煤 炭 科 技 ２０１６年第４期 Ｎｏ．４ ２０１６ ＣＯＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＭＡＧＡＺＩＮＥ 文章编号：１００８—３７３ １（２０１６）￣一００２０—０３ 支撑掩护式液压支架设计优化 庞 伟 （山西焦煤西山煤电集团官地煤矿，山西太原０３￣２２） 摘要：液压支架主要包含液压操作系统、控制系统、液压油缸和金属构件四个部分．以高压乳 化液作为驱动力。支架的支撑原理是：在综采工作面的顶底板上进行液压支护。在支撑掩护式 设计过程当中，前梁、顶梁、掩护梁和立柱等结构件为设计的重点。介绍了特定采场地质条件下 如何设计液压支架．并讲述了这种支架的方案和用途。 关键词：支架设计；四连杆机构；支撑掩护式 中图分类号：ＴＤ３５５ 文献标志码：Ｂ １ 引言 液压支架是综合工作面开采的重要设备．近年 液压支架主要是由顶梁、立柱、底基座、千斤顶、 控制阀等组成的。其动作包括升柱、移架和推溜。 ３．２液压支架的工作过程 来该支架发展比较快。与煤矿综采系统中的刮板输 送机、转载机、带式输送机之间的配合使用．是开采 现代化技术的一个重要标志＿１＿引 通过对特定采场力学要求的研究．根据提出的 该过程中液压支架的作用主要取决于操作期间 流体静力学原理。工作过程中的立柱控制系统如图 １所示。 问题制定总体方案：并对总体方案进行结构设计，设 备运行分析。包括动力学和运动学计算、动力传递方 法和路线的确定：设计出适应此地质条件的支撑掩 护式支架 该支架的基本工作过程一般为四个阶段：快速 增加阻力、缓慢增加阻力、恒顶阻和无作用力。 ２设计参数 具体设计方案及参数为：工作阻力３ ５００ Ｎ，初撑 力２ ６０４ ｋＮ．支护强度０．６８ ＭＰａ。顶底板比压１．８ ＭＰａ。煤层倾角小于ｌ５ｏ。中心距１ ５００ ｍｍ，支护高度 ２ ５００ ４ ７００ ｍｍ．支护宽度１ ４３０ １ ５７０哪。 图１立柱控制系统 １——立柱；２——安全阀；３——液控控制止回阀；４＿一操纵 ３工作原理及设计特点 ３．１ 液压支架的工作原理 阀；Ｐ＿一高压管路；０——回液管 （１）油泵压力撑顶，支架对顶板快速增加阻力 ｋｒｊｋｒ— 拿，夸 ｊｋ，窜 宣 ｒｊ 夸 业 — 窜 ９ ， ｊｋｒ宣 夸ｌｔ ｊ 毒ｋ－毒 ｊ 夸 ｝ 宣 ｊ Ｉｋ，・奎ｋ 搴ｋ。ｊ ｒ夸 夸；ｔ－ —ｓ 夸 ｊｋｒ宣ｋｒｊ ，奎 －ｊｋ・ｊ ｝ ｝，９ ［８］管俊才，陈勇，李晓林，等．高瓦斯突出煤层沿空留巷实践与 作者简介：张雪峰（１９７５一），男，山西五台人，１９９６年毕 工艺优化［Ｊ］．能源技术与管理，２０１５，４０（４）：７４—７５． ［９］徐慧刚．３１０７工作面巷沿空留巷支护设计［Ｊ］．煤矿支护，２０１５ （４）：２５—２８． 业于山西省煤炭工业学校地下采煤专业．２００８年毕业于太原 理工大学电气工程及其自动化专业，阳泉煤业（集团）有限责 任公司生产技术部工程师。 （收稿日期：２０１６—１０—１１） ２０１６年第４期 庞伟：支撑掩护式液压支架设计优化 ２１ 阶段置于位置Ａ的手动阀．从泵站向高压管路Ｐ 的压力流体．止回阀３打开进人下腔柱。立柱上腔 室与回液管０连通．对顶板产生支撑力。这个阶段 即这对支架顶板急速增加阻力阶段 （２）锁定轴承，支撑至顶板缓慢增加阻力当控 制阀回零时．