巷道超前支护液压支架毕业设计.doc

中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设 计 姓 名： 张张根亮根亮 学 号： ： 03101025 学 院： 机机电电工程学院工程学院 专 业： 机械工程及其自机械工程及其自动动化化 设计题目： 巷道超前支巷道超前支护护液液压压支架的支架的设计设计 专 题： 指导教师： 杨杨善国善国 职 称： 副教授副教授 二二 O 一四一四 年 六 月 徐州 中国矿业大学毕业设计任务书 学院 机电学院 专业年级 机自 10 级 学生姓名 张根亮 任任务务下下达达日日期期：2014 年 2 月 21 日 毕业设计日期：毕业设计日期：2014 年 2 月 2 1 日至 2014 年 6 月 20 日 毕业设计题目：毕业设计题目：巷道超前支护液压支架的设计 毕业设计专题题目：毕业设计专题题目： 毕业论文主要内容和要求：毕业论文主要内容和要求： 绘制相关设计图纸 3.5 张（折合 0 号）左右； 按照学校及学院有关规定，撰写毕业设计说明书一份，正文 部分不少于 15000 字； 中英文摘要 200 字左右； 外文翻译一篇（中文字数 3000 字左右） ； 查阅相关文献 20 篇左右，其中外文文献不少于 2 篇。 院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究 内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体 评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识 解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度； 总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识 解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度； 总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 摘要 随着煤矿工作面采煤、运输、支护等生产环节快速实现综合机械化的同时， 巷道超前支护技术的落后逐渐成了制约煤矿经济效益提高的主要因素。目前， 我国在巷道超前支护领域的理论和技术与发达国家存在一定的差距，国内对巷 道超前支护液压支架十分需要。本文对超前支护技术进行了研究，对普通支架 进行了结构改造和论证，实现了巷道超前支护的机械化和自动化。 关键词：超前支护 液压支架 自动化 ABSTRACT Along with the comprehensive mechanization realized in production links of coal mining, transportation and supporting in mining working face, it has become a obstruction to improve economic efficiency that ahead of support technology develops slowly. Now, we are far behind foreign country in the area of ahead of support technology while we need more improvement . The passage points out a new way to realize mechanization and automation in the ahead of supporting by deep research and structural modification of ordinary stents. Keywords: Advance support; Hydraulic support ; Automation 目录 1 综述4 1.1 液压支架的应用和意义4 1.2 液压支架的发展状况及存在问题4 1.2.1 液压支架的发展状况4 1.2.2 存在问题.5 1.3 液压支架的发展动向和思路6 1.4 巷道超前支护液压支架研究的意义7 2 总体设计10 2.1 液压支架设计介绍10 2.1.1 液压支架的工作原理10 2.1.2 支架的一般组成10 2.1.3 液压支架主要结构件及其作用10 2.1.4 液压支架的架型.15 2.2 超前支护液压支架结构设计16 2.2.1 支架选型16 2.2.3 底座的选型设计.20 2.2.4 液压支架的结构设计20 2.2.5 液压支架部件设计25 2.2.6 拟定液压系统.30 3 支架的受力分析和计算31 3.1 支架的工作状态31 3.2 支架载荷的确定31 3.3 支架受力分析32 3.3.1 各主要参数的影响32 3.4 液压支架支护技术参数的确定34 3.4.1 支护面积的确定34 3.4.3 立柱技术参数的确定35 3.5 支架的受力计算36 4 液压支架部件的强度校核43 4.1 校核的基本要求43 4.3 主顶梁强度校核46 4.4.