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掩护式液压支架—顶梁、立柱液压系统部分设计,掩护,液压,支架,顶梁,立柱,系统,部分,设计
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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： 所在院（系）： 机械与动力工程系 教研室（研究室）： 题 目 掩护式液压支架 -顶梁、立柱液压系统部分学生姓名周建勋专业班级机设-4班 学号0828010178一、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） 选题和专业培养目标一致,满足教学要求 与专业知识联系紧密贴近实际；选题难易程度适中，利用专业知识查阅相关文献可以独立完成；选题由一人单独完成因此工作量较大；选题与生产实际相结合,具有实用性和教师科研相结合,具有先进性和延续性。 二、开题报告完成情况： 开题报告已完成。 该题目选题明确有很好的现实意义，设计过程所用方法正确，结合了专业知识获取资料途径不单一，开题报告完成较好。三、阶段性成果： 完成了论文的开题报告,完成英语论文的翻译， 确定了论文的基本思路，完成了液压支架的总体设计 ，液压支架总体参数的确定 .四、存在主要问题： 专业知识掌握不够牢固，设计思路不够清晰，文献较少，对于液压支架的一些 结构了解还是很模糊，以后还要努力查阅文献把问题解决。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3河南理工大学本科毕业设计开题报告题目名称 掩护式液压支架顶梁、立柱液压系统部分学生姓名 周建勋专业班级机设08-4学号0828010178一、 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，而且能减轻繁重的体力劳动，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。掩护式液压支架，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，采用单排立柱直接支撑顶梁（通常简称双柱掩护支架），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、 国内外研究现状简述： 我国目前液压支架与发达国家的差距：1、生产能力上的差距 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，年产达到了10Mt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。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 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；三、毕业设计（论文）所采用的研究方法和手段：查阅图书馆资料、互联网资料和现有相关资料，参观考察实际工程，通过分析、计算、测试完成设计任务。四、 主要参考文献与资料获得情况： 1 雷天觉. 液压工程手册M . 北京: 机械工业出版社, 1990. 2 成大先. 机械设计手册M . 北京: 化学工业出版社,1993. 3 王占林. 近代液压控制M . 北京: 机械工业出版社,1997.4王裕清，韩成石. 液压传动与控制技术. 北京:煤炭工业出版社,1997.5 廖嘉璞，液压传动. 北京:北京航空航天大学出版社,1997.6 雷天觉主编,新编液压工程手册.北京.北京理工大学出版社,1998.五、毕业设计（论文）进度安排（按周说明）：第四、五周：查阅相关资料，通过学习准备相关知识；第六、七周：做开题报告； 第八、九周：做出各部分的初步的设计；第十、十一周：确定各部件规格、尺寸。设计好整个装置。第十二、十三周：完成设备生产制造、调试并检验其性能。六、指导教师审批意见（对选题的可行性、研究方法、进度安排作出评价，对是否开题作出决定）： 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论文摘 要 液压支架广泛应用于现代长壁采煤工作面上。它不但能够支撑顶板、推进工作面刮板输送机、自行前移，而且能够为井下联合采煤作业提供一个安全的环境。正确、合理地选择液压支架架型是长壁工作面采煤成功的前提和关键。因此，综合机械化采煤，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采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。 本文介绍了：支护设备的发展历史及最新动态；液压支架的发展历程及发展趋势；液压支架的组成、作用和分类；液压支架的液压控制系统；液压支架设计的一般步骤；液压支架的操纵、维护、故障分析及处理等。掩护式液压支架的设计过程中，着重对顶梁、掩护梁、底座、和立柱以及四连杆机构进行了分析和设计。对重要结构件如顶梁、底座和立柱等进行了分析，根据其常见失效形式、影响因素及基本设计要求，给出了重要结构件的受力分析、强度和刚度的设计方法。最后，本文对液压支架的使用、维护与发展趋势做了简单的叙述。关键词：掩护式液压支架； 结构设计； 强度分析 AbstractModern longwall mining employs hydraulic powered supports at the face area. The support not only holds up the roof , pushes the face chain conveyor , and advances itself , but also provides a safe environment for all associated mining activities . Its successful selection and application are the prerequisite for successful longwall mining .Therefore the coal mining of comprehensive mechanization is the way that must be taken to increase significantly coal output and enhance the economic efficiency. In order to meet the needs which grows day by day to the coal, we must largely produce comprehensive mechanization mining coal equipment, rapidly increase the comprehensive mechanization mining coal working surface.The followings are introduced in this paper: the develop history and latest dynamic state of the support equipments at domestic and international; the develop history and develop direction of the hydraulic support; components, functions, and types of the hydraulic support; the