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中 國 X X 大 學
本科生畢業(yè)設計
姓 名： 學 號：
學 院：
專 業(yè)：
設計題目： ZF6800-20-38-放頂煤液壓支架設計
專 題：
指導教師： 職 稱：
20** 年 6 月
1 概述
我國是一個貧油富煤，以煤炭作為主要能源的國家，煤炭的儲量產量關系經濟的快速發(fā)展和國家的安全穩(wěn)定。我國煤儲量十分豐富，據中國第二次煤田預測資料，埋深在1000m以下的煤炭總資源量為2.6萬億t。其中大別山-秦嶺-昆侖山一線以北地區(qū)資源量約2.45萬億t，占全國總資源量的94%。 我國煤炭產量將由2005年的22億噸增加至2010年的26億噸，年均增長3.4%。在煤炭產量持續(xù)增加的情況下，根據“十五”歷史數(shù)據，有研究員預計，煤炭行業(yè)固定資產投資仍將維持平穩(wěn)增長，年均增長10%以上。
能源的強烈需求要求煤礦盡快實現(xiàn)機械化，據發(fā)展目標，“十一五”期間，我國的煤炭百萬噸死亡率將降到1.6以下。此外，煤炭工業(yè)的生產技術水平明顯提高。其中，大、中型煤礦采煤機械化程度分別達到95%和80%以上，小型煤礦機械化、半機械化程度達到30%以上，平均勞動效率比2005年提高50%，礦井資源回收率達到40%以上。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到控制，煤矸石、瓦斯抽放和礦井水利用率分別達到75%、30%和60%以上，采煤區(qū)沉陷治理取得明顯成效，職工收入達到全國工業(yè)行業(yè)中上水平。
1. 1煤礦支護設備介紹
煤礦支護設備是保證回采工作面正常生產和安全生產的重要設備之一，也是煤礦工作面使用規(guī)模最大、耗費資金最多的煤機產品。目前世界各國使用的煤礦支護設備主要是回采工作面單體支柱和回采工作面液壓支架。回采工作面使用的支護設備有金屬摩擦支柱、單體液壓支柱和自移式液壓支架。它們與采煤機和工作面輸送機分別組成“普采”、“高檔普采”和“綜采”設備。
1.1 .1單體支柱
國外主要產煤國家中，單體液壓支柱曾經在回采工作面廣泛采用，最早研制、使用的國家(如英國)在四十年代后期就已有產品問世。其后，聯(lián)邦德國、日本、波蘭、蘇聯(lián)等國家在五十年代相繼采用。
我國所使用的單體支柱主要有：
1、木支柱
2、金屬摩擦支柱
3、DZ型單體液壓支柱
1.1.2 液壓支架的應用與研究現(xiàn)狀
液壓支架是綜合機械化工作面的主體設備，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設備的機械化推移。液壓支架與采煤機、可彎曲輸送機和順槽轉載機配合，構成了回采工作面的綜合機械化設備，從而為煤礦地下開采實現(xiàn)高產、高效和安全生產創(chuàng)造了條件。因此，采用液壓支架支護頂板是當代采煤技術的一次重要變革，也是煤礦生產現(xiàn)代化的重要標志。
1.2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空間，是煤礦地下開采中的首要任務。在二十世紀五十年代前，國內外煤礦生產中，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，將液壓技術應用到支護設備上，從而開辟了回采工作面支護設備的技術革命。從二十世紀六十年代起，國外各主要產煤國家，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，并在煤礦生產中獲得了廣泛而成功的應用，從根本上改變和提高了地下開采的作業(yè)條件和安全性。據統(tǒng)計，目前這些主要產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、減人提效、降低成本、實現(xiàn)礦井集中生產做努力， 他們積極開發(fā)和應用新技術， 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。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 月產商品煤90. 43 萬t ， 成為世界上首次月產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，月產煤達到60. 11 萬t 。美國綜采工作面最高日產超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， 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3.41 萬t 的最高記錄， 班產一直保持在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 。
1.2.1 國內外液壓支架現(xiàn)狀
我國是煤炭生產大國，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，經過試用、仿制和總結經驗，到八十年代以后我國液壓支架的研制和應用獲得了迅速的發(fā)展，相繼研制和生產了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，并在國內大、中型煤礦中推廣應用，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計70 型邁步式自移支架， 從此開始了液壓支架的國產化道路。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 處高產高效礦井，其中14 處礦單個工作面的單產達15.72 萬t / 月， 原煤生產人員效率達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、高效生產的一種重要設備。在綜采比例方面也低與世界產煤大國地位極不相稱世界主要產煤國家的綜采比例都是全國煤炭井工生產的比例。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量3.67 億t ，只有1.87 億t 是綜采生產，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。據初步估計，按全國井工生產的煤炭來算，綜采比例只有23 %左右。
