综采工作面液压支架设计.doc

+ 毕 业 设 计（论文） （说 明 书） 题 目：综采工作面液压支架设计 姓 名： 编 号： 平顶山工业职业技术学院 年 月 日 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 姓名 专业 任 务 下 达 日 期 年 月 日 设计（论文）开始日期 年 月 日 设计（论文）完成日期 年 月 日 设计（论文）题目： 综采工作面液压支架设计 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 年 月 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计（论文）答辩委员会记录 系 专业，学生 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。 设计题目： 专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答 辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。 答辩委员会 人，出席 人 答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语 第 页 共 页 学生姓名： 专业 年级 毕业设计（论文）题目： 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日 成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日 毕业设计（论文）及答辩评语： 综采工作面液压支架设计 摘 要 综合机械化采煤具有产量大、效率高、成本低、改善作业环境、减轻笨重 的体力劳动等优点，是煤炭工业回采工作面生产技术的发展方向。 随着机械化采煤技术的高速发展，各种类型的液压支架正在我国各局、各 矿推广使用，并已获得了很好的效果，本论文主要阐述了一般掩护式液压支架 的设计过程。设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计和液压系 统的设计。 由于该煤层厚度适中，选用掩护式液压支架。煤层厚度介于之间，m8 . 35 . 2 煤层厚度变化较大，选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支 架。支架采用正四连杆机构，以改善支架受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做 成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范 围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。为了提高 移架速度，确保对顶板的及时支护，采用锥阀液压系统。 关键词：液压支架，正四连杆机构，综合机械化采煤，支架选型，箱体结构 目 录 摘摘 要要1 第第 1 章章 液压支架的系统概述液压支架的系统概述3 1.1 液压支架的组成和分类 3 1.2 液压支架的工作原理 6 1.3 支架的支护方式及选型的基本参数 9 第第 2 章章 液压支架的总体设计液压支架的总体设计11 2.1 液压支架的选型和基本参数的确定 .11 2.2 采煤机、液压支架和输送机的配套 .17 2.3 四连杆机构设计 .19 2.4 顶梁长度立柱及柱窝位置的确定 .20 2.5 平衡千斤顶位置的确定 .25 第第 3 章章 液压支架受力分液压支架受力分析析和计算和计算28 3.1 液压支架的受力分析和支护强度计算 .28 3.2 底座比压的计算和支架支护效率 .30 第第 4 章章 液压支架的主要部件的设计液压支架的主要部件的设计31 4.1 前梁、主顶梁及掩护梁 .32 4.2 前、后连杆和底座 .34 4.3 立柱和千斤顶 .35 第第 5 章章 液压系统设计液压系统设计37 5.1 液压支架的液压系统简介及确定 .37 5.2 液压元件的选取 .40 5.3 控制系统 .41 参考文献参考文献45 致谢词致谢词46 第 1 章 液压支架的系统概述 1.1 液压支架的组成和分类 1.1.1 液压支架的组成 液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采区顶板，维护安全作业空间， 推移工作面采运设备。 液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用 关系般分为三大类，即支撑式(图 1-a)、掩护式(图 1-b)和支撑掩护式(图 1-c) 根据支架各部 件的功能和作用，其组成可分为 4 个部分： 1. 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶 板和垮落岩石的载荷。 2. 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。 3. 控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、 电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。 图 1.1 液压支架类型 a支撑式液压支架； b掩护式液压支架； c支撑掩护式液压支架 1顶梁；2立柱；3底座；4刮板运输机；5推移千斤顶；6掩护梁； 7限位千斤顶；8平衡千斤顶 4. 辅助装置，如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、 防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。 