机械毕业设计（论文）-ZY32001432型掩护式液压支架设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2008届本科生毕业设计 第 107 页1 绪论全套图纸，加1538937061.1 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，必须对顶板进行支护。而液压支架是一高压液体作为动力，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。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。1.2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完成的。如图1.1所示1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，另一腔回来，推动活塞上升，使与活塞杆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，都是由于底座上的推移千斤顶来完成的。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；当需要输送机时，支架支撑顶板后，高压液体进入推移千斤顶活塞腔，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。图1.1 液压支架工作原理图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1.3 设计事项1.3.1 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求，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（简称综采工作面）。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求量是很大的。由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。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 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，以便有效的控制顶板，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150kN至250kN，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。10在满足强度条件下，尽可能减轻支架的重量。11要易于拆卸，结构简单。12液压元件要可靠。1.3.3 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底板岩性和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，决定是够选用防滑防倒装置。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。1.4 液压支架的分类液压支架按结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。1支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性能好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。支撑式支架有垛式和节式之分。（1）节式节式支架由24个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进，（2）垛式整个支架为一整体结构，整体移动，通常有46根立柱，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。2掩护式支架掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶能力弱；顶梁短，控顶距小；由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性能好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。3支撑掩护式支架支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。1.5 液压支架的组成液压支架由以下六个主要部分组成：1 顶梁2 立柱3 掩护梁和挡矸帘4 底座5 推移机构6 操纵控制系统1.6 液压支架的主要结构件及其用途1.6.1 顶梁用途：1用于支撑维护控顶区的顶板。2承受顶板的压力。3将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。1.6.2 底座用途：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。1.6.3 掩护梁用途：1掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。2掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩。3掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。1.6.4 活动侧护板用途：1与邻架的顶梁、掩护梁和后连杆的固定侧护板相贴，构成了指甲的挡矸屏障。2支架移架时起导向作用。3利用侧推千斤顶可调整支架的横向位置或防倒扶正支架。1.6.5 连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。1.7 液压支架的液压系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。1.7.1 液压支架传动系统的基本要求对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。