放頂煤液壓支架和頂梁的設(shè)計(jì)

1、放頂煤液壓支架和頂梁的設(shè)計(jì)楊軍偉（蒲縣宏源煤業(yè)集團(tuán)有限公司，臨汾，041206）摘要：本次設(shè)計(jì)介紹的是煤礦行業(yè)中使用的放頂煤液壓支架和支架中重要部件底座和頂梁的設(shè)計(jì)。液壓支架在煤炭行業(yè)是一種非常重要的設(shè)備，它在采煤工作面中為了防止頂板冒頂，維持一定的空間，保證工人安全和各項(xiàng)工作的正常運(yùn)行，對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。它是以高壓液體作為動(dòng)力，由液壓元件與金屬構(gòu)件組成支護(hù)和控制頂板的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)支撐、切頂、移動(dòng)液壓支架和推移輸送機(jī)等一整套工序。底座是為了支架的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)提供安全的設(shè)備基礎(chǔ)，還有是為了與前后連桿和掩護(hù)梁一起組成四連桿機(jī)構(gòu)，將對(duì)立柱、前后連桿的頂板壓力傳遞給底板。關(guān)鍵詞：液壓支架、立柱、底座

2、、頂梁、四連桿。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量十分豐富，1979年世界能源會(huì)議估計(jì)我國(guó)煤炭資源為15000億噸，其中煤層厚度大于3.5米的厚煤層占40%左右。從采煤工藝看，我國(guó)1972年開(kāi)始裝備綜合機(jī)械化采煤，至1990年已經(jīng)達(dá)到29.8%。當(dāng)時(shí)對(duì)厚度在3.55米的煤層多采用一次采全高工藝，特別是大采高支架，平均單產(chǎn)可超過(guò)3萬(wàn)噸，最高超過(guò)6萬(wàn)噸，最高月產(chǎn)142211噸。然而，對(duì)于厚度大于5米的特厚煤層的開(kāi)采，存在著產(chǎn)量低、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全差等問(wèn)題，盡管分層開(kāi)采技術(shù)較為成熟，但其成本高、工序多，影響效率。一、放頂煤液壓支架發(fā)展及特點(diǎn)自60年代法國(guó)率先研制節(jié)式放頂煤支架開(kāi)采特厚煤層取得成功以來(lái)，70年代法國(guó)

3、、英國(guó)、匈牙利、原聯(lián)邦德國(guó)、前蘇聯(lián)等國(guó)家又先后研制出插板式、開(kāi)天窗式、后開(kāi)門(mén)式放頂煤液壓支架，使特厚煤層采煤工藝有了新的突破，產(chǎn)量與效率不斷提高。以匈牙利奧伊克礦為例，使用VHP730型支架，開(kāi)采厚6.2米煤層，平均月產(chǎn)量達(dá)到3.39萬(wàn)噸，效率26.1噸/工，工作面回收率91%。我國(guó)綜采放頂煤開(kāi)采開(kāi)始于1982年，是由鄭州煤礦機(jī)械廠、煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采所、沈陽(yáng)煤研所共同研制的FY40014/28中位放頂煤支架在沈陽(yáng)局蒲河礦安裝試驗(yàn)；10多年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，截止到1993年，已經(jīng)在13個(gè)省的26個(gè)礦務(wù)局59個(gè)工作面使用，達(dá)到了日產(chǎn)萬(wàn)噸，月產(chǎn)31萬(wàn)噸，年產(chǎn)252圖1 低位雙運(yùn)輸機(jī)放頂煤綜

4、采示意圖1放煤口；2前輸送機(jī)；3后輸送機(jī)萬(wàn)噸的生產(chǎn)水平，成為世界上綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)發(fā)展最快、擁有放頂煤液壓支架數(shù)量最多的國(guó)家。實(shí)踐證明，在特厚煤層開(kāi)采中，采用放頂煤開(kāi)采較分層開(kāi)采等具有明顯的優(yōu)越性，主要有：（1）、煤層掘進(jìn)量小，掘進(jìn)費(fèi)用低、緩和了采掘關(guān)系；（2）、減少了搬家倒面次數(shù)，節(jié)省了綜采面設(shè)備搬遷、安裝的工作量及費(fèi)用；（3）、較分層開(kāi)采減少了鋪網(wǎng)工序、材料、工資及巷道維護(hù)費(fèi)用等；（4）、對(duì)急斜厚煤層，較普通法開(kāi)采的工作面產(chǎn)量提高13倍；（5）、提高了煤炭的塊炭率，增加煤炭的售價(jià)；（6）、減少了設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)，特別是采煤機(jī)，相對(duì)減少了噸媒設(shè)備折舊費(fèi)或租賃費(fèi)；（7）、有利于礦井的集中控制，實(shí)

