區(qū)使用液壓支架。液壓支架不僅支撐頂板，推動刮板輸送機工作面和自移式支架本身，而且還為相關(guān)的采煤設(shè)備提供一個安全的工作環(huán)境。因此正確的選擇和應(yīng)用液壓支架是長壁工作面采煤成功的先決條件。此外，由于對液壓支架需求數(shù)量很大，對液壓支架的投資經(jīng)常要占到長壁采煤工作面初始投資的一半以上。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的觀點看，液壓支架是長壁采煤工作面設(shè)備中十分重要的一部分。
支撐掩護式液壓支架結(jié)合了垛式液壓支架和掩護式液壓支架的特點。所以，支撐掩護式液壓支架具有以上兩者所具有的優(yōu)點。
液壓支架作為回采工作面的一種支護設(shè)備，液壓支架在工作過程中能否取得良好的支護效果，取決于支架的架型，結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)。首先，通過計算機軟件Visual Basic來進行四連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計編程來確定支架的四連桿機構(gòu)各桿系的長度；然后，以力學(xué)模型為依據(jù)，分析了液壓支架的頂梁、掩護梁上載荷的作用機理，得到了較為合理的支架載荷的計算公式；其次，結(jié)合設(shè)計的支架，從平面和空間兩方面對支架主要結(jié)構(gòu)件進行受力分析；最后對支架主要結(jié)構(gòu)件、連接銷軸進行強度效核,并畫出所有的機械圖。
關(guān)鍵詞：支撐掩護式支架；頂梁；四連桿；雙紐線；強度
ABSTRACT
My paper mainly foused on the problem which is design out a type of 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 selection 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 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 described is a part of the mining industry equipment in the mine, used for protection 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 step, the optimal values of some parameters of the leading four-bar mechanism are determined by using Visual Basic. Secondly, the base of mechanic model of support-surrounding, the mechanism 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, wrists and hydraulic column are analyzed by calculation. And draw out all the process drawings.
Key words: chock-shield hydraulic support;canopy; four-bar links; lemiscate;strength
中 國 X X 大 學(xué)
本科生畢業(yè)設(shè)計
姓 名： 學(xué) 號：
學(xué) 院：
專 業(yè)：
設(shè)計題目：ZZ4000-17-35中厚煤層支撐掩護式液壓支架設(shè)計
專 題：
指導(dǎo)教師： 職 稱：
20** 年 6 月
摘 要
我課題的研究內(nèi)容是中厚煤層支撐掩護式液壓支架的總體設(shè)計。
現(xiàn)代長壁工作面采煤已經(jīng)在開采區(qū)使用液壓支架。液壓支架不僅支撐頂板，推動刮板輸送機工作面和自移式支架本身，而且還為相關(guān)的采煤設(shè)備提供一個安全的工作環(huán)境。因此正確的選擇和應(yīng)用液壓支架是長壁工作面采煤成功的先決條件。此外，由于對液壓支架需求數(shù)量很大，對液壓支架的投資經(jīng)常要占到長壁采煤工作面初始投資的一半以上。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的觀點看，液壓支架是長壁采煤工作面設(shè)備中十分重要的一部分。
支撐掩護式液壓支架結(jié)合了垛式液壓支架和掩護式液壓支架的特點。所以，支撐掩護式液壓支架具有以上兩者所具有的優(yōu)點。
液壓支架作為回采工作面的一種支護設(shè)備，液壓支架在工作過程中能否取得良好的支護效果，取決于支架的架型，結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)。首先，通過計算機軟件Visual Basic來進行四連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計編程來確定支架的四連桿機構(gòu)各桿系的長度；然后，以力學(xué)模型為依據(jù)，分析了液壓支架的頂梁、掩護梁上載荷的作用機理，得到了較為合理的支架載荷的計算公式；其次，結(jié)合設(shè)計的支架，從平面和空間兩方面對支架主要結(jié)構(gòu)件進行受力分析；最后對支架主要結(jié)構(gòu)件、連接銷軸進行強度效核,并畫出所有的機械圖。
關(guān)鍵詞：支撐掩護式支架；頂梁；四連桿；雙紐線；強度
ABSTRACT
My paper mainly foused on the problem which is design out a type of 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 selection 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 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 described is a part of the mining industry equipment in the mine, used for protection 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 step, the optimal values of some parameters of the leading four-bar mechanism are determined by using Visual Basic. Secondly, the base of mechanic model of support-surrounding, the mechanism 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, wrists and hydraulic column are analyzed by calculation. And draw out all the process drawings.