1.7.2 液压支架的液压传动特点液压支架的液压传动，与其他机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下：工作液的压力高（管路内的压力达2040MPa，立柱内的压力达3070MPa），流量大（30150l/min）；在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体为工作介质；液压缸、操纵阀，其他调节和控制装置等总的数量大（高压泵16台，液压缸3001500个，安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀）；很长的液压管路（200300m刚性管，5003000m高压软管）;泵液压缸传动系统的换算弹性模数较低；根据支架的数目改变液流的参数；所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及他们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序；为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业以及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即：液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有其独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独的加以研究。1.8 液压支架的选型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应矿井和工作面条件，投产后能做到高产，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、技术和设备条进行选择。1 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。2 当煤层厚度超过1.5m，顶板有侧向推力或水平推力时，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的掩护式或双伸缩立柱的支架。4 应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。5 煤层倾角10时，支架可不设防倒防滑装置；1525时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置；25时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。6 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。7 当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤时，支架最大采高一般3.5m；硬煤时，支架最大采高5m。8 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。9 断层十分发育，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在58m2，时间在20min以上时，暂不宜采用综采。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 支架高度和伸缩比由题目已知:支架的最大高度Hm=3.2m支架最小高度Hn=1.4m支架伸缩比2.1.2 支架间距支架间距就是指相邻支架中心线间的距离，按下式计算式中 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）顶梁之间的间隙每架所包含的组架或框架数取=1500mm，=150mm,=1则=1500+1501=1650mm2.1.3 底座长度底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，应考虑如下方面：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。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。因此，取底座长度为2899 m图2.1 底座示意图 2.1.4 顶梁长度的确定支架在工作面的相对位置如图2.2所示： 图2.2 支架在工作面的相对位置关系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） (2.1)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。经计算得顶梁长度为3302mm。2.1.5 立柱布置 图2.3 立柱示意图1.立柱数 目前国内支撑式支架立柱数为26根，常用的为4根；掩护式支架为二柱；支撑掩护式支架为四柱。故此支架数目n选2。ZY3200/14/32型液压支架选用单伸缩机械加长杆，如图2.2所示。2支撑方式 支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于(支架在最低工作位置时)，由于角度较大，可是调高范围增加。同时由于顶梁较短，立柱倾角加大可以使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增加。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱轴线与顶梁的垂直夹角小于（支架在最高位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较大。3立柱间距立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5m。2.2 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。2.2.1 顶梁顶梁是与顶板直接接触的构件，除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：有足够的顶板覆盖率；同时要求适应顶板的不平衡性，避免因局部应力而引起损坏。