ZY86002550掩护式液压支架设计(含源文件)
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中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 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。而液压支架是一高压液体作为动力，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。 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 1 1 所示 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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 2 页 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。 计事项 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、煤层的物理机压支架工作原理图 123456 7、 891011； 12 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 3 页 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。 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右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为 100150厚煤层一般为150 250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。 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。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 4 页 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。 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。 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。 （ 1）节式 节式支 架由 2 4 个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进， （ 2）垛式 整个支架为一整体结构，整体移动，通常有 4 6 根立柱，可以支撑坚 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 5 页 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。 压支架的组成 液压支架由以下六个主要部分组成： 1 顶梁 2 立柱 3 掩护梁和挡矸帘 4 底座 5 推移机构 6 操纵控制系统 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 6 页 压支架的主要结构件及其用途 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。 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。 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。 动侧护板 用途： 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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 7 页 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。 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。 压支架的液压系统 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。 压支架传动系统的基 本要求 对于液压支架的传动装置，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。 压支架的液压传动特点 液压支架的液压传动，与其他机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下： 工作液的压力高（管路内的压力达 20 40柱内的压力达 30 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 8 页 70流量大（ 30 150l/ 在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体为工作介质； 液压缸、操纵阀，其他调节和控制装置等总的数量大（高压泵 1 6 台，液压缸 300 1500 个，安全阀 150 300 个，还有同样数量的液控单向阀）； 很长的液压管路（ 200 300m 刚性管， 500 3000m 高压软管） ; 泵 液压缸传动系统的换算弹性模数较低； 根据支架的数目改变液流的参数； 所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及他们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）； 每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支 架的基本工序； 为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业以及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。 这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即： 液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有其独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独的加以研究。 压支架的选型 液压支架的选 型原则： 液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面条件，投产后能做到高产，高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条进行选择。 1 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 9 页 2 当煤层厚度超过 板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。 3 当煤层厚度达到 上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩立柱的支架。 