液压控制单向阀堵塞住了立柱下腔的 压力流体。顶板下沉比较缓慢．支架对顶板支撑力的 增加也变得相对比较缓慢．所以这个阶段被称之为 支架对顶板缓增阻阶段。 （３）溢出轴承，支撑至恒定阻力位的顶部顶板 上层压力上升使顶板继续下沉，当它达到设定值时． 溢流阀被打开．下腔室的压力继续保持在柱中．使其 支撑力不变。即支架处于对顶板恒阻阶段 （４）采煤后把支架移到一个新的地点，第一控 制阀手柄从泵站放置以允许流体Ｂ流入压力室．柱 塞活塞动作先导致回阀使液控单向阀打开 在这一 阶段如果要保证顶梁平行下降就需要协调操纵平衡 千斤顶操纵阀 ３．３支架的设计特点 综合该矿在用的二柱掩护式支架成功经验．这 种类型的应该具备如下特点： （１）支架类型：二柱掩护式薄煤层机械液压支 架延长： （２）支架结构参数优化； （３）结构支撑梁端的四连杆设计．刚性好．强度 高，稳定性好： （４）整体顶梁和单面板的侧护板，可实现对护 顶支护的严格规定： （５）后盖底座可减小底座压力、增加底座刚度 和强度： （６）采用双连杆机构，结合梁和支架基座的基 础，增加支护力，加强支架的稳定性。 ４结构设计 ４．１ 液压支架的选型 （１）各类型液压支架的比较。根据不同类型支 架和机构一岩力学之间的相互作用．支撑扭矩比压 等。对掩护式和支撑式结构进行比较 （２）液压支架的架形选择原则。液压支架选型 取决于液压支架适用于矿山的地质等条件的机械性 能。在综采工作面支架选型时．还应注意下述三点原 则：①严格计算支架底座端的压力．不能超过底板极 限载荷的强度。尽量避免使用重型支架；②对于非 常稳定的顶板，选择四支柱支架的支撑 （３）影响架形选择的因素。影响因素主要包含： 煤层、地质、技术和设备的、顶板条件等。 ４．２ 液压支架的整体结构尺寸的设计 （１）支架的高度和伸缩比。设计支架架型为 ＺＹ３５００／１４／２６型．其最大和最小构造高度分别为： Ｈ一：３．２ ｍ，Ⅳ ＝１．８ ｍ。 （２）支架伸缩比。最大到最小支撑高度之比为 支架的最大和最小高度。 （３）支架间距。支架的间距Ｂ由支架的类型来 决定，刮板输送机溜槽长１．５ ｍ，槽的位置和帮助插 孔连接块为每个部分确定．所以除了步进的支持．支 持间距一般为１．５ ｍ （４）底座长度。屏蔽支撑框架的基部的长度是 ３．５倍的移位节距。即大约２．１ ｍ。 ４．３四连杆机构的作用和设计 （１）四连杆机构的作用。该连杆机构的液压支 架，主要是为了确保纵向和横向构件的稳定性。承接 外部负载和传递，以确保托架的整体刚度。如图２所 示 Ｂ 图２支架四连杆机构的运动轨迹 （２）四连杆机构的优选设计。该支架的四连杆 机构的几何特征如图３所示。 图３支架四连杆机构几何特征 ４．４液压支架的总体布置 根据之前的支架设计经验．确定该支架的底座 煤炭科技 ２０１６年第４期 Ｌ＝２ １００ ｍｍ。 根据确定四连杆机构尺寸的常用方法．四个连 接杆和掩护梁长度被确定 根据工作方式和设备尺寸计算梁的长度 确定立柱布置。掩护式支架立柱数为两根 侧护板尺寸的确定 ５液压支架主要零部件的设计 ５．１ 掩护式支架顶梁结构形式 根据ＺＹ３５００／１４／２６液压支架铰接梁结构设计 数据焊接钢梁。它可以向上摆动１０￣．向下摆动１５￣， 从而改善前梁和接触状态 使用在采高大于２．５ ｍ场所的支架．为了防止 片帮和煤体向人一侧跨落。保护人的安全．