毕业设计（论文）-ZFS100002545中位放顶煤液压支架设计（含全套CAD图纸）.doc

中国矿业大学2008届本科生毕业论文 第111页 1 绪论全套完整版CAD图纸，加153893706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形成了一个有机的整体，实现了包括采、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地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，不断地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。 我国于70年代初，首先研制成功了垛式、节式等支撑式支架，以及关键的液压元部件。70年代中期，研制成功了掩护式与支撑掩护式支架。由于这种架型的优良性能，很快就获得了推广，并逐步取代了早期的垛式和节式支架。在引进、消化国外支架的基础上，我国已经形成了一支有一定规模的从事液压支架的设计、研究、制造和检验的专业队伍，积累了丰富的经验，已经开发研制了多种适合我国煤矿不同生产地质条件的液压支架。支架最大高度已达5m，最小高度为0.5m；适应最大倾角可达55度；最大工作阻力达10000KN。不仅有用于一般工作面的液压支架，还有用于放顶煤采煤、分层铺网采煤等条件下的特种用途液压支架。 1.1国内外液压支架的现状 1.1.1国外液压支架现状80 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。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250 5280m 长壁综采面用工作阻力为2 8565kN 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, 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 。1.1.2国内液压支架技术现状我国在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。1.1.3我国液压支架与国外液压支架存在的差距及今后的发展趋势我国液压支架经过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。1.2支护设备的用途和种类回采工作面支护设备用于支撑工作面顶板、阻挡顶板冒落的岩石窜入作业空间，以保证工作面内机器和人员安全生产。目前回采工作面使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支柱和自移式液压支架，它们与采煤机和工作面输送机分别组成“普采”、“高档普采”和“综采”。金属摩擦支柱和单体液压支柱与金属铰接顶梁配套使用（统称单体支护设备），它们的支撤和移动都靠人工操作，故劳动强度大、安全性较差、支撤速度慢、工作面产量和效率较低。近年来新发展的切顶支柱和滑移顶梁支架为进一步改善普采工作面的劳动条件和技术经济效益提供了途径。液压支架是以高压乳化液作为动力，使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械化。因而大大改善了回采工作面的作业环境，使矿工们从笨重的体力劳动中解放出来，有效地提高了劳动安全性，并为工作面实现自动化创造了条件。同时也大大提高了回采工作面的技术经济效益。但液压支架的初期投资较大。木支柱在机械化采煤工作面仅用于临时性辅助支护，如处理顶板事故等。 1.3 液压支架工作原理液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制系统控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统（图11），其中液控单向阀和安全阀设在本架内，操纵阀可设在本架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。图11 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（一）支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1.初撑操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔的液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。此时，支架对顶板产生的支撑力称为初撑力。支架的初撑力为 (1-1)式中：D立柱的钢径，m； Pb泵站的工作压力，MPa； n每架支架的立柱数；立柱对顶板垂线的倾斜度。2.承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泄出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。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。支架的工作阻力为 (1-2)式中 支架安全阀的调定压力，Mpa。3.卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱（支架）卸载下降。由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2，这就是液压支架的阻力时间特性(图1-2)。它表明液压支架在低于额度工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。图12液压支架的阻力-时间特性（二）支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移液压缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。 1.4液压支架的分类按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，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。支撑式支架又有垛式和节式之分。图13为垛式，图14为节式。图13 垛式支架图14 节式支架图15 插腿式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式之分。图15为插腿式，图l6为立柱支在掩护梁上非插腿式，图17为立柱支在顶梁上非插腿式。图16 立柱支在掩护梁上非插腿式支架图17 立柱支在顶梁上非插腿式支架支撑掩护式支架又有四柱支在顶梁上和两柱支在顶梁，一或两柱支在掩护梁之分。图18为四柱平行支在顶梁上；图19为四柱交叉支在顶粱上；110为两柱支在顶梁两柱支在掩护梁上。图18 四柱平行支在顶梁上支架图19 四柱交叉支在项梁上支架图l10 两柱支在顶梁两柱支在掩护梁上支架1.5液压支架结构1.5.1支撑式支架支撑式支架的结构以Dl一24022型支架为例如图111所示。它由前探梁、后梁、前梁短柱、立体、挡矸帘、操纵阀、控制阀、复位千斤顶、推移千斤顶、底座箱等组成。Dl一24022型支架的液压系统由泵站、四根立柱、两个千斤顶、一个前梁短柱、个操纵阀、五个控制阀和管路等组成。泵站供给的高压液体经主进油管通向各架的操纵阀。各架的回液经主回液管返回泵站。图111 Dl一24022型支架1-前探梁；2-后梁；3-前梁短柱 ； 4-立柱； 5-加长杆； 6-挡矸帘7-操纵阀；8-控制阀；9-复位千斤顶；10-推移千斤顶；11-底座箱；12碰块1.5.2掩护式支架 掩护式支架的结构以QY250-13/32型支架为例如图1-12所示，它由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、立柱、平衡千斤顶、推移千斤顶、操纵阀、控制阀等组成。图112 QY250-13/32型支架QY250-13/32型支架的液压系统采用本架控制，有两种供液压力 (高压Pb32MPa，低压Pb=15MPa)，立柱、下衡千斤顶、前梁千斤顶的活塞腔用高压，其余的活塞腔用低压。在操纵阀上加一个配液板，通过该二个单向阀可使升柱时高低压同时供液，使升柱速度加快，初撑力大，有效地防止顶板离层。在推溜液路上末设液控单向阀，可使系统简单，为了避免移架时将输送机拉向采空区侧，操作时应将邻架的推移操纵阀放在推溜位置上，以克服移架时的反作用力。平衡千斤顶前、后两腔都设控制阀，使前后腔都成为承载腔。侧推千斤顶两腔油路上都有节流孔，这是因为该千斤顶行程较短，节流孔可使其动作平缓。但没有控制阀，这是因为它不需要承载。在总回液路上有一个单向阀，起背压作用，使各动作平稳。操纵阀为组合式片阀，可以同时操作。1.5.3支撑掩护式支架支撑掩护式支架的结构以ZY-35型支架为例，如图113所示。它由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。图113 ZY-35型支撑掩护式支架1防片帮千斤顶； 2前梁； 3短柱；顶梁；掩护梁；底座；推移千斤顶；立柱；机械加长杆1.5.4放顶煤液压支架放顶煤液压支架按放煤高度划分，可分为高位放顶煤、中位放顶煤和低位放顶煤液压支架三类。（1）高位放顶煤液压支架高位放顶煤支架在国内外已的到推广和应用。综合目前所生产使用的高位放顶煤支架可分为两大类，如图114所示。 插底式支架的特点是支架底座的前部插到输送机下部，而输送机放在其拖座上面; 不插底式放顶煤液压支架和输送机的关系与一般支架相同。（2）.中位放顶煤液压支架中位放顶煤液压支架是指放煤口设在掩护梁上，并采用两部输送机且后部输送机置于支架底座上的液压支架。中位放顶煤液压支架是我国当前应用数量较多，分布较广的综放支护设备，还是一种依靠矿山压力破碎顶煤，具有放煤功能的综采设备。中位放顶煤液压支架按其结构形式可分为两类：单绞点中位放顶煤液压支架和四连杆中位放顶煤液压支架。 图114 ZYF400017/32型支架（3）低位放顶煤液压支架 低位放顶煤液压支架的放煤口位于支架掩护梁的下方，其后输送机直接放在底板上或在底座的拖板上。随着放顶煤综采推广应用，放顶煤支架的研制也迅速发展，特别是低位放顶煤液压支架有了新的突破，解决了工作空间、强度、抗扭和稳定性问题。 低位放顶煤液压支架发展很快，各种支架按四连杆机构的位置，基本可分为连接顶梁和底座的中四连杆机构及连接掩护梁和底座的后四连杆机构两类。（a）中四连杆机构放顶煤支架的特点 支架的四连杆机构为单片式，铰接在顶梁和底座间。