hydraulic control system of the hydraulic support; the normal design process of the hydraulic support; the hydraulic supports operation, maintenance, fault analysis and processing and so on. In the design process of root support shield, this paper will focus on the analysis and design of canopy, caving shield, base and hydraulic legs, as well as the connection method of leg with base and canopy. The important structure, such as canopy, base, hydraulic legs and so on, are analyzed. According to its failures, affecting factors and basic considerations, the design method of the strength and stiffness of the important structure is introduced. Finally, this paper describes using, maintenance, development tendency of hydraulic support.Keywords： hydraulic support; structure design; strength analysis目录1.概 述11.1支护设备的发展历史11.1.1 液压支架的发展历史11.2我国液压支架的发展21.3 液压支架的用途、分类和结构31.3.1 液压支架的用途31.3.2 液压支架工作状态及布置31.3.3 液压支架的分类41.3.4 液压支架结构型式及特点61.4 液压支架的工作原理71.4.1 支架升降和推移81.4.2 支架的承载过程91.5 液压支架的组成91.5.1 支架的组成101.5.2 液压支架的支护方式101.6 采煤工作面液压支架设计要求111.7 液压支架选型111.7.1 对液压支架的基本要求111.7.2 设计液压支架必需的基本参数121.7.3液压支架型号的确定13 液压支架整体结构尺寸设计152.1支架高度和支架间距的确定15 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比15 2.1.2 支架间距和宽度的确定162.2 底座长度的确定172.3 顶梁长度的确定172.3.1 支架工作方式对支架顶梁长度的影响172.3.2 顶梁长度计算182.4 四连杆机构的确定192.4.1 四连杆机构的作用192.4.2 四连杆机构设计的要求202.4.3 四连杆机构的设计21 液压支架部件设计263.1 顶梁263.1.1 顶梁的主要作用263.1.2 结构型式273.1.3 顶梁结构和断面形状283.2 顶梁侧护板303.2.1 侧护板的主要作用303.2.2 侧护板的种类与选择303.3 底座31 3.3.1 底座的主要作用31 3.3.2 底座的结构型式、特点与选择313.4推移装置323.5立柱的设计353.5.1 立柱的类型353.5.2 立柱的结构363.5.3 立柱的设计及强度校核383.5.4 活塞杆及强度校核413.6 拟订液压系统453.7 液压支架的主要技术参数47液压支架的受力分析504.1 支架的受力分析与计算524.1.1支架整体受力分析524.1.2 顶梁受力分析与计算534.1.3 底座受力分析与计算564.2 顶梁和底座的载荷分布584.2.1 顶梁的载荷分布584.3 支护效率625液压支架的强度计算645.1 强度计算条件645.2.1 顶梁的强度校核655.2.2 底座的强度校核68附录 液压系统常见故障、原因及排除方法72致 谢78参考文献79 4 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 1概 述采煤综合机械化，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。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约为综采设备总重量的80%-90%，其费用约占综采设备总费用的60%-70%。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。1.1支护设备的发展历史煤矿支护设备是保证回采工作面正常生产和安全生产的重要设备之一，也是煤矿工作面使用规模最大、耗费资金最多的煤机产品。目前世界各国使用的煤矿支护设备主要是回采工作面单体支柱和回采工作面液压支架。1.1.1 液压支架的发展历史 液压支架的发展从20世纪50年代开始。 1954年，英国研制出剁式支架。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架。 五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并与1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。比起剁式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。 60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。1.2我国液压支架的发展 1959年10月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。1961年设计了“本溪-型”支架，并制造出样机进行井下试验。1965年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1973年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。从70年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出30余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.3 液压支架的用途、分类和结构 1.3.1 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作业正常进行，必须对顶板支护。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，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。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。 1.3.2 液压支架工作状态及布置图1-1所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。A-A截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（B-B截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（C-C截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（D-D截面），以便完成下一个动作过程。