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支撑 掩护 液压 支架 设计

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支撑掩护式液压支架设计,支撑,掩护,液压,支架,设计

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附录： 外文资料与中文翻译外文资料：Hydraulic support technology development directionAt present, modern design theory in the three main schools, including the European schools, the system design method, the United States of America s schools of design principle and Japanese schools of general design theory. On the modern design theories and methods concerned, modern design theory and method is still under development and perfect process. The current theory is more mature and widespread application of modern design method including mechanical and electrical product design, computer aided design, optimization design, computer aided engineering design CAE, tribological design and reliability design. Long wall fully mechanized coal mining technology in China is the leading direction of development, according to the different condition of mine, a coal mine hydraulic support development will make different demands. Conditions of large safety and high efficient mine, focus on the development of large resistance, high reliability, electro-hydraulic control system of hydraulic support, complex conditions of the mine development focuses on adaptation of difficult mining seam of various bracket, a large number of small and medium-sized mine will undertake technical reformation, promote the use of compact type hydraulic support.In 1， the design idea and design methodThe innovative design concept is the hydraulic support technology innovation is essential, through active international digestion and absorption of advanced technologies, changing the traditional design concept, the reliability as the primary goal. Using the method of modern optimization design, dynamic design of3D CAD,3D CAD parametric design system development, system reliability design. The further development of bracket structure analysis software system, perfect the structure finite element analysis software system and practical, perfect the design of hydraulic control system, to strengthen detail design.2, improve the standard systemStandard is the technical guarantee for the development, establish and improve the coal mine support equipment technical standard system is the important task of technical development. After many years of efforts, China has formed a relatively complete MT coal mine support equipment technology industry standard system. However, with the progress of technology and the WTO international economic integration, these standards are mostly has not adapted to the current development of technology, it is urgent to establish a new national standard, for the establishment of national standards system of hydraulic support.3, the development of improved frame typeWith the continuous development of safe and high efficient mine construction of long wall fully mechanized mining equipment, production capacity and reliability have become increasingly demanding, support to large working resistance, high reliability, direction of development. Full-seam mining general support to continue toward two columns cover type development, and will further expand the scope of application, large angle bracket, thin coal layer bracket,6 7m thick coal seam full-seam mining bracket, three soft difficult mining seam support will continue to develop new frame type structure. Caving support in the continued development of type at the same time, the two pillar caving support will gradually become the dominant type of frame. End support of forepoling and other special bracket will get extensive attention and development.4, materials upgradingWith the stent to large working resistance and high reliability, support weight also increases ceaselessly, to the transportation, handling and installation and other aspects of how to bring very great difficulty, under the premise of ensuring the strength, reduce the weight of support design of bracket is an urgent need to solve the problem, the use of high-strength steel is the most effective way to.5, column and jack sealing structure and sealing ringAt present, domestic hydraulic support column, jack sealing performance is one of the most outstanding weak links, most were still in with a rubber sealing ring, a portion of the stent used homebred