放顶煤液压支架和顶梁的设计杨军伟(蒲县宏源煤业集团有限公司，临汾，041206）摘要:本次设计介绍的是煤矿行业中使用的放顶煤液压支架和支架中重要部件底座和顶梁的设计。
液压支架在煤炭行业是一种非常重要的设备,它在采煤工作面中为了防止顶板冒顶，维持一定的空间，保证工人安全和各项工作的正常运行，对顶板进行支护。
它是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成支护和控制顶板的设备,能够实现支撑、切顶、移动液压支架和推移输送机等一整套工序。
底座是为了支架的结构和工作机构提供安全的设备基础,还有是为了与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构，将对立柱、前后连杆的顶板压力传递给底板。
关键词:液压支架、立柱、底座、顶梁、四连杆。
我国煤炭储量十分丰富，1979年世界能源会议估计我国煤炭资源为１5000亿吨，其中煤层厚度大于３.5米的厚煤层占４0%左右。
从采煤工艺看,我国1９7２年开始装备综合机械化采煤,至1990年已经达到2９.８％。
当时对厚度在３.5-5米的煤层多采用一次采全高工艺,特别是大采高支架,平均单产可超过３万吨,最高超过6万吨，最高月产142211吨。
然而,对于厚度大于5米的特厚煤层的开采,存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题,尽管分层开采技术较为成熟,但其成本高、工序多，影响效率。
一、放顶煤液压支架发展及特点自６0年代法国率先研制节式放顶煤支架开采特厚煤层取得成功以来,70年代法国、英国、匈牙利、原联邦德国、前苏联等国家又先后研制出插板式、开天窗式、后开门式放顶煤液压支架,使特厚煤层采煤工艺有了新的突破，产量与效率不断提高。
以匈牙利奥伊克矿为例，使用VHP—７30型支架，开采厚6.2米煤层，平均月产量达到3．39万吨,效率26.1吨/工，工作面回收率91%。
我国综采放顶煤开采开始于1982年，是由郑州煤矿机械厂、煤炭科学研究总院北京开采所、沈阳煤研所共同研制的FY400-１4/28中位放顶煤支架在沈阳局蒲河矿安装试验;10多年来得到了迅速的发展,截止到1993年，已经在13个省的2６个矿务局5９个工作面使用,达到了日产万吨,月产3１万吨,年产252图1 低位双运输机放顶煤综采示意图1—放煤口;２—前输送机；3—后输送机万吨的生产水平,成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。
实践证明,在特厚煤层开采中，采用放顶煤开采较分层开采等具有明显的优越性，主要有：(1）、煤层掘进量小，掘进费用低、缓和了采掘关系;（2)、减少了搬家倒面次数,节省了综采面设备搬迁、安装的工作量及费用；（３）、较分层开采减少了铺网工序、材料、工资及巷道维护费用等;（4）、对急斜厚煤层,较普通法开采的工作面产量提高１－3倍；(5)、提高了煤炭的块炭率,增加煤炭的售价;（６)、减少了设备的运行费,特别是采煤机，相对减少了吨媒设备折旧费或租赁费;（７)、有利于矿井的集中控制,实现减面、减人、提高工效的目的；(8）、提高劳动生产率，降低成本，比一般回采工效提高2-５倍,经济效益十分显著,吨媒成本一般降低８－20元/吨。
基于上述原因,我国放顶媒液压支架从1984年至199２年上半年已发展到42套,3２个品种，占世界总数的66%。
当然,放顶煤开采也有急待解决的问题，主要是：(1）、煤尘大,比分层开采高出１-３倍,甚至更高;(2）、回采率偏低，一般在8０％左右，造成一定的煤炭损失;（3)、自然发火的问题尚未得到很好的解决；（４）、对高瓦斯矿井,瓦斯涌出量大,有局部积聚的危险。
因此，煤炭工业部提出要有试点地进行，稳步发展的方针。
下面重点介绍放顶煤液压支架的特点及适应性。
二、低位放顶煤支架的特点这是一种双输送机运煤,在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。
这类支架有一个可以上下摆动的尾梁(摆动幅度在45°左右)用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。
尾梁中间有一个液压控制的放煤插板,用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。
其主要特点如下:(1)由于具有连续的放煤口,放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高;(２)和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎较为充分,对放煤极为有利;（3)后输送机沿底板布置,浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤，使放煤口不易堵塞；(4)低位放煤使煤尘减少；(5）前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差,支架的稳定性较差;(６)尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差。
这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应,为使这种支架在缓斜长臂工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索：（1)把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点,增加了支架强度,减少了支架的损坏,形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架；(2)大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量,有的重达20t以上,但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力；(３)增大后部空间和尾梁向上摆动的力,使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如ZFS520０／17/32型支架尾梁端部向上摆动力可达到500kN，使用效果良好；(4）后四连杆前连杆设计为Ｙ型,后连杆设计为I型，增大了支架的前、后人行道的宽度并加大了后部的人员工作与维护空间;(5)把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。