Key words: chock-shield hydraulic support;canopy; four-bar links; lemiscate;strength
目 錄
1支撐掩護式液壓支架概述…………………………………………………………1
1.1 液壓支架的用途……………………………………………………………1
1.2液壓支架的工作原理………………………………………………………1
1.2.1支架升降………………………………………………………… 1
1.2.2 支架移動和推移輸送機………………………………………… 3
1.3 液壓支架的分類……………………………………………………………4
1.4 液壓支架的組成……………………………………………………………5
1.4.1 頂梁…………………………………………………………………6
1.4.2 底座…………………………………………………………………6
1.4.3 立柱…………………………………………………………………6
1.4.4 掩護梁………………………………………………………………6
1.4.5 活動側(cè)護板………………………………………………………6
1.4.6 連桿…………………………………………………………………7
1.4.7操縱控制系統(tǒng)………………………………………………………7
1.5 液壓支架的設(shè)計……………………………………………………………7
1.5.1 設(shè)計目的……………………………………………………………7
1.5.2 對液壓支架的基本要求……………………………………………7
1.5.3 設(shè)計液壓支架必需的基本參數(shù)……………………………………8
1.5.4堅硬頂板的液壓支架設(shè)計…………………………………………8
1.6 液壓支架的設(shè)計動向………………………………………………………9
1.7 液壓支架的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀…………………………………………… 11
1.7.1 國外液壓支架現(xiàn)狀………………………………………………11
1.7.2 國內(nèi)液壓支架現(xiàn)狀………………………………………………12
1.8 液壓支架的支護方式……………………………………………………13
1.9 液壓支架的選型…………………………………………………………14
2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………15
2.1液壓支架基本尺寸的確定………………………………………………15
2.1.1 支架高度的確定…………………………………………………15
2.1.2 支架的伸縮比和單位缸長行程的確定…………………………16
2.1.3 支架中心距的確定………………………………………………16
2.1.4 支架的寬度的確定………………………………………………17
2.1.5 底座長度的確定…………………………………………………17
2.1.6底座寬度的確定…………………………………………………17
2.2 支架整體機構(gòu)尺寸確定…………………………………………………17
2.2.1四連桿機構(gòu)的作用………………………………………………17
2.2.2四連桿機構(gòu)的幾何特征…………………………………………17
2.2.3四連桿機構(gòu)的幾何作圖法………………………………………20
2.2.4確定頂梁的長度…………………………………………………23
2.3 液壓支架的性能參數(shù)……………………………………………………24
2.3.1 液壓支架的支護強度……………………………………………24
2.3.2 液壓支架的工作阻力……………………………………………24
2.3.3 液壓支架的初撐力………………………………………………25
2.3.4 液壓支架的移架力和推溜力……………………………………25
2.3.5 覆蓋率……………………………………………………………25
2.4 支架立柱的計算…………………………………………………………25
2.4.1 立柱布置…………………………………………………………25
2.4.2單伸縮立柱缸徑的確定…………………………………………25
2.4.3泵站壓力和立柱安全閥的調(diào)整壓力……………………………26
2.4.4立柱初撐力的計算………………………………………………27
2.5推移裝置…………………………………………………………………28
2.6 前梁千斤頂………………………………………………………………31
2.7護幫千斤頂…………………………………………………………………31
2.8底座接觸比壓的計算……………………………………………………31
3液壓支架的受力分析及校核……………………………………………………36
3.1液壓支架的整體受力分析………………………………………………36
3.2底板的支撐反力及作用點的位置確定………………………………37
3.3強度條件…………………………………………………………………39
3.4頂梁的受力分析及強度校核……………………………………………40
3.4.1頂梁的受力情況…………………………………………………40
3.4.2 頂梁的強度計算…………………………………………………42
3.5掩護梁的受力分析及強度校核…………………………………………44
3.5.1 掩護梁的受力情況……………………………………………44
3.5.2掩護梁的強度計算……………………………………………45
3.6底座的受力分析及強度校核……………………………………………46
3.6.1 底座的受力情況…………………………………………………47
3.6.2 底座強度計算…………………………………………………48
3.7銷軸及耳板的強度校核…………………………………………………54
3.7.1 頂梁與掩護梁連接處的強度校核………………………………54
3.7.2 前連桿與底座連接處的強度校核………………………………56
3.8立柱強度的計算…………………………………………………………57
3.8.1缸體與缸底焊縫強度驗算………………………………………57
3.8.2油缸的穩(wěn)定性驗算………………………………………………57
3.8.3 驗算活柱全部伸出并受最大同心縱向載荷的穩(wěn)定性…………59
3.8.4 立柱活塞桿強度驗算……………………………………………60
3.8.5缸體強度驗算………………………………………………………62
4 液壓支架的液壓系統(tǒng)……………………………………………………………63
4.1 立柱和千斤頂……………………………………………………………64
4.2 支架液壓閥………………………………………………………………65
4.3 液壓系統(tǒng)安裝調(diào)試………………………………………………………67
4.3.1 安裝………………………………………………………………67
4.3.1.1液壓管道的安裝要求……………………………………67
4.3.1.2液壓件安裝要求…………………………………………69