我們液壓支架制造技術水平比較落后，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。這樣技術質量水平的支架在國內一般礦井勉強可以使用，在國內高產工作面及在國際上是沒有競爭力的。綜采工程技術人員普遍認為目前我國支架的工藝技術水平尚未達到1979 年引進的100套支架的技術水平，可想落后遠不止20 a 。國內產煤大礦務局高產工作面使用進口設備這一問題發(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條件變化適應性較強的優(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驗多少和技能高低有密切關系。
1.2.2 放頂煤開采工藝及放頂煤液壓支架
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。隨著煤炭開采技術的發(fā)展，特別是煤礦支護設備的發(fā)展，放頂煤采煤法已經發(fā)展成為一種正規(guī)的采煤方法。
我國綜采放頂煤開采開始于1982年，是由鄭州煤礦機械廠、煤炭科學研究
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，已經在13個省的26個礦務局59個工作面使用，達到了日產萬噸，月產31萬噸，年產253萬噸的生產水平，成為世界上綜采放頂煤開采技術發(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、緩和了采掘關系；
（2）、減少了搬家倒面次數(shù)，節(jié)省了綜采面設備搬遷、安裝的工作量及費用；
（3）、較分層開采減少了鋪網工序、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）、減少了設備的運行費，特別是采煤機，相對減少了噸媒設備折舊費或租賃費；
（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)、提高勞動生產率，降低成本，比一般回采工效提高2－5倍，經濟效益十分顯著，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；
（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局，并首先在兗州興隆莊礦創(chuàng)出了月產11萬噸的好成績（1994年月產已達25萬噸），可以預計，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 中四連桿式
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性：
2.低位放頂煤支架的特點
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局、兗州礦務局鮑店煤礦均取得高產、高效。低位放頂煤綜采如圖1.1所示。
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；
(2)和其他支架相比，從煤壁到放煤口的距離最長，經過頂梁的反復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，為使這種支架在緩斜長壁工作面發(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)后四連桿前連桿設計為Y型，后連桿設計為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構件推桿，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，如對四連桿及有關聯(lián)接件再進一步增加強度，成為定型設備，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，如在潞安礦務局五陽煤礦、王莊煤礦和兗州礦務局興隆莊煤礦、鮑店煤礦。這種架型與設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性和使用前景。
1.3液壓支架的工作情況
圖1-2 綜采工作面
圖1-2所示為液壓支架在工作面的布置示意圖。每個工作面一般由采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、乳化液壓站和油管等主要設備組成。為了實現(xiàn)頂板即時支護，采用即時支護的方式。采煤機每切割一刀，液壓支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四個主要動作過程。
A-A截面是采煤機割煤前支架的工作狀態(tài)，此時，輸送機緊靠煤壁，推溜千斤頂活塞桿處于伸出狀態(tài)，輸送機緊靠煤壁。
B-B截面是采煤機截割后的狀態(tài)，端面距等于920mm。
C-C斷面是移架后的狀態(tài)。它是在采煤機截割后，支架經降柱卸荷，并以輸送機為支點，支架前移到靠近輸送機的位置，然后升柱，支護好新暴露的頂板。
D-D斷面是推溜后的狀態(tài)。在支架支撐頂?shù)装搴?，以支架為支點，把輸送機推向煤壁情況
隨著采煤機割煤的繼續(xù)，工作面液壓支架不斷重復上述四割主要動作過程。從而對頂板進行即時支護，防止頂板冒落，保持一定的作業(yè)空間，確保綜采工作面人員和設備的安全，實現(xiàn)頂板管理及采煤作業(yè)過程機械化。
1.4液壓支架的組成和分類
1.4.1液壓支架的組成
液壓支架是綜采工作面支護設備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備。根據支架各部件的功能和作用，其組成可分為4個部分：
1) 承載結構件，如頂梁、掩護梁、前梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。
