毕业设计（论文）-中厚煤层支撑掩护式液压支架结构设计

I摘要采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略举措。综合机械化采煤不仅生产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善工作环境，是煤炭工业技术的发展方向。我国宗采技术日趋成熟，不但生产水平，而且技术工艺水平已进入世界先进行列。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。关键词液压支架支护强度工作阻力全套图纸加V信153893706或扣3346389411

AbstractTheminingcoalsynthesismechanization,isaceleratesourcountrycoalin-dustrydevelopment,largescaleenhancesthelaborproductivity,arealizationcoalindustrymodernizationstrategicaction.Synthesismechanizationminingcoalnotonlyproductivitybig,efficiencyhigh,thecostislow,moreovercanreducetheun-wieldyphysicallabor,theimprovementworkingconditions,isthecoalindustrytechnologydevelopmentdirection.Ourcountryancestorspickthetechnologytobedaybydaymature,notonlyproductionlevel,moreoverthetechnologytechnol-ogicallevelenteredtheworldadvancedranks.Thehydraulicpressuresupportistakethehighpressuredliquidasapower,bycertainhydraulicpressureparts(cy-linderandpipeaccessory)withonekindofstrutandthecontrolroofminingcoalworkingsurfaceequipmentwhichsomemetalstructuralelementcombinationsbu-tbecomes,canrealizethestrut,descendmovesandpassesonewholesetwork-ingprocedureandsoontransportaircraft.Keywords:ThehydraulicpressuresupportSupportsandProtectstheintensityTheworkingresistance

目录摘要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 液压支架概况 11.2 液压支架类型 11.2.1 支撑式液压支架 11.2.2 掩护式液压支架 21.2.3 支撑掩护式液压支架 2第2章 支撑掩护式液压支架的设计 32.1 架型和基本工作参数的确定 32.1.1 架型选择 32.1.2 支护强度和工作阻力 32.1.3 初撑力 42.1.4 伸缩比系数 42.1.5 梁端距与梁端支撑力 42.1.6 移架力和推溜力 52.2 主要结构件的设计 52.2.1 顶梁 52.2.2 支架连杆机构的分析和绘制 72.2.3 立柱的设计及校核计算 9第3章 支架的基本回路和液压系统 153.1 推移装置的设计 153.1.1 推移方式 153.1.2 按支架移动顺序区分的支架移步方式 153.1.3 推移装置 163.2 液压基本控制回路的设计 173.2.1 主回路 173.2.2 基本控制回路 17第4章 支架主要部件受力计算及校核 204.1 支架架型及主要尺寸 204.2 支架的工作阻力 214.3 前后连杆受力 214.4 前梁强度计算 224.4.1 前梁受力情况 224.4.2 前梁强度计算 234.5 主顶梁强度计算 244.5.1 主顶梁受力情况 244.5.2 主顶梁强度计算 254.6 掩护梁强度计算 264.6.1 掩护梁受力情况 264.6.2 掩护梁强度计算 274.7 底座强度计算 284.7.1 底座受力情况 284.7.2 强度计算 30第5章 支撑掩护式液压支架的经济分析 33结论 34参考文献 35专题部分 361.1大批量定制生产的实施思路 381.2大批量定制生产的实施路径 381.3大批量定制生产中的先进技术 401.4大批量定制生产的先进管理 411.5案例分析——汽车行业中的大批量定制生产 411.6机械制造业中的大批量定制生产展望 43附录 46致谢 63 PAGE63绪论液压支架概况随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭的需要量日益增加，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。综合机械化采煤，就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都实现机械化。也就是说，采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤和装煤；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；自移式液压支架和管理模板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备。液压支架类型1954年英国煤矿装备了世界上第一个液压支架工作面，以后世界上各主要产煤国家根据各自的具体条件不断研制和发展液压支架。按照液压支架与围岩相互作用的关系，目前使用的液压支架可分为三大类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式三类液压支架。支撑式液压支架支撑式液压支架是在一个底座上放置几根立柱支撑顶梁，并通过顶梁支撑顶板这样简单结构基础上发展起来的。按它的结构和动作方式，又可分为垛式支架和节式支架两种类型。垛式液压支架的结构是由四根立柱支撑在底座和刚性主顶梁之间，好似一堆木垛，故叫做垛式支架。显然，立柱的支撑力通过顶梁完全作用于顶板，架后的当矸帘只起着防止碎矸从采空区涌入工作空间的作用。垛式支架的优点是：垂直支撑的立柱数量多，支架的工作阻力大；多数立柱位于支架后部，切顶性能好；工作空间大，易满足通风和行人的要求；重量轻，价格便宜。垛式支架的缺点是：立柱需承受横向载荷，容易弯曲；顶梁较长，移架时空顶面积大；同一端顶板受到垂直支撑的次数多，不利于顶板的管理；当矸帘的强度低，顶板的碎矸还可以从架间落入工作面防矸能力弱。所以垛式支架应在直接顶稳定或坚硬的煤层中使用。节式支架于1958年在法国首先实验成功，曾经在西德广泛使用。它可以由二至五个框架组成，节式支架的结构包括前后两根立柱，窄面半铰接顶梁，两个柱靴和纵向弹簧板。框架之间有下部移架机构和上部移架条架机构相连接。每架或每隔一架设置有一推溜千斤顶。节式支架立柱的支撑力完全用于顶板，因而也是支撑式支架。节式支架前移不象垛式支架那样要依赖于运输机，而是各框架互为支点，交替推移，移架时空顶面积较小，并可适应较大的煤层倾角，比垛式支架灵巧，对顶底板的适应性较好，而且重量轻。节式支架的缺点是结构稳定性差，操作管理不善易发生倒架，引起零件损坏而解体。随着掩护式支架的发展，节式支架已逐渐被取代。