polyurethane sealing ring sealing structure, but its old, homebred polyurethane sealing ring and poor quality stability, in order to completely solve the support column and jack sealing structure and sealing ring exists problems, Beijing mining has been carried out for more than two years of research and experiments, obtained three patents. Still need from the sealing structure, sealing mechanism, sealing material, sealing ring structure, sealing ring molding technology and many other aspects of in-depth research, development of high reliability polyurethane sealing ring. Realization of column and jack sealing structure and sealing ring replacement is support technology development trend.6, electro-hydraulic control systemElectrohydraulic control is an important direction of the development of hydraulic support technology. Coal mine hydraulic support electrohydraulic control system for fully mechanized coal face automation control system s core, which is based on network technology, realize the shearer position detection and hydraulic support with automatic control, and can realize hydraulic support and supporting facilities of the inspection and monitoring management, implementation of the ground communication and remote control. At present, the developed countries have generally adopted hydraulic support electro-hydraulic control system, China, Yanzhou, Jincheng, Shendong mining area and some new large-scale mine but also by a large number of electro-hydraulic control system. Hydraulic support electrohydraulic control is achieved by working surface automation precondition of safe and high efficient mine, is the inevitable choice from coal mines in our country at present technical and economic conditions and benefit, electro hydraulic control hydraulic support is mainly used for an annual output of 4000000 tons of a mining full height face, more than 6000000 tons of coal caving face and thin coal seam efficient mining of working face.Foreign electro-hydraulic control system development has reached a stage of maturity. Chinas hydraulic support electrohydraulic control system is still in the development stage of research and development, also not related to the electronic control system products. Domestic electric hydraulic control system of the main problems is the key component of electro-hydraulic control system for coal mine fully mechanized mining working face production environment of poor adaptation, electro-hydraulic control system components between the parameters matching and performance matching is not quite reasonable, electro-hydraulic control system reliability index is still relatively low problem. Under the present conditions, electro-hydraulic control system is mainly used for foreign products or supporting the core components of the foreign mature products. At the same time, we should develop the high reliability of manual flow fast moving system, large flow safety valve and a variety of large flow hydraulic components, improving the reliability of control system of supporting frame. 中文翻译： 液压支架技术的发展方向目前，现代设计理论的三大主要流派，包括，欧洲流派的系统设计方法、美国的流派的设计原理和日本流派的一般设计学。就现代设计理论和方法的范畴而言，现代设计理论和方法还在不断地发展和完善过程中。目前理论较为成熟和应用广泛的现代设计方法包括机电产品造型设计、计算机辅助设计、优化设计、计算机辅助工程设计CAE、摩擦学设计和可靠性 设计等。长壁综采是我国煤炭开采技术的主导发展方向，根据矿井条件的不同，对煤矿液压支架的发展将提出不同要求。条件好的大型安全高效矿井，重点发展大工作阻力、高可靠性、电液控制液压支架，条件复杂的矿井重点发展适应难采煤层的各种支架，大批中小矿井将进行技术 改造，推广使用以紧凑型为主的液压支架。1、更新设计理念和设计方法设计理念的创新是液压支架技术创新的根本，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、系统可靠性设计。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。2、完善标准体系标准是技术发展的保障，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。 经过多年的努力，我国已形成了较完整的MT煤矿支护设备技术行业标准体系。但是，随着技术的进步和WTO国际经济一体化，这些标准大多已不适应当前技术发展要求，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。3、架型改进发展随着安全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、67m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。放顶煤支架在继续发展四柱式的同时，两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和顺槽超前支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。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，支架重量也不断增加，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。5、立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈目前，国产液压支架立柱、千斤顶的密封性能是最突出的薄弱环节，大多数仍在用橡胶密封圈，部分支架采用了国产聚氨酯密封圈，但其密封结构陈旧，国产聚氨酯密封圈质量稳定性差，为了彻底解决支架立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈存在的问题，北京开采所已进行了两年多的研究和实验，取得三项专利。尚需从密封结构、密封机理、密封材料、密封 圈结构形式、密封圈成型工艺等诸多方面进行深入的研究，研制出高可靠性聚氨酯密封圈。 