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[摘 要]针对ZF7000/20/40液压支架在中国神华神东煤炭集团某矿综采工作面的应用过程中，当采高加大时，往往出现工作面矿压明显加大、片帮和冒顶倾向加剧的问题，结合该矿自身地质条件，采用计算机手段对液压支架进行方案优化，使优化后的支架受力合理，产量提高，效果显著。
[关键词]液压支架；设计；四连杆；参数
中图分类号：TD355.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0220-01
ZF7000/20/40支架是针对厚煤层一次采全高设计的一种大采高支架，调高范围大，采高适应性强。但支架在中国神华神东煤炭集团某矿综采工作面的应用过程中，当采高加大时，往往出现工作面矿压明显加大、片帮和冒顶倾向加剧的现象，基于此，在借鉴国内矿区放顶煤液压支架和大采高支架的成功经验的基础上，根据该矿地质条件，先运用计算辅助手段对四连杆进行参数优化，受力分析，在保证可靠性条件下减轻支架重量，合理选择板材，对液压支架进行方案优化、 参数设计、支架稳定性设计和可靠性设计，以达到最佳的运动参数和力学参数，使支架结构受力合理，而后将支架在某煤矿综采工作面进行试用，满足单面年产500万吨以上设计总体目标，取得较好的应用效果。
2 支架的主要结构特点
ZF7000/20/40支架为四柱支撑掩护式，支架高度为2000mm—40000mm，支架采用2根φ250的双伸缩前立柱和2根φ230的双伸缩后立柱，对采高的适应性比较强，刚性分体底座有利于在生产过程中排矸和清理浮煤，顶梁采用分式铰接结构，铰接前梁前端设有挑梁，采用整体式双前连杆、单后连杆型式，大大提高了支架的抗扭能力和横向稳定性，具体参数如表1所示。
表1 ZF7000/20/40型支架主要技术参数
3 支架液压控制系统设计
支架液压控制系统的设计取决于煤层地质条件、支架型式、设备配套情况等因素。根据本架型特点及该矿的地质条件确定采用本架手动操作400L/min大流量快速移架系统，且为双供双回液管路。
一、液压系统高压胶管配置
主进液及回液管路分别为φ31.5D高压胶管和φ51D规格回液胶管；立柱下腔Φ16接口，上腔Φ13接口；推移千斤顶上腔为Φ16接口，下腔为Φ13接口，其它均为Φ10接口。
二、支架液压系统
支架液压系统采用GLQ-A19-HD过滤器、FDH320/20-19/B50回液三通断路阀、NYJF19/31.5D高压先导截止阀、NZJF13/25-FJZ200/31.5平面截止阀等元件构成主干路控制系统，可以方便维修某架支架而不影响其它支架的正常工作，能有效防止其它支架的回液引起该架的误动。在双伸缩立柱上采用旁路回液控制系统，由 FDY280/40液控单向阀组和FDJ200/31.5-16/19快速回液阀构成，以使降架更迅速灵敏；推移千斤顶采用FDY200/42单向锁控制，前梁千斤顶用YDF42/200液控单向阀；尾梁插板采用JDF4C交替单向阀和FDS125/40双向锁组成联动控制系统，使放煤动作准确可靠；为有效防止片帮和及时超前支护，在挑梁千斤顶上采用双向锁FDS125/40进行控制；在抬底千斤顶上用FDD80/40单向锁，使支架在较软底板工作时能有效支撑；支架主换向阀组采用400L/min和200L/min大流量组合，由9片规格为FHS400/31.5Z（3）+FHS200/31.5Z（5）+1的阀组成， 副换向阀组采用200L/min流量，由3片阀组成，规格为FHS200/31.5Z（2）+1组成。
安全阀是液压支架重要元件之一，用来控制液压支架实际工作阻力并使其不超过允许值，安全阀启、溢、闭压力最小值是由最大可能发挥各承载元件对顶板的支护能力决定的。在设计中，考虑ZF7000支架是大采高支架，为防止片帮而提高顶梁前端支护阻力，决定选用大流量安全阀，立柱采用320L/min和200L/min双安全阀，规格为FAD320/42 P=38.64MPa和FAD200/42 P=38.64MPa，前梁千斤顶采用160L/min安全阀，规格为FAD160/42 P=40MPa，其它千斤顶采用规格为FAZ32/31.5 P=36MPa的安全阀。
在综采放顶煤工作面，支架放煤时煤尘很大，软煤软顶板工作面，移架时煤尘也很大，设计是除了在液压支架前梁安装高压喷嘴，射流向工作面下风侧及煤壁倾斜，辅助采煤机喷雾外，还在支架后连杆安装高压喷雾装置，放煤期间向煤口喷雾，通过采用FDW160/31.5喷雾阀将喷水与放煤插板联动，喷水与降架移架联动，减少了繁琐操作。