4.3.2 調(diào)試………………………………………………………………70
5 液壓支架的操作和維護…………………………………………………………71
5.1 液壓支架的操作維護要求………………………………………………71
5.2 液壓支架的操作管理事項………………………………………………71
5.3 液壓支架維護和管理的具體內(nèi)容………………………………………72
結(jié) 論………………………………………………………………………………74
參考文獻……………………………………………………………………………75
英文原文……………………………………………………………………………76
中文譯文……………………………………………………………………………80
致 謝…………………………………………………………………………………88
1 支撐掩護式液壓支架概述
液壓支架是在摩擦支柱和單體液壓支柱等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工作面機械化支護設(shè)備，支架與滾筒采煤機、可彎曲刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機及膠帶輸送機等組成一個有機的整體，實現(xiàn)了采、支、運等主要工序的綜合機械化采煤工藝，從而使長壁采煤技術(shù)邁入了一個新的階段。液壓支架能可靠而有效的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，并且可以夠隨著工作面的推進而機械化移動，不斷的將采煤機和輸送機推向煤壁，從而滿足工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。液壓支架的總重量和初期投資費用占工作面整套綜采設(shè)備的60%~70%左右，因此液壓支架是現(xiàn)代采煤技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。
1.1 液壓支架的用途
在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是一高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的支護和控制頂板的設(shè)備，它能實現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。實踐表明液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理、安全上可靠，是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設(shè)備。
1.2液壓支架的工作原理
液壓支架的主要動作有升架、降架、推移輸送機和移架。這些動作是利用乳化液泵站提供的高壓液體，通過液壓控制不同功能的液壓缸來完成的。每架支架的液壓管路都與工作面主管路并聯(lián)，形成各自獨立的液壓系統(tǒng)，如圖1－1所示，其中液控單向閥和安全閥設(shè)在架內(nèi)，操縱閥可設(shè)在本架或鄰架內(nèi)，前者為本架操作，后者為鄰架操作。
1.2.1支架升降
支架的升降依靠立柱2的伸縮來實現(xiàn)，其工作過程如下：
1、初撐
操縱閥8處于升柱位置，由泵站輸送來的高壓液體經(jīng)液控單向閥6進入立柱的下腔，同時立柱的上腔排液，于是活柱和頂梁升起，支撐頂板。當(dāng)頂梁接觸頂板，立柱下腔的壓力達到泵站的工作壓力后，操縱閥置于中位，液控單向閥6關(guān)閉，從而立柱下腔液體被封閉，這就是支架的初撐階段。
2、承載
支架初撐后，進入承載階段。隨著頂板的緩慢下沉，頂板對支架的壓力不斷增加，立柱下腔被封閉的液體壓力將隨之迅速升高，液壓支架受到彈性壓縮，并由于立柱缸壁的彈性變形而使缸徑產(chǎn)生彈性擴張，這一過程就是支架的增阻過程。當(dāng)下腔液體的壓力超過安全閥5的動作壓力時，高壓液體經(jīng)安全閥5瀉出，立柱下縮，直至立柱下腔的液體壓力小于安全閥的動作壓力時，安全閥關(guān)閉，停止泄液，從而使立柱工作阻力保持恒定，這就是恒阻過程。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。
3、卸載
當(dāng)操縱閥8處于降架位置時，高壓液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥6，立柱下腔排液，于是立柱卸載下降。
由以上分析可以看出，支架工作時的支撐力變化可分為三個階段，如圖1－2，即：開始升柱至單向閥關(guān)閉時的初撐增阻階段，初撐后至安全閥開啟前的增阻階段，以及安全閥出現(xiàn)脈動卸載時的恒阻階段，這就是液壓支架的阻力－時間特性。它表明液壓支架在低于額定工作阻力下工作時，具有增阻性，以保證支架對頂板的有效支撐作用，在達到額定工作阻力時，具有恒阻性；為使支架恒定在此最大支撐力，又具有可縮性，即支架在保持恒定工作阻力下，能隨頂板下沉而下縮。增阻性主要取決于液控單向 立柱的密封性能，恒阻性與可縮性主要由安全閥來實現(xiàn)，因此安全閥、液控單向閥和立柱是保證支架性能的三個重要元件。
1.2.2 支架移動和推移輸送機
支架和輸送機的前移，由底座3上的推移液壓缸4來完成。
需要移架時，先降柱卸載，然后通過操縱閥使高壓液體進入推移液壓缸4的活塞桿腔，活塞腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁。
需要推移輸送機時，支架支撐頂板，高壓液體進入推移活塞缸4的活塞腔，活塞桿腔回液，以支架為支點，活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。
1.3 液壓支架的分類
液壓支架按結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三類。
1、支撐式支架
支撐式支架利用立柱與頂梁直接支撐和控制工作面的頂板。其特點是：立柱多，支撐力大，切頂性能好；頂梁長，通風(fēng)斷面大，適用于中等穩(wěn)定以上的頂板。
支撐式支架有垛式和節(jié)式之分。
（1）節(jié)式 :節(jié)式支架由2～4個框架組成，用導(dǎo)向機構(gòu)互相聯(lián)系，交替前進，
（2）垛式:整個支架為一整體結(jié)構(gòu)，整體移動，通常有4～6根立柱，可以支撐堅硬與極堅硬的頂板。
a 垛式 b 節(jié)式
圖1—3支撐式支架
2、掩護式支架
掩護式支架利用立柱、短頂梁支撐頂板，利用掩護梁來防止巖石落入工作面。其特點是：立柱少，切頂能力弱；頂梁短，控頂距小；由前后連桿和底座鉸接構(gòu)成的四連桿機構(gòu)使抗水平力的能力增強，立柱不受橫向力；而且使板前端的運動軌跡為近似平行于煤壁的雙紐線，梁端距變化小；架間通過側(cè)護板密封，掩護性能好；調(diào)高范圍大，適用于松散破碎的不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的頂板。
a插腿式支架 b立柱支在掩護梁上非插腿式支架 c立柱支在頂梁上非插腿式支架
圖1—4掩護式支架
3、 支撐掩護式支架
