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1、支顶掩护式液压支架顶梁、前梁及立柱设计摘要采煤综合机械化，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，并且利用三维制图软件 PR
2、O/ENGINEER 制作三维图，对液压支架进行动作仿真，更加形象的讲述了这种支架的方案和用途。关键词：液压支架 支护 顶梁 前梁 液压支柱或支柱前言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 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
3、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 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
4、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。本文做的主要工作：1、基本参数的确定；2、四连杆机构的选择与设计；3、顶梁形式的选择与设计；4、前梁的选择与设计；5、三维仿真；等等1.绪论1.1 本文提出的背景煤炭综采装备由液压支架、采煤机和运输机构成，液压支架作为综合机械化采煤工作主要设备，一次性投资占综采装备总资金的 70%以上，是综采工作面实现安全、高效生产的关键。液压支架顶、底板必须适应
5、井下工作面煤层环境，为操作人员提供安全的作业空间，还要为采、运设备提供有效的动力源，决定采运设备的正常推进速度。因此，液压支架是综采工作面能否实现高产高效成败的关键设备。经过几十年的研制和发展，我国在液压支架的设计与加工方面取得了重大突破，研制开发了可适应不同地质条件、不同煤层厚度的多种液压支架。但我国综采机械化水平总体上是较低的，工作面年单产量大部分在 100 万吨左右，达到 200300 万吨的工作面较少，尽管有地质条件复杂等客观原因，但主要原因是装备水平落后，尤其在 46m 厚煤层一次采全高高产高效工作面的大采高强力液压支架设计制造上，还处于初级阶段。目前这类支架的大部分使用主要依赖进口
6、。据统计，引进一套大采高强力液压支架需 3000 万欧元以上，并且受到国外公司价格垄断的制约，备件进口价格甚至达到整机进口时随机备件价格的 2030 倍。这种国外一两家公司垄断我国高端液压支架市场的局面，不但极大的制约了国产液压支架行业的健康发展，而且还对煤炭工业的可持续发展构成极大的威胁。高端液压支架国产化的必然性主要表现为如下几个方面1、进口支架购置费用 购买 1 套进口液压支架的价格加上运输费、保险费、通关费(含关税、增值税及其他报关、报检手续费、代理费)等，约为 1 套国产支架总费用 23 倍。如果国产液压支架性能能够接近进口液压支架，其性价比肯定要优于进口液压支架，经济上的优势一目了
7、然。2、备件供应方面 进口液压支架的备件供应周期，包括备件的询价、生产组织、运输等，势必要比国产液压支架备件供应周期要长，备件费用相比较更为昂贵。而备件又具有需求量大。随时性及长期性等特点，如果使用国产液压支架，从备件供应上更为经济和方便。 3、现场服务方面 液压支架在使用过程中，经常遇到一些技术问题，现场技术服务必不可少。进口设备厂家的现场技术服务工作受到诸如邀请函传递、服务工程师旅途远、语言沟通等方面的限制，难以满足生产需要。 4、长期发展方面 国外技术先进、符合要求的液压支架生产商相对较少，如适合神东矿区生产的国外液压支架制造厂家仅二三家。长期单一地使用进口液压支架，造成煤炭企业对国外少
8、数制造厂的依赖。在煤炭行情转好，煤矿设备转向卖方市场的今天，国外液压支架厂家由于竞争对手少，支架价格涨幅较大，这对于依赖进口设备的煤炭企业势必产生相当大的压力。而且对国内液压支架的发展会形成恶性循环。 鉴于以上分析，使用国产化液压支架，替代进口液压支架已成为必然发展趋势。因此，国产化液压支架的研制、生产，以逐步替代进口液压支架，已成为使用进口支架的煤炭企业所面临的普遍问题。1.2 我国液压支架的发展及存在的问题1.2.1 我国液压支架的发展我国 20 世纪 80 年代中期开始研制液压支架电液控制系统，1991 年有关生产厂家研制出支架电液控制系统，有关研究院所研制出全套电液控制液压支架。由于种
9、种原因，未能推广开。我国研制液压支架电液控制系统起步较晚，虽然对液压支架电液控制系统的研究已经历了十几年的时间，但进展缓慢，目前处于进一步完善阶段，还没有在井下推广使用。从我国已研制出的支架电液控制系统来看，也还处于单架和成组程序控制的初步阶段，而液压支架与采煤机、输送机联动的全工作面自动化控制还处在探讨研制阶段。目前。国内的神东集团、兖矿集团、铁煤集团、开滦集团已引进国外电液控制支架得到了成功的应用取得了很好的技术经济效益。液压支架电液控制系统是实现综采工作面高产高效的关键设备，也是今后的发展方向，这是我国国民经济快速发展和煤炭生产高产高效集约化发展的需要，是煤炭生产技术发展进步的必然结果。
