机械毕业设计（论文）-ZZ100003050支撑掩护式液压支架设计【全套图纸】 .doc

中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第84页通过各专业全套毕业设计1 概述1.1 液压支架的用途在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。全套图纸，加1538937061.2 液压支架的工作原理液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图11所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。1.2.1 支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如图1-1(1) 初撑操纵阀6、7处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀5进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀5关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。(2) 承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。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。图1-1 液压支架工作原理1- 顶梁；2- 立柱；3- 输送机；4- 安全阀；5- 液控单向阀；6，7- 操纵阀；8- 乳化液泵；9- 推移液压缸；10- 底座；11- 后连杆；12- 前连杆；13- 掩护梁(3) 卸载当操纵阀6、7处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀5，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。图1-2 液压支架工作特性曲线由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图12，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2，这就是液压支架的阻力时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。1.2.2 支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座10上的推移液压缸9来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸9的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸9的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.3 液压支架的分类液压支架按结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。如图1-3所示。图13 液压支架结构型式a) 支撑式 b) 掩护式 c) 支撑掩护式1前探梁；2顶梁及其侧护板；3掩护梁及其侧护板；4前连杆；5后连杆 ；6底座；7立柱；8推移千斤顶；9平衡千斤顶；10操纵阀与控制阀；11护帮机构；12护帮千斤顶；13前梁千斤顶； 14挡矸帘(1) 支撑式支架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。支撑式支架有垛式和节式之分。节式节式支架由24个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进。垛式整个支架为一整体结构，整体移动，通常有46根立柱，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。(2)掩护式支架掩护式支架利用立柱、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。(3)支撑掩护式支架支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，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。1.4 液压支架的组成液压支架由以下几个主要部分组成：顶梁、底座、立柱、掩护梁、活动侧护板、前连杆、后连杆、推移机构、操纵控制系统。1.4.1 顶梁用途：(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。要求：(1) 顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；(2) 梁应有足够的刚度，以承受扭力；(3) 顶梁对顶板的覆盖率高；(4) 顶梁能适应顶板的起伏变化。铰接式顶梁由前梁、主梁、前梁千斤顶、护帮千斤顶、护帮板组成，其结构如图1-4所示，这种顶梁的前梁与主梁是通过销轴铰接而成，它对顶板有较好的接顶能力。该结构目前在中位放顶煤支架中大量采用，它适合于中硬煤层、类中等稳定的直接顶下使用。 图1-4 铰接式顶梁1前梁；2顶梁；3前梁千斤顶；4护帮千斤顶；5护帮板1.4.2 底座用途：(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。要求：(1) 底座应有足够的强度和刚度；(2) 底座对底板的起伏变化适应性好；(3) 底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板；(4) 底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；(5) 底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。1.4.3 立柱用途：(1) 支撑顶梁，承受载荷的作用；(2) 调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；(3) 立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。