大采高掩护式液压支架设计

摘 要本文的课题是8.9米一次性采全高液压支架的总体设计。液压支架作为采煤工作面的重要支护设备，在工作过程中能否取得良好的支护效果，取决于支架的架型，结构和相关参数。联系实际，本文将为神东设计一款支护高度达到8.9米的大采高液压支架。设计首先通过计算，分析和比较，确定了液压支架的顶梁、底座等基本尺寸，然后通过几何做图法进行四连杆机构优化设计来确定支架的四连杆机构各杆系的长度,之后优选各部件，画出草图，进行受力分析，并进行强度验算。最后确定液压支架的型号 确定配套装置，绘制装配图及零件图。在完成设计的过程中，利用理论分析的同时，也采用了许多实际经验，做到理论与实践相结合。关键词：掩护式支架；8.9米大采高；四连杆；立柱；优化设计；强度IAbstractTopic of this paper is 8.9 m one-time mining overall height hydraulic supports the overall design.Hydraulic support as coalface important support equipment, in the work process can achieve good supporting effect, depending on the stand of the frame type, structure and related parameters. With practice, this paper will design a support Shendong height of 8.9 meters of large mining height hydraulic support. Design is first calculated, analyzed and compared to determine the roof beams, hydraulic support base and other basic dimensions, and then optimize the four-bar linkage design do figure geometric method to determine the length of each stand four-bar linkage rod system, after preferably, each member, sketch, stress analysis, and checking the strength. Finalize the hydraulic model to determine the bracket supporting devices, assembly drawing and part drawing.In the completion of the design process, the use of theoretical analysis, but also with a lot of practical experience, so that the combination of theory and practice.Key words: cover timbering; 8.9 meters large mining height are broken; The four connecting rod; Pillar; Optimization design; The intensity I目录1 绪论11.1 项目立项的背景11.2 国内外概况、水平及发展趋势21.3 液压支架的设计目的、要求和基本参数31.3.1 设计目的31.3.2 对液压支架的基本要求41.3.3 设计液压支架必需的基本参数41.4本章小结42 液压支架的总体设计52.1 架型确定52.2 液压支架基本技术参数的确定52.2.1 支护高度52.2.2 支架伸缩比62.2.3 支架中心距的确定62.2.4 底座主要尺寸的确定62.3 四连杆机构的设计72.3.1 四连杆机构的作用72.3.2 掩护梁和后连杆长度的确定92.3.3 几何作图法作图过程102.4 顶梁主要尺寸的确定122.4.1 掩护式顶梁长度的计算122.4.2 顶梁面积132.4.3 支架的支护面积132.4.4 顶板覆盖率132.5 立柱位置的确定142.5.1 立柱布置142.5.2 立柱柱窝位置的确定142.6 本章小结173 液压支架的部件结构设计183.1 顶梁183.2 底座193.3 立柱203.4 千斤顶223.4.1 推移千斤顶223.4.2 平衡千斤顶223.5 侧护板223.5.1侧护装置作用223.5.2 顶梁和掩护梁的侧护板种类选择223.6 本章小结234 液压支架基本技术参数244.1 液压支架基本技术参数的确定244.1.1 支护强度确定244.1.2 支架的理论支护阻力244.1.3 初撑力254.1.4 移架力和推溜力254.2 支柱及相关液压系统参数确定254.2.1 确定立柱的技术参数254.2.2 立柱的初撑力与泵站的额定工作压力264.2.3 安全阀压力和立柱工作阻力的确定264.3 千斤顶技术参数确定274.3.1 推移千斤顶274.3.2 平衡千斤顶274.4 支架参数确定294.5 本章小结305 液压支架受力分析315.1 液压支架工作状态315.2 