掩护式液压支架设计-毕业论文.doc

1 绪论
1.1液压支架的应用和意义
随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需要量的日益增加，煤矿开采，特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大的变化。自1954年英国装备了世界上第一个液压支架工作面开始，采煤技术实现了综合机械化。综合机械化。就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都是现机械化。也就是说，采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤；工作面重型可弯曲运输机，以及与之适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤；自移式液压支架支护和管理顶板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备。
液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸和阀件）与一些金属结构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，能实现支撑、降落移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进，经济上合理，安全上可靠，当前世界各国都在不断地提高采煤工作面的综合机械化水平。
我国于1964年开始研制液压支架，到目前已经取得可较好的效果。1974年以来，从西德、英国、苏联和波兰等国引进了许多不同类型的液压支架。实践证明，液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点，能使采煤工作面达到高产量、高回采率和高工效，能大大减轻劳动强度，降低成本和掘进率，实现安全生产。
1.2我国综采技术的发展
我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程。到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系。先后研制试验成功经济型综采成套设备；薄煤层、中厚煤层和大采高综采成套设备，特厚煤层分层机械化铺网液压支架系列及成套设备和工艺；放顶煤液压支架系列及成套设备和工艺。1995年全国共有243个综采工工作面，统配煤矿综合机械化程度达到46.66%．工作面平均工效25．077t／工，全国有65个年产百万吨以上的综采队，其中9个队年产达到200万t以上，2个队年产达到300万t以上，兖州南屯煤矿综二队1995年年产达到315万t，最高月产34．7万t，创出我国高产高效的最好纪录
一、高产高效矿井建设取得重大成绩
我国从1993年开始组织高产高效矿井建设，到1995年已建成56个高产高效矿井。在产量增加9.1％的基础上，平均工效达到6.23ｔ／工，提高2.9ｔｔ／工。工作面平均个数由149个减到107，减少原煤生产人员7万人，实现了一井一面或一井两面的生产模式，向集约化生产迈出可喜的一步。
高产高效工作面装备，因地制宜采取3种模式，第一种是全套引进国际先进装备，如神华集团大柳塔煤矿，全套引进德、英、美等国家先进装备，学习国处高产高效矿进的先进经验，走高起点、高投入、高产出、高效益的道路；第二种模式是引进与国产相结合，引进国外先进采煤机和刮板输送机等关键设备，配套国内先进设备，如兖州屯煤矿等；第三种模式是立足国内设备，优选各种国产先进设备，优化系统配套，实现高产高效，如铁法晓南煤矿试验成功国产日产7ｋｔ综采成套设备。
二、机械化铺网分层开采和放顶煤技术达到世界先进水平
我国自8年代中期开始进行特厚煤层分层开采机械化铺网液压支架及配套技术的攻关，取得重要成果，研制试验成功两柱掩护式和四柱支撑掩护式铺网支架系列，义马。晋城、大同等矿区在特厚煤层分层铺网技术方面积累了丰富经验，晋城矿务局古书院煤矿分层铺网工作面年放达到200万ｔ，达到世界先进水平。
综采放顶煤技术50年代末起源于欧州，经过数十年的试验和使用在世界近10个国家得到发展，然而进入80年代以来，这一技术在国外已奄奄一息，不但美、英、德、澳等国家不再采用，连放顶煤技术发展最早的法国、匈牙利、南斯拉夫和俄罗斯等也极少采用。其主要原因是：1.受客观条件的限制，适合放顶煤开采的煤层少；2.受严格的安全规程放顶煤技术自身弱点和复杂性的制约；3.环保要求；4.传统综采的效益优势。
