掩护式液压支架设计

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：掩护式液压支架学生姓名：、学 号：200540401126专 业：机械设计制造及自动化班 级：机20051班指导教师：李 86内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录目 录1第一章 液压支架概况61.1 液压支架现状61.2 液压支架的工作情况介绍81.3 液压支架的组成91.4 液压支架的分类91.4.1 支撑式支架101.4.2 掩护式支架111.4.3 支撑掩护式支架121.5 液压支架的主要结构件及其用途121.5.1 顶梁121.5.2 底座131.5.3 掩护梁131.5.4 侧护板141.5.5 连杆141.6 压支架的工作原理14第二章 液压支架整体结构尺寸的确定162.1 液压支架结构设计的基本要求和基本参数162.1.1 设计目的162.1.2 对液压支架的基本要求162.1.3 确定支架结构参数的原则172.1.4 设计液压支架必需的基本参数172.1.5 确定支架结构参数的内容182.2 支架的高度和支架的伸缩比182.2.1 支架高度182.2.2 支架的伸缩比192.3 支架间距和宽度的确定202.4 底座长度的确定212.5 四连杆机构的设计212.5.1 四连杆机构的作用212.5.2 四连杆机构几何特征参数222.5.3 作图法设计四连杆机构232.6 顶梁参数的确定272.6.1 支架工作方式对支架顶粱长度的影响272.6.2 配套尺寸对顶梁长度的影响282.6.3 顶梁长度的计算282.7 支护面积292.8 支护强度29第三章 液压支架部件结构303.1 顶梁303.1.1 结构形式303.1.2 顶梁结构和断面形状323.2 掩护梁333.3 底座343.3.1 底座结构的选择343.3.2 柱间距和筋扳配置373.3.3 推移装置的形式选择373.4 侧护板393.4.1 支架侧护板形式的选择403.5 前、后连杆423.6 立柱的技术参数423.7 立柱的初撑力与立柱工作阻力433.7.1 立柱的初撑力433.7.2 立柱工作阻力的确定433.8 推移千斤顶443.9 平衡千斤顶443.9.1 平衡千斤顶的推拉力443.9.2 平衡千斤顶的缸径47第四章 液压系统设计484.1 立柱和千斤顶494.2 支架液压阀504.2.1 液控单向阀504.2.2 安全阀504.2.3 操纵阀514.2.4 液压支架液压阀的密封技术分析514.3 液压支架的控制方式524.3.1 手动控制524.3.2 自动控制53第五章 液压支架受力分析与计算545.1 液压支架工作状态545.1.1 顶板状态545.1.2 液压支架的工作状态545.1.3 支架受力545.2 计算载荷的确定555.3 液压支架的受力分析555.3.1 取顶梁为分离体565.4 顶梁载荷分布595.5 底座接触比压计算605.5.1 底座载荷分布615.5.2 底座对底板的平均比压615.5.3 底座接触比压615.6 支护效率64第六章 液压支架的强度设计656.1 液压支架在强度设计时的强度条件656.2 液压支架各结构件强度校核676.2.1 顶梁强度校核676.2.2 立柱强度校核716.2.3 底座强度校核74第七章 液压支架的操作和维护787.1 液压支架的操作维护要求787.2 液压支架的故障及排除787.2.1 液压支架液压系统及元件的故障排除787.2.2 支架在操作过程中的故障排除80结 论82参考文献83致 谢84 第一章 液压支架概况1.1 液压支架现状从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在，液压支架的设计、制造和使用都已基本成熟，它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。从液压支架的形式来看，有支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看，又薄煤层液压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架又分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架；从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状来看，液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展和进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。美国是世界上最先进的采煤国家，早在1990年就已采用额定压力50MPa、额定流量478L/min的乳化液泵站，以实现支架快速推进、移架速度达68s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式液压支架，使用寿命810年，可用率高达95%98%。支架平均工作阻力6470kN，支架宽度普遍增大，中心距大到1.75m，并向2m发展增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20英里矿在2505280m长壁综采工作面用工作阻力为28565kN电液控制两柱掩护式液压支架，1997年6月产商品煤90.43万t，成为世界上首次月产商品煤进百万吨的工作面。1995年9月，麋鹿矿用工作阻力为8900kN电流控制的两柱掩护式液压支架，月产煤达到60.11万t。美国综采工作面最高日产超7万t，最高工效1336t/工。澳大利亚也基本采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式液压支架，支架的平均工作阻力为7640kN。