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前言
综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我国液压支架经过30多年的发展，取得显著的成果，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式液压支架，这些系列化液压支架一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。
我国煤矿中使用的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。
目前使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。从架型的结构特点来看，由于直接类别和老顶级别的不同，所以为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析使支架能适应顶板载荷的要求。
此次设计是对大学所学的知识的综合应用，通过设计使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机的使用的熟练性。通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高独立为完成工作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。
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第1章液压支架的概述
液压支架的组成和用途
液压支架的组成
液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操作控制系统等主要部分组成。
1.1.2液压支架的用途
在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项工作正常进行，必须对顶板进行支护，而液压支架是以高压液体作为动力由液压元件与金属构件组成的至呼和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架可与弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。
液压支架的工作原理
液压支架在工作过程，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图1-1所示。
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升柱：当需要液压支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，是与活塞杆相连的顶梁紧紧接触顶板。
降柱：当需要降柱时，高压乳化液进入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推动活塞下降，顶梁脱离接触接触顶板。
支架和输送机前移：支架和输送机的前移都是由底座上的推移千斤顶来完成。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，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，
高压液进入推移千斤顶下腔，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。
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支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-2所示
支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化可分为三个阶段：支架升柱时，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，此阶段为初承力阶段t 0；支架初撑后，随着顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架安全阀的调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力，此阶段为增阻阶段t 1；随着顶板压力继续增加，是立柱下腔压力超过的安全阀调正压力值时，安全阀打开溢流，立柱下缩，是顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t 2。
高压液体
p p 图1-2支架的工作特性曲线
液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数
1.3.1设计目的
采用综合机械化采煤机械方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化设备，机械化采煤工作面。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。
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由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计的工作量也是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。
1.3.2液压支架的基本要求
1．为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以使有效地控制顶板，保证合理的下沉量。
2．液压支架要有足够的推溜力和移架力，推溜力一般为100KN左右，移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN～150KN，中厚煤层一般为150KN～250KN，后煤层一般为300KN～400KN。
3．防矸性能要好。
4．排矸性能好。
5．要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风面积，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。
6．为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。
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7．调高范围要大，照明和通讯方便。
8．支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。
9．要求支架有足够的刚度，能承受事实上不均衡载荷和冲击载荷。
10．满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。
11．要易于拆卸，结构要简单。
12．液压元件要可靠。
1.3.3设计液压支架必须的基本参数
1．顶板条件
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根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。
2．最大和最小采高
根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。
3．瓦斯等级
根据瓦斯等级，按《煤矿安全规程》规定，验算通风断面。
4．底板岩性及小时涌水量
根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。
5．工作面煤壁条件
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根据工作面煤壁条件决定是否用护帮装置。
6．煤层倾角
根据煤层倾角决定是否选用防滑装置。
7．井向罐笼尺寸
根据井向罐笼尺寸考虑支架的运输外形尺寸。
8．配套尺寸
根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。
液压支架的发展趋势
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新型适用特种条件下的液压支架
为了安全高效的开采复杂地质条件的煤炭资源，必须设计能适应某种特殊地质条件
使用的液压支架。
1．特厚煤层一次采全高液压支架。2009年平顶山煤矿机械有限公司生产的ZY10800/28/63型电液控制掩护式液压支架是为神华宁煤设计制造的，支护高度米、工作阻力10800千牛、重量吨的大采高高端支架（参数见表1-1）。该架型代表着国内支架行业的先进水平，技术含量高、生产难度大。
2．新型放顶煤支架。设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。
3．水采液压支架。为了适应水采工作面的支护需要，设计一种水采工作面。
表1-1 ZY10800/28/63型电液控制掩护式液压支架参数
4．重型支架。为适应顶板压力特别大的需要，可将液压支架的工作阻力设计的较大。
5．新型端头支架。为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作且安全可靠的断头液压支架。