4 应使支架对底板 的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。 5 煤层倾角 10时，支架可不设防倒防滑装置； 15 25时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置； 25时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。 6 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。 7 当煤层为软煤时，支架最大采高一般 硬煤时，支架最大采高一般 煤时，支架最大采高 5m。 8 在同时 允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。 9 断层十分发育，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在 5 8间在 20上时，暂不宜采用综采。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 10 页 2 液压支架的结构设计 压支架的主要尺寸的确定 架高度和伸缩比 由题目已知 : 支架的最大高度 m 支架最小高度 架伸缩比 5 22 . 5 架间距 支架间距就是指相邻支架中心线间的距离，按下式计算 3式中 支架间距（支架中心距） 每架支架顶梁总长度 3c 相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙 n 每架所包含的组架或框架数 取650c=150mm,n =2 则 3=1650+1502=1950 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 11 页 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 2700 图： 梁长度的确定 支架在工作面的相对位置关系如图 2示。 图 2座示意图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 12 页 掩护式支架顶梁长度计算 顶梁长度 =配套尺寸 +底座长度 + 1（ ）-1G （ ）+300+e +掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（ (2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； 1Q 、 1P 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。 经计算得顶梁长度为 4390 柱布置 本支架采用 双伸缩 立柱。 图 2体示意图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 13 页 国内 掩护 式支架立柱数常用为 2 根。故选立柱数目为 2。 风断面的计算 采煤工作面的过风量有一定要求。在过风量一定时，采煤工作面的通风断面积不应过小。但在工作面中安装液压支架后，通风断面积明显减小。因此必须验算通风断面积。一般按工作面允许风速进行验算。根据保安规程规定，工作面风速应小于 5m/s。 采煤 工作面风速计算按下式进行。 601 c m/s 式中 V 工作面风速（ m/s） 1A 支架在采煤工作面的通风断面积（ Q 采煤工作面所需风量（ m3/ (m3/ K 通风不均系数，一般取 K =1.5 保安规程允许的朝气含量，一般取% 6024 日产量（ T） 一分钟产生一吨煤沼气涌出量，一般取4(m3/计算： 1A =T =400有 : 44006024 qQ(m3/ 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 14 页 m3/ 3601 A QV(m/s) V 5m/s，合乎安全规程规定。 部件结构选择 液压支架各个部件的结构形式与 工作面的顶底板条件和支架结构形式有关，选择时根据支架的结构和工作面顶底板条件，对各个部件的结构进行分析，最后择优选择。 梁 顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度要求外，还要保证支护顶板的需要，如：有足够的顶板覆盖率；同时要求适应顶板的不平衡性，避免因局部应力而引起损坏。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 15 页 图 2梁的结构型式 1 护帮 ； 2 后梁； 3 尾梁； 4 护帮 千斤顶； 5 前梁 伸缩千斤顶 本支架采用刚性顶梁带铰接式 护帮 ，如 上 图 2示，顶梁由前、后梁铰接。在铰接 护帮 安装有 护帮 千斤顶 4，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使 护帮 上、下摆角，适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。 各类顶梁都为箱式结构，一般有钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘形。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，作为挂挡矸帘之用。在顶梁下焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来。 顶梁端面形状和顶梁如 22 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 16 页 图 2梁断面 图 2梁外形 座 底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此，底座除了满足一定的刚度和强度外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板接触比压小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置，要便于人员行走；能起一定的挡矸排矸作用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性。 架底座结构选 用底分 式 刚性 底座，如图 2 底座前端制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部重量大于前部，避免移架时啃底。 底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以避免因立柱偏斜受偏载，并用限 位板和销轴限位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间去掉一块钢板，减少底座后部与底板的接触面积，增加底座后部的比压，同时有利于排矸。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 17 页 图 2 底分式底座 柱 立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力状态，它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。 