1.4.4 掩护梁用途：(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。1.4.5 活动侧护板用途：(1) 消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；(2) 作为支架移架过程中的导向板；(3) 防止支架降落后倾倒；(4) 调整支架的间距。支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。主要作用为：（1）挡矸。可改善顶梁与掩护梁的护顶、防矸性能，隔离控顶区与采空区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘；（2）导向。在支架移架时起导向作用；（3）防倒、调架。活动侧护板增强了支架侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用。 顶梁和掩护梁的侧护板的结构型式，如图1-5所示：图1-5 侧护板的结构型式一种是一侧固定另一侧活动的侧护板。由于固定侧护板与梁体焊接在一起，可节省原梁体的侧板，既节省材料又可加固梁体。在设计时，根据左右工作面来确定左侧或右侧为活动侧护板。一般沿倾斜方向的上方为固定侧护板，下方为活动侧护板。活动侧护板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。但当改换工作面开采方向时，活动侧护板便位于倾斜方向的上方，对调架、防倒等带来不便，所以很少采用。另一种是两侧皆为活动侧护板。这种侧护板可以适应工作面开采方向变化的要求，有利于防倒和调架。 3侧护板的结构型式分为两种：一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板又有三种型式，图1-5 a，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；图1-5b、c，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承载时，侧护板装置受力很大。另一种是铰接式侧护板，如图1-5d所示。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，影响架间密封效果。所以综合考虑各个方面，本架采用图1-5 b所示的侧护板。可以根据工作面倾角方向调整一侧固定，另一侧活动，适应性强。如图1-6所示：图1-6活动侧护板的类型1侧推千斤顶；2活动侧护板； 3弹簧组件1.4.6 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。其四连杆机构的作用：(1) 通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能；(2) 能承受较大的水平力。前连杆设计成双单连杆，后连杆设计成整体连杆，如图1-7、图1-8所示，整体连杆由两根单连杆组焊而成，用在后连杆，以增强支架的稳定性。为了加强支架后部的挡矸和防转性能，在后连杆上可设置侧护板。图1-7 单外形连杆结构图1-8 整体连杆结构外形1.4.7推移机构的设计推移机构完成推移输送机和拉移支架的两个基本动作。对推移装置的要求是：（1）以较小的力推移输送机（80200kn），以较大的拉移支架（150500kn）。（2）为适应支架和输送机可能出现的相对位置变化，推移装置前部在推移过程中，在水平和垂直方向能有一定的摆动范围。（3）工作中推移千斤顶不承受侧向力，而是让推移杆或框架承受，为此它们必须有足够的强度，以保证工作的可靠性。（4）在拉架过程中推移装置和支架底座之间应有较好的导向性能，使支架能移正。现采用的推移装置有三种方式：差动式、浮动活塞式和框架式。选取框架式推移装置。如图1-9所示，推移千斤顶的一端通过框架与输送机连接，另一端铰接在支架底座前端的过桥上，形成用千斤顶的拉力推移输送机，用千斤顶的推力拉架，推力大，拉力小。在框架后部有导向轴，并在底座的导向槽内前后滑动，使框架能平稳地前后移动。这种方式的优点是当推移千斤顶与底座的连接位置高于框架时，推移千斤顶能给移动的底座以向上的分力；缺点是推移框架复杂，长度长，容易损坏。图1-9 框架式推移装置原理1底座过桥；2框架；3千斤顶；4导向轴1.4.8操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。1.5 液压支架的设计1.5.1 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。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。1.5.2 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100左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100150，中厚煤层一般为150250，厚煤层一般为300400。(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。1.5.3 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。1.5.4坚硬顶板的液压支架设计坚硬顶板工作面顶板不易冒落，直接顶或基本顶悬顶时间长。一但冒落，瞬间顶板压力显著增大，支架立柱安全阀来不及释放，立柱可能遭破坏。因此，对坚硬顶板液压支架设计的要求是：(1) 根据直接顶和基本顶的岩性、分类级别、截高及配套设备，确定支护强度和工作阻力，支架要有足够切顶能力。(2) 应尽量减小掩护梁长度，增大掩护梁与水平夹角，减小掩护梁在水平线上的投影长度。如有的支架在低位状态时，掩护梁与垂线夹角仍有30左右，相当于一般支架在高位状态时的掩护梁夹角。如果在工作高度时，掩护梁大部分都能被顶梁所遮盖是较为理想的。另外，掩护梁结构设计，除保证必要的强度和刚度之外，还要具有抗冲击能力。(3) 支架掩护梁间的密封可严些，顶梁架间密封要求不十分严格，因为顶梁间漏矸的可能性较小。