超前支护液压系统探究
1液压系统的总体设计
支架组由前，后支架及中间推移机构组成。前架全部油缸采用本架手动先导控制，后架立柱采用本架手动先导控制与邻架手动先导控制，其他油缸采用本架手动先导控制，中间推移机构油缸由前架控制。
1.1支架主要回路设计
（1）进回液回路设计
从工作面主进液管路过来的高压液经三通分流，分别经自锁球形截止阀，反冲洗过滤器，进入前，后架操纵阀组；前，后架操纵阀组的回液分别经回液断路阀到主回液管，保证了前，后架管路的独立性。
（2）前架立柱升降回路设计
前架立柱升降回路完成立柱的升柱，降柱，原理如所示。进，回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排由本架手动先导控制，每根立柱配FDY480/50液控单向阀和500L安全阀。
（3）后架立柱升降回路设计
后架立柱按设计要求，本架和前架都能完成立柱的升柱，降柱。因此，进，回液管路加装交替单向阀，原理如所示。进回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排可由本架手动先导控制和前架手动先导控制，每根立柱配FDY480/50液控单向阀和500L安全阀。
（4）其他千斤顶回路设计
支架一，二级侧翻梁千斤顶管路加装液控双向锁闭锁油缸的上，下腔，并且在活塞腔安装阻尼弯头限制液体的流量。斜撑千斤顶管路加装液控单向锁闭锁油缸的下腔。底调千斤顶管路加装液控单向锁闭锁油缸的上腔。
1.2支架主要液压元件的选用
（1）操纵阀的选用
支架选用18功能和12功能OHE手动先导阀。该阀采用紧凑的整体式结构，先导阀进液管路设液控单向阀和高精度过滤（Web中数据过滤办法研讨）器，回液管路设液控单向阀，保证先导阀用液的清洁度。其中，前架操纵阀组由2组18功能和1组12功能OHE手动先导阀组成，后架操纵阀组由2组18功能OHE手动先导阀组成。
（2）反冲洗过滤器的选用
反冲洗过滤器包含过滤器阀壳和过滤器元件，主要用于支架高压乳化液的过滤，大于过滤器过滤精度的杂质颗粒会被挡住和截留，保证了乳化液的质量。采用反冲洗过滤器的液压支架液压系统可使液压元件特别是易损件的使用寿命显着提高，大大降低液压系统的故障率，改善支架的综合性能。
从泵站输出的高压乳化液，经泵站过滤装置和高压过滤站，到达工作面支架。高压乳化液从反冲洗过滤器的P1口进入，经2个并联滤芯的过滤从P2口流出，通过控制阀控制千斤顶的动作，如所示。乳化液中的污染物被挡在滤芯外侧，扳动左侧的手柄，改变球阀的液流方向，使右侧高压液由左侧滤芯反向高速流出，将左侧滤芯外部的杂质由排污口冲出，如需冲洗右侧滤芯，对右侧手柄进行同样操作即可。
（3）交替单向阀的选用
支架组后架的立柱即要求本架能控制，又要求前架能控制，为满足设计要求，后架立柱管路中需加装交替单向阀。本系统采用定向回液交替单向阀，要求低压液定向回液到本架。
2使用中存在的问题及改进
2.1地面组装试验中出现的问题
地面组装试验中，当后架组装完毕试验时，出现立柱导向套损坏，主要原因是由于立柱回路接有交替单向阀，最初设计低压液定向回液到前架，在后架单架试验时由于前架断开，回液不通，立柱上腔压力急剧增大，导致缸口处发生塑性变形，造成立柱缸口和导向套损坏，导向套被拉出。为避免单架操作回液不通，低压液定向回液到本架。
2.2井下使用中出现的问题。
（1）一，二级侧翻梁动作太快
最初设计一，二级侧翻油缸接孔径为准3mm阻尼插，弯头，但在井下使用中，动作仍然较快。为此，将阻尼插，弯头孔径由准3mm改为准2mm，并接在油缸的活塞腔。
阻尼插，弯头孔口的长径比l/d>4，为细长孔。通过细长孔的液流为层流，其流量可用哈根-泊肃叶公式计算，即q=πd4128ηlΔp式中d―――阻尼孔孔径；η―――油液黏度；Δp―――阻尼孔前后的压力差。
