放顶煤液压支架设计（机械类）.doc

引言我国 煤炭储量十分丰富，1979年世界能源会议估计我国煤炭资源为15000亿吨，其中煤层厚度大于3.5米的厚煤层占40%左右。从采煤工艺看，我国1972年开始装备综合机械化采煤，至1990年已经达到29.8%。当时对厚度在3.55米的煤层多采用一次采全高工艺，特别是大采高支架，平均单产可超过3万吨，最高超过6万吨，最高月产142211吨。然而，对于厚度大于5米的特厚煤层的开采，存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题，尽管分层开采技术较为成熟，但其成本高、工序多，影响效率。1绪论1.1液压支架发展历史历史地来看，大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用,木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支设和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦和液压支柱所代替，并以支柱加铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。1954年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架。五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了omkt型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好 。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在omkt型掩护式支架的基础上作了许多改进：60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.2 放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架放顶煤采煤方法，就是在开采煤层的底部，或在特厚煤层中部位置，布置采煤工作面，利用工作面矿山压力的作用或辅以爆破等方法，将顶煤破碎并促使其垮落，而后将垮落的顶煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放顶煤采煤方法在很早以前就用于开采厚煤层。如我国以前使用过的高落式采煤法就属于这种采煤方法。在当时，放顶煤开采是不正规的，完全手工式的，而且煤炭损失特别大，长期以来受到严格限制。还有仓储式采煤法、仓房式采煤法也都属于早期的放顶煤开采方法。随着煤炭开采技术的发展，特别是煤矿支护设备的发展，放顶煤采煤法已经发展成为一种正规的采煤方法。我国综采放顶煤开采开始于1982年，是由郑州煤矿机械厂、煤炭科学研究图 1.1 低位双运输机放顶煤综采示意图1放煤口；2前输送机；3后输送机总院北京开采所、沈阳煤研所共同研制的fy40014/28中位放顶煤支架在沈阳局蒲河矿安装试验；10多年来得到了迅速的发展，截止到1993年，已经在13个省的26个矿务局59个工作面使用，达到了日产万吨，月产31万吨，年产253万吨的生产水平，成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。实践证明，在特厚煤层开采中，采用放顶煤开采较分层开采等具有明显的优越性，主要有：（1）、煤层掘进量小，掘进费用低、缓和了采掘关系；（2）、减少了搬家倒面次数，节省了综采面设备搬迁、安装的工作量及费用；（3）、较分层开采减少了铺网工序、材料、工资及巷道维护费用等；（4）、对急斜厚煤层，较普通法开采的工作面产量提高13倍；（5）、提高了煤炭的块炭率，增加煤炭的售价；（6）、减少了设备的运行费，特别是采煤机，相对减少了吨媒设备折旧费或租赁费；（7）、有利于矿井的集中控制，实现减面、减人、提高工效的目的；（8)、提高劳动生产率，降低成本，比一般回采工效提高25倍，经济效益十分显著，吨媒成本一般降低820元/吨。基于上述原因，我国放顶媒液压支架从1984年至1992年上半年已发展到42套，32个品种，占世界总数的66。当然，放顶煤开采也有急待解决的问题，主要是：（1）、煤尘大，比分层开采高出13倍，甚至更高；（2）、回采率偏低，一般在80左右，造成一定的煤炭损失；（3）、自然发火的问题尚未得到很好的解决；（4）、对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大，有局部积聚的危险。因此，煤炭工业部提出要有试点地进行，稳步发展的方针。然而有于放顶煤开采的优点十分突出，并对存在的问题逐步得到解决的同时，使这一新的特厚煤层的开采工艺从东北、西北迅速扩展到华北，1992年初又推广到华东四个矿务局，并首先在兖州兴隆庄矿创出了月产11万吨的好成绩（1994年月产已达25万吨），可以预计，今后将会更快地发展。下面重点介绍放顶煤液压支架的特点及适应性。1 放顶煤液压支架的分类按与液压支架配套的输送机的台数，放顶煤液压支架可分类如下： 插底式 单输送机 不插底式 放顶煤液压支架 单铰接式 开天窗式 双输送机 四连杆式 前四连杆式 插板式 中四连杆式 后四连杆式按放煤口位置，放顶煤液压支架可分类如下： 高位（单输送机开天窗式） 放顶煤液压支架 中位（双输送机开天窗式） 低位（双输送机插板式）下面重点介绍低位放顶煤液压支架的特点及适应性：2.低位放顶煤支架的特点下面重点介绍低位放顶煤综采：低位放顶煤综采的显著特征是支架的放煤口位置低、尺寸大。而且是连续的，多为插板式，无脊背煤炭损失，支架的四连杆机构置于支架中间，后输送机置于支架拖板上或直接在底板上。