(4) 支架立柱应设置大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。为此，安全阀流量的选择应考虑立柱缸径、冲击载荷来压程度。对于有冲击载荷的顶板，如不采取顶板处理措施，立柱应安设置一大一小两个安全阀以确保支架的安全(5) 考虑冲击载荷影响，支架结构件安全系数应提高，至少应比通常支架安全系数提高20%。(6) 应考虑支架可能承受的水平方向冲击力。支架结构件设计时，摩擦系数取值应考虑f=0.3时水平力对支架强度的影响。1.6 液压支架的设计动向21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期，也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需要，就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控制系统。液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上已经有70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口，我们要自己研制，否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。我国液压支架经过20 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，所用钢材一般为16mn ，最好的屈服极限才700 ， 液压系统压力在35 以下，流量在200 以内，供液管2532 ，回液管2550 ， 最快移架速度1012 (井下实际应用有时在20 以上) ， 工作阻力更是相对较低。今后10 年， 我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68) 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40 、额定流量为400 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。zy 两柱掩护式支架的比重将大大增加， 缸径将增至360 ， 端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。所以，今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件，开发一些新架型、新品种外，还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下方面：(1) 设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。(2) 完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限元模型，开发出ssts液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性，广泛应用于液压支架设计研究，达到国际先进水平， 为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。(3) 技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。(4) 计算机辅助设计(cad)有了较大发展。开发了cad工作站和微机cad系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库，并正在逐步实现支架设计cad化。(5) 液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的20 30，提高到912。(6) 新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。新型高可靠性支架，反向四连杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。基于以上进展，液压支架的研究与发展方向是：(1) 在己有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计方法和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。(2) 研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。(3) 研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。(4) 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。1.7 本文要做的主要工作本文所做的主要工作是：支架总体结构的设计、支架液压系统原理的设计、支架各结构件的结构设计以及各结构件的受力分析及强度校核。2 液压支架的结构设计2.1 液压支架基本尺寸的确定2.1.1 支架高度和伸缩比支架高度的确定原则，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，其最大和最小高度为： 式中 支架最大高度，； 支架最小高度； 煤层最大截度， ；煤层最小截度， ；s考虑伪顶冒落的最大厚度，对于大采高支架取200400mm，对于中厚煤层支架取200300mm，对于薄煤层支架取100200mm，本支架取300mm；s考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和，对于大采高支架取500900mm，对于中厚煤层支架取300400mm，对于薄煤层支架取150250mm，本支架取600mm；=- s = 5000 - 300 = 4700;=+ s = 3000 + 600 = 3600;支架伸缩比一般ks1.8范围内采用单伸缩立柱，所以应采用单伸缩立柱。2.1.2 支架中心距支架中心任务距一般等于工作面一节溜槽长度。