液压支架及推移千斤顶的设计

前言
我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，煤炭生产的高产高效和现代化是当今国际煤炭工业的发展方向，也是我国煤炭行业的必然选择，这就要求大力发展综合机械化采煤。

综合化采煤方法是高校安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中的最重要的设备之一。

从消化引进设备开始，到我国能独立设计、研究和制造液压支架，我们已经积累了丰富的经验，对这些经验进行总结和提高势在必行。

在采煤工作面的煤炭时间生产过程中，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，必须对顶板进行支护。

而液压支架的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。

液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，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。

液压支架在工作面工作时，为了及时保护，采用先移架后推溜的工作方式一个循环包括降柱，移架，升柱，推溜等四个动作。

随着采煤机的前进，按次序搬动操纵阀，使顶梁下降，支架前移，到达预定位置后，顶梁升起，支护顶板。

再通过支架的推移千斤顶，又将输送机推向煤壁。

1 概述
1.1 综合机械化采煤与液压支架
采煤机械和可弯曲刮板运输机是机械化采煤工作面的基本设备。

普通机械化采煤（简称“普采”）工作面用单体液压支柱（或摩擦支柱）和铰接顶梁支护顶板；综合机械化采煤（简称“综采”）工作面用液压支架支护顶板。

在采用双滚筒采煤机的综采工作面，采煤机从工作面一端开始采煤，先行的滚筒贴着顶板截割，后随的滚筒贴着底板截割，截割碎落的煤炭，由滚筒的螺旋叶片推运并装进可弯曲刮板运输机。

煤炭被运到工作面下端，再经转载机和可伸缩胶带运输机外运。

在采煤机后面一段距离的刮板运输机溜槽和液压支架，即可向煤壁推移，及时支护新暴露的顶板，并为下一个工作行程做好准备。

从工作面一端开始采煤直至工作面另一端，为一个工作行程。

在同一个工作行程中，采煤机的两个滚筒连续转动，整个机器沿着一定的方向牵引前进。

采煤机到达工作面的一端，就结束一个工作行程。

把原来贴着顶板的滚筒降下直至贴着底板，同时把原来贴着底板的滚筒升起，直至贴着顶板，再把两滚筒的挡煤板，翻转到滚筒的另侧，即可反向牵引采煤机，开始一个新的工作行程。

为了保证仍能向工作面运输机装运煤炭，滚筒的转向不能改变。

就是说，在方向相反的两个工作行程中，采煤机的牵引方向不同，滚筒的转向则不变。

在采用双滚筒采煤机的普采工作面，采煤过程的区别仅在于：随着采煤机的向前牵引，滞后于采煤机一段适当距离，要先推移刮板运输机溜槽，再在运输机的采空区一侧悬挂顶梁和架设支柱。

在采用单滚筒采煤机的普采工作面，根据煤层厚度和含有坚硬夹杂物等情况，可以双向采煤或单向采煤。

若煤层厚度接近滚筒直径，煤不粘连顶板，就可以双向采煤，每经过一个工作行程就向前推进一次运输机。

若煤粘连顶板，煤层较厚，特别是顶板稳定性较差时，采煤机向上牵引的工作行程中，滚筒贴着顶板截割，以便先挂顶梁把近煤壁顶板支护好；向下牵引的工作行程中，滚筒贴着底板截割，清理浮煤，并随着采煤机的移动推移运输机，因此往返两个工作行程只能推进一次运输机，但还是双向采煤的。

如果煤层中坚硬夹杂物较多、煤质坚韧，需要先用高压注水、震动炮等方法松动煤层；采煤机在向上工作面上端牵引的行程中，滚筒截割煤层底部，随机人工挑落顶煤并悬挂顶梁；到达工作面上端后，翻转挡煤板，向下牵引清扫浮煤，随机推移运输机溜槽并架设支柱。