低位放顶煤综采的主要优点为放煤在支架后下方，放煤效果好，煤尘小。后输送机外运煤炭顺利，一般不需清理后方浮煤。支架尾梁还可以摆动，以利提高顶煤的回收率。但低位放顶煤支架的稳定性差，工作面端头的维护较困难。该类支架在窑街矿务局、兖州矿务局鲍店煤矿均取得高产、高效。低位放顶煤综采如图1.1所示。这是一种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度在45左右）用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。其主要特点如下：(1)由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高；(2)和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎较为充分，对放煤极为有利；(3)后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤，使放煤口不易堵塞；(4)低位放煤使煤尘减少；(5)前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差，支架的稳定性较差；(6)尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差。这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种支架在缓斜长壁工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索：(1)把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架；(2)大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达20t以上，但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力；(3)增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如zfps5200/17/32型支架尾梁端部向上摆动力可达到500kn，使用效果良好；(4)后四连杆前连杆设计为y型，后连杆设计为i型，增大了支架的前、后人行道的宽度并加大了后部的人员工作与维护空间；(5)把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯曲并防止输送机和支架下滑。前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大，且重量也轻。3.低位放顶煤液压支架的适应性前四连杆式支架在急斜水平分段放顶煤综采中取得成功，如对四连杆及有关联接件再进一步增加强度，成为定型设备，可以不考虑在急斜条件下使用后四连杆式支架。缓斜中硬难放煤层在选型时考虑到低位放顶煤液压支架的强度低，又无成功的实例，往往选用中位放顶煤液压支架，但受到放煤口的限制，实际上也未能很好解决其放煤问题。仔细研究各类放煤支架，就会发现，只有前四连杆式支架具备大幅度摆动掩护梁破煤的条件。有的低位放顶煤液压支架采取强化四连杆及联接销轴，把摆动掩护梁的千斤顶一端布置在底座上，而不是布置在顶梁上，尽管这种架型尚无满意的效果，但这种探索无疑是很有意义的。后四连杆式支架在煤层硬度系数f2左右，层节理比较发育的缓斜厚煤层中使用取得很大成功，如在潞安矿务局五阳煤矿、王庄煤矿和兖州矿务局兴隆庄煤矿、鲍店煤矿。这种架型与设计先进的过渡支架配合使用，创出了新水平，被广泛推广使用。如石炭井矿务局乌兰矿将这种支架与过渡支架、端头支架配套使用，在倾角为24的工作面上取得了成功。由此表明了后四连杆式放顶煤液压支架在缓斜中硬煤层和倾斜厚煤层中均有良好的适应性和使用前景。1.3 采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数1.3.1 采煤工作面对液压支架的设计要求 为了满足长壁工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求：1.能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2.保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3.应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4.能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。5.最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。1.3.2 液压支架设计的基本参数1.顶板条件根据老顶1级和直接顶的分类2。根据最大4500和最小采高3500，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3.瓦斯等级根据瓦斯等级-瓦斯涌出量大，按保安规程规定，验算通风断面。4.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。5.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。6.煤层倾角根据煤层倾角-急斜特厚煤层，决定是否选用防倒防滑装置。7.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。