目前液压支架中心距大部分采用1.5，大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75。因此，取中心距为1.75。2.1.3 支架的宽度支架的宽度应考虑支架的运输，安装和调架要求，支架顶梁上装有活动侧护板，侧护板的行程一般为170200，取170.支架的最小宽度，一般为16501680，取1650；支架的最大宽度，一般为18501880，取1820。2.2 支架整体机构尺寸确定2.2.1底座长度底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，应考虑如下方面：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；便于人员操作和行走；保证支架的稳定性。因此，取底座长度为3200 。2.2.2确定四连杆机构和掩护梁长度2.2.2.1四连杆机构的作用(1) 通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线，从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。(2) 能承受较大的水平力。2.2.2.2四连杆机构的几何特征(1) 支架从最高高度降到最低高度时，如图21所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度，最好为30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p和后连杆与底平面的夹角q，如图21所示，应满足以下要求：支架在最高位置时，p ，q ；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，,如果按钢和矸石的摩擦系数为,即：,求得；为了安全可靠在最低工作位置时，应使p25为宜，而q角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能降下来，一般取。(3) 由图2-1可知，掩护梁与顶梁铰点e和瞬时中心o之间的连线与水平线的夹角为q，设计时，要使范围内，主要原因是q角直接影响附加力qy的数值大小。 图2-1四连杆机构几何特征图(4) 支架工作段要求曲线向前凸的一段，如图21所示的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向老塘，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，从而增加了前梁端部的支护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁的受力。从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取曲线向前凸的一段，所以当已知掩护和后连杆的长度后，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，进行作图计算就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图22所示。图2-2 掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构从图22可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了，其具体作法是顺时针转动后连杆，使支架最高位置时的e点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁上前连杆上铰点所作的运动轨迹上，任找几点，把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了2.2.2.3四连杆机构的几何作图法首先用解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图23所示。掩护梁长度；后连杆长度；e点垂直线到后连杆下铰点之距；支架最高位置时的计算高度； = 5000 500 = 4500支架最低位置时的计算高度； = 3000 500 = 2500从几何关系可以列出将以上两式联立解得 图2-3 掩护梁和后连杆计算图按四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定 ；。支架在最高位置时的值为：因此掩护梁的长度为：= 2910取 l = 2910后连杆长度为：= 2007取 = 2010前后连杆上铰点之间的距离l为：一般，l = 0.25 ll = 0.25 l =0.252910 = 728具体作图步骤如下：图2-4 四连杆几何作图法原理图(1) 确定后连杆下铰点o点的位置，使它大体比底座略高，一般为200250，太低安装销子困难，太高底座又笨重。(2) 过o点作水平线hh线与底座相平行。(3) 过o点作一条直线与水平线hh线相交其交角为。(4) 以o点为圆心，以为半径作圆，与该直线相交于a点，即为后连杆与掩护梁的上铰点。(5) 过a点作一条直线与水平线hh线相交其交角为。(6) 以a点为圆心，以l为半径作圆，与该直线相交于e点，即为掩护梁、与顶梁的铰点。(7) 过e点作一条直线与水平线hh平行的ff直线，则hh线与ff线的距离为h，即为液压支架最高位置的计算高度。(8) 以a点为圆心，以0.25倍的l为半径作圆，即为前连杆的上铰点。(9) 过e点作ff线的垂线。假设在液压支架升降过程中，e点近似在此直线上滑动。(10) 在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点为e。(11) 取ee中点为e点，为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与顶梁的铰点。(12) 以o点为圆心，以为半径作圆弧。(13) 以e点为圆心，以掩护梁长l为半径作圆，与圆弧相交于a点，此点为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与后连杆的铰点。(14) 以e点为圆心，以掩护梁长l为半径作圆，与圆弧相交于a点，此点为液压支架在最高位置时，掩护梁与后连杆的铰点。