掩护梁有千斤顶控制可进行摆动，放煤口位于掩护梁下部，由千斤顶控制插板调节放煤口大小，后输送机位置空间较大；顶梁带有侧护板可防止漏碎煤并提高了横向稳定性；中四连杆机构提高了支架在垂直于工作面方向上的稳定性；放煤口大，放煤位置低，顶煤垮落下降量大易碎，煤层小；无脊背损失，回收率高；通过能力大，不易堵口。但由于四连杆机构为铰接在顶梁、底座上的单片，四连杆机构所以稳定性和承受侧向力的性能较差。 （b）后四连杆机构放顶煤支架的特点 该支架架型与一般四柱支撑掩护式支架相同，由于支架后部需要有较大的后部输送机工作空间，因此采用了Y形前连杆和单片后连杆，而且前后连杆与掩护梁、底座的铰接点都比一般支架偏高，偏前。在掩护梁下端铰接一个带插板式尾梁，由两个尾梁千斤顶支撑，这就形成了放煤所需空间。根据支架工作高度不同，利用尾梁千斤顶及插板千斤顶控制、调节放煤口的开启和大小。低位放顶煤液压支架的主要结构低位放顶煤液压支架的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶底板状况，矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况，硬度和开采方法等，支架总体技术参数的确定应满足：（1）工作阻力、支护强度的要求 （2）稳定性好，抗扭能力强； （3）顶梁、掩护梁以及尾梁密封性能好； （4）拉架力大，走的动； （5）能放煤，出煤易控制； （6）液压系统简单合理； （7）喷雾降尘装置可靠实用。 这样在设计支架各个部件时，不仅要满足强度要求，还要总体性能好。 低位放顶煤液压支架的主要结构有前梁、顶梁、掩护梁、尾梁、前连杆、后连杆、底座推移装置、立柱及各种千斤顶、液压控制系统等组成。1.6液压支架的设计目的、要求和基本参数1.6.1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。1.6.2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，对中厚煤层一般为150250kN。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。1.6.3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，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，决定是否选用防倒防滑装置。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 液压支架的结构设计2.1液压支架的主要尺寸的确定2.1.1液压支架以及配套设备的型号液压支架的型号：ZFS10000/25/45采煤机的型号：MG650/480-WD型(交流电牵引采煤机)参数： 采高：2.0-4.34 生产能力：2650t/h 截深：800mm 滚筒直径：2.0m刮板输送机的型号：SGZ-764/320参数： 输送量：2700t/h 外形尺寸1.2支架的高度和支架的伸缩比1、支架高度支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定， 其最大与最小高度为： （2-1） （2-2）式中： Hm支架最大高度（mm），Hm=4500mm；Hn支架最小高度（mm），Hn=2500mm；hm煤层最大厚度（mm）；hn煤层最小厚度（mm）；考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能靠初撑力所需要的支撑高度，一般取200300mm，取S1=300mm 顶板最大下沉量，一般取100200mm,取S2=200mm；移架时支架的最小可缩量，一般取50mm；浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm；因此， 煤层的范围为28004200mm，属于厚煤层，应采用大采高支架。2.支架的伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值即： （2-3） 由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。一般范围是1.5至2.5，煤层较薄时选大值。但是考虑尽量减轻支架重量，降低造价，可搞系列化，加强指甲对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。该支架的伸缩比m=1.82.1.3支架间距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 bc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，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及槽帮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。因此取本支架的间距bc=1.5m。2.1.4 顶梁尺寸的确定1. 顶梁长度 支架在工作面的相对位置关系如图2-1所示。