掩护式液压支架掩护式液压支架自苏联于1960年研制成功以来，发展非常迅速，它是液压支架技术的一项重要突破，大大的扩展了液压支架在煤矿中的使用范围。掩护式液压支架的顶梁较短，只有一排立柱支撑在掩护梁上，并通过掩护梁对顶梁施加作用力维护靠近煤壁处的一小段顶梁。掩护梁阻挡了采空区矸石从支架后部进入工作区并能承受才空矸石的载荷。侧护板使支架相互紧密接触，矸石不会进入工作空间。这类支架的支撑力较小，但防护性能很好，因此称为掩护式支架。掩护式液压支架的优点是，顶梁短，对顶板的作用力均匀，煤壁附近的支护强度往往比支撑式支架还高；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强，立柱不承受横向载荷；防护性能好，架内矸石极少，便于操作；调高范围大，对煤层厚度变化的适应性强。因此，掩护式液压支架很适宜于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。它的缺点是整架工作阻力小，工作空间小，通风阻力大。故掩护式液压支架不能用于老顶来压强烈和瓦斯涌出量过大的煤层。支撑掩护式液压支架支撑掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合本国特点于1968年首先研制成功的。支撑掩护式液压支架适用于直接顶中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯涌出量较大的中厚煤层后厚煤层。即使坚硬顶板条件下，人们也越来越趋向于使用支撑掩护式液压支架。无论在国内还是国外，它都有逐渐取代剁式支架的趋势。它的主要缺点是，结构复杂，重量大，价格贵，初期投资高；支架缩回时间较长，不便运输。支撑掩护式液压支架的设计架型和基本工作参数的确定架型选择选择架型主要考虑顶板条件，但下列因素也很重要：1、煤层厚度。厚度大于2.5m、顶板有侧向推力时，一般不宜采用支撑式支架。煤层厚度在2.5～2.8m以上时，应选用带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。煤层厚度变化大时，支架应采用调高范围大的双伸缩立柱。2、煤层倾角。倾角10～150(支撑式支架取下限，掩护式和支撑掩护式支架取上限)以上时，支架应具有可靠的防滑装置；倾角大于180时，应同时具有防滑和防倒装置。3、底板强度。支架对底板的比压应小于底板岩石的允许抗压强度。4、瓦斯含量。瓦斯涌出量大的工作面，应优先选用通风断面大的支撑式和支撑掩护式支架。5、地质构造。断层发育、煤层厚度变化大、顶板允许暴露面积和时间分别在5～8m2和20min以下时，暂不宜采用综采设备。6、设备成本。能同时允许选用不同架型的支架时，应优先选用价格便宜的支架。这次毕业设计我设计的是适合中厚煤层的Ⅱ级Ⅱ类支撑掩护式支架。支护强度和工作阻力支架的支护强度直接影响支架的结构重量、使用范围和制造成本。可参考下面的方法确定：t/m210-2(MPa)式中——作用于支架上的顶板岩石厚度系数。——采高(m)。——岩石容重，一般取2.3(t/m2)厚度在3.0m左右的煤层，支护强度大于0.4MPa，较理想为0.5MPa；1.0m以下的煤层，支护强度应大于0.25～0.30MPa。我国中厚煤层，一般取=6～8,支护强度为0.4～0.5MPa。取=7、=1.6～3.0米，所以=732.310-2=0.483(MPa)。支护强度和支护面积的乘积，就是支架对顶板的工作阻力。初撑力较大的初撑力，能使支架较快达到工作阻力，防止顶板早期离层破碎，但是对乳化液泵站和液压元件的耐压要求也将提高。目前有提高初撑力的趋势。我国近年设计的支架，初撑力已达工作阻力的80%以上。伸缩比系数支架的伸缩比系数：式中——支架最大结构高度，一般应比最大采高大200mm左右；——支架最小结构高度，一般应比最小采高小250～350mm。支架的伸缩系数反映了支架对煤层厚度变化的适应能力。其值越大，支架的适应能力就越强。但过大的值在设计中难于实现。一般，采用单伸缩立柱的支架、值不小于1.6；采用双伸缩立柱的支架：垛式支架一般1.9左右，掩护式支架，可达3，支撑掩护式支架，可达2.5。薄煤层支架的值应大些。因为=3.0m、=1.6m，所以==2.37。梁端距与梁端支撑力从实践中知道，顶板冒落频率和冒落的矸石量，主要取决于梁端距的大小。而近煤壁顶板的冒落情况又直接关系到支架的正常工作。因此，梁端距不能太大。但煤层底板起伏使运输机向采空区倾斜，梁端距若过小，采煤机滚筒可能截割到支架顶梁端部。一般梁端距取250～350mm，最大不应超过400mm。支架梁端对顶板的支撑力不应小于100kN。由于煤壁片帮和移架滞后，工作面实际的梁端距比上述数值往往大得多。在片帮严重或采高大于3m的煤层中，支架应具有护帮装置。移架力和推溜力移架阻力与支架结构、重量、煤层厚度、顶板条件等有关。通常，薄煤层支架为100～150kN，中厚煤层支架为150～250kN，厚煤层支架为300～400kN。推溜力一般为100kN左右。主要结构件的设计顶梁1、结构型式目前广泛采用的是刚性铰接顶梁，其主梁为刚性梁，用销轴与前梁铰接；前梁千斤顶使前梁可以上下摆动，以改善对顶板的接触状况。2、顶梁长度顶梁长度，取决于必要的作业空间和通风断面的要求，还与支护方式有关。支撑掩护式支架的顶梁长度由三部分组成：后排立柱至梁尾间的长度应大于挡矸装置的尺寸，一般为400～800mm，前后排立柱间距离一般为1000～1200mm；顶梁前部尺寸为：一般为2.2～2.5m。式中——运输机铲煤板端至煤壁距离，一般为50～100mm左右；——包括铲煤板和电缆槽在内的运输机宽度(mm)；——超前支护时，应大于采煤机截深，滞后支护时可为零(mm)；——支架底座前缘至前排立柱中心线的距离(mm)；——梁端距，mm。采煤机单向采煤，上行时支架超前支护，不移运输机，为保证下行时的司机通道，尺寸应增加500～600mm。但采高较大时，司机可在电缆槽上行走，该距离可适当减小。图2-1支撑掩护式支架顶梁长度取=2.4m、=1000mm、=600mm，所以顶梁长度为=++=2400+1000+600=4000mm。3、顶梁宽度顶梁宽度大，虽可加快移架速度，提高支架的稳定性。但对顶板的适应性变差。如果顶梁长度已经确定，可根据覆盖率要求，算出顶梁宽度。覆盖率是顶梁接触顶板的面积与支架支护面积之比值，即：式中——顶梁宽度(m)；——支架间距(m)；——顶梁长度(m)；——梁端距(m)。支架间距过大，容易漏矸；过小，移架时相邻的顶梁容易相互碰撞。对于有侧护板的支架，架间距一般为0.1m，侧护板伸缩千斤顶行程为0.2m。无侧护板的支架，架间距通常为0.1～0.2m。支架中心距应与一节溜槽的长度相适应，一般为1.5m。覆盖率应适合顶板性质。一般，不稳定顶板不小于85～95%，中等稳定顶板不小于75～85%，稳定顶板不小于60～70%。本次设计的支架顶板属于中等稳定顶板。取覆盖率=87%，所以，因此顶梁宽度为。支架连杆机构的分析和绘制现代支撑掩护式支架多用前、后连杆把掩护梁与底座相连接，加上顶梁和立柱等，构成一个平面连杆机构，我们称它为支架连杆机构。正确设计的支架连杆机构，当工作高度在最大值和最小值规定的范围内变化时，掩护梁倾角和后连杆倾角都能满足要求，梁端距的变动量不超过70～100mm，且支架重量较轻。梁端点的运动轨迹是一条近似直线的双扭线。1、四连杆之间的关系支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构形成的条件是：最短杆c和最长杆b之和小于其余两杆长度之和，而最短杆为上连杆(掩护梁)，最短杆的对边a为固定杆(底座)，即：2、作图方法已知条件是支架的最大高度和支架的最低高度。要求在这范围内掩护梁上铰点上下运动的轨迹是一条直线或近似直线。做图法设计应遵循的原则：(1)、支架从高到低运动时，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应不大于100m，最好为70mm以下。