4 支架运动分析、受力分析及四连杆优化设计
四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性，承受和传递外载，保持支架的整体刚度。因此，在设计ZF7000支架时，当支架最大最小高度等参数确定后，运用在MATLAB环境下的液压支架结构参数设计程序对支架四连杆机构进行了优化设计。
从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。顶梁向煤壁方向移动对于保持梁端顶板处于挤压状态有利，而顶梁向采空区方向移动容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。经四连杆机构设计作图，ZF7000支架的梁端摆动幅度为53mm，符合支架设计梁端摆动幅度范围要求，首先保证了支架四连杆机构的设计合理，从而保证了支架的纵向稳定性和横向稳定性。
通过液压支架结构参数程序的运算，可输出支架支护强度曲线图，如图1所示，由图1可知，ZF7000型支架在工作高度范围内支护强度的最小值和最大值为：0.88～0.92（当磨擦系数f=0.2时）；底座对底板比压是指底对底板接触面积的载荷强度，分析由程序输出的底座对底板前端比压及平均比压数据可知，底座前端对底板比压为1.76，平均对底板比压为1.84；这两项技术指标均符合该矿的地质要求。
图1 支架支护强度曲线
根据支架结构参数程序的运算，确定ZF7000支架掩护梁上铰点到顶梁顶顶面之距离L13=255mm，符合重型支架的取值范围；后连杆下铰点至底座底面之距离L1=905mm，符合大采高支架取值范围。
掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四连杆机构，这对保持支架-围岩力学状态的稳定有着显著的作用。根据传统设计经验和程序计算，确定支架最大高度时掩护梁与水平夹角αmax=52°。
5 应用效果
该煤矿某综放工作面煤厚8.61～9.32m，平均9.06m，工作面倾斜长度240m，配套支架139组，其中过渡支架7组，中间支架132组。改造后的支架从2012年11月至今在该煤矿综放工作面进行工业性试验， 对支架的整体稳定性进行检验，在生产过程中经历了该工作面老顶初次来压、多次周期来压及过5条断层，在工作面来压期间及破碎去，煤壁片帮不明显，支架工作正常，日产达到1.5万吨左右，效果较为显著。
[关键词]液压支架；设计；四连杆；参数
中图分类号：TD355.42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0220-01
ZF7000/20/40支架是针对厚煤层一次采全高设计的一种大采高支架，调高范围大，采高适应性强。但支架在中国神华神东煤炭集团某矿综采工作面的应用过程中，当采高加大时，往往出现工作面矿压明显加大、片帮和冒顶倾向加剧的现象，基于此，在借鉴国内矿区放顶煤液压支架和大采高支架的成功经验的基础上，根据该矿地质条件，先运用计算辅助手段对四连杆进行参数优化，受力分析，在保证可靠性条件下减轻支架重量，合理选择板材，对液压支架进行方案优化、 参数设计、支架稳定性设计和可靠性设计，以达到最佳的运动参数和力学参数，使支架结构受力合理，而后将支架在某煤矿综采工作面进行试用，满足单面年产500万吨以上设计总体目标，取得较好的应用效果。
2 支架的主要结构特点
ZF7000/20/40支架为四柱支撑掩护式，支架高度为2000mm—40000mm，支架采用2根φ250的双伸缩前立柱和2根φ230的双伸缩后立柱，对采高的适应性比较强，刚性分体底座有利于在生产过程中排矸和清理浮煤，顶梁采用分式铰接结构，铰接前梁前端设有挑梁，采用整体式双前连杆、单后连杆型式，大大提高了支架的抗扭能力和横向稳定性，具体参数如表1所示。
表1 ZF7000/20/40型支架主要技术参数
3 支架液压控制系统设计
支架液压控制系统的设计取决于煤层地质条件、支架型式、设备配套情况等因素。根据本架型特点及该矿的地质条件确定采用本架手动操作400L/min大流量快速移架系统，且为双供双回液管路。
一、液压系统高压胶管配置
主进液及回液管路分别为φ31.5D高压胶管和φ51D规格回液胶管；立柱下腔Φ16接口，上腔Φ13接口；推移千斤顶上腔为Φ16接口，下腔为Φ13接口，其它均为Φ10接口。
二、支架液压系统
