液壓支架整體結構設計研究

李濤濤 河南理工大學；河南工業和信息化職業學院

液壓支架整體結構設計研究

李濤濤 河南理工大學；河南工業和信息化職業學院

液壓支架是綜合機械化采煤工藝的重要設備，已在我國使用很長的時間，為煤礦安全高效的生產提供了有力的保證，取得了很好的社會和經濟效益。液壓支架的使用對提高煤礦開采技術和環境保護具有深遠的意義。

液壓支架 支護強度 初撐力

1 液壓支架分類

在采煤工作面有端頭和中間兩種液壓支架。端頭液壓支架布置在采煤工作面的兩頭，主要為刮板輸送機機頭部、機尾部和轉載機支護頂板，提供作業空間，要求作業空間較大。端頭支架之間的液壓支架稱為中間支架，中間支架為采煤過程進行支護，按照結構不同中間支架又可分為支撐式、掩護式、支撐掩護式液壓支架三種。

1.1 支撐式液壓支架

支撐式液壓支架是較早的一種架型并且在煤礦得到廣泛的應用，其特點是支護力大切頂能力強。支撐式液壓支架主要分為垛式和節式支撐式液壓支架兩種。

（1）垛式支撐式液壓支架

垛式支撐式液壓支架的頂梁通過焊接或鉸接連在一起，頂梁較寬，有四個一樣的立柱起到支撐頂板的作用，底座采用箱型結構，支架移動式整體向前。垛式支架具有較強的支撐能力和切頂能力。

（2）節式支撐式液壓支架

節式支撐式液壓支架的頂梁由兩個框架組成，頂梁較窄，由每兩個立柱支撐一個頂梁框架共四個立柱，節式支架支架重量比較小，移動比垛式支架靈活，適應頂底板能力比較強。

1.2 掩護式液壓支架

根據掩護式支架的結構和工作特點不同把掩護式液壓支架分為單鉸式和雙鉸式掩護式液壓支架兩種。

（1）單鉸式掩護式液壓支架

單鉸式支架的掩護梁靠鉸接的方式與底座的連接在一起，支架做升降運動時，掩護梁和與之連接的頂梁均會繞著鉸接點做圓弧形擺動。單鉸式支架的優點是結構簡單，支護空間大，缺點是支架在升降過程中，頂梁前端與煤壁之間的距離不穩定，隨著升降架變化比較大影響支架對頂板的支護效果。

（2）雙鉸式掩護式液壓支架

雙鉸式掩護式液壓支架的掩護梁、底座、前后連桿組成四連桿機構，頂梁前端的呈雙紐線的運動軌跡，這樣在升降支架時支架頂梁前端與煤壁能保證恒定的間距，能夠提供更好的支護環境。

1.3 支撐掩護式液壓支架

支撐掩護式液壓支架具有支撐式液壓支架支撐能力大、切頂能力強和頂板適應性好的特點，又具有掩護式液壓支架的支護空間大、通風斷面大、穩定性較強和支架受力條件好的特點，集合了支撐式和掩護式兩種架型的特點。

2 液壓支架的設計原則

支架設計應考慮：（1）支護強度與工作面礦壓相適應；（2）支架結構與煤層賦存條件相適應；（3）支護斷面與通風要求相適應；（4）支架推移連接裝置與采煤機，刮板輸送機等設備相匹配；（5）頂梁必須有足夠的強度，以滿足工作要求。

3 液壓支架的參數

3.1 支護強度和工作阻力

K為作用于支架上的頂板巖石系數，一般取5～8；H為采高，m；為頂板巖石密度，2．3×10kg/m3；液壓支架的支護強度通常取 0．5 ～ 0．7Mpa。

支護強度可根據下式進行估算

掩護式和支撐掩護式支架取支撐效率為百分之八十左右，支撐式支架的支撐效率為百分之百。

3.2 液壓支架的初撐力

支架初撐力與支架的工作阻力以及頂板的性質有著緊密的聯系。對于不穩定和中等穩定頂板，比較大的支架初撐力可以使支架在較短的時間內達到所需的工作阻力，這樣便于維護頂板，阻止頂板過早的離層。

當頂板不穩定時，初撐力的等于工作阻力的百分之八十；對于穩定頂板，初撐力等于工作阻力的百分之六十；周期來壓強烈的頂板初撐力等于工作阻力的百分之七十五以上。

3.3 液壓支架的移架力和推溜力

移架力的大小與支架類型、支架重量、支撐高度、工作面頂底板性質等因素有關。薄煤層的移架力為100～150kN，中厚煤層移架力為150～300kN，厚煤層移架力為300～400kN，推溜力一般為100～150kN。

