毕业设计（论文）-液压支架设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：液压支架设计学生姓名：学 号：200540401313专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机械2005-3班指导教师： 摘 要2Abstract31.液压支架的概述51.1液压支架的组成和分类51.1.1液压支架的组成51.1.2液压支架的分类51.2液压支架的用途71.3液压支架的工作原理81.4液压支架的支护方式102液压支架的选型122.1液压支架的选型原则122.1.1概述122.1.2影响架型选择的因素122.1.3液压支架的选型过程132.1.4液压支架支撑力分布与承载的关系153液压支架的结构尺寸设计173.1液压支架设计的基本要求和基本参数173.1.1液压支架的设计目的173.1.2设计时对液压支架的基本要求173.1.3设计液压支架必需的基本参数183.1.4液压支架架型的确定183.2液压支架的参数确定193.2.1液压支架的高度确定193.2.2支架伸缩比203.2.3支护强度203.2.4支架间距213.2.5底座长度214四连杆机构的设计224.1四连杆机构的作用224.2四连杆机构与附加力的影响234.2.1附加力对液压支架受力的影响234.2.2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对支架受力的影响274.2.3后连杆与掩护梁长度比值对支架受力的影响274.3四连杆机构的几何作图法284.3.1掩护梁和后连杆长度的确定284.3.2几何作图法作图过程294.4四连杆机构的计算机设计法314.4.1、目标函数的确定314.2.2、四连杆机构的几何特征324.3.3、四连杆机构各部尺寸的计算324.3.4、四连杆机构的优选344.3.5、求掩护梁上铰点轨迹坐标344.3.6、语言程序编制345掩护式液压支架部件设计415.1顶梁参数的确定415.1.1顶梁的作用及用途415.1.2顶梁的结构型式的确定415.1.3支架工作方式对支架顶梁长度的影响415.1.4配套尺寸对顶梁长度的影响425.1.5顶梁断面形状425.1.6顶梁长度的计算425.2立柱参数的确定455.2.1支架立柱数的确定455.2.2支架立柱的支撑方式455.2.3立柱的技术参数确定455.2.5安全阀压力与立柱工作阻力的确定465.2.6立柱柱窝位置的确定475.3推移千斤顶技术参数确定505.3.1推移千斤顶505.4平衡千斤顶的技术参数的确定515.4.1确定平衡千斤顶的行程515.5侧护板545.5.1侧护板的选择545.5.2、侧护装置的作用545.5.4、侧护板尺寸的确定555.6掩护梁和四连杆机构555.6.1掩护梁555.7四连杆机构565.8底座575.8.1底座的作用及用途575.8.2底座的结构型式575.8.3底座主要尺寸的确定586.液压支架受力分析与计算606.1顶梁的受力分析和计算606.2顶梁载荷的分布636.3底座接触比压的计算646.4底座载荷分布646.5底座接触比压657.液压支架的强度设计697.1液压支架在强度设计时的强度条件697.2液压支架各结构件强度校核707.2.1顶梁强度校核707.2.2立柱强度校核757.2.3底座强度校核788.液压系统设计及液压部件检修828.1立柱和千斤顶828.2支架液压阀838.2.1液控单向阀8382.2安全阀848.2.3操纵阀848.2.4液压支架液压阀的密封技术分析858.3液压支架的控制方式868.3.1手动控制868.3.2自动控制868.4液压部件的检修878.4.1立柱的检修8784.2型液控单向阀的检修888.4.3型操纵阀的检修898.4.4型安全阀的检修899.液压支架的安装与使用919.1在移架过程中，输送机避免产生后退现象919.2采煤机在工作时，保证支架和输送机之间不发生位移的措施919.3单伸缩立柱的机械加长杆在工作面的调节929.4左、右工作面改变时，侧护板的改装929.5液压支架在工作中常见的破坏形式及易损部件929.6底座焊接时，前、后连杆销轴孔保证同轴度的方式929.7移架时“啃底”的原因939.8移架时采用邻架操作和本架操作的优缺点及邻架操作时人员站立地点的选择939.9成组支架电液程序控制的工作方式939.10移架速度及计算94致 谢 辞96参考文献101摘 要综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我们60年代起支撑式液压支架，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式支架，这些系列化一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。至今，我国煤矿中使有的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头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端头以外的采煤工作面上所的位置的支架。目前使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同，所以为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。本设计主要阐述了一般掩护式液压支架的设计过程。设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计、主要零部件的校核和液压系统的设计。由于该煤层厚度适中，选用掩护式液压支架。煤层厚度介于1.32.3m，煤层厚度变化较大，选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。支架采用正四连杆机构，以改善支架受力情况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。为了提高移架速度，确保对顶板的及时支护，采用锥阀液压系统。关键词：液压支架 四连杆机构 支架选型 AbstractSynthesis mechanization mining coal is the coal mine technology advancement symbol, is the coal mine the gain in yield, the enhancement labor efficiency, to increase the economic efficiency the important means. The practice proved that develops synthesis mechanization mining coal, the development and the use hydraulic support is vigorously very essential. We the brace type hydraulic support, has been able until now in the 60s the batch manufacturing two column shield type and four column support shield type support, these seriation uses in generally the easy gradient the thick seam and the thick seam zonal production.Until now, in our country coal mine causes some support type to be many, installs the position according to the support mining coal working surface to divide has the reason support and the middle hydraulic support. The reason hydraulic support abbreviation reason support, installs specially in each mining coal working surface both sides. The middle hydraulic support is installs in besides in the working surface reason mining coal working surface the position support.At present uses the hydraulic support divides into three kinds. Namely: Brace type hydraulic support, shield type hydraulic support, support shield type hydraulic support. Looking from the unique feature, as a result of a difference, its support strength distribution and the function is also different; Looking from the roof condition, because the direct category and always goes against the rank the difference, the support withstands the load is also different, For therefore chooses reasonably in the use, must carry on the analysis to supports support strength supporting capacity relations, enables supports support strength to adapt the roof load request.This design mainly elaborated the general shield type hydraulic supports design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and hydraulic systems design.Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic support. Coal bed thickness is situated between 1.32.3m, The coal bed thickness change is big, selects raises the scope the anti-horizontal thrust and is greatly strong and the belt protects helps equipments shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress situation. The top-beam, shields Liang, the foundation to make the packed in a box body structure; The column uses the double expansion function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to raise the scope the need. The passage hoisting jack uses the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves to a strength. In order to enhance moves to a speed, guaranteed that to the roof prompt supports and protections, uses the mushroom valve hydraulic system.Key word: Hydraulic support 4-linkage mechanism selection of stents1.液压支架的概述1.1液压支架的组成和分类1.1.1液压支架的组成液压支架是综采工作面支护设备，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。液压支架按其结构特点与围岩的作用关系一般分为三大类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式。根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为四个部分：（1）承载结构元件，如顶梁、掩护、梁底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。（2）液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。（3）控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。（4）辅助装置，如推移装置、护帮（或挑梁）装置、伸缩梁（或插板）装置、活动侧护板、放倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。1.1.2液压支架的分类按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分 有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端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架（图1-1a）和节式支架（图1-1b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由23个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用与支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在4m左右；立柱多，一般是46根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架的中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；挡矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。由以上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。a垛式 b节式图1-1 掩护式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式（如图1-2所示）。其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。掩护式液压支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。由以上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。a插腿式支架 b立柱支在掩护梁上非插腿式支架 c立柱支在顶梁上非插腿式支架图1-2支撑掩护式支架支撑掩护式支架架型主要用：四柱支在顶梁上；二柱支在顶梁；一柱或二柱支在掩护梁上。支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价贵，不便于运输。这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中。1.2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，保证工作人员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，他能实现职称、切顶、移动和推移输送机等一套工序。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。1.3液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实现完成的（如图1-3所示）。图1-3 液压支架工作原理1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀；7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管；.升柱需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。.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。. 支架和输送机前移支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成。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对活塞杆腔，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；当需要推输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，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。支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-4所示。 图1-4 支架的工作特性曲线t0初撑阶段；t1增阻阶段；t2恒阻阶段；p1初撑力；p2工作阻力支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。