支架液压系统的优化设计
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作者: 张万军 孙承武
摘要:分析了我国支架液压系统的现状,液压系统存在的问题和原因,以及大采高、高强力“高产高效”支架对液压系统的要求,阐述了国内、外支架液压系统的差距,提出了优化支架液压系统的方法和措施。
0 前言
目前我国大部分支架的液压系统状况是:操作方式多为手动控制,液压元件寿命低,可靠性低、稳定性差、效率低,维护成本比较高,阀的流量小,特别是换向阀、立柱用单向阀、平衡千斤顶用安全阀流量较小,高压管路通径小,乳化液质量要求低,和国际上的先进水平差距较大,在一定程度上制约了我国采煤事业的发展，所以支架的液压系统需要完善、优化，向国际上先进的设计水平靠拢，以满足我国不断向前发展的采煤事业。
CAD软件可以利用预先建立的数据库，根据设计者的要求，迅速准确地画出原理图及零部件图；设计者也可以将以工作有关的各种信息，输入数据库，供随时检索使用；将设计对象的各种可能工况输入计算机，利用CAD进行有限元分析，预测整个系统及各个零部件的可靠性和压力范围；也可以利用动态仿真，预测元件和系统的动态特性，筛选出最优的设计方案，使整个系统的设计满足使用要求。
1 具体的设计要求
（1）采用集成化的设计方法，尽量采用板式、叠加式和块式集成设计，减少管路接头。减短管路可以有效的减小压力损失，减少管接头，不仅可以减小压力损失，还可以减少失效的环节，使整个系统的反应更灵敏，效率更高，液压系统的可靠性自然提高；同时，支架的管路布置会更简洁、美观、整齐。
（2）支架的运动速度对“高产高效”工作面起着至关重要的作用，尤其是支架的移架时间，不应该大于采煤机经过支架所用的时间，在缸径一定的情况下，整个系统流量的大小，就决定了支架运动的速度，所以在设计液压系统时，系统的流量应尽量大。适应“高产高效”工作面，大采高，高强力支架液压系统的管路，由下列通经的管路组成：工作面采用双供、双回环形供液系统，一路在架间，另一路在电缆槽内。在工作面上，每隔15架增加1路供回液支管，管径与架间管相同。
（3）当工作对象的负载确定后，整个系统的工作压力（供液压力）的选定决定了液压系统的经济性和合理性，若工作压力低，则执行的元件的尺寸就大，完成给定速度所需的流量也大；若工作压力过高，则密封性能要求就高，元件的压力等级就高，相应的设备成本就高。一般支架的工作压力为20~32MPa。
各元件都有一个适应的压力和流量范围，超出了使用范围，会影响元件正常性能的发挥，所以在设计液压系统时，要考虑各个元件的使用范围相匹配，不能有某个元件出现压力或流量的瓶颈，这样会影响整个系统的使用性能。
在电液控制的支架液压系统中，不稳定的或达不到压力标准的工作面液压系统，特别是当液压系统压力下降道18Mpa或更小时，会给电液控制系统带来发生故障的危险，液压阀可能不工作，甚至使液压阀产生振动，导致损坏。因此要采取一切措施确保工作面液压系统任何部位的系统压力都在允许使用的范围内。
（4）随着支架采高不断加大，大采高支架相应要求工作阻力液比较大，如支架高度达6.3m，工作阻力达1080t；采用两柱掩护式支架式，立柱缸径达∮400mm；在支架的使用过程中，顶板一旦来压，立柱需要快速泄液，保证支架的安全。这就要求安全阀流量要大，能快速泄液。
在冲击地压明显的矿区，为保证支架的安全使用，立柱及平衡千金顶应该配备大流量的快速释放安全阀，冲击载荷的来去非常快，往往在一个毫秒之间，所以要求安全阀流量大，反应速度快。