近年来，综采放顶煤技术在我国得发展和广泛普及，综采放机煤采煤法正在成为一种高产高效采煤方法，1995年全国65个综采百万吨创水平队中有23个是综采放顶煤队，占35.4％，其中，年产200万ｔ以上的9个综采队中有6个是综采放顶煤队。目前全国已有70多个综采放顶煤工作面，并且，正以很快的速度在发展。我国放顶煤技术已达到世界领先水平。
三、综采设备研制有了新的发展
“八五”期间，适应高产高效工作面生产要求的大功率、高效综采设备有了较大发展。我国部分综采设备已开始出口美国、俄罗斯、印度和土耳其。
研制成功MG2×400-W型滚筒采煤机，液压牵引，装机功率2×400KW、运输能力1500t/h，铺设长度250m，铸造槽帮，2×Φ34双中链交叉侧卸机头，双行星减速器，双速电机驱动，传动，传动部可平行或垂直布置，过煤量200万t等特点。长家口煤机厂、西北煤机一厂等重点输送机厂分别与国际长壁公司和威斯特伐利亚公司等合作，开发槽宽1000mm，运输能力2000～2500t/h，功率2×575kW，过煤量500万t以上的刮板输送机等设备，目前正处于试制阶段。
液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下方面：
（1）设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学特性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。
（2）完成液压支架计算机模拟试验的研究，把有限无方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限无模型，开发SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性广泛应用于液压支架设计研究，达到国际先进水平，为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。
（3）技术规范和标准化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。
（4）计算机辅助设计（CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用图库，并正在逐步实现支架设计CAD化。
（5）液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的20～30s/架，提高到9～12s/架。
（6）新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。新型高可靠性支架，反向四加杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。
四、我国综采技术发展中存在的问题
（1）我国煤层赋存条件复杂，老矿井受生产系统制约，综采效率难以发挥。我国大部分矿井井型较小，生产系统不适应集中生产的要求。巷道断面小，支护质量差，掘进设备落后，进度慢，运输系统环节多，辅助运输落后。工作面长度、采煤机截深、采区长度等工作面参数都比较小。
（2）职工队伍素质差，许多综采队以农民轮换工为主，文化基础差，队伍不稳定。管理水平低，管理模式落后，管理层次多，扯皮现象严重。
（3）煤炭企业普遍经济效益较差，负担重，技术改造任务难度大，资金投入严重不中，以致发展后劲不足，一些矿井没有设备更新能力，机械给出现倒退局面。
（4）小煤窑滥采滥挖现象严重。一方面造成对国有煤矿的市场冲击，成为影响综采发展的一个消极因素。
（5）科研投入严重不足。科研单位创收成为主要目标，技术攻关力量不足，科研成果低水平循环现象严重。
（6）由于受价格和基础工业水平的影响，我国煤机制造质量、产品性能和可靠性距世界先进水平还有较大差距。特别是采煤机、工作面输送机、液压支架电液控制技术、采区供电技术、工况监测和故障诊断技术及自动化技术等，与国际先进水平相比不存在较大差距。
1.3液压支架的研究动态
为了进一步改善支架性能和提高移架速度，还须迅速研制并推广大流量支架用阀、大通径液压胶管、初撑力保证阀或自动增压阀以及高压变乳化液泵。须加快电液控制系统的开发和支架供液系统和液控系统的优化。还须开发研究等压双伸缩立柱和能够克服刚性四连杆机构缺点的新架型等。此外，对于综采放顶煤工作面，移架速度问题不是十分突出。但无论是分层开采还是放顶煤开采，对降低工作面供液系统的压力，提高支架初撑力的要求还是十分迫切。由此可见，自动增压初撑系统有一定的应用前景。气垛支架以其整体性能好、稳定性好、抗冲击载荷能力强、初期投资少和操作维护简便等优点，在薄煤层和急倾斜煤层支护中已经取得了一席之地。变流量变压力乳化液泵等新产品的研制，将会大大改善支架供液系统的特性。