随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。 图1-1 液压支架在工作面布置示意图1采煤机 2液压支架 3传送带输送机 4转载机 5刮板输送机 6主进液管7主回液管 8乳化液泵 9乳化液箱 10端头支架 11单体液压支柱 1.3.3 液压支架的分类 液压支架分类方式很多，主要按照支架使用条件和结构特点来分类。1） 按使用条件分类 表1-1详细表示了支架按使用条件分类情况。表1-1 按使用条件分类表分类标准具体分为使用高度厚煤层一次采全高支架（3.5m）中厚煤层支架（1.3mh3.5m）薄煤层支架（1.3m）使用倾角缓倾斜工作面支架（25）倾斜工作面支架（2545）倾斜工作面支架（45）采煤工艺放顶煤支架机械铺（连）网支架充填支架使用地点排头支架端头支架工作面支架顺槽超前支架 2）按主要结构特点（表1-2）表1-2 按主要结构特点分类分类标准具体分为分类标准具体分为调高机构四连杆式控制方式本架控制单铰点式邻架控制摆杆式成组控制和顺槽控制配套方式插腿式组合方式单架式不插腿式组合式 1.3.4 液压支架结构型式及特点根据用途和在采煤工作面的安装位置，液压支架分为两大类，即端头支架和中间支架。端头支架安装在采煤工作面两端与顺槽连接处。一般来说，它的顶梁较长，支护空间较大，具有较大的支撑力，并兼有支撑和锚固作用，其整体性和结构强度均较高。中间支架安装在除端头支架以外的采煤工作面的全部作业位置。其作业是确保采煤工作面人员与设备的安全，并实现顶板管理与支护以及采煤作业过程机械化。液压支架的分类主要是对中间支架进行分类。中间支架按其结构及与围岩相互作用方式可分为:支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类，如图1-2。后两类又统称为掩护型液压支架。1）支撑式液压支架 支撑式液压支架是利用立柱与顶梁直接支撑和控制采煤工作面顶板的，没有掩护梁。其顶梁较长，立柱较多，一般呈垂直布置，联结着顶梁和底座，无法承受水平作用力，这是此种支架的最大弱点；靠立柱支撑顶梁来维持一定的工作空间；顶板岩石则在顶梁后部垮落。这类支架的特点是：具有较大的工作阻力和良好的切顶性能，通风面积大；采区防矸不严密；由于顶梁较长，对顶板重复支撑次数多；适用于老顶来压强烈的或直接顶稳定和坚硬的顶板。2）掩护式液压 掩护式液压支架是利用立柱、顶梁、及掩护梁来支撑顶板和防止顶板岩石涌入工作面。其顶梁较短，立柱较少，一般呈倾斜布置，联结着顶梁和底座或掩护梁和底座；掩护梁直接与冒落的矸石接触，靠其掩护作用来维持一定工作空间；顶板岩石则在掩护梁后部垮落。掩护式液压支架的特点是：调高范围大，适应煤层厚度变化的能力强，由于掩护式液压支架的这些优点，目前它已经成为世界各主要产煤大国研制和使用的重点架型。3）支撑掩护式液压支架 它利用支撑和掩护的双重作用来维持一定的工作空间。这类支架的特点式：立柱较多，垂直支撑或立柱倾角较小，工作阻力大，切顶性能较好；采用掩护梁，架间密封，挡矸掩护性能好；采用四连杆机构，能承受侧向力；适用范围较宽。 图1-2 液压支架结构型式a) 支撑式 b) 掩护式 c) 支撑掩护式1前探梁 2顶梁及其侧护板 3掩护梁及其侧护板 4前连杆 5后连杆 6底座7立柱 8推移千斤顶 9平衡千斤顶 10操纵阀与控制阀 11护帮机构 12护帮千斤顶 13前梁千斤顶 14挡矸帘1.4 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，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 1.4.1 支架升降和推移当操纵阀8处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀8处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。支架的前移和推移输送机是通过操纵阀7和推移千斤顶4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶4的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。 1.4.2 支架的承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。1）初撑阶段在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。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。2）承载增阻阶段支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。3）恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高。当升高到安全阀5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。1.5 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。 1.5.1 支架的组成液压支架按其结构特点和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4个部分：1）承载结构件，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。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、防倒防滑装置、连接件、喷雾装置等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。 1.5.2 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。1）即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜。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。2）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。3）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。1.6 采煤工作面液压支架设计要求为了满足长臂工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求：1）能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2）保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3）应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4）能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。5）最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。1.7 液压支架选型 1.7.1 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。推溜力一般为左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为,中厚煤层一般为,厚煤层一般为。 