3.6.1喷雾降尘系统的组成 .................................................................................................................... 22 3.6.2设计原则 ........................................................................................................................................ 22 3.7液压支架的主要技术参数 ....................................................................................................................... 22
3.7.1支护面积 ........................................................................................................................................ 22 3.7.2支护强度和支护效率 .................................................................................................................... 22
4 立柱和千斤顶的设计与验算 ............................................................................................................................. 24
4.1双伸缩立柱缸径和工作阻力的确定 ....................................................................................................... 24
4.1.1双伸缩立柱缸径的确定 ................................................................................................................ 24 4.1.2安全阀压力的确定 ........................................................................................................................ 24 4.1.3泵站压力的确定 ............................................................................................................................ 25 4.1.4立柱初撑力的计算 ........................................................................................................................ 25 4.1.5立柱工作阻力的计算 .................................................................................................................... 25 4.1.6立柱缸体壁厚的计算 .................................................................................................................... 26 4.2立柱强度和稳定性验算 ........................................................................................................................... 26
4.2.1立柱主要尺寸的确定 .................................................................................................................... 26 4.2.3.缸体与缸底焊缝强度验算 ............................................................................................................ 28 4.2.4立柱稳定性验算 ............................................................................................................................ 29 4.3 前梁千斤顶参数的确定 .......................................................................................................................... 31 5 液压支架受力分析 ............................................................................................................................................. 33
5.1概述 ........................................................................................................................................................... 33
5.1.1支架工作状态 ................................................................................................................................ 33 5.1.2计算载荷的确定 ............................................................................................................................ 33 5.2支架受力分析与计算 ............................................................................................................................... 34
5.2.1前梁的受力分析与计算 ................................................................................................................ 34 5.2.2主顶梁的受力分析与计算 ............................................................................................................ 36 5.2.3底座的受力分析与计算 ................................................................................................................ 37 5.3顶梁的载荷分布 ....................................................................................................................................... 38 5.4底座接触比压 ........................................................................................................................................... 39 6 液压支架强度计算 ............................................................................................................................................. 42
6.1强度条件 ................................................................................................................................................... 42 6.2顶梁强度校核 ........................................................................................................................................... 42 7 液压支架的使用、维护与发展趋势 ............................................................................................................... 48
7.1 液压支架操作维护要求 .......................................................................................................................... 48 7.2 液压支架操作 .......................................................................................................................................... 48 7.3 液压支架操作管理事项 .......................................................................................................................... 48 7.4 维护和管理的具体内容 .......................................................................................................................... 49 7.5 液压支架的故障及排除 .......................................................................................................................... 50
7.5.1 结构件和连接销轴 ....................................................................................................................... 50 7.5.2 液压系统及液压元件 ................................................................................................................... 50 7.6 液压支架的发展趋势 .............................................................................................................................. 52 结 论 ..................................................................................................................................................................... 54 参 考 文 献 ........................................................................................................................................................... 55 翻译部分 ................................................................................................................................................................. 56 致 谢 ..................................................................................................................................................................... 64
1 绪 论
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。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约为综采设备总重量的80%-90%，其费用约占综采设备总费用的60%-70%。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。
依靠科技进步，建设高产高效矿井，实现煤矿生产的机械化、自动化和安全高效，是煤炭工业发展的根本出路。改革开放以来，我国煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，开采工艺及装备水平不断提高，机械化程度逐年上升，安全生产状况显著改善，高产高效记录不断刷新。一大批创新科研成果不断涌现并推广应用，使我国煤矿开采技术跻身世界先进行列。
1.1液压支架的发展历史
液压支架的发展从20世纪50年代开始。
1954年，英国研制出剁式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。
1958年法国试验成功了节式支架。 五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并与1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起剁式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。
为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT 形掩护式支架的基础上作了许多改进：
1、利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。
2、利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。
3、将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。
4、 1964年，英国国家煤炭局实施的液压支架试验规范；1965年 ，F.Dobson等人研制的刚性底座都促进了液压支架的进一步发展。
60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的
底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。
进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。
1.2我国液压支架的发展
1959年10月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。1961年设计了“本溪-Ⅱ型”支架，并制造出样机进行井下试验。1965年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1967年，太原煤炭研究所首次研究出四组迈步式支架，经修改后于1972年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下试验。1970年又为大同矿务局设计了TZ-140型支架，在此基础上研制出TZ-Ⅰ支架，开发了TZ-IB、TZ-Ⅱ、TZ-Ⅲ、TZ-Ⅳ和TZ-Ⅴ型等液压支架。1973年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。此外，有关院校、研究所和制造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如ZY-3、WKM-400、BZZB、KD-280和FX-440等。这些液压支架由于受到多种因素的限制，虽然使用效果不佳，几乎全被淘汰，但为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974年和1979年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了48套和100套综采设备。国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。到1983年末，全国在籍的各类支架共31990架。其中，国产支架64套，其性能质量和使用效果都是早期支架所不能比拟的。从70年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出30余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。其中，20多种支架已通过鉴定，五种支架获奖。
总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。
1.3 液压支架的用途、分类和结构
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、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤设备，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、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。
1.3.2 液压支架工作状态及布置
图1-1所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。
A-A截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（B-B截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（C-C截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（D-D截面），以便完成下一个动作过程。
随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。
图1-1 液压支架在工作面布置示意图
1－采煤机 2－液压支架 3－传送带输送机 4－转载机 5－刮板输送机
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－单体液压支柱
1.3.3 液压支架的分类
液压支架分类的方式很多，主要可以按照支架与围岩的相互作用关系、立柱布置方式、使用条件和结构特点等来分类。
1、按使用条件分类
表1-1详细表示了支架按使用条件分类情况。