大采高液压支架具有结构庞大,支撑力大等特点,在一次采全高综采工作面承担着支护顶板和煤壁、提供安全开采空间等重要任务。随着设计制造水平的提高以及实际工况需要,特厚煤层一次采全高综采工作面的液压支架高度已达到7到8米,乃至更高,已远超过大采高支架高度大于3.8米的概念,可将此类支架归为超高液压支架。在特厚煤层一次采全高开采过程中,为及时护帮、支顶,要求液压支架的支、护、移整套动作时间在8~12s内完成,势必要压缩减小各环节的动作时间,如此庞大质量的机构要在短时间内完成姿态变化及运动,其动力学问题更为突出。因此,进行超高液压支架动力学特性研究有重要意义。本文通过研究超高液压支架机构运动及动力学问题得出超高液压支架在立柱多级油缸及平衡油缸驱动下的运动规律和关键构件的相互作用力及其变化规律;分析对比在不同时间间隔内,超高液压支架升、降运动位姿变化过程中的动力学特性。对两柱式超高液压支架动力学特性研究所做主要工作如下:1)对两柱式超高液压支架进行了机构及几何参数分析,提出了超高液压支架机构在升降架位姿变化中距离变量和角度变量的表示方法,建立了顶梁保持水平升降时立柱和平衡油缸运动速度的几何关系式。2)利用拉格朗日理论建立了两柱式超高液压支架机构动力学分析数学模型。以ZY18800/36/80型和ZY17300/32/70型超高液压支架为研究对象,建立了7米高和8米高两种不同架型液压支架机构动力学方程,并对其进行了求解得到了数值解,得到了主要部件的位移、速度、加速度及其运动轨迹。3)拉格朗日动力学方程求解结果表明:当立柱和平衡油缸有效作用力分别满足关系式800-1000t(KN)和100-150t(KN)时,7米超高液压支架从最大高度7m下降到5.5m用时0.5s;从5.5m升高到7m过程中,顶梁y方向速度先逐渐增大,0.27s时顶梁受力趋近平衡,加速度变为0,此后速度逐渐降低,4.5s时上升到最大高度7m,速度降低为0,之后随着立柱作用力的继续减小,速度方向发生变化,支架上升改为下降;后连杆位姿角α和掩护梁背角φ的运动速度随时间呈线性变化;顶梁的升降架速度呈现出近似抛物线的运动特性。8米超高液压支架在立柱有效作用力300KN和平衡油缸有效作用力200KN的合力作用下,支架从最大高度8m下降到6.5m用时0.5s;顶梁y方向下降速度最大值出现在0.5s,其值为3.4m/s,x方向速度先增大后减小,最大速度出现在0.33s,速度值为0.4m/s。顶梁y方向加速度由初始值4.9 m/s2增加至8.4 m/s2,x方向加速度值从-1.6 m/s2增加至0.5s时刻的0.9 m/s2。4)应用机械系统动力学分析软件,建立了ZY18800/36/80型超高液压支架动力学仿真模型,结合拉格朗日动力学理论研究时的参数,进行了相同条件下的仿真分析,得出该液压支架升降不同高度时关键部件相互作用力的定量值。仿真结果表明:支架处在8m最大高度时,施加于立柱和平衡油缸的有效作用力分别为300kn和200kn,下降到高度6.5m需要耗时0.7s。除获得顶梁质心的速度、加速度变化规律以外,还求解了其他各运动构件产生的动力学响应结果。在这一降架动作过程中,各处铰接点除了立柱和底座铰接点受力70kn左右以外,其他铰接点受力大小均在160kn到800kn这一数量级范围。从降架过程的启动时刻开始,顶梁和掩护梁铰接点载荷大小为219kn,小于平衡油缸和顶梁铰接点载荷值266kn,之后随着支架的下降,载荷值逐渐减小;前连杆和底座铰接点载荷值从开始时刻的758kn下降到结束时刻的596kn,后连杆和底座铰接点载荷值从开始时刻的637kn下降到结束时刻的523kn;前连杆和掩护梁铰接点载荷值从开始时刻的683kn下降到结束时刻的562kn,后连杆和掩护梁铰接点载荷值从开始时刻的690kn下降到结束时刻的535kn,两处载荷数值和变化趋势很接近;在这一降架过程中,立柱和顶梁或底座的铰接点受载荷比较稳定,立柱和顶梁铰接点受载荷值为289kn,立柱与底座铰接处受载荷值为74kn。5)建立了zy20000/36/82d型超高液压支架的三维实体模型,详细设计了护帮护顶结构,完成了虚拟样机设计,对四种不同工作循环时间12s,10s,8s,6s进行了动力学仿真研究。研究结果表明:工作循环时间12s时,后连杆与底座铰接点在支架立柱升降架时,受力较大,最大值出现在降架结束时刻6s时,最大载荷值180.59kn,另两个峰值出现在降架初始时刻4.5s和升架结束时刻10s时,两者相等,载荷值为127.39kn。