一般要采 用护帮装置 带有四个连接杆的旋转侧保护装置的 支架。是由一个长杆、短杆、侧护板和梁组成的四连 杆机构．可使侧保护板转动１８０￣．顶板支撑力可以 达到１０～２０ ｋＮ。其缺点是结构比较复杂。考虑到 经济型液压支架设计．减少结构的重量是不使用保 护装置的。 ５．２主要参数的确定 ６支架的受力分析与强度计算 ６．１ 支架受力 由于顶板的下沉以及向采空区移动的趋势．使 顶梁和底座分别承受合力和底板压力．其中该支架 主要承受顶板合力在垂直方向上的分力，因此根据 支架的工作阻力来确定载荷Ｆ。 ６．２支架载荷的确定 支架顶梁和底座上载荷既不是集中载荷也不是 均布载荷．该荷载随着支架与顶底板的接触情况随 时变化．为了简化计算作出如下规定：把该支架简化 成一般的杆系结构．荷载按集中荷载确定：该支架上 的金属部件根据材料力学计算：荷载按沿支架宽度 方向均匀分布．煤体对梁的作用力在计算时忽略不 计．顶梁与顶板之间静摩擦系数厂一般取０．２ ０．３； 支架在不同高度时的受力按最大值进行校核。 ６．３支架的受力分析 当顶板和底板之间的支撑支架．取整或部分作 为单独的体，处于平衡状态时，根据三种支架简化成 简单的平面杆系进行受力分析和计算 并进行了支 架的受力分析、顶梁载荷分布分析、支护强度和底座 接触比压分析，测算了支护效率、验算了立柱强度、 油缸稳定性、活柱强度 综上所述，支架无论在结构形式和几何参数．还 是支架各截面的设计及模拟分析和强度计算．是合 理可靠的．在试验室试验和井下使用两个方面都得 到了验证 ７应用效果评价 生产过程中．该支架与采煤机表现了良好的配 套关系．既能适应开采条件又能满足生产工艺的要 求．同时提供了安全通畅的工作空间。 从矿压数据来看．老顶初次来压的步距平均３６ ｍ，周期来压步距大约１７ ｍ。老顶来压比较强烈，支 架承受了较大的冲击载荷。尤其是在工作面“见方”、 过煤柱时．老顶的来压比平时剧烈很多．支架的工作 阻力持续在４３ ４５ ＭＰａｆ架水平上．支架的安全阀 开启较多［ 支架处于连续的高压状态下，对其安全 性来说。很明显受到了严峻的考验。当支架的载荷超 过额定工作阻力时，安全阀能瞬时开启，大流量安全 阀（１ ０００ Ｌ／ｍｉｎ）与支架快速泄载保护系统充分发 挥了其技术性能．使顶板得到了有效的控制。 参考文献： ［１］钱鸣高，缪协兴，许家林，等．岩层控制的关键层理论［Ｍ］．徐州： 中国矿业大学出版社．２００３． ［２］ 钱鸣高．２Ｏ年来采场围岩控制理论与实践的回顾［Ｊ］．中国矿业 大学学报（自然科学版），２０００，２９（１）：１—４． ［３］ 王国法，徐亚军，孙守山．液压支架三维建模及其运动仿真［Ｊ］． 煤炭科学技术，２００３，３１（１）：４２—４５． ［４］ 马端志，何小特，牛艳奇．四连杆机构运动轨迹对液压支架整体 性能的影响［Ｊ］．煤矿开采，２００９，１４（５）：６２—６４． １５］ 陈亮亮．掩护式液压支架四连杆机构的优化设计［Ｊ］．中小企业 管理与科技旬刊．２０１２（４）：２６３—２６４． ［６］ 崔明奎．ｚｚ１３０００／２８／６０型液压支架选型设计初步研究［Ｊ］．同 煤科技．２０１５（３）：３０—３２． 作者简介：庞伟（１９８８一），男，山西保德人，２０１１年毕 业于河北工程大学机械设计制造及其自动化专业，山西焦煤 西山煤电集团官地煤矿助理工程师。 （收稿日期：２０１６—１０—１０）