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，能够承受一定得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，结构要简单。 12）液压元件要可靠。 1.7.2 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I级 直接顶2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：要求工作阻力350t；最小采高2.5m； 最大采高4.7m 3）瓦斯等级 根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。给定条件：瓦斯等级2级 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，决定是否选用防倒防滑装给定条件：煤层倾角 1.7.3液压支架型号的确定 按表1-1根据基本顶级级别和直接顶类别来确定支架架型， 表1-1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液压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由给定的顶板条件参照表3-5可选取液压支架的选型为掩护式液压支架。 液压支架整体结构尺寸设计2.1支架高度和支架间距的确定 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比 一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。 由于我国急斜煤层煤层厚度都比较大，煤层厚度在2080m之间，所以按厚煤层高度的确定原则来确定该放顶煤液压支架的高度。 （200300） （2-1） （300400） （2-2）式中： 支架最大高度（mm）； 支架最小高度（mm）； 最大采高（mm）； 最小采高（mm）。本设计最大采高4500mm,取支架最大高度 45002004700mm本设计最小采高2800mm,取支架最小高度 28003002500mm支架最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。支架的伸缩比指其最大高度与最小高度之比值。即： (2-3)代入有关数据，得 m=1.88 2.1.2 支架间距和宽度的确定 所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算： （2-4） 式中： 支架间距（支架中心距）； 每架支架顶梁总长度； 相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙； n每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架n =1；整体迈步式支架n =2；节式迈步支架，n =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，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m,轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。本次设计取支架的中心距为1.5m。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170mm200mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1400mm,最大宽度为1570mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。2.2 底座长度的确定底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：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（一个移架步距为0.6m），即2.1m左右，支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。在这里取底座长度为2.5m。2.3 顶梁长度的确定 根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。 2.3.1 支架工作方式对支架顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（又称滞后支护方式）要求顶梁长度较小。这是因为采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护，因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600 mm 。这里，采用滞后支护方式。 2.3.2 顶梁长度计算 掩护式支架顶梁长度计算：顶梁长度=配套尺寸+底座长度+ -+300+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm） (2-5)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；、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。经计算的支架顶梁长度为3000mm.2.4 四连杆机构的确定 2.4.1 四连杆机构的作用 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。 2.4.2 四连杆机构设计的要求 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应小于或等于70mm，最好为30mm以下。 2）支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与底平面的夹角，如图2-1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，5262，7585；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=0.3，则=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使25为宜。而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2530，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2-1中可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为。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。 4）应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2-1所示的段。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2-2。 2.4.3 四连杆机构的设计 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，采用了几何作图法的方式来求解。 1）确定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。一般按同类型支架用类比法来确定。取掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为200mm，取后连杆下铰点至底座底面之距为240mm。 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2-3所示图2-1 四连杆机构几何特征图图2-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构图2-3 掩护梁和后连杆计算图其中：一掩护梁长度，后连杆长度，点引垂线到后连杆下铰点之距，一支架最高位置时的计算高度，一支架最低位置时的计算高度。从几何关系可以列出如下两式: (2-6) (2-7)(2-6)式和(2-7)式联立可得： （2-8）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秆下铰点至底座底面之距。按四连杆机构的几何特征要求，选定Pl、P2、Ql、Q2代入(2-8)式，可以求得A/G的比值。由于支架型式不同，一般A/G的比值按以下范围来取。 掩护式支架：A/G0.45-0.61 支撑掩护式支架：A/G0.61-0.82支架最高位置时的计算高度为： （2-9）根据A/G的比值和(2-9)式可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A，经过取整后,重新算出P1、P2、Q1、Q2的角度，这几个参数就确定了。 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2-4所示。图2-4 四连杆机构的几何作图法作图步骤如下， (1)确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座底面略高200250mm。 (2)过O点作与底座底面平行的水平线HH线。 (3)过O点作与HH线的夹角为Q1的斜线。 (4)在此斜线上截取线段，长度等于A，a点即为后连杆与掩护梁的铰点。(5)过a点与H-H线的平行线有交角的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交此斜线一点，此点为掩护梁与顶梁的铰点。 (6) 过点作与H-H线的平行的FF线，则HH线与FF线的距商为H，为液压支架最高位置时的计算高度。 (7)以a点为圆心，以(0.22-0.3)G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)过点作FF线的垂线(认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动)。 (9)在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。(10)取线中间某一点，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点(液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状、变化宽度等)。 (11)以o点为圆心，半径作圆弧。 (12)以点为圆心，掩护梁长半径作弧，交前圆弧上一点，此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。(13)以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点，此点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。(14)连接、，并以点为圆心，为半径作弧，交上一点点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点。则b、三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。(15)连接、为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。(16)分别作和的垂直平分线，其交点c即为前连杆下铰点，为前连杆长度。(17)过c点向H-H线作垂线，交点d,线段、为液压支架四连杆机构。 液压支架部件设计液压支架各个部件的结构型式，应根据工作面的顶底板条件和支架架型进行选择。结构件的端面尺寸，应进行强度校核，满足要求才能投入生产使用。3.1 顶梁 3.1.1 顶梁的主要作用 1）用于支撑、维护和覆盖顶板，为工作面创造安全的工作空间； 2）将立柱的支撑力传递至顶板，并给予合理地分布；对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用；对无立柱空间的顶板起支撑作用；3）为护帮、防倒装置等提供依托； 4）将顶板载荷通过立柱经底座传到底板。图3-1 顶梁的结构型式1前梁；2后梁；3尾梁；4前梁千斤顶；5前梁伸缩千斤顶3.1.2 结构型式 H 型组合支架的顶梁在设计过程中，参考了支撑式支架顶梁的结构型式。其结构型式如图3-1所示。图3-1 a为整体刚性顶梁，顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好。但对顶板的适应性差。图3-1 b为铰接式顶梁，由前梁和后梁铰接而成，分别由前、后排立柱支撑。其中图3-1 b为全铰接式，它能适应顶梁上方前、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。半铰接式顶梁如图3-1 c所示，它克服了全铰接式的缺点，当顶梁中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于交接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。 图3-1 d为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接。在铰接前梁2安装有前梁千斤顶4，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，还可以增加尾梁3，如图3-1 e所示。图3-1 f为带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶5使前梁1伸缩。由于前梁可以及时伸出支护刚暴露的顶板，从而允许固定顶梁减少长度。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。为了使支架结构简单，而且具有更好的支护能力。本支架采用图3-1 f所示的结构。 3.1.3 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形，以减少移架阻力。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂矸帘之用。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，掩护式支架和支撑掩护式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形式：）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3-2所示。一种为立筋凸出型，如图3-2 a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，但焊接强度如前一种，如图3-2 b 。）开式顶梁开式顶梁结构如图3-3所示。图3-2 顶梁闭式立筋型式图3-3 顶梁开式立筋型式 开式顶梁的特点，可减轻顶梁重量，增强顶梁的抗弯强度。