5、現(xiàn)減面、減人、提高工效的目的；（8)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本，比一般回采工效提高25倍，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，噸媒成本一般降低820元/噸?；谏鲜鲈?，我國(guó)放頂媒液壓支架從1984年至1992年上半年已發(fā)展到42套，32個(gè)品種，占世界總數(shù)的66。當(dāng)然，放頂煤開(kāi)采也有急待解決的問(wèn)題，主要是：（1）、煤塵大，比分層開(kāi)采高出13倍，甚至更高；（2）、回采率偏低，一般在80左右，造成一定的煤炭損失；（3）、自然發(fā)火的問(wèn)題尚未得到很好的解決；（4）、對(duì)高瓦斯礦井，瓦斯涌出量大，有局部積聚的危險(xiǎn)。因此，煤炭工業(yè)部提出要有試點(diǎn)地進(jìn)行，穩(wěn)步發(fā)展的方針。下面重點(diǎn)介紹放頂煤液壓支架的特點(diǎn)及適應(yīng)性。二、低位放頂煤支

6、架的特點(diǎn)這是一種雙輸送機(jī)運(yùn)煤，在掩護(hù)梁后部鉸接一個(gè)帶有插板的尾梁、低位放煤的支撐掩護(hù)式支架。這類支架有一個(gè)可以上下擺動(dòng)的尾梁（擺動(dòng)幅度在45°左右）用以松動(dòng)頂煤，并維持一個(gè)落煤空間。尾梁中間有一個(gè)液壓控制的放煤插板，用以放煤和破碎大塊頂煤，具有連續(xù)的放煤口。其主要特點(diǎn)如下：(1)由于具有連續(xù)的放煤口，放煤效果好，沒(méi)有脊背煤損失，回收率高；(2)和其他支架相比，從煤壁到放煤口的距離最長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)頂梁的反復(fù)支撐和在掩護(hù)梁上方的垮落，使頂煤破碎較為充分，對(duì)放煤極為有利；(3)后輸送機(jī)沿底板布置，浮煤容易排出，移架輕快，同時(shí)尾梁插板可以切斷大塊煤，使放煤口不易堵塞；(4)低位放煤使煤塵減少；(5

7、)前四連桿低位放頂煤液壓支架的抗扭及抗偏載能力差，支架的穩(wěn)定性較差；(6)尾梁擺動(dòng)力和向上的擺角較小，破煤和松動(dòng)頂煤的能力差。這類支架的原始形式是前四連桿式，在礦壓較小的急斜水平分段開(kāi)采時(shí)比較適應(yīng)，為使這種支架在緩斜長(zhǎng)臂工作面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，幾年來(lái)作了如下的探索：(1)把四連桿的上連接位置由頂梁上改在掩護(hù)梁上，使支架底部和上部的連接位置更接近扭轉(zhuǎn)力矩的作用點(diǎn)，增加了支架強(qiáng)度，減少了支架的損壞，形成了目前在緩斜工作面大量使用的后四連桿式低位放頂煤液壓支架；(2)大幅度加強(qiáng)前四連桿本身以及它與頂梁、底座的聯(lián)接強(qiáng)度，這種作法增加了支架的重量，有的重達(dá)20t以上，但設(shè)計(jì)時(shí)容易實(shí)現(xiàn)加大后部運(yùn)輸空間和增加破煤

8、能力；(3)增大后部空間和尾梁向上擺動(dòng)的力，使其在較硬煤層中使用時(shí)也可讓頂煤順利放落和運(yùn)出，如ZFS5200/17/32型支架尾梁端部向上擺動(dòng)力可達(dá)到500kN，使用效果良好；(4)后四連桿前連桿設(shè)計(jì)為Y型，后連桿設(shè)計(jì)為I型，增大了支架的前、后人行道的寬度并加大了后部的人員工作與維護(hù)空間；(5)把后輸送機(jī)千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接，改善了運(yùn)輸狀況。在后輸送機(jī)與千斤頂之間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機(jī)與千斤頂活塞桿彎曲并防止輸送機(jī)和支架下滑。前四連桿式支架和后四連桿式支架相比，前四連桿式支架穩(wěn)定性及抗扭性較差，但其后部空間較大，且重量也輕。三、低位放頂煤液壓支架的適應(yīng)性前四連桿式支架在急