本支架采用刚性顶梁带铰接式护帮，顶梁由前、后梁铰接。在铰接护帮安装有护帮千斤顶，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使护帮上、下摆角，适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。各类顶梁都为箱式结构，一般有钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘形。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，作为挂挡矸帘之用。在顶梁下焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来。顶梁端面形状和顶梁如2.4、2.5示图2.4 顶梁断面图2.5 顶梁外形2.2.2 底座底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此，底座除了满足一定的刚度和强度外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板接触比压小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置，要便于人员行走；能起一定的挡矸排矸作用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性。ZY3200/14/32型支架的底座结构选用底分式刚性底座，如图2.6。底座前端制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部重量大于前部，避免移架时啃底。底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以避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。图2.6 底分式底座2.2.3 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。立柱的结构由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。如2.7图图2.7 立柱结构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。2.2.4 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2.1所示表2.1 推移装置千斤顶的型式型 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2.2。表2.2 推移装置的功能与主要连接型式功 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。ZY3200型液压支架所采用的推移装置为：倒拉式长推移杆。如图2.8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2.8 短推移杆2.2.5 护帮千斤顶 护帮千斤顶的缸体用圆柱销固定在护帮下端的耳座上，活塞杆与主梁与主梁相连接。护帮千斤顶的活塞腔液路上，装有液控单向阀和安全阀，以保证护帮的初撑力和工作阻力。图2.9 护帮千斤顶2.2.6掩护梁 掩护梁为整体箱形焊接结构。掩护梁上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座铰接，构成四连杆机构。掩护梁主要作用是阻挡并承载采空区冒落的矸石，承受顶板水平推力、侧向力和传递扭转载荷，并保持支架整体的稳定性。掩护梁上部设计了机械限位块结构，当支架出现不正常工作状况时，机械限位起作用，顶梁与掩护梁的机械限位块发生干涉作用，强制限位，防止支架呈现“放大炮”状态，避免顶梁过渡上仰，以保护平衡千斤顶、增强了支架的适应性和可靠性。掩护梁采用固定侧护板结构，结构简单、可靠性高。2.2.7前、后连杆 ZY3200/14/32型二柱掩护式液压支架采用双前连杆、整体后连杆式结构，前、后连杆均为箱形抗扭体，该箱形结构刚性好，强度高，能可靠地承受支架在工作过程中产生的扭转力矩和水平载荷，保持支架的稳定性。 前后连杆与掩护梁、底座相铰接，组成四连杆机构。后连杆的防矸背板可有效防止采空区矸石窜入工作面。2.3 四连杆结构2.3.1 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。 2.3.2 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，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，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。2.3.3 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，采用了计算机求解的方式来求解。1.目标函数的确定为了减少附加力，必须使得有较小值。同时，为有效的控制顶板，要求支架在某一高度时的角，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近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。2.四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征，如图2.10所示。（1）支架在最高位置时，即：弧度；即1.311.48弧度；支架在最底位置时，保证。（2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I =0.450.61;支撑掩护式为I = 0.610.82。（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为0.220.3。（4）点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度mm以下最好在30mm以下。