底座的强度计算与校核48 5 推移千斤顶的设计计算52 5.1 缸筒内径和缸壁厚度的计算52 5.1.1 缸体内径的确定52 5.1.2 千斤顶缸体壁厚的计算52 5.2 推移千斤顶的强度验算53 5.2.1 推移千斤顶稳定性验算53 5.2.2 活塞杆强度验算54 5.2.3 缸体强度计算55 5.2.4 缸体与缸底焊缝强度计算56 6 液压支架的使用和维护57 6.1 液压支架的使用维护57 6.2 在支架使用、操作和维护中几个应注意的问题58 6.3 液压支架的保养58 参考资料60 1 综述 1.1 液压支架的应用和意义 随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需要量的日益增加，煤矿开采， 特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大的变化。自 1954 年英国装备了世 界上第一个液压支架工作面开始，采煤技术实现了综合机械化。综合机械化。 就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都是现机械化。也就是说，采 用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤；工作面重型可弯曲运输机，以及与 之适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤；自移式液压支架支护和管理 顶板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备。 液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸和阀件）与一些金 属结构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，能实现支撑、降 落移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进，经济上合理，安全 上可靠，当前世界各国都在不断地提高采煤工作面的综合机械化水平。 我国于 1964 年开始研制液压支架，到目前已经取得可较好的效果。1974 年以来，从西德、英国、苏联和波兰等国引进了许多不同类型的液压支架。实 践证明，液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点， 能使采煤工作面达到高产量、高回采率和高工效，能大大减轻劳动强度，降低 成本和掘进率，实现安全生产。 1.2 液压支架的发展状况及存在问题 1.2.11.2.1 液压支架的发展状况液压支架的发展状况 作为综采工作面关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。50 年 代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支柱、金属摩擦支柱、 液压支柱，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；60 年代前苏联研制并改进 的 OMKT 型掩护式支架(具有四连杆机构)，从根本上解决了支架梁端距变化大 和不能承受水平力的问题，开辟了液压支架设计的新时代；70 年代主要产煤国 家都在不断改善支架结构，完善支架性能，实现了支架的“立即支护”力式；80 年代以来，为提高生产率和降低成本，在液压支架的设计和研制中应用了许多 高新技术，特别是液压支架的性能相自动化程度有 f 大幅度提高。如美国、澳 大利亚的大部分长壁工作面部采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作 功能进行多种方式的程序控制相性能监测。90以上的美国长壁综采工作面使 用了电液控制两拄掩护支架，其额定工作阻力最高可达 9800kN，初撑比为 0.70.85，移架循环时间大多小于 10s。 我国从 1958 年开始设计掩护式支架从 1964 年开始由专门研究室全面开 展架型及阀类的攻关。1970 年在山西大同首次全工作面装备了 Tz140 型垛式 液压支架。至 70 年代中期，研制了 QY 型掩护支架和 ZY35 型支撑掩护支架。 80 年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大吨位 TZ720 型支架，分层开采自动 铺联网支架、放顶煤液压支架及大流量安全阀相操纵阀等。到目前为止，适于 我国实现高产高效的网产液压支架有 20 余种架型，其中用于缓倾斜中厚煤层和 缓倾斜厚煤层的各占一半。适用于缓倾斜，中厚煤层高产高效的液压支架的代 表件型号有 QY2001431、BY3300333、ZY35 或 BC400- 1735、TZ72020532、ZY5501329、ZY560k 等。适用缓倾斜厚煤 层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支架、 一次采全高支架和放顶煤支 架三大类。底座后部自动铺底网支架(如 BC7A4001735、PY32001735 型)使用效果较好。BY3200-2345、QY3502547；BC4800 2242、ZY560254 等大采高支架获得年产超百万吨的效果。放顶煤支架分 为单输送机插腿式开天窗、双输送机插板式、双输送机开天窗式三大类其代 表架型分别为 ZFD56002630、FY28001428、ZFS52001632。