毕业设计（论文）-液压支架四连杆的设计和液压支架的使用维护.doc

中国矿业大学成人教育学院2010届毕业设计（论文）绪论（概述）液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备。它与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体，实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使长壁采煤技术进入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断的将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右，因此液压支架成了现代采煤技术中的关键设备之一。1）液压支架使用现状液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了支架发展到现在，已经基本成熟。他已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。从液压支架的形式来看，有支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。从支架的质量来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架，从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层支架和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架又分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架。从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。所以从支架的现状来看，液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。2）液压支架的应用与研究现状液压支架是综合机械化工作面的主体设备，它能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，保持安全的地下作业空间，并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。液压支架与采煤机、可弯曲输送机和顺槽转载机配合，构成了回采工作面的综合机械化设备，从而为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。因此，采用液压支架支护顶板是当代采煤技术的一次重要变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。3）国外液压支架现状支护和控制顶板，保持工作面的安全生产空间，是煤矿地下开采中的首要任务。在二十世纪五十年代前，国内外煤矿生产中，基本上均采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架，将液压技术应用到支护设备上，从而开辟了回采工作面支护设备的技术革命。从二十世纪六十年代起，国外各主要产煤国家，如前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制了各种型式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用，从根本上改变和提高了地下开采的作业条件和安全性。据统计，目前这些主要产煤国家的地下开采综合机械化程度己达到90%左右，取得了良好的经济和社会效益。八十年代以来， 世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力， 他们积极开发和应用新技术， 致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制。目前，以液压支架为主体的地下开采设备，己逐步向程控、遥控和自动化方向发展。这种新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器， 采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过400mm。为减少割煤时间，一般采用0. 81m 的截深。支架还采用屈服强度8001000MPa 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性， 又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加， 为适应快速移架的需要， 国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站， 其额定压力为4050MPa ， 额定流量400500L / min ，可实现工作面成组或成排快速移架，达到68s/ 架。美国是世界上最先进的采煤国家， 早在1990年就已采用额定压力50MPa 、额定流量478L / min的乳化液泵站， 以实现支架快速推进， 移架速度达68s/ 架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架， 使用寿命8 10 年， 可用率高达95 %98 % 。支架平均工作阻力6470kN ( 最大为9800kN) ， 支架宽度普遍增大， 中心距达到1.75m ，并向2m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20 英里矿在2505280m 长壁综采面用工作阻力为28565kN 电液控制两柱掩护式支架，1997 年6 月产商品煤90. 43 万t ， 成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面； 1995 年9 月， 阿科煤炭公司的西糜鹿矿用工作阻力为8900kN 电流控制的两柱掩护式支架，月产煤达到60. 11 万t 。美国综采工作面最高日产超7 万t ，最高工效1336t / 工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产， 使用两柱掩护式支架， 支架的平均工作阻力为7640kN 。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在1995 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3.41 万t 的最高记录， 班产一直保持在50006000t 。英国也在大力发展两柱掩护式支架， 工作阻力有了很大提高，达到60008000kN 。4）国内液压支架现状我国是煤炭生产大国，在二十世纪六十年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。七十年代我国从英、德、波兰和前苏联等国引进了数十套液压支架，经过试用、仿制和总结经验，到八十年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多种不同规格的液压支架，并在国内大、中型煤矿中推广应用，大大提高了我国煤矿开采的机械化水平。我国在1964 年由太原分院和郑州煤机厂设计70 型迈步式自移支架， 从此开始了液压支架的国产化道路。1984 年，北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，继而研制了多种低位、中位和高位放顶煤支架， 成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。1990 年后， 国产液压支架得到了全面的发展，到1998 年止，全国已建成88 处高产高效矿井，其中14 处矿单个工作面的单产达15.72 万t / 月， 原煤生产人员效率达9.16t / 工， 综采机械化水平达49.32 % ，达到了世界先进水平。据统计：1995年，我国统配煤矿的综合机械化程度已达50%左右，液压支架在籍套为509套：2000年统配煤矿机械化程度己达65%。液压支架在籍套数达700多套。目前，国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。液压支架己成为保证安全、高效生产的一种重要设备。在综采比例方面也低与世界产煤大国地位极不相称世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井工生产的比例。波兰是92.5 % ，俄罗斯是85.7 % ，乌克兰是76.4 % ， 而美国、德国、英国、日本都是99 %以上。我国1998 年统计，国有重点煤矿回采产量3.67 亿t ，只有1.87 亿t 是综采生产，占49.32 %。