（5）支架在最高位置时的应小于0.35，在优化设计中，对掩护式支架最好小于0.16，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。3.四连杆机构各部尺寸的计算四连杆机构各部参数如图2.10所示，图中的为支架在最高位置时的计算高度。令：=; =; =; =; =; =; =; =; =; ;=图2.10 四连杆机构参数图(1)后连杆与掩护梁长度的确定如图2.3所示 ，当支架在最高位置时的H值确定后，掩护梁长度G为： （2.5）后连杆长度为： （2.6）前后连杆上绞点之距为： （2.7）前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为： （2.8）从式（2.5）至式（2.8），可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对变量规定相应的步长如下：的步长为0.34弧度；的步长为0.34弧度；的步长为0.02；的步长，支撑掩护式为0.042。若上述四个变量各向前迈出五步，经排列组合变得到625组数据。此处，步长也可根据精度自行确定不必遵循此规定。（2）后连杆下绞点至坐标原点之距为，如图2.11所示图2.11四连杆机构几何关系（3）前连杆长度及角度的确定 当支架高度变化时，掩护梁上绞点的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽度和角尽量小，可把点的轨迹视为理想直线，当然实际上并非如此。但是，我们可以做到支架高度变化时，有三点在一条直线上，如图2.11所示，即：支架在最高和最低以及中间某一位置的三点。当支架的最高和最低位置确定后，在直线上的最高和最低点就确定了。根据设计经验，当点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连杆与掩护梁的夹角由大于90到小于90变化，在夹角变化过程中，一定有一位置使后连杆与掩护梁呈垂直状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位置的点。1）点坐标当支架在最高位置时的计算高度为，此时点的坐标为： （2.9） （2.10）2）点坐标支架在最低位置时的计算高度为，此时的坐标为： （2.11） （2.12）根据四连杆机构的几何特征要求，支架降到最低位置时，为计算方便，即0.436弧度。根据几何关系为： （2.13）3）点坐标当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，点坐标为： （2.14） （2.15）式中P由下式进行计算： （2.16） （2.17）4）c点坐标根据图2.11所示，支架在三个位置时四连杆机构几何关系确定后，c点就是以、这三点为圆的圆心。所以，为前连杆的长度。因此，可以用圆的方程求得前连杆长度。即： （2.18）上式中、为c点坐标，可以按下列方程联立求得: （2.19） （2.20）由式（2.19）和式（2.20）得： （2.21） （2.22）令: （2.23） （2.24）T （2.25）把式（2.23）到式（2.25）带入式(2.22)式得： （2.26） （2.27）c点坐标求出后，前连杆的长度和角度就可以确定了。（4）前连杆下绞点的高度D和四连杆机构的底座长度E。当前连杆c点坐标确定后，D和E的长度为： （2.28） （2.29）4.四连杆机构的优选按上述方法可求出很多组四连杆机构，并非所有的值都可以用，故要优选。优选的方法是给定约束条件，对所计算出的各组值进行筛选，最终选出一组最优的值来。其约束条件是根据四连杆机构的几何体特征要求，以及支架的结构关系，通过对国内外现有支架的调查统计，得出的约束条件如下：（1）前后连杆的比值范围根据现有资料的调查统计，前后连杆的比值0.91.2范围。（2）前连杆的高度不宜过大，一般应使。（3）E的长度，一般应使E.（4）对掩护式支架应使的值U ；对支撑掩护式支架的值按下面的方法进行计算。如图2.12所示，为支架在最高位置时的几何关系。（1）a点坐标= （2.30） （2.31）（2）点坐标为（3）直线的斜率： （2.32）（4）直线的斜率： （2.33）由于c 、o在同一条直线上，因此，和直线的斜率相同，所以直线的斜率为： （2.34）同理直线的斜率为 （2.35）联立（2.34）、（2.35）得： （2.36） （2.37）令： （2.38） （2.39）则： （2.40）5.近似双纽线轨迹的绘制为了能计算和看出优选的一组值的e值，以及双纽线的凸弧段长度，要求打印出顶梁前端的坐标值画出双纽线轨迹来。（1）四连杆机构的方程从图2.13可知，在任一个角位置时，d点的x坐标值应满足下列方程 （2.41）B点的y坐标值应满足下列方程 （2.42）图2.12 顺心位置图图2.13四连杆机构方程图由式（2.42）得： （2.43）将式（2.43）代入式（2.41）得： （2.44）将式（2.44）整理得： (2.45)令： ; (2.46) (2.47) (2.48)将式(2.46),式（2.48）代入式（2.45）可得： (2.49)则式（2.49）可变成以Z为变量之方程，得： (2.50)不合题意之根已舍去。当时，式（2.50）才有意义。在图2.13中点任一位置时之坐标x,y可写成： (2.51) (2.52) 其中， 则 式（2.51）和式（2.52）就是液压支架四连杆机构的曲线方程。根据四连杆机构的几何特征要求，支架由高到低，=,即：。所以在变化范围内可以画出一条近似双纽线的轨迹来。如果在这个变化范围内按间隔0.087rad,可以算出x,y值表，y的变化相当于支架计算高度的变化，则x的变化相当于顶梁前端距煤壁之距变化，所以e值为支架高度变化范围内，相应的，凸弧段的长度为支架的结构高度有高到低时，x值渐增所对应的y值相减，即：凸弧段长度 式中， 支架最大高度所对应的y值； 支架由高到低，x值渐增，增加到极限位置所对应的y值。