前连杆与底座铰接点载荷最大值出现移架结束时刻8.5s,载荷最大值为160kn,另三个峰值分别为推溜结束时刻2.5s,降架结束时刻6s,和整个循环末尾打开护帮板后11.976s,载荷值分别为142.23kn,129.3kn和141.56kn。后连杆与掩护梁铰接点载荷最大值发生在降架结束时刻6s时,最大载荷值为146.06kn,其余五个载荷峰值分别发生在2.5s,4.5s,8.5s,10s,12s,载荷值不超过100kn。前连杆与掩护梁铰接点载荷最大值同样发生在降架结束时刻6s时,最大载荷值为148.9kn,其余五个载荷峰值分别发生在2.5s,4.5s,8.5s,10s,12s,载荷值分别为121.47kn,94.43kn,137.7kn,94.62kn,120.84kn。顶梁与掩护梁铰接点所受载荷峰值发生的时间为2.52s和11.97s时,载荷值分别为87.49kn和87.41kn,由此可见,在收前探梁护帮板的开始时刻和打开前探梁护帮板结束时刻,该铰接点的载荷最大。顶梁和立柱铰接点载荷最大值发生在移架初始时刻6s和移架结束时刻8.5s时,最大载荷值为205.8kn,在同一时刻出现载荷极值的还有立柱和底座铰接点,载荷最大值为308.8kn。前探梁和一级护帮板铰接点载荷极值有四处,分别发生在收回前探梁护帮板结束及降架开始4.51s时,降架结束时刻5.976s,升架开始时刻8.52s和升架结束时刻9.984s,载荷值分别为2233kn,2365.9kn,2366.3kn,2234.1kn。同样的四个时间点,前探梁和一级护帮千斤顶铰接点载荷极值为228.2kn,241.84kn,241.87kn,228.31kn。连杆ab1和连杆bc1的载荷值与前探梁和一级护帮板铰接点载荷分布趋势相同,极值也极为相似。当护帮护顶机构收回开始2.52s和打开结束11.976s时,二级护帮板和三级护帮板铰接点、连杆ab3和连杆bc3的载荷值达到最大,三处铰接点载荷最大值分别为收回开始时的183.84kn,38.66kn,65.26kn和打开结束时的181.26kn,37.77kn,63.58kn。随着工作循环时间的缩短,各铰接点载荷值呈现出越来越激烈的趋势,在循环时间8s和6s仿真组中,某些铰接点的载荷值已经开始局部波动比较大,动力学特性凸显。分析可知,受力极值均发生在移架、升架、降架、打开收回前探梁和护帮板的启停时刻附近,即突然启动和突然停止时刻的瞬时载荷巨大。当工作循环时间缩短为6s时,前探梁和一级护帮板铰接点载荷值达到了14891kn,连杆ab1的最大载荷为14889kn。根据此载荷极值,校核验算了销轴直径。提出了zy20000/36/82d型超高液压支架工作循环时间若为8s时须满足的大流量阀性能要求和机械结构力学要求,并提出了若将循环时间提高到6s时,所需大流量阀的性能要求,并从力学角度分析了通过动力学反问题求解得到的薄弱环节,提出了保证销轴强度满足要求外,还需改进与之相关结构。6)搭建了两柱式超高液压支架加速度测试实验系统,对zy22000/39/85d型超高液压支架进行了加速度信号测试与分析。实验结果表明:该支架每次完成升降架位姿变化耗时12~14s,运动过程较平稳,加速度振动信号不明显。这是因为厂内所有液压系统共用同一个泵站,额定压力有限,加上液压管路和阀等各处压降损失,分配到实验支架处的压力和流量相对较小,很难驱动如此体积庞大的超高液压支架快速动作。为了提高支架动作速度,特在最大高度8.5米时进行了“憋压”操作,即支架达到最大高度后继续供液,使得支架液压系统中压力升高。实验结果表明,最大高度降架初始时刻振动最明显,加速度极值达到331m/s2,由于开始降架后压力也随之下降,因此运动速度没有明显提高,其余两次降架操作由于无法提高实验压力,加速度幅值范围在85~125m/s2,明显降低。三次升架实验,运动趋于平稳,振动信号相对较低,加速度幅值范围20~50m/s2。为此,选定zy10000/16/32d型液压支架进行了对比实验。该支架重量约为zy22000/39/85d型超高支架重量的三分之一,相对来说,实验现场液压系统的压力和流量可以促使该支架快速完成升降动作。实验结果表明,该支架每次完成相同高度变化的升降动作用时7~8s,相当于升降架动作的速度提高了接近50%。每次运动的突然启动和突然停止瞬间振动明显,加速度极值均出现在启停时刻附近,并且各处加速度幅值均比上一组实验大,加速度幅值范围156~490m/s2。