图21 支架相对关系前排立柱上柱窝到顶梁前端的长度由下式计算： b= +k+d+i-Htg-c (2-5)式中 铲煤板到煤壁间距离，一般为50150mm，取=150mm 输送机宽度（包含铲煤板宽度和移架装置宽度） 输送机宽度为764mm，铲煤板宽度为250mm，电缆槽的宽度为250mm，k=764+250+250=1264mm i底座前柱窝中心到底座前端的距离，取i=580mm 采煤机滚筒截深，d=800mm 顶梁前端到煤壁的距离 一般大采高支架梁端距应取350480mm，取c=350mm 立柱倾角，对于支撑掩护式支架，一般立柱与顶梁垂线夹角小于100，因此取立柱夹角=50 H支架高度，H=4500mm n前后排立柱在顶梁上柱窝之间的距离，通常n=0.91.2m 取n=1200mm u顶梁上后柱窝中心到铰接点的距离,通常u=400800mm 取u=800mm因此,顶梁长度l=b+n+u=2050+1200+800=4050mm2.顶梁宽度由煤矿支护手册可知，有活动护板的支撑掩护式支架顶梁长度为1.41.6m，又已知两支架的中心距为1.5m因此取顶梁宽度为1.4m2.1.5底座尺寸的确定1.底座长度 根据总体布置，取底座长度为3100mm2.底座宽度由煤矿支护手册可知，中心距为1.5m的支撑掩护式支架底座长度可取1.11.35m，因此取1200mm2.1.6立柱布置 本支架采用双伸缩式立柱。（1）立柱数 支撑掩护式支架的立柱数目为4。（2）支撑方式 支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜布置，立柱与顶梁垂线夹角小于100，因此取前立柱与顶梁垂线夹角为50，后立柱与顶梁垂线夹角为30。（3）立柱间距 立柱间距的选择原则为：有利于操作、行人和部件合理布置。支撑掩护式支架的立柱沿走向方向一般为1.01.5m，取立柱间距为1.0m。2.2四连杆机构的确定四连杆机构设计是支架架体设计的核心，四连杆设计的好坏决定着顶梁运动轨迹，也影响连杆和掩护梁的受力情况，以及支架轮廓尺寸的变化和大小。2.2.1四连杆机构的作用(1)梁端护顶 鉴于四连杆机构可是托梁铰接点呈双纽线运功，故可选定双纽线（图22）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之内时，借此可以保证挑端顶板维护良好。保证支架在其工作高度范围内，顶梁与掩护梁的绞点在一定的水平差值下作近似直线运动，保证端面距的变动量最小，以防止顶板冒落，起护顶的作用。(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，掩护梁一般作成整体箱形构件，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)抵抗水平推力 观测表明：采煤工作面顶板作用在液压支架上的外载荷，不仅有垂直于煤层顶板和顶板的垂直分力，而且有沿岩层指向采空区(或指向煤壁方向的纵向水平分力)。这个水平机构由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因受水分力产生的弯曲变形。(4)提高支架的稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架的其他构件联结成为一个重量较大的整体，尽管它的移动过程中要克服自身的内力，但是在支架承载阶段，其稳定性很高。这是支撑式支架不可比拟的。支架越高，越是稳定。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。图22 液压支架的双纽线运动轨迹2.2.2 四连杆机构设计的要求1.对支架在调高范围内梁端距的大小有重要影响。四连杆机构应能控制顶梁与掩护梁铰接点运动轨迹(呈双扭线)、使其在支 架调高范围内的偏差一般不大于70mm；2.影响支架支撑效率。一般在支架工作高度范围内，四连杆机构瞬心距立柱的垂直距离越大越有利；3.双扭线轨迹变化对支架垂直支撑力有重要影响；4.双扭线轨迹影响连杆、掩护梁等连接部位的受力情况。通常认为轨迹曲线应向前偏摆，即支架由高位置降下时，轨迹曲线逐渐靠近煤壁；5.为保证支架的稳定性，后连杆的水平夹角Q一般不超过85度，最小角度应以连杆机构与底板不干涉为准；6.一般应尽可能加大掩护梁的背角。厚煤层支架取大值，薄煤层支架取小值。对支撑掩护式支架应加大背角。对坚硬难冒顶板的支架，掩护梁背角应尽可能大；7.掩护梁长度与掩护梁上前、后连杆铰接点间距应保持一定的比例(4：116：1)，这不仅对支架受力，而且对调高范围也有影响，一般凭经验选取。2.2.3 四连杆机构设计方法的选择综放支架设计的关键是合理选择四连杆机构的结构参数，铰链式四连杆机构可使支撑掩护型支架在工作过程中得到一个近似相等的梁端距。象这类复演直线轨迹的机构综合问题，可以来用函数逼近理论(如插值法、平方逼近法和最佳逼近法)为基础的解析法求解也可以来用布尔梅斯特尔理论为基础的运动几何学法和以设计经验为基础的作图法等求解。国内外对此都进行了大量的试验研究工作。我国液压支架设计工程师设计四边杆机构一般有三种方法：1直接求解法2解析法3作图法本次设计采用几何作图法,示意图如图2-3所示。