1.1.2 液压支架的分类及特点 按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液 压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面 端头以外的采煤工作面所有位置的支架。 中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑 掩护式。 1 支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛 式支架（图 1.2 a）和节式支架（图 1.2 b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送 机连接并互为支点整体前移。节式支架由个框节组成，移架时，各节之间互为支点交32 替前移，输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。 支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在左右；立柱多，一般是根，且垂m464 直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间 内。 支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板 重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能 力差，矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。 由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的 条件。 (a) (b) 图 1.2 支撑式支架结构形式 垛式支架 节式支架ab 2 掩护式支架 其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、 操纵阀等组成。 它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上 端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构， 以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。 掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。这种支架 的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。 通常顶梁较短，一般为左右。3.0mm 掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠 近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板 反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。 由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量 少的破碎顶板条件。 3 支撑掩护式支架 其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。 支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。 因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适应各种顶底板条件。 此种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应 用范围广。 它的缺点是：结构复杂，成本较高。 支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。 通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排 立柱支撑在顶梁上。 特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于 以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。 1.2 液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供 给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来实现完成的。如图 1.3 示 1. 升柱 当需要支架上升支护顶板时。高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上 升，使与活塞杆相连接的顶梁接触顶板。 2. 降柱 当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶 梁脱离顶板。 图 1.3 液压支架工作原理 -顶梁 -立柱 -底座 -推移千斤顶 -安全阀 -液控单向阀 123456 、-操纵阀 -输送机 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管789101112 3. 支架和输送机前移 支架和运输机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时， 先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点， 缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推运输机时，支架支撑顶板后，高压液进入推 移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，是活塞杆伸出，把运输机推向煤壁。 