第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 : DOI 10． 13347 / j． cnki． mkaq． 2017． 01． 030 基于帕斯卡原理的支架初撑力增压装置 曹连民1，王忠涛1，黄利民2，刘旭东2，戴清云1，魏翠翠1 ( 1． 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590; 2． 陕西煤业化工集团神南产业发展 有限公司，陕西 榆林 719300) 摘 要: 提出一种基于帕斯卡原理的液压支架初撑力增压装置，可通过手动补液增压，提高支架 初撑力。增压装置通过增压缸、增压控制阀等主要部分串并联构成增压式液压系统回路，从逻辑 上实现增压装置的机液控制。通过仿真分析和现场试验对比分析增压装置的增压情况，结果表 明泵站压力为 31． 5 MPa 情况下，增压装置可使初撑力达到 30 MPa 以上，可有效提高初撑力，避 免由于初撑力不足引起的若干煤矿安全事故。 关键词: 液压支架; 帕斯卡原理; 初撑力; 增压装置; 机液控制 中图分类号: TD355 + ． 4 文章编号: 1003 － 496X( 2017) 01 － 0109 － 04 文献标志码: A Supercharging Device for Hydraulic Support Setting Load Based on Pascal Principle CAO Lianmin1 ，WANG Zhongtao1 ，HUANG Limin2 ，LIU Xudong2 ，DAI Qingyun1 ，WEI Cuicui1 ( 1． College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China; 2． Shanxi Coal Chemical Industry Group Shennan Industrial Development Co． ，Ltd． ，Yulin 719300，China) Abstract: In this paper，a new hydraulic support pressure boosting device based on Pascal principle is proposed，which can be im- proved by manual fluid infusion to improve setting load of support． The booster device is composed of a booster cylinder，a pressure control valve and other main parts of the hydraulic system，and the hydraulic control system is realized by logic． Through the field test， comparative analysis of supercharging device，and the results show that the pump pressure is 31． 5 MPa，and the manual pressurizing device can make early support force reached 30 MPa above，which can effectively improve the initial support force and avoid coal mine safety accidents due to the insufficient of setting load． Key words: hydraulic support; Pascal principle; setting load; supercharging device; mechanical hydraulic control 煤矿安全事故中，由于对顶板支护不当 。 减少管路压力损失 、 液压支 、 架支护性能不达标所引起的顶板过早离层等安全问 目前解决这类问题的主要方法有提高 题较为普遍 泵站压力 考虑 维护成本; 减少管路压力 提高泵站压力会增加投入 、 损失则对管路的密封性能和大流量管路 阀件提出 、 综合看来，为支架液压系统加 更高性能要求［ 设增压装置是提高初撑力，提高煤矿顶板支护安全 的可行方式 增设增压装置 、 。 