初撑阶段支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段t0；此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为KN （1-1）式中 D支架立柱的缸径，m; 泵站的工作压力，MPa; N支架立柱的数量。 由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来太高初撑力，以免立柱的缸径过大。 承载增阻阶段支架初撑力后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段t1；横阻阶段随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减少，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。此时支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。支撑式支架的工作阻力为KN （1-2）式中 支架安全阀的调定压力 MPa;支架的工作阻力 支架的最大承载能力。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架初撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即MPa （1-3）式中 F支架的支护面积，。1.4液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的3种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。.即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。.滞后支护一般循环方式为：割煤推溜移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。.复合支护一般循环方式为：割煤支架伸出伸缩梁推溜收伸缩梁移架。复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。2液压支架的选型2.1液压支架的选型原则2.1.1概述从液压支架架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接顶类别和基本顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理的选择架型，要对支架的支撑力和承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。2.1.2影响架型选择的因素液压支架的架型选择，主要取决于顶板条件和地质条件，结合各类支架的不同性能和特点，选择一种较为合理的架型。下面简要介绍影响架型选择的因素和如何有针对性地进行架型选择。.煤层厚度当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强支架一般不宜选用支撑式液压支架。当煤层厚度达到2.52.8mm以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式液压支架。煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式液压支架。假顶分层开采，应选用掩护式液压支架。.煤层倾角煤层倾角在1015（支撑式液压支架取下限，掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架取上限）以上时，应选用带有防滑装置的液压支架。倾角在18以上时，应选用同时带防滑防倒装置的液压支架。.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的允许比压。为了移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。.瓦斯含量对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程的要求，并优先选用通风断面较大的支撑式或支撑掩护式液压支架支架。.地质构造断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露58m,时间在20min以上时，暂不宜采用综采。.设备成本在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。支撑式液压支架最便宜，其次是掩护式液压支架，最贵为支撑掩护式液压支架。2.1.3液压支架的选型过程液压支架的架型选择，主要取决于液压支架的力学特性能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。具体选择可根据原煤炭部（81）煤科字第429号文件关于使用缓倾斜煤层工作面顶板分类来选取，架型选择过程如下：.确定基本顶级别和直接顶类别：基本顶级别的确定。基本顶级别按基本顶来压强弱划分。基本顶来压强弱取决于垮落带岩石对采空区充满程度N（N为直接顶厚度M与采高h之比）和基本顶初次来压步距。通常按N和，把基本顶分为四类，见表2-1.表2-1 基本顶级别基本顶级别基本顶来压不明显明显强烈极强烈指标N=350.3N35=25500.3N3550N0.3=2550N0.350注：1.比值N应根据采煤工作面所在位置的地质柱状图中的M和h来计算。2.基本顶初次来压步距可根据现场实测或矿压显现特征确定。 直接顶类别按表2-2来确定。表2-2 直接顶类别 类别指标不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指数L=3L8L=3.17L=918L=7.112L=1925L12L25无直接顶，岩层厚度在25m以上6080参考指标直接顶初次垮落步距L/M表中按下式计算： = （2-1）式中 岩石单向抗压强度，MPa; 节里裂隙影响系数；分层厚度影响系数；.支架架型和支护强度的确定。按表2-3根据基本顶级别和直接顶类别来确定支架架型，再根据基本顶级别和采高确定支护强度。支护强度被定义为单位支护面积的支护阻力（或叫支架的工作阻力）。表2-3适应不同类级顶板的架型和支护强度老顶级别直接顶类别12312312344架型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑或支撑掩护式采高2.5m时用支撑式采高2.5m时用支撑掩护式支护强度KN/M支架采高m12941.32941.62942294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区2343（245）1.3343(245)1.634323433441(343)1.3441(343)1.644124414539(441)1.3539(441)1.65392539注：（1）表中括号内数字系掩护式支架顶梁上的支护强度。 （2）1.3、1.6、2为增压系数。 （3）表中采高为最大采高。2.1.4液压支架支撑力分布与承载的关系.掩护式液压支架的特点和支撑力分布掩护式液压支架的特点是顶梁较短，控顶距较小，支撑力主要集中在顶梁部位，且分布较均匀，顶梁端部的支撑力比支撑式液压支架大，其支撑力的分布规律如图2-1所示。.掩护式液压支架在不同顶板条件下的承载分析掩护式液压支架在破碎不稳定的顶板条件下的受力情况：顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数少，所以顶板较完整，顶板作用在顶梁上的为合力，载荷分布如图2-2所示。掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁后部自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上，对掩护梁的作用力可以分解为垂直分力和水平分力，如图2-2所示。掩护式液压支架虽然立柱较少，支撑力较小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布与支架支撑力的作用部位基本一致。所以，此种支架能在破碎不稳定顶板下工作。掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况。掩护式液压支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差，受力情况如图2-3所示。直接顶冒落时，冒落岩石分别作用在顶梁上和掩护梁上。周期来压时，由于顶梁后部顶板不能充分切断，基本顶压力将由整个支架和采空区垮落岩石承担，或者有可能在切顶时，基本顶直接加压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减少，使支架难以承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种支架不能在中等稳定以上顶板下工作。 图21掩护式液压支架支撑力分布 图22掩护式液压支架在破碎不稳定 顶板条件下的受力情况图23掩护式液压支架在中等稳定以上顶板下的受力情况3液压支架的结构尺寸设计3.1液压支架设计的基本要求和基本参数3.1.1液压支架的设计目的采用综合机械化采煤机械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要，必须大量生产综合机械化设备，迅速综合机械化采煤工作面（简称综合工作面）。