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式液压支架，在1995年8月8日创下澳大利亚有史以来日产3.41万t的最高纪录，班产一直保持在50006000t。英国也在大力发展两柱掩护式液压支架，工作阻力有了很大提高，达到60008000kN。我国液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产超万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架型功能上我国与国外相差无几，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材的耐压能力一般为16MPa，最好的屈服极限才700MPa，液压系统压力在35MPa一下，流量在200L/min以内，供液管直径2532mm，回液管直径2550mm，最快移架速度为1012s/架，工作阻力更是相对较低。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架里力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/min的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需要；系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸的直径将增至360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。1.2 液压支架的工作情况介绍 图11 综采工作面图11所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板即时支护，采用即时支护的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对顶板进行即时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。1.3 液压支架的组成液压支架是以高压液体作动力，并有液压元件（液压缸和液压阀）与金属构件组成的一种用来支撑和管理顶板的设备。是一种综采工作面对支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，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。 液压支架主要有五部分组成，分别为：承载部件、动力油缸、控制元件、辅助装置、工作液体。各部分在液压支架中都起着不同的作用，承载部件主要有底梁、顶梁、掩护梁、前后连杆，它们起着承受并传递顶板载荷作用。动力油缸主要有立柱、推移千斤顶平衡千斤顶等，它们的主要作用是通过乳化液做介质可以主动产生作用力，从而实现液压支架的各种动作。控制元件主要是各种操纵阀和管路，它们主要用来操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压(电气)元部件。辅助装置是用来实现支架某些动作或功能所必须的装置，如护帮、挡矸、防滑防倒等作用。主要有推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置。工作液体是乳化液，是用来传递能量和除尘的工作介质。1.4 液压支架的分类目前采煤工作面使用液压支架有许多类型。按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，液压支架分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两端以外的采煤工作面上所有位置的支架。按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式两类；工作面支架按煤层厚度和开采方法不同可分为铺联网支架和放顶煤液压支架。中间液压支架按其结构形式与顶板相互作用的原理来划分，可分为三种基本类型，即:支撑式、掩护式、支撑掩护式液压支架。支撑式液压支架又有垛式和节式之分。掩护式液压支架又有插腿式和非插腿式之分。支撑掩护式液压支架又有四柱支在顶梁上和两柱支在顶梁上，一柱或两柱支在掩护量上之分。1.4.1 支撑式支架支撑式支架的立柱支撑在顶梁上，没有掩护梁，他主要由顶梁、底座、立柱、推移千斤顶及挡矸装置组成。支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性能好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。 （1） 垛式整个支架为一整体结构，整体移动，通常有46根立柱，如图1-1。它的支撑力大，切顶性能好，稳定性较好，工作空间比较大，容易满足通风的要求。同时垛式支架由于顶梁较宽且长，移架时顶板暴露的面积较大，在直接顶比较破碎的顶板条件下使用很困难。所以垛式支架尽适用于顶板较坚硬和稳定的煤层。 1-1垛式液压支架（2）节式节式支架由24个框架组成，如图1-2。其支撑力完全用于支撑顶板，它与垛式支架相比，结构比较灵巧，质量较轻，移架时顶板暴露的面积较小，对顶底板的适应性较好，但是它的稳定性很差（容易倒架）。 1-2式液压支架1.4.2 掩护式支架掩护式支架没有支撑部件即顶梁，只有掩护部件。它利用立柱、短顶梁支撑顶板，利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶能力弱；顶梁短，控顶距小；由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性能好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。