液压支架机构受力分析.docx

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液压支架机构受力分析

液压支架机构的受力分析

MECHANICALANALYSISOFHYDRAULICSUPPORTAGENCIES

液压支架机构的受力分析

摘要

本文主要阐述了几种液压支架的受力分析和计算，液压支架的加载方式，还谈及液压支架的使用现状，液压支架的组成、分类、工作原理、工作过程、使用范围，适用范围，选型等。

通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架的工作原理、工作性能、工作坏境及其结构的认识和了解。

通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析，加深对专业基础课理论力学和材料力学及其专业课机械设计相关内容的巩固和理解。

关键词：

液压支架，受力分析，分类，加载方式

MECHANICALANALYSISOFHYDRAULICSUPPORTAGENCIES

ABSTRACT

Thearticlediscussessomeofthestressanalysisandcalculationofhydraulic,hydraulicloadingmeans,alsotalkedabouttheuseofhydraulicstatusofhydrauliccomposition,classification,workingprinciples,process,usetherange,scope,selectionandsoon.Bythetheoryofhydraulicstudycompletedthedesignofhydraulicsupporttoenhancetheworkingprincipleofthehydraulicsupport,workperformance,badworkingenvironmentandstructureofknowledgeandunderstanding.Throughtheanalysisofhydraulicstructures,mechanicalprinciplestodeepenandconsolidatetherelevantcontent;throughtheanalysisofhydraulicforce,deepenthebasiccourseoftheoreticalmechanicsandmechanicsofmaterialsandmechanicaldesignspecializedcoursesrelatedtotheconsolidationandunderstandingofthecontent.

Keywords:

hydraulic,mechanicalanalysis,classification,loadingmode

摘要（中文）…………………………………………………………………………2

摘要（英文）…………………………………………………………………………3

2.3液压支架的组成和支护方式.......................................15

2.3.1液压支架的组成...........................................15

2.3.2液压支架的支护方式.......................................18

2.4液压支架循环工作过程.........................................18

2.5液压支架的适用范围...........................................20

2.5.1支撑式液压支架...........................................20

2.5.2掩护是液压支架...........................................21

4液压支架的受力分析...............................................29

4.1液压支架的加载方式...........................................29

4.2对液压支架进行简化...........................................29

4.3液压支架的受力分析与计算.....................................30

4.3.1具有悬臂前探梁的刚性顶梁支撑式液压支架的受力分析和计算....30

4.3.2铰接式顶梁支撑式液压支架的受力分析和计算..................32

4.3.3平衡式顶梁掩护式液压支架的受力分析和计算..................33

4.3.4铰接式顶梁掩护式液压支架的受力分析和计算..................36

4.3.5支撑掩护式液压支架的受力分析和计算........................40

4.3.6顶梁的载荷分布............................................44

总结…………………………………………………………………………………45

参考文献……………………………………………………………………………46

致谢…………………………………………………………………………………47

1绪论

1.1我国机械化采煤的发展历史

我国煤炭资源十分丰富，储量居世界第一。

在旧中国，丰富的宝藏长期埋没在地下，即使是少量的开采，也5主要成了帝国主义的掠夺物和资本家榨取工人剩余价值的手段。

新中国的诞生，使沉睡大地深处的“乌金”终于有了为国增辉，为民造福的机会。

建国以来，我国煤炭工业发展迅速，1989年煤炭年产已达10.4亿吨，为1949年的0.324吨的三十二倍，成了世界上煤炭年总产量最多的国家。

如今，煤炭已是我国的主要能源，成立国民经济发展的主要制约因素。

四十年来，我国的煤炭生产技术面貌发生了深刻的变化。

过去的手镐落煤，人力拉筐、背筐的生产方式已被普通机械化和综合机械化采煤所取代。

国产的缓倾斜中厚煤层综采工作面设备和高档普采设备已分别取得年产百万吨和四十万吨煤的好成绩。

1988年，全国统配煤矿采煤机械化程度已达58.02%，其中综合机械化程度为31.36%；掘进装载机械化程度已达55.53%，其中联合掘进机（综掘）完成的掘进量占5.67%。