实现立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈的更新换代是支架技术发展的必然趋势。6、电液控制系统电液控制是液压支架技术发展的重要方向。 煤矿液压支架电液控制系统是煤矿综采工作面自动化系统控制的核心，其是以网络技术为基础，实现采煤机位置检测和液压支架的跟机 自动控制，并且可实现液压支架及其配套设施的检测监控综合管理，实现地面通讯和远程控 制 。目前，发达国家的液压支架已普遍采用电液控制系统，我国神东、兖州、晋城等矿区和一些新建大型矿井也大量采用电液控制系统。液压支架电液控制是实现工作面自动化的前 提条件，是安全高效矿井的必然选择从目前我国煤矿技术经济条件和效益出发，电液控制 液压支架主要用于年产400万吨以上一次采全高长壁工作面、600万吨以上放顶煤工作面和薄 煤层高效开采工作面。国外电液控制系统的发展已经达到成熟阶段。我国液压支架电液控制系统的发展还处于 研究开发阶段，还没有相关的电控系统产品。国产电液控制系统存在的主要问题是电液控制系统关键元部件对煤矿井下综采工作面生产环境的适应能力较差，电液控制系统元部件之间的参数匹配和性能匹配还不太合理，电液控制系统整体可靠性指标还比较低等问题。在目前条件下，电液控制系统主要采用国外产品配套或核心部件采用国外成熟产品。与此同时，应 大力发展高可靠性手动大流量快速移架系统、大流量安全阀和各种大流量液压元件， 提高支架控制系统的可靠性。河南理工大学本科万方科技学院毕业设计（论文）开题报告题目名称ZZ4000/17/35支撑掩护式液压支架的设计姓名刘中原专业班级机设08-4学号0828030009一、 选题的目的和意义采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。支撑掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合我国特点于1968年首先研制成功的。它保留了垛式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用双排立柱支撑顶梁（或顶梁于掩护梁）的结构；同时吸收了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座。与垛式支架和掩护式支架相比它具有不可比拟的优点：1 支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞；2 支架稳定性、防护性好；3 在保证强度的条件下，结构更简单，尺寸更紧凑；4 具有良好的整体性能，安全可靠；二、 国内外研究综述我国目前液压支架与发达国家的差距：1.生成能力上的差距 我国目前大部分支架的可靠性与国外差距比较大。进口支架工作面开机率达到90%以上，日产达到了30000t，年产达到10Mt，支架大修周期为产煤15Mt以上。而我国目前综采工作面开机率平均为50%左右。支架大修周期为产煤量在45Mt左右。 2.支护性能参数的差距 发达国家在设计指导思想方面大多主张大马拉小车，支架的工作阻力与支护强度普遍较大。工作阻力一般都在7000KN以上，最高达到10000KN，而我国目前支架的工作阻力与国外相比普遍偏低，平均在40005000KN，相差30%左右。另外，国外支架中心距普遍采用1.75m，个别达到2m，我国支架中心距绝大多数为1.5m。3. 结构件材料的差距 目前国外s700800MPa的钢材以广泛应用，而我国普遍使用的是s450MPa以下的钢板，相差30%40%。4.控制系统方面的差距 目前世界上一些发达国家支架的控制系统已广泛采用电液控制系统，而我国目前很少采用电液控制，绝大部分为手动。液压支架的发展趋势：1.提高支架的可靠性，另外加大支架的中心距也是必然趋势；2.二柱支架将是主导架型，目前我国的四柱支架要比二支柱支架数量多，相比较而言二柱支架具有明显的优势；3.采用大采高支架；4.电液控制系统是液压支架发展的方向；5放顶煤支架将是未来的主导架型； 三、毕业设计（论文）所用的方法本次设计，是本人按照导师的要求，结合自己的兴趣爱好，通过收集大量的理论资料，参加生产实习的基础上，自主完成的毕业设计。其中，在设计过程中底座、前后连杆和结构件是设计的重点。另外，本论文还着重介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，液压支架的维护和管理，及其常见的故障及排除方法。目的是通过对支掩式液压支架进行深入细致的了解和研究，在一定的理论基础上，结合实践认识，巩固所学知识，完成自主实践与创新。在设计过程中遇到的问题我们一般通过自己查阅资料和小组讨论的方式解决，如确实有不能解决的问题我们就通过请教厂方技术人员和指导老师，争取解决在毕业设计过程中所有问题。四、主要参考文献与资料获得情况参考文献：1张家鉴 主编液压支架煤炭工业出版社 19852贾悦谦 主编综采技术手册（上、下）煤炭工业出版社20003主编机械设计手册第三版 化学工业出版社1999 4戴绍诚 主编高效高产综采机械化采煤技术与装备煤炭工业出版社19975煤炭部煤炭科学研究院编综采设备配套图册19836. 中国物产集团公司支护装备部 编煤矿支护使用手册煤炭工业出版社2004五、指导教师审批意见指导教师： （签名）年 月 日 河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师： 韩晓明 职称： 副教授 所在院（系）： 机械与动力工程学院 教研室（研究室）： 机械教研室 题 目ZZ4000/17/35支撑掩护式液压支架支架的设计学生姓名刘中原专业班级机设四班 学号0828030009一、选题质量：（主要从以下四个方面填写：1、选题是否符合专业培养目标，能否体现综合训练要求；2、题目难易程度；3、题目工作量；4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度）本次所选的题目为ZZ4000/17/35支撑掩护式液压支架支架的设计，内容涉及到对液压支架的总体布置和理论研究，还有一些机械零件和机械结构的设计计算与校核，与专业课程紧密相连，符合专业培养目标，在设计工作中。需要对所学知识加以综合的应用，并能够熟练应用有关参考资料。计算图表、手册。熟悉有关的国家标准和颁布标准。体现了综合训练的要求。工作量大。课题与当前现况紧密相连。选题质量较高。二、开题报告完成情况：1、已完成开题报告编写工作，前期所需文献资料也已查阅。2、已完成对所查阅的资料和课本知识进行分析和整合。三、阶段性成果：1、完成了资料文献的分析和处理工作。2、完成设计说明书大纲的拟定，且进行部分内容的编写。3、完成毕业论的资料搜集和部分资料的整合四、存在主要问题：、对机械制造技术基础的理解不够深，结合程度不够深。2、对现代机械加工新技术和机械制造技术基础不太了解，知识和能力进一步提高。3、对速度图的绘制还不是太熟，各轴的剖视图画的不太熟，画图能力和技巧需要进一步提高。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语指导教师： （签名） 年 月 日河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师：吕鲲 职称： 教授 所在系部（单位）： 机械与动力工程学院 教研室（研究室）： 机械教研室 题 目 支撑掩护式液压支架学生姓名张顺风专业班级 08机设3班 学号0828100009一、选题质量1， 该选题为矿用液压支架设计，符合专业培养目标，能够体现综合训练的要求，可以对 我们大学四年所学知识进行一次全面的练习。2， 这将对我们以后深造学习和工作起到十分有效的帮助，也能达到一个综合训练的效果，又加强了实际的动手动脑能力。3， 题目的难易程度很适中，对我们既是一个挑战也是一个很好的锻炼提高过程。4， 题目的工作量：要求完成3张以上的A0图纸，5060页的说明书一份。5， 选题不但能紧密的结合生产和实践，而且在我们所学课程的范围之内，对我们 以后不管是科研还是从事实际的工作都有很大的帮助。二、开题报告完成情况在老师指导和同学们的帮助之下，我顺利的开始本次毕业设计。我在自己经过一些查阅资料的前提下，慢慢地理出头绪,摸索出了设计思路。 由于我们这次是矿用液压支架的设计，以前接触这方面的知识较少，所以在刚开始不是很顺利，甚至感到有些无从下手，但是经过和指导老师的提导、与本组同学的商量、在工厂实习观看实物之后， 我逐渐找到设计的切入点，顺利的完成了开题报告。并有了一定的成果和进行了一些前期的工作，并使本次设计有了一个良好的开始。在查阅了一些资料后，已经进行了计算设计，正在整理说明书,并进行初步绘制草图.我将继续努力，认真完成这次毕业设计。 三、阶段性成果 1通过对液压传动原理的学习，在加上老师的仔细讲解，我收集了大量的资料和文献，为设计的顺利完成打下了坚实的基础。 2. 在老师的指导和同学的帮助下找到了设计的基本方法，开始了一些基本的原理的设计计算，并取得了一定成果。 3. 完成了开题报告。 4对整个设计有了一个总体的方案,并进行了前期的一些工作和设计.四、存在主要问题 由于在液压传动原理及机械原理的理解不够深入,实际经验不足,而且这方面参考资料有限,所以随着设计的逐渐进行中我遇到了许多新的和更加复杂的问题，这些问题使我充分认识到了自己在以前学习中的不足和自己与一些同学在专业知识方面的差距，所以我要以本次设计为契机加强自己在学习上薄弱环节，争取使我的毕业设计能够取得好的成绩，也能够使我所学的知识能够在以后的工作中发挥更大的作用。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语指导教师： （签名） 年 月 日河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称支撑掩护式液压支架学生姓名张顺风专业班级08机设3班学号0828100009一、 选题的目的和意义：支撑掩护式液压支架是在支撑式支架与掩护式支架后发展起来的一种支架,它可以在破碎顶板、中等稳定顶板、稳定顶板和松软顶板等条件下适用。根据支架的结构特点不同，支撑掩护式液压支架可分为支顶支撑掩护式和支顶支掩支撑掩护式两种。主要技术性能：顶梁长，有双人行通道，通风断面大，切顶能力强，支架的立柱倾斜度小，支撑效率高。