（5）操作液压支架时，有时会引起相邻液压缸的误动作，由于操作阀本身的特点，操纵手柄阀打到中位时所有立柱、千斤顶上、下腔互通，操作某一片阀，使某一油缸一腔进入高压乳化液，被操作油缸另一腔的回液不能控制其只通回液管，右可能回流道其它油缸的活塞腔和活塞杆腔，由于两腔受力面积不同，受力不同，这就使活塞杆伸出，造成油缸的误动作，当支架在地面空载动作时，这种现象表现尤为突出，随着回液管路的加长，回液阻力越大，这种现象表现更加明显，支架在井下工作时，若移架动作的回液引起已降柱的立柱升柱，使支架顶架再次接顶，同时使收回的侧推千斤顶伸出，相邻架侧防护板再次靠紧，不仅增大了移架阻力而且对顶板的维护不利。解决这一问题最直接的方法是尽量减短回液道邻架去，引起邻架误动作，所以，在支架的主回液管路上，选用回液断路阀，而不影响本架的顺利回液，平面截止阀若有误关或开的不彻底，没有完全打开，可以使支架回液不畅或回不了液，支架内液体压力增高，不但可以引起支架误动作，严重的导致立柱或千斤顶损坏。
（6）液压系统离不开液压介质――乳化液，浮华液质量的好坏，直接影响到液压系统的设计精度和使用效果，直接影响到液压系统的设计精度和使用效果，特别是高端产品的电液系统对浮华液的质量要求更高。电液控支架由于其使用原理是通过电子控制系统来控制液压系统，关键部件―先导阀的保护至关重要，对液压介质的洁净性、稳定性都提出了很高的要求。
首先，浮华液稳定性要高，析油、析皂要少，否则析出的油和皂容易堵塞滤网、过滤器及比较精密的阀芯，造成支架动作失常，系统爆管，需要经常维修和更换液压元件，影响正常生产。
同时浮华液应具有良好防锈功能和防腐蚀功能，满足支架所有液压件对防锈蚀的要求。这样可以延长支架使用寿命，减少支架大修次数，增加效益。
浮华液具有良好的润滑作用，有利于整个液压系统的正常运行，使支架动作灵活、准确、提高生产效率及安全系数。
浮华液还具有良好的抗泡沫特性及抗菌抗霉特性，对周围环境污染小。
液压系统的浮华液也要避免被污染，浮华液中的机械杂质会堵塞液压元件通路，引起系统故障。
（7）优化设计支架液压系统，关系到很多方面的问题，密封的材质、制造工艺及性能，阀的材质、制造工艺及性能，是设计液压系统的基础，直接影响支架液压系统的使用效果；在这些方面，国内的水平和国际的先进水平比还有一定的差距，国外密封材质在抗腐蚀、抗污染、振动载荷、抗侧向载荷等方面优于国内的密封材质，国外制造密封圈大多采用机械精加工，密封圈尺寸容易保证，所以密封圈的性能容易保证，寿命和可靠性大大提高。国内高端支架产品大多采用进口密封。国内密封材料硬度低、强度低，耐磨性差，寿命低，可靠性低，直接影响了液压执行元件的性能。
国外的阀所有零件材质都为不锈钢材料，国内为普通材料，需要通过电镀等措施来防锈、防腐蚀。由于电镀工艺的问题，镀层的质量不易保证，造成阀的零件尺寸偏差太大，并且镀层容易脱落，造成零件报废，阀的稳定性和可靠性降低。
（8）液压系统的设计必须考虑人性化的设计理念，也就是“人――机设计”，设计处的系统必须操作起来方便、省力、不容易发生差错，整个环境的布置要符合人的要求，这样其可靠性就会提高，各元件安装位置合理、稳定，胶管长度适当，安装牢固，避免振动。系统中还要有适当的监控仪表，系统或支架有隐患或故障时，能及时提供信息，并且可随时了解支架的运行情况。
优化设计支架的液压系统，还应考虑经济效益，进口液压元件价格昂贵，造成投入成本高。所以，国产液压元件替代进口产品，是我们推广可靠性液压元件的必经之路，密封件新材料的研究开发尤其重要，现在“高产高效”工作面密封件大多从国外进口，价格是国产件的10倍以上，很难大面积推广，制约了煤炭行业的发展。提高国产液压元件的加工精度，推广不锈钢材质，从而提高液压元件的可靠性、稳定性，可促进高端产品液压元件国产化。
2 结束语
随着采煤事业的发展，液压支架的设计制造水平有了很大的提高，高产高效的采煤工艺正逐步推广，液压支架不仅要“站的稳、撑得住、走得动”，还要求支架“跑得快、可靠性高，操作方便”，这样才能达到使用要求，因此有必要对支架的液压系统进行优化设计，对支架的液压系统提出更高、更严的要求。
作者简介：
张万军,1990年7月毕业于鸡西矿务局工学院采矿工程系，同年被分配到鹤岗市南山区煤矿任工程师，2002年调入东山区煤监局任主任工程师。
孙承武,1990年7月毕业于鸡西矿务局工学院采矿工程系，同年被分配到鹤岗市南山区煤矿任工程师，现任东山区煤监局工程师。
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