煤矿用液压支架详细介绍及其说明.doc

1、-_采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。设计要遵从支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。在支撑掩护式的设计过程中，前梁、主顶梁、掩护梁和立柱等结构件的设计是重点。本论文介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，目的及要求，对掩护式液压支架作了详尽的分析和介绍，讲述了这种支架的方案和用途

2、。目 录中文 摘要 .IAbstract .II第一章 引 言 .11.1 前言 .11.2 绪论 .11.2.1 我国液压支架的发展 .21.2.2 液压支架的发展动向 .21.液压支架的组成与分类第二章 支架设计 .32.1 工况分析 .32.2 液压支架工作原理 .42.2.1 支架升降 .42.2.2 支架移动和推移输送机 .62.支架结构的选择.62.3.1 顶梁的选取 .72.3.2 侧护板的选取 .72.3.3 底座的选取 .72.3.4 推移装置的选取.7-_2.3.5 护邦装置的选取 .82.3.6 防倒滑装置的选取 .82.3.7 液压支架的主要液压元件和泵站82.3.7.

3、1 立柱 .82.3.7.2 液控单向阀 92.3.7.3 安全阀.92.3.7.4 操纵阀10 2.3.7.5 泵站 .10 2.4 支架主要尺寸的确定 .112.4.1 已知参数 .112.4.2 支架高度的确定 .112.4.3 中心距和宽度的确定 .122.4.4 梁端距和顶梁长度的确定 .122.4.5 支架四连杆机构尺寸设计及计算.122.4.6 底座长度的确定.162.4.7 顶梁长度的确定 .162.4.8 立柱的技术参数确定 .182.4.8.1 立柱数的确定 .192.4.8.2 支撑方式 .192.4.8.3 立柱缸体内径192.4.8.4 立柱间距202.5 液压支架的

4、受理分析和计算212.5.1 顶梁的受力分析.212.5.2 掩护梁的受力分析 222.5.3 底座受理分析.252.6 液压支架主要部件的强度校-_核262.6.1 顶梁强度校核 .26 2.6.2 掩护梁强度校核.322.6.3 底座强度校核.352.6.4 立柱强度校核.382.7 液压系统设计 .42第三章 结束语 .44第四章 参考资料 .46 -_20 世纪 50 年代前，在国内外煤矿生产中，基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱铰接顶梁来支护顶板。1954 年英国首次研制出液压支架，目前，以液压支架为主体的地下综采设备，已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。我国是煤炭生产大国，在

5、20 世纪 60 年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。20 世纪 70 年代我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架，经过使用、仿制和总结经验，到 20 世纪 80 年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了 TD 系列、ZY 系列和 zz 系列等 20 多种不同规格的液压支架。目前，在国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。1980 年起人们取得了对白移式液压支架的研制成功并逐步改进完善，进而普遍推广应用，使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序全部实现综合机械化，煤矿取得了较大综合效益。到 20 世纪

6、 90 年代初，人们寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法，采用了放顶煤技术。低位放顶煤液压支架是一种支持双输送机的支架架型，支架掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁，低位放顶煤液压支架一般为四柱支撑掩护式支架类型，这种架型有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度 45 度左右） ，因此在摆动中可以松动煤层，并维持一个落煤的空间。尾梁中间有一个液压控制的插板，可以放煤和破碎大煤块，并且具有连续的放煤口。低位放顶煤支架分为小插板是低位放顶煤支架和大插板式低位放顶煤液压支架。为了改进支架的支护性能，提高它对矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前液压支架由下列几方面的发展动向：大力发展掩护式和支

7、撑掩护式支架，对其他形式的支架应逐步减少，原因是这些支架主要采用四连杆机构,使两端和媒壁之间的距离基本保持恒定;支柱支在顶梁上,提高支架的工作阻力;顶梁和掩护梁铰接,避免了两者之间产生的三角区;掩护梁和顶梁的主梁部分均装设侧护板,提高了支架的防护能力;采用整体自移式,便于支架操作和实现自动控制.液压支架的进一步发展是着重解决扩大使用范围的问题,同时,为扩大支架适应的高度范围,广泛采用双伸缩式支柱.采用高压乳化液泵,以提高支架的初撑力,很多国家使用的泵站压力以达到 300 公斤/cm以上,为了简化支架管路系统和便于安装操作,开始采用”多芯管”先导式邻架控制的操纵方式.为加快移加速度,进一步改善操