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6．大倾角工作面支架。为适应煤层倾角小于等于45°的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。
液压支架结构设计的方向
1．轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度要求和配套的条件下，底座和顶梁尽量短，使支架轻型化。
2．标准化。为了减轻支架的重量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性减小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。
3．材质强化。提高结构件钢材强度，采用优质钢材，减轻液压支架的重量，设计
师可先进行技术经济比较，再选合适的材料。
4．高压化。各种阀类的压力等级价高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架的质量减轻。
5．操作自动化。能适应无人采煤工作面的需要，实际运程操作的新型全自动液压支架。
我国液压支架与国外液压支架存在的差距及今后的发展趋势
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我国的液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著的成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定的差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材耐压能力一般为16MPa，最好的屈服极限仅有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（井下实际应用又是在20s以上），工作阻力相对较低。
我国液压支架的设计制造水平经过30多年的发展，不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架反面积累了丰富的经验，架型也基本趋于成熟完善，在品种和质量方面与国际相比还有较大的差距。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指甲的工作可靠性发面下功夫。
今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量高、钢板强度高、移架速度快（6～8 s/架）和电液控制阀的方向发展，对破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠的推杆和抬底座机构，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，以适应快速一家的需要；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。两柱掩护式液压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。
第2章 液压支架的架型特点及选型
液压支架的分类及特点
液压支架架型的分类
按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。
目前使用的液压支架分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。
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1．支撑式液压支架：支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如
图2-1所示，
前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。
2．掩护式液压支架：掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图2-2所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。
3．支撑掩护式液压支架：支撑掩护式液压支架是在支撑是液压支架和掩护式
a
b
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液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构，使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。
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支撑掩护式液压支架适用范围很广，可用于各种顶板条件，尤其用于中等稳定以上的顶板条件。其缺点是：结构复杂，重量大，价格较贵。不同结构形式的支撑掩护式液压支架，其主要区别是立柱的布置方式不同。具体分类方法及及型式如图2-3所示
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顶板的组成
回采工作面的顶板，根据岩层和煤层的相对位置及特征，可以分三类：
1．伪顶：直接位移煤层上方使极易垮落的一层岩石。它通常使灰质页岩和泥质页岩，厚度一般不大于～0.5米，经常随采随冒。有些岩层不出现伪顶。为顶对支护设备的使用一般没影响。
2．直接顶：是指位于伪顶或直接位于煤层上方的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质页岩、页岩、沙质页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式及架型选择由决定性的影响。
3．老顶：是指位于直接顶之上厚而坚实、节理裂隙和层理都不发育的整体岩层。通常由砂岩、石灰岩或砂砾岩等构成。老顶常能在采空区维持很大悬露面积而不随直接顶一起垮落，其垮落步距的长短对支护设备的载荷大小由决定性影响。
液压支架的支撑力与承载关系
1．支撑式液压支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部分，以阻止上部岩层的移动，实现切顶。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板则处于无立柱状态，仅靠支护力较小的前梁来维护。股支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀，起预想的支撑力分布规律如图
?
图2-4 支撑式液压支架支撑力分布图
2．掩护式液压支架的特点和支撑力分布
掩护式液压支架的特点是顶梁较短，控顶距较小，支撑力主要集中在顶梁部位，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑是液压支架大，其支撑力的分布规律如图2-5所示
掩护式液压支架在不同顶板条件下的承载分析
1）掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况：
顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数减少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的合力为Q3，载荷分布如图2-6所示
掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁后部自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上，对掩护梁的作用力可分解垂直分立和水平分力，如图
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掩护式液压支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布和支架支撑力的作用部位基本一致。所以，此种支架能在破碎不稳定顶板下工作。
图2-5掩护式液压支架支撑力分布图
图2-6 掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况
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2）掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况。掩护式液压支架由于立
柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差，受力情况如图2-7所示
直接顶冒落时，冒落岩石分别作用在顶梁上和掩护梁上。
周期来压时，由于顶梁后部顶板不能充分切断，基本顶压力将由整个支架和采空区垮落岩石承担或者有可能在切顶时，基本顶直接压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减小，使支架难以承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种支架不能在中等稳定以上顶板下工作。
图2-7 掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况