与国 外同类产品相比，这些支架的移架速度较慢（般为 2030s)、初撑比较低(一 般为 0.52 0.77，实测仅为 0.250.4)。 1.2.21.2.2 存在问题存在问题 液压支架经历了研制试验、引进仿制和改进创新阶段，直到现在的独立设 计和制造阶段。特别是对液压支架的架型与结构件的设计和研究投入了大量的 人力物力，达到了国外同期先进水平。然而在液压支架及其液控系统动态特性、 液压支架电液控制技术和计算机辅助设计等方面的研究起步较晚，远远落后于 一些先进国家。尤其对液压支架液压系统及其控制技术方面的研究投入较少， 存在的问题最为突出，成为制约液压支架发展的主要因素。 在我国的工业领域中，液压支架等煤矿机械的设计水平和技术水平相对落 后于其他行业，主要表现在：设计中以静态的、经验的方法为主；各种工序中 工作机构动作和各种工况转换的控制还是以手动为主；工作过程中在线动态监 测的技术还比较落后，对许多综采工作面而言还是空白。导致以上落后局面的 主要原因是： (1)对工作面的一切设备和仪器都有防爆要求，控制系统的电源必须是本安型； (2)工作面空间很小，所有装置的体积和形状都受到一定的限制； (3)在有限空间内密集布置相当数量的设备及其控制系统，抗干扰问题是一个重 大难题； (4)支架距泵站较远(用于远距离供液)，压力损失和管路振动等问题较为严重； (5)液压支架具有降、移、升、推相调架等工序，有时出现同架不同工序的组合 作业、或不同架相同或不同工序的组合作业，给液压支架的自动控制带来了许 多困难。 1.3 液压支架的发展动向和思路 近几年来，为适应采煤综合机械化的发展需要，液压支架获得了迅速的发 展，出现了很多类型，据统计，它的结构形式已经达到数百种。每种支架的支 柱从一根到八根，支撑力从 50 吨到 800 吨，支架的适应煤层厚度的范围从 0.6 到 5.0 米，以至更厚的煤层，适应煤层倾角由到，甚至左右。在缓倾04570 薄及中厚煤层中，液压支架已经获得了广泛的应用，但是由于煤层赋存条件复 杂，支架的结构还不够完善，设备还需要管理和操作经验，所以液压支架的使 用范围受到限制。 为了改进支架的支护性能，提高它对矿山地质条件的适应性，扩大使用范 围，延长使用寿命，目前液压支架有下列几方面的发展动向： 1 大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其他型式的支架，应用逐渐机减 少。1976 年国际采矿设备展览会展出的 89 种液压支架中，有 80%是掩护式支架， 这些支架的主要特点是：采用四连杆机构，使梁断和煤壁之间的距离基本保持 恒定；支柱支在顶梁上，提高了支架的工作阻力；顶梁和掩护梁铰接，取消了 两者间易被铅石阻塞的三角区；掩护梁和顶梁的主梁部分均装设侧护板，提高 了支架的防护能力；采用整体自移式，便于支架操作和实现自动控制。 2 液压支架的进一步发展，是着重解决扩大使用范围的问题。目前，各国 正在研制大倾角、大采高、大截深和薄煤层支架，并使支架和采煤机更好的配 合。近几年来，国外正在研制一次截深 1.5 米左右或一次采高 5.5 米的液压支 架。同时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。 3 采用高压乳化液泵，以提高支架的初撑力，很多国家使用的泵站压力已 达到 300kg/cm 以上。 2 4 为了简化支架管路系统和便于安全操作，开始采用“多芯管”先导式邻 架控制的操纵方式。 5 为了加快支架的移设速度，进一步改善操作条件，支架控制正在向自动 控制方向发展。目前，分组程序控制已经开始使用，全工作面的自动控制和处 在研究阶段。 我国液压支架技术创新的思路： 1 更新设计理念和方法 设计理念创新是液压支架技术创新的根本,应通过积极消化吸收国际先进技 术,改变传统的设计理念,把可靠性作为首要目标;采用现代优化设计方法,三维 CAD 动态设计,开发三维 CAD 参数化设计系统,进一步开发支架结构分析计算软 件系统,完善结构有限元分析软件系统及实用化,完善液压控制系统的设计,加强 细节设计。进一步加强支架围岩相互作用关系的研究,采用相似材料模拟试验 等手段进行综合研究,对支架的适应性进行理论解析,从而合理确定支架的结构 和支护参数。 2 完善标准体系 建立完善的煤矿支护设备技术标准体系是技术发展的重要任务。随着技术 的进步和 WTO 国际经济一体化,急需制定新的国家标准,进行建立液压支架国家 标准体系的研究。如北京开采研究所已基本完成了煤矿用液压支架安全性要 求系列国家标准的起草。新的国家标准将与 CENl804 等国际先进标准接轨, 必将对我国液压支架的技术进步产生重大影响。 3 架型发展 随着高产高效矿井建设的不断发展,对长壁综采设备生产能力和可靠性的要 求越来越高,支架向大工作阻力、高可靠性方向发展。一次采全高普通支架继续 向着两柱掩护式发展,并将进一步扩大适用范围。大倾角支架、薄煤层支架、 67 m 特厚煤层一次采全高支架、三软难采煤层支架等将不断发展新架型结构。 两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和工作面平巷超前 支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。同时,我国的大批地方中小煤矿将大力 发展长壁机械化开采,适应这些矿井使用条件的轻型液压支架和配套设备将得到 较快发展。 4 材料的升级换代 随着支架向大工作阻力和高可靠性要求的提高,支架质量也不断增加,给运 输、搬运和安装等环节带来了很大困难。