但是调高范围小，适应煤层厚度的变化能力不如掩护式液压支架，液压系统中的动力缸和控制元件多，操作较复杂，影响移架速度。我校机械与矿山专业特色浓厚，学生本人打算以后从事液压方面的工作，所以作为一个机械设计专业即将毕业的大学生搞这个毕业设计具有很大的意义： 首先通过学习和设计强化对液压支架结构、工作过程和原理的认识。 其次通过学习和设计进一步巩固机械专业课知识，加强运用知识解决实际问题能力，进一步清晰机械设计的基本过程。 再次通过学习和设计掌握一定的设计方法，磨练自身科学严谨认真的为学态度和解决问题的能力。 这个设计适合个人实际不但能巩固专业理论知识，提高学术研究能力和锻炼解决问题能力而且对今后工作意义重大。二、 国内外研究综述：在过去的半个多世纪中，煤矿井下开采支护设备的设计和使用发生了巨大变化。其中，最引人瞩目的是世界范围内广泛采用液压支架作为长臂开采支护工程的主要设备。从采煤设备的发展过程来看，采用液压支架管理顶板是当代采煤技术史上一次重要的变革，也是煤矿现代化的主要标志。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约占综合采煤设备总重量的80%90%，其费用约占综合采煤设备总费用的60%70%。因此，为了降低成本提高采煤的经济效益，世界各主要产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。我国已成为世界最大煤机制造国，近年来液压支架年产量达到3万架左右，我国液压支架品种之多，产量之大，使用条件之复杂堪称世界之最。我国对工作面矿压规律、支护技术、液压支架与围岩相互作用关系、液压支架合理选型、液压支架设计、难采煤层液压支架和总体配套技术进行了长期大量研究，对国外液压支架技术进行了认真消化吸收，结合我国煤矿实际大胆创新，研制成功各种不同类型液压支架。我国目前在难采复杂煤层液压支架、放顶煤液压支架和液压支架适应性研究方面处于世界先进水平。我国液压支架与世界先进先进水平主要差别在质量可靠性上，一方面基础工业水平的差距，材料和密封元件差距较大；另一方面制造工艺和质量意识质量管理水平较差。近十年来，国际煤矿长壁开采技术取得突飞猛进发展，以美国为代表的发达产煤国以其雄厚的经济实力和得天独厚的煤炭赋存条件，矿井普遍采用重型大功率设备、“一井一面”集约化开采。普遍采用两柱掩护式、大工作阻力、整体顶梁、电液控制液压支架。德国的和美国的两大跨国煤机集团的液压支架代表世界先进水平。首先架型上发展大工作阻力两柱掩护式中厚煤层和大采高支架，针对美国、澳大利亚、南非和中国等开采条件好、经济实力强的大型矿井。其次支架技术研究上一支架结构可靠性和细节人性化设计为重点，一大支护能力代替支架对围岩和开采条件适应性研究。另外支架材料上采用基于技术经济综合平衡的材料优化配置，结构件一般用多品种等级的钢板组合。产品制造工艺先进、质量可靠、立柱和千斤顶采用聚氨酯和复合密封圈，缸口采用梯形或矩形螺纹连接三、 毕业设计（论文）所用的主要内容与方法：主要技术1 掩护梁的设计与工作状况。2 四杆机构的设计与工作原理。3 底座部分的结构设计。4 各部件加工工艺的合理性与装配性能合理性。主要方法1. CAD作图法优化设计2. Pro/ENGINEER作图法设计四、 主要参考文献与资料获得情况：1.矿山机械中国矿业大学出版社，李炳文、王启广主编。2.高效综合机械化采煤成套装备技术中国矿业大学出版社，孙继平、宋秋爽、王国法主编。3.液压支架技术煤炭工业出版社，王国法主编。4.液压支架优化设计理论和方法煤炭工业出版社，刘俊峰主编。五、 毕业设计（论文）进度安排（按周说明） 1 第1-2周进行实习 2 第3-4周写实习报告并进行资料查找 3 第5周写开题报告 4 第6-13周进行设计并绘制装配图和零件图 5 第14-15周准备毕业答辩 六、 指导教师审批意见：指导教师： 年 月 日 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文目录第1章液压支架的概述41.1液压支架的组成和用途41.1.1液压支架的组成41.1.2液压支架的用途41.2液压支架的工作原理41.3液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数61.3.1设计目的61.3.2液压支架的基本要求61.3.3设计液压支架必须的基本参数71.4液压支架的发展趋势81.4.1新型适用特种条件下的液压支架81.4.2液压支架结构设计的方向91.4.3我国液压支架与国外的差距及今后的发展趋势9第2章液压支架的架型特点及选型112.1液压支架的分类及特点112.1.1液压支架架型的分类112.1.2顶板的组成132.1.3液压支架的支撑力与承载关系132.2液压支架的选型172.2.1液压支架的选型原则172.2.2液压支架设计的原始条件182.2.3液压支架的选型过程18第3章支架各部件的结构特点223.1支撑掩护式液压支架的整体结构223.2液压支架的各部件结构233.2.1液压支架的顶梁233.2.2掩护梁的结构273.2.3侧护板283.2.4底座293.2.5立柱313.2.6辅助装置33第4章液压支架的整体结构尺寸设计354.1液压支架基本参数确定354.1.1液压支架的高度确定354.1.1支架伸缩比364.1.3支架间距364.1.4底座长度364.2 液压支架四连杆机构确定374.2.1四连杆机构的作用374.4.2四连杆机构尺寸设计39第5章液压支架顶梁设计455.1顶梁长度的确定455.1.1工作方式对支架顶梁长度的影响455.1.2配套尺寸对顶梁的影响465.1.3长度的计算465.1.4顶梁其它有关尺寸的确定475.2液压支架支护技术参数475.2.1支护面积的确定475.2.2支护强度计算485.2.3立柱的技术参数泵站额定工作压力及立柱初撑力确定495.2.4安全阀压力和立柱工作压力505.3顶梁的受力分析515.3.1液压支架的支护性能及外载荷515.3.2顶梁受力分析535.3.3顶梁载荷分布565.3.4实际支护强度585.3.5支护效率595.4强度校核605.4.1液压支架强度设计的强度条件605.4.2顶梁承受的剪力和弯矩确定625.4.3顶梁强度校核67结束语72致谢73参考文献74前言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。我国液压支架经过30多年的发展，取得显著的成果，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式液压支架，这些系列化液压支架一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。我国煤矿中使用的支架类型很多，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处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。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，由于直接类别和老顶级别的不同，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能适应顶板载荷的要求。此次设计是对大学所学的知识的综合应用，通过设计使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机的使用的熟练性。通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高独立为完成工作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。第1章 液压支架的概述1.1液压支架的组成和用途1.1.1液压支架的组成液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操作控制系统等主要部分组成。1.1.2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，保证工人安全和各项工作正常进行，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 至呼和控制顶板的设备，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。液压支架可与弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，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。1.2液压支架的工作原理液压支架在工作过程，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供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。升柱：当需要液压支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，是与活塞杆相连的顶梁紧紧接触顶板。降柱：当需要降柱时，高压乳化液进入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推动活塞下降，顶梁脱离接触接触顶板。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；当需要推移输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶下腔，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。