计算载荷的确定315.3 液压支架的受力分析325.4 本章小结386 支架强度校核396.1 强度条件396.2 立柱及液压缸强度校核406.2.1 油缸的稳定性验算406.2.2 活塞杆强度计算426.2.3 活塞杆的导向套446.2.4 缸体强度验算446.3 掩护梁的强度校核486.4 本章小结517 液压支架的液压系统527.1 立柱和千斤顶527.2 支架液压阀537.2.1 液控单向阀547.2.2 安全阀547.2.3 操纵阀547.3 液压支架液压原理图557.4 本章小结558大采高液压支架稳定性分析568.1 大采高支架横向稳定性问题的分析568.2 大采高支架纵向稳定性问题的分析578.3 提高支架抗冲击能力的关键技术措施588.4 大采高工作面煤壁稳定性分析588.5 提高支架横向、纵向稳定性的技术措施598.6 本章小结60总结61参考文献62致 谢63附录A64附录B68-1 绪论1.1 项目立项的背景 综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志，近二十多年来，世界各主要产煤国家如美国、澳大利亚、南非等为了提高工作面的自动化程度、降低生产成本，都在积极发展适应各自地质条件的高产高效综采设备，使工作面产量纪录不断刷新，取得了举世瞩目的成就。晋城煤业集团从上世纪 80 年代开始采用综合机械化采煤方法以来，先后采用了分层综采和放顶煤综采技术开采厚煤层，并取得了较好的经济和社会效益。寺河煤矿和神东煤矿近些年来也都不断刷新大采高纪录。大采高开采对我国的煤炭生产具有重大意义。1）大采高液压支架的研制是解决工作面瓦斯和粉尘问题的需要大采高采煤法采用 H 型通风方式，过风断面大，通风阻力小，容易配风，只要加强机组内外喷雾，在提高机组喷雾的雾化程度的情况下加适当比例的降尘剂，并利用抽放钻孔进行煤尘注水，降尘效果会更好。2）采用大采高一次采全高回采工艺是建设高产高效矿井的需要煤炭高效集约化生产是世界煤炭工业发展的方向。高实践证明，几年来，凡是建成高产高效的矿井，安全状况都有很大的改观，百万吨死亡率远远低于全国平均水平。综采设备问世后，世界上采煤发达国家普遍推广使用。发展高产高效矿井，最大限度地提高矿井经济效益，已成为煤炭企业的主要发展方向，也是衡量一个国家煤炭工业发达程度的重要标志。3）研制开发厚煤层一次采全高液压支架是发展民族工业的需要我国是世界煤矿机械生产制造大国，已有部分产品出口国外，本项目在满足国内煤炭生产需求的同时，还可以发挥技术和价格优势将高端产品打入国际市场，提高我国煤机出口商品国际竞争能力。综上所述。大力研发大采高开采技术是十分必要的，而大采高液压支架作为大采高开采必不可少的关键技术所在，更应大力去研究。本次设计取题四盘区煤矿，四盘区煤层厚度普遍在89.4m，平均8.9m，且赋存稳定，煤层硬度大、韧性高，埋深平均208.7m，属于近浅埋深特厚煤层。针对这类煤层的回采问题，关键是解决采法问题。根据目前采煤技术的发展趋势结合神东矿区的经验，可采用的采煤方法主要是大采高综采、大采高综放开采和分层大采高开采。本次课题只研究大采高综采。1.2 国内外概况、水平及发展趋势 2010年前，以长壁高效综采为代表的煤炭井工开采技术取得前所未有的新进展。高效综采发展主要体现在以下三方面：一是综采工作面生产能力大幅度提高，采区范围不断扩大，出现了 一矿一面 年产数百万吨煤炭的高产高效和集约化生产模式；二是高效综采装备和开采工艺不断完善，推广使用范围不断扩大，中厚煤层开采,厚煤层一次采全高开采和薄煤层全自动化生产等技术并实现了综采工作面生产过程自动化，大型综采矿井技术经济指标已经达到大型先进露天矿水平。鉴于我国煤炭为主的能源结构和当前煤炭需求快速增长，高效综采也将成为能源开发技术重要的竞争领域。1)国外技术发展趋势二十世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透,美、澳、英、德等国家采用了大功率可控传动、微机工况监测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进技术适应不同煤层条件的高效综采大型设备。新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅度增加的同时，设备功能内涵发生重大突破，并实现了综采生产过程的自动化控制。美国长壁综采工作面的产量一直处于世界领先地位。 澳大利亚近十多年来综采技术发展很快，长壁工作面数量成倍增长，部分工作面产量达到了 300400 万吨。英国和德国是世界上综采技术装备最先进的国家，由于受其煤层赋存条件的限制，其高产高效工作面纪录不如美国和澳大利亚，但世界著名的采煤机械公司主要集中在德国和英国。 2)国内技术发展情况国内研制大采高支架起始于八十年代，发展于九十年代后期。先后研制的几种支架等均在一定程度上获得了成功。随着液压支架技术的发展，国内近几年在大采高液压支架的设计、加工、检验及控制系统等方面都有了很大的提高，为成功研制大采高支架提供了可靠的技术保障。其中结构件材料，大缸径立柱的设计与加工，设计手段，检验手段，控制系统及密封圈等关键技术都取得了长足的进步。 