(15) 并以a点为圆心，以0.3倍的l为半径作圆，与ea相交于b点。以a点为圆心，以0.3倍的l为半径作圆，与ea相交于b点。即b、b、 b三个点为液压支架在三个位置时的前连杆的上铰点。(16) 连接ao、ao，为液压支架降到中间位置和最低位置时，后连杆的位置。(17) 分别作bb和bb的垂直平分线交于c点，即为前连杆的下铰点，bc为前连杆的长度。(18) 过点c向hh线作垂线，交于d点。则ao、ab、bc、cd为液压支架的四连杆机构。按以上步骤作图，结果如图2-5所示图2-5 四连杆机构的作图结果2.2.3确定顶梁的长度顶梁长度： 式中 b液压支架的配套尺寸；液压支架的配套设备有：mg750/1910-wd型采煤机，sgz1000/2700型刮板输送机。其配套尺寸如图26所示。a后连杆长度，a = 2010；g掩护梁长度，g = 2910；e支架由高到低顶梁前端最大位移量，；c梁端距，图2-6 液压支架与配套设备的关系图考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距。取c = 300；液压支架在最高位置时，后连杆与水平面的夹角。由前面知，；液压支架在最高位置时，掩护梁与水平面的夹角。由前面知，；= 4169取l = 41702.2.4 液压支架的性能参数2.2.4.1液压支架的支护强度支护强度： mpa式中k作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般为59。取k = 8.5 ；m截割高度，m。取最大截割高度，m = 4.8岩石密度，一般取() = 1.02()2.2.4.2液压支架的工作阻力支架支撑顶板的有效工作阻力为式中fc支架的支护面积，式中l支架顶梁长度，l = 4.17；c梁端距，c = 0.35；b支架顶梁宽度，b = 1.65；k架间距，k = 0.10。= 8068.22.2.4.3液压支架的初撑力初撑力的大小对支架的支护性能和成本都有很大影响。较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。一般取初撑力为（0.60.8）倍的工作阻力。取初撑力为 ：2.2.4.4液压支架的移架力和推溜力移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关。一般厚煤层支架的为移架力300400 ，取移架力为 400 ；推溜力一般为100150 ，取推溜力为150 。2.2.5 立柱布置 该液压支架采用单伸缩立柱，立柱数目为4。 立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为：有利于操作、行人和部件合理布置。本支架立柱间距选0.87。对于支撑掩护式支架，前柱窝一般近似在顶梁后部三分之二处，而下柱窝的位置根据立柱的角度来确定，一般立柱与底座垂线的夹角角要小于，其具体位置如图2-7所示。图2-7 立柱定位简图2.2.6 确定立柱和千斤顶2.2.6.1立柱的尺寸立柱采用单伸缩液压缸立柱的缸体内径：式中 f支架承受的理论总载荷力，f10000；n每架支架立柱数，n = 4；pa安全阀调整压力，pa = 40 ；立柱最大倾角，（支架降到最低位置时角最大），=。 = 284.8 取缸径：300； 柱径：290 ； 2.2.6.2 缸壁厚度缸筒内压力为式中 f支架承受的理论总载荷力，f10000；n每架支架立柱数，n = 4；d缸体内径，d300。 = 35.4缸筒材料采用27simn无缝钢管屈服极限：s= 835；安全系数：取；允用应力：缸筒内壁厚度：= 11.7 考虑到在液压缸中处需要安装导向套，选取缸筒内壁厚度为2.2.6.3立柱的初撑力立柱的初撑力：式中 缸体内径，d = 300；泵站压力，pa = 31.5 。=21902.2.6.4立柱的工作阻力立柱的工作阻力：式中 缸体内径，d = 300；安全阀额定工作压力，pa = 36.1 。= 25502.2.6.5移架千斤顶的尺寸移架千斤顶采用单伸缩液压缸移架千斤顶的缸体内径：式中 f移架力，f400；泵站压力，；= 128.2 取 缸径 180；柱径 120 ； 推力 712； 拉力 395.8。缸筒内压力为：式中 f移架力，f400；d缸筒内径，d180。 = 15.7缸筒材料采用27simn无缝钢管屈服极限：s= 835；安全系数：取；允用应力：缸筒内壁厚度：= 2.98 考虑到在液压缸中处需要安装导向套，选取缸筒内壁厚度为 2.2.6.6移架千斤顶的行程移架千斤顶的行程与推移步距的关，推移步距为600，所以移架千斤顶的行程一般为700750。取行程为750。3 液压支架的受力分析及校核3.1 支架的工作状态(1) 顶板状态在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于受上部岩层压力。出现离层和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就约大。而顶板冒落是有一定的过程的，一般可分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，此时顶板叫完整，而且没有下沉，称为无压状态；但经一定的时间后，顶板就会下沉，通常称为老顶来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉带有一定的周期性，所以称为老顶来压状态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。(2) 支架工作状态支架在这三种状态下是如何工作的呢?只要看支架的实际工作情况就可以知道，开始支架以初撑力为支撑顶板，此时为无压状态；当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增加，当增加到大于安全阀调整压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力降低，称为立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如果继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如果没有向下行程，称为压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现象；当支架前移后，此时顶板处于无支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架在工作过程中的三种状态。