图1-1 液压支架工作原理1 输送机；2 推移千斤顶；3 立柱；4 安全阀；5 液控单向阀；6 操纵阀支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-2所示图1-2支架的工作特性曲线支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化可分为三个阶段：支架升柱时，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，此阶段为初承力阶段；支架初撑后，随着顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架安全阀的调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力，此阶段为增阻阶段；随着顶板压力继续增加，是立柱下腔压力超过的安全阀调正压力值时，安全阀打开溢流，立柱下缩，是顶板压力减小，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制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。1.3液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数1.3.1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，机械化采煤工作面。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。为了有效的支护和控制顶板，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。由于液压支架的类型很多，因此其设计的工作量也是很大的，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。1.3.2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，以使有效地控制顶板，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，薄煤层一般为100KN150KN，中厚煤层一般为150KN250KN，后煤层一般为300KN400KN。3防矸性能要好。4排矸性能好。5要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风面积，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，能承受事实上不均衡载荷和冲击载荷。10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设计液压支架必须的基本参数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，按煤矿安全规程规定，验算通风断面。4底板岩性及小时涌水量根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。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选用防滑装置。7井向罐笼尺寸根据井向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。1.4液压支架的发展趋势1.4.1新型适用特种条件下的液压支架为了安全高效的开采复杂地质条件的煤炭资源，必须设计能适应某种特殊地质条件使用的液压支架。1特厚煤层一次采全高液压支架。2009年平顶山煤矿机械有限公司生产的ZY10800/28/63型电液控制掩护式液压支架是为神华宁煤设计制造的，支护高度6.3米、工作阻力10800千牛、重量40.5吨的大采高高端支架（参数见表1-1）。该架型代表着国内支架行业的先进水平，技术含量高、生产难度大。2新型放顶煤支架。设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。3水采液压支架。为了适应水采工作面的支护需要，设计一种水采工作面。表1-1 ZY10800/28/63型电液控制掩护式液压支架参数性能项目数值性能项目数值支架高度mm2800-6300工作阻力KN10800初撑力KN7912支架中心距mm1750支护强度MPa1.06立柱缸径mm4004重型支架。为适应顶板压力特别大的需要，可将液压支架的工作阻力设计的较大。5新型端头支架。为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作且安全可靠的断头液压支架。6大倾角工作面支架。为适应煤层倾角小于等于45的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。1.4.2液压支架结构设计的方向1轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度要求和配套的条件下，底座和顶梁尽量短，使支架轻型化。2标准化。为了减轻支架的重量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性减小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。3材质强化。提高结构件钢材强度，采用优质钢材，减轻液压支架的重量，设计师可先进行技术经济比较，再选合适的材料。4高压化。各种阀类的压力等级价高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架的质量减轻。5操作自动化。能适应无人采煤工作面的需要，实际运程操作的新型全自动液压支架。1.4.3我国液压支架与国外的差距及今后的发展趋势我国的液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著的成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定的差距。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，所用钢材耐压能力一般为16MPa，最好的屈服极限仅有700MPa，液压系统压力在35MPa以下，流量在200L/min以内，供液管直径2532mm，回液管直径2550mm，最快移架速度为1012s/架（井下实际应用又是在20s以上），工作阻力相对较低。我国液压支架的设计制造水平经过30多年的发展，不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架反面积累了丰富的经验，架型也基本趋于成熟完善，在品种和质量方面与国际相比还有较大的差距。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，还应在设计支架控制系统和提高指甲的工作可靠性发面下功夫。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量高、钢板强度高、移架速度快（68 s/架）和电液控制阀的方向发展，对破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠的推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/min的高压大流量乳化液泵站，以适应快速一家的需要；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。两柱掩护式液压支架的比重将大大增加，缸的直径将增至360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。第2章 液压支架的架型特点及选型2.1液压支架的分类及特点2.1.1液压支架架型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。目前使用的液压支架分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。1支撑式液压支架：支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如图2-1所示，图2-1 支撑式液压支架的类型前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。2掩护式液压支架：掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图2-2所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。3支撑掩护式液压支架：支撑掩护式液压支架是在支撑液压支架和掩护式图2-2 掩护式液压支架的类型a 插腿式支架 b立柱在掩护梁上非插腿式支架c立柱在顶梁上非插腿式支架液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构，使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。支撑掩护式液压支架适用范围很广，可用于各种顶板条件，尤其用于中等稳定以上的顶板条件。其缺点是：结构复杂，重量大，价格较贵。不同结构形式的支撑掩护式液压支架，其主要区别是立柱的布置方式不同。具体分类方法及型式如图2-3所示图2-3支撑掩护式液压支架的类型a四柱平行支在顶梁上的支架b四柱交叉支在顶梁上的支架c一柱支在顶梁上，另一柱支在掩护梁上的支架2.1.2顶板的组成回采工作面的顶板，根据岩层和煤层的相对位置及特征，可以分三类：1伪顶：直接位移煤层上方使极易垮落的一层岩石。它通常使灰质页岩和泥质页岩，厚度一般不大于0.30.5米，经常随采随冒。有些岩层不出现伪顶。为顶对支护设备的使用一般没影响。2直接顶：是指位于伪顶或直接位于煤层上方的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质页岩、沙质页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式及架型选择由决定性的影响。3老顶：是指位于直接顶之上厚而坚实、节理裂隙和层理都不发育的整体岩层。通常由砂岩、石灰岩或砂砾岩等构成。老顶常能在采空区维持很大悬露面积而不随直接顶一起垮落，其垮落步距的长短对支护设备的载荷大小由决定性影响。