因此，采煤机
往返牵引两个行程只能推进一次运输机，而且是单向采煤。

不论是哪一种普采方式，由于要用人力挂顶梁，架设和回收支柱，所以生产效率低，生产安全性差，但工作面设备投资比较少。

根据我国十多年推广综采的经验，综采工作面平均工效为普采工作面的3.3倍，是炮采工作面的4.5倍。

综采不仅提高工作面产量和工效，改善生产安全和劳动条件，而且有利于矿井合理地集中生产，简化生产系统，提高矿井综合效益。

1.2 设计目的及其意义
1.2.1 课题研究意义
在综合机械化设备组成中，液压支架的重量约占综采设备总重量的80～90%，成本占综采设备的70%左右。

而且，综采工作面的安全性也主要取决于支架的支护效果。

因此，为了降低成本，提高开采效益，并使支架的结构与性能适应不同的围岩与煤层条件，各国均在积极开展液压支架的设计、试验与研究。

按支架的设定架型、基本结构和一般性能参数，设计典型支架，设计者根据已有的设计知识与经验，参考现有液压支架的结构与参数，或用类比法来设计支架。

国内外整层垮落开采缓厚煤层的采面矿压初步研究成果可知：随着采高加大，上覆岩层动压现象仍然存在，且表现频繁；直接顶越稳定，高支架支护效果越好；支架应具有足够的支护力，特别是对老顶来压强烈的顶板；采高加大后，应防止片帮、冒顶，尽力保持支架的稳定性，为此提高支架刚度是十分重要的。

总之，除要求支架具有顶得住、切得下、护得好和走得动等基本条件外，针对高支架的特点，要求支架站得稳，煤壁立得牢。

站得稳系指支架不歪倾斜倒，具有较强的防倒、防滑、导向、调架的能力；立得牢系指煤壁不片帮，不导致冒顶，支架具有较强的防片帮和及时支护的能力。

通过课题的研究，了解了液压支架的结构和工作原理等方面，对以前所学的知识有了更进一步的认识，为即将开始的工作打下坚实的基础。

1.2.2 研究现状
液压支架是综合机械化工作面的主体设备，它能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，保持安全的地下作业空间，并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。

液压支架与采煤机、可弯曲输送机和顺槽转载机配合，构成了回采工作面的综合机械化设备，从而为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。

因此，采用液压支
架支护顶板是当代采煤技术的一次重要变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。

支护和控制顶板，保持工作面的安全生产空间，是煤矿地下开采中的首要任务。

在二十世纪五十年代，国内外煤矿生产中，基本上均采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。

1954年英国首次研制出液压支架，将液压技术应用到支护设备上，从而开辟了回采工作面支护设备的技术革命。

从二十世纪六十年代起，国外各主要产煤国家，如前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制了各种型式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用，从根本上改革和提高了地下开采的作业条件和安全性。

据统计，目前这些主要产煤国家的地下开采综合机械化程度已达到90%左右，取得了良好的经济和社会效益。

目前，以液压支架为主体的地下开采设备，以逐步向程控、遥控和自动化方向发展。

我国是煤炭生产大国，在二十世纪六十年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。

七十年代我国从英、德、波兰和前苏联等国引进了数十套液压支架，经过试用、仿制和总结经验，到八十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系列等二十多种不同规格的液压支架，并在国内大、中型煤矿中推广应用，大大提高了我国煤矿开采的机械化水平。

据统计：1995年，我国统配煤矿的综合机械化程度已达50%左右，液压支架在籍套为509套，2000年统配煤矿的综合机械化程度已达65%。

液压支架在籍套数达700多套。

目前，国内大、中型煤矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。

液压支架已成为保证安全、高效生产的一种重要设备。

作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶底条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。

由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架已经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。

即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。

目前，液压支架的研究与发展方向是：
1. 在已有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。

2.研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。

3.研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。

4. 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。

2 液压支架的选型
2.1 原始资料
泵站压力P泵=35MPa；P安=40MPa；Q泵=50L/min
2.2 ZY-35型液压支架的结构特点和主要技术参数
表2-1
高度/m 宽度/m 初撑力/kN
工作阻力
/kN 支护强度
/MPa
对地比压
/MPa
适应坡度
/度
质量/t
1.8～3.5 1.43～1.6 2617 3200 0.56 1.29 ＜25 10.8
ZY-35型支撑掩护式液压支架适用于走向长壁后退式开采法，煤层赋存比较稳定，无影响支架通过的断层，煤层厚度在2～3m、倾角小于30°、中等稳定或中等稳定以下顶板的地质条件。