采掘工作面是煤矿生产的第一线，它的机械化水平是煤矿技术进步的集中体现，决定着整个矿井的生产技术面貌。

我国采煤工作面的机械化与世界各主要产煤国家采掘机械化技术的发展过程是相似的，虽然起步较晚，也大致经历了三个发展阶段。

五十年代以链式工作机构为代表的深截式（截深为1.6～2m）机械化采煤设备发展阶段，是机械化采煤的初级阶段。

这期间的采煤机械设备是截煤机和采煤康拜因，前者仅为实现提高爆破效果的掏槽机械化;后者则实现了落煤、装煤的机械化。

加上拆卸式刮板输送机，又实现了运煤机械化（但运输机本身的搬移和顶板支护及管理却要依靠人力）。

这阶段的采煤机和输送机的功率都较小（分别为65kw和30kw以内），采煤机为分段牵引作业，采煤、推溜和放顶作业分班进行，工作面不能连续生产。

因此，生产率和工效都很低。

六十年代以单滚筒采煤机和可弯曲刮板输送机为代表的浅截式（截割为0.7m左右）机械化采煤设备发展阶段，是机械化采煤的中级阶段。

这阶段把采煤工艺的落煤、装煤和运煤的机械化发展到了新的水平，落煤和装煤全由带截齿的螺旋滚筒完成，不像链式采煤康拜因需配备专门装煤机；采煤机骑在刮板输送机上，可连续牵引采煤。

不仅把采煤机和输送机在结构上有机地相结合，而且输送机可由液压移溜器逐段推至新开出的机道并随即进行顶板支护，使工作面的生产得以连续地进行；此外，采煤机和输送机的装机功率也都增大了（采煤机功率≥100kw，输送机功率≥80kw）。

因此，工作面的产量和工效有了显著的提高。

七十年代以来，以液压支架问世为标志的综合机械化采煤设备发展阶段，

压支架的出现，使采煤工作面作业全面实现了机械化，而且作业安全有了可靠保证。

综合机械化配备大功率采煤机（功率≥170～750kw）和输送机（功率≥150～400kw），工作面产量和工效大大提高，使采煤机械化程度达到了新的更高的水平。

是当前机械化采煤化采煤的高级阶段。

诚然，综合机械化采煤技术还在不断地完善和发展，其趋势是：

高产量、大功率、重型以及对各种煤层地质条件的适应性等.例如滚筒采煤机朝重型、更大功率、无链、电牵引方向发展；液压支架朝厚煤层落顶煤、分层开采或软底板铺网和坚硬难冒顶板的大支承力、大流量安全阀的支架等型式以及快速移架等方向发展；刮板输送机则朝生产率1000吨/时、功率400～500kw、整体铸造溜槽。

圆环链的重型方向发展等等。

掘进工作面机械化的发展，以破落煤岩的作业方式区分，经历了以钻爆法破落煤岩并配以各类装载机械的机械化掘进设备发展阶段，和以部分断面掘进机、全断面掘进机直接破落和装载煤岩的综合机械化掘进设备发展阶段。

纵观采煤机械化的发展历史，采煤机械化的趋向也是由低级向高级发展的。

但因各矿地质条件的复杂性、原有矿井生产能力、生产方式、经营模式以及新型机械设备的可靠性问题和经济效益等原因，往往在同一时期内同时并存两种不同发展阶段的机械化设备。

现在，我们已经掌握了缓倾斜中厚煤层综合机械化成套设备和各种掘进、装载机械的设计研究和制造技术。

能生产适合缓倾斜中厚及薄煤层的采煤设备和掘进设备，包括采煤机、刮板输送机、液压支架、装载机、伸缩带式输送机、部分断面和全断面掘进、各类装载机以及各种辅助设备等，并可以基本满足目前生产需求。