8.配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.4 本文做的主要工作毕业设计名称：放顶煤液压支架设计参数如下：（1）要求工作阻力500t。（2）最大采高4.5m，最小采高3.5m。（3）急斜特厚煤层, 瓦斯涌出量大.本次设计主要工作如下：四连杆机构的设计、各个结构件的结构设计、各结构件的受力分析及强度校核、液压立柱的设计及支架液压电液控制系统统原理设计。2 液压支架整体结构设计2.1 支架主要尺寸的确定2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。由于我国急斜煤层煤层厚度都比较大，煤层厚度在2080m之间，所以按厚煤层高度的确定原则来确定该放顶煤液压支架的高度。（200300） （2.1）（300400） （2.2）式中：支架最大高度（mm）； 支架最小高度（mm）； 最大采高（mm）； 最小采高（mm）。本设计最大采高4500mm,取支架最大高度45002004700mm则支架的最小高度3500-3003200mm调高范围为1500mm支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即：m (2.3)代入有关数据，得m=1.472.1.2支架间距和宽度的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算： （2.4）式中： 支架间距（支架中心距）；每架支架顶梁总宽度；相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；n每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架n =1；整体迈步式支架n =2；节式迈步支架，n =支架节数。支架间距要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m,轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。本次设计取支架的中心距为1.5m。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170200mm。其中宽面顶梁一般为1200mm1500mm，节式支架一般为400mm600mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1380mm,最大宽度为1550mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。2.2 支架四连杆机构的确定2.2.1 四连杆机构的作用1梁端护顶 鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内时，借此可以保证梁端顶板维护良好。2挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作用。3抵抗水平力 观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向）的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。4提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响。2.2.2 四连杆机构设计的要求1.支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于70mm，最好为30mm以下。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，如图2.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，5262，7585；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，如果钢和矸石的摩擦系数=0.3，则=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使25为宜。而角主要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2530，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。3.从图2.1中可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心o之间的连线与水平线夹角为。设计时，要使角满足的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。4.应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2.1所示的段。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。同时底板阻止底座向后移，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。从以上分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以了，如图2.2。图2.1 四连杆机构几何特征图图2.2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构2.3 四连杆机构的设计四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计鉴于各种方法的优缺点，采用了计算机求解的方式来求解。