3.4 液壓支架的調高范圍

伸縮比在一定程度上反映了支架對煤層厚度變化的適應性，伸縮比越大支架對煤層厚度適應性越好。單級伸縮液壓缸的伸縮比一般為1．6左右，采用雙級伸縮液壓缸的可以進一步提高伸縮比，伸縮比可達到2．5左右，相比單極液壓缸具有更大伸縮比。

3.5 液壓支架頂梁尺寸和覆蓋率

液壓支架和其支護頂板的接觸情況、支架控制頂板的距離、移架快慢和整體的穩定性影響支架頂梁的尺寸選擇。支撐式和支撐掩護式支架的支護力較大，這兩支架能夠支護更大的空間，所以支架頂梁可以選擇的更大一些，采用滯后支護的工作面，支架頂梁的長度可以達到2．5m；工作面采用及時支護時，支架頂梁的長度可以達到4m。單排立柱掩護式支架支護力較小，頂板尺寸選擇也應當小一些，通常為1．5～2．5m，最長達3．0m左右。

支架中心距和架型決定支架頂梁的寬度。液壓支架頂梁寬度一般為1．4～1．6m。

覆蓋率應滿足頂板性質，頂板不穩定時為85%～95%；頂板中等穩定時為75%～85%；頂板穩定時為60%～70%。

3.6 液壓支架中心距的確定

兩個支架如果相鄰，它們中心線之間的距離即是支架中心距，如式：

bc為支架的中心距；n為每架所包含的組架數，整體自移支架n=l；c3為相鄰支架之間的間隙；Bm為支架頂梁的總寬度。

4 支架主要部件的設計

4.1 底座設計原則及結構確定

（1)底座長度的確定

頂板通過立柱將壓力傳遞給底座，底座將力傳遞給底板，底座是穩固支架的重要部件。設計底座時應滿足這幾個方面：支架對地板的壓強要小；底座內部應該具有盡可能大的空間用以安放液壓元件及其他設備；底座上便于人員操作支架；支架應該有足夠的穩定性適應地板。

（2)底座寬度的確定

根據支架底座接觸底板壓強要求及煤礦地質條件現實情況，結合上述支架底座的長度。

（3)底座是由高強度焊接箱形結構

立柱、前后連桿與底座之間采用鉸鏈連接形式，底座中間設有推溜裝置，推溜裝置在推移千斤頂的作用下起到推溜移架的作用，這種結構更加便于將支架中間的浮煤、矸石的排出。

4.2 頂梁設計

（1）長度的確定

頂梁的長度由支架工作方式和支架下方支護設備尺寸息息相關，本課題研究的是支撐矸石充填液壓支架及時支護方式。

（2）寬度的確定

頂梁的寬度應根據頂梁的性質來確定，寬頂梁能夠改善支架的穩定性，但是支架對頂板適應性就變得較差。

（3）頂梁型式的選擇

普通綜采工作面支架頂梁的結構形式主要有整體頂梁和鉸接頂梁兩種。

1）整體頂梁的結構特點是：頂梁剛性好，結構簡單，便于加工制造，具有較強的支護能力，但是整體鋼梁頂板適應性比較差，運輸安裝不方便。

2）鉸接式頂梁主要由前頂梁、頂梁、后頂梁、護幫板等部件組成。鉸接式頂梁各部分通過銷軸鉸接在一起，活動性比較好，與整體頂梁相比接頂能力比較強，便于支架在井下運輸安裝，鉸接式頂梁制造安裝精度要求較高。

（4）頂梁結構設計

頂梁斷面形式采用箱體結構，頂梁內部有多根縱橫交錯的加強筋，這種結構可以在減輕頂梁重量的同時使頂梁有足夠的強度。頂梁在設計時應該考慮材料的特性，結構的受力情況，頂梁的加工工藝，最終取得比較好的效果。

4.3 立柱及千斤頂的設計

立柱是支架的受力構件，內部充滿高壓油，因此要求立柱具有良好的抗壓，抗彎，嚴格的密封性，可靠的工作特性。立柱采用雙級雙作用液壓缸，擴大支架的支護高度范圍以便適應回采高度的變化要求，它由缸體、柱塞等部件組成。

本文對液壓支架類型，選型設計原則，液壓支架參數的選擇進行的闡述，為液壓支架選型設計提供了依據，具有一定的社會應用價值。

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