1.2机械化采煤的类型

长壁工作面的采煤过程主要有落煤、装煤、运煤和顶板支护及管理四大工序。

按照这些工序的机械化程度不同，目前有普通机械化采煤即普采、高档普采和综采机械化采煤即综采三种机械化采煤类型。

1.2.1普采和高档普采

普采一般是用单滚筒采煤机或刨煤机的截齿落煤，借助滚筒的螺旋叶片或煤刨的斜面将破落的媒炭推运并装入刮板输送机，再由刮板输送机将煤炭运出工作面。

工作面顶板是利用金属摩擦支柱和金属铰接顶梁来支护和管理的。

高档普采是用功率较大的采煤机（单滚筒和双滚筒）或刨煤机落煤、装煤用运输量和功率较大的刮板输送机运煤，顶板支护和管理则用单体液压支柱和金属铰接顶梁。

普采和高档普采使工作面采煤过程的落、装、运工序实现了机械化，大大减轻了工人的劳动强度。

但是顶板的支护和管理仍需人工作业。

由于高档普采与综采相比投资少；与普采相比，工作面平均月产提高35%，回采工效提高18%，成本降低近三分之一。

因此，是我国目前采煤机械化发展的重点。

1.2.2综合机械化采煤

综合机械化采煤是采用大功率双滚筒采煤机或刨煤机落煤、装煤，重型可弯曲刮板输送机运煤，自移式液压支架支护管理顶板和推移输送机，使采煤工作面的落、装、运、支各工序全部实现了机械化。

综采具有产量高、工效高、作业安全和生产集中等优点，是采煤机械化的发展方向，也是煤矿现代化的重要标志。

1.3液压支架使用现状

液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在，已经基本成熟，它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。

从液压支架的形式来看，有支撑式液压支架发展到掩护使液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架又分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架；从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。

所以从液压支架的现状来看，液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。

从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。

总之，随着时代的发展和进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。

新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶有位移传感器，采煤机装有红外线传感器装置，立柱缸径超过400mm。

为减少割煤时间，一般采用0.8~1m的截深。

支架还采用屈服强度800~1000MPa的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。

随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为40~50MPa，额定流量400~500L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，移架速度达到6~8s/架。

美国是世界上最先进的采煤国家，早在1990年就已采用额定压力50MPa、额定流量478L/min的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达6~8s/架。

美国的高产高效工作面采用两柱掩护式液压支架，使用寿命8~10年，可用率高达95%~98%。

支架平均工作阻力6470kN（最大为9800KN），支架宽度普遍增大，中心距达到1.75m，并向2m发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。

如洛斯公司20英里矿在250m*5280m，长壁综采工作面用工作阻力为2*8565kN电液控制两柱掩护式液压支架，1997年6月产商品煤90.43万吨，成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面。

1995年9月，麋鹿矿用工作阻力为8900kN电液控制的两柱掩护式液压支架，月产煤达到60.11万吨。

美国综采工作面最高日产超7万吨，最高工效1336吨/工。

澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式液压支架，支架的平均工作阻力为7640kN。

英国也在大力发展两柱掩护式液压支架，工作阻力有了很大提高，达到6000kN~8000kN。

1.4我国液压支架与国外液压支架存在的差距

我国液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产超万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。

在支架架型功能上与国外相差无几，有些地方特别是特厚煤层用的防顶支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架计术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材的耐压能力一般为16MPa,最好的屈服极限才700MPa，液压系统压力在35MPa以下，流量在200L/min以内，供液管直径25~32mm，回液管直径25~50mm，最快移架速度为10~12s/架（井下实际应用有时在20s以上），工作阻力更是相对较低。

我国科学工作者经过30多年的发展和努力，液压支架的设计、制造水平在不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型已基本趋于成熟、完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比，差距越来越小。

但在控制元件和控制系统方面，与先进国家的产品相比还有较大差距。

所以，今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件，开发一些新架型、新品种外，还应在设计支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。