而国有地方煤矿的综采比例远低于此数；乡镇地方煤矿则基本是空白。据初步估计，按全国井工生产的煤炭来算，综采比例只有23 %左右。我们液压支架制造技术水平比较落后，在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。支架液压系统的阀类，用的是乳化油，防锈蚀要求很高，国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯；我国是45 号钢加表面防腐处理。密封件的寿命国外大于5a ，我国是2a 左右。我国液压支架耐久性试验要求是大于7 000 次，印度要求是大于35 000 次，美国是大于45 000 次。这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，在国内高产工作面及在国际上是没有竞争力的。综采工程技术人员普遍认为目前我国支架的工艺技术水平尚未达到1979 年引进的100套支架的技术水平，可想落后远不止20 a 。国内产煤大矿务局高产工作面使用进口设备这一问题发人深省。我们液压支架控制系统的研究也落后，目前，我国国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式，虽然具有控制系统简单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性较强的优点，但它存在严重缺点： (1) 工人劳动条件差，安全性差；(2)移架速度慢，影响采煤机效率的发挥； (3) 通风条件差，支架故障率高； (4) 支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验多少和技能高低有密切关系。5）液压支架的研究与发展趋势21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期，也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需要，就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控制系统。液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上已经有70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口，我们要自己研制，否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。我国液压支架经过20 多年的发展， 尽管取得了显著成绩， 在双高矿井建设中出现过日产万吨、甚至班产超万吨的记录， 但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。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，所用钢材一般为16Mn ，最好的屈服极限才700MPa ， 液压系统压力在35MPa 以下，流量在200L / min 以内，供液管2532mm ，回液管2550mm ， 最快移架速度1012s/ 架(井下实际应用有时在20s 以上) ， 工作阻力更是相对较低。今后10 年， 我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68s/ 架) 和电液控制阀的方向发展， 对有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， 以适应快速移架的需要； 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，保证支架接顶位置准确。ZY 两柱掩护式支架的比重将大大增加， 缸径将增至360mm ， 端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。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，还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下方面：(1) 设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。(2) 完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限元模型，开发出SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性，广泛应用于液压支架设计研究，达到国际先进水平， 为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。(3) 技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。(4) 计算机辅助设计(CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库，并正在逐步实现支架设计CAD化。(5) 液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的20 30s/架，提高到912s/8架。(6) 新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。新型高可靠性支架，反向四连杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。基于以上进展，液压支架的研究与发展方向是：(1) 在己有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计方法和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。(2) 研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。(3) 研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。(4) 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。液压支架的发展趋势目前有以下几种：a) 前连杆的油缸的液压支架 在掩护式和支撑掩护式液压支架中的四连杆机构，克服了顶板作用在支架上的水平力，但当水平力过大时，不能让压，为了安全起见，掩护梁和前后连杆的强度计算中安全系数比其他构件增加20%，国外的前连杆带油缸的支架中，油缸为双作用单伸缩，上下腔都带安全阀，当顶板水平力大于额定值时，油缸让压，使液压支架达到新平衡。b) 沿顶板移架的液压支架为适应破碎顶板下使用液压支架的需求，设计了一种不在底板上移架的液压支架，即利用提起底座擦顶移架的液压支架，其底座与节式液压支架类似，为底靴式，质量较轻，架与架之间用液压千斤顶连接起来。c) 适应特种条件下的液压支架特厚煤层一次采全高液压支架。目前北京煤矿机械厂生产的BC520-25/47型液压支架，支架高度为2.54.7m，将来根据需要，可设计支架高度为6m的液压支架，立柱可采用三伸缩柱的液压支架。新型放顶煤液压支架，设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。水采支架，为适应水采工作面的支护需求，设计一种水采工作面液压支架。重型支架，为适应顶板压力特大的需要，还可将工作阻力设计成较大的液压支架。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，设计一种能适应井下操作，既安全又可靠的新型端头液压支架。大倾角工作面支架，为适应煤层倾角小于等于45度的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。d) 液压支架结构设计的方向轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度条件和配套的条件下，底座及顶梁尽量短些，使液压支架轻型化。标准化。为了减轻支架质量，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变小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。材质强化。提高结构件钢材的强度，采用优质钢材，减轻液压支架的质量，设计时可先行进行技术经济比较，再选用合理的材质。高压化。各种阀类的压力等级加高，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。 1.