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1、第 1章 前言液压支架以液压为动力实现升降、前移等运动，既能支撑又能维护顶板的支护设备，为采煤工作面综合机械化的主要设备。和刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。1.1 立柱设计的意义我国是世界主要产煤国家，煤矿总数超过全世界其他所有国家煤矿的总和。综采技术经过 30 多年发展，积累了丰富的经验，高产高效矿井建设已初见成效。发
2、展综采技术是建设高产高效矿井的重要任务，加大技术改造力度，优化工作面配套、提高设备可靠性、提高开机率是高产高效矿井建设的发展趋势。我国自 70 年代初开始大规模引进国外综采设备，发展综合机械化采煤。与此同时，煤炭科学研究院及相关厂矿共同开始了对液压支架的科研和技术攻关，至 80 年代末，已先后研制成功薄煤层、中厚煤层、厚煤层和特厚煤层综采成套设备和技术，基本上取代了进口，促进了煤炭工业的快速发展。到 1997 年全国国有重点煤矿综合机械化程度已达到 4838，相继建成一批高产高效的矿井。国产综采设备的水平有了较大的提高，一些技术指标接近或达到国际先进水平。我国综采设备已开始打入国际市场，先后出
3、口到美国、印度、土耳其、俄罗斯等国家。液压支架是综采工作面的重要设备之一，其投资约占综采工作面成套设备总投资的 70左右，其作用不仅是支护顶板、维护安全作业空间，而且要推移工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一液压支架与滚筒采煤机(或刨煤机)、刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。在煤矿
4、机械中液压缸的应用比较广泛，掘进机、采煤机的摇臂，刮板输送机的可伸缩机头部分的动作都是靠液压缸的伸缩来实现，尤其是在液压支架中，几乎所有的动作都是通过液压缸（通常称为立柱千斤顶）的往复运动来实现的。一个 150 米长的综采工作面，一般就有 1000 多个立柱千斤顶在工作，如果是放顶煤工作面，立柱千斤顶数量则更多。作为液压系统地执行元件立柱千斤顶数量庞大且往复运动次数多，容易出现问题，维护和更换密封所需要的总时间就长，直接影响了开机率和工作面的推进速度。所以，立柱千斤顶的高可靠性是煤矿综采工作面高产高效的前提。随着煤炭开采技术的发展和国家对煤炭开采回收率的调控，液压支架的开采高度也向两极化发展，
5、薄煤层支架走向越来越低，中厚煤层支架走向越来越高，对支护强度的要求也越来越高，支架适应的煤层倾角也越来越大，支架形式主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距(1.75 m、2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，例如屈服极限 69MPa 以上的钢板，支架的寿命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性试验循环次数达 50 000 次。立柱千斤顶也随之向大缸径、大伸缩比发展，复杂的地质条件对立柱稳定性的要求也越来越高。经统计郑煤机集团近两年生产的产品中，适用于大采高、大倾角、薄煤层的液压支架占了 70%左右。目前，国
6、内的行业标准MT313-92 液压支架立柱技术条件 、 MT97-92液压支架千斤顶技术条件中对立柱千斤顶的实验要求相对宽松(表一)，总体低于国外标准。国内煤机企业的发展不仅仅局限于国内市场，还要抢占国际市场，产品的性能要经得住国际上其他国家相应标准的检验。立柱千斤顶结构相对比较稳定，进而提出应用现代化软件和手段对千斤顶、立柱进合理分组，建立立柱、千斤顶三维参数化模型，对千斤顶、立柱的安全系数、强度、稳定性等进行计算校核，并开发简单易用的千斤顶、立柱的分析校核软件，为优化立柱、千斤顶结构参数提供理论依据，提高设计效率和缩短加工制造过程，进而为企业创造更大效益。表 1-1：国内立柱千斤顶强度试验