在计算之前，先确定几个值。根据以往的设计经验，取顶梁与掩护梁的绞点至上顶板的距离为400mm , 要求双纽线的偏摆量为30mm ,后连杆下绞点至底座的距离为900mm 。采用电算法。1.目标函数的确定为了减少附加力，必须使得有较小值。同时，为有效的控制顶板，要求支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。2.四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征，如图2.3所示。（1）支架在最高位置时，即：弧度；即1.311.48弧度；支架在最低位置时，保证。（2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为i =0.450.61;支撑掩护式为i = 0.610.82。（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为0.220.3。（4）点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度mm以下。（5）支架在最高位置时的应小于0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。3.四连杆机构各部尺寸的计算四连杆机构各部参数如图2.3所示，图中的为支架在最高位置时的计算高度。令：=; =; =; =; =; =; =; =; =; ;=图2.3 四连杆机构参数图(1)后连杆与掩护梁长度的确定如图2.3所示 ，当支架在最高位置时的h值确定后，掩护梁长度g为： （2.5）后连杆长度为： （2.6）前后连杆上绞点之距为： （2.7）前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为： （2.8）从式（2.5）至式（2.8），可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对变量规定相应的步长如下：的步长为0.34弧度；的步长为0.34弧度；的步长为0.02；的步长，支撑掩护式为0.042。若上述四个变量各向前迈出五步，经排列组合变得到625组数据。（2）后连杆下绞点至坐标原点之距为，如图2.4所示图2.4 四连杆机构几何关系（3）前连杆长度及角度的确定 当支架高度变化时，掩护梁上绞点的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽度和角尽量小，可把点的轨迹视为理想直线，当然实际上并非如此。但是，我们可以做到支架高度变化时，有三点在一条直线上，如图2.4所示，即：支架在最高和最低以及中间某一位置的三点。当支架的最高和最低位置确定后，在直线上的最高和最低点就确定了。根据设计经验，当点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连杆与掩护梁的夹角由大于90到小于90变化，在夹角变化过程中，一定有一位置使后连杆与掩护梁呈垂直状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位置的点。1）点坐标当支架在最高位置时的计算高度为，此时点的坐标为： （2.9） （2.10）2）点坐标支架在最低位置时的计算高度为，此时的坐标为： （2.11） （2.12）根据四连杆机构的几何特征要求，支架降到最低位置时，为计算方便，即0.436弧度。根据几何关系为： （2.13）3）点坐标当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，点坐标为： （2.14） （2.15）式中p由下式进行计算： （2.16） （2.17）4）c点坐标根据图2.4所示，支架在三个位置时四连杆机构几何关系确定后，c点就是以、这三点为圆的圆心。所以，为前连杆的长度。因此，可以用圆的方程求得前连杆长度。即： （2.18）上式中、为c点坐标，可以按下列方程联立求得: （2.19） （2.20）由式（2.19）和式（2.20）得： （2.21） （2.22）令: （2.23）n （2.24）t （2.25）把式（2.23）到式（2.25）带入式(2.22)式得： （2.26） （2.27）c点坐标求出后，前连杆的长度和角度就可以确定了。（4）前连杆下绞点的高度d和四连杆机构的底座长度e。当前连杆c点坐标确定后，d和e的长度为： （2.28） （2.29）4.四连杆机构的优选按上述方法可求出很多组四连杆机构，并非所有的值都可以用，故要优选。优选的方法是给定约束条件，对所计算出的各组值进行筛选，最终选出一组最优的值来。其约束条件是根据四连杆机构的几何体特征要求，以及支架的结构关系，通过对国内外现有支架的调查统计，得出的约束条件如下：（1）前后连杆的比值范围根据现有资料的调查统计，前后连杆的比值0.91.2范围。（2）前连杆的高度不宜过大，一般应使。（3）e的长度，一般应使e.（4）对掩护式支架应使的值u ；对支撑掩护式支架的值按下面的方法进行计算。如图2.5所示，为支架在最高位置时的几何关系。（1）a点坐标= （2.30） （2.31）（2）点坐标为（3）直线的斜率： （2.32）（4）直线的斜率： （2.33）由于c 、b、o在同一条直线上，因此，和 直线的斜率相同，所以直线的斜率为： （2.34）同理直线的斜率为 （2.35）联立（2.34）、（2.35）得： （2.36） （2.37）图2.5 顺心位置图令： （2.38） （2.39）则： （2.40）5.