(2)最大限度利用四连杆机构维持支架的水平力平衡，实现支架增力，增加速度瞬心与立柱距离，提高支护效率，同时提高瞬心与掩护梁上铰点的垂直距离也是实现增力的必要条件；(3)支架在其工作范围内梁端运动轨迹以恒指向煤壁为佳，保持顶板与顶梁摩擦力方向恒定，尽力避免前后连杆受力状态的陡变；(4)为保持支架稳定性，后连杆的水平夹角应不大于850；(5)在大调高比条件下，一般应尽可增大掩护梁背角，一般可取600；(6)掩护梁前后连杆2铰点间距(BC杆)一般取300～400mm；(7)前后连杆最大力较小，力之和最小；(8)掩护梁与顶梁在支架最低位置时夹角应小于1680～1700；(9)为保证四杆机构稳定性可靠性，避免到达双摇杆极限位置，四杆机构中ad,bc两杆不得达到共线位置；图2-2四连杆机构几何关系图3、做图法步骤：已知支架的最大高度=3000mm和=1600mm (1)画基线AB，由AB向上取2800mm,在往下取100mm(顶梁顶面至掩护梁的铰接轴中线的距离)得到I点。由I点向下取(2800-1400)mm得到H点。(2)以AB作为底座的底线，在AB上取1000mm得到B点，由B点向上取100mm得到J点，J点作为后连杆和底座的铰接轴。(3)由H点作一斜线HC与水平成=200角。在J点做=250角的直线与HC交于C点。C点作为后连杆与掩护梁的铰接轴。(4)以J点圆心，JC为圆心圆弧。以I为圆心，以HC的长度为半径画弧与交于E点。C点与E点就是后连杆在支架为最低高度和最大高度是的极限位置。(5)在IH上取N点，使HN的长度为0.6倍的HI的长度。以N点为圆心，HC的长度为半径画弧与交于M点。(6)在CH上取一定长度CD=400mm(CD<JC).D点作为前连杆与掩护梁的铰接轴。(7)分别在MN，EI上取MO=CD,EF=CD,连接DO,OF并分别做其垂直平分线，相交于G点，CD+DG<CJ+JG满足(8)HI的轨迹的校核。在弧内平均取几点，例如1、2、3点，依次的以1、2、3为圆心，以CD长为半径画弧，与以G点为圆心GD为半径的弧

交于1，、2，、3，点并都延长得1，，、2，，、3，，点，使11，，=22，，=33，，=CH.，应当满足I3，，2，，1，，H的横坐标相差在100范围之内。(9)延长GF,JE交于P点。连接IP,IP与水平线的夹角必须在110之内。立柱的设计及校核计算1、支护面积的计算2、立柱受力的计算式中F——顶板的受力(N)；S——支护面积(m2)；q——支护强度(MPa)。根据支撑效率可以求出四立柱受力约为：每个立柱的受力3、立柱内径的计算式中D——立柱的内径(m)；F——立柱的推力(KN)；P——选定的工作压力(MPa)。查GB/T2348-1993可圆整为200mm.4、缸壁厚度的计算由于工作压力较大，根据相关资料，选取27SiMn为缸体材料式中——缸壁厚度(mm)；D——缸筒直径(mm)；Py——实验压力(当Pn>16MPa时，py=1.25Pn)；[]——许用应力([]=b/n,b为材料的抗拉强度，选取材料为27SiMn,查GB/T3077-1999为980MPa,n为安全系数一般取5)5、缸体外径的计算根据相关资料圆整为：245mm6、最小导向长度的计算式中H——最小导向长度；L——液压缸行程(根据立柱Hmax和Hmin相差为1400，考虑到立柱有一定的倾斜角度，初步考虑为1500)：D——缸筒直径(mm)。导向套长度：A=0.8D1=0.8245=196mm活塞宽度：B=0.8D=0.8200=160mm7、缸底厚度的计算缸底材料选用35号钢式中P——缸内所能形成最大压力(MPa)；[]——缸底材料许用应力(MPa)查表可知为530MPa,所以[]==106MPa.8、缸筒与端部采用内螺纹联接查GB196-81，d=225mm,螺距P=4时，中径d2=222.402mm,小径d1=220.670mm。拉应力式中F——缸筒端部承受的最大推力，N；k——拧紧螺纹的系数，不变载荷取K=1.25～1.5；D1——缸筒外径，m；D——螺纹内径；m。剪应力式中F——缸筒端部承受的最大推力，N；K——拧紧螺纹的系数，不变载荷取K=1.25～1.5；K1——螺纹联接的摩擦因数,K1=0.07～0.2,平均取0.12：D1——缸筒外径，m；——螺纹外径，m：D——螺纹内径；m。合成应力：许用应力：式中：——缸筒的屈服极限，查GB/T3077-1999为835N/mm2——安全系数，取no=1.2～2.59、活塞杆直径的计算由于立柱承受载荷较大，而迫降力较小，故活塞杆多采用空心结构，以便增大活塞杆直径，以保证足够的刚度和强度，活塞杆材料选用45号钢圆整为185mm式中F1——压缸的推力，N；——材料的许用应力，MPa,查GB699-88，，所以=294/2.5=117.6MPa；d1——活塞杆的空心部分直径。活塞杆的强度计算——由于，活塞杆在稳定的工况下，只受轴向推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算：式中F——活塞杆的作用力，N；D——活塞杆直径，m；——活塞杆材料的许用应力，MPa；查GB699-88，，所以=294/2.5=117.6MPa；活塞杆弯曲稳定性验算采用实用验算法，活塞杆弯曲计算长度为：式中Lf——活塞杆的弯曲计算长度,m；K——液压缸安装及导向系数；S——液压缸的行程，m。作用力F1=989KN,查表可知Lf1=10000mm因为Lf<Lf1，则活塞杆弯曲稳定性良好。10、活塞杆的导向套，密封和防尘导向套的材料选用青铜材料，因为青铜材料的摩擦系数小，耐磨性好。密封圈采用O型密封圈和U型密封圈防尘圈采用SA型密封圈。支架的基本回路和液压系统推移装置的设计推移装置用于移动支架和采面运输机，其推移动作均通过液压千斤顶来完成，但各种液压支架根据其工作过程可采用不同的推移方式和推移千斤顶布置。推移方式1、先移架，后推溜这种推移方式是在采煤机割煤后立即把支架移到新的位置，能及时支护新暴露的顶板，然后再推输送机，又称为及时支护方式，这种方式能有效地防止冒顶事故，应用较多，但支架需有较长的顶梁。2、先推溜，后移架这种方式的优点是前梁较短，只需略大于输送机宽度，支护性能好。其缺点是顶板裸露时间长，不能跟机支护，一般只能用于中等稳定以上的顶板。按支架移动顺序区分的支架移步方式1、顺序移架支架沿采煤机割煤方向依次前移，移动步距等于截深，对顶板支护较好，操作简单，应用较多。2、交错移架支架沿采面推进方向上呈交错布置，各架间隔前移，移架步距可为截深二倍，用于稳定顶板。3、分组对角线移架支架沿采面推进方向上呈分组对角线布置，各组支架依次对应前移。这种方式可在保持移架步距不变的情况下适应浅截深的数倍，但空顶面积较大。4、分组直线移动与顺序移步相似，但每次移动一组，只适用于坚硬顶板。根据实际情况，宜先移架，后推溜。采用顺序移架的推移方式实现推移动作。推移装置掩护式和支撑掩护式支架都有侧护装置，相邻支架的侧护板在弹簧力或液压力作用下互相紧靠；又由于立柱不承受横向载荷，掩护式和支撑掩护式支架常常设计成擦顶带压移架来改善对顶板的维护，因而掩护式和支撑掩护式支架所需的移架力不仅应克服底板的摩擦力，还应克服两旁相邻支架的摩擦力以及由于移架时的立柱的剩余载荷引起的顶板对支架的摩擦力，所以，所需的拉架力比推溜力大很多，而现实中液压缸由于活塞腔的面积大于活塞杆腔的面积，所以液压缸的推力比拉力大，要实现拉架力比推溜力大。可采取以下几种方式：1、长框架推移装置——支架撑紧顶板时，液压控制使推移千斤顶活塞杆缩回，推移千斤顶的拉力经导向块变为对传力框架的推力而把运输机推向煤壁。支架卸载后，液压控制使推移千斤顶活塞杆伸出，此时运输机不动，导向块成为固定支点，推移千斤顶的推力把支架移至新的工作位置，这时传力框架承受拉力。