支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图 1.4 所示： 支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段 -初撑阶段； -增阻阶段； -恒阻阶段；-初撑力；-工作阻力 0 t 1 t 2 t 1 P 2 P （1）初撑阶段 支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加， 当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑 力，此阶段为初撑阶段， 0 t 此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为 (1-1) 32 10 4 nPDP bc KN 图 1.4 支架的工作特性曲线 式中 -支架立柱的缸径，；Dm -泵站的工作压力，； b PMPa -支架立柱的数量。n 由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理 的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全 生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。 （2）承载增阻阶段 支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调正压力，立 柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段。 1t （3）恒阻阶段 随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开 而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，安 全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为 恒阻阶段。此时支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。 2 t 支撑式支架的工作组力为 (1-2) 32 10 4 nPDP a KN 式中 -支架安全阀的调定压力 ； a PMPa 支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。 对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响 因素。 支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的 顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支 护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即 (1-3) 3 10 F P qMPa 式中 支架的支护面积，。F 2 m 1.3 支架的支护方式及选型的基本参数 1.3.1 支护方式 综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。 3 个工序的不同组合顺序，可形成液 压支架的 3 种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。 1 即时支护 般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是， 顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。 2 滞后支护 一般循环方式为：割煤一推溜一移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距 大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。 3 复合支护 般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。 复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件， 但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。 1.3.2 支架选型的基本参数 1 对液压支架的基本要求 （1）为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力， 以便有效地控制顶板，保证合理的下沉量。 （2）液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为左右；移架力按煤层KN100 厚度而定，薄煤层一般为,中厚煤层一般为,厚煤层一般为KNKN150100KNKN250150 。KNKN400300 （3）防矸性能要好。 （4）排矸性能要好。 （5）要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有 害气体等安全方面的要求。 （6）为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。 （7）调高范围要大，照明和通讯方便。 (8) 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。 （9）要求支架有足够的刚度，能够承受一定得不均匀载荷和冲击载荷。 (10）满足强度条件下，尽可能的减轻支架重量。 (11）要易于拆卸，结构要简单。 (12）液压元件要可靠。 2 设计液压支架必需的基本参数 (1) 最大和最小采高 根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。 