如何在保证强度的前提下,减轻支架重 量是支架设计中迫切需要解决的问题,采用高强度钢材是最有效的途径。国际先 进液压支架结构用钢已以7001000MPa 高强度焊接结构为主,近年来,材 b 料的升级换代已初见成效,基本上解决了高强度板材的生产、加工与焊接问题, 并在支架设计中得到广泛应用,效果显著。 另外，还需要对材料的焊接性进行试验研究,优化焊接工艺,提高焊接接头 的综合机械性能与承载能力,以满足高可靠性支架设计需要。 1.4 巷道超前支护液压支架研究的意义 巷道超前支护是为了防止工作面超前支承压力和沿倾斜方向支承压力的叠 加作用而引起的巷道围岩变形、移动、破坏。当下综合机械化开采方式普遍存 在超前压力较大的情形, 若不能有效支护, 不仅影响工作面采煤效率, 且可能 导致很大的安全隐患。目前超前支护多为单体液压支柱配铰接顶梁,或双排木支 柱加横梁支护, 或单体液压支柱架板梁，根据巷道断面及顶板压力情况确定支 护参数，以确保安全出口的畅通。但是在特殊地质条件和临面开采时，单体液 压支柱配合铰接顶梁进行超前支护的局限性逐渐表现出来。主要有以下几个方 面： 1 支护强度低。对于顶板压力较大的煤层，达不到支护强度，易造成工作 面安全出口处顶板下沉，单体支柱钻底多，回撤困难。 特别是工作面后部密集 切顶处尤其如此，既增加了劳动强度，又不利于安全生产。 2 支护速度慢。由于单体液压支柱、顶梁支设及回撤速度难以大幅度提高。 制约了工作面的推入速度。难以实现高产高效。 3 劳动强度大。由于支设来回撤单体支柱及顶梁频繁，并且全部采用人力， 造成工作面回采使用人员多。劳动强度大。 4 成本高，安全性差。因顶板压力大或操作等原因。支柱、顶梁、柱鞋的 损坏量较大，增加成本支出。并且工序复杂。人工操作多。造成事故的概率较 大。因此, 研制一种适应综采工作面快速推进的巷道超前液压支架显得尤为重 要, 对提高煤矿经济效益和社会效益有着重要意义。 图 1-1 锚杆超前支护 图 1-2 单体液压支柱配铰接顶梁超前支护 图 1-3 巷道超前支护液压支架实例 2 总体设计 2.1 液压支架设计介绍 2.1.12.1.1 液压支架的工作原理液压支架的工作原理 液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液（这里采用水包油型乳化液）作 为动力由液压操作系统，控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高 压乳化液，经主进液管送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架， 再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流 的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱， 供循环使用。 支架的承载原理是：液压支架支撑在综采工作面的顶底板之间支撑顶板。 顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将压力传递底板。为保证支 架结构件的强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板压力超 过立柱安全阀限定压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板 压力下降到立柱工作阻力时，安全阀关闭进行保压承载。 2.1.22.1.2 支架的一般组成支架的一般组成 液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。 1 金属结构件主要有顶梁、掩护梁、前梁、上连杆、前连杆、后连杆、底 座、侧护板、护帮板等。 2 缸主要有双作用双伸缩立柱、推移千斤顶、侧护千斤顶、前梁千斤顶等。 3 液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀及 液压辅助元件等。 表 2-1 支架组成 序号序号部件部件功能功能举例举例 1 1 承载结构件承载并传递顶板载 荷 顶梁、掩护 梁、底座、连杆 2 2 动力油缸产生动力，实现各 种动作 立柱、千斤 顶 3 3 控制元部件操作、控制各个动 力油缸动作及保证所需 工作特性 各种阀件 4 4 辅助装置推移装置、 护帮装置、防倒 防滑装置 5 5 工作液体传递能量的介质乳化液等 2.1.32.1.3 液压支架主要结构件及其作用液压支架主要结构件及其作用 1 顶梁 顶梁采用整体顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部 件之一，由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度要求。 其主要作用是： （1）接顶板岩石及煤的载荷； （2）反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用； （3）隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。 本支架采用分段组合式顶梁结构（刚性顶梁伸缩前梁） ，强度高，对顶板 维护较好；另外，在顶梁前部还布置有起吊耳，可方便吊挂较小的机件。 