针对影响移架速度的因素分析和提高移架速度的方法和途径，已有不少文献给予论述，指出影响移架速度的主要因素有系统的额定流量和额定压力、供液系统管路的通径及阀件的过流量、液压支架立柱升降行程和推移千斤顶的行程、立校活柱直径与活塞直径的比值、支柱及顶梁重量等；而提高移架速度的主要措施有：增加泵站流量、采用电液自动控制、利用大流量阎件、改进液压支架的进液和回液系统。目前液压支架移架速度的计算方法仅为静态汁算，只反映了移架动作的操作时间和运行时间。对于动态特性较差的支架液压系统、其得架动作过程所需的时间远远超过静态计算的运行时间。要保证实施煤炭工业部关于初撑力的规定要求(达到设计韧撑力的80％以上)，往往需要保证l0一30s的升柱和切撑供液时间。
关于液压支架初撑力问题存在的原因以及解决这—问题的方法和途径，一些文献从不同的角度给予了大量的探讨。文献指出泵站实际调定压力较低只有一定的波动、远距离供液压力损失严重、顶底板不平反浮煤和浮歼的影响、不能保证液压支架的初撑时间以及多人操作或多架同时操作等因素是导致液压支架初撑力本足不均的主要原因；而增大大校直径和数目、提高泵站压力、采用双供液系统、监油工作面支护质量、增设韧撑力保证阀等提高切撑力的方法相措施都存在着一定的不足。为了提高移架速度，就很难保证初撑时间，从而不能保证初撑力达到规定要求。可见提高移架速度和提高液压支架初撑力之间存在着矛盾。
电液控制技术在液压支架上的应用能够提高液压支架的自动化程度和移架速度(将不同工序或不同支架的操作时间间隔缩短到最小程度)，能够实现定压初撑和远距离程序控制等功能。带压移架控制系统可以以实现液比支架卸载扣移架工序的同步化相自动化，改善了液压支架的支护特性和控顶效果，消除了液压支架的升降行程，故在一定程度上可提高移架速度。二柱掩护支架因立柱数目少、操作简便、侈架速度快等优点，在国内外得到了广泛的应用。然而平衡干斤顷及其连接耳座的损坏问题一直没有得到很好的解决。初撑增压阀的研究和开发，可用于解决初撑力问题，同时有助于解除高压力和大流量的制约关系。但体积和重量过大、在支架上难以设置等因素，是初撑增压阀难以得到应用的根本原因。
电液控制技术、带压移架控制系统、初撑增压阀的研究和应用，旨在改善液压支架的支护特性、提高移架速度和初撑力。二柱掩护支架的大量使用也是与该架型移架速度快有关。由此可见，移架速度和初撑力问题是研究和设计液压支架及其液压系统的核心问题。要从根本上解决这两个相互制约的核心问题，还需要从研究液压支架及其液压系统的动态特性为突破口。
基于液压支架在国内外的发展状况和研究动态，设计人员认为研究液压支架及其液控系统的动态持性，分析决定液压支架支护持性二核心要素(移架速度和切撑力)之间的动态关系，解除大流量与高压力的相互制约关系是亟待解决的重大问题。
1.4 液压支架的分类和组成
1.4.1 液压支架的用途
液压支架作为煤矿综采机械化采煤设备（液压支架、可弯曲输送机和采煤机）的重要组成设备之一，可见它的作用是十分重要的;在生产过程中，液压支架的性能的好坏将直接影响煤矿生产的质量,特别是生产过程中对人员的安全保障问题是极为重要的。所有的这些都要求我们在从事液压支架设计时要严格按相关的规程要求来设计液压支架，设计的产品要具有安全性的同时要具有经济性，从而实现在做到确保人员的安全的同时要最大程度地提高煤矿生产效率，达到好的经济效益，提高工人的收入和生活水平。因此，性能优良的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。
1.4.2液压支架的分类
液压支架的种类很多，分类的依据和方法各不相同。下面为几种常用的分类方法以及液压支架的类型。
按支架与围岩的相互作用关系分类，按照液压支架与围岩的相互作用关系，目前使用的液压支架可分为三类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类。
（1）支撑式液压支架
支撑式液压支架是一个在底座上放置几根立柱支撑顶梁，通过顶梁支撑顶板的简单结构基础上发展起来的，它是世界上发展最早的液压支架（如图1-1）。典型的支撑式液压支架，其顶梁较长，立柱较多，靠支撑作用维护一定的工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。架厚的挡矸帘只起着碎矸石从采空区涌入工作面的作用。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，因此适用于顶板坚硬完整，基本顶周期压力明显或强烈，底板较坚硬的煤层。但由于立柱的垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去稳定性。