给定煤层厚度：2.5 3.8m （2）瓦斯等级 根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。 给定条件：瓦斯等级 1 级 (3）底板岩性及小时涌水量 根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。 (4) 工作面煤壁条件 根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。 (5) 煤层倾角 根据煤层倾角，决定是否选用防倒防滑装置。 给定条件：煤层倾角 o 8 (6) 井筒罐笼尺寸 根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。 (7) 配套尺寸 据配套尺寸及支护方式来计算定量长度。 第 2 章 液压支架的总体设计 2.1 液压支架的选型和基本参数的确定 2.1.1 液压支架的选型 正确选择液压支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效 能，实现高产高效，是一个很重要的因素。在具体选择架型时，首先要考虑煤层的顶板条件。 表 2.1 是根据国内外液压支架的使用经验，提出了各种顶板条件下适用的架型，它是选择支 架的主要依据. 由于给定参数中顶底版性质：老顶 I 级、直接顶 2 级，底板平整，无影响支架通过的断 层，初步选择为掩护式支架。 1 煤层厚度 煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层 厚度大于(软煤层下限，硬煤层上限)时，应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩2.5 2.8m 护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。因此本次设计 应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。 2 煤层倾角 煤层倾角主要影响支架的稳定性、倾角大时易发生倾倒下滑等现象。当煤层倾角大于 时，应设防滑和调架装置，当倾角超过时，应同时具有防滑防倒装置。给定煤层10 15o18o 倾角，不用设置防滑和调架装置。 o 8 3 底板性质 底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定 了支架地做的结构和支撑面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板允 许比压（对于砂岩底板，允许比压为,软底板为左右）MPa16 . 2 96 . 1 MPa98 . 0 4 瓦斯涌出量 对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。 表 2.1 老顶级别IIIIIIIV 注：括 号内的数 字是掩护 式支架的 支护强度。 表中所列 支护强度 在选用时， 可根据本 矿情况允 许有 5%的波动范围。 直接顶级别12312312344 支撑式采高 小于 2.5m 时 支架类型掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 掩 护 式 掩 护 式 或 支 撑 掩 护 式 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 或 支 撑 掩 护 式 支 撑 或 支 撑 掩 护 式 支撑 掩护式 采高 大于 2.5m 时 支架 支护 强度 a MP 采 高 1 2 3 4 0.294 0.343（0.2 45） 0.441（0.3 43） 0.539（0.4 41） 1.30.294 1.30.343（ 0.245） 1.30.441（ 0.343） 1.30.539（ 0.441） 1.60.294 1.60.343 1.60.441 1.60.539 20.294 20.343 20.441 20.539 应结合 深孔爆破 ，软化顶 板 等措施 处理采空 区 单体 支柱 支护 强度 采 高 1 2 3 . 0.147 0.245 0.343 1.30.147 1.30.245 1.30.343 1.60.147 1.60.245 1.60.343 按采空区 处理方法 确定 表中 1.3、1.6、2 分别为 II、III、IV 级老顶的分级增压系数；IV 级老顶只给出最低值 2，选用时可 根据本矿实际确定适宜值。 5 地质构造 地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在和 2 5 8m 以下时，暂不宜采用液压支架。20min 6 设备成本 在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。 此外，对于特定的开采要求，应选用特种支架。 2.1.2 液压支架参数的确定 1 支护强度和工作阻力 支护强度取决于顶板性质和煤层厚度。支护强度可根据下列公式估算： （2-1）MPaKHq 5 10 式中 K作用与支架上的顶板岩石系数，一般取。顶板条件好、周起来压不明显5 8 时取下限，否则取上限； H采高，m 顶板岩石密度，一般为MPa7 . 05 . 0 放顶煤支架的支护强度一般为MPa7 . 05 . 0 支架工作阻力 P 应满足顶板支护强度的要求，即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定。 （2-KNqFp 3 10 2） 式中 F支架的支护面积，可按下式计算 2 m (2-3) 1 ()()()FLC BKLC A 2 m 式中 支架顶梁长度,Lm 两端距, Cm 支架顶梁宽度， Bm 架间距, 1 Km 支架中心距, Am 对于支撑式支架，支架立柱的总工作组力等于支架工作阻力。