2.1.3液压支架的支撑力与承载关系1支撑式液压支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部分，以阻止上部岩层的移动，实现切顶。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板则处于无立柱状态，仅靠支护力较小的前梁来维护。支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀，预想的支撑力分布规律如图 图2-4 支撑式液压支架支撑力分布图2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，顶梁端部的支撑能力比支撑液压支架大，其支撑力的分布规律如图2-5所示掩护式液压支架在不同顶板条件下的承载分析1）掩护式液压支架在破碎不稳定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减少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的合力为Q3，载荷分布如图2-6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分解垂直分立和水平分力，如图掩护式液压支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布和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。图2-5掩护式液压支架支撑力分布图图2-6 掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况2）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2-7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，迫使顶梁支撑力减小，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2-7 掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况3支撑掩护式液压支架支撑力分布与承载的关系及适用范围图2-8 支撑掩护式液压支架支撑力分布支撑掩护式液压支架是为了改善支撑式液压支架和掩护式液压支架的性能和对顶板的适应性而设计的，主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的支撑力和承载能力。所以此种支架介于以上两种支架之间，增强了适用范围，适用于顶板较坚硬 、顶板压力较大顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图2-8所示2.2液压支架的选型2.2.1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合矿井和工作面的条件，投产后能够做到高产、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、技术和设备条件进行选择。1液压支架架型的选择首先要适合于顶板。一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。2当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。3当煤层厚度达到2.52.8m以上时，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、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式支架。4应使支架对地板的接触比压不超过地板允许的抗压强度。在地板较软条件下，应选用抬地板装置的支架或插腿掩护式支架。5煤层倾角小于10时，液压支架可以不设防倒防滑装置。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，应选用同时带有防滑防倒装置的液压支架。6对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程要求，并优先选择通风面积大的支撑式或支撑掩护液压支架。7当煤层为软煤时，支架最大高度一般应2.5m；中硬煤时，支架最大高度一般3.5m；硬煤，支架最大高度5m。8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。2.2.2液压支架设计的原始条件基本（老）顶级别:三级直接顶级别:三级采高:2.5m3.2m 2.2.3液压支架的选型过程1确定直接顶和基本顶类别1)顶板分类（1）直接顶分类我国将缓倾斜煤层回采工作面的直接顶分为四类：一不稳定顶板即破碎顶板，很容易冒落，冒落能基本充满采空区。泥质页岩、再生顶板等属于这一类。二中等稳定顶板：这类顶板强度较高，但由大量节理裂隙，局部较完整，厚度不大，冒落后不能充满采空区，一般支护设备前移后随即冒落。砂质页岩、粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。三稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落。砂岩顶板、坚硬的砂质页岩顶板属于这一类顶板。四坚硬顶板：极难冒落的砂岩、坚硬砂质页岩等属于这一类顶板。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=350.3N35LP=25500,3N35LP50N0.3LP=2550N0.3LP50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LP可根据现场实测或矿压显示特征确定。（2）老顶分级老顶根据周期来压明显与否分为四级：I级顶板，周期来压不明显；II级顶板，周期来压明显；III级顶板，周期来压强烈；IV级顶板，周期来压极强烈。老顶周期来压越不明显，作用于支架上的载荷就越小，而且稳定。反之，周期来压越强烈，作用于支护设备上的载荷就越小，且有冲击。表2-2 老顶级别 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D1l=3 l8l=3.17 l=918l=7.112l=1925l12l25无直接顶，岩层厚度在25m以上6080参照指标直接顶初次垮落步距l/m表中按右式计算： =岩石单向抗拉强度（Mpa）= 节理裂隙影响系数；=分层厚度影响系数。表2-3 节理裂隙间距表节理裂隙间距表l/m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2c10.30.320.340.370.390.410.430.460.480.500.520.55表2-4分层厚度表分层厚度表Hx/m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2C20.240.250.270.290.30.320.330.350.360.380.390.41表2-5 支架架型确定参数支架架型确定参数基本顶级别直接顶级别12312312344液压支架架型掩护掩护支撑掩护掩护或支撑支撑支掩支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m）支架支护强度/()采高1m采高2m采高3m采高4m294343（245）441（343）539（441）1.32951.3343（245）1.3441（343）1.3539（441）1.62951.63431.64411.65392295234324412539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区注: (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液压支架类型的确定由给定的顶板条件参照表2-5可选取的液压支架的选型为支撑掩护式液压支架。第3章 支架各部件的结构特点3.1支撑掩护式液压支架的整体结构支撑掩护式液压支架主要由护帮、防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。图3-1 支撑掩护式液压支架1-护帮；2-防片帮千斤顶；3-前梁；4-顶梁；5-掩护梁；6-四连杆机构；7-底座；8-推移千斤顶；9-立柱；10-机械加长杆108169754323.2液压支架的各部件结构3.2.1液压支架的顶梁1支撑式液压支架的顶梁结构21支撑式液压支架顶梁结构形式如图3-2所示。如图a所示为整体刚性顶梁。顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好，但对顶板适应性差。图3-2 支撑式液压支架的顶梁类型1-前梁；2-后梁；3-尾梁；4-前梁千斤顶；5-前梁伸缩千斤顶351142124212如图b，c所示为铰接式顶梁，由前梁和后梁组成，分别由前、后排立柱支撑。其中，b为全铰式，它能适应支架顶梁上方前后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半饺式顶梁如图c所示，它克服了全铰式的缺点，当中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于铰接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。如图d所示为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接，在铰接前梁处安装有前梁千斤顶，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上下摆角适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增设尾梁，如图e所示。