10、1.2.2 我国综采技术发展中存在的问题（1）我国煤层赋存条件复杂，老矿井受生产系统制约，综采效率难以发挥。我国大部分矿井井型较小，生产系统不适应集中生产的要求。巷道断面小，支护质量差，掘进设备落后，进度慢，运输系统环节多，辅助运输落后。工作面长度、采煤机截深、采区长度等工作面参数都比较小。（2）职工队伍素质差，许多综采队以农民轮换工为主，文化基础差，队伍不稳定。管理水平低，管理模式落后，管理层次多，扯皮现象严重。（3）煤炭企业普遍经济效益较差，负担重，技术改造任务难度大，资金投入严重不中，以致发展后劲不足，一些矿井没有设备更新能力，机械给出现倒退局面。（4）小煤窑滥采滥挖现象严重。一方面造成
11、对国有煤矿的市场冲击，成为影响综采发展的一个消极因素。（5）科研投入严重不足。科研单位创收成为主要目标，技术攻关力量不足，科研成果低水平循环现象严重。（6）由于受价格和基础工业水平的影响，我国煤机制造质量、产品性能和可靠性距世界先进水平还有较大差距。特别是采煤机、工作面输送机、液压支架电液控制技术、采区供电技术、工况监测和故障诊断技术及自动化技术等，与国际先进水平相比不存在较大差距。1.3 液压支架的发展动向及研究动态1.3.1 液压支架的发展动向近几年来，为适应采煤综合机械化的发展需要，液压支架获得了迅速的发展，出现了很多类型，据统计，它的结构型式已达数百种。每架支架的支柱从 1 根到 8
12、根，支撑力从50 吨到 800 吨，支架适应煤层厚度的范围由 0.6 米到 5.0 米，以至更厚的煤层，适应煤层倾角由 0 到 45，甚至 70 左右。在缓倾斜薄及中厚煤层中，液压支架已获得广泛应用，但是由于煤层赋存条件复杂，支架的结构还不够完善，设备需要管理和操作经验，所以液压支架的使用范围仍受到限制。为了改进支架的支护性能，提高它对不同矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前液压支架有下列几方面的发展动向：（1）.大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其他型式的支架，应用逐渐减少。1976年国际采矿设备展览会展出的 89 种液压支架中，有 80%是掩护式支架，这些支架的主要特点是
13、：采用四连杆机构，使梁端和煤壁之间的距离基本保持恒定；支柱支在顶梁上，提高了支架的工作阻力；顶梁和掩护梁铰接，取消了两者间易被矸石堵塞的三角区；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。（2）.液压支架的进一步发展，是着重解决扩大使用范围的问题。目前，各国正在研制大倾角、大采高、大截深和薄煤层支架，并使支架和采煤机更好地配合。近几年来，国外正在研制一次截深 1.5 米左右或一次采高 5.5 米地液压支架。同时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。（3）.采用高压乳化液泵，以提高支架的处撑力，很多国家使用的泵站压力已达到30
14、0 公斤/平方厘米以上。（4）.为了简化支架管路系统和便于安全操作，开始采用“多芯管”先导式邻架控制的操纵方式。（5）.为加快支架移设速度，进一步改善操作条件，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在研究阶段。1.3.2 液压支架的研究动态为了进一步改善支架性能和提高移架速度，还须迅速研制并推广大流量支架用阀、大通径液压胶管、初撑力保证阀或自动增压阀以及高压变乳化液泵。须加快电液控制系统的开发和支架供液系统和液控系统的优化。还须开发研究等压双伸缩立柱和能够克服刚性四连杆机构缺点的新架型等。此外，对于综采放顶煤工作面，移架速度问题不是十分突出。但无论
15、是分层开采还是放顶煤开采，对降低工作面供液系统的压力，提高支架初撑力的要求还是十分迫切。由此可见，自动增压初撑系统有一定的应用前景。气垛支架以其整体性能好、稳定性好、抗冲击载荷能力强、初期投资少和操作维护简便等优点，在薄煤层和急倾斜煤层支护中已经取得了一席之地。变流量变压力乳化液泵等新产品的研制，将会大大改善支架供液系统的特性。针对影响移架速度的因素分析和提高移架速度的方法和途径，已有不少文献给予论述，指出影响移架速度的主要因素有系统的额定流量和额定压力、供液系统管路的通径及阀件的过流量、液压支架立柱升降行程和推移千斤顶的行程、立校活柱直径与活塞直径的比值、支柱及顶梁重量等；而提高移架速度的主
16、要措施有：增加泵站流量、采用电液自动控制、利用大流量阎件、改进液压支架的进液和回液系统。目前液压支架移架速度的计算方法仅为静态汁算，只反映了移架动作的操作时间和运行时间。对于动态特性较差的支架液压系统、其得架动作过程所需的时间远远超过静态计算的运行时间。要保证实施煤炭工业部关于初撑力的规定要求(达到设计韧撑力的 80以上)，往往需要保证 l0 一 30s 的升柱和切撑供液时间。 关于液压支架初撑力问题存在的原因以及解决这问题的方法和途径，一些文献从不同的角度给予了大量的探讨。文献指出泵站实际调定压力较低只有一定的波动、远距离供液压力损失严重、顶底板不平反浮煤和浮歼的影响、不能保证液压支架的初撑时间以及多人操作或多架同时操作等因素是导致液压支架初撑力本足不均的主要原因；而增大大校直径和数目、提高泵站压力、采用双供液系统、监油工作面支护质量、增设韧撑力保证阀等提高切撑力的方法相措施都存在着一定的不足。为了提高移架速度，就很难保证初撑时间，从而不能保证初撑力达到规定要求。可见提高移架速度和提高液压支架初撑