对于掩护式和支撑掩护式 支架，由于受到立柱倾角的影响，支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支 架立柱的总工作阻力的比值，称为支架的支撑效率 ，所以支架立柱的总工作阻力为 总 P （2-4）KN P P 总 支撑式支架的、支撑掩护式和掩护式支架取左右。=100%80% 2 初撑力 初撑力的大小是相对与支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。较大的初撑力可以 使支架较快地达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等 稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的 80%；对于稳定 顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的 60%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免 大面积的垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的 75%。 3 移架力与推溜力 移架力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关。一般薄煤层 支架的一架力为;中等厚度煤层支架为;厚煤层为。推100 150KN150 300KN300 400KN 溜力一般为.100 150KN 4 支架调高范围 支架最大结构高度 (2-5)mSMH1 . 43 . 08 . 3 1maxmax 支架最小结构高度 (2-6)mSMH3 . 22 . 05 . 2 2minmin 式中 、煤层最大、最小采高 max M min M 伪顶冒落的最大厚度，一般取 1 Sm3 . 02 . 0 顶板周期来压时的最大下沉量、移架使支架的下降量和顶梁上、底座下 2 S 的浮矸、煤层厚度之和，一般取m35 . 0 25 . 0 确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度。 支架的伸缩比 （2-78 . 1 3 . 2 1 . 4 min max H H KS 7） 值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚 s K 度变化的能力越强，采用单伸缩立柱，值一般为 1.6 左右。若进一步提高伸缩比，需采 S K 用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱，其值一般为 2.5 左右。薄煤层厚度可达。由于 s Km3 又考虑到煤层厚度较高，初选双伸缩立柱。78. 1 S K 5 中心距和宽度的确定 支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用 .大采高支架为提高稳定性中心距可采用，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬m5 . 1m75 . 1 家的要求，中心距可采用。因此设计中预取 1.5m。m25. 1 支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。 支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为。当支架中心距为时，mm200170m5 . 1 最小宽度一般取,最大宽度一般取。当支架中心距为时，mm14301400mm16001570m75 . 1 最小宽度一般取，最大宽度一般取。当支架中心距为时，mm16801650mm18801850m25 . 1 如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度一般取，最大宽度一般取mm11801150 ，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取。mm13501320mm12001150 6 底座宽度 底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑 如下诸方面： 支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、 推移装置和其他辅助装置；使于人员操作和行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架 的底座长度取 3.5 倍的移架步距一个移架步距为，即左右；支撑掩护式支架的底m6 . 0m1 . 2 座长度取 4 倍的移架步距，即左右。 m4 . 2 2.2 采煤机、液压支架和输送机的配套 1 采煤机、液压支架和输送机的配套 综采工作面采煤机、液压支架和输送机之间在性能参数、结构参数、空间尺寸及相互连 接等方面，有着严格的配套要求，以保证综采工作面的最大生产能力和安全生产的要求。 （1）生产能力的配套 采煤机是综采工作面的主要生产设备，综采工作面的生产能力主要取决于采煤机的落煤 能力。因此，为保证采煤机生产能力的发挥，工作面输送机的生产能力要大于采煤机的生产 能力，液压支架移架的速度应大于采煤机的牵引速度。通常与采煤机配套的工作面输送机， 液压支架、平巷转载机、可伸缩皮带机等设备，其生产能力要按采煤机生产能力的 120%计 算。 （2）性能配套 综采工作面“三机”性能配套，主要通过设备结构参数的配套来实现，以解决设备性能 间互相制约的问题。如采煤机的摇臂长度应大于输送积机尾的长度，这样才能保证采煤机割 煤到输送积机尾底座端部。 （3）几何关系的配套 为便于司机观察和操作，并考虑顶板下沉量的影响，适应顶底板起伏以及煤层变化、 机身调斜等情况，使采煤机沿工作面顺利通过，要求支架顶梁和采煤机工作面之间留有足够 的空间，该空间高度 C 称为过机高度，一般 C 小于。mm250150 采机底托架应有足够的高度，以保证过煤高度。