其结构如图1-3。 1-3掩护式液压支架1.4.3 支撑掩护式支架支撑掩护式支架它的顶梁很长（与垛式相似），掩护梁很短，四根立柱组成垛式结构。这类支架对顶板的控制主要是立柱通过顶梁来支撑顶板，掩护梁只隔绝支架后面冒落的矸石。故它具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，而且它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。支撑掩护式支架的结构如图1-4。 1-4支撑掩护式液压支架1.5 液压支架的主要结构件及其用途1.5.1 顶梁顶梁又称主梁，是支护顶板的直接承载部件，并为立柱、掩护梁及护顶 装置提供联结点。它不但要求具有一定的强度和刚度，而且接触面积要大，并能适应顶板压力的变化。顶梁与顶板尽可能均匀接触，避免因局部接顶而造成顶梁集中受载，损坏支架其他构件。顶梁均设计成多腔室薄壁箱型结构，由上下盖板等钢板焊接而成。为了增强其结构的刚度，上下盖板之间设有加强筋板；顶梁前端呈滑撬状，以较少顶梁与顶板间的移动阻力。其主要用途有：（1）用于支撑维护控顶区的顶板。（2）承受顶板的压力。（3）将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。1.5.2 底座底座是钢板焊接的箱型结构， 底座是将顶板载荷传递到底板及固定立柱和前后连杆的承载部件，也是组成支架四连杆机构的杆件之一，它与底板直接接触，将立柱传来的顶板压力传递给底板。底座的后部与前后连杆铰接，前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳，推移千斤顶的另一端与工作面运输机连接，通过推移千斤顶的伸缩，实现推溜和移架行走动作。其用途主要有：（1）.为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。（2）与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。（3）将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。1.5.3 掩护梁掩护梁是组成液压支架四连杆机构的杆件之一。因此，掩护梁要求具有较高的强度和抗扭强度，其焊缝要求高标准，以免开焊。掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构，它联结着顶梁、前后连杆以及底座，承载才空区矸石的作用载荷以及因顶梁受偏载作用而产生的扭转载荷，起着稳定支架重心并防止采空区矸石进入工作面的作用，既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距基本恒定，又承担了支架在工作过程中的水平分力，以保证支架的工作稳定性，一般掩护梁也设计成箱型结构.总结其用途有：（1）掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。（2）掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩。（3）掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。1.5.4 侧护板活动测护板是用来防止采煤过程中因相邻液压支架的间隙而导致矸石冒落。活动侧护板是通过弹簧筒和侧推千斤顶与梁体连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。其布置一般为沿倾斜方向的上方为固定侧护板，下方为活动侧护板。侧护板的结构型式通常有两种。一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型的侧护板又有三种型式，顶梁上无顶板，侧护板已被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种是铰接式侧护板。它克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间，侧护板造成三角带容易填入碎矸，影响了架间密封效果。其用途总结如下： （1）与邻架的顶梁、掩护梁和后连杆的固定侧护板相贴，构成了指甲的挡矸屏障。 （2）支架移架时起导向作用。 （3）利用侧推千斤顶可调整支架的横向位置或防倒扶正支架。1.5.5 连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。1.6 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完成的。如图15所示。图1-5 液压支架工作原理图 1输送机；2推移千斤顶；3立柱；4安全阀；5液控单向阀；6操纵阀；（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，另一腔回来，推动活塞上升，使与活塞杆想连接的顶梁紧紧接触顶板。（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。（3）支架和输送机前移支架和输送机的前移，都是由于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；当需要输送机时，支架支撑顶板后，高压液体进入推移千斤顶活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。第二章 液压支架整体结构尺寸的确定2.1 液压支架结构设计的基本要求和基本参数2.1.1 设计目的采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需求，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需求量是很大的。