液压支架的概述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、操纵控制系统等主要部分组成。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，这些动作时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。 图1-1 液压支架的工作原理Fig .1-1 Hydraulic pressure support principle of work1) 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，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相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，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时，先将柱卸载，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。1.4.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在分三类即：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。1.4.1 支撑式支架支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图1-2，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。因此底座坚固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，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切顶性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，底板较硬的煤层。a b图1-2 a垛式 b节式Fig.1-2 acorduroy bdivisiona1.4.2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1-3所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；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，通风阻力大，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。a b c图1-3 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Fig.1-3 asupport bleg pieceon support cleg piece on support1.4.3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。1.5液压支架设计目的、要求和设计支架必要的基本参数1.5.1设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。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底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压的要求也不用。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。经过近30 年的发展和努力, 我国液压支架的设计、制造水平在不断提高, 特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验, 架型已基本趋于成熟、完善, 在品种和质量方面与国际先进水平相比差距越来越小。但在控制元件和控制系统方面, 与先进国家的产品相比还有较大差距。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, 还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫1.5.2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，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和冲击载荷。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。1.5.3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。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，险算通风断面。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。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2液压支架基本技术参数的确定2.1原始条件 掩护式液压支架，煤层厚度为2.32.9m，老顶为2级，直接顶为1类2.2基本技术参数1）支架的高度 取；式中 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100mm； 后连杆下铰点至底座底面之距；取200mm； 煤层最大厚度（最大采高）； 煤层最小厚度（最小采高）； 考虑伪顶、煤皮冒顶落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，取250mm； 顶板最大下沉量，取150mm； 移架时支架的最小可靠量，一般取50mm； 浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm.2）支架伸缩比 3）支护强度 = =362.6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。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。用bc表示。支架间距bc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通常为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bc=1.5 m5）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2.240m表2-1适应不同类级顶板的架型和支护强度Tab 2-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength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）表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。（2）1.3、1.6、2为增压系数3四连杆机构的设计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3-1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,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，一般去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3-1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3-1四连杆机构几何特征Fig.3-1 Four link motion gears geometry characteristic4）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3-1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3-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构Fig.3-2 Shields Liang Hehou the connecting rod constitution crank slideorganization3.2四连杆机构与附加力的影响3.2.1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3-3顶梁分离受力分析Fig.3-3 Top-beam separation stress analysis图3-4掩护梁分离受力分析Fig.3-4 Shields Liang to separate the stress analysis取 (3-1) 取 (3-2) 取 。 (3-3)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： (3-4) 将该式变成通式为: (3-5) 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： (3-6) 式中 支架立柱工作阻力的垂直分力， 支架承受的附加力。由(3-6)可见 当时，附加力与立柱倾角和摩擦力有关。（1） 立柱倾角对附加力的影响 图3-5立柱后倾的顶梁分离受力分析Fig.3-5 Column to after top-beam separation stress analysis当瞬心在下、立柱后倾时，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。（2） 摩擦力对附加力的影响图3-6 顶梁前端双纽线轨迹Fig.3-6 Front end top-beam two Niu line path如图3-6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，附加力的大小与角的正负无关，与角的大小有关，角大附加力就大，反之则小。结论：通过以上立柱倾角和摩擦力对附加力影响的分析，得出如下结论：值的大小对附加力影响很大，值大，支架承受的附加力大，对支架受力不利。所以在优化四连杆机构时，尽可能使值小些。为此，可以令支架由高到低时，顶梁前端运动轨迹近似直线为目标函数，从而可以使角变小，值和附加力都变小。而且顶梁前端点运动轨迹的变化宽度也可以较小，有利支控顶板。值方向与摩擦力引起的附加力无关，而与立柱倾角引起的附加力有关，在立柱前倾时：当瞬心点在下时，值为正，附加力为负；当瞬心点在上时，值为负，附加力为正。所以在优化时，为减少附加力，尽可能使支架的工作段，在ab段。3.2.2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增加掩护梁上铰点至顶梁面之距和后连杆下铰点至底座底面之距，都可以使角减小，附加力减小，反之，角增加，附加力也增加。3.2.3后连杆与掩护梁长度比值对支架受力的影响图3-7 四连杆示意图Fig.3-7 Four connecting rods schematic drawings当夹角、和的比值不变，改变或不变延长后连杆长度等方法，来增加的比值，可以使角减小，附加力减小，对支架受力有利；当改变角使的比值增加，对角变化不大，所以适当增加的比值，可以减少掩护梁长度和对支架受力有利。在掩护式支架和支撑掩护式支架中，后连杆和掩护梁长度的比值，关系到掩护梁的长度，对支架的重量和受力有着直接的影响，所以在设计时，应尽量在满足支架工作需要情况下，缩短掩护梁长度，减轻支架重量，减少支架受力。4、前后连杆上铰点与掩护梁长度比值对支架受力影响改变的比值，对角影响很大，如果这个比值适当，可使角减小，值减小，附加力减小，掩护梁和前后连杆受力也减小。的比值一般在0.220.3之间比较合适。3.3四连杆机构的几何作图法3.3.1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3-8所示。图3-8 掩护梁和后连杆计算图Fig.3-8 caving lock pieceand after rod map设： G-掩护梁长度（mm）A 后连杆长度（mm）其中：P1 支架最高位置时，掩护梁与顶梁夹角(度)P2支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角(度)Q1 支架最高位置时，后连杆与底平面夹角（度）Q2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，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=0.58。支架在最高位置时有： 因此掩护梁长度为： =2076.77mm 后连杆长度为：A=G(A/G) = 1204.53mm取整得： 3.3.2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3-9所示。 具体作图步骤如下：1)确定后连杆下铰点O点的位置，使它比底座面略高2002)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3-9 液压支架四连杆机构的几何作图法Fig .3-9 hydropost fore rod is geometrymap method结论：后连杆长度A=1205mm 掩护梁长度G=2077mm 前连杆长度C=1148mm 前后连杆下铰点底座投影距离E=599mm 前连杆下铰点高度D=533mm3.4四连杆机构的计算机设计法3.4.1、目标函数的确定根据附加力对液压支架受力影响的分析，为减少附加力，必须使U=TAN(THETA)有较小值。同时，为有效地支控顶板，要求支架由高到低变化时，顶梁前端点与煤壁距离的变化要小。而支架在某一高度时的THETA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似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。3.4.2、四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征如下图3-10所示。支架在最高位置时：P1=0.91- 1.08弧度；Q1=1.31- 1.48弧度。后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I=0.45- 0.61.前后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为I1=0.22-0.3.E点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动的最大宽度E70MM最好在30MM以下。图3-10 四连杆机构几何特征图Fig.3-10 Four link motion gears geometry characteristic chart支架在最高位置时的TAN(THETA)的值应小于0.35，在优化设计中，对掩护式支架最好应小于0.16。3.4.3、四连杆机构各部尺寸的计算后连杆与掩护梁长度的确定当支架在最高位置时的H1值确定后，掩护梁长度G为：G=H1/（SIN（P1）+I*SIN（Q1）；后连杆长度为：A=I*G；前,后连杆上铰点之距为:B=I1*G;前连杆上铰点至掩护梁之矩为:F=G-B;对各变量规定相应的步长:P1的步长为0.034弧度;Q1的步长为0.034弧度;I1的步长为0.02弧度;I的步长为0.032弧度;(2)后连杆下铰点至坐标原点之距 E1=G*COS(P1)-A*COS(Q1);(3)前连杆长度及角度的确定 为使顶梁上铰点的运动轨迹最大宽度和THETA角尽量小,我们将支架在最高和最低以及后连杆与掩护梁成90度角时顶梁上铰点的坐标定在一条垂直的直线上。（下面B1，B2，B3分别为此3点对应的前连杆与掩护梁的铰点，C为前连杆下铰点）B1点坐标：X1=F*COS（P1） YI=H1-F*SIN（P1）B2点坐标：X2=F*COS（P2） Y2=B*SIN（P2）+A*SIN（Q2） 其中，Q2=0.436 P2由几何关系求出。B3点坐标：X3=F*COS（P3） Y3=B*SIN（P3）+A*SIN（Q3）其中P3=Q3=C点坐标：XC=（M*（Y2-Y3）-N*（Y3-Y1）/T YC=（N*（X3-X1）-M*（X2-X3）/T 其中，M=X3*X3-X1*X1+Y3*Y3-Y1*Y1N=X2*X2-X3*X3+Y2*Y2-Y3*Y3T=2（X3-X1）（Y2-Y3）-(Y3-Y1)(X2-X3) (4)前连杆下铰点的高度D和前，后连杆下铰点在底座上的投影距离：D=YC E=E1-XC3.4.4、四连杆机构的优选前，后连杆的比值范围：C/A=0.9-1.2。前连杆的高度：DH1/5。E的长度:EH1/4.5。TAN（THETA）0.16。TAN（THETA）=S/L其中，L=X6 S=H1-Y6X6，Y6为掩护梁在顶点速度瞬心的坐标，通过几何关系可求出3.4.5、求掩护梁上铰点轨迹坐标 X=-A*COS（Q4）+G*COS（P4） Y=A*SIN（Q4）+G*SIN(P4) 其中，Q4为后连杆与底座夹角，P4为掩护梁与顶梁夹角。 P4=ARCCOS（Z）； P4=arcCOS（Z）； Z= J=2ABsinQ4-2BD K=2EB+2ABcosQ4 R=