mmE400250 从安全角度考虑，F 应愈小愈好，但却受到机器结构参数等因素的约束，由图可知 (2-8)xGeBF 式中 煤壁与输送机铲板之间的距离。，以防止采煤机滚筒在输送emmE200100 机弯曲段切割铲煤； 立柱倾斜时的水平增距；x 输送机宽度，由铲煤机宽度 f,输送机中部溜槽宽度、电缆槽和导向槽宽度GS 及前柱与电缆槽间的距离组成；ab 其它符号的意义同前 为避免由于输送机偏斜时采煤机截割顶梁、支架梁端与煤壁间应留有。mm400200 从前柱到梁端的距离 L 为 (2-9)LFBDx 支架工作时的最小支撑高度 H 为 (2-10)HACt 其中 顶梁厚度t 采煤机机面高度，为采煤机机身高度、输送机高度和底托架高度和A 2 其他附属设备的配套 煤层倾角大于时，采用链牵引的采煤机应设置防滑装置；当倾角大于时应安装防10o16o 滑绞车，输送机应设置防滑锚固装置，支架也应有防倒防滑和调架装置；而对于大采高工作 面设备，煤层倾角大于时，即应设防滑装置。10o 落煤块度过大时，工作面转载机上应设置破碎装置。 本设计采用配套 液压支架 北京煤机厂42/23/4410YY 采煤机 20022MG 刮板运输机：264/764SGZ 图 2.2 配套图 2.3 四连杆机构设计 2.3.1 四连杆机构的作用 四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一。其作用概括起来主要有 两个：其一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似 双纽线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其 二是使支架能承受较大的水平力。 为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连杆机构的作用。下面通过四连杆机构 动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些特征是四连杆动作过程的必然结果。 1.支架高度在最大和最小范围内变化时，顶梁端点运动轨迹的最大宽度，最好70emm 为以下；mm30 2.支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与底平面的夹角，pQ 应满足如下要求： 支架在最高位置时，；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑， oo P6252 oo Q8575 防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，如果刚和矸石的摩WtgP 擦系数，则，为了安全可靠，最低工作位置应使为宜。而角主要0.3W o P 7 . 16 o p25Q 考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。 一般取,在特殊情况下需要角度较小时,可提高后连杆下铰点的高度； oo Q3525 3.掩护梁与顶梁铰点和瞬心中心间的只限于水平线夹角,满足。原因是角直0.35tg 接影响支架承受附加力的数值大小。 其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动， 又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板防止底座向后移，使整个支架产生顺 时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座 前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负 荷。 用优选设计法设计四连杆机构 目标函数的确定：令支架由高到低时，顶梁前端运动轨迹近似呈斜线；这样比用直线作 为目标函数的双纽线的上半部分要长。 四连杆机构的几何长度及最高最低位置时对应的夹角就确定。该四连杆机构不仅能满足工作 高度的要求，而且在支架下降时，顶梁前端向前倾斜，这样有利于改善支架的受力状况。 2.4 顶梁长度立柱及柱窝位置的确定 2.4.1 顶梁长度的确定 为防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不切割顶梁在设计时要求顶梁前端距煤壁 最小距离为mm30 参照三机配套 液压支架 北京煤机厂42/23/4410YY 采煤机20022MG 刮板运输机：264/764SGZ 由于选择掩护式支架，b 的长度按下式计算 （2-0.3bKdHtgC 11） 式中 人行道宽度不小于 0.6me 立柱倾角a 支架高度H 顶梁全长 1 LbL 式中柱窝到铰接轴的距离，通常取 1 L 1 1 2 Lb 图 2.3 顶梁长度图 此外应注意采用及时支护方式，即先移架后推溜，因此要求顶梁有较大长度。 2.4.2 立柱及柱窝位置的确定 1. 立柱间距选取原则 有利于操作，行人和部件的和理布置。前后两排立柱间距一般取。m5 . 11 2. 立柱的设计 （1）支护面积 支架的支护面积按下式计算： (2-12)(LgbF CC 式中： 支护面积() c F 2 m 顶梁宽度，取 1.5m c b 顶梁长度 g L 移架后顶梁前端点到煤壁的距离，取 0.3m 故： 2 1.5 (3.560.32)3.63 c Fm （2）支护强度 支护强度的计算可借助于查表。首先按表根据老顶级别和直接顶类别确定支架架型，再 根据名顶级别和采高确定支护强度。由于实际最大采高不定正好和表中所列采高相同，所 以要用插值法重新计算。 2 2 121 21 ()/ mr x rr Hh qqqqKN m hh 式中：当支架最大采高为时，支架应有的支护强度()； x q m H 2 /mKN 在架型选择表中低于但与之相邻的采高相对应的支护强度()； 1 q m H 2 /mKN 在架型选择表中高于 但与之相邻的采高相对应的支护强度()； 2 q m H 2 /mKN 所对应的采高(m)； r h1 1 q 所对应的采高(m) r h2 2 q 代入数据得： 23 24 . 