由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的设计工作量大的，因此，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。2.1.2 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，以便有效的控制顶板，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100kN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100kN150kN，中厚煤层一般为150kN至250kN，厚煤层一般为300kN400kN。（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，能够承受一定的不均匀载荷。（10）在满足强度条件下，尽可能减轻支架的重量。（11）要易于拆卸，结构简单。（12）液压元件要可靠。2.1.3 确定支架结构参数的原则（1）要满足配套设备(采煤机、输送机)的相关要求；（2）与支架的工作方式(即时支护或滞后支护)相适应；（3）结构紧凑，行人操作方便；（4）支架的工作稳定性好。2.1.4 设计液压支架必需的基本参数（1）顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。（2）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。（3）瓦斯等级根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。（4）底板岩性和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，决定是够选用防滑防倒装置。（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。2.1.5 确定支架结构参数的内容（1）确定正常工作条件下，支架与相应设备的位置关系；（2）确定支架总体与主要部件的布置与尺寸。2.2 支架的高度和支架的伸缩比2.2.1 支架高度支架高度的确定原则，一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，然后确定支架高度对于大采高支架，按下式确定支架高度，即： (21) (22)式中： 支架最大高度(mm)； 支架最小高度(mm)； 煤层最大厚度(mm)； 煤层最小厚度(mm)； 考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能初撑力所需要的支撑高度，一般取200300mm；顶板最大下沉量，一般取100200mm；移架时支架的最小可缩量，一般取50mm；浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm。 此次设计中，依据神东煤矿煤层参数，选取采高为2.8m5m，故由上式可知：=5m; =2.8m; =50mm; =250mm; =150mm; 5.25m; 2.55m2.2.2 支架的伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值即： (23)支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大的调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般支架最大高度和最小高度的比值的范围是1.5至2.5。经计算，该支架的伸缩比,符合要求。由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式液压支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式支架为2.5；掩护式支架为3.0。一般范围是1.52.5，煤层较薄时选最大值。考虑尽量减轻支架重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或机械加长杆来增加调高范围 (24)式中： 单位缸长行程； 活塞全部伸出时立柱总长度； 活塞全部缩回时立柱总长度；活塞行程。综合考虑本设计采用双伸缩立柱。2.3 支架间距和宽度的确定由于每架支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节中部槽相连，因此目前主要根据输送机中部槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定。国内外液压支架中心距大部分采用1.50m。大采高支架为促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。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。当支架中心距为1.50m时，最小宽度一般取14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为1.75m时，最小宽度一般取16501680mm，最大宽度一般取18501880mm。当支架中心距为1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度取1150l 180mm最大宽度取11201150mm：如果顶梁不带活动侧护板，则宽度一般取1150l 200mm。