近似双纽线轨迹的绘制为了能计算和看出优选的一组值的e值，以及双纽线的凸弧段长度，要求打印出顶梁前端的坐标值画出双纽线轨迹来。（1）四连杆机构的方程图2.6 四连杆机构方程图从图2.6可知，在任一个角位置时，d点的x坐标值应满足下列方程 （2.41）b点的y坐标值应满足下列方程 （2.42）由式（2.42）得： （2.43）将式（2.43）代入式（2.41）得： （2.44）将式（2.44）整理得： (2.45)令： ; (2.46) (2.47) (2.48)将式(2.46)式（2.48）代入式（2.45）可得： (2.49)则式（2.49）可变成以z为变量之方程，得： (2.50)不合题意之根已舍去。当时，式（2.50）才有意义。在图2.6中点任一位置时之坐标x,y可写成： (2.51) (2.52) 其中， 则 式（2.51）和式（2.52）就是液压支架四连杆机构的曲线方程。根据四连杆机构的几何特征要求，支架由高到低，=,即：1.48rad0.436rad。所以在变化范围内可以画出一条近似双纽线的轨迹来。如果在这个变化范围内按间隔0.087rad,可以算出x,y值表，y的变化相当于支架计算高度的变化，则x的变化相当于顶梁前端距煤壁之距变化，所以e值为支架高度变化范围内，相应的，凸弧段的长度为支架的结构高度有高到低时，x值渐增所对应的y值相减，即：凸弧段长度 式中， 支架最大高度所对应的y值； 支架由高到低，x值渐增，增加到极限位置所对应的y值。2.4 顶梁长度的确定2.4.1支架工作方式对顶梁长度的影响支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（及时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小。这是因为采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护，因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600 mm 。本次设计采用及时支护方式。2.4.2顶梁长度计算 (2.53)式中：配套尺寸参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定；底座长度底座前端至后连杆下铰点之距。e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；、支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。急斜特厚煤层放顶煤综采选用的配套设备如下：采煤机为mgd150/nw型；前输送机为sgz 764/264型；后输送机为sgw-40t型。经过计算得该支架的顶梁长度为5237mm如图2.7所示。图2.7 顶梁长度示意图3 放顶煤液压支架主要结构设计此类低位放顶煤支架的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶、底板状况，矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况、硬度和开采方法等，支架总体技术参数的确定应满足：(1)工作阻力、支护强度的要求；(2)稳定性要好，抗扭能力强；(3)顶梁、掩护梁以至尾梁密封性能好；(4)拉架力大，走得动；(5)能放煤，出煤易控制，(6)液压系统简单合理；(7)喷雾降尘装置可靠实用。这样在设计支架各个部件时，不仅要满足强度要求，还要总体性能好。低位放顶煤支架的主要结构有前梁（伸缩式和挑梁式）、顶梁、掩护梁、尾梁、前连杆、后连杆、底座推移装置、立柱及各种千斤顶、液压控制系统等组成。3.1 支架主要部件的设计要求各部件设计要求要满足总体配套的要求，就是应满足采煤机、双输送机和支架配套的空间要求，支架前部能及时支护，后部便于放顶煤；应有喷雾降尘装置，为防止煤的自燃发火应安装必要的辅助装置。同时，为适应急斜特厚煤层分段开采，支架本身采用中四连杆机构 液压支架中，凡四连杆机构和顶梁与底座铰接的顶梁四连杆机构，简称为中四连杆机构。，增加了支架的纵向稳定性，并使梁端距变化较小，放煤增设摆动伸缩式尾梁，以调整工作空间和放煤口大小，改善掩护梁受力状况，应使顶梁较长，以利顶煤在矿压作用下能较好的压碎。各部件设计的基本要求：（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）前梁由前梁千斤顶控制，可上下摆动15，与顶板保持良好的接触，维护机道上方顶板。挑梁是和前梁铰接的可翻转支护板，由防片帮千斤顶控制，可及时支护，并超过水平线上挑35，拉架时收回，还可在移架后支护煤壁，以防止片帮。（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。（4）掩护梁受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。（5）底座 底座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 尾梁用以放煤、保证过煤高度及维护工作空间。对于大块煤可利用插板进行破碎。（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，它应保证立柱、千斤顶完成支架要求的各种性能，并达到设计技术参数。3.2 顶梁的设计图3.3 中四连杆的顶梁顶梁前、后分别与前梁和掩护梁铰接，四个球面柱窝与立柱的活柱头相连。顶梁有铰接耳座与四连杆机构的上连杆联接，此外还设有所需千斤顶的耳座，如前梁、掩护梁千斤顶耳座。