立柱的结构由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。 如 2示 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 18 页 图 2 立柱结构 缸体是立柱的承压部件。一般用 27缝钢管制成。缸体内表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。 活塞是立柱的关键元件，对它的主要要求是保证密封性能良好，运动表面能承受外力的冲击。 活塞可以套在活柱上，或直接焊接在活柱上。用钢制作活塞时，可在活塞上安装导向环与缸体内径配合。导向环多用塑料制品，也有用铜合金制成。在不承受横向力或横向力很小的情况下，可以用保护密封圈的尼龙挡圈兼做导向环。 活塞靠密封圈密封，密封圈有 O 型、 Y 型、 U 型、 V 型、鼓型、蕾型 等。鼓型密封圈是两个夹布 U 型橡胶圈压制而成的整体实心密封圈，它和两个 用于工作压力 压力小于 以不加挡圈。它可用于各种活塞上的双向密封。 蕾型密封圈是一个 U 型夹布橡胶圈和唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈。它适用于装入各种液压活塞头和导向套上，为单向密封。工作压力小于 ，可以不加挡圈。 以上两种密封圈的使用，简化了活塞结构，装配方便，但密封圈本身加工较复杂。 活塞的轴向固定方式由三种：用螺帽加防松螺钉固定；用压盘和螺钉固定；用半圆 环加弹性挡圈固定。 活柱和活塞杆是立柱传递机械力的重要零件，它要能承受压力和弯曲等载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用 27 45 号钢制成。为防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，表面要镀铬，并要注意保护，防止外部硬伤。 缸口用钢丝挡圈固定，是在导向套外侧装有钢丝挡圈，内侧装有密封圈和防尘圈。这种结构简单，装卸方便，但要求活塞杆外径与缸体内径之间有比较大的空间，这种固定方式使用较多。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 19 页 固定钢丝和钢丝挡圈的连接方式，不能耐高压。当密封液体压力较高时，可采用半圆环结构连接方式。 移 装置 液压支架推移 装置是保证支架正常推溜和拉架，实现工作面正常循环作业的重要装置。 在设计支架时，应根据支架结构和配套要求合理选择推移装置的形式，并充分保证支架推移装置对工作面条件和配套的适应性。 推移装置的型式如表 3示 表 3移装置 千斤顶的型式 型 式 特 点 适用条件 普通式 普通活塞式双作用千斤顶可为外供液式，也可为内供液式 1、目前已很少直接用作推移装置，而多与反拉框架一起使用，应用较广 2、 外供液式结构简单，应用广泛 差动式 千斤顶结构仍为普通型式，利用交替阀的油路系统，使其减小托输送机力 用于直接拉架的方式，目前应用较少 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 20 页 浮动活塞式 千斤顶活塞可在活塞杆上滑动，使环腔供液时拉力与普通千斤顶相同 ； 但在活塞腔供液时，使压力 的 作用面积仅为活塞杆 断 面积， 从而 减小 了 推输送力 1、 广泛用于直接拉架方式 ，与短推杆等导向件一起使用 2、 动作时间有一定滞后，但一般不影响使用 推移装置一般由推移千斤顶、推杆或框架等导向传力杆件以及连接头等部件组成，其功能 、连接型式见表 3 表 3移装置的功能与主要连接型式 功 能 1、 将输送机推向煤壁，保证作业循环 2、 将液压支架拉向煤壁方向，及时支护顶板 3、 框架或推杆与底座 导向通道共同作为支架、输送机移动时的导向，起一定的防滑作用 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 21 页 连接型式 1、 直接连接 一端固定在支架底座（一般位于支架纵轴线上），另一端固定在输送机或输送机底托架上。此时移架和推输送机都用一个推移千斤顶 2、 移步横梁间接连接 在推移装置与输送机之间加一个移步横梁、千斤顶仅与移步横梁连接。这种方式减少了支架与输送机之间的约束和影响、比较机动，但结构复杂 3、 相邻支架或支架节连接 这种方式一般用于节式或各种类型的组合迈步支架。移架千斤顶位于主副架之间，多数分别与两者的底座相连，称为下移架机构。少数为顶梁之间相连，称为上移架 机构。移架与推溜各用不同的千斤顶。推输送机千斤顶两端分别同支架与输送机相连，但数量可以减少，如 56m 布置一个 推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆两种。 液压支架所采用的推移装置为： 倒拉式长推移杆 。如图 3构简单可靠，重量轻，被广泛采用。 支架推输送机的力应不大于输送机的设计推力，拉架力一般应为支架重量的 23 倍。支架移架速度应与采煤机截割牵引速度相适应。 图 2推移杆 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 22 页 帮 千斤顶 护帮 千斤顶的缸体用圆柱销固定在 护帮 下端的耳座上，活塞杆与主梁与主梁相连接。 护帮 千斤顶的活塞腔液路上，装有液控单向阀和安全阀，以保证 护帮 的初撑力和工作阻力。 图 2帮千斤顶 连杆 结构 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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 23 页 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。 连杆机构设计的要求 度 在最大和最小范围内变化时，如图 2梁端点运动轨迹的最大宽度 e 应小于或等于 70好为 30 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满足如下要求：支架在最高位置时，P 52 62， Q 75 85；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 W = P =为了安全可靠，最低工作位置应使P 25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 Q 25 30，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。 护梁与顶梁铰点 e 和瞬时中心 。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。 图 2h 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 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 24 页 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 e 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 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。 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。 