2 )3433 . 14413 . 1 (3433 . 1 x q 2 /86496mKN 立柱参数的确定： 假设立柱的倾角小于，现取倾角为则15o6o cm mNdPa F D211.15 cos 140 式中： 立柱内径（）Dcm 理论支护阻力（） 1 FKN 每跟立柱数 d N 立柱最大倾角（ ） o 安全阀的调整压力，取型PBYF140PMPa 按照国家标准选取比计算直大的标准值作为内径，选取立柱的基本参数为： 缸体内径： 160mm 活柱外径： 140mm 工作阻力： 980KN 额定工作压力： 50.7 a MP 推荐选用钢材： 194 22 钢材规格： 159 20 由支架的 mmH4200 max mmH2300 min 由国家标准选取立柱行程。800mm 3. 立柱的初撑力和泵站的额定工作压力 立柱的初撑力 104 2 1 Pb De P 取作为泵站的额定工作压力，考虑到从泵站到支架的压力损失，根究一般的经验35 a MP 的泵站乳化液到支架的压力一般为。但对于只考虑支架的设计来说一般31.5 a MPMPa2524 都把泵站压力做为计算初撑力的压力。 KNP633 5 . 31 104 162 1 安全阀的调整压力和立柱的实际工作压力 安全阀的调整压力 (2-13)MPa De Fz Pa518.32 40 2 式中： anNd mF FZ cos 1 anNd mF cos 1 KN49.653 由用安全阀的调整压力为，则立柱的工作阻力:PaMPa40 2 P 2 2 803.84 4 10 De PPaKN 4. 立柱柱窝位置的确定 确定的原则： 根据支撑力分布与顶板载荷相一直的原则，通过受力分析计算，确定柱窝 合力作用点的位置。 根据前后立柱间行人及初撑力的均匀分布的要求，初步确定前后立柱间的 距离为1010mm 考虑到支撑效率，立柱的倾角不宜太大，最高位置时立柱倾角不小于。取顶梁为分5o 离体，受力情况如图： 图 2.4 柱窝受力分布图 对 A 点有 0Ma 11111122 22211 cos(1010)cos()cos2 sin()/30 ttt tg FH WPxPhhPx PhhFL 其中KNF651.2708 1 3 . 0WKNPP tt 1980 21 mmhh200 21 mmLg3560 则有 mmX76.314 取 mmX340 则由立柱的倾角和两立柱间的距离可以确定各个柱窝的位置。 支架整体尺寸结构图如下所示： 图 2.5 支架整体尺寸结构图 2.5 平衡千斤顶位置的确定 掩护式支架中平衡千斤顶的推力和拉力计算，平衡千斤顶位置应按如下方法计算确定 为了保证支架工作的可靠性，支架的支撑力分布（包括立柱的支撑力和平衡力千斤顶的 推力和拉力等） ，必须适应顶板载荷分布。当立柱的上、下柱窝位置确定后，就可以根据顶 板载荷分布来确定平衡千斤顶的位置，现按两种情况进行分析。 当顶梁前端出现空顶时，顶梁后端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡 千斤顶受拉，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端 0.27 倍顶梁长度出来进行计算。 当顶梁后端出现空顶时，顶梁前端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡 千斤顶受推，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端 0.35 倍顶梁长度处进行计算。 2.5.1 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 取顶梁和掩护梁为分离体 （如图 2.6 示） (2-14)0 0 M 0)( (sin)()( 31 )26113211611 LxF hhhPLLLCOSPhhWF tt 取顶梁为分离体为： 0 a M 0)(cos )(sin)(cossin 11211 1211728221 WhFLLP hhPhhPLPxF t ts 图 2.6 顶梁和掩护梁分离图 式中平衡千斤顶的推力、拉力（推力取“” 、拉力取“” ） ； 8 P 顶梁与掩护梁之间的摩擦系数，计算时取 0.3；W 支架在最高位置时的立柱倾角； 1 支架在最高位置时平衡千斤顶倾角。 2 为使平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度是平衡千斤顶与掩护梁平行， 可以取支架在最高位置时顶梁上平面和掩护梁的夹角。 2 平衡千斤顶活塞杆铰点至顶梁面之距，当支架降到顶梁和掩护梁成 7 h 时，为使平衡千斤顶不与掩护梁发生干涉，所以可以按下式进行计算：180o （m） b be DB hh 22 17 式中 掩护梁厚度（m） e B 平衡千斤顶外径（m） b D 平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取 b m05 . 0 03 . 0 瞬心点至顶梁和掩护梁铰点之距（） 1 hm 立柱柱窝中心至平衡千斤顶上铰点之距（） 1 Lm 平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距 2 L 支护阻力合力作用点位置。x 平衡千斤顶在拉力时，取;平衡千斤顶在推力时，取LgX27. 0 g LX35 . 0 式中为顶梁长度。 g L 1. 平衡千斤顶的行程计算 为了防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身拉坏，对平衡千斤顶的行程有如下要求： 当支架在最高位置时，顶梁能下摆；支架在最低位置时顶梁能上摆，或顶梁和掩护梁15o10o 近似成。为简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞杆全部伸出时顶梁和掩180o 护梁成；平衡千斤顶的活塞杆全部缩回时，支架恰好在最高位置。