8、作条件,支架控制正在向自动控制方向-_发展,目前,分组程序控制已开始使用,全工作面的自动控制还处于研究阶段.1.3 液压支架的组成和分类1.3.1 液压支架的组成液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系“般分为三大类，即支撑式、掩护式(图 1-2)和支撑掩护式(图 1-3) 根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为 4 个部分：(1) 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。(2) 液压油缸，包括立柱和各类千

9、斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。(3) 控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。图 1-2 掩护式液压支架结构 图 1-3 支撑掩护式液压支架结构(4) 辅助装置，如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。-_1.3.2 液压支架的分类及特点按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压

10、支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式。1 支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架（图 1-4 a）和节式支架（图 1-4 b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由 个框节组成，移架时，各节32之间互为支点交替前移，输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在 左右；立m4柱多，一般是 根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置

11、。以平衡水平推64力和防止矸石窜入支架的工作空间内。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；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。由上可知，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，且水平力小的条件。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。2 掩护式支架（如图 1-2）其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。-_(a) (b)图 1-4 支撑式支架结构形式垛式支架 节式支架ab它的结构特

12、点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。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。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，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。通常顶梁较短，一般为 左右。3.0m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，对顶板反复支撑的次

13、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。由上可知，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。3 支撑掩护式支架（如图 1-3）其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。-_支撑掩护式支架是在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结构特点和性能，可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是：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。它的缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形

14、布置和交叉布置。通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。4 特种液压支架特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。支架设计2.1 工况分析本次设计的液压支架是针对神东煤矿工况条件而作。经考察该煤矿采场围岩的性质具有如下情况：直接顶初次垮落步距 为 1828 米，且主要以砂岩，石炭岩组成，zl节理裂隙很少；分层厚度 0.331.0 米；抗压强度 3299MP；综合弱化常量0.280.59，属于第 3 类稳定直接顶；基本顶可根据煤层开采厚度为 3 米，初次来压步距大约为

15、3546 米判断其为来压强烈，级基本顶；其底板的容许比压为3.06.0MP，属于松软底板。根据围岩性质宜选择支撑掩护式（四柱支撑掩护式）其承载能力大，切顶能力强，比压较均匀。2.2 液压支架工作原理液压支架的主要动作茧自缚升架降架推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制系统控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统（见图 2.1） ，其中-_液控单向阀和安全阀设在本架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。 图 示 2.1 液 压 支 架 工 作 原 理顶 梁 ； -立 柱 ； 3底 座 ；

16、4推 移 千 斤 顶 ； 5-安 全 阀 ； 6液 控 单 向 阀 ；7， 8操 纵 阀 ； 9输 送 机 ； 0乳 化 液 泵 ；2.2.1 支架升降支架的升降依靠立柱 2 的伸缩来实现，其工作过程如下：（一） 初撑操纵阀 8 处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体，经液控单向阀 6 进入立柱的下腔，同时立柱上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的压力后操纵阀置于中位，液控单向阀 6 关闭，从而立柱下腔的液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。此时，支架对顶板产行的支撑力称为初撑力。（二） 承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断

17、增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀 5 的动作压力时，高压液体经安全阀 5 泄出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。（三） 卸载当操纵阀 8 处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱（支架）卸载下降。由以上分析可以看出，支架工作的支撑力变化可分为三个阶段（如图 2

18、.2） 。即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段 ，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段 ，以0t 1t及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段 ，这就是液压支架的阻力-时间特性。它表明液2压支架在低于额定工作阻力下工作时具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；-_在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大的条件下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全闪莱实现，困此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的本个重要元件。2.图 液 压 支 架 工 作 特 性 曲 线2.2.2 支架的移动和推移输送机如图 2.1 所示，支架和输送机的前移，由

19、底座 3 上的推移千斤顶 4 来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移千斤顶 4 的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进科推移千斤顶 4 的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。2.3 支架结构的选择根据液、压支架各部件的功能和作用，其组成可分为四部分：（1）承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板及垮落岩石的载荷。（2）液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。（3）控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀、以及管路、液压、电控元件。其主要功能是操作控制支架各液压缸动作及保证所需的工作特性。（4） 辅助装置，如推移装置、护帮装置、伸缩梁装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件、喷雾装置等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。2.3.1 顶梁的选取支架采用整体顶梁，整体顶梁结构简单，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，有种于提高顶板覆盖率，改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端一般上翘 13。2.3.2 侧护板的选取