图23四连杆机构作图法示意图四连杆机构设计的约束条件有：1 （双纽线轨迹最大宽度）2 （支架最高位置）3 （支架最高位置）4 （支架最低位置）5 （支架最低位置）67 (后连杆与掩护梁的比值)又由于设计的是中位放顶煤液压支架，所以取I=0.378 (前后连杆上绞结点与掩护梁的比值)9 C/A=0.91.2（前后连杆长度的比值）10. (H 支架的最大高度，D前后连杆下铰接点的垂直距离)11 ( H 支架的最大高度，E 前后连杆下铰接点的水平距离)因此，取P1=500，Q1=900，P2=250，Q2=4502.2.4求解过程：1首先用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。如图24所示。设： 掩护梁长度 后连杆长度 点垂直线到后连杆铰点之距 支架最高位置时的计算高度 支架最低位置时的计算高度图24 掩护梁和后连杆计算图从几何关系可以列出如下两式： （2-6） （2-7）将（2-6）和（2-7）联立可得：支架最高位置时有： （2-8）4500-595=0.766L+0.37L1可以算出，掩护梁的长度L=3437mm又由于L1=0.37L，因此L1=0.373437=1272mm2.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线的夹角为的斜线。（4） 在此斜线上截取线段oa ,oa长度等于A，a点即为后连杆与掩护梁的铰点。（5） 过a 点作与H-H线有交角的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交斜线一点，此点为掩护梁与顶梁的铰点。（6） 过点作H-H线的平行线F-F线，则H-H线与F-F线的距离为，为液压支架最高位置时的计算高度。（7） 以a点为圆心，以0.45倍的掩护梁长为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为前连杆上铰点的位置。（8） 过点作F-F线的垂线。（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。（11） 以O点为圆心，为半径作圆弧。（12） 以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，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、，并点为圆心，长为半径作弧，交上一点；以点为圆心，长为半径弧，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，为前杆长度。（17） 过c点向线H-H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的运动曲线，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来，再按液压支架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来。通过作图可以得到前连杆长度为2157mm图25液压支架四连杆机构的几何作图法2.3支架在工作面的通风断面积验算 通风断面积的验算，一般按工作面允许风速进行验算，根据安全规程规定，工作面的风速应小于5m/s，这样支架在工作面的通风断面积才合乎要求。 （2-9）式中： T日产量（吨），取T=800吨 q一分钟生产一吨煤沼气涌出量()，一般q=14 （2-10） 式中：K通风不均衡系数，一般取K=1.5C允许的沼气含量，一般取C=1% （2-11） 式中: A支架在工作面的通风断面积（m2），A=3.8 m2 Q采工作面所需风量（） V 5m/s,合乎规定2.4各部件结构选择液压支架各个部件的结构形式与工作面的顶底板条件和支架结构形式有关，选择时根据支架的结构和工作面顶底板条件，对各个部件的结构进行分析，最后择优选择。2.4.1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。1.用途(1)用于支撑维护控顶区的顶板。(2)承受顶梁的压力。(3)将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板2.结构形式支架常用顶梁形式有3种：整体顶梁、铰接项梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。（1）整体顶梁 整体顶梁的特点是：结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端文撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。简单的整体刚性顶梁的结构外形如下图所示。图26(a)为掩护式支架的整体刚性顶梁，图26 (b)为支撑掩护式的整体刚性顶梁，整体刚性顶梁为宽面板式箱形结构件。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端(8001000mm)，一般上翘。 图26 (a)掩护式支架整体顶梁 图26(b)支撑掩护式刚性整体顶梁（2）铰接式顶梁铰接式顶梁如图27所示。在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般要留有100150mm间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。 