2 掩护梁 1护帮板耳座；2侧推千斤顶座；3侧护板；4侧推千斤顶； 5前连杆耳座；6后连杆耳座；7护帮千斤顶耳座；8弹簧筒； 9插板千斤顶耳座 图 21 掩护梁 其主要作用有： （1）承受下部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能； （2）掩护梁与掩护梁千斤顶，保证支架的稳定性； （3）阻挡后部落煤，维护工作空间。 2底座 底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。 底座常用结构如图 2-2 所示： 1.前连杆连接处 2.后连杆连接处 3.限位块 4.U 型限位块 5.前柱窝 6 后柱窝 7.踏板 8.耳板 图 22 底座 其主要作用是： （1）将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提 供安装空间； （2）给工作人员创造良好的工作环境； （3）保证支架的稳定性。 3四连杆机构 前、后连杆分别与上连杆和底座铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用 铸钢件，铸件中不得有气孔、砂眼、夹杂。铸后要进行淬火和高温回火，以降 低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要 承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度。 图 2-3 前连杆 图 2-4 后连杆 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 通过四连杆动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些几何特征是四连杆机 构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，如下图所示，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 以下。 O o p e 图 2-5 四连杆布置 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，如图所示，应满足如下要求： 支架在最高位置时，P5262，Q7585；支架在最高位置时， 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 tgw，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 低工作位置应使 P25为宜。而 Q 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 Q2530，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 3-1 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 夹角为。设计时，要使角满足 tg0.35 的范围，其原因是角直接影响 支架承受附加力的数值大小（在后面有详细讨论） 。 4.应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段，如图所示 的 h 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，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 利于移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。 从以上分析得知，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 e 值减小，取双纽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，如图所示（实际上液压支 架四连杆机构属双摇杆机构） 4推移机构 图 2-6 推移框架 支架的推移机构包括推杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推 移输送机和拉移支架。推移连杆的一端通过连接头与输送机相连，另一端通过 推移千斤顶与底座相连，推移连杆除承受推拉力外，还承受一定的侧向力防止 底座的下滑。 2.1.42.1.4 液压支架的架型液压支架的架型 根据支架的结构特点与支护型式，液压支架有三种基本架型： 1 支撑式支架 支撑式支架立柱较多，均呈直立状态，项梁较长，立柱顶梁与底座构成一 多铰点的矩形结构。这类支架的工作阻力较大，支撑合力位于后部，切顶能力 强，架型空间较大。但框架结构不够稳定，承受侧向力的能力较差。适用于直 接顶稳定和坚硬老顶周期压力明显或强烈的顶板，不适用于破碎顶板。支撑式 支架有垛式和节式两种。 2掩护式支架 掩护式支架都有掩护梁挡住采空区矸石，立柱较少，均呈倾斜布置，顶梁 较短，立柱可斜支在底座与顶梁或掩护梁之间。顶梁、掩护梁与底座构成半封 闭式结构，将顶板、采空区与工作面空间隔开。这类支架的工作阻力较小，切 顶能力较弱，架型空间较小，但支架的防护性能较好。适用于破碎和中等稳定 直接顶（12 类） ，老顶压力不明显的顶板（级） 。有直支式和间支式两 种。 