3)综采工作面液压支架与国外比较存在的主要差距近几年，国内液压支架设计与制造技术迅速提高，但大采高液压支架总体技术与国际先进水平还有一定差距，国产液压支架与进口支架在结构件选材、焊接工艺技术及质量控制、液压密封元件、电液控制系统等方面存在急需解决的技术难题，见表1.1表1-1国内外大采高液压支架技术比较Table 1-1 at home and abroad with large mining height hydraulic support technology is relatively比较项目国 外国 内设计理念采用两柱掩护式结构，工作阻力大，可靠性耐用性高采用两柱或四柱支撑或掩护式结构，功能完善、经济，也注意可靠性设计方法采用的CAD三维仿真、有限元分析等现代设计方法采用的CAD三维仿真、有限元分析等现代设计方法结构件选材多选用高强度、高韧性优质钢材，其抗拉强度从800 MPa到1000 MPa使用高强度优质钢材WH70、CF80等，抗拉强度从600 MPa到800 MPa密封材料选用高级聚胺酯树脂密封材料，制造工艺水平高国产聚胺酯树脂密封材料不过关，制造工艺水平不高焊接工艺焊接采用负氩等离子焊接工艺，焊后整体回火消除焊接应力焊前预热，焊接采用CO2气体保护焊接工艺，焊后整体回火消除焊接应力供液系统采用多泵并联大流量环行供液系统，流量达到500l/min以上，设置多级高精度过滤装置，保证了电液控制系统工作可靠性采用两泵并联大流量环行供液系统，流量低，过滤系统简单，过滤精度低1.3 液压支架的设计目的、要求和基本参数1.3.1 设计目的目前，国内已经具备了设计和生产大工作阻力、大采高液压支架的能力。但即便如此，在目前技术水平条件下采用大采高一次采全高8.9米是不可行的。若想采用大采高综采，只能考虑重新研究开发割煤高度超过8m甚至达到8.9m的超大采高综采技术，相关的采煤机、刮板输送机、液压支架等均需经过系统论证和研发。本文将设计一款支护高度满足8.9米大采高综采的液压支架。1.3.2 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，尽可能减轻支架重量。11. 要易于拆卸，结构要简单。12. 液压元件要可靠。1.3.3 设计液压支架必需的基本参数根据已知采高5.359.86m、倾角5、顶板类二级，一级地板。煤层顶板岩性以砂岩为主，部分区域存在伪顶，底板以砂岩为主，部分区域存在较薄的泥岩层。设计满足大采高一次性采全高支护高度的液压支架。1.4本章小结 本章交代了设计课题的背景，国内外发展现状以及国内外相关技术的差距，并给出了设计任务的基本要求。 2 液压支架的总体设计2.1 架型确定国内外大采高综采支架的成熟经验，多采用两柱掩护式支架，原因如下：两柱掩护式支架较四柱式支架重量轻、伸缩比大，升、降、移架速度快；支撑合力距离煤壁近，能给顶板向煤壁方向的推力，顶梁合力作用点靠近煤壁，有利于维护顶板的完整性；两柱式支架支护效率要高于四柱式支架；尽管掩护式支架底板比压要高于支撑掩护式，但提底座机构的应用扩大了掩护式支架的应用范围。综上所述，本次设计选取二柱式掩护式液压支架。2.2 液压支架基本技术参数的确定2.2.1 支护高度支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内的地质条件的变化等因素来确定，考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能初撑力所需要的支撑高度，确定其最大与最小高度为：式中：取；说明：支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距。式中参数如下： 支架最大高度； 支架最小高度； 支架最高位置时的计算高度； 支架最低为之时的计算高度； 掩护梁上铰点至顶梁顶面之距，取350mm； 后连杆下铰点至底座底面之距，取1500mm；2.2.2 支架伸缩比支架的伸缩比值最大与最小支架高度之比值即： （2-1）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区，所以，支架应具有较大的伸缩比。一般取值范围为1.52.5，煤层较薄时应选用大值。所计算伸缩比符合要求。2.2.3 支架中心距的确定 在支架采高一定的前提下，支架越宽，支架的稳定性越好。大采高工作面由于采高较大，支架的稳定性成为急需解决的难题，所以现在的大采高两柱掩护式支架开始向大中心距方向发展。采用2.25m的中心距后，不但可以大大提高支架的稳定性，而且可以减少支架数量，简化电液控制系统，降低设备投入成本，提高移架速度。根据1-2号煤层的顶板条件和国内外高产高效矿井的成功经验、发展方向，选用支架中心距为2.25m。2.2.4 底座主要尺寸的确定 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，通常掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距（一个移架步距为0.96m）， 取3360mm，考虑到本次液压支架支护高度过高，并参考目前国内最大采高的7米液压支架，为提高支架稳定性，取5000mm底座宽度支架底座宽度一般为1.11.2m。为提高横向稳定性，减少对底板的比压，厚煤层支架可达1.3m左右；本次设计较为特殊，由于采高底座过长，所以取2.2米底座宽度提高稳定性。通过比较，本设计取底座长度取5100mm；宽度为2100mm。2.3 四连杆机构的设计2.3.1 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。