(a)支頂型支撐掩護式 (b)混合型支撐掩護式
圖1—5支撐掩護式液壓支架
支撐掩護式支架具有支撐式的頂梁和掩護式的掩護梁，它兼有切頂性能和防護作用，適于壓力較大、易于冒落的中等穩(wěn)定或穩(wěn)定的頂板。
根據(jù)使用條件，支撐掩護式支架的前、后排立柱可前傾或后傾，傾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架適用于薄煤層。
1.4 液壓支架的組成
液壓支架由以下六個主要部分組成：
頂梁、底座、立柱、掩護梁、活動側(cè)護板、推移機構(gòu)、操縱控制系統(tǒng)
圖1—6 支架組成結(jié)構(gòu)
1護幫板2護幫千斤頂 3前梁 4頂梁 5、6立柱 7掩護梁
8后連桿 9前連桿 10底座 11推移裝置
1.4.1 頂梁
用途：
1、用于支撐維護控頂區(qū)的頂板；
2、承受頂板的壓力；
3、將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經(jīng)底座傳到底板。
要求：
1、頂梁應(yīng)有足夠的強度，即使在接觸應(yīng)力分布不均勻的情況下也不致被壓壞；
2、頂梁應(yīng)有足夠的剛度，以承受扭力；
3、頂梁對頂板的覆蓋率高；
4、頂梁能適應(yīng)頂板的起伏變化。
1.4.2 底座
用途：
1、為支架的其他結(jié)構(gòu)件和工作機構(gòu)提供安設(shè)的基礎(chǔ)；
2、與前后連桿和掩護梁一起組成四連桿機構(gòu)；
3、將立柱和前后連桿傳遞的頂板壓力傳遞給底板。
要求：
1、底座應(yīng)有足夠的強度和剛度；
2、底座對底板的起伏變化適應(yīng)性好；
3、底座與底板的接觸面積大，以減小底座對底板的接觸比壓，避免支架陷入底板；
4、底座應(yīng)有足夠的地方來安設(shè)立柱、推移裝置以及液壓控制裝置；
5、底座要能把落入支架內(nèi)的碎矸排棄到老塘中。
1.4.3 立柱
用途：
1、支撐頂梁，承受載荷的作用；
2、調(diào)節(jié)支架的高度，使支架的高度滿足工作面的要求；
3、立柱設(shè)置有大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。
1.4.4 掩護梁
用途：
1．掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座；
2．掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩；
3．掩護梁和頂梁（包括活動側(cè)護板）一起 ，構(gòu)成了支架完善的支撐和掩護體，完善了支架的掩護和擋矸能力。
1.4.5 活動側(cè)護板
用途：
1、消除相鄰支架掩護梁和頂梁之間的架間間隙，防止冒落的矸石進入支護空間；
2、作為支架移架過程中的導(dǎo)向板；
3、防止支架降落后傾倒；
4、調(diào)整支架的間距。
1.4.6 連桿
前后連桿是四連桿機構(gòu)中重要的運動和承載部件，與掩護梁和底座的一部分共同組成四連桿機構(gòu)，使支架能承受圍巖載荷、水平作用力和保持穩(wěn)定。其四連桿機構(gòu)的作用：
1、通過四連桿機構(gòu)，使支架頂梁端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使用使支架前端頭離煤距離大大減小，提高了管理頂板性能；
2、能承受較大的水平力。
1.4.7操縱控制系統(tǒng)
液壓支架由不同數(shù)量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實現(xiàn)升柱、降柱、移架、推溜等動作。雖然支架的液壓缸（立柱和千斤頂）種類、數(shù)量很多，但其液壓系統(tǒng)都是采用多執(zhí)行元件的并聯(lián)系統(tǒng)。
對于液壓支架的操縱控制系統(tǒng)傳動裝置，應(yīng)具有以下基本要求：采用結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)備外形尺寸小，能遠距離的傳送大的能量；能承受較大載荷；沒有復(fù)雜的傳動機構(gòu)；在爆炸危險和含塵的空氣里保證安全工作；動作迅速；操作調(diào)節(jié)簡單；過載及損壞保護簡單。
容積式液壓傳動可最大限度的滿足這些要求，因此，所有液壓支架均采用這種傳動。
1.5 液壓支架的設(shè)計
1.5.1 設(shè)計目的
采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需求，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需求量是很大的。
由于不同采煤工作面的頂板條件、煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質(zhì)等的不同，對液壓支架的要求也不同。為了有效地支護和控制頂板，必須設(shè)計出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸液壓支架。因此，液壓支架的設(shè)計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計工作量也是大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
1.5.2 對液壓支架的基本要求
1．為了滿足采煤工藝及地質(zhì)條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效的控制頂板，保證合理的下沉量。
2．液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為100KN左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100KN～150KN，中厚煤層一般為150KN～250KN，厚煤層一般為300KN～400KN。
3．防矸性能要好。
4．排矸性能要好。
5．要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
6．為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?
7．調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。
8．支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。
9．要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定的不均勻載荷。
10．在滿足強度條件下，盡可能減輕支架的重量。
11．要易于拆卸，結(jié)構(gòu)簡單。
12．液壓元件要可靠。
1.5.3 設(shè)計液壓支架必需的基本參數(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．底板巖性和小時涌水量
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