(a) (b)
—垛式支架 —节式支架
图1-1支撑式支架结构形式

（2）掩护式液压支架
掩护式液压支架是利用立柱、顶梁与掩护梁来支护顶板和防止岩石落入工作面（如图1-2）。这类支架的顶梁较短，多数支架的立柱只有一排，一般仅有1～2根，多呈倾斜布置，与掩护梁连接或直接连接在顶梁上。立柱通过顶梁支撑顶板。掩护梁与冒落得岩石相接触，阻止矸石涌入工作面并承受采空区矸石的载荷。这类支架的支撑力小，但掩护性能和稳定性较好，调高范围大，对破碎顶板的适应性较强，适应于支护部稳定或中等稳定的松散破碎顶板。

图1-2 掩护式液压支架结构 图1-3 支撑掩护式液压支架结构

（3）支撑掩护式支架
支撑掩护式支架式支撑式支架和掩护式支架相结合的一种架型，以支撑为主，但同时又具有掩护作用（如图1-3）。这种支架采用了支撑式支架双排立柱支撑顶梁的结构形式，保证了支撑式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用了掩护式支架坚固的掩护梁以及侧护板将工作面与采空区完全隔离开的结构形式，保留了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处。因此，支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定或稳定，基本顶周期来压明显或强烈瓦斯涌出量较大的煤层。
1.4.3 液压支架的组成
液压支架爱一般由城在结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。（1）承载结构件：
① 顶梁
直接与顶板相接触并承受顶板载荷的支架部分叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、管理顶板功能。顶梁一般由两种结构形式：一种为整体顶梁，这种顶梁的梁体较长，结构简单，能顺利通过顶板局部冒落凹坑，但对顶板台阶的适应能力差；另一种为分段顶梁，即顶梁分为前梁和后梁两部分，前梁又可分为伸缩式活动前梁、铰接式活动前梁或兼而有之的活动前梁。由于分段顶梁铰接处的纵向间隙和销轴可以允许各段之间相互有稍许扭转，因而比整体顶梁容易满足港督要求。
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缩回，及时支护采煤机割煤后所暴露的顶板，实现立即支护。当采煤工作面出现较严重的片帮时，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能，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
阻挡采空区冒落的干湿窜入工作面并承受采空区冒落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的特征部件之一。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。当底板不平时，掩护梁还将承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱式整体结构，也有做成左、右对分结构的。
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，即可承受支架的水平分力，又可使掩护梁的铰接点在支架的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的可靠性。前后连杆一般采用箱形分体式结构，即左、右各一件。后连杆常常用钢板将两个箱形结构连接在一起。
④ 底座
直接与底板相接触，承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件叫底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。
⑤侧护板
目前生产的掩护式和支撑掩护式支架都具有较完善的侧护装置，不仅掩护梁两侧有侧护板，而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后端的两侧也有侧护板。侧护板的作用是：
a.消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；
b.作为支架移架过程中的导向板；
c.防止支架降落后倾倒；
d.调整支架的间距。
支架工作时一侧的侧护板是固定的，另一侧为活动的。制造时，通常两侧侧护板做成对称的；安装时，可按需要将一侧侧护板用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。按侧护板和掩护梁或顶梁上板面关系，侧护板有上复式、埋伏式、抽出式和拆页式等几种结构型式。
（2）执行元件：
① 立柱
支架上凡是支撑在顶梁（或掩护梁）和底座之间直接或间接承受顶板载荷、调节支护高度的液压缸称为立柱。立柱式液压支架的主要动力元件，可分为单伸缩和双伸缩两种。单伸缩立柱调高范围较小，但结构简单、成本低；双伸缩立柱则与之相反。有的立柱两端还有机械加长段。立柱两端一般采用球面结合形式与顶梁和底座铰接。
② 千斤顶
液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶，依其功能分别为前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，所以结构与立柱基本相同，只是长度和行程较短，也有人称它为短柱。平衡千斤顶是掩护式支架独有的，其两端分别与掩护梁和顶梁铰接，主要用于改善顶梁的界定接顶状况，改变顶梁的载荷分布。
当支架设置防倒防滑装置时，还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。
（3）控制元件：
液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。
① 安全阀
安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀，可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力来调整开启压力。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力，即超过安全阀的调定压力时，工作腔内的压力液可通过安全阀释放，达到卸压目的。卸载以后，工作腔内的压力低于调定压力时，安全阀自动关闭。在此过程中，可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。
② 液控单向阀
液控单向阀是液压支架的重要元件之一。它的作用是闭锁立柱或千斤顶的某一腔中的液体，使之承受外载产生的增加阻力，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力。液控单向阀往往和安全阀组合在一起，组成控制阀。
③ 操纵阀
在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作换向（分配）阀，习惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀二种类型。
（4）辅助装置：
辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。
① 推移装置
退役装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置，由连接头、框架、推移千斤顶组成。推移千斤顶一端与支架底座相连，另一端通过框架、连接头与刮板输送机相连。
② 挡矸装置
挡矸装置由悬挂在顶梁后端的挡矸帘或挡矸板构成，其作用是防止矸石从采空区涌入工作面。
③ 复位装置
复位装置是支撑式支架的特征装置。这是由于支撑式支架的顶梁、前后立柱和底座恰好形成四杆双曲柄机构，因而支架的结构是不稳定的，在侧向力的作用下，容易发生立柱倾斜现象。安设复位装置的目的就是为了使支架立柱保持在垂直于顶板的正确位置，使支架的结构稳定，具有抵抗顶板水平分力的能力。
④ 护帮装置
煤层较厚或煤质松软时，工作面煤帮（壁）容易在矿山压力下崩落，这种现象称为片帮。工作面片帮使支架顶梁前端的顶板悬露面积增大，引起架前冒顶。我国规定，煤层采高超过2.5～2.8m，支架应设护帮装置，其目的在于防止煤壁片帮或在片帮时互帮板起到遮蔽作用，避免砸伤工作人员或损坏设备。护帮装置安设在支架顶梁前端，由护帮板和护帮千斤顶组成。
⑤ 防倒防滑装置
在煤层倾角较大（一般在15°以上）时，支架需加设防倒防滑装置，以免支架降落或前移时倾倒或下滑。防滑装置一般安设在两相邻支架的底座侧面，防倒装置一般安设在两相邻支架的顶梁侧面。
1.5液压支架的工作原理