2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各種動作，產生液壓動力。
3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。
4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動側護板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。
5) 工作液體，傳遞能量的工作液壓介質：乳化液。
1.4.2液壓支架的分類及特點
按液壓支架在采煤工作面的安置位置來劃分，有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。
中間液壓支架按其結構形式來劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式。
1.5液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過程中必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的幾個液壓缸來實現(xiàn)完成的。如圖1.3示。
1) 升柱
當需要支架上升支護頂板時。高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。
2) 降柱
當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。
圖1.3液壓支架工作原理
-頂梁 -立柱 -底座 -推移千斤頂 -安全閥 -液控單向閥 、-操縱閥 -輸送機 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管
3) 支架和輸送機前移
支架和運輸機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體收縮，把整個支架拉向煤壁；當需要推運輸機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點，是活塞桿伸出，把運輸機推向煤壁。
1.6液壓支架工作特性曲線
支架的支撐力與時間曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1.4所示：支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可分為三個階段：
圖1.4支架的工作特性曲線
-初撐階段； -增阻階段； -恒阻階段；-初撐力；-工作阻力
1) 初撐階段
支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的夜控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段，此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支撐式支架的初撐力為：
(1.1)
由上式可知，支架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、式中 --支架立柱的缸徑，；
--泵站的工作壓力，；
--支架立柱的數(shù)量。
增加其穩(wěn)定性和保證安全生產的關鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。
2) 承載增阻階段
支架初撐后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段。
3) 恒阻階段
隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當?shù)陀诎踩y壓力調整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。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定壓力決定的。支撐式支架的工作阻力為：
(1.2)
式中 --支架安全閥的調定壓力 ；
支架的工作阻力標志著支架的最大承載能力。
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。
支架的工作阻力是支架的一個重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，常用單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即
(1.3)
式中 —支架的支護面積，。
1.7液壓支架的支護方式
綜采工作面的主要生產工序有采煤、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”的不同配套關系。
1) 即時支護
—般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機”的配套關系。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，是目前應用最廣泛的支護方式。
2) 滯后支護
一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。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。可用于穩(wěn)定、完整的頂板。
3) 復合支護
—般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。
復合支護的特點是：支護滯后時間短，但增加了反復支撐次數(shù)?？蛇m用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應高產高效要求，目前應用較少。
1.8采煤工作面液壓支架設計要求和設計必要的基本參數(shù)
1.8.1采煤工作面對液壓支架的設計要求
為了滿足長臂工作面的生產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：能適應頂板下沉、來壓及冒落的特性；能防止支架前方與上方冒頂；不應出現(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、照明、通訊、防塵、防火。