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，決定是夠選用防滑防倒裝置。
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。
1.5.4堅硬頂板的液壓支架設(shè)計
堅硬頂板工作面頂板不易冒落，直接頂或基本頂懸頂時間長。一但冒落，瞬間頂板壓力顯著增大，支架立柱安全閥來不及釋放，立柱可能遭破壞。因此，對堅硬頂板液壓支架設(shè)計的要求是：
1、根據(jù)直接頂和基本頂?shù)膸r性、分類級別、截高及配套設(shè)備，確定支護強度和工作阻力，支架要有足夠切頂能力。
2、應(yīng)盡量減小掩護梁長度，增大掩護梁與水平夾角，減小掩護梁在水平線上的投影長度。如有的支架在低位狀態(tài)時，掩護梁與垂線夾角仍有30左右，相當(dāng)于一般支架在高位狀態(tài)時的掩護梁夾角。如果在工作高度時，掩護梁大部分都能被頂梁所遮蓋是較為理想的。另外，掩護梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，除保證必要的強度和剛度之外，還要具有抗沖擊能力。
3、支架掩護梁間的密封可嚴些，頂梁架間密封要求不十分嚴格，因為頂梁間漏矸的可能性較小。
4、支架立柱應(yīng)設(shè)置大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。為此，安全閥流量的選擇應(yīng)考慮立柱缸徑、沖擊載荷來壓程度。對于有沖擊載荷的頂板，如不采取頂板處理措施，立柱應(yīng)安設(shè)置一大一小兩個安全閥以確保支架的安全。
5、考慮沖擊載荷影響，支架結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)應(yīng)提高，至少應(yīng)比通常支架安全系數(shù)提高20%。
6、應(yīng)考慮支架可能承受的水平方向沖擊力。支架結(jié)構(gòu)件設(shè)計時，摩擦系數(shù)取值應(yīng)考慮f=0.3時水平力對支架強度的影響。
1.6 液壓支架的設(shè)計動向
21 世紀是以網(wǎng)絡(luò)信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時期，也是是煤礦以高效集約化生產(chǎn)為特征的新時期，為了滿足高產(chǎn)綜采工作面生產(chǎn)發(fā)展的需要，就煤炭綜采而言，國外主要產(chǎn)煤國家從未停止過依靠更大的技術(shù)投入取得采煤更高經(jīng)濟效益的努力。我們也必須抓緊研制和推廣電液控制系統(tǒng)。液壓支架實現(xiàn)自動控制后，就可有效地克服上述缺點，實現(xiàn)對支架的電液控制，而且有多種控制方式可供選擇，人員可在較安全的地方集中對整個工作面的支架進行遠程控制或程序控制?，F(xiàn)在世界上已經(jīng)有70多個電液自動化控制工作面。工作面的技術(shù)設(shè)備又正在以迅猛之勢向前發(fā)展。我們不能依賴老實進口，我們要自己研制，否則和我國產(chǎn)煤大國的地位也是極不相稱的。
我國液壓支架經(jīng)過20多年的發(fā)展，盡管取得了顯著成績，在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn)過日產(chǎn)萬噸、甚至班產(chǎn)超萬噸的記錄， 但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾，有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處， 但國產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏低， 電液控制閥可靠性差，所用鋼材一般為16Mn ，最好的屈服極限才700MPa， 液壓系統(tǒng)壓力在35MPa以下，流量在200L/min以內(nèi)，供液管Φ25～Φ32mm ，回液管Φ25～Φ50mm ， 最快移架速度10～12s/架(井下實際應(yīng)用有時在20s以上)，工作阻力更是相對較低。
今后10 年，我國的液壓支架將朝技術(shù)含量大、鋼板強度高、移架速度快(6～8s/架) 和電液控制閥的方向發(fā)展， 對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力， 盡量采用整體可靠推桿和抬底座機構(gòu)，并減少千斤頂?shù)臄?shù)量。另外，將普遍采用額定壓力為40MPa 、額定流量為400L/min 的高壓大流量乳化液泵站， 以適應(yīng)快速移架的需要； 系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液， 保證支架有足夠的壓力達到初撐力，保證支架接頂位置準確。ZY 兩柱掩護式支架的比重將大大增加， 缸徑將增至Φ360mm，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。所以，今后除應(yīng)繼續(xù)針對我國國情和煤層具體條件，開發(fā)一些新架型、新品種外，還應(yīng)在改進支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫。
作為一種回采工作面的支護設(shè)備，液壓支架的架型、結(jié)構(gòu)與相關(guān)參數(shù)，必須與回采工作面的頂、底板條件和煤層條件相適應(yīng)，才能取得良好的支護效果。由于地下開采條件的復(fù)雜性和多樣性，因此，盡管國內(nèi)外對液壓支架己經(jīng)過了近半個世紀的研究和應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)十種不同的結(jié)構(gòu)架型，但至今為止，也僅能在緩傾斜中厚以下煤層中獲得了較為成功的應(yīng)用，對于傾斜、急傾斜或厚煤層中的液壓支架尚處在研究和試驗階段。即使對于緩傾斜中厚煤層的液壓支架，其結(jié)構(gòu)、性能與控制方式如何更適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件，仍需不斷的改進和研究。目前，液壓支架設(shè)計研究取得重要進展，主要在以下方面：
1、設(shè)計理論和方法有了突破。煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所對支架力學(xué)持性進行了深入的研究，提出了液壓支架三維力學(xué)模型的計算方法，克服了傳統(tǒng)平面力系計算方法的缺陷，提出了液壓支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，開發(fā)出液壓支架設(shè)計計算通用軟件系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用，使我國液壓支架設(shè)計計算提高到一個新水平。
