煤矿用液压支架详细介绍

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.目录中文1.液压支架的组成与分类………………………………………………………2..支架结构的选择 (6)2.3.1 顶梁的选取 (7)2.3.2 侧护板的选取 (7)2.3.3 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 (8)2.3.6 防倒滑装置的选取 (8)2.3.7 液压支架的主要液压元件和泵站 (8)2.3.7.1 立柱 (8)2.3.7.2 液控单向阀 (9)2.3.7.3 安全阀 (9)2.3.7.4 操纵阀 (10)2.3.7.5 泵站 (10)支架主要尺寸的确定 (11)2.4.1 已知参数 (11)2.4.2 支架高度的确定 (11)2.4.3 中心距和宽度的确定 (12)2.4.4 梁端距和顶梁长度的确定 (12)2.4.5 支架四连杆机构尺寸设计及计算 (12)2.4.6 底座长度的确定 (16)2.4.7 顶梁长度的确定 (16)2.4.8 立柱的技术参数确定 (18)2.4.8.1 立柱数的确定 (19)2.4.8.2 支撑方式 (19)2.4.8.3 立柱缸体内径 (19)2.4.8.4 立柱间距 (20)液压支架的受理分析和计算 (21)2.5.1 顶梁的受力分析 (21)2.5.2 掩护梁的受力分析 (22)2.5.3 底座受理分析 (25)液压支架主要部件的强度校核 (26)2.6.1 顶梁强度校核 (26)2.6.2 掩护梁强度校核 (32)2.6.3 底座强度校核 (35)2.6.4 立柱强度校核 (38)液压系统设计 (4)2第三章结束语……………………………………………………………………. ..44第四章参考资料…………………………………………………………………...4620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/cm2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.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3~2个框节组成,移架时,各节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m4左右；立柱多,一般是6~4根,且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置.以平衡水平推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a—垛式支架b—节式支架它的结构特点是：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3.0mm左右.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l为z 18～28米,且主要以砂岩,石炭岩组成,节理裂隙很少；分层厚度～1.0米；抗压强度32～99MP；综合弱化常量～,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35～46米判断其为来压强烈,Ⅲ级基本顶；其底板的容许比压为～,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.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,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.顶梁；2-立柱；3-底座；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；10-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.即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t,初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t,以及安全阀出现脉动卸载时的恒1阻阶段t,这就是液压支架的阻力-时间特性.它表明液压支架在2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.图液压支架工作特性曲线2.22.2.2支架的移动和推移输送机如图所示,支架和输送机的前移,由底座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.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1°～3°.2.3.2 侧护板的选取支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成.本支架采用直角式单侧活动侧护板.直角式单侧活动侧护板一侧为固定式,一侧为活动式.固定侧护板即梁的边筋板,可增加梁体强度,减轻支架质量.直角式单侧活动侧护板适用于工作面倾角15°以下的缓倾斜煤层,具有挡矸密封性和导向性好的特点.这正好满足所设计的煤层工况.2.3.3底座的选取本支架采用整体刚性底座.整体刚性底座的整体刚度和强度好,底座接触面积大,有利于减小对底板的比压,正好适用于软底板工件面.2.3.4推移装置的选取推移装置由推移杆、推移千斤顶和连接头等主要零部件组成,其中推移杆是决定推移装置形式和性能的关键部件.推移杆采用正拉式短推移杆.这种推移杆是由钢板焊接而成的箱形结构件,结构简单可靠,质量轻.推移千斤顶与移步横梁铰接并紧靠在运输机槽帮上,使结构复杂化,且不能起到原来想象的防止支架下滑的作用.目前广泛采用的方法是,推移千斤顶直接与运输机铰接.为了提高移架力,可采用以下措施：（1）采用推移框架或推溜悬臂.（2）在推移油路上接处交替单向阀,推溜时千斤顶成差动缸运行,使推溜力减小.