3) 應該適應煤層地址條件變化。要求支架有足夠的調高范圍；適應不平頂?shù)装?、臺階和斷層等條件；適應煤層傾角變化。
4) 能夠保證正常的生產循環(huán)。也就是說應保證正常移架、推溜；能與采煤、運輸?shù)裙に嚋蚀_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，應該保證初期投資低、維修費用低。
1.8.2液壓支架設計的基本參數(shù)
1) 頂板條件
根據老頂和直接頂?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
根據瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風斷面。
4) 底板巖性及小時涌水量
根據底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
5) 工作面煤壁條件
根據工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
6) 煤層傾角
根據煤層傾角，決定是否選用防倒防滑裝置。
7) 井筒罐籠尺寸
根據井筒罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。
8) 配套尺寸
根據配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度。
2 液壓支架整體結構設計
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
一般應首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度。
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，所以按中厚煤層高度的確定原則來確定該放頂煤液壓支架的高度。
＋（200～300） （2.1）
－（300～400） （2.2）
式中：——支架最大高度（mm）；
——支架最小高度（mm）；
——最大采高（mm）；
——最小采高（mm）。
本設計最大采高＝3500mm,取支架最大高度
＝3800mm
則支架的最小高度
＝2000mm
調高范圍為1800mm
支架的伸縮比系指其最大高度與最小高度之比值。即：
(2.3)
代入有關數(shù)據，得
m=3800/2000=1.9
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。一般范圍是1.5至2.5，煤層較薄時選大值。但考慮盡量減輕支架的重量，降低造價，可搞系列化，加強支架對頂板的適應性，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高范圍。
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：
（2.4）
式中：
——支架間距（支架中心距）；
——每架支架頂梁總寬度；
——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)。
支架間距要根據支架型式來確定，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，因此目前主要根據輸送機溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂連結塊的位置來確定，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。寬度的確定應考慮支架的運輸、安裝和調架要求。支架頂梁一般裝有活動側護板，側護板行程一般為170～200mm。其中寬面頂梁一般為1200mm～1500mm，節(jié)式支架一般為400mm～600mm。本次設計取支架頂梁的最小寬度為1380mm,最大寬度為1550mm,亦即頂梁側護板側推千斤頂?shù)男谐倘?70mm。
2.2 支架四連桿機構的確定
2.2.1 四連桿機構的作用
1．梁端護頂 鑒于四連桿機構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，當梁端距處于允許值范圍之內時，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的掩護梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內破碎巖石所賦予的載荷，掩護梁一般做成整體箱形結構，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，支架在工作過程當中，四連桿機構必須承受很大的內力，從而導致支架結構尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機構對頂板產生一個水平力（又稱水平支撐力），因此對支架的工作性能將產生不良影響。
2.2.2 四連桿機構設計的要求
1.支架高度在最大和最小范圍內變化時，如圖2.1所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬度應小于或等于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和后連桿與底平面的夾角，如圖2.1所示，應滿足如下要求：支架在最高位置時，≤52°～62°，≤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，根據物理學摩擦理論可知，要求，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù)=0.3，則=16.7°。為了安全可靠，最低工作位置應使≥25°為宜。而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≥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，掩護梁與頂梁鉸點和瞬時中心O之間的連線與水平線夾角為。設計時，要使角滿足的范圍，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所示的段。其原因為當頂板來壓時，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，使整個支架產生順時針轉動的趨勢，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，在設計四連桿機構的運動軌跡時，應盡量使值減小，取雙扭線向前凸的一段為支架工作段。所以，當已知掩護梁和后連桿的長度后，從這個觀點出發(fā)，在設計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構，運用作圖法就可以了，如圖2.2。