7、标准与欧洲标准对比表Table 1-1 MT97-92 MT313-92 EN1804-2千斤顶至最大行程，轴向以额定工作压力 150加载，保持 5min立柱至最大行程，轴向以额定工作压力 150加载，保持5min工作油缸用其许可压力的 80%全部伸出，接着将压力腔闭锁住，然后用一个外力对工作油缸加载，外力大小为许可力的 2.0 倍或 1.5 倍(冲击)千斤顶处于最大和最小长度，分别对活塞腔和活塞杆腔以额定泵压 125加载，保持 5min立柱至全行程，活塞腔以额定泵压125加载，保持5min立柱或支撑千斤顶伸出全长的7080%且剩余行程立柱100mm，千斤顶则30mm。用许可压力的 60%撑紧
8、并将压力腔闭锁。接着用一个自由落下的物体对立柱和支撑千斤顶进行二次冲击的外加载，对立柱来说，自由落体10 000kg；对支撑千斤顶来说1 000kg。此时必须达到许可压力值的 1.5 倍（5%） 。压力从初始值至所要求的最大值的升压必须在最大为 30ms 内实现。千斤顶活塞杆处于2/3 行程处，活塞腔以额定泵压 200加载，保持 5min立柱处于 2/3 全行程，以额定工作载荷200轴向加载，保持 5min立柱至最大行程，在柱头和缸底同侧在柱顶侧和柱底侧用一种球形推力轴承系统来传递力，那么作用力只偏心 30mm 位置，以 110额定工作载荷轴向加载，保持5min偏心加在柱顶侧球头半径的 0.3
9、 倍处。柱底侧的支承轴承必须对应于柱底形状来设计。柱底支承轴承的直径不得大于立柱或支撑千斤顶直径的 25%，压力值需计算立柱至最大行程，轴向预加额定初撑载荷，以 15kNm 能量冲击柱头 2 次立柱和支撑千斤顶全部伸出，开始时予加力为许可的立柱力和千斤顶力的 10%。必须使立柱和支撑千斤顶的压力腔闭锁住。紧接着通过一个外力使立柱和支撑千斤顶加载至许可的立柱和千斤顶力。该力必须保持住 3 分钟，而立柱和支撑千斤顶并不让缩提拉点必须进行加载检验，直至达到许可力的 4 倍也不允许发生破断。1.2 国内外研究现状我国目前已经形成一支有一定规模的从事液压支架的设计、研究、制造和检验的专业队伍，积累了丰富
10、的经验，已经开发研制了多种适合我国煤矿不同生产地质条件的液压支架。支架最大高度已达 6.3m，最小高度为 0.5m；适应最大倾角可达 55；最大工作阻力达 10800kN。不仅有用于一般工作面的液压支架，还有用于放顶煤采煤、分层铺网采煤等条件下的特种用途液压支架。液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等诸多方面提出许多新的要求，促使立柱的结构更加合理和有了很大的发展。 1.2.1 结构和功能(1)单伸缩立柱结构简单、可靠，属液压无级调高，调整高度方便，但调高范围小，用在调高范围不大的支架上，许多种放顶煤支架装配单伸缩立柱。(2)机械加长杆双伸缩立柱 结构比较简单，调高范围较大，有液压无级
11、和加长杆有级两种调高方式，使用中经常用液压无级调高。操作人员需根据采煤工作面煤层厚度的变化及时调整机械加长杆的高度（有级调高）以满足支护要求，如果有级调高调整的不及时，会出现支架被压死或顶空的问题。调整加长杆的高度费时、费力。多用于煤层厚度变化较大的中厚煤层支架上。(3)液压双伸缩立柱 调高范围大，属液压无级调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。该类立柱多用于薄煤层和大采高支架上。由于该类某些缸径立柱的中缸强度裕度偏小，遇有采煤工作面基本顶压力显现强烈时中缸有时会出现鼓胀现象，损坏立柱。(4)三伸缩立柱 一般为三级液压无级调高，有的在双伸缩立柱上加一段接长杆，主要是为增加立柱的调