单位面积顶板压力不大于700KPa，并且移架后能自动冒落，底板较平整，但抗压强度不得小于2000 KPa。

2.2.1 ZY-35型支架的结构特点
（1）工作阻力大，支护强度高，切顶能力强。

立柱分前后两排布置。

（2）调高范围大。

立柱长度为1425～3175毫米，行程1750毫米（其中液压行程1000毫米，机械加长段的最大调节长度为750毫米）
（3）防护性能好。

主梁、掩护梁两侧都有侧护板，前端有防片帮板。

（4）梁端距变化小（254～296毫米，变化量为42毫米）
（5）采用框架式推移装置。

（6）前梁千斤顶承载腔油路上装有大流量安全阀，其整定压力为38.8MPa，比立柱安全阀整定压力（31.8MPa）高，流量也大（约40升/分）。

升架时前梁千斤顶先推
出，前梁端部先接触顶板；在支架继续升起直到顶梁撑紧顶板的过程中，前梁
千斤顶被迫收缩，承载腔压力陡增，大流量安全阀溢流。

2.2.2 ZY-35型支架的结构
1. 结构件
1）前梁前梁为一钢板焊接件，它可以向上摆动18°，向下摆动15°，从而改善了前梁与顶板的接触状况。

在前梁前端装有护帮装置，该装置采用四连杆机构，主要由上连杆、下连杆、护帮板和顶梁上的支座组成。

2）主顶梁主顶梁为焊接箱式结构。

中间以两根主骨架为主体，在主骨架中焊接四个柱窝。

在顶梁两侧装有侧护板，根据工作面方向不同可使一侧固定，另一侧活动。

要使侧护板固定，只要把弹簧套筒收回，用销子销在销孔中。

为了防止销子脱出，用挡板固定。

如果不销住，侧护板就在弹簧作用下伸出。

3）掩护梁掩护梁焊接方式与顶梁相似。

掩护梁上端铰接座与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座铰接。

掩护梁上的侧护板的装配方法与顶梁相同。

4）底座底座由钢板焊成箱形整体结构。

在底座前端两侧焊有千斤顶转架。

在底座前端中间有推移千斤顶耳座。

在中部有平台，可以安装阀组框架，人员在平台上进行操作。

5）导向梁导向梁作用是为支架前移导向，导向梁安设在相邻两架支架之间，其前端与工作面输送机相连。

2. 立柱和千斤顶
立柱为一双作用油缸，为了适应顶底板的变化和改善其受力状况，立柱两端均采用球面结构，以便更好的承受顶板压力。

推移千斤顶在ZY-35型支架上有推移千斤顶、防滑千斤顶、护帮千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶（短柱）等。

3. 防倒滑装置
在倾斜工作面中，ZY-35型支架的防滑措施采用排头导向梁的方法。

它的一端与输送机连接，另一端用单体支柱固定，并支撑住顶板，从而保证首架不下滑。

推溜前，首先撤去单体支柱，使排头导向梁随着输送机推移而前移，并与输送机保持垂直的位置。

推溜结束后，再用单体支柱支撑住排头导向梁，移架时，首架支架就能沿着排头导向梁前移而防止下滑。

防止输送机下滑，采用防滑千斤顶。

在工作面中每十架配置一个防滑千斤顶。

千斤顶的缸底与支架座上的转架相连，活塞杆端的圆环链与两架之间的导向梁相连。

平时活塞杆收缩，链子销紧；推溜时，由于推溜力大于防滑千斤顶的拉力，导向梁前移时将千斤顶的活塞杆也拉出，此时活塞杆腔油路系统中的大流量安全阀在一定的整定压力下溢流，使圆环链始终保持有一定的拉力，防止输送机下滑。

移架后，防滑链松弛，待升柱后在拉紧防滑链。

为了防止排头支架的倾倒，采用了斜拉千斤顶，将为首的两架支架连在一起，当首架移架时，通过圆环链拉伸活塞杆，油路系统中的安全阀起作用，使链子保持一定的拉力，拉住首架不使其倾倒；待首架升柱撑顶后再移上架，同时收缩防倒千斤顶拉紧锚链。