圖2.1 四連桿機構幾何特征圖
2.3 四連桿機構的設計
四連桿機構的設計的主要方法有：直接求解法、解析法、幾何作圖法等。本設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。根據以往的設計經驗，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 。采用電算法。
2.3.1目標函數(shù)的確定
為了減少附加力，必須使得有較小值。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函數(shù)，這兩項要求都能滿足。
2.3.2四連桿機構的幾何特征
四連桿機構的幾何特征，如圖2.3所示。
（1）支架在最高位置時，≤，即：弧度；≤即1.311.48弧度；支架在最低位置時，保證。
（2）后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為I =0.450.61;支撐掩護式為I = 0.610.82。
（3）前后連桿上絞點之距與掩護梁的比值為0.220.3。
（4）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mm以下。
（5）支架在最高位置時的應小于0.35，在優(yōu)化設計中，對支撐掩護式支架最好應小于0.2。
2.3.3四連桿機構各部尺寸的計算
四連桿機構各部參數(shù)如圖2.3所示，圖中的為支架在最高位置時的計算高度。令：=; =; =; =; =; =; =; =; =;; ;==
圖2.3 四連桿機構參數(shù)圖
(1)后連桿與掩護梁長度的確定
如圖2.3所示 ，當支架在最高位置時的H值確定后，掩護梁長度G為：
（2.5）
后連桿長度為：
（2.6）
前后連桿上絞點之距為：
（2.7）
前連桿上絞點至掩護梁上絞點之距為：
（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)定相應的步長如下：的步長為0.5弧度；的步長為0.5弧度；的步長為0.01；的步長，支撐掩護式為0.05。若上述四個變量各向前邁出五步，經排列組合變得到35組數(shù)據。
（2）后連桿下絞點至坐標原點之距為，如圖2.4所示
圖2.4 四連桿機構幾何關系
（3）前連桿長度及角度的確定
當支架高度變化時，掩護梁上絞點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，可把點的軌跡視為理想直線，當然實際上并非如此。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。根據設計經驗，當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90到小于90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）點坐標
當支架在最高位置時的計算高度為，此時點的坐標為：
（2.9）
（2.10）
2）點坐標
支架在最低位置時的計算高度為，此時的坐標為：
（2.11）
（2.12）
根據四連桿機構的幾何特征要求，支架降到最低位置時，為計算方便，即0.436弧度。
根據幾何關系為：
（2.13）
3）點坐標
當支架的掩護梁與后連桿成垂直位置時，根據幾何關系，點坐標為： （2.14）
（2.15）
式中P由下式進行計算：
（2.16）
（2.17）
4）c點坐標
根據圖2.4所示，支架在三個位置時四連桿機構幾何關系確定后，c點就是以、、這三點為圓的圓心。所以，為前連桿的長度。因此，可以用圓的方程求得前連桿長度。即：
（2.18）
上式中、為c點坐標，可以按下列方程聯(lián)立求得:
（2.19）
（2.20）
由式（2.19）和式（2.20）得：
（2.21）
（2.22）
令: （2.23）
N （2.24）
T （2.25）
把式（2.23）到式（2.25）帶入式(2.22)式得：
（2.26）
（2.27）
c點坐標求出后，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和四連桿機構的底座長度E。
當前連桿c點坐標確定后，D和E的長度為：
（2.28）
（2.29）
2.3.4四連桿機構的優(yōu)選
按上述方法可求出很多組四連桿機構，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。
其約束條件是根據四連桿機構的幾何體特征要求，以及支架的結構關系，通過對國內外現(xiàn)有支架的調查統(tǒng)計，得出的約束條件如下：
（1）前后連桿的比值范圍
根據現(xiàn)有資料的調查統(tǒng)計，前后連桿的比值＝0.91.2范圍。
（2）前連桿的高度不宜過大，一般應使。
（3）E的長度，一般應使E.
（4）對掩護式支架應使的值U ；對支撐掩護式支架
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系。
（1）a點坐標
= （2.30）
（2.31）
（2）點坐標為
（3）直線的斜率：
（2.32）
（4）直線的斜率：
（2.33）
由于c 、b、o在同一條直線上，因此，和 直線的斜率相同，所以直線的斜率為：
（2.34）
同理直線的斜率為
（2.35）聯(lián)立（2.34）、（2.35）得：
（2.36）