下面通过四连杆机构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，最好在30mm以下。2）支架在最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图3-1所示,应满足如下要求: 支架在最高位置时,;支架在最底位置时,为有利矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知,要求,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，一般去，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下绞点的高度。3）从图3-1可知掩护梁与顶梁绞点和瞬时中心O之间的连线与水平的夹角Q。设计时，要使Q角满足tanQ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21四连杆机构几何特征Fig 2-1 four-bar linkage geometric features4）顶梁前端点运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最佳工作段，如图2-1所示的h段。其原因是顶板来压时，立柱让下缩，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少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁外负载。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值减少。当已知掩护梁和后连杆的长度后，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，如图2-2所示： 图22掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构Fig2-2 Shield Beam and slider-crank mechanism constituting the rear link2.3.2 掩护梁和后连杆长度的确定 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图23所示。图23 掩护梁和后连杆计算图Fig 2-3 Shield Beam and rear link calculation map设：G 掩护梁长度（mm）A 后连杆长度（mm）其中：支架最高位置时，掩护梁与顶梁夹角(度)支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角(度) 支架最高位置时，后连杆与底平面夹角（度） 支架最低位置时，后连杆与底平面夹角（度）按四连杆机构的几何特征要求： 1）支架在最高位置时，；。2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为。3) 前、后连杆上的铰点之距与掩护梁的比值为。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，最好在30mm以下。5）支架在最高位置时值应小于0.35。图24 四连杆机构几何特征图Fig2-4 four-bar linkage geometric characteristics Figure支架在最高位置时选定，由于支架型式不同，对于掩护式支支架,一般A/G的比值按以下范围来取：A/G=0.450.61,取A/G=0.47支架在最高位置时有： （2-2）因此掩护梁长度为： 后连杆长度为：A=0.47G= 2750mm取整得：G5851mm，A2750mm。 2.3.3 几何作图法作图过程用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸，具体作法如图25所示。具体作图步骤如下：1) 确定后连杆下铰点O点的位置，使它比底座面高1500mm。2) 过O点作与底座面平行的水平线HH线。3) 过O点作与HH线的夹角为Q1的斜线。4) 在此斜线截取线段，长度等于A,a点为支架在最高位置时后连杆与掩护梁的铰点。5) 过a点作与HH线有交角P1的斜线，以a点为圆心，以G点为半径作弧交些斜线一点e此点为掩护梁与顶梁的铰点。6) 过e点作HH线的平行线，则HH线与FF线的距离为H1，为液压支架的最高位置时的计算高度。7) 以a点为圆心，以0.22G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b,为前连杆上铰点的位置。8) 过O点作与HH线夹角为Q2的斜线。9) 在此斜线上截取线段. 的长度等于A，a点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。10) 过a点作与HH线有交角P2的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交些斜线一点e，此点为支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。