如图f所示为不带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶式顶梁伸缩，由于前梁可以及时伸出支护暴露的顶板，从而允许固定顶梁减小长度，也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。2掩护式液压支架的顶梁结构掩护式液压支架的顶梁结构型式如图3-3所示如图a所示为平衡顶梁顶梁较短，与其下部的的掩护梁铰接。因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁，顶梁铰接点前、后侧面的比例接近于2：1（按载荷分布近似三角形设计）。这种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。为此，在顶梁后部加设挡矸板。ZYZ型掩护式液压支架就采用此种结构。如图b所示为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除三角区。如图c所示为铰接式顶梁，顶梁为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁铰接，取消三角区，立柱直接支撑在顶梁上。平衡千斤顶调节顶梁的接触面积。图3-3 掩护式液压支架定量的类型1-顶梁；2-前梁；3-后梁；4-掩护梁；5-立柱；6限位千斤顶；7前梁千斤顶8-平衡千斤顶如图d所示为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶调节前梁角度，可以提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。如图e所示为带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，减少顶板的暴露时间铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为如图d、e所示两种型式的结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。3支撑掩护式液压支架的顶梁结构由于支撑掩护式液压支架的结构介于支撑式和掩护式液压支架之间，所以，支撑掩护式液压支架的顶梁结构可采用前述诸种型式，但应根据顶板条件来选取。4顶梁的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。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，移减少移架阻力。支撑式液压支架后焊接有挂帘板，作为挂挡矸帘用。在顶梁下面含有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，孔用钢丝绳或销轴不立柱和顶梁连接起来。掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构式：1）闭式顶梁顶梁上下盖板与筋板焊接成封闭型，如图(3-4)所示：图3-4 顶梁筋板焊接图2）开式顶梁开式顶梁结构如图所示其特点为减轻顶梁重量，曾强顶梁抗弯强度。对于掩护式和支撑掩护式支架，为便于侧护板自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，如图（3-5）所示：图3-5 顶梁断面根据上述顶梁各种型式我选择封闭焊顶板的型式，如上图所示。3.2.2掩护梁的结构掩护梁的结构为钢板焊接成的箱式结构，在掩护梁上上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座（有的支架在掩护梁上焊有立柱柱窝）。活动侧护板装在掩护梁的两侧。从侧面看掩护梁，有直线型，折线型两种。如图3-6所示。其中，如图a所示为折线型，图b为直线型。(a) (b)图3-6 掩护梁的结构型式1顶梁；2掩护梁；3立柱；4前连杆；5后连杆；6底座；7限位千斤顶折线型相对直线型支架断面大，结构强度高，但工艺性差，所以很少采用。从掩护梁的宽度方向分，可分为整体式和相分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度较差。3.2.3侧护板1侧护板的种类顶梁和掩护梁的侧护板有两种：一种是一侧固定另一侧活动的侧护板。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。一般燕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顶梁连接，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，给调架、防倒等带来不便，所以很少采用。另一种时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。2侧护板的结构形式dcba侧护板的结构如图3-7所示。通常有两种类型。图3-7侧护板的结构型式一种是侧护板在顶梁外侧。这种类型侧护板又有三种形式，如图3-7a所示，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落的矸石卡住，影响侧护板的伸缩；如图3-7b、c所示，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种时铰接式侧护板，如图3-7d所示。他克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成的三角带容易填入矸石，影响架间密封效果。3.2.4底座1底座的结构型式如图3-8所示，通常有3种类型。1）整体式。整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定向好，强度高，不易变形，与底座接触面积大，比压小。如图3-8a所示的底座用于支撑式液压支架，箱体高度大便于安装复位装置。如图3-8b所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式和支撑掩护式液压支架。2）对分式。为使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化，通常把底座制成前、后或左、右对分式。如图3-8c、d所示为前、后两个底座的对分式，两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成。如图3-8e所示为左、右两个底座箱的对分式，两者用弹簧钢板和销轴连接。3）底靴式。底靴式底座的特点是每根立柱支撑在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，如图3-8f所示。它的结构简单，动作灵活，对地板的不平整适应性强，但刚性差，与地板接触面积小，稳定相差，一般用于节式支架上。各种型式的底座前端都制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部的重力大于前部，避免移架时啃底。图3-8底座的结构型式a、b 整体式底座；c、d、e 对分式底座；f底靴式底座fedcba底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以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。2底座立柱柱窝上要开槽的原因：由于底座立柱柱窝的形状为半球体，为防止底座立柱柱窝内存有煤粉和积水，所以在柱窝上开一个槽或钻一个孔，便于消除积水和煤粉。3.2.5立柱1立柱的结构立柱按动作方式分为单作用和双作用立柱；按结构分为活塞式和柱塞式立柱；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩式立柱，如图3-9所示。图3-9 立柱类型a-单作用活塞式；b-单作用柱塞式；c-双作用活塞式；d、e、f-双伸缩式2几种立柱的动作原理1）单伸缩立柱的动作原理单伸缩单作用活塞式或柱塞式立柱，靠液压力伸柱，靠自重或弹簧力降柱。单伸缩双作用活塞式立柱，靠液压力伸柱和降柱。当下腔进液上腔回液时伸柱，反之为降柱。2）双伸缩立柱的动作原理双伸缩立柱动作原理如图3-10所示当高压液进入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，如图3-10a所示。当中缸全部伸出后中缸下腔压力增加，当压力增加至超过底阀弹簧调正压力时，底阀打开，高压液进入上柱下腔，上柱上腔液体经中腔上部小孔排出，使上柱伸出，如图3-10b所示。降柱时如图3-10c、d所示。当高压液进入中缸上腔，下腔回液，中缸下降；当中缸降到底时，一方面底阀被缸底顶开，另一方面中缸上孔正对立柱上部进液孔，如图3-10c所示。立柱上部进液孔经中缸小孔进入上柱上腔，下腔液体经底阀从立柱下部孔回液，上柱下降，如图3-10d所示图3-10 双伸缩立柱动作原理3机械加长杆的结构原理由于双伸缩立柱结构复杂，成本高，为了降低成本，在单伸缩立柱上安装机械加长杆，满足支撑高度的变化要求。需要增加支架到最大高度时（在井上），可以拆下4根立柱中对角线上的2根立柱上机械加长杆卡环，操作支架升柱，支架顶梁升起，带动机械加长杆从立柱中拔出，当达到所调高度时，再把这两根机械加长杆的卡环固定。把支架降至原来高度，拆下另两根机械加长杆的卡环，用同样的方法使这两根机械加长杆达到与前两根相同的高度为止。4立柱上、下端头设计成半球形的原因第一个原因，由于支架在伸缩过程中，顶梁不可能同步造成立柱与顶梁和立柱与底座之间转动，所以立柱的上、下端头用半球形，形成铰接，就可以适应这种转动。第二个原因，当立柱为倾斜布置时，在支架升降过程中，立柱一方面要伸缩，一方面要倾斜，立柱与顶梁和立柱与底座之间依靠立柱上、下端半球形发生转动，从而增大了支架的调高范围。3.2.6辅助装置1推移装置：推移装置是液压支架必备的重要辅助结构件，由推移千斤顶和其它附属装置组成。移架和推溜的动作就是通过推移千斤顶及其附属装置来完成的，但随着矿山地质条件、液压支架结构和工作过程不同，推移方式和推移千斤顶的布置也不一样。