3支撑掩护式支架 支撑掩护式支架兼有支撑式和掩护式支架的结构特点，均为四柱式，立 柱可直立或斜支在顶梁或掩护梁上，相当于支撑式与掩护式的组合，以支撑为 主，掩护为辅。这类支架的工作阻力、切顶项能力均介于上述二者之间，但由 于有掩护梁，其掩护性能与稳定性均较好，适用于直接顶稳定和中等稳定 （24 类） ，周期压力明显（）的顶板。 2.2 超前支护液压支架结构设计 2.2.12.2.1 支架选型支架选型 2.2.1.1 液压支架结构类型的优选 根据以往液压支架设计的经验总结，考虑到不同架型 和机构的支架 围岩力学相互作用、支撑力矩、底板比压等特点，可以对掩护式与支撑掩护式 结构进行比较。 表 2-2 支架结构、性能和经济比较 架形架形 项目项目 支撑式支撑式掩护式掩护式支撑掩护式支撑掩护式 结构复杂性结构复杂性简单复杂复杂 工作阻力工作阻力大小大 切顶能力切顶能力强小较强 防护性防护性差好好 稳定性稳定性差好好 架形空间架形空间大小较大 重量重量轻较重重 表 2-3 不同类级顶板的架形参考 老顶级老顶级 别别 直接顶直接顶 类别类别 12312312344 架架 形形 掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 式 采高小 于 2.5 米时支 撑式； 采高大 于 2.5 米时支 撑掩护 式 2.2.1.2 液压支架的架型选择原则 在选择液压支架时既要保证对工作面顶板实现可靠的支撑，又要避免过大 的设备投资，导致不必要的浪费。因此，液压支架的正确选型对于工作面经济 效益关系重大。液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学性能是否适 用矿井的顶底板条件和其它地质条件。在同时允许选用几种架型时，应优先选 用价格便宜的支架，支承式支架最便宜，其次为掩护式。支承式支架适合于稳 定顶板。掩护式支架适合于中等稳定和一般破碎的顶板。支承掩护式支架适合 于周期来压强烈，中等稳定和稳定顶板。在综采工作面支架选型时，还应注意 下述四点原则： 1 对于不稳定和中等稳定顶板，应优先选用二柱掩护式支架。但在底板极 松软条件下，必须严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压 即极限载荷强度。在此条件下，通常应避免使用重型支架。 2 对于非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板， 应优先考虑选取四柱支撑掩护式支架。 3 众所周知，三点决定一个平面，由于顶板不平，四柱式支架中总有一根 支柱对顶板的实际支撑力很低，因而二柱式掩护支架支撑能力利用率高于四柱 式。即二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架， 特别是对机道上方顶板的支护强度。 4 在不稳定顶板条件下使用四柱式支架应注意对机道上方的顶板控制，包 括增加前任阻力及可伸缩前梁等。 2.2.1.3 影响架型选择的因素 液压支架的选型受到矿井的煤层、地质、技术和设备条件的限制，因此， 以上因素都会影响到支架的选型。 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。一般情况下可根据顶板的级 别选出架型。 1 煤层厚度 当煤层厚度超过 1.5m，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力 强的支架，一般不用支承式支架。 当煤层厚度达到 2.5m2.8m 以上时，需选择带有护帮装置的掩护式或支 承掩护式支架。 煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或 双伸缩立柱的支架。 假顶分层开采，应选用掩护式支架。 2 煤层倾角 煤层倾角25时，排头支架设防倒滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶， 工作面中部输送机设置防倒滑装置。 3 底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许比压。 为使移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。 4 瓦斯含量 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风端面较大 的支承式或支承掩护式支架。 5 煤层硬度 当煤层为软煤层时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤层时，支架最大采 高一般3.5m；硬煤层时，支架最大采高coscos 0.95，支架的承载能力降低值不等大于。当26 时，1.4 4.2 前梁受力情况 假定前梁千斤顶缸体内径取为 160mm 则前梁千斤顶的支撑力为： Kn 22 3.14 16 601205.76 4 1040 d a D Fp 图 4-1 前梁前端受一集中载荷 F，其受力图如上图所示： 前端集中载荷为： kNF165 在断面 A-A 处的弯矩为： mKNM 5 . 261)125 . 0 71. 