（2.37）
圖2.5 順心位置圖
令： （2.38）
（2.39）
則： （2.40）
2.3.5近似雙紐線軌跡的繪制
為了能計算和看出優(yōu)選的一組值的e值，以及雙紐線的凸弧段長度，要求打印出頂梁前端的坐標值畫出雙紐線軌跡來。
（1）四連桿機構的方程
圖2.6 四連桿機構方程圖
從圖2.6可知，在任一個角位置時，d點的x坐標值應滿足下列方程
（2.41）
B點的y坐標值應滿足下列方程
（2.42）
由式（2.42）得：
（2.43）
將式（2.43）代入式（2.41）得：
（2.44）
將式（2.44）整理得：
(2.45)
令： ;
(2.46)
(2.47)
(2.48)
將式(2.46)式（2.48）代入式（2.45）可得：
(2.49)
則式（2.49）可變成以Z為變量之方程，得：
(2.50)
不合題意之根已舍去。
當時，式（2.50）才有意義。
在圖2.6中點任一位置時之坐標x,y可寫成：
(2.51)
(2.52)
其中， 則
式（2.51）和式（2.52）就是液壓支架四連桿機構的曲線方程。
根據四連桿機構的幾何特征要求，支架由高到低，=,即：
1.48rad0.436rad。所以在變化范圍內可以畫出一條近似雙紐線的軌跡來。如果在這個變化范圍內按間隔0.087rad,可以算出x,y值表，y的變化相當于支架計算高度的變化，則x的變化相當于頂梁前端距煤壁之距變化，所以e值為支架高度變化范圍內，相應的，凸弧段的長度為支架的結構高度有高到低時，x值漸增所對應的y值相減，即：
凸弧段長度 (2.53)
式中，
——支架最大高度所對應的y值；
——支架由高到低，x值漸增，增加到極限位置所對應的y值。
2.4 頂梁長度的確定
2.4.1支架工作方式對頂梁長度的影響
支架工作方式對支架頂梁長度有很大影響。先移架后推溜方式（及時支護）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式（滯后支護）要求頂梁長度較小。這是因為采用先移架后推溜的工作方式時，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后，支架能及時前移，支控新暴露的頂板，做到及時支護，因此，先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為600 mm 。
本次設計采用及時支護方式。
2.4.2頂梁長度計算
掩護式支架頂梁長度按下式計算：
(2.54)
式中：
——頂梁長度；
——配套尺寸，根據所選用的采煤機和刮板輸送機的型號確定；
——底座長度，底座前端距后連桿下鉸點之距, =2486mm；（煤礦支護手冊p1257）
e ——支架由高到低變化時，頂梁前端點變化的最大距離；e=23mm；
——梁端距，為防止采煤機截割頂梁而留出的距離, =220mm；
——掩護梁與頂梁鉸點距頂梁后端點之距,=200mm；
本次設計配套圖如下：
；；；；；；；
；；；。
圖2-7
故：
mm
mm
優(yōu)化后的結果為：A= 1334,G= 1990,C= 1348,D= 578,E= 0706B= 0498.,P1= 54.0,C1= 55.7,Q1= 75.0,e= 27.4,tanθ= 0.16,C/A= 1.01,EI= 825.2,Htd=217.5,X= 0.0,Y= 2900.0,P2=14.8
3 液壓支架主要部件設計
液壓支架各個部件的結構形式與工作面的頂?shù)装鍡l件和支架結構形式有關，選擇時根據支架的結構和工作面頂?shù)装鍡l件，對各個部件的結構進行分析，最后擇優(yōu)選擇。
3.1 頂梁
頂梁是頂板直接接觸的部件，除要滿足一定的剛度和強度要求外，還要保證支護頂板的需要，如：足夠的頂板覆蓋率；同時要適應頂板的不平整性，避免因局部應力而引起損壞。
3.1.1用途
(1)用于支撐維護控頂區(qū)的頂板。
(2)承受頂梁的壓力。
(3)將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經底座傳到底板
3.1.2結構形式
支架常用頂梁形式有3種：整體頂梁、鉸接項梁和楔形結構頂梁。鉸接頂梁的前段稱為前梁，后段為主梁，一般簡稱頂梁。
（1）整體頂梁
整體頂梁的特點是：結構簡單，可靠性好；頂梁對頂板載荷的平衡能力較強；前端文撐力較大；可設置全長側護板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護效果，減少架間漏矸。簡單的整體剛性頂梁的結構外形如下圖所示。
圖3-1(a)為掩護式支架的整體剛性頂梁，圖3-1 (b)為支撐掩護式的整體剛性頂梁，整體剛性頂梁為寬面板式箱形結構件。為改善接頂效果和補償焊接變形，整體頂梁前端(800—1000mm)，一般上翹。
圖3-1 (a)掩護式支架整體頂梁 圖3-1b)支撐掩護式剛性整體頂梁
（2）鉸接式頂梁
鉸接式頂梁如圖3-2所示。在前梁千斤頂?shù)耐评?，前梁可以上下擺動，對不平頂板的適應性強。運輸時可以將前梁放下與頂梁垂直，以減小運輸尺寸。前梁千斤頂必須有足夠的支撐力和連接強度，前梁上不宜設置側護板。為順利移架，前梁間一般要留有100～150mm間隙，從而增加了破碎頂板漏矸的可能性。
1-前梁 ；2-前梁千斤頂 ；3-頂梁
圖3-2分式頂梁結構
鉸接前梁圖3-3(a)與頂梁3-3(b)如下圖
圖3-3(a)鉸接前梁 圖3-3(b) 鉸接頂梁
（3）楔形結構梁
楔形結構梁如圖所示。楔形梁和后梁通過銷軸鉸接，楔形梁的楔臂與頂粱間夾有楔塊，楔塊后端與楔形千斤頂鉸接，而千斤頂則鉸接于頂梁上。
楔形結構梁利用構件間摩擦自鎖原理，通過楔塊與楔形梁和頂梁之間的摩擦作用，使楔形梁、楔塊和后梁在受載時保持為—個整體，如同整體剛性頂梁。這樣，該梁就具有整體剛件頂梁前端支護力大的優(yōu)點。由于楔形梁與后梁為鉸接結構，今操作楔形梁千斤頂伸出或縮回時帶動楔塊前后移動，從而使楔形梁1繞鉸軸上下擺動，其擺動范圍取決于楔塊的行程和楔角的大小。由于擺動范圍較鉸接頂梁小，因而該梁又具有鉸接頂梁的靈活性。此外，在運輸時，楔形梁可以放到下垂位置，縮短了運輸尺寸，從而方便運輸和安裝。
（4）剛性主梁+伸縮前探梁
剛性主梁加伸縮前探梁的組合方式能夠縮短支架在正常支護時的孔頂距,從而提高支架的支護強度;在采煤機采過煤之后,支架移架前又能夠及時伸出前探梁進行臨十只虎,還可以在