由于液压支架的工作过程的不同，推移方式有两种：先移架后推溜，先推溜后移架两种。2护帮装置：液压支架的护帮装置时为了开采厚煤层或煤质松软的一些中厚煤层时防止煤壁片帮而设计的。护帮装置一般由液压千斤顶和护帮板构成，安装在前梁下部。正常情况下，护帮板伸出紧贴煤壁，防止片帮，或在片帮时起缓冲作用，防止硬伤工作人员。当采煤机割到液压支架前面时，需要将护帮收回，让采煤机通过，然后，随支架移到新的工作位置后重新伸出以支护新暴露的煤壁。3挡矸装置：矸石涌入支架内会造成行人不便，移架困难，有时甚至会埋住操纵阀把手，损坏高压软管，严重影响支架的正常工作，架内矸石的清理也需要繁重的体力劳动。为此，需要良好的挡矸装置。4防滑防倒装置：液压支架在移架过程中，由于支架自重在倾斜方向的分力会使支架沿倾斜下滑，所以煤层倾角越大，下滑力也越大。支架的后部因重量大，离固定点较远，所以下滑程度比前部严重，造成支架的倾斜。当煤层倾角增大至使支架失去横向稳定性时，支架会向下倾倒，因此，为了保证支架的正常工作，必须采用相应的防滑装置。第4章 液压支架的整体结构尺寸设计4.1液压支架基本参数确定4.1.1液压支架的高度确定支架的高度确定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（4-1）（4-2）式中支架最大高度；支架最小高度；煤层最大厚度（最大采高）；=3.2m煤层最小厚度（最小采高）；=2.5m考虑伪顶、煤皮冒落以后仍有可靠初撑力的支撑高度，一般取200300mm；顶板最大下沉量，一般取100200mm；移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm；浮矸、浮煤厚度，一般取50mm。根据式4-1可得： mm200mm=3400mm根据式4-2可得：100mm50mm50mm=2300mm所以初步选定：=3400mm=2300mm4.1.1支架伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为：（3-3）代入数据得m=1.48。立柱结构可以采用单伸缩液压缸。4.1.3支架间距支架间距就是相邻两支架中心线的距离。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中部槽相连，因此目前主要根据输送机中部槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定。我国刮板输送机中部槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在中部槽中间位置，所以除节式和迈步式液压支架，支架间距一般为1.5m。4.1.4底座长度底座是将顶板压力传递到顶板和稳固支架的部件。在支架底座长度设计时要考虑以下几方面：支架度底座的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置；便于人员操纵和行走；保证支架的稳定性等。通常，掩护式液压支架的底座长度取移架步距的3.5倍（一个移架步距为0.6m），及2.1m左右；支撑掩护式液压支架的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m。4.2 液压支架四连杆机构确定4.2.1四连杆机构的作用四连杆机构是支撑掩护式支架最重要的部件之一。其作用概括起来有两个，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，从而使支架顶梁的取端点与煤壁间的距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使顶板承受较大的水平力。1支架高度在最大和最小范围内变化时，顶梁端点运动最大轨迹的最大宽度E应小于或等于70毫米，最好为30毫米以下。如图4-1所示：2支架在最高和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角为P和后连杆与低平面的夹角为Q，如图4-1所示，应满足如下要求:支架在最高位置时，P5262，Q7585;支架在最低位置时有利于矸石的下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求tanPw,如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3，则P=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应是P25。而Q一般取Q2530。3从图4-1可知，掩护梁与顶梁的饺点e和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为其范围要为tg时，载荷呈梯形分布，如图5-7（b）所示。顶梁前端比压为：MPa（5-17）顶梁后端比压为：Mpa（5-18）由于x=0.975m小于（3.7/3=1.23m）所以载荷分布为三角形。将=4142.8kN，=1.5m，=0.975m代入式5-16得顶梁后端比压为：5.3.4实际支护强度支架的结构设计结束后，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。于是可求出支架的实际支护强度如下式： (5-19)式中： Lg顶梁长度，mm；bc顶梁宽度，mm；顶梁前端至煤壁的距离，mm；由于Fc = bc ( Lg +)=6.45（式5-1所示）所以与5.2.2中的比较误差为：支撑是液压支架随支架支撑高度不同，其支护面积和工作阻力不变，故其支护强度不变。而掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架，由于支架的工作阻力因支架支撑高度不同而异，故支护强度也因支架支撑高度变化而变化。计算结果要与理论要求支护强度（即5.2.2提及的支护强度）计算结果比较，误差应在5%之间。5.3.5支护效率整台液压支架的工作阻力是由立柱工作阻力产生的。对于掩护式和支撑掩护式液压支架而言，两者并不相等。用支护效率来评价立柱工作阻力转化为支架工作阻力的有效程度，支护效率按下式计算： (5-20)式中： P支架的名义工作阻力，KN；支护效率其中： 将以上数据代入式5-20得：值与液压支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，值过大或过小都不好。由于支架的工作阻力F1由立柱工作阻力之和的垂直分力及掩护梁和前、后连杆来承担，而立柱的工作阻力之和不变，当值过大时，说明掩护梁和前、后连杆承受载荷增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当值过小时，说明立柱工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段内，支撑掩护式支架由于立柱倾角较小，值应在95%105%之间；支撑式支架由于立柱倾角较大，值应大于90%以上；支撑式支架由于立柱垂直布置又无四连杆机构，所以值为100%。5.4强度校核按理论支护阻力在顶梁最危险断面处，对顶梁进行强度校核。5.4.1液压支架强度设计的强度条件在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。前面数章的内容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方法。但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及大致形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应调整。1. 强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数。2. 结构钢、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件如下：1) 各机构件通常采用15CrMo等普通低碳合金结构钢，并由具体标准厚度的钢板焊接而成，取=459MPa。2) 主要销轴均采用CrMo等合金结构钢，取=561MPa。3) 活塞杆均采用45号钢，取屈服极限=367.2MPa。4) 结构件、销轴和活塞杆的强度条件为n（5-21）式中n安全系数；危险断面计算出的最大应力，MPa；n许用安全系数。3. 缸体材料采用27SiMn无缝钢管，取抗拉强度=1020MPa，强度条件为n（5-22）式中缸体许用应力，MPa；n许用安全系数，取3.54。4. 焊条抗拉强度取MPa，其强度条件为n（5-23） 式中 计算出的焊缝许用应力；按焊条类型来定。5. 许用挤压应力按下式计算：0.75（5-24）6. 许用安全系数，如表5-3所示。表5-3支架安全系数安全系数前梁底座顶梁掩护梁前连杆n1.11.11.11.31.3安全系数后连杆主要轴缸体焊缝活塞杆n1.31.33.343.341.4注：1.顶梁、底座的许用安全系数为1.1，主要考虑加载时加载力为工作阻力的1.1倍，掩护梁、连杆轴等不能进行加载强度校核，为偏于安全取1.3（如果能精确计算，如有抗扭计算、有限元计算等，许用安全系数可以减小，这个问题有待研究决定）。 2.如果各结构件计算出来的许用安全系数偏大，可按标准厚度钢材减薄，或减少加强筋板高度，以减轻支架重量，降低成本。根据计算表明，改变结构件高度对强度影响较大，而改变结构件钢板厚度对强度影响较小，在设计时可根据结构件具体情况酌情处理。5.4.2顶梁承受的剪力和弯矩确定计算顶梁承受的剪力和弯矩的数值是进行顶梁强度校核的前提，是顶梁设计中不可缺少的重要部分。顶梁剪力和弯矩计算的具体步骤为：将顶梁上的具体受理情况向顶梁顶面简化，计算顶梁上的剪力和计算顶梁上的弯矩，绘制顶梁剪力图和弯矩图，如图5-8所示。图5-8顶梁受力图、剪力图及弯矩图1根据顶梁的的具体受外力情况，将个点的力简化到顶梁的上表面，如图5-8a和图5-8b所示。计算中使用的数据如下：;具体计算过程如下：A点的力和附加力矩：;B点的力：;C点的力和附加力矩：;D点的力和附加力矩：;2绘制剪力图、弯矩图1）确定约束力根据5.3.2节顶梁受力分析所计算出的数据向顶梁上表面简化的