图1-4 液压支架工作原理
-顶梁 -立柱 -底座 -推移千斤顶 -安全阀 -液控单向阀 、-操纵阀 -输送机 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管

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实现完成的（如图1-4）。
（1）升柱
当需要支架上升支护顶板时。高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁接触顶板。
（2）降柱
当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。
（3）支架和输送机前移
支架和运输机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。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；当需要推运输机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，是活塞杆伸出，把运输机推向煤壁。
支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-5所示：

图1-5液压支架的工作特性曲线
-初撑阶段； -增阻阶段； -恒阻阶段；-初撑力；-工作阻力

支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段：
（1）初撑阶段
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，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段，
此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为
(1.1)
式中 --支架立柱的缸径，；
--泵站的工作压力，；
--支架立柱的数量。
由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。
（2）承载增阻阶段
支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到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。
（3）恒阻阶段
随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，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。此时支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。支撑式支架的工作组力为
(1.2)
式中 --支架安全阀的调定压力，；
支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。
对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。
支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即
(1.3)
式中 —支架的支护面积，。
1.6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。
（1）即时支护
—般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。
（2）滞后支护
一般循环方式为：割煤一推溜一移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。
（3）复合支护
—般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。
复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。

2 液压支架的总体设计
2.1液压支架设计的基本要求和基本参数
2.1.1设计目的
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。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采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。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。
由于不同采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压的要求也不用。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。
经过近30 年的发展和努力, 我国液压支架的设计、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, 还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。
2.1.2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，以便有效地控制顶板，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。推溜力一般为左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为,中厚煤层一般为,厚煤层一般为。
3. 防矸性能要好。
4. 排矸性能要好。
5. 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，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。
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，能够承受一定得不均匀载荷和冲击载荷。
10. 满足强度条件下，尽可能的减轻支架重量。
11. 要易于拆卸，结构要简单。
12. 液压元件要可靠。
2.1.3设计液压支架必需的基本参数
1.顶板条件
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，按保安规程规定，验算通风断面。
4.底板岩性及小时涌水量
根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。
5.工作面煤壁条件
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，决定是否选用防倒防滑装置。
7.井筒罐笼尺寸
根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。
8.配套尺寸
据配套尺寸及支护方式来计算定量长度。
已知设计条件：
1.支架参数
支撑高度 1.5/3.2 (m)
工作阻力 3000（KN）
2.顶板类型
（1） 直接顶类别 II级 属于中等稳定顶板。
（2） 基本顶级别 Ⅰ级 老顶周期来压不明显。
2.2液压支架的选型
正确选择液压支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素。在具体选择架型时，首先要考虑煤层的顶板条件。表2-1是根据国内外液压支架的使用经验，提出了各种顶板条件下适用的架型，它是选择支架的主要依据。
表2-1
老顶级别
I
II
III
IV
直接顶级别
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4

支架类型

掩护式

掩护式

支
撑
式

掩护式

掩护式或支撑掩护式

掩
护
式

支撑掩护式

支撑掩护式

支撑或支撑掩护式

支撑或支撑掩护式

支撑式
采高
小于
2.5m时

支撑
掩护式

采高
大于
2.5m时

支架支护强度

采

高
1

2

3

4
0.294

0.343
（0.245）

0.441（0.343）

0.539（0.441）
1.30.294

1.30.34
3（0.245）

1.30.441（0.343）

1.30.539（0.441）
1.60.294

1.60.343

1.60.441

1.60.539
〉20.294
〉20.343

〉20.441

〉20.539

应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区
注：①括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，可根据本矿情况允许有5%的波动范围。
②表中1.3、1.6、2分别为II、III、IV级老顶的分级增压系数；IV级老顶只给出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。