3．支撑掩护式液压支架支撑力分布与承载的关系及适用范围
图2-8 支撑掩护式液压支架支撑力分布
支撑掩护式液压支架是为了改善支撑式液压支架和掩护式液压支架的性能和对顶板的适应性而设计的，主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的支撑力和承载能力。所以此种支架介于以上两种支架之间，增强了适用范围，适用于顶板较坚硬 、顶板压力较大顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图2-8所示
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液压支架的选型
液压支架的选型原则
液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适合矿井和工作面的条件，投产后能够做到高产、高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条件进行选择。
1．液压支架架型的选择首先要适合于顶板。一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。
2．当煤层厚度超过2.5m 时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。
3．当煤层厚度达到～2.8m
以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支
架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式支架。
4．应使支架对地板的接触比压不超过地板允许的抗压强度。在地板较软条件下，应选用抬地板装置的支架或插腿掩护式支架。°
5．煤层倾角小于10°时，液压支架可以不设防倒防滑装置。倾角在10°～15°（支撑式液压支架取下限，掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架取上限）以上时，应选用带有防滑装置的液压支架。倾角在18°以上时，应选用同时带有防滑防倒装置的液压支架。
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6．对瓦斯涌出量大的工作面，应符合《煤矿安全规程》要求，并优先选择通风面积大的支撑式或支撑掩护液压支架。
7．当煤层为软煤时，支架最大高度一般应≤2.5m；中硬煤时，支架最大高度一般≤3.5m；硬煤，支架最大高度＜5m。
8．同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。支撑式液压支架最便宜，其次是掩护式液压支架，最贵为支撑掩护式液压支架。
液压支架设计的原始条件
基本（老）顶级别:三级
直接顶级别:三级
采高:～
液压支架的选型过程
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1．确定直接顶和基本顶类别
1)顶板分类
（1）直接顶分类
我国将缓倾斜煤层回采工作面的直接顶分为四类：
一．不稳定顶板即破碎顶板，很容易冒落，冒落能基本充满采空区。泥质页岩、再生顶板等属于这一类。
二．中等稳定顶板：这类顶板强度较高，但由大量节理裂隙，局部较完整，厚度不大，冒落后不能充满采空区，一般支护设备前移后随即冒落。砂质页岩、粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。
三．稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落。砂岩顶板、坚硬的砂质页岩顶板属于这一类顶板。
四．坚硬顶板：极难冒落的砂岩、坚硬砂质页岩等属于这一类顶板。
。
表2-1 基本顶级别
注：
1.比值N应根据采煤工作面所在位置的地质柱状图中的M和h来计算。
2.基本顶初次来压步距LP可根据现场实测或矿压显示特征确定。
、
（2）老顶分级
老顶根据周期来压明显与否分为四级：
I级顶板，周期来压不明显；II级顶板，周期来压明显；III级顶板，周期来压强烈；IV级顶板，周期来压极强烈。
老顶周期来压越不明显，作用于支架上的载荷就越小，而且稳定。反之，周期来压
越强烈，作用于支护设备上的载荷就越小，且有冲击。
表中按右式计算：112σ=岩石单向抗拉强度（Mpa）
c1= 节理裂隙影响系数；
c2=分层厚度影响系数。
注: (1)表中括号内数字系掩护式支架顶梁上的支护强度
(2)、、2为增压系数
(3)表中采高为最大采高
2．液压支架类型的确定
由给定的顶板条件参照表2-5可选取的液压支架的选型为支撑掩护式液压支架。
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第3章 支架各部件的结构特点
支撑掩护式液压支架的整体结构
支撑掩护式液压支架主要由护帮、防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。
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液压支架的各部件结构
液压支架的顶梁
1．支撑式液压支架的顶梁结构
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4
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7
9
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1
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支撑式液压支架顶梁结构形式如图3-2所示。如图a 所示为整体刚性顶梁。顶梁为
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如图b ，c
所示为铰接式顶梁，由前梁和后梁组成，分别由前、后排立柱支撑。其中，b 为全铰式，它能适应支架顶梁上方前后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半饺式顶梁如图c 所示，它克服了全铰式的缺点，当中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于铰接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。
如图d 所示为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接，在铰接前梁处安装有前梁千斤顶，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上下摆角适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。
为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增设尾梁，如图e 所示。 如图f 所示为不带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶式顶梁伸缩，由于前梁可以及时伸出支护暴露的顶板，从而允许固定顶梁减小长度，也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。
2．掩护式液压支架的顶梁结构
掩护式液压支架的顶梁结构型式如图3-3所示
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如图a所示为平衡顶梁顶梁较短，与其下部的的掩护梁铰接。因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁，顶梁铰接点前、后侧面的比例接近于2：1（按载荷分布近似三角形设计）。这种顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被冒落矸石堵住，影响支护效果。为此，在顶梁后部加设挡矸板。ZYZ型掩护式液压支架就采用此种结构。
如图b所示为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除三角区。
如图c所示为铰接式顶梁，顶梁为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁铰接，取消三角区，立柱直接支撑在顶梁上。平衡千斤顶调节顶梁的接触面积。
如图d所示为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶调节前梁角度，可以提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。
如图e所示为带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，减少顶板的暴露时间铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为如图d、e所示两种型式的结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。
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3．支撑掩护式液压支架的顶梁结构