9、斜水平分段放頂煤綜采中取得成功，如對(duì)四連桿及有關(guān)聯(lián)接件再進(jìn)一步增加強(qiáng)度，成為定型設(shè)備，可以不考慮在急斜條件下使用后四連桿式支架。緩斜中硬難放煤層在選型時(shí)考慮到低位放頂煤液壓支架的強(qiáng)度低，又無(wú)成功的實(shí)例，往往選用中位放頂煤液壓支架，但受到放煤口的限制，實(shí)際上也未能很好解決其放煤?jiǎn)栴}。仔細(xì)研究各類放煤支架，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，只有前四連桿式支架具備大幅度擺動(dòng)掩護(hù)梁破煤的條件。有的低位放頂煤液壓支架采取強(qiáng)化四連桿及聯(lián)接銷(xiāo)軸，把擺動(dòng)掩護(hù)梁的千斤頂一端布置在底座上，而不是布置在頂梁上，盡管這種架型尚無(wú)滿意的效果，但這種探索無(wú)疑是很有意義的。后四連桿式支架在煤層硬度系數(shù)f2左右，層節(jié)理比較發(fā)育的緩斜厚煤層中使用取得

10、很大成功，如在潞安礦務(wù)局五陽(yáng)煤礦、王莊煤礦和兗州礦務(wù)局興隆莊煤礦、鮑店煤礦。這種架型與設(shè)計(jì)先進(jìn)的過(guò)渡支架配合使用，創(chuàng)出了新水平，被廣泛推廣使用。如石炭井礦務(wù)局烏蘭礦將這種支架與過(guò)渡支架、端頭支架配套使用，在傾角為24°的工作面上取得了成功。由此表明了后四連桿式放頂煤液壓支架在緩斜中硬煤層和傾斜厚煤層中均有良好的適應(yīng)性和使用前景。四、液壓支架的組成根據(jù)各部件的功能，液壓支架的組成可歸納為五個(gè)部分見(jiàn)表1。五、液壓支架的支護(hù)方式綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。3個(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機(jī)”的不同配套關(guān)系。具體的循環(huán)方式見(jiàn)表2。六、液

11、壓支架的工作原理液壓支架在工作過(guò)程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護(hù)一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進(jìn)，進(jìn)行移架和推移輸送機(jī)。因此，支架要實(shí)現(xiàn)升、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓液體，通過(guò)工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來(lái)完成的，如圖2所示表1 液壓支架組成表序 號(hào)部 件功 能舉 例1承載結(jié)構(gòu)件承受并傳遞頂板載荷作用的結(jié)構(gòu)件頂梁、掩護(hù)梁、底座、連桿2動(dòng)力油缸用液體作介質(zhì)可以主動(dòng)產(chǎn)生作用力，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作的油缸立柱、各類千斤頂3控制元部件操縱、控制支架各個(gè)動(dòng)力油缸動(dòng)作及保證所需工作特性的液壓（電氣）元部件操縱閥、單向閥、安全閥及管路、液壓（電控）元件4輔助裝置不直接承受頂板載荷，而實(shí)

12、現(xiàn)支架某些動(dòng)作或功能所必須的裝置推移裝置、護(hù)幫裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、防倒、防滑裝置5工作液體傳遞能量的工作液壓介質(zhì)乳化液表2 液壓支架的支護(hù)方式表支護(hù)方式循環(huán)方式支護(hù)特點(diǎn)應(yīng)用條件及時(shí)支護(hù)割煤移架推溜支護(hù)滯后時(shí)間短適用于各種頂板條件，應(yīng)用最為廣泛滯后支護(hù)割煤推溜移架支護(hù)滯后時(shí)間較長(zhǎng)可用于穩(wěn)定、完整的頂板條件，較少支架結(jié)構(gòu)緊湊，目前應(yīng)用復(fù)合支護(hù)割煤支架伸出探梁推溜移架支護(hù)滯后時(shí)間短 但增加了反復(fù)支撐可適用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，目前應(yīng)用較少當(dāng)操縱閥8處于升柱位置時(shí)，從乳化液泵站來(lái)的高壓液體通過(guò)操縱閥8、液控單向閥6進(jìn)入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥8處于降柱位置

13、時(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開(kāi)液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。支架的前移和推移輸送機(jī)是通過(guò)操縱閥7和推移千斤頂4來(lái)進(jìn)行的。移架時(shí)，先使支架卸載下降，再把操縱閥7置于移架位置，從乳化液泵站來(lái)的高壓液體進(jìn)入推移千斤頂4的前腔即活塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時(shí)，支架以輸送機(jī)為支點(diǎn)前移。移架結(jié)束后，再把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥7置于推溜位置，高壓液體進(jìn)入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時(shí)輸送機(jī)以支架為支點(diǎn)被推向煤壁。 圖2 液壓支架工作原理圖1-頂梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤頂；5-安全閥；6-液控單向閥；7、8-操縱閥；9-輸送機(jī)；10-乳化液泵；11-主