。 1 － 3 ］ 。 采用机液控制技术，利用帕斯卡原理，设计了一 种液压支架初撑力增压装置，该增压装置安装在支 架换向控制阀与立柱进液口之间，与液控单向阀并 联，因此可以在不改变换向控制阀结构和不影响正 常升架的情况下，保证初撑力达到要求值［ 这 种非电气增压装置，设计结构简单，安全可靠性高， 有效地解决了由于液压支架初撑力不足引起的各类 。 4 － 6 ］ 煤矿安全隐患问题 。 1 液压系统回路设计 1． 1 设计思路分析 液压支架升架过程中，从泵站到达立柱下腔的 乳化液实际压力值较小，支架初撑力很难达到设计 值，随着顶板对支架顶梁压力的逐渐增大，会出现顶 板过早离层等问题，此时需接入增压装置，提高立柱 下腔压力，进而达到设计要求的初撑力值 考虑增 压装置进出油口的油液相对压力差较大，设计通过 油缸活塞两侧作用面积的不同实现对油液的增压 。 采用阀块设计方式，使得改进后的支架液压系统简 单可靠［ 。 1． 2 系统回路 。 7 － 9 ］ 增压式液压系统回路示意图如图 中增 升架开始时，手动换向 1。 图 1 压部分与液控单向阀并联 。 ·901· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 阀置于上位，一部分油液经液控单向阀注入立柱下 腔，一部分进入增压缸右腔，推动活塞左移完成增压 准备; 支架顶梁接触顶板后，根据液压表的变化情 况，通过操纵手动换向阀使增压缸的左腔进液右腔 出液， 2 #单向阀关闭，防止油液倒流，立柱下腔压力 快速升高，为避免增压过大，增压缸右腔接有安全 阀，保证右腔压力在安全阀预设值之内 降架时，液 控单向阀打开，立柱上腔进液下腔出液，回液同时注 入增压缸右腔，活塞左移，为下次升架增压做准备， 提高了升架的速度 。 。 底座; 2 － 1 － 底座防挤圈; 弯管; 3 － 4 － 型密封圈; 活塞; 5、7 － Y 连接钢丝 型密封圈; 缸体; 6 － 8 － O 图 2 增压缸结构图 9 － i = p p0 pa、p0 ( ) 1 分别为增压后和增压前 式中: 为增压比; i 的油液压力， MPa。 对活塞进行受力分析得: p0 ·S0 = pa·Sa 则增压缸的增压比 为: i ( ) 2 ( ) 3 右腔油液对活 、 i = S0 Sa 分别为增压缸左腔 式中: S0 、Sa 塞的压力作用面积， mm2 。 3 由式( ) 可知，可以通过改变左右腔室活塞的 压力作用面积来改变增压比，进而适应不同液压支 架增压程度不同的要求 2． 2 增压控制阀 增压准备阶段时接通进油路至增压缸右腔，增 压缸左腔接出油管路; 增压阶段时进油管路接至增 压缸左腔，增压缸右腔连通立柱下腔的管路 增压 控制阀结构图如图 。 。 3。 3 P2 增压准备阶段时，压杆处在如图 。 口连接增压缸左腔，该腔流出的油液由 相对的另一 位置，乳化液由 口进入增压控制阀，由弹簧和乳 化液压力的作用，钢球被压紧在密封座上，油液不 同时，乳化液进入增压缸右腔，推动活塞移动， 通 口流 P3 入增压控制阀， 口处压力不足以打开钢球，乳化 P3 液由顶杆的中孔 阀座 口流到增压装置外侧 。 当顶梁与顶板接触，立柱下腔压力不足时，按下压 杆，密封垫将顶杆中孔封住，使油液不能经此口溢流 排除，压杆推动顶杆运动，顶开钢球，油液经过密封 口进入弯管，流入增压缸左腔，推动活 座的中孔 、P4 、 P3 、P3 泵站; 1 － 增压缸; 5 － 换向控制阀; 2 － 安全阀; 3 － 1 # 液控单向阀; 立柱; 液压表; 手动换向阀; 4 － 10 － 2 # 液控单向阀 6、8 － 图 1 增压式液压系统回路示意图 7 － 9 － 2 增压装置结构件 2 。 。 方面 增压装置主要完成对低压乳化液的增压作用， 其中主要包括油液增压和油液控制 油液增 压采用双作用液压缸的方式，运用帕斯卡原理，使低 压油液推动活塞杆向高压油液一侧移动，实现瞬时 增加立柱下腔压力的目的 将增压系统的各组成部 分通过合理的布局连接，集成为紧凑合理的液压阀 块，即为手动初撑力增压装置，便于安装，实现初撑 力增压的功能［ 2． 