4. 阀组
ZY-35型支撑掩护式液压支架的主要阀组都组装在一个框架上。

操纵阀采用ZC 型组合操纵阀，由8片组成。

液控单向阀采用1B KDF 型。

立柱安全阀采用1B YF 型，整定压力为
31.8MPa 。

短柱安全阀采用3A YF 型，整定压力为38MPa 。

2.2.3 ZY-35型支架的液压系统
ZY-35型支架的液压系统采用下列的操作控制方式：
前后两排立柱的升降动作，各用一片操纵阀操作，所以根据需要，前后排立柱既可以同时升降，可以单独升降。

为了使前梁能及时支护新暴露出的顶板，并迅速达到工作阻力，在短柱活塞腔的回路里装一只3A YF 型安全阀，以便在升后柱的同时升短柱的情况下，当前梁顶端比顶梁先接触
顶板，前梁过负荷时，是安全阀泄液，以保证短柱的工作阻力。

为了防止煤壁片帮，支架上设有防片帮装置，并用一只SSF 型双向锁对防片帮千斤顶中的活塞腔与活塞杆腔分别进行互相联锁。

在推移千斤顶的活塞杆腔中接入闭锁回路，防止在移架时输送机往后退缩。

2.2.4 已知的可供参考的ZY-35型支架的主要技术特征:
支架型式 支撑掩护式
操作方式 本架操作
高度 1.8～3.5 m
宽度 1.42～1.60 m
初撑力 1848 KN
工作阻力 4000 KN
支护宽度 1.5 m
支护强度 721 KPa
底座面积 2.15 m
底座比压 187 2N/cm
重量 10.8 T
2.3 总体设计
2.3.1 液压支架的工作原理
1．液压支架自动移架的原理：液压支架以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，使支架完成升起、降落、行走和推移运输机等各种动作，以便支架随工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。

下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作过程分别加以叙述。

如图示2-1
图2-1液压支架自动移架的原理图
Fig 2-1 The hydraulic support moves to a schematic diagram automatically （1）降柱：当旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管，进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主回液管，支柱卸载下降。

（2）移架：液压支架卸载后，把操纵阀转到移架位置，打开供液阀，高压液体由主进液管经操纵阀、油管进入推移千斤顶的活塞杆腔，同时进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀、操纵阀流回主回液管，推移千斤顶收缩，以运输机为支点，拉架前移。

运输机靠相邻支架的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单向阀锁紧。

（3）升柱：液压支架移至新的工作位置后，应及时升柱，以支撑新暴露的顶板。

将操纵阀转到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主进液管进入，经操纵阀到液控单向阀，顶开阀球经油管进入支柱活塞腔，支柱活塞杆腔的油液，经油管和操纵阀流回主回液管，活柱和顶梁升起，支撑顶板。

（4）推移运输机：当液压支架前移并重新支撑后，把操纵阀转到推溜位置，打开供液阀，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入推移千斤顶的活塞腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，已液压支架为支点，把运
输机推移到新的工作位置。

在实际生产中，对于具体支架的动作，根据该支架的结构和需要来确定。

2．液压支架的支撑承载原理：液压支架的支撑承载原理，是指液压支架与顶板之间相互力学作用原理，它包括初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。

（1）初撑增阻阶段：在升柱过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站的工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭，阀球封闭了支柱活塞腔的油液，这就是支架的初撑阶段。

此时支柱或支架对顶板产生的支撑力称为初撑力（即支架的初撑力）为
P c =42D πP b n ×103 kN
式中 P b —泵站工作压力，MPa
D —立柱的缸径，m ；
n —立柱的数目。

支架初撑力的大小，取决于泵站的工作压力、支架支柱数目和支柱缸体的内径以及架型等。

实际上，支柱初撑后，活塞腔的油液压力由于阻力、操作情况和阀的灵敏度等原因，往往低于泵站工作压力。

（2）承载增阻阶段：支架初撑后，随顶板的下沉，支柱活塞腔被封闭油液受到压缩，油液压力继续升高，呈现承载增阻状态。

这时由于支柱缸径增大，油液压缩而体积缩小，即使乳化液没有任何漏损，安全阀并未动作卸载，支柱总长度也将缩短。

这个缩短量可用下式计算：
△l=△P[βl+）（2
22
22d D d D E -++μ] （mm ） 式中：△P —支柱由初撑力起达到工作阻力时，支柱内压力的增量 （MPa ）；
β—乳化液的体积压缩系数，近似取水的饿压缩系数β=0.0000475；
l —支柱内被压缩液柱的高度（mm ）；
E —钢材的弹性系数 E=2.1×106 （MPa ）∴
μ—钢材的泊松比 μ=0.28；
D —支柱缸体外径 （mm ）；
d —支柱缸体内径 （mm ）。