1 (165 前梁做成变断面箱形结构，A-A 断面如下图所示： 图 4-2 AA 端面 4.2.1 前梁强度计算 (1) 形心位置 由上图可知，型心位置在端面的中央，即： mm232.5y (2) 惯性矩 各结构件的面积： mm 1 490 10 29800F 2 mm 2 465 10 29300F 2 mm 3 465 30 227900F 2 33 22 490 1020 465 () 232.59800 1212 nn nc J yy JF + 3 22 60 465 232.59300232.527900 12 =321000 cm 4 (3) 弯曲应力： J M yc) 5 . 46( =1894 N/cm 5 261.5(46.523.25) 10 321000 2 (4) 安全系数 钢板材料选取 16Mn， 2 5 34335/N cm 18 1894 34335 s n 所以前梁符合强度要求。 4.3 主顶梁强度校核 假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力图如下图所示：由上面 求出为 6052.9 kN ，距离铰接点 3004.5mm,最大弯矩为 6052.9（3-0.6） A P =14526.96 kNm 图 4-3 顶梁受力情况图 顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如下图所示： 图 4-4 端面图 (1) 形心位置 由上图可知，型心位置在端面的中央，即： mm232.5y (2) 惯性矩 各结构件的面积： mm 1 490 10 29800F 2 mm 2 465 10 29300F 2 mm 3 465 30 227900F 2 33 22 490 1020 465 () 232.59800 1212 nn nc J yy JF + 3 22 60 465 232.59300232.527900 12 =3210000 cm 4 (3) 弯曲应力： J M yc) 5 . 46( =10522 N/cm 5 14526.96(46.523.25) 10 3210000 2 (4) 安全系数 钢板材料选取 16Mn， 2 5 34335/N cm 2 . 3 10522 34335 s n 顶梁符合强度要求。 4.4.底座的强度计算与校核 （1）求底座所受内力并画出受力简图(a)和内力分析计算图(b)（支架高为 4000mm 时） 。 （2）求各点处的剪力并画出剪力图(c) 91.57 77.97 1088.2 A B B C C D QkN QkN QkN 图 4-5 弯矩图 （2）求各点处的弯矩并画弯矩图(d) 1.12/ 58.73/ 59.85/ 75.07/ 75.0722/ 56.6/ A B B C C D MkN m MkN m MkN m MkN m MkN cm MkN cm 左 右 左 右 左 右 双向取矩误差矫正如下： 100%0.03% EE E MM K M 左右 右 图 4-6 底座受力分析及弯矩图 画弯矩图(d)，如上图所示： 由弯矩图和底座结构图可知，应力集中处为危险截面，对其进行强度计算。 （3）按弯曲应力应力集中处计算的强度 应力集中处的截面： 2 1 3 图 4-7 端面图 （4）计算各截面的截面积 F1 和截面形心距 y1： . 2 11 1 2 222 2 22 111 2222 44 172136 31172234 FLcm FLcm FLcm 1 1 2 31 1 2 28.510.5 2 217120 2 ycm h ycm yhcm ()222 1 136 10.523420 10.7 222136234 nn C n F y ycm F 计算每个零件中心到截面的距离 a： 11 22 33 10.719.7 10.710.50.2 10.7209.3 ayycm ayycm ayycm 计算截面中心主惯性距 J： 3 12 bh J 式中：b截面宽度； H截面高度。 计算每个截面对截面形心的惯性矩： n J 3 24 1 3 24 2 3 24 3 2110 9.722220961 12 42 17 0.21363280.8 12 2117 9.323420316.7 12 Jcm Jcm Jcm 4 123 209613280.820316.744558.5JJJJcm 计算安全系数 52 75.0721 10.7 101735.3/ 44558.5 N cm 所选材料为，它的为 34335，16Mn s 34355 20 1735.3 s n 查表取底座的许用安全系数为 1.1，故满足强度要求。 5 推移千斤顶的设计计算 所用已知参数：推溜力 100kN 移架力 150kN 泵站压力 32MPa 液压支架推移千斤顶是液压支架整体运动的重要动力部件，它要完成移架 和推溜两个动作，要求移架力大于推溜力，故本支架采用浮动活塞式推移千斤 顶，具体设计如下： 5.1 缸筒内径和缸壁厚度的计算 5.1.15.1.1 缸体内径的确定缸体内径的确定 浮动活塞式推移千斤顶的缸体内径按下面两式确定 2 40 tt b F Ddcm P 移 40 t b F dcm P 推 千斤顶杆径，cm t d 泵压，MPa b P 推溜力，kNF推 计算系数，取 0.6F移 将各已知数据代入可得 cm 40 100 6.31 3.14 32 t d cm 2 40 150 6.319.98 3.14 32 t D 求得：d=60 mm 查表 取 为 125 mm t D 5.1.2 千斤顶缸体壁厚的计算千斤顶缸体壁厚的计算 液压支架推移千斤顶的壁厚(mm）,一般为,即中等壁厚，按 1.63.2 D 下式计算： 2.3 pD c p 式中： 缸体工作压力，MPap 考虑管公差及侵蚀的附加厚度，一般取 2mmc 强度系数，无缝钢管的=1 缸体材料的许用应力 MPa,取 352MPa 将各已知数据代入可得 32 12.5 0.20.694 2.3 352321 cm 求得： cm 取 20mm0.694 5.2 推移千斤顶的强度验算 推移千斤顶的强度验算包括推移千斤顶的稳定性验算、活塞杆和缸体的强度验 算。 