今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快（6~8s/架）和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。

另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/min的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需要；系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。

两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸的直径将增至360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。

2液压支架的工作原理

2.1液压支架的组成

液压支架主要由顶梁、立柱、底座、推移千斤顶、操纵阀和控制阀等组成，如图2-1所示。

顶梁和底座通过数根立柱支撑在顶、底版之间，构成一个可动的刚性架体，支架就依靠立柱的升降来支撑顶板和维持一定的工作空间。

图2-1液压支架

1——顶梁；2——立柱；3——挡矸板；4——底座；5——推移千斤顶

2.2液压支架的工作过程

液压支架在工作过程中，不仅要能够可靠地支撑顶板，而且应能随着回采工作面的推进向前推动。

这就要液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作。

这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。

其工作原理如图2-2所示。

图2-2液压支架的工作原理

1——输送机；2——推移千斤顶；3——立柱；4——安全阀；5——液控单向阀；6——操纵阀

2.2.1支架的升降

液压支架的升降是依靠立柱的伸缩来实现的。

立柱是支承在顶梁和底座之间的液压缸，其动作由控制阀（液控单向阀和安全阀）与操纵阀进行控制。

支架升降时，立柱的动作包括三个过程。

（1）初撑

将操纵阀6置于升柱位置，由泵站排出的高压乳化液经管路、操纵阀6和液控单向阀5进入立柱的活塞端，同时立柱活塞杆腔回液，于是立柱带动顶梁升起，支撑顶板，撑紧顶板和底座间。

当顶梁接触顶板后，立柱活塞端腔的压力达到泵站的工作压力时，油泵自动卸载，液控单向阀关闭，从而使立柱活塞端腔的液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。

此时，立柱或支架对顶板产生的支撑力称为初撑力或初抗力

立柱的初撑力P

KN；

支架的初撑力

KN；

式中

——泵站工作压力，MPa;

D——立柱的缸径，m;

n——立柱的数目。

显然，支架的初撑力是取决于泵站的工作阻力、立柱数和立柱的缸体内径。

（2）承载

初撑结束后，将操纵阀手把置于中间位置，立柱活塞端的工作液体被液控单向阀5封闭。

随着顶板下沉，对支架的压力增加。

但由于液体的压缩性很小，立柱活塞端被封闭的液体压力将迅速升高，呈现增阻状态。

当活塞端腔液体的压力超过安全阀4的动作压力时，高压液体就经安全阀溢出，立柱下缩，直到顶板压力减少，当立柱活塞端腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀又关闭，停止溢流，支架恢复正常工作。

由于安全阀动作压力的限制，立住就呈现出恒阻状态。

这一过程称为支架的承载阶段。

此时，支架所有立住对顶板的支撑力称为液压支架的工作阻力。

支架的工作阻力为：

kN

式中

——安全阀调定压力，MPa。

显然，支架的工作阻力是取决于安全阀的动作压力、立柱数和立柱的缸体内径。

工作阻力是表示支架工作能力的一个重要指标，也是液压支架的基本参数。

由于支架的顶梁长度和间距的不同，有时也常用单位面积顶板所承受的工作阻力来表示支架的支护强度。

即

MPa.

式中F——每架支架的支护面积，m

。

（3）卸载

当操纵阀6处于降架位置时，高压液体进入立柱的活塞杆腔，同时，打开液控单向阀5，立柱活塞端腔排液，于是支架下降，使顶梁脱离顶板。

支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图2-3所示。

图2-3液压支架工作特性曲线

——初撑阶段；

——增阻阶段；

——恒阻阶段；

——初撑力；

——工作阻力

支架或立柱工作时，其支撑力随世界的变化过程可分为三个阶段。

支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段

；支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力，此阶段为增阻阶段

；随着顶板压力继续增加，立柱下腔压力超过支架的安全阀调正压力，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减少，立柱下腔压力降低，当低至于安全阀调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调正压力的限制下，压力曲线随时间呈现波浪形变化，此阶段为恒阻阶段