而一般支架间距，按下式计算： (25)式中： 支架间距(支架中心距)(mm)； 每架支架顶梁宽度(mm)； 相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙，取c = 70mm； 每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架 1；整体迈步式支架2；节式迈步支架2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联结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.50m，千斤顶联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1.50m.此次设计中，因采高为2.8m5m范围，属于大采高液压支架，故支架的中心间距定为1.75m，则支架宽度为1.651.88mm.2.4 底座长度的确定 底座是将顶板压力传递到底版和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下方面：支架对底版的接触比压要小；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；用于人员操作和行走；保证支架的稳定性等。通常，掩护式液压支架的底座长度取移架步距的3.5倍，即2.1m左右；支撑掩护式液压支架的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m左右。此次设计中配套设备中截深为0.85m,故该支架底座长为2975mm左右,参考郑州液压支架取底座长度为3240mm.2.5 四连杆机构的设计2.5.1 四连杆机构的作用四连杆机构是掩护式液压支架和支撑掩护式液压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的距离大大减少，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。同时，液压支架采用四连杆机构还有如下一些优点：（1）挡矸 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。而且，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。（2）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。（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。 经过长期研究使用表明，四连杆机构虽然具有很多优点但其一些缺点也是不容忽视的。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会产生不良影响。故设计时应多应尽量减轻支架重量，同时在强度校核时考虑应四连杆机构而产生的水平推力。 图2-1四连杆机构2.5.2 四连杆机构几何特征参数（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e应小于或等于70mm，最好为30mm一下。（2）支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图2-1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，P5262，Q7585；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tanPW，如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3，则P=16.7,为了安全可靠，最低工作为重应使tanP25。而Q角主要考虑后连杆底部距低板要有一定的距离，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Q25 30，在特殊情况下需要较小角度时，可提高后连杆下铰点的高度。（3）.掩护梁与顶梁铰点e和瞬时中心点O之间的连线与水平线夹角为。设计时，要使角满足tan0.35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）双纽线轨迹影响连杆、掩护梁等连接部位的受力情况。通常认为轨迹曲线应向前偏摆，即支架由高位置降下时，轨迹曲线逐渐靠近煤壁。 （5）掩护梁长度与掩护梁上前、后连杆铰接点间距应保持一定的比例(4:116：1)，这不仅对支架受力，而且对调高范围也有影响，一般凭经验选取。2.5.3 作图法设计四连杆机构 （1）掩护梁和后连杆长度的确定。由解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图2-3所示。设 G 掩护梁长度 A 后连杆长的 e点引垂线到后连杆下铰点的距离 支架最高位置时的计算高度 支架最低位置时的计算高度 图2-3掩护梁和后连杆长度的确定则有几何关系可得： GcosAcos= (26) GcosAcos= (27)联立式(26)和式(27)可得： = (28) 由于支架型式不同，一般的比值按以下范围来取。掩护式液压支架： =0.450.61支撑掩护式液压支架： =0.610.82类比郑州液压支架，选取掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离为245mm，后连杆下铰点至底座底面的距离为343mm，且综合考虑影响支架四连杆几何特征因素，初步选取个角度如下： =59；=74；=32；=30；则有： =0.58 故由上式可知，个角度选择符合要求。又知支架最高位置时的计算高度为 = Gsin+ Asin (29) 则由式(28)和式(29)解得： A=1.87m; G=3.5m;圆整后得: A=2m ; G=3.5m.