顶梁体箱式结构件的设计可根据总体受力分析，按不同支护高度时各部件最大受力值计算其强度。一般前、后柱窝断面为最危险断面，断面安全系数n应大于1.1，同时要充分考虑各个铰接孔的挤压强度，以免孔受塑变拉长而损坏，特别是与上连杆铰接的耳座，一定要加大强度。侧护板与导杆连接的结构以长方形拉板为好，可以保证导杆与侧护板的连接强度。3.3 底座的设计图3.4 中四连杆机构的底座底座为整体式刚性底座，四连杆机构铰接在底座前部(有的铰接在中部或后部)，有四个球面柱窝与立柱缸底相连，底座中间布置有推移装置，侧面有拉后输送机千斤顶固定耳座。该底座整体性强，稳定性好，与底板接触面积大，比压小。由于四连杆机构在中部连接，使底座受力状态不好。上连杆与底座的铰接座为两突出的内主筋形成的箱体结构，应合理设计，使突变过渡处强度足够，呈圆弧状过渡，以免损坏。3.4 掩护梁和连杆的设计掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。掩护梁有直线型、折线型两种。这里选择直线型掩护梁，结构强度高，其工艺性较好。所有连杆均为箱式结构件，用以克服顶板指向采空区的水平力，增加支架稳定性；但承受横向力和扭力的性能较差，在设计时对其铰接孔的强度、挤压寿命应更加重视。3.5 放煤口及放煤机构的设计低位放顶煤支架的放煤口是由掩护梁和插板或尾梁及其千斤顶和插板形成。不论何架型，其横向长度均为架宽，纵向长度根据架型、配套设备不同而异。本设计采用中四连杆机构的放煤机构设计图3.6 推杆机构a长推杆 b短推杆图3.7 短框架机构推移机构这种支架的掩护梁由铰接在顶梁上的平衡千斤顶支撑或铰接在底座上的千斤顶支撑。掩护梁下部有可伸缩插板，放煤时收回插板，利用千斤顶的伸、缩，调整放煤口进行放煤，放煤后伸出插板挡住矸石流入后输送机内。这种结构能满足放煤工艺、放煤口及工作空间的要求。从支架整体看，其横向稳定性较差。本设计采用中四连杆机构的放煤机构，结构如图3.9示：图3.9 中四连杆放煤顶煤支架该支架是六柱低位放顶煤支架，四根立柱支撑顶梁，两根支撑掩护粱。四连杆机构铰接在顶梁和底座上，并布置在立柱外侧，增加了垂直于工作面的稳定性，梁端变化小，后部工作空间大，操作方便。两根后立柱控制掩护梁摆动放煤，在掩护梁体内由千斤顶控制插板的伸缩，来控制放煤和挡矸，保证放煤工作顺利进行。顶梁前部铰接一带有挑梁的前梁。3.6 液压系统的设计3.6.1 液压系统的特点低位放顶煤支架的液压系统有如下特点：（1）采用介质为5：95的水包油乳化液；（2）各类阀和管路系统可选择流量为125l/min或200l/min两种类型。（3）泵站的压力和流量可根据需要选用，流量有上述两种；压力可调至24.5mpa或32mpa；（4）各类液控元件，一般均布置在顶梁、掩护梁、底座等结构上，根据需要也可布置在立柱上，整个系统应简单、便于操作、人行方便；（5）立柱的活塞腔油路上设有测压阀，可根据工作需要，随时装上压力测试装置进行压力测定，了解支架的受力状况；（6）液压系统可根据需要，结合喷雾系统，控制水路，进行放煤与喷雾，拉架与喷雾的联动或手动控制喷雾。3.6.2 支架的工作机构低位放顶煤支架的工作机构一般由立柱、防片帮千斤顶、前梁千斤顶、侧推千斤顶、推移千斤顶、插板千斤顶、尾梁千斤顶等液压缸组成。1.立柱立柱是支架的主要承载部件，为了适应顶板的变化和改善受力状况，立柱两端均采用球面结合形式与顶梁及底座铰接，承受压力，并用销轴固定来承受拉力。立柱柱头与顶梁端相连接的销孔，其两侧加工成喇叭口，与直销配合使用，使顶梁能左右作适当偏转，以便立柱在架内灵活转动。2.防片帮千斤顶防片帮千斤顶被应用与前梁的挑梁上，使挑梁伸出和缩回能起到及时支护和防片帮的作用。3.前梁千斤顶前梁千斤顶用来支撑支架的前梁，使前梁向上或向下摆动，以便更好的维护顶板。4.侧推千斤顶侧推千斤顶的作用是推出或收缩活动侧护板，使支架具有挡矸、防倒和调架的性能。5.尾梁千斤顶尾梁千斤顶用来支撑支架的尾梁，形成后部工作空间，并使尾梁向下或向上摆动，使顶煤落入后部输送机或挡住矸石。6.插板千斤顶插板千斤顶的作用是是尾梁体内的插板伸出或缩回，用来挡矸、破煤或放煤。7.推移千斤顶推移千斤顶用来推进工作面输送机和推移支架，它的缸体与支架底座相连，而活塞杆通过推移杆与工作面输送机相连。3.6.3 控制系统低位放顶煤支架的控制阀组一般由两组操纵阀组，液控单向阀、安全阀、双向锁、截止阀、过滤器及测压阀等组成。3.7 液压支架的主要技术参数3.7.1 支护面积 （3.1）式中：支护面积，； 顶梁宽度，； 顶梁长度，； 移架后顶梁前端到煤壁的距离，一般。代入相关数据，得：3.7.2 支护强度和支护效率支护强度是指支架对单位面积顶板提供的工作阻力。 （3.2）式中：支架总工作阻力，;支护效率；支架中心距，；梁端距，；顶梁长度，代入相关数据，得：采高时， =0.937采高时， =0.837满足设计要求3.7.3 zfs5000/32/47放顶煤液压支架性能参数一览表液压支架主要技术参数如表3.1：表3.1 液压支架主要技术参数表设备（部件）名称项目单位技术参数支架整体性能支架高度mm32004700支架宽度mm13801550支架中心距mm1500支护强度mpa0.4820.541对底板比压mpa1.46初撑力kn4021.2工作阻力kn5000操作方法本架操作泵站压力mpa35立柱型式单伸缩活塞式根数根4缸径mm200柱径mm150初撑力kn1005.3工作阻力kn1256.8行程mm1500推移千斤顶型式正装差动式根数根1缸径mm190柱径mm95推力/拉力kn223/578(差动原理)行程mm700侧推千斤顶型式内进液根数根2缸径mm80杆径mm60推力/拉力kn158/69行程mm170护帮千斤顶型式双作用单伸缩根数根2缸径mm100杆径mm70推力/拉力kn2471