液压支架设计与液压支架的发展趋势摘要：液压支架是一种利用液体压力产生支撑力并实现自动移设来进行顶板支护和管理的一种液压动力装置，是综合机械化采煤不可缺少的配套设备。

煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中。

具有重要的战略地位。

因此液压支架的发展与应用在我国的现状下是十分重要的。

液压支架是以高压液体为动力，由数十个液压元件(油缸、阀件)与一些金属构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备。

具有强度高、移动速度快、支护性能好、安全可靠等特性。

煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产的重要问题。

因此，以液压支架为主要设备的综合机械化开采的诞生和发展是煤矿生产发展史的一次重大革命，不仅从根本上改善劳动和安全条件．也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基础，使煤炭生产面貌彻底改观一、液压支架的结构与工作原理目前使用较为普遍的液压支架主要由前后立柱，顶梁，掩护梁，前后连杆，操纵阀，推移装置等组成。

【1】顶梁直接与顶板接触，承受顶板压力载荷，并未立柱和掩护梁提供连接点。

掩护梁与采空区冒落岩石接触并与顶梁相接，下部与前后连杆相铰接。

底座直接与底板相接触，将来自顶板的各种载荷传递给底板。

推移装置设在底座中部。

立柱上下端分别铰接于顶梁与底座上，直接承受顶板岩石载荷，它是液压支架的动力部件。

支架的支撑能力和支撑高度主要取决于立柱的性能和结构。

【2】操纵阀则是控制支架实现各项动作要求。

液压支架的工作是依靠流动着的高压液体所备的压力能，通过各种液压元件协调动作完成预先设计程序，并可较好配合其他设备运行，维护安全有效的工作空间。

【3】液压支架的升降是通过立柱的升降来实现的，立柱是支承在顶梁和液压支架的升降是通过立柱的升降来实现的，立柱是支承在顶梁和底座之间的液压缸，其动作通过三阀（操纵阀、液控单向阀和安全阀）底座之间的液压缸，其动作通过三阀（操纵阀、液控单向阀和安全阀）进行控制。

支架升降时立柱的动作分三个阶段：初撑、承载、卸载阶段。

【4】承载阶段又可分为：增阻过程和恒阻阶段。

初撑阶段搬动操纵阀手柄使由乳化液泵供来的高压液体供入立柱下腔（活塞腔），立柱在高压液体的作用下带动顶梁升起，支撑顶板，当顶梁上部接触顶板后，立柱下腔压力达到泵站工作压力时，乳化液泵站自动卸载，液控单向阀关闭，从而使立柱下腔的液体被封闭，这就是液压支架的初撑阶段，此时支架对顶板的支撑力叫初撑力。

承载阶段承载阶段承载阶段分为：增阻阶段和恒阻阶段增阻阶段：当初撑阶段完成后，随着工作面顶板的下沉或由于落煤和相临支架的卸载前移的影响，立柱下腔被封闭的液体压力不断升高，这种支架阻支架的卸载前移的影响，这种支架阻力上升状态叫增阻状态。

此时直到下腔压力达到安全阀的调定卸载压力【5】。

力上升状态叫增阻状态。

此时直到下腔压力达到安全阀的调定卸载压力。

恒阻阶段：随顶板不断下沉，压力继续增大，立柱下腔液压力继续上升，达到安全阀的卸荷压力（即安全阀的调定压力）时，安全阀开启，高压液体经过安全阀溢出，立柱随即下降，直到顶板压力分布到相临支架，对本支架压力减少，此时立柱下腔的压力小于安全阀的动作压力，安全阀又关闭，停止溢流，这种安全阀溢流启闭的反复过程就是液压支架的恒阻状态，在液压支架的恒阻状态，由于安全阀的溢流就要继续下沉，液压支架在承载阶段压支架的恒阻状态，由于安全阀的溢流就要继续下沉，液压支架在承载阶段立柱和支架所承载的最大载荷称为最大工作阻力。

【6】当工作面顶板压力比较小，支架达到初撑力后，在落煤或一侧支架降架移动的影响下，工作阻力虽然迅速上升，但没有达到支架的额定工作阻力，为相对稳定阶段，支架的工作阻力继续缓慢上升，在这种情况下，支架可能达到额定工作阻力，也可能到卸荷移架前一直达不到额定工作阻力。

液压支架的工作阻力低于额定工作阻力之时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；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，超过额定工作阻力时有具有可缩性，使支架在保持恒定阻力下随顶板下沉而下缩。

增阻性主要由液控单向阀和支柱的密封性能保证。

恒阻性和可缩性由安全阀来实现。

因而，液控单向阀和安全阀是保证支架性能的关键元件。

卸载阶段与升架时反向搬动操纵阀手柄，处于降架供液状态，高压液从高压管路进入立柱上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔的液体经液控单向阀、操纵阀回到回液管路，于是支架就卸荷下降，在移架前卸荷。