14、供液管；12-主回液管液壓支架在井下工作時(shí)，由于工況條件惡劣，受力情況十分復(fù)雜。為了安全可靠，在進(jìn)行支架設(shè)計(jì)時(shí)，必須模擬支架在頂板、底板相互作用下，可能遇到的最危險(xiǎn)工況，對(duì)整架和支架各結(jié)構(gòu)體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核，然后在液壓支架型式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行強(qiáng)度和壽命驗(yàn)證。強(qiáng)度是反映液壓支架可靠性的重要指標(biāo)之一。它取決于液壓支架的力學(xué)特性和支架結(jié)構(gòu)件的幾何尺寸。正確的分析和計(jì)算支架結(jié)構(gòu)件的截面強(qiáng)度和剛度是合理設(shè)計(jì)液壓支架的前提。近年來(lái)，出現(xiàn)了一些新的方法，如有限單元法、薄壁箱型截面組合強(qiáng)度的計(jì)算機(jī)輔助法、液壓支架強(qiáng)度的概率設(shè)計(jì)法等，提高了支架結(jié)構(gòu)的可靠性。這些都有待以后去進(jìn)一步研究、探討。由于煤田地質(zhì)構(gòu)造的原因

15、，我國(guó)急斜特厚煤層多數(shù)傾角大于55，煤層厚度多在2-8米之間，硬度系數(shù)，發(fā)育良好，特別適合放頂煤開(kāi)采。但是，現(xiàn)在多數(shù)放頂煤液壓支架的采高比較小，為了在急斜特厚煤層水平分段開(kāi)采過(guò)程中，簡(jiǎn)化礦井的采掘系統(tǒng)和生產(chǎn)組織，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)量，主要是采用增大放煤高度的方法，同時(shí)對(duì)已有支架某些結(jié)構(gòu)做了一定改進(jìn)使之更適用于急斜煤層的開(kāi)采。 本文在對(duì)目前已有的放頂煤液壓支架的分析的基礎(chǔ)上，提出了適用于急斜特厚煤層的大采高放頂煤液壓支架的設(shè)計(jì)方法：1.對(duì)現(xiàn)有的液壓支架的結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)不作大的變動(dòng)，通過(guò)加大結(jié)構(gòu)件的厚度和鋼板的厚度來(lái)提高結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度，從而達(dá)到較好的支撐效果；2.把后輸送機(jī)千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接

16、，改善了運(yùn)輸狀況；3在后輸送機(jī)與千斤頂之間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機(jī)與千斤頂活塞桿彎曲并防止輸送機(jī)和支架下滑，以更好地適應(yīng)急斜特厚煤層的開(kāi)采；4.采用了前四連桿式的結(jié)構(gòu)，雖然其穩(wěn)定性和抗扭性較差，但是后不放煤空間大，重量也輕；5.立柱是支架的主要承載部件，為了適應(yīng)頂板的變化和改善受力狀況，立柱兩端均采用球面結(jié)合形式與頂梁及底座鉸接，承受壓力，并用銷(xiāo)軸固定來(lái)承受拉力。立柱柱頭與頂梁端相連接的銷(xiāo)孔，其兩側(cè)加工成喇叭口，與直銷(xiāo)配合使用，使頂梁能左右作適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以便立柱在架內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)；6.為適應(yīng)急斜特厚煤層分段開(kāi)采，支架本身采用中四連桿機(jī)構(gòu)，增加了支架的縱向穩(wěn)定性，并使梁端距變化較??；7.放煤增

17、設(shè)擺動(dòng)伸縮式尾梁，以調(diào)整工作空間和放煤口大小；8.頂梁較長(zhǎng)，改善了掩護(hù)梁受力狀況，以利頂煤在礦壓作用下能較好的壓碎；9.為了保證支架整體穩(wěn)定性，在底座上鉸接四連桿機(jī)構(gòu)，在底座中間設(shè)置有推移裝置，側(cè)面設(shè)置拉后輸送機(jī)的千斤頂和推移桿。自移式液壓支架廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代長(zhǎng)臂采煤工作面上。它不但能夠支撐頂板、推進(jìn)工作面刮板輸送機(jī)、自行前移，而且能夠?yàn)榫侣?lián)合采煤作業(yè)提供一個(gè)安全的環(huán)境。因此，正確、合理地選擇液壓支架架型是長(zhǎng)臂工作面采煤成功的前提和關(guān)鍵。此外，井下采煤需要大量的液壓支架，通常對(duì)液壓支架的資金投入占整個(gè)長(zhǎng)臂采煤工作面初期投入的一半還要多。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，液壓支架在長(zhǎng)臂工作面采煤中占據(jù)