对于掩护式和支撑掩护式支架，为便于侧护板能自由伸缩，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3-4中a，同时也增强了顶梁的结构强度。图3-4 顶梁断面本设计中的支架顶梁的型式如图3-5所示。图3-5 支架的顶梁1护帮；2铰接轴；3伸缩梁千斤顶； 4顶梁3.2 顶梁侧护板支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。 3.2.1 侧护板的主要作用1）挡矸。可改善顶梁与掩护梁的护顶、防矸性能，隔离控顶区与采空区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘；2）导向。在支架移架时起导向作用；3）防倒、调架。活动侧护板增强了支架侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用。 3.2.2 侧护板的种类与选择 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。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。另一种是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。我们所设计的液压支架采用的是第一种形式的侧护板。3.3 底座 3.3.1 底座的主要作用 1）承受由立柱与连杆等传递的顶板载荷，并传递给底版； 2）是整个支架结构稳定性、整体性的基础； 3）为支架辅助件，例如推移装置、防倒防滑、操纵阀架等提供依托与根基； 4）有一定的挡矸与排矸能力； 5）便于人员操作与行走； 6）与工作面输送机等组成交替前移的支撑点，防止支架与输送机下滑。 3.3.2 底座的结构型式、特点与选择 支架底座结构型式通常有三种类型，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。此处选择底分式刚性底座，如图3-6所示。底分式刚性底座能在一定范围内适应底板不平度的变化，通常把底座制成左右对分式，用过桥连接。图3-8 底分式刚性底座1过桥；2柱窝；3前连杆位置；4后连杆位置 3.4推移装置 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3-1所示型 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，但一般不影响使用表3-1 推移装置千斤顶的型式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3-2。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布置一个表3-2 推移装置的功能与主要连接型式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。短推移杆式推移装置一般采用浮动活塞式千斤顶或采用双作用千斤顶差动连接。这种推移装置结构比较简单、紧凑。液压支架所采用的推移装置为：浮动活塞式千斤顶加短推杆；连接方式为：直接连接。这里采用的短推移杆，如图3-7所示，结构简单可靠，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2-53倍。支架移架速度应与采煤机截割牵引速度相适应。图3-9 短推移杆1连接头；2短推杆；3推移千斤顶3.5立柱的设计本支架主要对立柱的设计进行详细的说明，其余的千斤顶如推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶等都采用相关手册上的标准型号和尺寸，故不再详细叙述。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。3.5.1 立柱的类型立柱的种类很多，按不同的分类方法有不同的类型。详细分类见表3-3。 表3-3 立柱的分类分类方法类型按动作方式分单作用和双作用按结构种类分活塞式和活柱式按伸缩方式分单伸缩和双伸缩 3.5.2 立柱的结构 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。图3-10 双伸缩活塞式立柱结构1底座；2进出油口；3缸体；4二级缸；5活柱； 6密封件；7活塞3.5.3 立柱的设计及强度校核 ）确定立柱的技术参数立柱的缸体内径按下式进行计算： （3-1）圆整为：式中 立柱缸体内径，cm 立柱理论支护阻力，kN 安全阀调定压力， ）立柱初撑力与泵站的额定工作压力立柱初撑力按下式进行计算： （3-2）式中 泵站的额定工作压力 减去从泵站到支架沿程压力损失后的值，（泵站额定工作压力即泵站产品目录中给定的值。）这里取。目前国内生产的型乳化液泵站的额定工作压力为和两种，这里按照液压支柱选取作为泵站额定工作压力。 因此， ）安全阀与立柱工作阻力的确定安全阀的调整压力，按选定后的立柱缸体内径和支架承受的理论支护阻力来确定。即： （3-3）选取与值相近的安全阀，这里选40。 ）立柱缸体壁厚的确定缸体材料选用27SiMn无缝钢管，其抗拉强度，屈服强度。取抗拉强度，屈服强度，则 （3-4）式中 许用应力， 安全系数，取 =3（1）缸筒壁厚： 当时，可用下面的实用公式计算： （3-5） 式中 最大工作压力， 材料的许用应力， D缸体内径，mm 缸筒壁厚，mm 取壁厚为，则缸筒外径为。（2）缸筒壁厚应作四个方面的验算：a、额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全 （3-6） b、同时额定工作压力也应与安全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生 （3-7）式中 缸筒发生完全塑性变形的压力， （3-8）因此， c、缸筒的爆裂压力 （3-9）d、验算缸筒径向变形应处在允许的范围内 （3-10）式中 缸筒材料泊松比，钢材取缸筒材料弹性模数，钢材取变形量不应超过密封圈允许范围。为了加强两端耳部联结强度，设计中加大了千斤顶缸底耳座和活塞杆端销孔直径，以及缸底耳座和活塞杆头部销孔处的厚度及宽度，增加联结部位的强度。 3.5.4 活塞杆及强度校核 1）活塞杆采用45号钢空心杆，端部接球头端盖，活塞杆外径，其抗拉强度，屈服强度。取抗拉强度，屈服强度，活塞杆的安全系数取1.5，则空心直径为： （3-11）式中 活塞杆直径，m 缸的推力，N 材料的许用应力，则壁厚为：此处取活塞杆壁厚为。则活塞杆内部空心直径。 2）活塞杆的强度计算活塞杆在稳定工况下，如果只受轴向推力或拉力，可以近似地用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行计算： （3-12） 式中 活塞杆的作用力，N；活塞杆外径，m；活塞杆内径，m；材料的许用应力，MPa；安全系数，即可，此处取；把数据代入式（3-12）得：如果液压缸工作时，活塞杆所承受的弯曲应力矩不可忽略时（如偏心载荷等），则可以按下式计算活塞杆的应力： （3-13） 式中 活塞杆断面积，；活塞杆断面模数，；活塞所承受的弯曲力矩，如果活塞杆仅受轴向偏心载荷时，则，式中为作用线至活塞杆轴心线最大挠度处的垂直距离mm。这里求得：则代入式（3-13）得： 3）活塞杆弯曲稳定性验算当液压缸支撑长度时，需验算活塞杆弯曲稳定性。若受力完全在轴线上，主要按下式验证： （3-14） （3-15）式中 活塞杆弯曲失稳临界压缩力，；安全系数，活塞杆即可，此处取；液压缸安装及导向系数，两端铰接；实际弹性模数；材料组织缺陷系数，钢材一般取；活塞杆截面不均匀系数，一般取；材料的弹性模数，钢材取；活塞杆横截面惯性矩，； 活塞杆截面面积，；受力偏心量，；活塞杆材料屈服极限，。