向阀、操纵阀回到回液管路，于是支架就卸荷下降，在移架前卸荷。

2.支架推移液压支架的推移包括两个动作：一是把工作运输机推向煤壁（推溜），二是把液压支架向前移（称移架）；放顶煤支架再增加一个使后输送机前移的拉后溜装置。

后输送机前移的拉后溜装置。

【7】3.调架、防倒、防滑、侧护、护帮、调架、平衡千斤顶等辅助动作。

二、液压支架的设计过程我国目前的煤矿大多情况各异，而采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量，提高经济效益的必由之路。

【8】其中液压支架更是其中必不可少的设备。

根据不同的煤矿的需求，液压支架也需要不同的设计。

液压支架的设计大体过程如下。

（一）、了解使用单位的实际情况，确定不同性能要求由于工作情况的不同，所以只有在了解的真实的工作情况后才能确定性能指标。

而后确定总体设计方案与各部分的结构设计方案。

液压支架的主要功能是支护，所以首先应当考虑采煤工艺以及地质要求，确定足够的初撑力和工作阻力等，而后确定整体的结构和各部件的设计。

（二）、结构安全设计在结构设计中，设计者需要从承载能力，寿命，强度，刚度，稳定性，减少磨损和腐蚀等方面来提高产品性能，获得最佳方案。

【9】在进行结构安全设计时，所需的基本参数有：（1）顶板条件 (2)最大和最小采高 (3)瓦斯等级 (4)底板岩性及涌水量 (5)工作面煤壁条件 (6)煤层倾角 (7)井筒罐笼尺寸 (8)配套尺寸【10】1、确定液压支架的高度一般首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。

支架的最大高度与最小高度的之差为支架的调高范围。

调高范围越大，支架的适用范围越广，但过大的调高范围会给支架结构设计造成困难，可靠性降低。

【11】2、中心距和宽度的确定支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。

目前国内外液压支架中心距大部分采用1.5 m 。

大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m ，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速般家的要求，中心距可采用1.25m 。

【12】3、梁端距和顶梁长度的确定当采用即时支护时，一般大采高支架梁端距应取350～480mm ，中厚煤层支架梁端距应取280～340mm ；薄煤层支架梁端距应取200～300mm 。

现取梁端距： mm l n 300=顶梁长度受支架形式、配套采煤截深、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护形式等的制约。

【13】)(01513d m E A C l l x l l l +-+++=当采用及时支护方式时：d C =0【14】4、顶梁形式的选择支架常用顶梁形式有三种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。

铰接顶梁的前段称为前梁，后段称为主梁，一般简称顶梁。

根据需求选择适合的形式。

【15】5、 支架侧护板形式的选择支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧护板千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。

支架常用的活侧护板的形式有三种, 即直角式单侧活动式侧护板，直角式双侧可活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。

【16】6、 底座形式的选择7、 柱间距和筋板配置 在确定了这些基本参数之后，才能进行接下来的液压系统与机电系统设计。

（三）、液压系统的设计设计液压系统时同样应当根据具体情况进行设计计算，首先根据已经计算出来的工作撑力等条件确定液压支架的工作压力，通过这些来确定液压系统所需的泵站的压力和流量。

确定了泵站的流量与压力后，便可确定动力元件。

驱动泵站所需的电机功率可利用流量和压力求得：【17】)(612千瓦yQ P N •= 式中：P---泵站的额定压力（公斤/2厘米）；Q---泵站的额定流量（升/分）；y---泵站的总效率J V y y y •=；V y ---泵站的容积效率；J y ---泵站的机械效率；N---泵站的输入功率。

由此，再根据实际需求即可确定选用电动机。

（四）、液压缸的设计根据前面的计算，可以确定液压缸的工作压力，从而可以确定液压缸各部分的尺寸如液压缸内径和活塞杆直径，压缸壁厚和外径的计算，液压缸工作行程，缸盖厚度等，由于篇幅所限不能一一描述。

至此，液压支架主要部分的设计大体结束，还有一些液压辅件等的设计需要完成，并且进行演算确定设计是否符合要求。

三、液压支架发展趋势随着科学技术的高速发展。

新技术、新方法、新材料的不断应用，微机和计算机技术进一步普及，为液压支架的发展提供了有利的条件。

目前，液压支架研究发展趋势主要有以下几个：(1) 液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展，如液压支架的架型明显地向两柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。

【18】(2) 在已有支架设计与应用经验的基础上，将有限元和计算机辅助设计相结合，研究支架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。

其中在设计中应注意以下几个方面：①提高液压支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面；②如何提高支架的移架速度；③改进支架个别部件结构，加大联结件强度(3) 改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密封件入手，制定更严格的质量和抗腐蚀标准。

(4) 对不稳定顶板、松软底板、地质构造较复杂等特殊条件，加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。

(5) 采用新型元件与材质，可减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命。

(6) 结构上寻求克服四连杆的新型架型。

(7) 快速支架电液控制系统的研制和投入，研究支架的遥控、程控控制和性能自动监控，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。

【19】工作面支护问题始终是围绕煤矿生产安全、质量、效率的重要问题。

目前，国外高产高效综采工作面正向“设备重型化、工作面大型化”的方向发展，我国许多大型煤炭能源集团公司也正在发展超大型综采工作面，液压支架全部进口，对企业的发展极为不利。

因此，我国必须加大综采液压支架的研究投入和步伐，尽快适应我国能源大开发的战略要求。

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