11) 以a为圆心以0.22G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为支架在最低位置时前连杆上铰点的位置。12) 取线之间一点e为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。13) 以O为圆心，为半径圆弧。14) 以e点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点a，以点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。15) 以连线，并以a点为圆心，ab长为半径作弧，交上一点b点。则b， b,b三点为液压支架在三个位置时 ，前连杆上铰点。16) 由b， b,b三点确定的圆心C，为前连杆下铰点位置。17) 过C点HH线作垂线，交点d，则线段,和为液压支架四连杆机构。18) 按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e的运动轨迹，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线，再按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。图25 液压支架四连杆机构的几何作图法Fig 2-5 hydraulic support linkage mechanism geometric mapping按照以上作图步骤，利用CAXA计算机绘图软件，作出液压支架四杆机构位置及尺寸。应用几何作图法得出四连杆各参数如下：，后连杆长度A=2750mm掩护梁长度G=5851mm前连杆长度C=3071mm前后连杆下铰点底座投影距离E=1719mm前连杆下铰点高度D=935mm2.4 顶梁主要尺寸的确定2.4.1 掩护式顶梁长度的计算顶梁长度配套尺寸底座长度掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm） （2-3） 式中：由于8.9米大采高采煤机尚未研制，神东已经开始类似项目，预计配套尺寸可能达到5M左右，故配套尺寸取5000mm。 底座长度 底座前端至后连杆下铰点之距取5100mm e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离取45mm 、 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2.4.2 顶梁面积 A= （2-4）式中： 顶梁长度mm 顶梁宽度mm,在本次设计中顶梁宽度为2100mm代入公式（2-11）得A=64922300=13.632.4.3 支架的支护面积 (2-5) 式中： 支护面积 移架后顶梁前端点到煤壁的距离 m,取= 支架间距（支架中心距），本次设计为2.25米代入公式(4-1)得： = 2250(6492800)=16.412.4.4 顶板覆盖率 =A/100% (2-6) 式中： 顶板覆盖率 A 顶梁面积 支护面积 代入2-5公式得： =13.33/16.40100%=82%覆盖率应该满足顶板性质的要求，一般，不稳定的顶板；中等稳定顶板；稳定顶板为；坚硬顶板。2.5 立柱位置的确定2.5.1 立柱布置掩护式支架为二柱。支撑方式:掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于（支架在最低工作位置时,本次设计取10），由于角度较大，可使调高范围增加。同时由于顶梁较长，立柱倾角加大可以使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增大。2.5.2 立柱柱窝位置的确定a、掩护式支架柱窝位置的确定:掩护式液压支架立柱上、下柱窝位置的确定，对液压支架能否正常工作，极为重要。为此，在设计时，必须根据顶板载荷分布和底板条件，先确定支架顶梁的支撑力分布和底座对底板的比压分布，使支架能适应工作面条件的要求，从此来确定立柱上，下柱窝的位置。b、立柱上柱窝位置的确定:液压支架立柱上柱窝位置的确定原则，从理论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶梁载荷分布一致。但顶板载荷分布复杂，分布规律因支架顶梁与顶板的接触情况而异。为了简化计算，假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化，沿支架宽度方向分布。把支架的空间杆系结构简化成平面杆系结构。同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁长度方向想后越来越大呈三角形分布，并按集中载荷计算，所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上柱窝位置。