长框架推移装置的缺点是传力框架较长，杆断面小，因而刚度不易保证，容易发生弯曲变形2、短框架推移装置——工作原理与长框架推移装置相同。图3-13、在推移千斤顶的油路上接入一个交替单向阀。在推溜时，千斤顶成差动缸，可以实现拉架力大于推溜力。液压基本控制回路的设计主回路二线主管路：从泵站向工作面引出两条管线，一条供给压力液，另一条接收低压回液，将所有支架都直接与主管路并联，在每个支架的压力支路上都有截止阀，回液支路上有回液单向阀，以便支架检修时不影响其他支架的工作，压力支路上截止阀还装有过滤器，保持进入支架液压系统的液体清洁。主压力管每隔相当长距离还装有截止阀，以便检修。为减少回液阻力，回液管路上(无论是主管路还是支管路)不设截止阀。为防止主回液管路堵塞引起回液背压升高，主回液管路上装有低压安全阀。图3-2基本控制回路1、换向回路换向回路用来实现液压缸工作腔液流换向，完成液压缸伸出或缩回动作，控制元件是操纵阀，如图3-3所示，操纵阀由数个三位四通阀组成，用一个手把操作，这是简单换向回路。简单换向回路中各阀可以独立操作，不影响其它液压缸的工作，可以根据具体情况，合理调配各液压缸的协同动作。不过，它要求操作人员具有较高的操作水平和熟练程度，否则会发生误操作，造成支架损坏。图3-32、前后立柱，前梁，尾梁千斤顶回路的设计锁紧回路添设限压支路，就成为锁紧限压回路，如图所示，限压支路的控制元件是安全阀，它能限制被锁紧工作腔的最大工作压强，保证液压缸及其承载构件不致过负荷其可用来控制立柱，尾梁千斤顶，前梁千斤顶为支架提供恒定的工作阻力。图3-4图3-53、推移，移后部输送机千斤顶回路的设计由于推移千斤顶采用浮动活塞式，需要推移和拉架时平稳，拉架后锁紧，在回路上设置液控单向阀，能满足要求。4、前探梁千斤顶回路的设计前探梁的作用是及时支护新暴露出来的顶板，防止顶板冒落在采煤机上，采用双向锁紧回路对千斤顶中的活塞腔与活塞杆腔分别进行互相联锁。图3-6图3-75、侧护板千斤顶回路的设计由于侧护板千斤顶是和弹簧一起起侧推护帮板的作用，需要的受力也不是很大，为了遵循回路简单和节约材料的原则，故设计为较为简单的回路。1)前后两排立柱的升降动作，各用一片操纵阀操作，所以前后排立柱可根据需要，既可以同时升降也可以单独升降。2)为了使前梁能及时支护新冒路出的顶板，并迅速达到工作阻力，在短柱活塞腔的回路里装一只YF3A型安全阀，以便在升后柱的同时升短柱的情况下当前梁顶端比顶梁先接触顶板，前梁过载荷时，使安全阀泄液，以保证短柱的工作阻力。3)为防止煤壁片帮，支架上设有防片帮装置，并用一只SSF型双向锁对防片帮装置中的千斤顶的活塞与活塞杆腔分别进行互相联锁。4)在推移千斤顶的活塞杆腔中接入回路，防止在移架时输送机向后退缩。支架主要部件受力计算及校核支架架型及主要尺寸根据顶板地质条件选用支撑掩护式支架。根据顶板支护强度、煤层厚度及采煤机等条件，经计算，支架尺寸表示在图4-1和表4-1。表4-1角度位置支架在最位置时图4-1支架尺寸图4-2顶梁和掩护梁的隔离体支架的工作阻力掩护梁上没有负载，摩擦系数为0.3，支架在最高位置，每根立柱的工作阻力为969kN。取顶梁和掩护梁为隔离体，忽略顶梁与掩护梁的铰接点到顶梁之间的距离，并作出瞬时中心O，得θ角为200在第四象限中，如图4-2所示。根据公式，支架的工作阻力为：根据公式，PA的作用位置为：前后连杆受力根据公式，前连杆受力为：由上式得“-”号，所以前连杆的受力方向与图示相反，也就是说前连杆受拉。根据公式，后连杆受力为：由上式得“-”号，所以后连杆的受力方向与图示相反，也就是说后连杆受压。前梁强度计算前梁受力情况假定主顶梁支撑，前梁千斤顶工作阻力W为375kN，前梁前端受一集中载荷Pq,其受力图如图4-3所示。图4-3前梁受力情况前端集中载荷为：在断面Ⅰ-Ⅰ处的弯矩为：前梁做成变断面箱形结构，Ⅰ-Ⅰ断面如图4-4所示。图4-4Ⅰ-Ⅰ断面前梁强度计算1、形心位置各板件的计算数据列于表4-2。表4-2件号12345数量12124面积14016123.27448形心位置0.5917.519.59惯性矩11.6341.310.34221.11024结构件的形心位置为：2、惯性矩3、弯曲应力4、安全系数钢板材料选取16Mn，。主顶梁强度计算主顶梁受力情况假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力图如图4-5所示。由上面求出PA为4116kN，距离铰接点800mm。最大弯矩为：主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图4-6所示。受力图弯矩图图4-5主顶梁受力图图4-6最大弯矩处的断面图主顶梁强度计算1、形心位置各板件的计算数据列于表4-3。表4-3件号123456789数量122422221面积14073.627.852.218.830.4yc0.82.411.911.9111.229.731.41404.852681107.45447.751663804914.5结构件的形心位置为：2、惯性矩3、弯曲应力4、安全系数掩护梁强度计算掩护梁受力情况由前面已经求出在掩护梁上前后连杆的销轴处受力为2504kN和2343kN,其受力图表示于图4-7。最大弯矩发生在前连杆处，其值为：受力图弯矩图图4-7掩护梁受力图最大弯矩处的断面表示于图4-8。图4-8前连杆处断面掩护梁强度计算1、形心位置各板件的计算数据列于表4-4。表4-4件号12345数量11142面积151.2145.518219.8400.64.923.722.928.718.16822972.7254.213.3结构件的形心位置为：2、惯性矩3、弯曲应力4、安全系数底座强度计算底座受力情况假设底座两端支撑，各点力都已求出，其受力图表示于图4-9。现在求A点的反力。即：式中、、、列于表4-1。由上式求出支反力各点的弯矩：在C处弯矩虽然大，但是侧板较高。所以校核后柱窝处的断面强，其断面如图4-10。受力图弯矩图图4-9底座受力图图4-10后柱窝处断面强度计算1、形心位置各板件的计算数据如下表4-5。表4-5件号1234567891011数积2226072208764.834768.8932014.51410.2743437431.23456732.325.36.411.325.322.27447.741.7结构形心位置为2、惯性矩3、弯曲应力4、安全系数支撑掩护式液压支架的经济分析支撑掩护式液压支架保留了垛式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞的优点，采用双排立柱支撑顶梁的结构；同时又吸取了掩护式支架防护性能好、结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架与老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构连接掩护梁和支架底座。因此支撑掩护式液压支架适用于直接顶中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯涌出量较大的中厚煤层或厚煤层。即使在坚硬顶板条件下，人们也越来越趋向于使用支撑掩护式液压支架。这次毕业设计的支撑掩护式液压支架采用了带机械加长杆的单伸缩立柱，推移千斤顶采用推移框架式结构，比起采用双伸缩立柱和浮动活塞式的支架来说，价格比较便宜，大约在10万元左右。自我国采用支撑掩护式液压支架以来，年产煤量显著增加，支撑掩护式液压支架的使用为国民经济作出了贡献。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、高回采率和高功效，能大大减轻劳动强度，降低成本，实现安全生产。结论液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元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。