支架液压系统采用GLQ-A19-HD过滤器、FDH320/20-19/B50回液三通断路阀、NYJF19/31.5D高压先导截止阀、NZJF13/25-FJZ200/31.5平面截止阀等元件构成主干路控制系统，可以方便维修某架支架而不影响其它支架的正常工作，能有效防止其它支架的回液引起该架的误动。在双伸缩立柱上采用旁路回液控制系统，由 FDY280/40液控单向阀组和FDJ200/31.5-16/19快速回液阀构成，以使降架更迅速灵敏；推移千斤顶采用FDY200/42单向锁控制，前梁千斤顶用YDF42/200液控单向阀；尾梁插板采用JDF4C交替单向阀和FDS125/40双向锁组成联动控制系统，使放煤动作准确可靠；为有效防止片帮和及时超前支护，在挑梁千斤顶上采用双向锁FDS125/40进行控制；在抬底千斤顶上用FDD80/40单向锁，使支架在较软底板工作时能有效支撑；支架主换向阀组采用400L/min和200L/min大流量组合，由9片规格为FHS400/31.5Z（3）+FHS200/31.5Z（5）+1的阀组成， 副换向阀组采用200L/min流量，由3片阀组成，规格为FHS200/31.5Z（2）+1组成。
安全阀是液压支架重要元件之一，用来控制液压支架实际工作阻力并使其不超过允许值，安全阀启、溢、闭压力最小值是由最大可能发挥各承载元件对顶板的支护能力决定的。在设计中，考虑ZF7000支架是大采高支架，为防止片帮而提高顶梁前端支护阻力，决定选用大流量安全阀，立柱采用320L/min和200L/min双安全阀，规格为FAD320/42 P=38.64MPa和FAD200/42 P=38.64MPa，前梁千斤顶采用160L/min安全阀，规格为FAD160/42 P=40MPa，其它千斤顶采用规格为FAZ32/31.5 P=36MPa的安全阀。
在综采放顶煤工作面，支架放煤时煤尘很大，软煤软顶板工作面，移架时煤尘也很大，设计是除了在液压支架前梁安装高压喷嘴，射流向工作面下风侧及煤壁倾斜，辅助采煤机喷雾外，还在支架后连杆安装高压喷雾装置，放煤期间向煤口喷雾，通过采用FDW160/31.5喷雾阀将喷水与放煤插板联动，喷水与降架移架联动，减少了繁琐操作。
4 支架运动分析、受力分析及四连杆优化设计
四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性，承受和传递外载，保持支架的整体刚度。因此，在设计ZF7000支架时，当支架最大最小高度等参数确定后，运用在MATLAB环境下的液压支架结构参数设计程序对支架四连杆机构进行了优化设计。
从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。顶梁向煤壁方向移动对于保持梁端顶板处于挤压状态有利，而顶梁向采空区方向移动容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。经四连杆机构设计作图，ZF7000支架的梁端摆动幅度为53mm，符合支架设计梁端摆动幅度范围要求，首先保证了支架四连杆机构的设计合理，从而保证了支架的纵向稳定性和横向稳定性。
通过液压支架结构参数程序的运算，可输出支架支护强度曲线图，如图1所示，由图1可知，ZF7000型支架在工作高度范围内支护强度的最小值和最大值为：0.88～0.92（当磨擦系数f=0.2时）；底座对底板比压是指底对底板接触面积的载荷强度，分析由程序输出的底座对底板前端比压及平均比压数据可知，底座前端对底板比压为1.76，平均对底板比压为1.84；这两项技术指标均符合该矿的地质要求。
图1 支架支护强度曲线
根据支架结构参数程序的运算，确定ZF7000支架掩护梁上铰点到顶梁顶顶面之距离L13=255mm，符合重型支架的取值范围；后连杆下铰点至底座底面之距离L1=905mm，符合大采高支架取值范围。
掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四连杆机构，这对保持支架-围岩力学状态的稳定有着显著的作用。根据传统设计经验和程序计算，确定支架最大高度时掩护梁与水平夹角αmax=52°。
5 应用效果
该煤矿某综放工作面煤厚8.61～9.32m，平均9.06m，工作面倾斜长度240m，配套支架139组，其中过渡支架7组，中间支架132组。改造后的支架从2012年11月至今在该煤矿综放工作面进行工业性试验， 对支架的整体稳定性进行检验，在生产过程中经历了该工作面老顶初次来压、多次周期来压及过5条断层，在工作面来压期间及破碎去，煤壁片帮不明显，支架工作正常，日产达到1.5万吨左右，效果较为显著。