5.2.1 推移千斤顶稳定性验算推移千斤顶稳定性验算 首先验算千斤顶在活塞杆全部伸出并受最大同心纵向载荷是的稳定性，推移千 斤顶的稳定性条件为： 2 1 1 k k P PJP J 式中： 推移千斤顶稳定极限力 kN k P 最大工作阻力 kNP 活塞杆端面惯性矩 cm 1 J 4 缸体端面惯性矩 cm 2 J 4 缸体外径 cm 1 D 44 1 3.14 7 117.8 6464 d J 44 44 2 3.14 (12.510 ) 707.2 6464 Dd J 稳定条件适用范围： 1 1,2 2280 J l P 所以取： mm 12 1000,900ll 根据及查极限阻力计算图，利用插入法求得： 2 1 J J 2 1 l l 1 29 k P J 将代入式求得： 1 29 k P J 2 1 1 k k P PJP J k PP 故推移千斤顶满足稳定条件。 5.2.25.2.2 活塞杆强度验算活塞杆强度验算 在承受同心最大轴向载荷时，推移千斤顶的初始挠度为： 1 121 2 1 2 1 cos 22 l lGl l alPl 千斤顶总重，0.6kNG 缸体轴线与水平面夹角 15 活塞杆与导向套配合间隙 1 活塞与缸体配合间隙 2 取 12=1 mm 1 0.1 100 900.6 cos15 2 0.2 1702 150 170 求得： cm 1 0.2347 当时 12 1 1700 24.35, 70 l ll d 1 12 1 2 12 l KK l l tt 式中： 12 55 1 150150 0.002470.001008 2.08 10117.82.088 10707.2 P KK EJ 钢材弹性模数，.MpaE 5 2.088 10E 11 1 22 2 tan(57.3)0.252 tan 57.30.0909 tK l tK l 求得： cm 2.12 活塞杆合成应力： PP AW A活塞杆截面； W活塞杆断面模数； 查表得： .cm38.48,33.67AW 求得： N/cm 13342.6 2 安全系数计算如下： s nn s 活塞杆为 27SiMn 无缝钢管时， N/cm ；83385 s 2 许用安全系数，最小取 1.4. n 求得： 6.21.4n 故满足强度要求。 5.2.35.2.3 缸体强度计算缸体强度计算 缸体厚度验算： 125 6.253.2 20 D 此时按中等壁厚缸体公式计算，即： 2.3 p Dc c 缸体实际承受最大应力 MPa; 考虑管壁公差及侵蚀的附加厚度一般取 2mm;c 缸内工作压力 32MPa.p 求得： 147.7MPa 安全系数 b nn 缸体材料为 27SiMn 无缝钢管时， b 980 b MPa 许用安全系数，取 3.54 n 求得： 6.644n 故满足强度要求。 5.2.4 缸体与缸底焊缝强度计算缸体与缸底焊缝强度计算 按下式计算： 22 001 10 4 P MPa Dd 环行焊缝内径 取 13cm 0 d 环行焊缝外径 取 14.5cm 0 D 焊接效率 取 0.7 1 22 1 10 150 97.5 3.14 14.513.5 4 MPa 求得： 97.5MPa 按式计算安全系数，焊缝抗拉强度 b nn 539 b MPa 求得： 5.534n 6 液压支架的使用和维护 6.1 液压支架的使用维护 为了保证回采工作面的正常生产，延长支架的使用寿命，保证支架性能 的可靠性，必须进行支架的日常维护与检修，首先要在人员、班组设置和 制度的建立上，应做到以下几点： 1 支架要有专人维护，选派责任心强、懂设备性能、具有维修技术的 人作维护工。 2 应实行四班制，三班生产，一班检修，做到一个检修班，至少保证 三个生产班的正常生产。 3 要坚持维护检修制度，做到班随检、日小检、周中检、月大检、季 （年）总结。 4 维修工要清楚维修项目和维修重点，出现故障，要迅速判明故障部 件和故障原因，果断及时排除故障，不留隐患，保证设备正常运转。全工 作面维护重点是机电设备，支架维护重点是液压系统和液压元件。 5 维修工要与生产班密切配合，相互协作，齐心协力保养好设备，保 证设备完好，同时还要注意加强业务学习，不断提高维护技能。 6 要建立事故分析制度，坚持作维修记录，找出事故和故障的规律性， 总结经验教训，采取预防措施，掌握维护的主动权，提高维护水平。 对于支架的常用维护和检修，主要内容包括： 1 检查各结构件有否塑性变形及焊缝开裂情况，一旦发现问题，都要 查明原因，及时研究解决或防止问题扩大的办法。 2 检查各连接部位的销轴、开口销及U 型卡等是否齐全到位，有否 塑性变形，一旦发现问题，需查明原因及时处理。 3 及时处理漏矸和浮煤，经常清理推移机构中及立柱柱窝内的矸石或 碎煤，以免卡住或妨碍运动部件正常运动和防止损坏另部件。 4 经常检查液压管路连接是否正确，U 型卡子是否齐全到位，同时 检查各立柱、千斤顶、控制阀组和管路有无漏液、损坏、开裂等情况发生， 对有