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要量是很大的。 由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。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的液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类很多，因此其设计工作量也是很大的，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。3.1.2设计时对液压支架的基本要求1.为了满足采煤工艺及地址条件的要求，液压支架要有足够的 初撑力和工作阻力，以便有效地控制顶板，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求，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.要求支架要有足够的刚度，能够承载一定的不均匀载荷和冲击载荷。10.满足强度条件下，尽可能的减轻支架重量。11.要易于拆卸，结构简单。12液压元件要可靠。3.1.3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。给定参数：老顶II级、直接顶II级；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。给定参数：煤层厚度：H1.32.3米；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).底板岩性及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，决定是否用防倒放滑装置。给定参数：煤层倾斜角15；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。3.1.4液压支架架型的确定正确选择液压支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素。在具体选择架型时，首先要考虑煤层的顶板条件。表2-3是根据国内外液压支架的使用经验，提出了各种顶板条件下适用的架型，它是选择支架的主要依据。由于给定参数中顶底板性质：老顶级、直接顶级，底板平整，无影响支架通过的断层，初步选择为掩护式支架；由于煤层厚度变化较大（H1.32.3米），故最终确定调高范围较大、带有双伸缩立柱的掩护式液压支架。3.2液压支架的参数确定3.2.1液压支架的高度确定支架高度确定原则，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，其最大与最小高度为： （3-1） （3-2）由式31可得2300250=2550 mm由式32可1050mm所以取：=2600mm； =1000mm； （3-3） （3-4）式中：支架最大高度，mm支架最小高度， mm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100mm；后连杆下铰点至底座底面之距；取200mm；煤层最大厚度， =2.3 m煤层最小厚度， =1.3mS1考虑伪项煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200-300mm，S1取250 mm，S2顶板最大下沉量是，一般取100200 mm，S2取150mm， 移架时支架的最小可缩量，一般取50 mm，浮矸石、俘煤厚度，一般取50 mm，3.2.2支架伸缩比支架的伸缩比指支架最大与最小高度之比，即： （3-5）3.2.3支护强度 （3-6） = =394.94式中：当支架最大采高为时，支架应有的支护强度； 在架型选择表2-1中与低于但与之相邻的采高相对应的支护强度； 在架型选择表2-1中与高于但与之相邻的采高相对应的支护强度； 所对应的采高； 所对应的采高。3.2.4支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。按下式计算： （3-7）式中支架间距（支架中心距）；每架支架顶梁总宽度；相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；相邻支架包含的组架数或框架数，整体自移式支架中=1；整体迈步式支架中，=2；节式组合迈步式支架中，=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，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板运输机溜槽每节长度为1.5 m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5米，本设计取=1.5 m。3.2.5底座长度所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑以下几个方面：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；保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本次设计底座为2.1m。4四连杆机构的设计4.1四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4-1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4-1所示,应满足如下要求: 支架在最高位置时,P=520620,Q=750850;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tgPW,如果纲和矸石的摩擦系数W=0.3,则P=16.70.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=250300，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4-1可知掩护梁与顶梁绞点e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tgQ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4-1四连杆机构几何特征4）顶梁前端点晕运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最佳工作段，如图4-1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3-2所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构）图4-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构4.2四连杆机构与附加力的影响4.2.1附加力对液压支架受力的影响由于掩护式和支掩式液压支架有四连杆机构，所以使支架在承载过程中承受附加力，附加力越大，对支架受力越不力。为此，在液压支架设计中对此力要有足够的认识，现在对此作如下分析。液压支架实际受载情况很复杂，为简单计算，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。图4-3顶梁分离受力分析图4-4掩护梁分离受力分析 （4-1） （4-2） （4-3）式中 支架立柱的工作阻力， 支架立柱的倾角， 支架支护阻力， 顶板和顶梁之间的摩擦系数， 顶梁和掩护梁铰点水平力， 顶梁和掩护梁铰点垂直分力。由上式有： （4-4）将该式变为通式为： （4-5）立柱向后倾时，立柱的工作阻力取+；瞬心O点在顶梁和掩护梁铰点水平线以下的取+；摩擦力向后取+。反之都取。将上通式分解如下： （4-6）式中 支架立柱工作阻力的垂直分力， 支架承受的附加力。由(4-6)可见 当时，附加力与立柱倾角和摩擦力有关。立柱倾角对附加力的影响 图4-5立柱后倾的顶梁分离受力分析当瞬心在下、立柱后倾时， （4-7） （4-8） 由受力分析可看出,当瞬心在下时，立柱向后倾，附加力为正，立柱前倾，附加力为负。当瞬心在上时，结论正好相反。摩擦力对附加力的影响图4-6 顶梁前端双纽线轨迹如图4-6所示，当支架由高到低顶梁前端的运动轨迹由a向b点运动时，瞬心点在下，值为正，且由大到小，一直到b为0 ；在这一段内，当支架在承受让压过程中，顶梁有向前运动的趋势，从而使顶板给顶梁的摩擦力方向向后，摩擦力为正，附加力为正。当支架由高到低顶梁前端运动轨迹由a向b点运动时，瞬心点在上，值为负其绝对值由小变大到c点为最大，再由c点向d点由大到小一直到d点为0；在这一段内，当支架在承载让压过程中，顶梁有向后运动的趋势，从而使顶板给顶梁的摩擦力方向向前，摩擦力为负，附加力为正。 由以上分析可知：摩擦力引起的附加力都为正，附加力的大小与