180o 2. 平衡千斤顶在掩护梁上位置的确定 平衡千斤顶的行程确定后，即可确定它在掩护梁上的位置 (2.15) 211257 2LsbaLLL 式中 当活塞全部缩回后，缸体上铰垫支活塞上部之距； 1 a 当活塞杆全部缩回时，活塞杆铰点至活塞腔出油孔中心线之距； 1 b (2.16) b be DB L 22 6 通过和的计算，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。 6 L 7 L 第 3 章 液压支架受力分析和计算 当支架撑紧在顶板和底座之间时，选取整体或一部分为分离体，皆处于平衡状态，据此 简化为平面杆系进行受力计算。 3.1 液压支架的受力分析和支护强度计算 3.1.1 支架受力分析 掩护梁上没有负载，摩擦系数为，支架在最高位置时，每根立柱的工作支撑力3 . 0w 为，支架的整体受力如下图所示：KN 4 . 973 3.1 支架总体受力图 支架的工作阻力为： （3- 1212 1 coscos(sinsin) 1 Aabab PPPPPtg ftg 1） 0875 . 0 ) 7 . 11187.222( 5 . 159782.1585 535 . 0 1 1 o tg KN 6 . 398605.3193027 . 1 顶梁集中受力点距顶梁后铰点的距离为： （3- 1122 1 (coscos) ab A Sl Pl P P 2） ) 5 . 159777582.1585 4 . 2654( 6 .3986 1 mm 3 . 1366 前后连杆受力为： （3-3） 12 1 cos()cos() sin() (sincos) caDbD DC ADD PPP Pf KN 9 . 2752)76.2531727 7 . 1007(42 . 3 由上式得“-”号，表示前连杆受力方向与图示相反，即前连杆受拉力； 12 1 cos()cos()(sincos) sin() DacbcAcc DC PPPPf （3- KN89.2096 )775.318965.2576(42 . 3 4） 由上式得“-”号，表示前连杆受力方向与图示相反，即前连杆受压力。 支护强度计算 支架的外载荷已经确定，支架的实际支护强度为： （3-5）536 . 0 10 1500)3004659( 6 . 3986 10 )( 33 cg A bfL F qMPa 误差 满足误差要求%3 . 0%100 536 . 0 536 . 0 5377 . 0 q qq 3.2 底座比压的计算和支架支护效率 3.2.1 底座比压的计算 底座与底板的接触面积为： （3- 2 46 . 4 305 . 3 35 . 1 mDBS 6） 则底座的平均比压： （3-MPaMPa S F q A d 10894 . 0 46 . 4 6 . 3986 7）支架支护效率 由于立柱支撑时不是垂直工作，而是倾斜一定的偏角，故只有立柱的垂直分力来平衡支架 所受的外部载荷，外部载荷与立柱工作阻力的比值称为支架的支护效率，其值为： %39.102%100 4 4 . 973 6 . 3986 P FA （3.8） 对于支撑掩护式支架，故满足要求%105%95 第 4 章 液压支架的主要部件的设计 各部件设计的基本要求如下： 1. 四连杆机构应进行优化设计，使支架梁端距变化小，支架受力状态最佳，结构上既 满足工作空间要求，又能承受足够的纵向、横向力及扭矩。 2. 前梁无论是伸缩式或是挑梁式，都应能及时支护顶板。前梁由前梁千斤顶控制，可 上、下摆动。与顶板保持良好的接触，维护机道上方顶板。伸缩梁靠伸缩千斤顶和前梁作相 对滑移用以及时支护新暴露的顶板。 3. 顶梁。顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。它可多次反复支撑顶 煤，以利于放煤。顶梁装有侧护板，活动侧装有千斤顶和弹簧，防止架间漏煤、矸及调节支 架间距。若四连杆机构与顶梁铰接，要有可靠的铰接支座。 4. 掩护梁。它用于承受部分煤、矸载荷，防止其窜入后输送机的工作空间，保证支架、 后输送机正常运行。根据不同的支架类型，掩护梁有伸缩插板式和在下端铰接一伸缩尾梁式， 它装有侧护板作用与顶梁侧护板相同。掩护梁受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。 5. 底座。其作用是将支架承受的顶板压力和侧向力传至底板。它既要有足够的强度和 刚度，又应满足底板比压不超限。保证支架整体稳定性的关键是在底座上铰接四连杆机构， 在底座中间设置有推移装置，侧面设置拉后输送机的千斤顶和推移杆。 6. 推移装置。此机构关系到支架能否正常推移，由千斤顶和推移杆组成。推移杆结构 有长推杆或是由两部分短推移杆组成。 7. 尾梁。四连杆机构与掩护梁铰接的支架，在掩护梁下铰接一可转动的伸缩插板尾梁， 用以放煤、保证放煤高度及维护工作空间。对于大块煤可利用插板进行破碎。尾梁装有侧护 板，作用与顶梁、掩护梁的侧护板相同。 8. 液压控制系统及立柱、千斤顶。液压系统由各液压件、管路系统组成，它应保证立 住、千斤顶完成支架要求的各种性能，并达到设计技术参数。 4.1 前梁、主顶梁及掩护梁 1 前梁 前梁为由钢板焊接而成的箱体结构，前面连接护帮板，后面与主顶梁铰接，下部Mn16 焊有耳座连接前梁千斤顶，可上下摆动。前梁前后销孔中心之间的距离为，宽度为mm1200 ，厚度为，与前梁千斤顶铰接的耳座孔孔径为，前部也焊有与护帮板mm1300mm200mm70 千斤顶铰接的耳座。主筋为的钢板，加强板为的钢板。结构如下图 4-1 所示mm30mm20 图 4.1 前梁 2 主顶梁 顶梁（图 4.2）后面与掩护梁铰接，下面由立柱支撑，上与顶板直接接触，做成箱体结 构，不但要满足一定的刚度和强度的要求，还要适应顶板的不平整性，避免局部应力过大而 损坏。顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。一般前、后柱窝断面为最危险 断面，断面安全系数，它