2、完成液壓支架計算機模擬試驗的研究。把有限元方法成功地用于液壓支架的研究，建立了液壓支架整體有限元模型，開發(fā)出SSTS液壓支架模擬試驗計算機仿真軟件系統(tǒng)，大大提高了液壓支架設(shè)計的可靠性，廣泛應(yīng)用于液壓支架設(shè)計研究，達到國際先進水平， 為我國液壓支架打入國際市場發(fā)揮了重要作用。
3、技術(shù)規(guī)范和標淮化建設(shè)取得重要進展。我們已先后制定液壓支架系列技術(shù)標準17項，成為國際上液壓支架標準較完善的國家之一，促進了液壓支架技術(shù)的發(fā)展。
4、計算機輔助設(shè)計(CAD)有了較大發(fā)展。開發(fā)了CAD工作站和微機CAD系統(tǒng)，建成了較完整的液壓支架數(shù)據(jù)庫和通用件國庫，并正在逐步實現(xiàn)支架設(shè)計CAD化。
5、液壓支架控制系統(tǒng)有了重大進步。根據(jù)我國國情研制的全液壓手動控制快速移架系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由過去的20～30s/架，提高到9～12s/架。
6、新架型研制成績顯著，架型結(jié)構(gòu)進一步完善。新型高可靠性支架，反向四連桿高產(chǎn)高效低位放頂煤支架，適應(yīng)中小煤礦的單一煤層開采用輕型支架和輕型單擺桿放頂煤支架均取得成功。
基于以上進展，液壓支架的研究與發(fā)展方向是：
1、在己有支架設(shè)計與應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究支架的智能化設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化，進一步提高支架設(shè)計的科學(xué)性、可靠性和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化性。
2、研究特殊煤層使用的液壓支架，以適應(yīng)不同的開采條件。
3、研究新型元件與材質(zhì)，以減輕支架重量，提高支架的性能和使用壽命。
4、研究支架的遙控、程序控制和性能自動監(jiān)測，為回采工作面的半自動化與自動化創(chuàng)造條件。
1.7 液壓支架的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀
液壓支架是綜合機械化工作面的主體設(shè)備，它能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，保持安全的地下作業(yè)空間，并實現(xiàn)回采工作面及其相關(guān)設(shè)備的機械化推移。液壓支架與采煤機、可彎曲輸送機和順槽轉(zhuǎn)載機配合，構(gòu)成了回采工作面的綜合機械化設(shè)備，從而為煤礦地下開采實現(xiàn)高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。因此，采用液壓支架支護頂板是當(dāng)代采煤技術(shù)的一次重要變革，也是煤礦生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要標志。
1.7.1 國外液壓支架現(xiàn)狀
支護和控制頂板，保持工作面的安全生產(chǎn)空間，是煤礦地下開采中的首要任務(wù)。在二十世紀五十年代前，國內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中，基本上均采用木支柱、木頂梁或金屬摩擦支柱和鉸接頂梁來支護頂板。1954年英國首次研制出液壓支架，將液壓技術(shù)應(yīng)用到支護設(shè)備上，從而開辟了回采工作面支護設(shè)備的技術(shù)革命。從二十世紀六十年代起，國外各主要產(chǎn)煤國家，如前蘇聯(lián)、英國、法國、澳大利亞、美國、波蘭等國家均相繼大力發(fā)展和研制了各種型式的液壓支架，并在煤礦生產(chǎn)中獲得了廣泛而成功的應(yīng)用，從根本上改變和提高了地下開采的作業(yè)條件和安全性。據(jù)統(tǒng)計，目前這些主要產(chǎn)煤國家的地下開采綜合機械化程度己達到90%左右，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。八十年代以來， 世界主要采煤國家一直圍繞減面提產(chǎn)、減人提效、降低成本、實現(xiàn)礦井集中生產(chǎn)做努力， 他們積極開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)， 致力于高性能、高可靠性的新一代重型液壓支架的研制。目前，以液壓支架為主體的地下開采設(shè)備，己逐步向程控、遙控和自動化方向發(fā)展。這種新型液壓支架普遍具有微型電機或電磁鐵驅(qū)動的電液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器， 采煤機裝有紅外線傳感裝置，立柱缸徑超過400mm。為減少割煤時間，一般采用0.8～1m 的截深。支架還采用屈服強度800～1000MPa 的鋼板，既有較高的強度、硬度和韌性， 又具有良好的冷焊性能。隨著長壁工作面長度的不斷增加，為適應(yīng)快速移架的需要，國外還廣泛采用高壓大流量乳化液泵站， 其額定壓力為40～50MPa ，額定流量400～500L / min ，可實現(xiàn)工作面成組或成排快速移架，達到6～8s/架。
美國是世界上最先進的采煤國家，早在1990年就已采用額定壓力50MPa 、額定流量478L / min的乳化液泵站，以實現(xiàn)支架快速推進， 移架速度達6～8s/架。美國的高產(chǎn)高效工作面采用兩柱掩護式支架，使用壽命8～10 年，可用率高達95 %～98 % 。支架平均工作阻力6470KN (最大為9800KN),支架寬度普遍增大，中心距達到1.75m ，并向2m 發(fā)展，增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時間、增加有效工作時間和提高單產(chǎn)。如洛斯公司20 英里礦在250×5280m 長壁綜采面用工作阻力為2×8565kN 電液控制兩柱掩護式支架，1997 年6 月產(chǎn)商品煤90. 43 萬t ， 成為世界上首次月產(chǎn)商品煤近百萬噸的工作面；1995 年9 月，阿科煤炭公司的西糜鹿礦用工作阻力為8900kN 電流控制的兩柱掩護式支架，月產(chǎn)煤達到60. 11 萬t 。美國綜采工作面最高日產(chǎn)超7 萬t ，最高工效1336t/工。澳大利亞也基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)， 使用兩柱掩護式支架， 支架的平均工作阻力為7640kN 。如尤蘭礦用電流控制的兩柱掩護式支架，在1995 年8 月8 日創(chuàng)下澳大利亞有史以來日產(chǎn)3.41 萬t 的最高記錄， 班產(chǎn)一直保持在5000～6000t。英國也在大力發(fā)展兩柱掩護式支架， 工作阻力有了很大提高，達到6000～8000kN 。
1.7.2 國內(nèi)外液壓支架現(xiàn)狀
