礦用自動化液壓支架與立柱的設計與計算分析

王 偉

（武漢船舶職業技術學院機械工程學院，湖北武漢 430050）

0 引言

液壓支架是采煤過程中非常重要的支護設備，為了使其更好地運作，需要對其關鍵部件進行設計，來提升其性能，使礦井的生產效率更高效。由于國內缺乏對液壓理論的相應支撐，因此下面將詳盡探討與之相關的研究和理論知識。

1 液壓支架簡介

液壓支架廣泛應用于采煤綜合化的機械生產，做好相應的安全保護工作，不僅能保證相關設備安全移動，同時也能提升生產效率，擴大工作面頂板和地下作業的空間。在采煤過程中，它和采煤機組成一個有機的系統，主要是在采煤機通過支架之后將其回收，在采煤機移動到另一個地方時將支架進行移動，對頂板進行相應的支撐，用支架對頂板進行推動，這樣就可以保證有著更大的空間去運作：可以使采煤效率得到進一步提升，提升企業工作效率，有利于加快采煤機的運行速度，使煤礦企業的效益更好。

2 礦用液壓支架系統常見故障分類

2.1 噪聲故障

系統中主要的噪聲源頭是液壓泵，液壓泵如果出現生產過程中的振動和波動有可能會使得設備出現了吸空的情況，就會使得過濾器出現堵塞而造成較大的噪聲。壓力閥和彈簧的工作條件較差也可能會產生巨大的噪聲，這樣就可能會引起壓力的變化，空氣在進入到液壓缸之后就可能會影響系統的整體功能。假設液壓系統的一端是容器，另一端是閥門就可能會產生一定的壓力，造成一定的波動和沖擊，瞬時作業的壓力比較高就可能造成元件工作異常而產生更大的問題。

2.2 壓力故障

（1）油箱油位過低，系統壓力處于正常的狀態，進行設備操作各項元件沒有動作或動作緩慢。

（2）溢流閥旁的通閥結構損壞，減壓閥設定參數值比較低，導致系統壓力供應明顯不足。

（3）油液黏度比較高，閥的壓力明顯不足，閥內的阻尼孔存在堵塞的問題。

2.3 立柱故障

（1）脹缸的發生主要是因為頂板瞬間增大壓力，安全閥流量比較低，立柱并不能實現快速泄壓，進而出現漲缸的問題，會造成密封結構損壞。

（2）立柱的中、外缸是頂板超載運行后導致安全閥失效，無法完成卸載。

（3）安全閥失效是因為閥芯生銹或者存在雜質卡死，導致動作無法進行[1]。

3 液壓支架與立柱的優化分析

3.1 大采高支架側護板液壓系統的優化設計

支架活動車的護板能夠有效支撐其寬度，對支架狀態進行調節，一般通過側推裝置的設計就可以綜合彈簧和液壓系統對與其進行頂梁機構的平衡，但是由于采礦的高度在不斷提升，有工作層面的傾角加大，有可能造成側護板沒法維持支架的工作，需要依靠千斤頂對其進行更多的支撐，所以采用彈簧和液壓系統的技術和方式可以有效進行調整，通過液壓系統設計有利于實現支架動作的協調性，提升工作效率和安全性，降低千斤頂、使得其更加安全?，F代科技使自動液壓控制系統得到了較快發展，全新的監控系統與組態被應用到各個領域，因此選擇使用先進的算法與精確的傳感器實現系統控制是非常有必要的，可以提高控制精度。在系統設計中，選擇先進技術實現系統的精密性控制，能夠以原有的控制方式為基礎更好地展現其作用，提高生產效率。較高性能的控制系統可以減小工作人員勞動強度，提升工作效率，避免誤操作的情況，也能達到系統穩定運行的要求[2]。

3.2 液壓支架立柱背壓優化

液壓系統形成的背壓通常不會超出4 MPa，否則就會導致系統誤操作。在支架試驗過程中，支架推移千斤頂不連接推移桿或者溜槽的情況下，動作立柱或千斤頂的過程中推移千斤頂活動會直接將活塞桿頂出。如果系統中沒有設置液壓鎖的形式，背壓時也會導致中下低調裝置自動伸出，造成支架移動不正常。盡量降低背壓的影響，低壓系統一般要求不能超過4 MPa，否則就有可能引起較為嚴重的誤操作等情況。進行支架實驗時，如果支架推移千斤頂沒有進行連接，進行連接推桿時就可能會造成自動的伸出情況，使得移架受到一定的影響[3]。

一旦出現較為嚴重的誤動作，就有可能影響支護的效果。在井下工作時，如果移架動作影響到立柱，那么就有可能增大千斤頂阻力，影響頂梁和頂板的支撐性。解決方案為：減少回液管長度，降低回液阻力，再從回路斷路設計上選用回液斷路閥，不采用平面截止閥，這樣就能減少誤操作動作、降低千斤頂損壞問題的發生概率。如果采用平面截止閥，還有可能會導致開關不徹底或回液不暢造成嚴重的問題。

3.3 立柱優化計算分析

液壓支架的主要液壓元件主要有立柱、千斤頂和液壓閥，可以對于系統進行有效控制，管控系統的壓力和運動方向。壓縮流體在液壓閥管道中的流動會影響到其整體運作特點，因此其結構參數是較為重要的，需要對其進行優化設計的液壓系統當中。液壓閥是最為重要的元件，國內的傳統設計方法對于研發參數設計和性能分析并不合理，因此需要采用較為先進的方式對其優化，讓其更加可靠地運作，同時還需要設計電子閥門，使得其能滿足高性能的要求[4]。

支柱規格的選擇，主要依據支柱在開采煤層使用時需要達到的最大高度和最小高度。

3.3.1 支柱的最大高度Hmax

支柱的最大高度Hmax計算公式如下：

式中 Mmax——工作面最大采高，m（該礦煤層在最高2.0 m）

b——頂梁厚度，m

l——為了避免支柱在完全抽出狀態下工作，預留的活柱富余行程，一般為100 mm

如果在直接頂與煤層中存在有0.1～0.2 m 的隨采隨落的偽頂，支柱最大高度還應考慮偽頂厚度c，即Hmax=Mmax+c-b+l=2.2 m。

3.3.2 支柱的最小高度Hmin

滿足放頂前支柱高度的需要，為了使液壓支柱回收正常，避免出現壓死的情況，根據普通采煤管的設計要求，則應留有100 mm 伸縮余量：

Hmin=Mmin-s-b-a

式中 Mmin——工作面最小高采，m

s——頂板在最大控頂距處平均最大下沉量，m

a——支柱卸載高度（一般≥0.1），m

立柱是液壓支架非常重要的一個元件，其工作過程是控制供液方向：液壓單向閥從這個方向進行液體的輸入，乳化液要將立柱進行頂起，下個階段的工作和這個階段差不多，但受力略有不同。這個階段通過反向輸入的方式讓其進入到活塞、對其進行控制，重點要考慮單向閥的作用，分析各個作用的影響[5]。

4 總結

對于液壓支架進行分析是非常重要的，它是煤礦在綜采過程當中非常重要的設備，因此需要通過仿真設計對其進行參數的優化，使得整個支架的工作特性得到保持、更加高效地進行生產。