式中圆环截面：又代入式（3-15）得：则由式（3-14）得： （2）若受力偏心时，当推力与支承的反作用力不完全处在轴线上，可用下式验证： （3-16）式中 ，一端固定，一端球铰接 （3-17） 把以上值代入上式（3-17）可求得则由式（3-16）和式（3-14）求得： 活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。3.6 拟订液压系统支架的液压系统一般分为手动控制和自动控制两类。手动控制系统要求操作者沿工作面跟随采煤机依次操作支架。目前国产支架绝大部分都是这种控制系统。这种支架可以本架操作，也可以邻架操作。本架操作比较简单，管路较少，但不利于操作者观察顶板和支架的动作情况。邻架操作便于操作者观察顶板和支架的动作情况，可提高移架速度和安全性。本支架操作方式采用本架操作控制，使用快速接头拆装方便，性能可靠。液压支架的液压系统的基本原理如图3-11所示，从泵站来的高压液体，经过工作面上的主供液管送往各支架。各支架再经操纵阀把液体送往支架的各立柱和千斤顶，以控制支架的升降推移等动作。回液时，各立柱和千斤顶低压腔的液体通过操纵阀和工作面总回液管返回泵站。图3-11 液压系统的基本原理图1 立柱；2推移千斤顶；3护帮千斤顶；4伸缩梁千斤顶；5平衡千斤顶；6侧护千斤顶；7抬底千斤顶；8操纵阀；9安全阀；10单向阀该支架液压系统所使用的乳化液，是由乳化油和水配制而成的，乳化油的配比浓度为5，使用乳化液应注意以下几点：1）定期检查浓度。浓度过高增加成本，浓度太低，可能造成液压元件锈蚀，影响液压元件的密封和使用寿命2）防止污染。定期清理乳化液箱和支架过滤器3）防冻。乳化液的凝固点为零下三度左右，与水一样也具有冻结膨胀性，乳化液受冻后，不但体积膨胀，稳定性也受影响，乳化液地面配制和冬季运输时要注意防冻。3.7 液压支架的主要技术参数液压支架主要技术参数如表3-4：表3-4 液压支架主要技术参数表设备（部件）名称项目单位技术参数支架整体性能支架高度m2-54.7支架宽度m1.41.6支架中心距m1.5支护强度KN/680对底板比压MPa1.8初撑力KN2604工作阻力3430操作方法本架操作泵站压力MPa34立柱型式双伸缩根数根2缸径mm230/180柱径mm 210/160初撑力KN1302工作阻力（P=40MP）KN1715行程mm2175推移千斤顶型式浮动活塞式根数根1缸径mm140柱径mm70推力/拉力KN1200/361行程mm700侧推千斤顶型式双作用单伸缩根数根4缸径mm63杆径mm40推力/拉力KN98/58行程mm170平衡千斤顶型式双作用单伸缩根数根2缸径mm140杆径mm85推力/拉力KN483/367行程mm350前梁千斤顶型式双作用单伸缩根数根1缸径mm160杆径mm130初撑力KN175工作阻力（P=40MP）214行程mm210伸缩梁千斤顶型式双作用单伸缩根数根2缸径mm80杆径mm45初撑力KN107 工作阻力（P=40MP）158行程mm600配套设备采煤机MXA-300/4.5型刮板输送机SGB730/320液压支架的受力分析 在过去的半个多世纪钟，煤矿井下开采支护设备的设计和使用发生了巨大的变化。其中，最引人注目的是世界范围内广泛采用液压支架作为长壁开采支护的主设备。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的一次重要的变革，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，其重量的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，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。在研究的过程中，支架的良好的受力状况是每位设计人员必须考虑的。位于直接上方的老顶通常不与直接顶一起冒落。当直接顶在支架顶梁之后冒落时，老顶呈悬臂状态。由老顶形成的悬臂梁的一端支撑在直接顶跨落后的碎矸上，另一端则支撑在支架和煤壁上方的直接顶上，并形成载荷Q2。随着煤壁的推进，老顶悬露长度变短，Q2在增加。当老顶悬露部分达到一定长度，起自重使其断裂，于是老顶悬露长度变短，Q2立刻降到最小值，在采煤工作面连续开采过程中，工作面不断前移，Q2由小到大，再由大到小，这样周而复始的变化。Q2每次递增直至老顶断裂，称为老顶周期来压。液压支架的结构和支架液压系统必须保证液压支架具有完全适应顶板变化的性能。采煤机采过一个截深之后，支架前移一个步距，支护新暴露出来的顶板。此时，顶板尚无下沉现象，支架以“初撑力”支撑顶板。此后，顶板开始破碎和下沉或断裂，支架承载加大，直至立柱下腔压力达到安全阀调整定值，安全阀释放，立柱下缩。称此现象为液压支架的“让压”现象。这时立柱以“工作阻力”支护顶板。随着顶板压力不断加大，立柱就要不断“让压”下缩。为避免立柱完全缩回，支架出现“压死”现象，采煤工作面的生产循环应保证在“压死”前就前移。由上述液压支架的工作状态可知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直与顶梁的力，还受有平行于顶梁的摩擦力。设垂直于顶梁的力为F1，F1由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板的反作用力。为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，先概述如下：1）把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷。2）金属结构件按直接梁理论计算。3）顶梁、底座与顶底板被视为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线形规律分布，沿宽度方向为均布。4）通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低。所以，在进行强度计算时不计。5）立柱和短柱按最大工作阻力计算。6）产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，一是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的摩擦系数W一般取0.150.3。7）按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。8）各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按原煤炭部MT8684液压支架型式试验技术规范的各种加载方式、，以支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10%的超载试验，将由安全系数来保证强度。4.1 支架的受力分析与计算 4.1.1支架整体受力分析 当支架撑牢在顶底板之间时，取其整体或某一部分为分离体，皆处于平衡状态。图4-1 支架整体受力图4-1中Pt和P8为已知，需求、及作用点位置。 4.1.2 顶梁受力分析与计算 首先取顶梁为分离体，如图4-2所示。各力对a点取矩，可写出F1作用点的位置x的表达式： （4-1）图4-2 顶梁分离体受力式中 P8平衡千斤顶的推、拉力（推力时，受力方向向上；拉力时相反）。再取顶梁和掩护梁为分离体，如图4-3所示对0点取短，可求得的表达式，将此式与（4-10）式联立，解出如下： （4-2）再把（4-2）代入（4-1）式，x可解出。全部按支架在最高工作位置来取数据，则， ， 60，并代入式（4-2）得当为“387kN”（平衡千斤顶为拉力）且0.3时图 4-3 顶梁和掩护梁分离体/() =3738（kN）然后求x得值。