移架时活塞杆腔进压力液.（3）采用浮动活塞.推溜时活塞腔进压力油液,先将浮动活塞推到缸口,然后活塞杆才移动而推溜.当活塞杆腔进压力液时,先将浮动活塞推回到活塞杆端,然后缸体移动而移架.因为活塞杆面积小于活塞环形面积,故推溜力小于移架力.在供油压力为兆帕时,推溜力为千牛顿,移架力为千牛2.3.5护帮装置的选取护帮板是提高液压支架适应性的一种常用装置,其作用是护帮、做临时前梁等.此处护帮装置采用四连杆式.这种护帮板铰接在整体顶梁,在千斤顶与护帮板间增加一个四连杆机构,实现护帮和挑起支护顶板,并保证收回到预定的角度.四连杆机构把千斤顶的作用力有效地传递到煤壁和顶板上.这种挑梁的挑起力矩大,但结构复杂一些.2.3.6防倒滑装置的选取因所设计的液压支架所适应的场合是煤层倾角为15°以下,故可以不设置防倒防滑装置.2.3.7 液压支架的主要液压元件和泵站2.3.7.1立柱立柱是支架实现支撑和承载的主要部件,它直接影响到支架的工作性能,同时还处于高压受力状态,因此,立柱除了具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外,还必须由足够的抗压和抗弯强度,密封良好、结构简单并能适应支架的工作要求.立柱类型：立柱按动作不同分为单作用立柱和双作用立柱；按结构不同可分为活塞式和柱塞式；安身锁不同可分为单伸缩式和双伸缩式立柱.单作用立柱是属于液压升柱、自由降柱的工作方式,应用较少,目前广泛采用的是双作用活塞立柱,极靠液压力来实现升柱和降柱.在伸缩方式上,大采用单伸缩,只有当煤层厚度比较大,或为了扩大支架调高范围时才采用双伸缩立柱.立柱结构：液压支架实际上是推力油缸作为支撑装置,具有以下特点：立柱一般由活塞、活塞杆、缸体三部分组成,由于支架工作时,立柱承受的载荷较大,降柱力较小,故活塞杆直径较大,常采用空心结构,以保证有足够的刚度,活塞一般采用Y型密封圈,铜环导向, 缸体底部焊接,缸体与缸盖之间用钢丝、螺纹或卡环连接.立柱的头部结构为球型,预定梁或底座之间的连接采用销轴活压块固定,以是立柱工作时有一定的适应性.立柱的供液方式有外供液和内供液两种,一般双伸缩立柱采用内供液方式,单伸缩立柱大多用外供液方式,此方法简单,加工、维修都很方便.为在一定范围内适应煤层厚度变化,立柱上端可根据需要装设机械架长杆,以增加支架高度,但其长度必须控制在立柱刚性所允许的范围内才可以.2.3.7.2液控单向阀液控单向阀是支架液压系统中的关键元件之一,通常称为“液压锁”.支架的工作可靠与否,与单向阀的密闭性能有直接关系,如果单向阀锁不住立柱下腔的工作液体,支架就会出现自动慢慢下缩,使不能允许的,如果液控单向阀动作不灵敏,则立柱得初撑力就达不到设计要求,因此要求液控单向阀密封可靠、动作灵敏,并要求使用寿命长.2.3.7.3 安全阀安全阀也称为定压阀,它与液控单向阀组合在一起,使液压支架不可缺少的一种控制阀.安全阀是使支架保持平衡工作特性和可伸缩性的重要元件,和液控单向阀一样,他长期处于高压状态.支架经常的工作状态取决于顶板压力逐渐增强和顶板岩石的极其缓慢下沉情况.若安全阀的密封性能不好,不能保证支架达到设计的工作阻力和稳定的工作状态,故要求安全阀的动作灵敏,阀的开启压力和关闭压力差值很销,有一定的卸荷开口量,密封可靠和工作稳定,没有震荡现象,有较长的使用寿命,结构简单,拆装方便.液压支架采用安全阀均为直动式,结构简单、工作灵敏度高,过载时,它能及时起到溢流作用,利用液压和弹簧力的相互作用,以实现阀的开启溢流和复位定压作用.2.3.7.4操纵阀操纵阀是控制各液压缸进出油路使立柱完成各种动作的开关,故要求密闭性好,工作可靠、操作方便.操纵阀的技能通过和位数必须满足支架的动作要求,操纵阀的机能一般在停止位置时,各个通路应全部回液,相当于“Y”型机能,故操纵阀上油液高压进液口和一个低压回路上.操纵阀控制不同,可分为手控、液控、电控和电液控四种,按动作原理可分为往复式和回转式两种.往复式：往复式操纵阀的阀芯元件是沿轴向做往复运动,开闭进出口油路实现换向作用.它采用结构为二位三通或三位四通电磁阀构成组合机构,每个阀独立操作可实现复合化,但体积大,结构较复杂,阀的操作机构一般采用杠杆式凸轮闭轮锁的控制装置,也可用电控或电液控,因此往复式操作有利于实现遥控和自动化.回转操纵阀：回转操纵阀优点是体积小,位数多,操作简单方便,但只有单一动作,难以实现组合操作.2.3.7.5泵站泵站一般有乳化液泵、乳化液箱和一套压力控制与保护装箱组成,装在可沿轨道或底板移动的平板列车上,泵站是液压支架的动力源,一般按设在中间运输巷内,支架的液压传动式乳化液作为传递能量的介质,泵站的工作压力除了硬满足支架初撑力要求的压力和千斤顶的最大压力外,还应加上管路损失.支架主要尺寸的确定2.4.1 已知参数：1.煤层厚度：～3m2.顶板稳定度：中等3.支护强度：4.顶板尺寸：×2.5m5.底板比压：6.液压系统工作压力：2.4.2支架高度的确定：最大高度：Hmax＝Mmax＋S1＝3000＋200＝3200mm最小高度：Hmin＝Mmin-S2-a-b=0=1300mm式中：Hmax－支架最大高度Hmin－支架最小高度Mmax－煤层最大厚度Mmin－煤层最小厚度S1－考虑伪顶媒皮冒落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度一般取200－300mm这里取S1＝200mmS2－顶板最大下沉量,一般取100－200mm这里取200mma－移架时支架的最小可缩量取50mmb－浮矸浮媒厚度取50mm2.4.3中心距和宽度的确定支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度,目前国内外液压支架的中心距大部分采用1.5m.在此我们也采用此标准,在中心距为1.5m的标准当中要求支架的最小宽度取1400~1430mm；最大宽度一般取1570~1600mm,在此次设计当中,我们根据生产经验选取宽度为1400mm.2.4.4梁端距和顶梁长度的确定所谓顶端距是指移架后顶梁端部至煤壁的距离.梁端距是考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜,以及采。