。

这种变化过程反映出支架的阻力——时间特性。

特性曲线表明：

液压支架在额定工作阻力以下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；在达到额定工作阻力时，具有恒阻性，以限制支架的最大支撑力；在超过额定工作阻力时，又具有可缩性，使支架在保持恒定阻力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，恒阻性和可缩性主要靠安全阀的溢流性能来实现。

因此，安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的关键元件。

支架特性曲线表示工作阻力随时间的变化的情况。

增阻阶段

的长短与顶板下沉速度、支架初撑力大小及初撑质量有关。

较大的初撑力和较好的初撑质量可以较快地达到工作阻力，延缓顶板的下沉，增加顶板的稳定性。

液压支架的恒阻特性保证支架构件在给定的强度范围内工作。

2.2.2支架前移和推溜

支架和输送机的前移都是由底座上的推移千斤顶2来实现的。

当需要前移时，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。

当需要推移输送机时，支架支撑顶板后，高压液体进入推移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。

在实际工作中，液压支架的各个动作是按支架的结构型式和回采工艺的要求来确定的。

2.2.3移架力大于推溜力的原因及实现方法

由于移动液压支架所需的力大于推输送机所需的力，又因为如果推输送机力过大，能把输送机的槽帮推坏，所以移架力要大于推溜力。

要实现移架力大于推溜，有两类方法，第一类方法是用推移千斤顶的结构来实现，第二类方法是用两种不同等级的工作压力，移架时，用较高的工作压力，推溜时，用较低的工作压力。

2.3液压支架的组成和支护方式

2.3.1液压支架的组成

液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件与一些金属结构件按一定连接方式组合而成的一种采煤工作面支护设备，一般由架体、工作机构、液控系统及附件四大部分组成。

架体包括顶梁、掩护梁、连杆、底座和侧护板等构件；液控系统包括操纵阀、控制阀（液控单向阀与安全阀）、减压阀和供液、回液软管等；附件包括防倒、防滑、防转等机构。

（一）、承载结构件：

包括顶梁、掩护梁、连杆、侧护板和底座等金属构件。

1、顶梁

直接与顶板（包括煤顶、分层假顶等）相接触，并承受顶板岩石载荷的支架部件叫顶梁。

它也为立柱、掩护梁和挡矸装置等提供连接点。

顶梁除整体刚性结构型式外，一般由若干段组成，按它对顶板支护的作用和位置，可分为主梁、前梁和尾梁。

如果顶梁在前后立柱间铰接，也可称为前梁和后梁。

有些支架由于回采工艺和结构的要求，将顶梁做成可伸缩式或折迭式，一般称这种伸缩或折迭部分叫前梁。

伸缩式活动前梁可在伸缩千斤顶的作用下向煤壁方向伸出和收回，及时支护采煤机煤后所暴露的顶板，实现立即支护。

当采煤工作面出现严重的片帮时，伸缩梁可直接插入煤壁进行支护。

因此，在顶板破碎、片帮现象严重的工作面，多采用带伸缩式活动前梁的支架。

铰接式活动前梁又称摆梁，即在前梁千斤顶的作用下，可沿与顶梁铰接的铰接轴向上或向下摆动一定角度，以改善支架的接顶情况，从而可提高支架对靠近煤壁顶板的支撑能力。

2、掩护梁

阻挡采空区冒落矸石涌入工作面空间，并承受冒落矸石载荷，以及顶板水平推力的支架部件叫掩护梁。

掩护梁上部直接与顶梁铰接，下部直接或间接（通过连杆机构）与底座铰接。

3、前后连杆

前后连杆只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。

前后连杆与掩护梁、底座组成的四连杆机构，既可承受支架的水平分力，又可使顶梁与掩护梁的铰接点在支架调高范围内做近似的直线运动，使支架的梁端距基本保持不变，从而提高了支架控制顶板的可靠性。