这个缩短量是有弹性的，如果作用在支柱上的载荷，反过来从工作阻力减小到初撑力时，支柱仍会恢复到原来的长度。

因此，这个支柱长度上的缩短量，称为支柱的弹性可缩量。

经使用证明，减小支柱的弹性可缩量，对改善顶板管理起着重要的作用。

具体措施是，使用高压乳化液泵，提高支柱初撑力；改善单向阀的质量，要能及时关闭液路；注意操作方法，使支柱下腔尽可能达到泵站的工作压力。

（3）恒阻阶段：支架承载后，如果完全支撑住顶板，不允许顶板下沉，需要有强大的支撑力。

在实际生产中，由于顶板压力有时相当巨大，想设计出能抗住巨大顶板压力，而一点也不让压的支架是极其困难的，实际上也没有这种必要。

因此，都使支架能随顶板下沉时，有一定的可缩量，但又保持一定的支撑力，不致于使顶板任意下沉而造成破坏冒落。

要求支架既具有一定的支撑力，又具有可缩性。

液压支架的这种特性，是由支柱的安全阀来控制的。

在顶板压力增大时，支柱活塞腔被封闭的油液压力就迅速升高，当压力值超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泄出，支柱降缩，支柱活塞腔的液体压力减小，这就是支架的“让压”特性；当压力小于安全阀的动作压力时，安全阀又关闭，停止泄液，支柱活塞腔的液体又被封闭，支架恢复正常工作。

由于安全阀动作压力的限制，支柱呈现出恒阻特性，此时支柱或支架承受的最大载荷称为工作阻力。

液压支架的工作阻力为： P=42
D P a n ×103 kN
式中 P a —安全阀调定压力，MPa 。

支架的工作阻力取决于安全阀的动作压力、支架支柱数、支柱缸体内径和架型等。

安全阀使支柱具有恒定的设计工作阻力，同时又使支柱在承受大于设计工作阻力的顶板压力时，可随顶板的下沉而下缩，这就是液压支架的恒阻性和可缩性。

为防止安全阀频繁动作而失效，应使支架的工作阻力大于正常的顶板压力，也就是说，在工作面生产过程中，支架还没有达到设计工作阻力之前，就已前移到新的支撑位置。

工作阻力是液压支架的饿一个基本参数，用来表示支架支撑力的大小。

但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，并不能完全反映支架对顶板的支撑能力，因此常采用表示单位面积顶板上所受支架工作阻力值大小的支护强度参数，来比较支架的支护性能。

支架支护强度：W=A
Fz ×103（kg/m 2） 式中：A —支架的支护面积（m 2）
由上可知，支柱或支架工作时，其支撑力随时间的变化过程是，支架升起，顶梁开始接触顶板至液控单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑结束至安全阀卸载前的承载增阻阶段t1和安全阀出现重复卸载时的恒阻阶段t2。

这种变化过程反映了支架的支撑力和时间之间的关系。

图示2-2中虚线表示，有些支架的支柱并未达到额定工作阻力值就已降柱前移，支架前移后按原过程重新支撑。

图2-2
Fig2-2
上述工作过程表明：液压支架在额定工作阻力值以下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；当支架支撑力超过额定工作阻力值时，支架能随顶板下沉而下缩，使支架保持恒定的工作阻力，即具有可缩性和恒阻性。

支架本身的增阻性取决于液控单向阀和支柱的密封性能，可缩性和恒阻性则由安全阀的溢流性能决定。

因此，液控单向阀、安全阀、支柱这三个部件，是保证支架工作性能的关键元件。

2.3.2 液压支架的分类
按在采煤工作面的安装位置来划分，液压支架有端头支架和中间支架。

中间支架按其结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。

（1）支撑式支架
支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。

其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性能好；顶梁长，通风面大，适用中等稳定以上的顶板。