作图法重新验算各角度得: =61；=74.5；=32；=28；各尺寸均在误差范围内，所以初步确定支架各参数如下： A=2m ; ；G=3.5m；=61；=74.5；=32；=28； （2）几何作图法确定四连杆机构各部分尺寸 图2-4 四连杆机构作图法示意图作图步骤： 1) 确定连杆下铰点点的位置，使它大体比底座地面高出200300mm（本次设计类比同类型支架选用200mm）。 2）过O点作与底座底面平行的水平线H-H线。 3）过O点作与H-H线的夹角为的斜线。 4）在次斜线上截取线段oa，oa的长度为A（A为后连杆的长度），a点为后连杆与掩护梁的铰点。 5）过a点作与H-H线夹角a1的斜线，以a点为圆心，以G为半径作圆弧交此斜线于一点e1，此点为掩护梁与顶梁的铰点。6）过e1点作H-H线的平行线F-F线，则H-H线与F-F线的距离为，为液压支架最高位置时的计算高度.7)以a点为圆心，以（0.220.3）G长度为半径作弧，在掩护粱上交于一点b，为前连杆上的位置。 8）过e1点作F-F线的垂线。 9）在次垂线上作液压支架在最低位置时，顶粱与掩护粱地铰点e3。 10）取e1 e3线中间一点e2，为液压支架降到此高度时掩护粱与顶粱的铰点。 11）以O点为圆心， Oa为半径作圆弧。12）以e2为圆心，掩护粱长ae1为半径作弧，交最前面的弧上一点a1,此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护粱与后连杆的铰点。 13）以e3为圆心，掩护粱长ae1为半径作弧，交最前面的弧上一点a2,此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护粱与后连杆的铰点。 14）连接e2a1,e3a2,并以a1为圆心，ab为半径作弧，交a1e2上与b1;以15a2点为圆心，ab为半径作弧，交a2e3上。 15）分别做bb1和b1b2的垂直平分线，其交点c为前连杆下的交点，bc为前连杆的长度。 16）过c点做垂线，交于d，则线段Oa、ab、 bc、cd、dO为液压支架四连杆机构。17）只要逐步变化四连杆的几何尺寸，便可以画出不同曲线，再按液压支架四连杆机构的几何特征进行校核，最终选出较优的四连杆机构尺寸。则由几何作图法可得液压支架四连杆各部分尺寸分别为:掩护梁长:3.5m ； 后连杆长:2m ； 前连杆长:2m ； 前连杆下铰点与 后连杆下铰点水平距离:1.1m ； 竖直距离:1m 。作图模仿顶梁前端实际运动轨迹，知为S形，其最大运动宽度为：27.45mm，符合要求。2.6 顶梁参数的确定2.6.1 支架工作方式对支架顶粱长度的影响 支架工作方式对支架顶粱长度的影响很大，如图23所示。从图23中可以看出，先移架后推溜方式(又称即时支护方式)要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式(又称滞后支护方式)要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推淄的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能即时前移，支护新暴露的顶板，做到即时支护。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600mm。 图25支架工作方式比较 当采用即时支护方式时一般大采高支架梁端距应取350480mm，中厚煤层支架梁端距应取280340mm薄煤层支架梁端距应取200300mm。 顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深(滚筒宽度)、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素的制约。 根据支作方式和设备配套尺寸（图25）来确定顶梁长度。减小顶梁长度，有利于减小控顶面积，增大支护强度，减少顶板反复支护次数，保持支架结构紧凑，减轻重量。2.6.2 配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶架长度有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，又考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm，这个距项叫空顶距。另外，在输送机铲煤板前也留有一定距离。一般为135150mm左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，以此来计算顶梁长度。2.6.3 顶梁长度的计算掩护式与支撑掩护式液压支架顶梁长度按下式计算： (210)式中 配套尺寸=（mm） 支架由高到低顶梁前端最大位移量(mm)；后连杆长度(mm)； 掩护梁长度(mm)；，支架在最高位置时，分别为后连杆与水平面及掩护梁与水平面的夹角。选取采煤机型号：6LS03 ，刮板输送机型号：LX(2A) 2000/1000型。经计算可得顶梁长为4294mm。2.7 支护面积支架的支护面积按下式计算： m2 (211)式中 支架的支护面积（m2）；支架顶梁的长度（m）；移架后顶梁前端到煤壁的距离（m），一般取=300mm；顶梁宽度（m）；故本支架支护面积为：（m2）2.8 支护强度支护强度是液压支架的一个重要参数，是指支架对单位面积顶板提供的工作阻力，按下式计算： kN/m2 (212)式中 立柱总工作阻力（N）；支护效率，支撑式支架=1；支撑掩护式支架一般=0.81.1；支顶掩护式支架一般=0.70.98；支掩掩护式支架一般=0.50. 8；支架中心距（mm）；梁端距（mm）；顶梁长度（mm）。代入数据：= =1.07（MPa）第三章 液压支架部件结构ZY10800/28/50掩护式液压支架主要由金属结构件、液压元件二大部分组成。 金属结构件有：顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、推杆及侧护板等。 