通过此次毕业设计，对液压支架的型式、具体结构以及详细工作过程有了细致的了解。液压支架的性能关键取决四连杆机构的设计，优良的四连杆机构，可使支架在最高点和最低点之间运动时，前梁的水平运动范围不超过100mm，符合设计要求，各个受力件经计算校核都满足安全条件。参考文献[1]张家鉴、陈享文、伊长德，液压支架，煤炭工业出版社,1985[2]陶驰东，采掘机械，煤炭工业出版社，1985，P152-207[3]蒋国安、郭福君、罗太炎，液压支架，中国矿业学院出版社，1987[4]寇子明，液压支架动态特性分析与检测，北京，冶金工业出版社，1996[5]国外采煤工作面综合机械设备，煤炭工业出版社，1978[6]徐景才，掩护式液压支架四连杆机构设计及力学分析，河北煤炭，1999[7]冯吴等，电算法在液压支架四连杆机构设计中的应用，煤矿机械，2002[8]徐灏，机械设计手册，北京，机械工业出版社，2000[9]成大先，机械设计手册，北京，化学工业出版社，2004[10]刘鸿文，材料力学，北京，高等教育出版社，2002[11]潘宝俊，互换性与测量技术基础，中国标准出版社，1997[12]中国机械工程学会焊接学会，焊接手册，北京，机械工业出版社，1992[13]中国矿业学院机电系，双滚筒采煤机，煤炭工业出版社，1979[14]AgrawalSK，PateKinematicsofInParallelManipulatorSystem，IEEElonf，OnRob.Aut，1990[15]Tanylony，Tran:AllgemeineTrasfrmationfuerMaschinenmit，ParallelKinematicsDoctorDissertation133，ISW，UneversitaetStuttgart，2000专题部分大批量定制生产在矿山机械中的应用摘要大批量定制生产是一种新兴的企业生产与管理模式，同时也是一种新的哲理、思维方式。它的目标是以大批量的效益生产定制产品，这无疑是制造业所追求的一种理想境界，所以MC的概念一经提出就引起了人们的广泛关注，成为近些年来一个世界范围内的研究热点并且已经在一些企业得到成功实施，正在成为21世纪制造业的主流生产模式。大批量定制生产的产生与发展，是经济发展、市场变化以及技术进步等一系列因素综合作用的结果，是有其必然性的。了解大批量定制生产出现的背景，对大批量定制生产可以有更清楚和更深刻的认识。关键词模块化标准化重组生产模式AbstractTheamountoflargequantitymakestoordertheproductionisakindofnewlyarisenbusinessenterprisetoproduceandmanagethemode,alsoisakindofnewphilosophy,thoughtmethod.Itofthetargetproducestomaketoordertheproductwiththeperformancethatlargequantitymeasures,thisdoubtlessismanufacturingindustryanakindofidealstateforpursuingthatextensiveconcernthatconcept,sotheMCputforwardandthencausedpeopleassoonas,becomingnearerinthelastyearsaworldresearchinthescopeheatorderandhavegotinthesomebusinessenterprisethesuccessputsintopractice,atmaincurrentproductionmodethatbecomethemanufacturingindustryof21century.Theamountoflargequantitymakestoorderthecreationoftheproductionanddevelop,isaneconomydevelopment,themarketchangesandthetechniqueprogressesaseriesoffactorinetc.synthesizesthefunctionofresult,istohaveitsinevitable.Theamountoflargequantitythatunderstandtheproductionmakestoorderthebackgroundappears,makingtoordertotheamountoflargequantitytheproductioncanhaveclearerwithdeepercognition.Keywords:ThemoldpieceturnsStandardizingReorganizationThemodeofproduce1.1大批量定制生产的实施思路大批量定制是将大批量和定制两种看似矛盾的生产有机统一起来的崭新理念。因此这种理念的本质特征就是以大批量生产的快速度，低成本和高质量来满足用户个性需要的产品。为了满足这种特征要求，其实施的基本思路是“减小定制量”。所谓“减小定制量”就是在产品的生产中，要尽可能的减少定制的部分，即要求最大程度地采用通用的、标准的或相似的零部件、生产过程或服务等，从而实现大批量和定制的统一。为此，需从时空两个方面来考虑减少定制量：减少定制数量(从空间思维考虑)。即在产品的生产中要最大程度的减少由定制所引起的零部件和服务的变化。换言之，要尽可能的采用标准的，通用的，相似的零部件和服务等等。减少定制时间(从时间思维考虑)。即在产品的生产过程中，尽可能减少由于定制所引起的研发、设计、制造、营销服务的时间。1.2大批量定制生产的实施路径由于产品不同、标准化不同、技术水平不同和企业文化不同，不同企业实施大批量定制生产的方法也有所不同，同一企业在不同阶段实施大批量定制生产的方法也不尽相同。1、持续改善持续改善是以渐进的方式实施大批量定制生产。其特点是：(1)注重持续和渐进，大批量定制生产是一项没有指定的工作。(2)更注重细小的环节，认为提高效益要从小事做起。(3)消除所有浪费。持续改善实施的主要途径是：消除不能给企业带来附加价值的各种因素，如生产过剩、在制产品积压、废品率高、人员利用率低和生产周期长等。各企业可根据自己的具体情况分析不能给企业带来附加价值的各种因素，并设法消除这种因素。这实际上是一种精益生产的观点。2、重组重组是对企业的产品结构、业务过程结构和技术结构进行彻底重新设计和实施，以便实现MC。主要包括三方面的重组：(1)产品重组即对产品的组成部分——零部件及其组合结构进行重组，达到只改变少数零部件及其组合关系就可形成新产品。因此，必须：a、模块化把一个产品看作是由一些具有不同功能的模块以一种特定的联系方式(结构)组合而成。b、标准化由分析发现，不同产品中有相同或相似的模块，不同模块含有相同或相似的组成元素。因此可以通过归类、简化和优选等方法形成标准化、通用的元素、模块和产品。标准化的模块能够提高模块的可重用性和可重组性，同时还可以组织专业化生产，从而提高生产效率、产品质量和降低成本。(2)过程重组为了适用产品重组要求，应该对某些业务过程乃至整个企业业务进行重组。为此，应该：a、按市场要求决定产品，由产品决定业务过程，由过程决定企业的组织结构(项目组、制造单元等)；b、授权自治。让业务部门、项目组合制造单元有更多的决策权；c、将供应商和用户包括在企业的业务过程中；d、将过程重组扩至企业界(企业联盟)。(3)技术重组采用先进的计算机技术和机械制造技术等，使技术与装备适应MC的要求。3、连续改善和重组结合将连续改善和重组结合在一起：一方面，企业不能单纯的实施连续改善，因为在给定的环境中，当变量达到一定的数量级时，再进一步的持续性改进花费的成本将是巨大的。