将数据kN，0.9m，0.3m，代入式（4-1）得=(367)sin600.25+(367)cos60(0.5-0.25)+3430cos100.9+3430sin10(0.3-0.25)+37380.30.25/3738 =0.84（m）当为“+483kN”（平衡千斤顶为推力）且时/() =2948（kN）=483sin600.25+483cos60(0.5-0.25)+3430cos100.9+3430sin10(0.3-0.25)+29480.30.25/2948 =1128（m） 从以上计算可知：当为“+”（平衡千斤顶为推力）且时，力有最小值。当为“”（平衡千斤顶为拉力）且0.3时，力有最大值。所以，在验算顶梁强度时，按平衡千斤顶受拉且0.3时进行计算。若这个条件强度计算能满足，其他条件都能满足。由图42写出x方向和y方向的力系平衡方程，再由此解出顶梁与掩护梁铰点的内力xa和ya： （4-3） （4-4）已知, , ,=60,代入式（412）和（413）得=837（kN）；848（kN）从式（43）和（44）可以看出，当取“+”值，即平衡千斤顶为推力时，、有最大值，掩护梁受力最大，同时前、后连杆受力也最大。所以，在验算掩护梁和前、后连杆强度时，应按此种情况进行。图 44 掩护梁分离体受力再取掩护梁为分离体，如图4-4所示。写出力系的方向和方向平衡方程，解出、为： （4-5） （4-6） 4.1.3 底座受力分析与计算 底板对底座的支反力与大小相等。作用点的位置可以由整体支架为分离体（如图4-5）求出。对点取矩，整理后有 （4-7）取367kN,时最大。 图4-5整体支架分离体受力（mm）已知，代入式（4-5）和（4-6）得 （kN）（kN）由式（4-2）可知：当平衡千斤顶为拉力时，即为“”且时，力有最大值，也有最大值，所以在验算底板强度时，按此条件进行。4.2 顶梁和底座的载荷分布 4.2.1 顶梁的载荷分布在把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。由于顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分布。设顶梁长为，顶板的集中载荷为，其作用点距顶梁一端为。则当时，载荷分布为三角形。如图46所示。图46顶梁三角形载荷分布顶梁前端比压为0，顶梁后端比压为： （4-8）当时，载荷分布呈梯形分布，如图47所示。顶梁前端比压为： （4-9）顶梁后端比压为: （4-10）式中 ： 图47顶梁梯形载荷分布由前面计算可知，属于第一种情况。代入数据计算，得： 4.2.2 支护强度计算 支架的结构设计结束，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。于是可求出支架实际支护强度如下式： （4-11）掩护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。 4.2.3 底座接触比压计算 顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。验算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。本支架使用带有过桥的分式刚性底座。该底座的特点有：底座分左右对称的两部分，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，在底板比压小的条件下，广为采用。底板与底座的接触面积： （4-12）式中 底座的长度，m 底座的宽度，m底座对底板的平均比压： （ 4-13）代入数据求得：由于底板凹凸不平或底座下垫有碎矸，底座对底板的比压很不均匀。为简化计算而又不失其有效性，假设底座对底板均匀接触且载荷为线性分布。由图4-5可知，底座上载荷均匀分布（如图4-8）。求出底座的最大比压之后，要与底板允许比压进行比较。底座对底板的最大比压应小于底板的允许比压。否则应重新设计底座甚至整个支架。因此，底板的比压为0.832MPa。图4-8 底座载荷分布查综采技术手册中的综合地质条件，可知液压支架的底座尖端对底板岩层的比压（0.843MPa），小于工作面底板的允许比压（底板类别I，允许比压1.4注：（1）顶梁、底座安全系数为1.1，主要考虑加载时加载工作阻力1.1倍，掩护梁、连杆、销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，如用抗扭计算、有限元计算等，安全系数可以减小，这个问题有待研究解决）。 5.2.1 顶梁的强度校核 在顶梁进行校核时，假设前梁失去作用，全部作用力都作用在顶梁上，即。图5-1表达了顶梁的结构简图、受力图、剪力图和弯矩图。 图5-1 顶梁的结构受力分析图由图5-1分析可知，顶梁中间立柱处弯矩最大，应当进行强度校核。其截面图如图5-2所示。图5-2 主顶梁中间立柱处截面图1）形心位置：各板件的计算数据如表5-2所示：表5-2 顶梁截面各板件的计算数据表零件号12345数量11521总面积140264160192100形心位置13121021总惯性矩57166.738332853.3392161666.7结构件的形心位置为： （5-2）2）惯性矩： （5-3）3）弯曲应力： （5-4）4） 安全系数： （5-5）所以顶梁弯曲强度校核满足设计要求。 5.2.2 底座的强度校核 底座的强度计算方法与顶梁一样，按最不利的工况校核其强度，一般按底座中点或两端接触底板，计算支架处于最高工作位置，立柱达到工作阻力时，危险截面和柱窝处的弯曲强度、剪切强度和重要焊缝的强度。 1）底座受力底座的结构中，中间立柱处弯矩最大，应当对其进行强度校核。其截面图如图5-3所示。图5-3 底座中间立柱截面图 2）底座强度校核 （1）形心位置：各板件的计算数据如表5-4所示：表5-4 底座截面各板件的计算数据表零件号1234数量114001400442总面积280160300228形心位置11217.53.5总惯性矩457333.353.366.727436结构件的形心位置为： （5-6）（2）惯性矩： （5-7）（3）弯曲应力： （5-8）（4） 安全系数： （5-9）所以底座弯曲强度校核满足设计要求。5.2.3 顶梁上平衡千斤顶耳板与销轴强度校核 1）耳板强度校核耳板结构如图53所示。 图 53 耳板结构简图 耳板受挤时，有 (510)式中 耳板数量；偏载系数，取1.2；耳板厚度；销孔直径。已知（平衡千斤顶推力），代入式(52、15)得耳板选取材料为15Mn，厚度为100mm，。挤压安全系数查表可知，耳板许用安全系数，比较知，耳板设计合适。2）销轴强度校核设销轴的截面积为，抗弯模数为，销轴所受弯矩为，所受剪力为，则销轴弯曲应力和剪应力分别为： (kN) (mm2) (mm3)弯曲应力 剪应力 (MPa)其合力为： (MPa)安全系数为： 查得：为1.3可知，符合强度条件。销轴强度合格。附录 液压系统常见故障、原因及排除方法部位故 障 现 象可 能 原 因排 除 方 法乳化液泵站1、泵不能运行1、电气系统故障1、检查维修电源、电机、开关、保险等2、乳化液箱中乳化液流量不足2、及时补充乳化液，处理漏液2、泵不输液、无流量1、泵内有空气、没放掉1、使泵通气、经通气孔注满乳化液2、吸液阀损坏或堵塞2、更换吸液阀或清洗吸液管 3、柱塞密封漏液3、拧紧密封4、吸入空气4、更换距离套5、配液口漏液5、拧紧螺丝或换密封3、达不到所需工作压力1、活塞填料损坏1、更换活塞填料2、接头或管路漏液2、拧紧接头，更换管子3、安全阀调值低3、重调安全阀4、液压系统有噪音1、泵吸入空气1、密封吸液管、配液器、接口
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