我國是煤炭生產(chǎn)大國，在二十世紀六十年代也曾研制了幾種液壓支架，但未得到推廣和應(yīng)用。七十年代我國從英、德、波蘭和前蘇聯(lián)等國引進了數(shù)十套液壓支架，經(jīng)過試用、仿制和總結(jié)經(jīng)驗，到八十年代以后我國液壓支架的研制和應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展，相繼研制和生產(chǎn)了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多種不同規(guī)格的液壓支架，并在國內(nèi)大、中型煤礦中推廣應(yīng)用，大大提高了我國煤礦開采的機械化水平。我國在1964 年由太原分院和鄭州煤機廠設(shè)計70 型邁步式自移支架， 從此開始了液壓支架的國產(chǎn)化道路。1984 年，北京開采所、沈陽所、鄭州煤機廠在沈陽蒲河礦進行我國第一套放頂煤液壓支架的工業(yè)性試驗，繼而研制了多種低位、中位和高位放頂煤支架， 成功地在緩傾斜厚煤層和急傾斜厚煤層水平分層工作面使用。1990 年后，國產(chǎn)液壓支架得到了全面的發(fā)展，到1998 年止，全國已建成88 處高產(chǎn)高效礦井，其中14 處礦單個工作面的單產(chǎn)達15.72 萬t / 月，原煤生產(chǎn)人員效率達9.16t / 工， 綜采機械化水平達49.32 % ，達到了世界先進水平。據(jù)統(tǒng)計：1995年，我國統(tǒng)配煤礦的綜合機械化程度已達50%左右，液壓支架在籍套為509套：2000年統(tǒng)配煤礦機械化程度己達65%。液壓支架在籍套數(shù)達700多套。目前，國內(nèi)大、中型礦井中，條件合適的煤層均采用液壓支架進行綜合機械化開采。液壓支架己成為保證安全、高效生產(chǎn)的一種重要設(shè)備。在綜采比例方面也低與世界產(chǎn)煤大國地位極不相稱世界主要產(chǎn)煤國家的綜采比例都是全國煤炭井工生產(chǎn)的比例。波蘭是92.5 % ，俄羅斯是85.7 % ，烏克蘭是76.4 % ，而美國、德國、英國、日本都是99 %以上。我國1998 年統(tǒng)計，國有重點煤礦回采產(chǎn)量3.67 億t ，只有1.87 億t 是綜采生產(chǎn)，占49.32 %。而國有地方煤礦的綜采比例遠低于此數(shù)；鄉(xiāng)鎮(zhèn)地方煤礦則基本是空白。據(jù)初步估計，按全國井工生產(chǎn)的煤炭來算，綜采比例只有23 %左右。
我們液壓支架制造技術(shù)水平比較落后，在支架材料、加工工藝、性能和使用壽命等方面與世界先進國家相比還有很大差距。支架液壓系統(tǒng)的閥類，用的是乳化油，防銹蝕要求很高，國外一直使用銅合金閥殼和高強度不銹鋼閥芯；我國是45 號鋼加表面防腐處理。密封件的壽命國外大于5a ，我國是2a 左右。我國液壓支架耐久性試驗要求是大于7 000 次，印度要求是大于35 000 次，美國是大于45 000 次。這樣技術(shù)質(zhì)量水平的支架在國內(nèi)一般礦井勉強可以使用，在國內(nèi)高產(chǎn)工作面及在國際上是沒有競爭力的。綜采工程技術(shù)人員普遍認為目前我國支架的工藝技術(shù)水平尚未達到1979 年引進的100套支架的技術(shù)水平，可想落后遠不止20a 。國內(nèi)產(chǎn)煤大礦務(wù)局高產(chǎn)工作面使用進口設(shè)備這一問題發(fā)人深省。
我們液壓支架控制系統(tǒng)的研究也落后，目前，我國國產(chǎn)液壓支架的控制方式仍然停留在跟機手把單向鄰架控制或本架控制水平。這種控制方式，雖然具有控制系統(tǒng)簡單、制造容易、造價較低和對煤層地質(zhì)條件變化適應(yīng)性較強的優(yōu)點，但它存在嚴重缺點：
(1) 工人勞動條件差，安全性差；
(2)移架速度慢，影響采煤機效率的發(fā)揮；
(3) 通風(fēng)條件差，支架故障率高；
(4) 支架支護效能的發(fā)揮程度與操作人員的經(jīng)驗多少和技能高低有密切關(guān)系。
1.8 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，可形成液壓支架的種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關(guān)系。
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。
1.即時支護
一般循環(huán)方式為：割煤—移架—推溜，工作面“三機”的配套關(guān)系如圖1—7所示。即時支護的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護方式。
圖1—7 即時支護“三機”配套關(guān)系
2．滯后支護
一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。工作面“三機”的配套關(guān)系如圖1—8所示。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。
圖1—8 滯后支護“三機”配套關(guān)系
3．復(fù)合支護
一般循環(huán)方式為：割煤—支架伸出伸縮梁—推溜—收伸縮梁—移架。
復(fù)合支護的特點是，支護滯后時間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)?？蛇m用于各種頂板條件。但支架操作次數(shù)增加，不能適應(yīng)高產(chǎn)高效要求，目前應(yīng)用較少。
1.9液壓支架的選型
液壓支架的選型原則：
液壓支架的選型，其根本目的是使綜采設(shè)備適應(yīng)礦井和工作面條件，投產(chǎn)后能做到高產(chǎn)，高效、安全，并為礦井的集中生產(chǎn)、優(yōu)化管理和最佳經(jīng)濟效益提供條件，因此必須根據(jù)礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設(shè)備條進行選擇。
1． 液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。
2． 當(dāng)煤層厚度超過1.5m，頂板有側(cè)向推力或水平推力時，應(yīng)選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。
3． 當(dāng)煤層厚度達到2.5～2.8m以上時，需要選擇有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。煤層厚度變化大時，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護式或雙伸縮立柱的支架。
4． 應(yīng)使支架對底板的比壓不超過底板允許的抗壓強度。在底板較軟條件下，應(yīng)選用有抬底裝置的支架或插腿掩護式支架。
5． 煤層傾角＜10°時，支架可不設(shè)防倒防滑裝置；15°～25°時，排頭支架應(yīng)設(shè)防滑裝置，工作面中部輸送機設(shè)防滑裝置；＞25°時，排頭支架應(yīng)設(shè)防倒防滑裝置，工作面中部支架設(shè)底調(diào)千斤頂，工作面中部輸送機設(shè)防滑裝置。