图27分式顶梁结构1- 前梁 ；2-前梁千斤顶 ；3-顶梁铰接前梁图28(a)与顶梁28(b)如下图 图28(a)铰接前梁 图28(b) 铰接顶梁（3）楔形结构梁楔形结构梁如图29所示。楔形梁1和后梁4通过销轴铰接，楔形梁的楔臂与顶粱间夹有楔块2，楔块2后端与楔形千斤顶铰接，而千斤顶则铰接于顶梁上。 楔形结构梁利用构件间摩擦自锁原理，通过楔块2与楔形梁1和顶梁4之间的摩擦作用，使楔形梁1、楔块2和后梁4在受载时保持为个整体，如同整体刚性顶梁。这样，该梁就具有整体刚件顶梁前端支护力大的优点。由于楔形梁1与后梁4为铰接结构，今操作楔形梁千斤顶伸出或缩回时带动楔块前后移动，从而使楔形梁1绕铰轴上下摆动，其摆动范围取决于楔块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰接顶梁小，因而该梁又具有铰接顶梁的灵活性。此外，在运输时，楔形梁1可以放到下垂位置，缩短了运输尺寸，从而方便运输和安装。图29楔形结构梁1楔形梁2楔块3楔形梁斤顶4后梁综上所述，结合这次设计的实际，选择了铰接式顶梁。2.4.2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，并能适应支架的工作要求。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210图：图 210双伸缩式立柱立柱的结构由缸体、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。2.4.3 掩护梁和四连杆机构 1.掩护梁掩护梁是掩护式和支撑掩护式的掩护构件，除防止采空区冒落矸石涌入工作面外，并承受冒落矸石的压力和顶梁分解的水平力。掩护梁从侧面看，掩护梁的形状有直线型、折线型两种。2.四连杆机构四连杆机构有二种结构形式(1)前后连杆为单杆式。（2前连杆为单杆、后连杆联成一体，而后连杆有直线型和圆弧型。 选择前后连杆为单杆式的四连杆机构2.4.4 底座1.用途(1)为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。(2)与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。(3)将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。2.结构形式及特点支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。（1）整体刚性底座整体刚性底座如图211所示，中挡前部一般有一高度50100mm小箱形结构，中挡后部上方为箱形结构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座立柱柱窝的一般要设计一过桥以提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好。底座接底面积大，有利于减小对底板的比压，但中挡推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架。图211 整体刚性底座（2）底分式刚性底座底分式刚性底座如图212所示。底座底板是中分式的，中挡维移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，小挡后部上方为箱形结构。由于底分式刚性底座中挡底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不需要人工情理适应高产高效要求，但减少了底座接底面积，增大了对底板的比压，目前，高产高效工作面液压支架一般均采用分体刚性底座。（3）铰接分体式底座如图213所示，铰接分体底座分为左右相对独立的两部分，从中档处铰接，左右底座在垂直方向可相对错动，无刚性约束。这种底座对底板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但支架的整体刚性有所降低。波兰文架采用铰接分体底座的较多，我国ZY36001735K支架等亦采用这种铰接分体式底座。目前这种底座结构已较少采用。图2-12 底分式刚性底座图2-13铰接分体式底座根据以上的分析，结合这次设计的实际，采用整体刚性底座，它的整体刚度和强度好。底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。2.4.5侧护板支梁侧护板装置一般由侧护板、弹簧简、侧护千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。支架常用的活动侧护板形式有3种，即直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。 1直角式单侧活动侧护板直角式单侧活动侧护板如图214所示，一侧为固定侧护板，一侧为活动侧护板。固定侧护板即是梁的边筋板，可增加梁体强度，减轻支架重量。直角式单侧活动侧护板适用于上作面倾角较小(以下)的缓倾斜煤层或水平煤层，具有挡矸密封性好和导向性好的特点。图2-14直角式单侧活动侧护板2直角式双侧可调的活动侧护板直角式双侧可调的活动侧护板如图215示，可根据工作面倾角方向，调整一侧固定另一侧活动，适应性强