四连杆机构的几何特征，如图 示 。 （ 1）支架在最高位置时，1P5262 ，即： 度；1Q75 85即 支架在最低位置时，保证 P1 25。 （ 2）后 1 连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为 I =撑掩护式为 I = （ 3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为 I （ 4） e 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 70e （ 5）支架在最高位置时的 应小于 优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于 四连杆机构各部参数如图 示，图中的1 ： ; B ; C ; D ; 2 ; G ; F ; 1 ; L ; A 1;= 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 25 页 e 连杆机构参数图 (1)后连杆与掩护梁长度的确定 如图 ，当支架在最高位置时的 护梁长度 111s i n s i I Q （ ） （ ） （ 后连杆长度为： A I G （ 前后连杆上绞点之距为 ： B I G1 （ 前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为： F G B （ 从 式 （ 式 （ 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：1I 的步长，支撑掩护式为 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。此处，步长也可根据精度自行确定不必遵循此规定。 （ 2）后连杆下绞点至坐标原点之距为1E，如图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 26 页 图 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 ,e 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 ,e 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，：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 , 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）1当支架在最高位置 时 的计算高度为1H，此时1 11c o P（ ）（ 1 1 1s i F P （ ） （ 2）2支架在最低位置时的计算高度为2H，此时2 22c o P （ ）（ 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 27 页 2 2 2s i n s i P （ ） + A （ Q）（ 根据四连杆机构的几何 特征要求，支架降到最低位置时，2 2 5 3 0Q 为计算方便2 25Q ，即 度。 根据几何关系2 2212212c o sa r c t a nc o A Q （ ）（ ）（ 3）3 当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，33c o P（ ）（ 3 3 3s i n s i P A Q （ ） （ ）（ 式中 132 2 21a r c t a n a r c t a A E （ ）（ 332（ 4） 根据图 架在三个位 置时四连杆机构几何关系确定后， 1b、2b、3圆 的圆心。所以，1 2 3cb cb 为前连杆的长度。因此，可以用圆的方程求得前连杆长度。即： 2211x x y y （ ） （ ） （ 上式中cx、以按下列方程联立求得 : 2 2 2 21 1 3 3c c c cx x y y x x y y （ ） （ ） （ ） （ ） （ 2 2 2 23 3 2 2c c c cx x y y x x y y （ ） （ ） （ ） （ ） （ 由式（ 式（ ： 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 28 页 2 2 2 2 2 2 2 23 1 3 1 2 3 2 3 2 3 3 13 1 2 3 3 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( ) ( ) ( )cx x y y y y x x y y y x y y y y x x （ 2 2 2 2 2 2 2 22 3 2 3 3 1 2 1 3 1 2 33 1 2 3 3 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( ) ( ) ( )cx x y y x x x x y y x x y y y y x x （ 令 : 2 2 2 23 1 3 1M x x y y （ 2 2 2 22 3 2 3N x x y y （ T 3 1 2 3 3 1 2 32 ( ) ( ) ( ) ( )x x y y y y x x （ 把 式 （ 式 （ 入 式 (得： 2 3 3 1( ) ( )c M y y N y （ 3 1 2 3( ) ( )c N x x M x （ 连杆 的 长度和角度就可以确定了。 （ 4）前连杆下绞点 的 高度 连杆机构的底座长度 E。 当前连杆 的长度为： 1 x（ 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 （ 2）前连杆的高度不宜过大，一般应使 15 （ 3） 般应使 E （ 4）对掩护式支架应使 的值 U ；对支撑掩护式支架 02U. 的值按下面的方法进行计算。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 29 页 如图 支架在最高位置时的几何关系。 （ 1） 4x= 11c o Q（ 41 Q （ （ 2）2, ),0)E（ 3）1 111 （ （ 4）2 45245 （ 由于 c 、 此，111以11 61161 （ 同理直线1164264 （ 立（ （ ： 1 1 1 2 4 4612K x y K x K （ 6 1 6 1 1y K ( x x ) y （ 令： 6 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 30 页 6S H y（ 则： （ 为了能 计算 和看出优选的一组值的 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 从图 知，在任一个4d 点的 x 坐标值应满足下列方程 44c o s c o s c o E B P C （ B 点的 y 坐标值应满足下列方程 4s i n s i n s i B C D 4P （ 图 心位置图 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计 第 31 页 图 连杆机构方程图 由式（ ： 44s i n s i ns i n A Q B P （ 将式（ 入式（
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