6． 對瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合保安規(guī)程的要求，并優(yōu)先選用通風(fēng)斷面大的支撐式或支撐掩護式支架。
7． 當(dāng)煤層為軟煤時，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤時，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤時，支架最大采高＜5m。
8． 在同時允許選用幾種架型時，應(yīng)優(yōu)先選用價格便宜的支架。
9． 斷層十分發(fā)育，煤層變化大，頂板的允許暴露面積在5～8m2，時間在20min以上時，暫不宜采用綜采。
2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 液壓支架基本尺寸的確定
2.1.1 支架高度的確定
支架高度的確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來確定，其最大和最小高度為：
mm (2-1)
mm (2-2)
式中
—支架最大高度，mm；
—支架最小高度，mm；
—煤層最大高度， mm；
—煤層最小高度， mm；
—考慮偽頂，煤皮冒落后，仍有可靠初撐力所需要的支撐力高度，一般最200～300mm，取 mm；
—頂板最大下沉量，一般100～200mm，取mm；
—移架時支架的最大可縮量，一般取 mm；
δ—浮矸石，浮煤厚度，一般取mm；
=3200+300
=3500 mm
=2000-200-50-50
=1700 mm
2.1.2支架的伸縮比和單位缸長行程的確定
文架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值，即
(2-3)
由于液壓支架的使用壽命較長，并可能被安裝在不同采高的采煤工作面，所以支架應(yīng)具有較大的伸縮比。在采用雙伸縮立柱時，垛式支架的伸縮比為1．9；支撐掩護式支架為2．5；掩護式支架可達3.0。一般范圍是1.5-2.5，煤層較薄時選大值?？紤]盡量減輕支架質(zhì)量，降低造價，可進行系列化，加強支架對頂?shù)装宓倪m應(yīng)性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或帶機械加長桿來增加調(diào)高范圍。一般根據(jù)單位缸長行程Kl來確定，當(dāng)K1＜0.7范圍內(nèi)時可采用單伸縮。
(2-4)
式中 K1 — 單位缸長行程,mm；
Lm — 活塞全部伸出時立柱的總長度,mm；
Ln —活塞全部縮回時立柱的總長度,mm；
Lm-Ln — 活塞行程,mm。
所以應(yīng)采用單伸縮立柱加機械加長桿。
2.1.3 支架中心距的確定
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
(2-5)
式中 bc — 支架間距(支架中心距),mm；
Bm — 每架支架頂梁總寬度,mm；
— 相鄰支架(或框架)頂梁之間的間隙,mm；
n — 相鄰支架包含的組架或框架數(shù)，整體自移式支架n=1；整體邁步式 支架n＝2；節(jié)式組合邁步支架n＝支架節(jié)數(shù)。
支架間距bc要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的報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)輸送機溜榴每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為1.5m，千斤頂連接塊位置在每節(jié)溜槽中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5m。
所以考慮到液壓支架配套使用SGZ-730/400型刮板輸送機，該刮板運輸機溜槽每節(jié)長度為1.5m，因此，取中心距為1.5m。
2.1.4 支架的寬度的確定
支架的寬度是指頂梁的最小和最大寬度。
支架的寬度應(yīng)考慮支架的運輸，安裝和調(diào)架要求，支架頂梁上裝有活動側(cè)護板，側(cè)護板的行程一般為100～200mm，取100mm。
當(dāng)支架中心距為1.5m時，支架的最小寬度，一般為1400～1470mm，取1470mm；支架的最大寬度，一般為1570～1600mm，取1570mm。
2.1.5底座長度的確定
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計支架的底座長度時，應(yīng)考慮以下諸方面：支架對底板的接觸比壓要小；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置，便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性，等等。通常，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距(一個移架步距為0.6m)，即2.1m左右；支撐掩護式支架的底座長度取4倍的移架步距，即
2．4m左右。
因此，取底座長度為2.4mm。
2.1.6底座寬度的確定
支架底座的寬度一般為1.1～1.2m。此支架取1.2 m，底座中間安裝推移裝置的槽子寬度，與推移裝置的結(jié)構(gòu)和千斤頂缸徑有關(guān)，一般為0.3～0.38m，此支架取0.37m。
2.2 支架整體機構(gòu)尺寸確定
2.2.1四連桿機構(gòu)的作用
1、通過四連桿機構(gòu)，使支架頂梁端點的運動軌跡呈近似雙曲線，從而使支架頂梁前端的端頭離煤壁距離大大減小，提高了管理頂板的性能。
2、能承受較大的水平力。
2.2.2四連桿機構(gòu)的幾何特征
支架從最高高度降到最低高度時，如圖2－1所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬度e≤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)滿足以下要求：
支架在最高位置時，P1= ～，即0.91～1.08弧度；Q1=～，即1.31～1.48弧度。
后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為I=0.45～0.61；支撐掩護式支架為I=0.61～0.82。
前、后連桿上鉸點之距與掩護梁的比值為I1=0.22～0.3。
支架在最高位置時的值小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計中，對掩護式支架最好應(yīng)小于0.16，對支撐掩護式支架最好應(yīng)小于0.2。
前、后連桿的比值范圍：C/A=0.9～1.2。
前連桿的高度不宜過大，一般應(yīng)使D＜H1/5。
支架降到最低位置時，Q2≥～。
3、由圖2-1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