这时，企业就必须实施彻底重组。另一方面，在实施企业重组的同时也必须注意持续性改进。传统的大批量生产企业是一种按功能分解的企业，研发部希望以最低的成本提供有最多功能的产品，制造部，销售部希望以稳定的批量制造和销售某一种产品，市场部则希望能提供尽可能多的产品选择来吸引客户，这三个主要部门的目标是分道扬镳的。而通过实施以上所提供的持续改善和重组后，研发部、制造部、市场部等部门就能齐心协力奔向一个共同的目标——以最低的成本和最快的速度提供拥护需要的产品。根据一些国外实施案例可知：成功的重组和改善能带来巨大的效益，但失败的重组可能带来灾难。企业在具体实施时应注意以下几点：1、正确分析业务流程和产品特点，明确重组和改善目标。对组织的远景一定要明确，并应对客户要求、需求模式、约束条件和效率目标进行深入分析和理解，重组的目标要设立在这些方面的绩效改进上2、整体对待重组哲理。组织由相互依存要素构成。孤立地改变一个要素不大可能得到预期的收效，甚至会对其他要素产生负面影响。成功的重组和持续改善需要各个战线的整体行动，并且有必要让客户和供应商一起参与新流程设计。3、充分利用新技术。技术是新流程设计的强大动力，要特别认清信息技术对新流程设计提供的机会，组织必须不断地对如何应用新老技术进行评价。4、产品重组、技术重组、过程重组和持续改善密切相关大批量定制生产是一个企业系统工程，涉及企业的各个方面。大批量定制生产的实施途径实际上是一个产品重组、技术重组、过程重组和持续改善互动的过程。必须将连续改善和企业重组结合在一起。5、在重组方案实施之前进行试点。试点可减少由失败的重组方案带来的风险，须知清理失败的重组所花的费用和时间比试点所花费的大许多倍。1.3大批量定制生产中的先进技术它包括面向大批量生产设计方法、适合大批量定制生产的单元制造技术、面向过程的制造系统、可重组的制造装备和模块化制造系统等。面向大批量定制生产的产品设计方法(DFMC)是实施大批量定制生产的技术重点。要解决的矛盾主要有：批量和成本的矛盾、产品结构通用化和集成的矛盾、用户选择的多样化和企业产品中的零部件少量化的矛盾、选择过多和选择过少的矛盾。DFMC的基本原理主要是，识别和利用产品族中的相似性、产品相似性的编码化和产品共性部分的模块化等。它是由成组技术、并行工程、产品和过程集成技术等多种技术综合而成的。DFMS是面向产品族，而不是面向单种产品；面向产品的全部生命周期，而不仅仅是产品的设计过程；不仅考虑产品结构的优化，还考虑产品制造过程的优化的一种产品设计思路。适合大批量定制生产的单元制造技术的特点是：通过一些先进的单元技术支持面向MC的制造，提高制造效、缩短制造时间。这些单元技术中有的是系统生产技术和先进工艺技术的结合；有些是计算机技术、激光技术和新材料技术的结合。面向过程的制造系统主要是围绕一组具有高度相关性的任务而组成的。在大批量定制生产中将不同产品中的相似件集中起来加工可以形成较大的批量，将加工这些相似件所需的设备集中起来，形成面向过程的制造系统，可以取得较大效益。对于MC中的制造厂家，为了满足更多的用户的定制产品要求，需要采用可重组的制造装备。对可重组的制造装备的要求是：快速的由现成的模块及增加少量的新的模块装配成新的制造装备；快速地将现有的制造装备重组为满足用户新的要求的制造装备。可重构制造设备有多种不同形式。模块化制造系统将产品设计和模块化制造系统结合在一起，并采用计算机和网络技术支持产品设计和模块化制造系统的设计，使两者集成起来，真正做到面向制造的设计。利用网络技术还可以使分布在各地的产品设计师和工艺师迅速知道制造系统的模块类型、存放在何处、如何组合等信息，知道产品的制造成本。1.4大批量定制生产的先进管理管理是对组织的资源进行有效整合以达成组织即定目标与责任的动态创造性活动。大批量定制生产的实施需要先进的制造与设计技术，也需要创新的管理结构与组织。为实施大批量定制生产必须建立包括涉及产品整个生命内的各种资源或活动过程的有创新的管理结构和有柔性和不断改变属性的有机组织。我们认为大批量定制管理模式是强调以人为中心的管理模式，通过充分利用企业现有或可获得的信息资源和技术，对企业原来的管理模式，进行再造，以适应外部环境的变化，谋求企业生产运作、管理的更高效率，节约更多成本，使产品或服务更能满足客户的要求。一切管理工作都应以调动人的主动性、积极性和创造性为出发点。1.5案例分析——汽车行业中的大批量定制生产1、汽车的个性化趋势随着经济发展和社会进步，人们对汽车的需求差异化越来越突出，除传统代步用车外，还出现了跑车、运动车、休闲车、娱乐车、年轻人用车、老年人用车、女性用车、古典式车等。同一系列车型，不同用户对性能、功能要求也会大不相同。在相当长的时间里，汽车生产线设计多采用专机流水线形式。由于加工工序平行集中度高，生产效率相对也较高，但对多品种生产、产品换型也带来很多困难，特别是随着市场竞争越来越激烈，用户需求多样化，使这方面问题显得更为突出。汽车市场发展日趋细分化，竞争又使多样化、细分化的速度愈来愈快。这样使汽车生产从宏观角度看是大批量生产，从微观角度看，一个品种的生产批量在缩小。所以，国外汽车公司生产线自动化水平总体上出现了回落的趋势。2、汽车的大批量定制生产近年来，在汽车制造业传统大批量生产模式也在加速向大批量定制生产方向转变。汽车销售处于买方市场，用户需求变化很快，大公司都是实行“以定单生产”。同时企业间的竞争日益激烈，在提高质量、满足用户定制化要求的同时千方百计降低汽车成本。模块化设计和制造则是西方许多大型汽车企业所采用的一种实现汽车大批量定制生产的关键技术。一方面，产品模块化本身会给企业带来较大的经济效益，另一方面，产品模块化导致生产过程的变革又会给企业带来进一步的经济效益。(1)零部件的模块化20世纪90年代，西方国家大型汽车零部件企业推行一种模块化技术，核心是利用电子技术和多领域的高新技术进行系统集成，简化汽车零部件产品的构成便于国际化采购。模块化技术的发展，将进一步推进汽车工业的分工和改组，汽车零部件厂商掌握专业化产品核心技术，有能力实现与汽车整机的同步开发和超前开发，从而改变了传统的汽车零部件长从属于整车厂的地位，从后台走向前台，有利于整车厂开发高水平的平台，形成以汽车为主导以零部件为基础的新格局。(2)并行工程技术在模块化设计的基础上，可以有效的采用并行工程技术。如，汽车车身还在画图纸进行设计时，制造部门就可以开始模具制造，因为模具设计人员知道了新车中的零部件的大致尺寸，所以可以提前订购模块，并在模块上进行粗加工。当零件的最后一张图纸一经发出，模具就立即可以转到精加工中去。这样显然大大加快了新产品的开发速度。(3)汽车模块化设计原则在汽车模块化设计中，需遵循以下原则：1)分解原则。将汽车分解为能满足多种需要、设置性能合理、通用性好的一些总成模块；每个总成模块又进一步分解为一些零部件模块。2)统一原则。对汽车各模块统一为具有合理结构、工艺及性能系列模块。例如汽车的座椅模块可以按组成技术的相似类型分级方法中的基本类型级别进行系列化和标准化设计。3)联结原则。设计各模块之间的接口要素要一致，以确保模块间的装配精度，以及模块相互使用时的可靠性。3、网络化趋势有效的支持汽车大批量的定制生产网络化制造的趋势使大批量销售转向定制销售。一些大企业以通过建立企业内部网络信息系统提供定制销售服务。例如，通用汽车公司别克牌汽车制造厂提供一种服务系统，让客户在汽车销售商的陈列厅里的计算机终端前自己设计所喜欢的汽车结构，客户可以从大量可供选择的方案中做出具体选择，客户可以看到自己选择的部件组装出来的汽车样子，并可继续更换其中的部件，直到满意为止。客户每设计出一种结构，车子的价格也同时计算出来，客户可利用软件进行模拟驾驶实验，满意自己的设计结果客户可填写订单，电子信用分析系统，帮客户定制付款计划。