1 增压缸 运用静压传递原理，将低压乳化液分别注入增 压缸两侧活塞截面不同的腔内，同样的油液压力下， 油液对活塞作用的面积越大，对其推力就越大，截面 较小一侧的油液由于受到挤压，压力瞬间升高，达到 提高油液压力的目的 增压缸结构图如图 。 10 － 11 ］ 。 2。 用增压比衡量增压装置的增压能力，增压比即 为油液增压后与增压前的压力比值: ·011· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 弹簧座; 2 － 1 － 弹簧座防挤圈; 钢球; 3 － 型密封圈; 顶杆; 5 － 4、6、7、8、11、15、17 － O 增压控制阀体; 9 － 主阀体; 14 － 12 － 10 － 压杆; 阀座; 密封座; 图 3 增压控制阀结构图 垫片; 16 － 18 － 13 － 19 － 密封垫; 弹簧 1 － 安装板; 增压控制阀; 2 － 增压缸; 3 － 弯管; 增压安全阀; 4 － 主阀体; 单向阀 6 － 7 － 图 4 初撑力增压装置 5 － 塞右移，增压缸的右腔油液压力升高，使支架立柱迅 速达到初撑需要的压力，完成液压支架升架过程 。 3 增压装置总体结构 4 液压支架初撑力增压装置总装图如图 ，主要 部分以主阀体为安装依托，通过阀件集成插装结构， 完成油路的逻辑动作，在结构体上实现了增压系统 设计有弯管，可实现增压缸左腔与增压控制 回路 阀之间的连接，同时可方便增压装置的搬运 弯管 两端焊接在主阀体和缸体的预留沉孔上，为增加装 置的安装稳定性，在增压缸底座上焊接有安装板 。 。 。 图 5 增压装置输出压力值和系统压力值 4 分析对比 增压效果 。 通过 MSC EASY5 的立柱压力值和系统压力值 。 ; 泵站的额定压力为 500 L / min 架的主进液管通径为 50 mm 仿真分析支架加装增压装置 泵站的额定流量为 ; 泵站到支 31． 5 MPa ; 主回液管通径为 ，泵站到支架的主进 回液管长度为 mm 压装置输出压力值和系统压力值如图 、 5。 65 增 250 m。 由 图 ，系统压力值仅为 5 MPa 20 MPa。 可 知，增 压 装 置 输 出 压 力 值 达 到 31 增压装置有显著的 。 手动初撑力增压装置试验机在四川航天电液控 制有限公司生产制造，并安装在井下采煤工作面 掩护式液压支架上进行了现场试 ，立柱安 ) : 不加装增压装置时支架 ; 加装增压 ZY8800 /22 /45D 验 全阀调定压力 初撑力为 23． 45 MPa 装置后支架初撑力为 试验结果显示( 泵站压力为 ，工作阻为 6 600 ; 增压式初撑力保证器增压效果明显，有效防止 30． 56 MPa ，工作阻为 39． 71 MPa 31． 5 MPa 5 224 kN kN ·111· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 48 卷 第 1 期 2017 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol． 48 No． 1 Jan． 2017 煤层顶板过早离层破碎冒落，提高了煤矿采煤工作 面安全性 。 5 结 语 。 MSC EASY5 仿真分析和 ZY8800 /22 /45D 手动液压支架初撑力增压设备通过阀块的内部 管路相互连接，实现元件之间的逻辑动作 在理论 掩 上通过 护式液压支架现场试验均能有效提高支架初撑力 。 因此，这种基于帕斯卡原理的支架初撑力增压装置 能够实现通过机械结构提高液压支架初撑力，提高 支架的实际支护性能，能够有效防止由于初撑力不 足引起顶板过早离层和支架性能下降引起各类煤矿 安全隐患问题 。 参考文献: ［ ］ 曹连民，肖兴媛，程居山，等 1 手动增压式初撑力保证 ． 器: 2010201012662 ． 2010 － 11 － 03． ［ ］ P ］ 阎建华 ［ ． 2 ］ 分析［ J ． 综采工作面支架初撑力与围岩相互作用关系 煤炭科学技术， ) : ( ， 42 2014 4 12 － 15． ］ 万峰，张洪青，韩振国 ［ 3 ． 液压支架初撑力与工作面矿压 显现关系研究［ ］ ． J 煤炭科学技术， 18． ］ 双伸缩液压支架立柱初撑力分析与研究［ J ． 2011 6 ( ， 39 ) : ［ ］ 刘欣科 4 ． 