此时认为支架顶梁承受集中载荷F1在顶梁1/3初，取顶梁为分离体，受力情况如图2-6所示：图2-6Fig2-6对A点取矩： （2-7） （2-8）式中 : 立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（m）F1 支架支护阻力（KN）， （KN）Q 支架最大支护强度（）Fc 支护面积（）Lg 顶梁长度（不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距）（m）Pt 立柱工作阻力之和（KN） 顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距（m） 立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距（m） 立柱在最高位置时的倾角（度）已知： ； ； ； ； ； ； ； 代入公式2-9得：=1664mm立柱下柱窝位置的确定:立柱下窝位置得确定，要由利于移架，使底座前端比压小，同时考虑柱前行人和支架得调高范围以及下窝柱与前连杆下铰点的距离，一般按支架最低工作位置时，立柱最大倾角应按小于来考虑。按几何关系计算立柱下柱窝位置：代入数据： 3215mm （2-9）式中: 支架最小高度G 掩护梁长度A 后连杆长度 支架最低位置时，后连杆与水平面的夹角 支架最低位置时，立柱倾角 支架最低位置时，掩护梁与水平面的夹角立柱下柱窝中心至底座底面距离2.6本章小结 本章内容为液压支架的总体设计，首先确定所设计支架类型。之后通过比较分析和计算，初步确定了底座。伸缩比，四连杆机构，顶梁等部分的尺寸，然后计算了支护面积，顶板覆盖率，最后对立柱柱窝的位置进行了确定。3 液压支架的部件结构设计3.1 顶梁顶梁是顶板直接接触的部件，除要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：足够的顶板覆盖率；同时要适应顶板的不平整性，避免因局部应力而引起损坏。顶梁的结构型式。顶梁的结构型式主要有支撑式支架顶梁、掩护式支架顶梁、支撑掩护式支架顶梁，结构形式。本设计支架是掩护式支架，选用掩护式支架顶梁。掩护式支架顶梁又可分为平衡式顶梁、潜入式顶梁、铰结式顶梁带、带前梁的铰结式顶梁和带伸缩前梁的铰结式顶梁。各顶梁特点：平衡式顶梁，能在顶板凹凸变化时自取平衡，单顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被冒落矸石堵住，影响支护效果；潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除了三角区；铰结式顶梁取消了三角区，用平衡千斤顶调解与顶板的接触面积；带前梁的铰结式顶梁，可提高前梁的支护能力，改善前梁前端的支护效果。本设计采用铰结式顶梁。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，以减少移架阻力。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。掩护式支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销钉相连。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坏。本支架为支顶掩护式支架，故采用刚性整体顶梁，如下图2-3所示，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。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。掩护式支架在顶梁后端有销孔。 （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31所示。图 31 顶梁筋板焊接图Fig 3-1 top beam welding ribs Figure一种为立筋突出型，如图31a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，单焊接强度不如前一种，如图31b所示。（2）开式顶梁开式顶梁结构如图32所示。图 32顶梁开式立筋型式Fig3-2 Roof Beam open stud type开式顶梁的特点，可减轻顶梁重量，增强顶梁的抗弯强度。对于掩护式支架，为便于侧护板能自由伸缩，要在顶梁顶板上加焊一块。比侧护板钢板厚的钢板，称为顶板。，同时加强了顶梁的结构刚度。3.2 底座支架的结构型式通常有三种类型。（1） 整体刚性整体刚性底座的特点与适用条件：底座用钢板焊接成箱形结构，底部封闭，具有整体性强、强度高、稳定性好，对底座比压小的特点；排矸性能差，容易堵卡，损坏推移机构部件；多用于支撑掩护式、掩护式或垛式支架；适用于顶板比较松软，采高与倾角大以及顶板（2） 分式刚性分式刚性底座的特点与适用条件：底座左右对称的两部分，上部用过桥或箱形结构固定连接；这种底座在刚性、稳定性和强度等方面基本上与整体刚性底座相同；安装推移装置通道的底板不封闭，排矸性能好，有利于保证推移装置的正常工作；底座面积小，一般不宜用在底板松软条件；适用于支撑掩护式、掩护式或垛式等各类支架。（3） 左右分体左右分体支架的特点与适用条件：由左右两个独立而对称的箱形结构件组成，两部分之间用铰结过桥或连杆连接，并可在一定范围内摆动，对不平底板适应性较好；底座中部的排矸性能好；底座底面积小，底座比压较大，不宜用在松软底板；稳定性差，不宜用在大高度、大倾角液压支架；多用于掩护式或支撑掩护式支架。本设计选用了整体式刚性底座，并在底座之间下部加焊了两块钢板，以增强底座的适应性。3.3 立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，并能适应液压支架工作要求立柱按动作方式，可分为单作用和双作用；按支架种类，可分为活塞式和活柱式；按伸缩方式，可分为单伸缩和双伸缩。