一旦做出选择，通过在线订购订单输入通用汽车的生产计划表，从客户填写订单到工厂案客户设计的结构生产出汽车并交货，前后只需8周时间完成。从费用上看，按客户要求定制的汽车，其价格不一定比批量生产的标准汽车贵。对整个汽车行业来说，在顾客提出要求后再制造和在顾客提出要求前就制造，前者可节约世界各地价值500多亿美元的成品库存。1.6机械制造业中的大批量定制生产展望1、背景机械制造业过去是一种典型的单件、小批量、定制型行业。随着市场进入买方市场以及市场的多变性和竞争性，工厂要在一定经济技术条件的约束下，既降低制造成本，又能满足质量和交货期的要求。因此必须在设计和制造中，对质量、成本和周期这三者进行协调优化。2、大批量定制模式具有下列优点：(1)可以使设计重复使用模块设计的是一些功能相关元件的组装体，其结构、电气和管路接口和相互连接点只要涉及一次就行。这样，非重复的费用只要支付一次。一个模块一旦设计好，它就能为一批不同的零部件的设计和制造提供服务。(2)简化制造过程模块通过减少接口不一致的数量来简化零部件制造过程，分清工厂和销售商之间的责任。设备模块可以在工厂的并行安装，甚至可以在原设备制造厂进行预先安装，这样能减少制造时间。(3)有利于综合后勤保障模块化使几种部件使用相同的硬件和标准项目的比例更高，这样可减少系统中要求零件的品种的多样化，有利于配件的供应，因为需要讲授的独特的机械和系统功能的数量减少了。同时，也减少了专门的工程图纸，技术说明书和维护文件的数量。(4)有利于设备布置、拆装和维护随着管路、通风和电缆等被合并在典型的模块中，在稍后的设计阶段中，确定各种复杂系统走向的工作量减少了，同时还减少了制造时现场修改的拆装工作量。(5)实现模块车间制作、节省费用模块的另一个好处是减少了元件在总装过程中相互连接的工作量。车间装配使元件的相互连接更快、更干净利落、更加准确。在车间进行的费用，估计比总装现场要低4～7倍。3、大批量定制在机械制造业中的应用意义机械制造采用大批量定制生产，导致了生产力的充分发挥，达到了实现工业快速反应能力的目标。同时，大批量定制生产也使得保持产品在其全生命周期内性能始终先进。可见，在液压支架的制造中很有必要实施大批量定制生产模式。参考文献[1]康磊品，田雨华，国外先进制造技术发展战略与发展趋势，第五届中国CIMS学术会议论文集第五届中国CIMS学术会议，成都，1998.8[2]863/CIMS标准、规范及约定，http://www.cims.edu.Cn[3]范玉顺，吴澄，工作流管理技术的研究与产品现状及发展趋势，计算机集成制造系统，2000[4]顾新建，祁国宁，谭建荣.陈友熙.机械制造系统工程学，浙江大学出版社，1996.9附录我国综采放顶煤开采技术及其展望煤炭是我国的主要能源，目前已探明的储量达9000亿吨，煤炭在我国21世纪前50年的能源结构中将稳居50%以上。然而，煤炭开采过程中的高效和安全问题，一直是困扰我国煤炭企业的两大难题，20世纪八十年代中期，在我国厚煤层矿井试行并逐步推广的综采放顶煤技术，较好地解决了厚煤层矿井的高效和安全问题，使这一技术以惊人的速度发展，并逐步完善，成为当前我国厚煤层开采的主要方法。一、综采放顶煤技术的发展历史与现状我国综放的发展始于80年代。1984年6月，由原煤炭部立项，在沈阳矿务局蒲河矿用我国自行研制的FY400/14/28综放支架开始试验，后因支架稳定性差，四连杆强度不足损坏严重，加之设备的配套性不好，支架不能前移，造成工作面发火中止试验；1987年，平顶山矿务局一矿引进了匈牙利VHP-732型高位插底式放顶煤液压支架，取得了平均月产44206吨，最高月产55000吨，回采率79.6%，平均工效25.5吨/工的初步成绩；1988年阳泉矿务局、1989年潞安矿务局开始试验，超过了以前各局所取得的效果。与此同时，靖远、晋城、郑州、兖州、辽源、乌鲁木齐、平庄等矿务局推广使用。从1984年第一个试验工作面算起，到1994年的十年间，我国综放技术迅速发展，1994年，全国综放开采的总产量达到3680万吨，有28个矿务局，60个综放面在生产。其中，年产量超过百万吨的21个，占1/3，综放技术日趋成熟。在设备、工艺、安全保障等方面作了大量的理论研究和现场试验，为近几年的发展打下了坚实的基础。到1998年，全国综放总产量达到7000万吨，综放工作面总数达到82个，全国64个百万吨综采队中，有22个是综放，其中9个队的年产达到200万吨以上，占当年200万吨队的81.8%。使用条件由初期的缓倾斜煤层发展到倾斜、急倾斜煤层；由开采条件较好工作面发展到条件较差的“三软”、“两硬”、“不稳定”煤层。其中以缓倾斜厚煤层工作面的效果最明显，工作面最高年产量达到500万吨以上。目前我国综放技术使用的数量、范围、技术的先进性和取得的效果，均居世界领先地位。最近，我国正在努力拓展外部市场，向国外输出综放技术及成套装备。二、我国对综放开采技术的创造性贡献我国科技人员在综放开采的技术进步中，投入了大量的力量，在理论、技术和装备等方面取得了系统和丰硕的成果。(一)顶煤冒放性的定量评价方法顶煤能否顺利冒落并有效放出，是决定放顶煤开采能否成功的关键，也直接影响到工作面的煤炭回收率。我国科技人员先后提出了多种冒放性评价方法。1、决定冒放性的七个因素及其对论域“冒放性好”的隶属度(1)采深与煤层强度比值采深与煤层强度对顶煤冒放性而言是相对概念，这一指标代表支承压力的破煤能力。要使顶煤在支承压力作用下充分破碎，(2)直接顶岩性直接顶板能随采随冒，顶煤放出后能及时充填满放出空间，减少了顶煤放出损失。直接顶岩性以泥岩、页岩、粉砂岩等中等稳定性以下为好。(3)老顶岩性老顶的作用主要是向煤壁前方传递支承压力。岩性越好，传递支承压力的能力越强，对顶煤破碎越有利，但来压步距相对要加大，来压强度加剧。综合考虑老顶破煤作用与来压强度，以中粗砂岩、细砂岩等中等稳定岩性为好。(4)采放高度比顶煤破碎主要依靠支承压力和支架反复支撑卸载使用来实现，顶煤太厚，上部顶煤破碎不充分，破碎块度大不易放出。(5)节理裂隙发育程度煤体中节理裂隙发育大大降低了顶煤的整体强度。总的来讲，裂隙发育程度高则有利于顶煤的再次破碎与冒落成均质松散体。顶煤放出时具有明显的规律性，回收率高。但裂隙发育超过一定限度后，由于顶煤过分松软，架前顶煤片帮、冒顶将影响工作面正常推进。(6)夹石层厚度当煤层中夹石层单层厚度大于300mm时，将影响顶煤冒落。因此以300mm为界，大于300mm时视顶煤可放性“极差”，厚度越小冒放性越好。(7)夹石层强度夹石层强度对顶煤冒放性影响取决于夹石层强度与煤层强度之比值。一般认为，只有当夹石层强度大于煤层强度时，才会对顶煤冒落造成不良影响，且夹石层强度越大顶煤越难冒落。各因素对冒放性的隶属度是根据实测、理论研究和经验给出的。2、冒放性评价的“加权模糊推理”法为了对受多种因素影响的顶煤冒放性进行定量评价，最终给出一个量化的指标，采用了“加权模糊推理”方法，3、采用辅助措施改进冒放性当计算出的冒放性指数小于0.8时，应考虑采取辅助措施改善冒放性。而生产单位通常在顶煤硬度f>3、节理不发育、夹矸厚度>300mm且属坚硬岩层时，采取煤层或夹矸注水软化、预爆破、预采顶分层降低采放比、架间松动爆破等措施，取得了良好的效果。(二)综放面顶板结构与支架围岩关系综放面顶板结构与支架围岩关系一直是学术界和工程界长期争论的课题。一种观点认为，放顶煤一次采出厚度大了，顶板压力必然增大，因此有些厂家设计出了大吨位支架，然而这些支架在有些采场出现了钻底、钻顶及歪架现象，直接影响了矿井的效益；另一种观点认为，放顶煤采场冒落矸石厚度大，顶板压力被缓冲了，压力变小了，因此有些矿井选用了吨位较小的支架，结果出现了立柱压爆、油缸变形的严重事故。那么到底放顶煤采场压力是变大了还是变小了，应该怎么认识这个问题，已成为综放支架设计和选型的首要问题。