在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯曲并防止输送机和支架下滑。
前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大,且重量也轻。
三、低位放顶煤液压支架的适应性前四连杆式支架在急斜水平分段放顶煤综采中取得成功,如对四连杆及有关联接件再进一步增加强度,成为定型设备,可以不考虑在急斜条件下使用后四连杆式支架。
缓斜中硬难放煤层在选型时考虑到低位放顶煤液压支架的强度低，又无成功的实例,往往选用中位放顶煤液压支架,但受到放煤口的限制，实际上也未能很好解决其放煤问题。
仔细研究各类放煤支架，就会发现,只有前四连杆式支架具备大幅度摆动掩护梁破煤的条件。
有的低位放顶煤液压支架采取强化四连杆及联接销轴,把摆动掩护梁的千斤顶一端布置在底座上,而不是布置在顶梁上，尽管这种架型尚无满意的效果，但这种探索无疑是很有意义的。
后四连杆式支架在煤层硬度系数f=2左右,层节理比较发育的缓斜厚煤层中使用取得很大成功,如在潞安矿务局五阳煤矿、王庄煤矿和兖州矿务局兴隆庄煤矿、鲍店煤矿。
这种架型与设计先进的过渡支架配合使用,创出了新水平,被广泛推广使用。
如石炭井矿务局乌兰矿将这种支架与过渡支架、端头支架配套使用,在倾角为24°的工作面上取得了成功。
由此表明了后四连杆式放顶煤液压支架在缓斜中硬煤层和倾斜厚煤层中均有良好的适应性和使用前景。
四、液压支架的组成根据各部件的功能，液压支架的组成可归纳为五个部分见表１。
五、液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。
3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的３种支护方式,从而决定工作面“三机”的不同配套关系。
具体的循环方式见表2。
六、液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板,维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。
因此,支架要实现升、降、推、移四个基本动作,这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的,如图2所示表1液压支架组成表表2 液压支架的支护方式表当操纵阀８处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀８、液控单向阀6进入立柱２的下腔,立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。
当操纵阀8处于降柱位置时,工作液体进入立柱的上腔,同时打开液控单向阀,立柱下腔回液，支架下降。
支架的前移和推移输送机是通过操纵阀7和推移千斤顶4来进行的。
移架时,先使支架卸载下降,再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶４的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。
这时,支架以输送机为支点前移。
移架结束后,再把支架升起,使支架撑紧顶板。
若将操纵阀7置于推溜位置,高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液,这时输送机以支架为支点被推向煤壁。
图2 液压支架工作原理图1-顶梁;2-立柱；3-底座；４－推移千斤顶;５-安全阀;6-液控单向阀;7、8-操纵阀;9-输送机；10-乳化液泵;11-主供液管；1２-主回液管液压支架在井下工作时，由于工况条件恶劣,受力情况十分复杂。
为了安全可靠，在进行支架设计时，必须模拟支架在顶板、底板相互作用下，可能遇到的最危险工况,对整架和支架各结构体进行强度计算和校核，然后在液压支架型式试验台上进行强度和寿命验证。
强度是反映液压支架可靠性的重要指标之一。
它取决于液压支架的力学特性和支架结构件的几何尺寸。
正确的分析和计算支架结构件的截面强度和刚度是合理设计液压支架的前提。
近年来,出现了一些新的方法,如有限单元法、薄壁箱型截面组合强度的计算机辅助法、液压支架强度的概率设计法等,提高了支架结构的可靠性。
这些都有待以后去进一步研究、探讨。
由于煤田地质构造的原因,我国急斜特厚煤层多数倾角大于５5︒，煤层厚度多在２-8米之间,硬度系数 1.5f<，发育良好,特别适合放顶煤开采。
但是,现在多数放顶煤液压支架的采高比较小，为了在急斜特厚煤层水平分段开采过程中,简化矿井的采掘系统和生产组织，提高生产率和产量,主要是采用增大放煤高度的方法,同时对已有支架某些结构做了一定改进使之更适用于急斜煤层的开采。
本文在对目前已有的放顶煤液压支架的分析的基础上，提出了适用于急斜特厚煤层的大采高放顶煤液压支架的设计方法：1.对现有的液压支架的结构件的结构不作大的变动，通过加大结构件的厚度和钢板的厚度来提高结构件的强度,从而达到较好的支撑效果;2.把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接,改善了运输状况;３在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆,以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯曲并防止输送机和支架下滑,以更好地适应急斜特厚煤层的开采；4．采用了前四连杆式的结构，虽然其稳定性和抗扭性较差，但是后不放煤空间大,重量也轻;5.立柱是支架的主要承载部件,为了适应顶板的变化和改善受力状况,立柱两端均采用球面结合形式与顶梁及底座铰接,承受压力，并用销轴固定来承受拉力。
立柱柱头与顶梁端相连接的销孔,其两侧加工成喇叭口,与直销配合使用，使顶梁能左右作适当偏转，以便立柱在架内灵活转动；6.为适应急斜特厚煤层分段开采，支架本身采用中四连杆机构,增加了支架的纵向稳定性，并使梁端距变化较小;7.放煤增设摆动伸缩式尾梁,以调整工作空间和放煤口大小;８.顶梁较长,改善了掩护梁受力状况，以利顶煤在矿压作用下能较好的压碎;9.为了保证支架整体稳定性,在底座上铰接四连杆机构，在底座中间设置有推移装置,侧面设置拉后输送机的千斤顶和推移杆。