⑴ 选型原则 ：支架选型应使支架支护强度与采面矿压相适应，支架结构与煤层赋存条件相适应，支护断面与通风相适应，液压支架与采煤机、输送机等设备相匹配。
⑵ 选型主要依据：所选采面的煤层状况，顶底板及采区的地质条件，以及各不同的支架类型所具有的不同的性能和特点。
⑶ 影响架型选择的因素
a.顶板
直接顶的类别与老顶的级别对支架选型起主导作用。在回采工作面顶板分类方案中给出了不同顶板条件下液压支架架型选择的建议，一般，顶板愈不稳定，应选择支撑合力愈靠近煤壁、顶板愈短、顶梁前端支撑力较高的支架型式。例如支撑掩护式或支撑式掩护支架等，一般采用即时支护方式。必要时应设置铰接或可伸缩的前探梁等装置，以保证较小的梁端距；架间有较完善的挡矸密封装置。
相反，顶板愈稳定，一般老顶来压也明显，则应选择顶梁后端支撑力较高的架型。例如支撑掩护式或支撑式支架。必要时，可采用滞后支护方式和比较简单的架间密封。对坚硬难冒顶板则应使掩护梁尽可能陡立，支架应有抗冲击措施。
b.底板
⑴ 底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支撑面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压（对于砂岩底板，允许比压为1.96～2.16MPa，软底板为0.98 MPa左右）。如果尖端比压大于容许比压，则需要改变支架结构参数或另选架型
⑵ 对于松软底板：
① 在配套设备许可情况下，采用插腿式掩护支架。
② 一般不宜采用分体底座、靴式底座等。只有在采用底座抬起装置和措施时，才可以考虑用分体底座。
c.煤层厚度
① 厚度超过2.5ｍ，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。
② 厚度达到2.5m至2.8m以上时，需要选择带有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。
③ 煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。
④ 假顶分层开采，应选用掩护式支架。
d.煤层倾角
① 倾角在10度至15度（支撑式支架取下限，掩护式支架和支撑掩护式支架取上限）以上时选用带有防滑装置的支架。
② 倾角在18度以上时，应选用同时带防滑防倒装置的支架。
e.瓦斯含量
对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风断面较大的
支撑式或支撑掩护式支架。
f.地质构造
断层十分发育，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在5—8平方米和20分钟以下时，暂时不宜使用综采。
g.设计成本
在同时允许选用几种架型时应优先选用价格便宜的支架。支撑式支架最便宜，其次是掩护式，最贵的是支撑掩护式支架。
液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学性能能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。具体选择可根据原煤炭部（81）煤科字第429号文件关于试用《缓倾斜煤层工作面顶板分类》和已知条件来选取架型。
按表2-1根据老顶级别和直接顶类别来确定支架架型，再根据老顶级别和采高确定支护强度。
根据以上各参考条件以及已知的设计条件（顶底板地质条件）结合表2-1，选择ZY型掩护式支架，其支护强度为0.548-0.575MPa。
2.3液压支架基本参数的确定
2.3.1支架高度与伸缩比
支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化因素来确定，其最大与最小高度为：
H ≥ M +
H ≤ M -
式中：H—— 支架最大高度
H—— 支架最小高度
h—— 煤层最大厚度（最大采高）
h—— 煤层最小厚度（最小采高）
—— 考虑伪顶，煤皮冒落后仍有可靠处撑力所需要的高度，一般取200-300mm。
—— 顶板最大下沉量，一般取300-400mm。
支架的伸缩比是最大与最小高度之比值即：
K = H / H = 3.2/1.5= 2.13
由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式支架为2.5；掩护式支架可达3。一般范围是1.5至2.5，煤层较薄时选大值。但考虑尽量减轻支架的重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。
2.3.2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1.5m.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搬家的要求，中心距可采用1.25m。因此设计中预取1.5m。
支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170-200mm。当支架中心距为1.5m时，最小宽度一般取14001430mm,最大宽度一般取1570-1600mm。当支架中心距为1.75m时，最小宽度一般取1650-1680mm，最大宽度一般取1850-1880mm。当支架中心距为1.25