(3) 支架受力液压支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区浅载移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板反力，其中顶板合力的垂直分力由支架工作阻力来克服，所以我在计算支架的工作载荷时按支架的工作阻力来确定。3.2 计算载荷的确定液压支架实际受载荷情况很复杂，顶梁和底座上的载荷既非集中载荷，又非均匀载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算，作如下规定：(1) 把支架简化成一个平面杆系结构，同时为偏于安全，按集中载荷进行计算。(2) 金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。 (3) 顶梁、底座与顶底板认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律，沿支架宽度方向为均匀分布。(4) 通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全。(5) 立柱和短柱按最大工作阻力来计算。(6) 作用在顶梁上水平力的产生有两种情况：一种是由于支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双纽线，所以顶梁与底板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘积，其方向与顶梁产生位移方向趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向老塘的水平力，最大水平力值与上相通。顶梁与顶板的静摩擦系数，目前国内一般取0.20.3。(7) 支架各部件受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。(8) 各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按液压支架形式试验技术规范的各种加载方式，以及支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10%的超载试验，将由安全系数来保证。3.3 液压支架的工作阻力假设掩护梁上没有负载，其摩擦系数为。液压支架在最高位置时，每根立柱的工作阻力为：p = 10000 / 4 = 2500 kn取顶梁和掩护梁为隔离体，忽略顶梁与掩护梁的铰点到顶梁之间的距离，并作出瞬时中心o，求得在第四象限中，如图3-1所示。图3-1 顶梁和掩护梁的隔离体液压支架的工作阻力为：式中摩擦系数，；、两根立柱的工作阻力，； = = 2p = 2 2500 = 5000 直线oe与水平线的交角，；前立柱与竖直线的交角，=6；后立柱与竖直线的交角，=2。 = 9000的作用位置为：式中 前立柱上柱窝到顶梁与掩护梁的铰点的距离，；后立柱上柱窝到顶梁与掩护梁的铰点的距离，； 3.4 支架前连杆的受力前连杆的受力为：式中 前连杆与水平线的交角，；后连杆与水平线的交角，。 结果中的“”号，表示前连杆的受力方向与图中的方向相反，即前连杆受拉力作用。3.5 支架后连杆的受力后连杆的受力为：式中 前连杆与水平线的交角，；后连杆与水平线的交角，。 结果中的“”号，表示后连杆的受力方向与图中的方向相反，即后连杆受压力作用。3.6 顶梁强度计算3.6.1顶梁受力情况顶梁承受一集中载荷，其受力图如图32所示。因上面已求出为9000，距离铰结点1073。最大弯矩为： 图32 顶梁受力图顶梁做成等断面箱式机构，再最大弯矩处的断面如图33所示。图33 最大弯矩处的断面图3.6.2 顶梁强度计算a形心位置各板件的计算数据列于表31中。表31 机构件的形心及惯性距件 号12345数 量12412253121116032320826010360269236417417机构件的形心距为： b惯性矩每个零件中心到截面形心的距离为：计算截面中心惯性距：计算每个零件对截面形心的惯性矩： c计算弯曲应力d. 安全系数 故：顶梁强度安全通过。 3.7 掩护梁强度计算3.7.1 掩护梁受力情况由前面已经求出掩护梁上前后连杆的销轴处受力为-6013和-4378，其受力图表示于图34。最大弯矩处发生在前连杆处，其值为：图34 掩护梁受力图最大弯矩处的断面表示于图35中 图35 后连杆处断面3.7.2掩护梁强度计算a形心位置各板件的计算数据列于表32中。表32 机构件的形心及惯性距件 号1234数 量44111080022300925028980189.5189.5348.59机构件的形心距为： b惯性矩每个零件中心到截面形心的距离为：计算截面中心惯性距：计算每个零件对截面形心的惯性矩： c计算弯曲应力d. 安全系数 故：掩护梁强度安全通过。 3.8 底座接触比压计算顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度，则在设计支架时，应验算底板的比压。验算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。本支架使用带有过桥的整体刚性底座。该底座的特点有：底座分左右对称的两部分，上部用过桥或箱形结构固定连接，以提高整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座接底面积大，有利于减小对底版的比压，但推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，用于软底板条件下工作面支架。表3-1 几种较软岩石底板允许比压底板岩性rc()p ()v5粘质可塑页岩10.50.50.30.30.15可塑页岩 灰质页岩21.52.01.00.50.50.3沙质 灰质 泥浆页岩43.02.02.01.01.00.3注：rc底板抗压入强度 ()v矿井小时涌水量，()。涌水量大，岩石变软，降低了允许比压p允许比压