液压元件主要有：立柱、各种千斤顶、液压控制元件（操纵阀、单向阀、安全阀等）、液压辅助元件（胶管、弯头、三通等）等。3.1 顶梁3.1.1 结构形式 顶梁是支架的主要承载部件之一，支架通过顶梁实现支撑和管理顶板。顶梁的结构型式如图31所示。为了适应顶板的要求，支架顶梁有以下几种结构型式： 图3-1 顶梁的结构型式 （a）整体刚性顶梁 （b）铰接分体顶梁 （c）伸缩铰接顶梁（1）整体刚性顶梁（31a）。这种顶梁结构简单、重量较轻、可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。但对顶板不平性的适应能力差，接顶不够理想。多用于顶板比较平整、稳定，很少出现片帮现象的采煤工作面。（2）铰接式分体顶梁（图31b）。这种顶梁分为前梁和后梁两部分，前梁在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下各摆动20左右。这种顶梁的接顶性能好，对不平顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般要留有100150mm间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。 图32 铰接式顶梁结构 1前梁 ；2前梁千斤顶 ；3顶梁 铰接前梁图33(a)与顶梁33(b)如下图： (a)铰接前梁 (b) 铰接顶梁 图33 铰接前梁与顶梁结构（3）伸缩铰接顶梁（图31c）。它是在铰接分体顶梁的前梁上又套上（或插入）一个可伸缩的梁，这种顶梁除具有铰接分体顶梁的优点外还可，还可超前支护，防止片帮。综上所述，本次设计中ZY10800/28/50型液压支架采用整体式刚性顶梁。ZY10800/28/50掩护式支架顶梁选用Q460和16Mn钢板拼焊成箱型断面结构，四条主筋形成了整个顶梁外形，可提供足够行人空间。顶梁采用单侧护活动侧护板的形式。控制顶梁活动侧护板的千斤顶和弹簧套筒均设在顶梁体内，并在顶梁上留有足够的安装空间。顶梁前端上翘40mm,使顶梁更好的接触顶板。3.1.2 顶梁结构和断面形状各类顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘型。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂矸帘之用。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来，掩护式支架和支撑掩护式支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构形式：（1）闭式顶梁闭式顶梁为顶梁上、下盖板与筋板焊接成封闭型，如图35所示。一种为立筋凸出型，如图35(a)所示，增加了焊接强度；另一种为立筋凹下，焊接后使顶梁平整，但焊接强度如前一种，如图35(b)。图34 顶梁闭式立筋型式（2）开式顶梁开式顶梁结构如图36所示。 图35 顶梁开式立筋型式开式顶梁的特点，可减轻顶梁重量，增强顶梁的抗弯强度。对于掩护式和支撑掩护式支架，为便于侧护板能自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，如图37中a，同时也增强了顶梁的结构强度。图36 顶梁断面3.2 掩护梁掩护梁只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。其主要功能是隔离采空区、阻止采空区冒落矸石涌入工作面，并承受采空区冒落矸石的载荷和基本顶来压时的冲击载荷。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。另外，由于掩护梁承受的弯距和扭矩较大，工作状况恶劣，所以掩护梁必须具有足够的强度和刚度。掩护梁的结构形式如图37。 图37掩护梁的结构形式 （a）整体直线形（b）整体折线形（1）整体直线形掩护梁（图37a）。掩护梁一般都为整体箱形结构，这类掩护梁整体性能好，强度大。从侧面看，掩护梁上轮廓线形状为直线形，目前用运最为广泛。（2）整体折线形掩护梁（图37b）。从侧面看，掩护梁上轮廓线为折线形，相对地增大了工作空间，但当支架歪斜时架间密封性差，加工工艺性差，目前应用较少。本支架的掩护梁为整体直线形，箱形断面结构为用钢板拼焊而成，为保证掩护梁有足够的强度，在它与顶梁、前后连杆部件都有加强板，在相应的危险断面和危险焊缝处也都有加强板。3.3 底座底座是支架的主要承载部件之一，支架通过底座将顶板压力传递到底板和稳定支架的部件，因此底座除了要满足一定的刚度和强度外，还要求对底板的接触比压要小。因此，底座的结构设计和选择对支架的工作性能影响是很大的。3.3.1 底座结构的选择底座的结构形式可分为整体刚性底座、底分式刚性底座、铰接分体式底座。其特点如下：（1）整体刚性底座整体刚性底座如图38所示，中挡前部一般有一高度50100mm小箱形结构，中挡后部上方为箱形结构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座立柱柱窝的一般要设计一过桥以提高底座的整体刚性和抗扭能力。 图38 整体刚性底座整体刚性底座的整体刚度和强度好。底座接底面积大，有利于减小对底板的比压，但中挡推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架。（2）底分式刚性底座底分式刚性底座如图39所示。底座底板是中分式的，中挡维移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，小挡后部上方为箱形结构。由于底分式刚性底座中挡底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不需要人工情理适应高产高效要求，但减少了底座接底面积，增大了对底板的