阻尼孔前后的压差Δp可以按局部压力损失公式进行计算，即Δp=ζρv22式中ζ―――局部阻力系数，管道缩小处的局部阻力系数；ρ―――液体密度；v―――液体的平均流速。
可见，液体流经阻尼插，弯头孔口的流量与阻尼孔前后的压差Δp成正比，并受油液黏度η变化的影响，与孔径的四次方成正比。可见当阻尼孔径由准3mm改为准2mm，其流量将大大减小。
（2）侧翻油缸出现导向套损坏
井下使用中出现一，二级侧翻梁油缸导向套被拉出而损坏。为此，对导向套螺纹处的强度进行了验算。
缸筒与导向套用螺纹连接时，导向套螺纹处的强度计算如下：
螺纹处的拉应力σ=KFπ4（D2-d2）×10-6
螺纹处的剪应力τ=K1KFd00.2（D3-d3）×10-6
合成应力σn=σ2 3τ2≤σp
许用应力σp=σsn0
式中F―――缸筒端部承受的最大推力，N；
D―――缸筒外径；
d1―――螺纹大径；
d0―――螺纹小径；
K―――拧紧螺纹的系数，取K=1.4；
K1―――螺纹连接的摩擦因数，取K1=0.12；
σs―――缸筒材料的屈服极限，45钢屈服极限为345MPa；
n0―――许用安全系数，取n0=1.75；
侧翻梁油缸规格为准80/准60，导向套螺纹公称直径为M85×2.经计算导向套螺纹处安全系数为1.95>1.75.从设计上看，强度满足要求，但安全系数稍微偏低。当一，二级侧翻油缸动作较快时会对导向套造成持续冲击，在冲击载荷的作用下就可能出现导向套损坏。因此，将油缸活塞腔阻尼插头孔径由准3mm改为准2mm以降低侧翻油缸的动作速度，并将导向套材料改为40Cr来增大安全系数。
40Cr屈服极限为490MPa，导向套螺纹处安全系数为2.77.
3结语
该型支架组液压系统经过改进后，现已经有十几组正在井下使用，现场使用表明该支架组液压系统设计合理，操作维护方便，故障率低，满足了现场使用要求。由于该液压系统结构复杂，随着向各种地质条件的推广应用，手动先导控制将不能满足使用要求，远程控制和电液控制将是系统改进完善的一个方向。
支架组由前，后支架及中间推移机构组成。前架全部油缸采用本架手动先导控制，后架立柱采用本架手动先导控制与邻架手动先导控制，其他油缸采用本架手动先导控制，中间推移机构油缸由前架控制。
1.1支架主要回路设计
（1）进回液回路设计
从工作面主进液管路过来的高压液经三通分流，分别经自锁球形截止阀，反冲洗过滤器，进入前，后架操纵阀组；前，后架操纵阀组的回液分别经回液断路阀到主回液管，保证了前，后架管路的独立性。
（2）前架立柱升降回路设计
前架立柱升降回路完成立柱的升柱，降柱，原理如所示。进，回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排由本架手动先导控制，每根立柱配FDY480/50液控单向阀和500L安全阀。
（3）后架立柱升降回路设计
后架立柱按设计要求，本架和前架都能完成立柱的升柱，降柱。因此，进，回液管路加装交替单向阀，原理如所示。进回液均采用DN12管路，4根立柱分前，后排可由本架手动先导控制和前架手动先导控制，每根立柱配FDY480/50液控单向阀和500L安全阀。
（4）其他千斤顶回路设计
支架一，二级侧翻梁千斤顶管路加装液控双向锁闭锁油缸的上，下腔，并且在活塞腔安装阻尼弯头限制液体的流量。斜撑千斤顶管路加装液控单向锁闭锁油缸的下腔。底调千斤顶管路加装液控单向锁闭锁油缸的上腔。
1.2支架主要液压元件的选用
（1）操纵阀的选用
支架选用18功能和12功能OHE手动先导阀。该阀采用紧凑的整体式结构，先导阀进液管路设液控单向阀和高精度过滤（Web中数据过滤办法研讨）器，回液管路设液控单向阀，保证先导阀用液的清洁度。其中，前架操纵阀组由2组18功能和1组12功能OHE手动先导阀组成，后架操纵阀组由2组18功能OHE手动先导阀组成。
（2）反冲洗过滤器的选用