煤炭科学技术， ( 2 液压支架技术［ M ， 40 2012 ) : ］ ． ［ ］ 王国法 5 ． 83 － 86． 北京: 煤炭工业出版社， 1999． ［ ］ 姚桂玲 6 ． ］ 液压支架初撑力不足及改进对策分析［ J ． 液 压与气动， ( ) : 2012 11 124 － 125． ］ 贾春强，于洋，丁少华，等 ［ 7 ． 液压支架双伸缩立柱初撑 ］ 力控制研究［ J ． ［ ］ 孙云虎，刘民超 8 ． 煤矿机械， 影响彩棉单体柱初撑力的设备因素 34 － 36． ， 31 2010 ) : 4 ( 中国煤炭， ］ 研究［ J ． 支架初撑力对综采软厚煤层煤壁稳定性影响数 51 － 54． ， 35 2009 ) : 8 ( ［ ］ 黄洋 9 ． 中国煤炭， ］ 值计算研究［ J ． 提高液压支架初撑力的探讨［ ］ ． J ( 8 ］ 李富国，杨捷 ］ 冯旻，高郁 ， 22 110 － 111． 术， ， 41 2015 2003 ) : ) : 4 ( ． 66 － 71． ． BY3B320 － 17 /35 ［ 10 ［ 11 煤炭技 液压支架初撑力对 ) : 煤矿机械， ( ， 28 2 2007 ］ 工作面矿压显现的影响［ J ． 60 － 61． 作者简介: 曹连民( 1978 － ) ，山东陵县人，副教授，硕士 研究生导师，博士，2012 年毕业于山东科技大学，主要从事 电液控制、矿山机械等方面的研究工作。 ( 收稿日期: 2016 － 08 － 11; 责任编辑: 李力欣 ) 108 页) 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼 ( 上接第 泵压力输出头接至自封嘴，进行打压，直至封孔器膨 胀封住钻孔至适当压力为止，撤掉打压泵，拧紧锁紧 螺母，封孔完成; 注水 结束后，不再需要封孔时，松开自封嘴锁紧螺母，压 动锁压芯，压力泄掉，封孔器恢复原状，由钻孔取出 准备下次使用 工作面煤层注水防尘效果分析 ( 煤层注水技术在车集煤矿的应 ( 2 分段注水机理及应用研究［ ］ ． J ( 2011 ［ ］ 郭胜均，龚小兵，刘奎，等 6 ) : 4 综掘面分段式封孔注水降 煤矿开采， ］ 用［ ． J ［ ］ 刘奎 掘进面 5 2008 三压带 中国安全科学学报， 2009 ］ 张红军，刘雨涛，陈宇 ［ 4 接通注水管道，开始注水; ［ ］ 朱计民，刘焕石 3 煤矿现代化， 109 － 114． ］ ［ J ． 87 － 88． 39 － 40． ． 305 ③ ④ ) : ) : “ ” S1 ． ． ． 。 5 结 语 。 介绍了矿用新型自锁压注水封孔器的结构与工 作原理 矿用新型自锁压注水封孔器即具有水泥砂 浆的长期可靠封孔性能，确保打压连接拆除前锁住 水压，又具有传统橡胶封孔器的重复利用 封孔速度 、 快等双重优点 。 参考文献: ］ 尘技术的应用［ J ． 矿业安全与环保， ( ) : 2009 S1 54． ［ ］ 龚小兵，郭胜均，刘奎，等 7 ． 掘进面分段式封孔注水降 ］ 尘机理研究［ J ． 矿业安全与环保， ) : 2009 30 － 33． 综放面特殊煤层的注水降 S1 ］ 吴国友，刘奎，郭胜均，等 ［ 8 ． 尘研究［ ］ ． J 采矿与安全工程学报， ) : 99 － 103． 煤巷综掘工作面煤层注水防 2008 1 ( ( ］ 何正勇，程国军，戴广龙 ［ ． 9 煤矿安全， ］ 尘技术［ J ． ［ 10 ］ 翟华，王怀新 ． ］ 中的应用［ J ． ( 1 2007 ) : 浅孔动压注水在 “ ( 煤炭技术， 12 － 15． 三软 ) : ” 2004 1 36 － 37． 不稳定厚煤层 ［ ］ 梁为，蒋蓉，陈学习 1 ］ ［ J ． 煤炭技术， ］ 朱建安，郭培红 ［ 2 ) : 机械， ( ． 2007 8 41 － 43． ． ( ) : 2009 9 4 － 6． 水力膨胀式自动封孔器的研制 作者简介: 李 坤( 1987 － ) ，男，河南商丘人，在读硕士 研究生，主要从事安全工程和煤层气地质领域方面的研究。 ］ 耐高压水力封孔器的研制［ J ． 矿山 ( 收稿日期: 2016 － 03 － 31; 责任编辑: 李力欣) ·211· 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net