本支架在设计中采用了双伸缩式立柱。该立柱结构如图3-3： 图3-3Fig 3-3立柱的结构由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。缸体是立柱的承压部件。一般用27SiMn无缝钢管制成。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L型防挤圈一起使用，适用于工作压力19.658.8MPa，在压力小于24.5MPa时，可以不加挡圈。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58.8MPa时，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27SiMn或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。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。立柱工作原理当高压液进入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，当中缸全部伸出后，中缸下腔压力增大，当增加到超过底阀弹簧调整压力值时，底阀打开，高压液进入上柱下腔，上柱液经中缸上部小孔排出，使上柱伸起，以上为伸柱过程；当需降柱时，高压液进入中缸上腔，下腔回液，中缸下降，当中缸下降到底时，此时一方面底阀被缸底顶开，另一方面中缸上孔正对上立柱上部进液孔，立柱上部进液孔经中缸小孔进入上腔上部，下腔液经底阀从立柱下部回液孔回液，上柱下降。3.4 千斤顶3.4.1 推移千斤顶 推移千斤顶按连接方式分有直接连接方式、框架连接方式和浮动活塞式。（1）直接连接方式推移千斤顶的特点：结构简单，但移架力小于推移力，一般用于支撑式支架。（2）框架连接方式推移千斤顶的特点：移架力大于推溜力，用于掩护式和支撑掩护式。（3）浮动活塞式推移千斤顶的特点；移架力大于推溜力；通过推杆，千斤顶分别与输送机、支架相连；多采用浮动活塞千斤顶，减小推溜力；用推杆作导向装置，抗弯强度高、导向性能好；推杆与千斤顶位于同一轴线，受力较好，但装置的总长度加大。按千斤顶的适用性选用框架式推移千斤顶作推移千斤顶。3.4.2 平衡千斤顶平衡千斤顶为双作用缸。平衡千斤顶铰结在顶梁和掩护梁之间使掩护式支架构成稳定结构；通过它可以调节顶梁成水平状态或所需要的角度，使相邻支架保持良好的密封状态，可以利用双向控制阀，使平衡千斤顶呈推力或拉力，适应顶板载荷的变化。3.5 侧护板3.5.1侧护装置作用1)消除相邻支架掩护梁和顶梁间的间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；2)防止支架移架的倾倒；3)防止支架的倾倒；4)调整支架间距3.5.2 顶梁和掩护梁的侧护板种类选择1）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。2）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。综上所述，选择第二种。3.6本章小结 本章以上一章计算结果为基础，优选了液压支架各部分构件的种类，通过比较分析，优化选择，使各部分结构更能适合实际生产。4 液压支架基本技术参数4.1 液压支架基本技术参数的确定4.1.1 支护强度确定采用估算法计算支架支护强度（1）估算法这种计算方法的基础认为工作面支架工作阻力应大于冒落带顶板岩层的重量和基本顶失稳时对支架的动载，计算公式为： （4-1）式中：Pm工作面支架所需支护强度，MPa；Kd基本顶失稳时的动载系数，根据大采高综采工作面矿压观测结果，一般为1.261.83，根据12106综采工作面实践，取1.4；q冒冒落带岩层自重应力，q冒=h，为顶板岩层容重，取25kN/m；h为煤层冒落带岩层高度，按松散系数1.2进行计算，冒落带高度按44.5m。上湾煤矿四盘区1-2煤层平均厚度8.9m，动载系数需要考虑较大的安全系数，Kd取1.4，则支架支护强度：=1557.5kN/m2=1.56MPa4.1.2 支架的理论支护阻力 （4-2）式中: F1 支架的理论支护阻力（KN） 支护面积 （） 支护强度 （KN/）支架在最高处的理论支护阻力为：=16.41560=25584（KN）根据上述计算结果，8.9m采高工作面支架工作阻力取整为26000kN。4.1.3 初撑力初撑力大小对支架的支护性能和成本都有很大的影响。较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力，减缓顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液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。根据设计要求：初撑力 = 0.7工作阻力 =kN4.1.4 移架力和推溜力 移架力和推溜力都是有推移千斤顶来决定的，所以要正确地选择推移千斤顶，一般而言，移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质有关。一般薄煤层支架的移架力为100150 kN；中厚煤层支架为150300