反冲洗过滤器包含过滤器阀壳和过滤器元件，主要用于支架高压乳化液的过滤，大于过滤器过滤精度的杂质颗粒会被挡住和截留，保证了乳化液的质量。采用反冲洗过滤器的液压支架液压系统可使液压元件特别是易损件的使用寿命显着提高，大大降低液压系统的故障率，改善支架的综合性能。
从泵站输出的高压乳化液，经泵站过滤装置和高压过滤站，到达工作面支架。高压乳化液从反冲洗过滤器的P1口进入，经2个并联滤芯的过滤从P2口流出，通过控制阀控制千斤顶的动作，如所示。乳化液中的污染物被挡在滤芯外侧，扳动左侧的手柄，改变球阀的液流方向，使右侧高压液由左侧滤芯反向高速流出，将左侧滤芯外部的杂质由排污口冲出，如需冲洗右侧滤芯，对右侧手柄进行同样操作即可。
（3）交替单向阀的选用
支架组后架的立柱即要求本架能控制，又要求前架能控制，为满足设计要求，后架立柱管路中需加装交替单向阀。本系统采用定向回液交替单向阀，要求低压液定向回液到本架。
2使用中存在的问题及改进
2.1地面组装试验中出现的问题
地面组装试验中，当后架组装完毕试验时，出现立柱导向套损坏，主要原因是由于立柱回路接有交替单向阀，最初设计低压液定向回液到前架，在后架单架试验时由于前架断开，回液不通，立柱上腔压力急剧增大，导致缸口处发生塑性变形，造成立柱缸口和导向套损坏，导向套被拉出。为避免单架操作回液不通，低压液定向回液到本架。
2.2井下使用中出现的问题。
（1）一，二级侧翻梁动作太快
最初设计一，二级侧翻油缸接孔径为准3mm阻尼插，弯头，但在井下使用中，动作仍然较快。为此，将阻尼插，弯头孔径由准3mm改为准2mm，并接在油缸的活塞腔。
阻尼插，弯头孔口的长径比l/d>4，为细长孔。通过细长孔的液流为层流，其流量可用哈根-泊肃叶公式计算，即q=πd4128ηlΔp式中d―――阻尼孔孔径；η―――油液黏度；Δp―――阻尼孔前后的压力差。
阻尼孔前后的压差Δp可以按局部压力损失公式进行计算，即Δp=ζρv22式中ζ―――局部阻力系数，管道缩小处的局部阻力系数；ρ―――液体密度；v―――液体的平均流速。
可见，液体流经阻尼插，弯头孔口的流量与阻尼孔前后的压差Δp成正比，并受油液黏度η变化的影响，与孔径的四次方成正比。可见当阻尼孔径由准3mm改为准2mm，其流量将大大减小。
（2）侧翻油缸出现导向套损坏
井下使用中出现一，二级侧翻梁油缸导向套被拉出而损坏。为此，对导向套螺纹处的强度进行了验算。
缸筒与导向套用螺纹连接时，导向套螺纹处的强度计算如下：
螺纹处的拉应力σ=KFπ4（D2-d2）×10-6
螺纹处的剪应力τ=K1KFd00.2（D3-d3）×10-6
合成应力σn=σ2 3τ2≤σp
许用应力σp=σsn0
式中F―――缸筒端部承受的最大推力，N；
D―――缸筒外径；
d1―――螺纹大径；
d0―――螺纹小径；
K―――拧紧螺纹的系数，取K=1.4；
K1―――螺纹连接的摩擦因数，取K1=0.12；
σs―――缸筒材料的屈服极限，45钢屈服极限为345MPa；
n0―――许用安全系数，取n0=1.75；
侧翻梁油缸规格为准80/准60，导向套螺纹公称直径为M85×2.经计算导向套螺纹处安全系数为1.95>1.75.从设计上看，强度满足要求，但安全系数稍微偏低。当一，二级侧翻油缸动作较快时会对导向套造成持续冲击，在冲击载荷的作用下就可能出现导向套损坏。因此，将油缸活塞腔阻尼插头孔径由准3mm改为准2mm以降低侧翻油缸的动作速度，并将导向套材料改为40Cr来增大安全系数。
40Cr屈服极限为490MPa，导向套螺纹处安全系数为2.77.
3结语
该型支架组液压系统经过改进后，现已经有十几组正在井下使用，现场使用表明该支架组液压系统设计合理，操作维护方便，故障率低，满足了现场使用要求。由于该液压系统结构复杂，随着向各种地质条件的推广应用，手动先导控制将不能满足使用要求，远程控制和电液控制将是系统改进完善的一个方向。