12、高范围，以满足某些特殊结构支架对立柱增加调高的要求。国外较早使用了这种立柱，其调高范围很大，但结构复杂，第三级缸内压力很高，对材料和加工都要求很高。目前中国还没有研制这种立柱。(5)千斤顶的型式很多，大多为单伸缩双作用，个别为单伸缩单作用千斤顶。按进、回液方式可分为外进液和内进液千斤顶，大多为外进液的。按活塞固定方式可分为固定活塞式和浮动活塞式千斤顶，固定活塞式的占绝大多数，只有推移千斤顶中有一部分为浮动活塞式的。按在液压支架上的功能可分为推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶、护帮千斤顶、伸缩梁千斤顶、平衡千斤顶、防倒千斤顶、防滑千斤顶、调架千斤顶、底调千斤顶、抬底座千斤顶等。用在放顶煤支架的还
13、有尾梁千斤顶、插板千斤顶、拉后输送机千斤顶等。1.2.2 设计方法和手段国外，从九十年代起已广泛采用三维仿真和光弹模拟技术，并通过建立液支架的整体有限元模型开发出计算机仿真软件系统对支架的受力进行分析，使支架设计与实际工况尽可能的相似，而中国目前上述技术正在研究阶段，也只对特殊支架，如国家重点攻关项目，部分的采用这种技术而大批量常规设计并没有采用。1.2.3 标准和试验要求方面 国际上发达国家对立柱千斤顶所使用的原材料、工艺要求和试验要求等都用大量的标准加以规定，中国也相继制订了多项行业系列标准、企业标准，但试验强度总体讲低于国外标准。特别是疲劳试验，国内千斤顶以额定工作载荷全行程往复运动，累
14、计 10000 次；立柱升至最大行程，在柱头和缸底同侧偏心20mm，以额定工作载荷连续循环轴向加载，循环次数大于 2000 次，活塞腔加以背压，大缸活塞杆腔(与小缸活塞杆腔同时)加以泵站公称压力降柱，在空载升柱，循环次数 2000 次。欧洲标准规定立柱或支撑千斤顶液压行程伸出90% 5%。偏心加载进行 6000 次加载循环，轴向中心加载循环 15000 次。全伸出状态时的压力检验 100 次。1.2.4 操作与控制技术国产液压支架多采用手动操作，其移架速度为 1220 秒，部分支架采用电液控制系统，也是对电液控制部分采用引进的模式。国外支架在液压控制技术上已配置故障诊断的预警装置，可实现液压支
15、架降、移、升和各千斤顶的协同工作以及和采煤机、刮板机的联动和远程控制。 1.2.5 制造工艺(1).缸径：国外已达到 500mm 中国目前最大为 400mm。(2).工艺方法：国外对 200 以内深孔为实现 10m 长一次加工，并根据需要切割而成。中国目前最长为 3m 国外可采用热镦技术加工油缸，即把金属加热至比流动状态低 50100 时，用万吨水压机沿轴向反复镦冲加工。成型的缸筒有完整的缸底（不需再焊） ，同时对缸口一般扩孔成型，给缸口加工创造条件。国内基本上采用推镗珩磨或滚压加工缸筒而后焊接缸底的工艺方法。(3).加工精度 国外一般比国内高一到二级，如活塞的密封面，国内一般为 f9,国外则
16、为 f8,甚至为 f7。1.2.6 其它差别(1).镀层：国内是锡青铜打底镀硬铬；DBT 公司是镀软铬加硬铬，活柱采用化学铍特殊材料，波兰采用不锈钢皮包活柱技术，耐腐蚀性更好。(2).稳定性：国外活塞和导向套多采用双导向环，稳定性好；国内一般为单导向环。(3).密封：国内采用单一的橡胶或聚氨酯；国外采用复合密封，接触面硬度较大，耐磨性好，内部为弹性好的材料，通过这种搭配，密封性能和补偿性能强。(4).材质：国内均为 27SiMn，热处理硬度为 HB240280；国外二级缸采用材质较好，热处理硬度在 HB320 左右，缸壁薄。1.3 以往立柱千斤顶设计过程存在的问题1.底阀； 2.外缸； 3.中缸； 4.活柱； 5.导向套； 6.卡键； 7.挡圈图 1-1 双伸缩立柱示例目前机械设计的手段依然是以平面制图为主，三维制图软件的应用还没有普及，平面图中尺寸与尺寸之间虽然有关联性却没有互动的功能，即图形不能随尺寸驱动。在立柱设计过程中的主要问题是：制图工作量大，设计效率低；图纸更改重复次数多