1、放顶煤采场的顶板结构国内综放采场顶板运动及矿压显现规律已有很多研究成果，较典型的成果有：关于放顶煤采场顶板结构的研究；在“三软”条件下的研究；关于综放提高与优化的研究；在“三硬”条件下矿压规律的研究；关于放顶煤采场顶板结构与支架围岩关系的研究；关于网下、有夹矸等复杂条件下放顶煤采场的矿压显现规律研究等，这些成果较全面地反映了各类顶板条件下的矿压显现规律，推动了放顶煤的健康发展。前人的研究大都认定，直接顶的厚度受到放出率的控制，直接顶上方存在一个传递力的结构。它能代表强度中硬顶板结构。直接顶的厚度可根据几何关系推得。必须注意的是，直接顶的作用力有时无需支架全部承担，因为直接顶内部有时存在小结构。这在很多采场都得到了证实。当煤层上覆盖的直接顶较薄、直接顶上方存在厚层坚硬岩层时，直接顶内不再存在小结构，此时，其作用力必须由支架全部承担，采空区充填不满，坚硬老顶运动时将引起很大的冲击，这种现象在徐州局三河尖矿、兖州矿业集团公司、大同矿务局等不同程度地存在。综上所述，按常见的结构形式，综放工作面的顶板结构即为一般结构形式和坚硬梁式结构形式。2、两种顶板结构下的支架围岩关系(1)一般结构的支架围岩关系此结构下支架上的载荷由三部分组成：顶煤重量、部分或全部直接顶作用力、直接顶和老顶之间的接触应力。(2)坚硬梁式结构的支架围岩关系当直接顶厚度较小时，直接顶和顶煤以定载荷方式作用在支架上，支架同时还要承受坚硬老顶断裂时的冲击载荷，因此，坚硬梁式结构下的支架围岩关系需要用动力学方法描述。3、综放支架受力与顶板结构的关系由上述分析可知，综放面顶板压力不仅与顶板结构有关，而且与采空区充填状态有关。对于一般的顶板结构，支架设计和选择时，可用式②作为基础。此结构下水平推力不是主要矛盾，也不会有大的冲击载荷。对于坚硬梁式结构采场，顶板压力大小的预计及支架选型应采用以下步骤：(1)用式①估计在预定放出率条件下的直接顶厚度；(2)对照具体采场的顶板岩层，推断坚硬梁式结构形成的位置及可能性；(3)计算坚硬梁式结构运动的自由空间(采空区的空虚程度)；(4)估算结构失稳时最大动力载荷及力作用方向；(5)提出对支架架型及参数的要求。(三)提高煤炭回收率的技术措施经过十多年的奋斗，围绕提高煤炭回收率，展开了矿压、设备、回采工艺等一系列的研究，目前取得了工作面回收率高于80%的成果，主要的技术创新有以下4条：(1)在综放条件下试验成功并推广了沿空掘巷技术，并实现了煤巷支护锚网化，减少了大量区段煤柱。(2)研制了过渡放煤支架和端头放煤支架，使工作面回收率提高了2%以上。(3)特厚煤层采用预采顶分层铺底网技术，一方面提高了回收率，另一方面减少了混矸。(4)对回采工艺进行了重点攻关，取得了一系列优化工艺。兖矿集团兴隆庄矿优化工艺后，工作面回收率提高了5%以上。(5)采区和工作面机构尺寸向大型化发展，降低了固有损失的比例。(四)新型系列综放支架及其配套设备综放支架是综放开采技术最关键，也是区别于综采的主要设备。经过长期的研究与实践，在缓倾斜厚煤层综放工作面中确立了低位放顶煤支架为主导架型。我国目前可以设计制造适合不同倾角、不同厚度煤层和不同顶底板条件的系列支架，整机结构合理，零部件性能可靠，支架的可靠性和寿命都达到了世界先进水平。采煤机、“三机”（刮板输送机、转载机、破碎机）与支架的配套性好，运转自如。还成功地设计制造了过渡支架和端头支架两个特殊品种，使综放开采技术具有了更好的适应性和安全性。兖矿集团公司“九五”科技攻关试验成功的“缓倾斜厚煤层综放工作面成套设备”已实现了单面年产500万吨以上，进入了世界领先行列。(五)综放工作面安全保障系统综放工作面突出的安全问题主要是瓦斯、煤炭自燃和煤尘。1、综放面瓦斯涌出特点与防治措施研究表明：在低瓦斯煤层中，综放开采与分层开采矿井的绝对和相对瓦斯涌出量没有太大的差别，常规措施配套可以有效地防止综放工作面瓦斯危害。在高瓦斯矿井，综放工作面的瓦斯涌出的特点是：绝对量增加，如阳泉五矿15号层综放工作面产量是分层工作面的1.5-1.9倍，而绝对瓦斯涌出量是分层工作面的1.1-1.6倍；有效的防治措施为：(1)本层抽放或邻层抽放。(2)采空区抽放。(3)加大抽排风量和强化局部瓦斯聚集区的处理力度。实践证明，准确掌握工作面瓦斯涌出特点，采取针对性措施，可以有效解决综放面的瓦斯问题。2、综放面的煤炭自燃防治自燃发火是人们对综放开采最担心的问题之一。必须正确认识综放在自燃发火方面的利弊。一方面，综采放顶煤由于当前技术与装备的原因，有几个丢煤量大而且集中的部位，一旦出现自燃发火其严重程度和危害性比分层开采要大得多；另一方面是由于综放一次性地将若干个分层的煤采出，大大降低了开采多个分层所带来的时间长、松散煤体反复、多次被氧化造成的发火机率。我国科技人员在防灭火方面的创造性贡献在于：(1)研制成功了均压通风自动监测系统。“均压”是被证明了的防、治煤层自燃发火的有效措施，而均压的状态决定着均压的效果。过去，均压状态要靠人工逐点测定，速度慢，精度低。为了提高均压效果，利用计算机技术和传感器技术研制成功了“均压通风自动监测系统”，该系统通过计算机、传感器和控制软件，及时、准确地将系统中的各个参数用表格和图象的形式，直观地反映出来，大阿斗提高了措施的针对性和有效性，并根据有关参数的变化自动给出调压方案，使均压技术进入了更加科学的轨道。(2)研制成功了高效防灭火系列凝胶材料及相关设备。传统的防灭火材料是水、黄泥浆、砖、料石等等。近几年来陆续研制成功了经济实用的系列凝胶材料，消除了老材料存在的渗漏、干裂造成防灭火性能失效的缺陷，大大提高了防灭火效果。(3)发泡堵漏材料及相关灌注设备。发泡堵漏材料是煤矿用以堵塞巷道漏风的材料，用量极大，因而对堵漏效果和生产成本影响极大。过去采用喷射水泥沙浆，用量大，成本高，作业地点粉尘浓度高，影响施工和作业人员健康。发泡材料出现以后，材料用量减少50%，湿式作业消除了粉尘，堵漏效果良好，完全可以代替水泥沙浆。这些新设备、新材料的出现使我国煤层自燃发火防治技术提高到了一个崭新的水平。对于多数矿井来讲，自燃发火威胁问题已得到解决。3、综放面的煤尘治理由于综放的产量大，增加了放煤口和输送机产尘点，因而煤尘比普通综采工作面大，影响工人健康，威胁安全生产，根据研究，开采过程中煤尘产生量的高低主要取决于煤层含水率的高低。因此，我国把治理煤尘的重点放到了提高煤层含水率和采煤过程中主要产尘点两个方面，取得了较好的效果。采取的主要技术措施是：(1)根据水在煤层孔隙中的流动特性创造了“超前长孔静、动压结合自动切换注水系统”。该技术利用工作面超前压力对煤层的破碎作用，在适当的部位和时间，通过钻孔向煤层注入高压水。与不注水比较，注水后煤层平均水分由3.22%增加到4.39%，四个产尘部位总煤尘量降低78.1%-86%，其中呼吸性煤尘降低57.4%-67.6%。(2)对生产过程中采煤机产生的煤尘，根据其运动规律和射流的卷吸机理，发明了“二次负压降尘装置”，有效地控制煤尘外逸，其降尘效果全尘达到65.1%，呼吸性煤尘达到66.9%。三、综放开采技术的展望二十一世纪的第一个十年，综放开采技术将会取得巨大发展。1、综放工作面年产将在500万吨的基础上，达到1000万吨。2、工作面将在实现采、放、运自动化程序控制的基础上，实现整个工作面的自动化控制。3、复杂厚煤层的系列轻放支架及配套装备将得到进一步发展，以扩大综放开采技术在不同条件下的应用范围。4、顶煤破碎和冒放性理论与控制技术研究将取得巨大进展，直接指导和服务于综放开采。5、中国的综放开采技术将走出国门。OurcountrysynthesispicksputsgoesagainstthecoalminingtechnologyanditstheforecastThecoalisourcountry'sprimaryenergy,atpresenthasverifiedthereserveswillamountto900billiontons,thecoalwishesluckonmovingtoanewhomeabove50%inourcountry21stcenturyprev