2.4液压支架的主要技术参数表2.3 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m1.43.2支架宽度m1.431.50支架中心距m1.65支护强度MPa1.08对底板比压MPa2.5初撑力kN2354工作阻力3049操作方式电液控制泵站压力MPa31.5立柱型式单伸缩机械加长根数根2缸径/中缸径mm250/240初撑力kN1545工作阻力（）kN3145行程mm2300推移千斤顶型式浮动活塞根数根1缸径mm125柱径mm70推力/拉力kN123/270行程mm600侧推千斤顶型式普通根数根2缸径mm80杆径mm45推力/拉力kN158/108行程mm170平衡千斤顶型式普通根数根1缸径/杆径mm100/60行程mm320推力kN245拉力kN158工作阻力kN849护邦千斤顶型式普通根数根1缸径/杆径mm80/45行程mm470推力kN157工作阻力kN849抬底千斤顶型式普通根数根1缸径/杆径mm80/45行程mm250工作阻力kN386 配套设备采煤机MLS-170刮板输送机SGD-730/180 3 液压系统液压支架不仅需要有良好的结构以适应所工作的煤层地质条件，而且还要配备完善而可靠的液压系统及液压元件来实现支架的优良工作性能。液压支架的液压系统属于泵缸开式系统。动力源是乳化液泵，执行元件是各种液压缸。系统回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增压，经各种控制元件供给各个液压缸，。乳化液泵站通常安装在工作面下顺槽，可随工作面一起向前推进。泵站通过沿工作面全长敷设的主供液管和主回液管，向各个支架供给高压乳化液，接收低压回液。工作面中每个支架的液压控制回路多数完全相同，通过截止阀连接与主管路，相对独立。其中任一支架发生故障进行检修时，可关闭该架与主管路连接的截止阀，不会影响其他支架工作。3.1 立柱和千斤顶在液压支架中，用于承受顶板载荷，调节支护高度的液压缸称为立柱。液压支架的立柱多数是单伸缩双作用单活塞杆式液压缸。除立柱外，支架中其余的液压缸称为千斤顶，依其功能分别叫做前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，结构与立柱基本相同，只是长度和形成较短，所以也有人叫它前梁短柱。通常支架中各类千斤顶是单伸缩双作用作用液压缸，只有复位千斤顶和伸缩前探梁的千斤顶是单作用液压缸。悬浮式立柱控制回路如图3.1：图3.1 悬浮式立柱控制回路千斤顶控制回路如图3.2：图3.2 千斤顶控制回路3.2 支架液压阀液压支架的液压控制系统中所使用的控制元件有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀，方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀和液控分配换向阀等。3.2.1 液控单向阀夜控单向阀在支架液压系统中主要用来闭锁液压缸中的液体，使之承载。它是大多数支架立柱必不可少的控制元件之一。对液控单向阀的要求：密封可靠，特别是锁紧立柱下腔液路的液控单向阀，需长时间保持绝对密封；动作灵敏，尤其要求关闭及时，保证刚刚锁紧的液压缸中的压强等于泵站供液压强；流动阻力小；工作寿命长，能保证工作面推进8001000米不需要更换；结构简单。支架常用的液控单向阀按其密封副形势可分为平面密封型、锥面密封型和球面密封型。3.2.2 安全阀安全阀是支架液压控制系统中必不可少的限定压强的元件。立柱安全阀可以防止支架的主要承载结构件过负荷，确保顶板岩层在不高于规定的工作阻力作用下沉降。对立柱安全阀的要求：关闭时必须完全封闭；能够稳定溢流的溢流量范围大，在顶板缓慢下沉时的微小流量(3040mL/min以下) 工况下，启闭压强差不大于整定压强的510%，以保证支架的恒阻性。在顶板急剧下沉的大流量(3050mL/min)工况下，被封闭的液体压强升高值不大于整定压强的25%。3.2.3 操纵阀在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作的手动换向阀，习惯上称为操纵阀。按压力液通过操纵阀后的用途不同，可分为全流量操纵阀和先导液压操纵阀。3.2.4 液压支架液压阀的密封技术分析液压支架是采煤机械中的支护设备，经过大修在井下一般可使用五年，但是液压支架中各种液压阀的使用寿命却很低，长的3个月，短的只有几个星期，国外解决的途径和办法是增加系统的过滤精度和提高乳化液的质量，但收效不大。以英国某液压阀为例，虽然加工精度及整个液压系统的过滤精度都比较高，但因使用寿命低，已在我国面临淘汰。1. 影响液压阀密封性能的主要因素密封元件损坏的主要因素是工作液中的杂质。这些杂质在密封元件间研磨，使阀产生泄漏。因此，国外曾提出相应等级的液压元件，应采用相应精度的过滤器。他们认为5M的油泵密封元件，如果采用过滤精度为3M的过滤器，寿命可比采用10M的提高10倍。但液压支架用阀，工作环境十分恶劣。在采煤工作面，油管总长1000多米，接头插口多达4000多个，液箱无特殊的防尘设施。乳化液中有大量的漂浮杂质，在立柱缸底和阀腔，留有较多的煤粉、岩粒和铁屑。进液阀芯和阀座，由于开启关闭比较频繁，液体流速高，密封很快就会失效。实践证明减少支架液压系统液体的污染杂质，是十分困难的，有人曾经设想在乳化液泵站采用高压过滤器，同时在每台支架进口处增加小型过滤器。但在工作中很快被堵塞，形成断流。另一方面，随着液压支架技术的发展。对阀的使用性能和阀的使用寿命提出了更高的要求。目前，在装有120目时的过滤器和磁过滤装置的条件下，用通过被测试阀的乳化液的总流量和阀的启闭次数，来计量阀的寿命。但实际上室内型式试验与井下实际工作结果相差很大。现在许多国家的形式实验，增加了抗污染要求，有的是在乳化液中掺入适当的煤粉，有的是加入机械杂质。为此，需要使用新型的、抗污染能力强的、适合于井下工作条件的密封副。2 .液压阀密封材料的历史及现状阀芯和阀座接触面的泄漏，是工作液体分子挤入的结果。影响密封效果的主要原因是阀芯和阀座的接触比压、不平度及压差。当阀芯与阀座的接合面以P力压紧，工作液体分子以F力挤入，密封材料会产生弹性变形。如果密封副总抗力大于分子斥力，则密封有效，否则就会形成泄漏。早期的液压支架，运动副之间没有其他密封措施，是金属直接接触密封，即要求密封副接触平面吻合，具有较高的加工精度，否则必须加大密封副的结合力，使接触表面产生塑性变形，堵塞泄漏通道。3.3 液压支架液压原理图支架液压原理图如图3.3所示：图3.3液压支架液压原理图 3.4 液压支架的控制方式3.4.1 手动控制目前液压支架多采用手动邻架控制。操作人员随采煤机前进，依次站在被移支架倾斜上方的支架里进行操作，使被移支架完成各个必要的动作。1全流量控制 全流量控制目前是支架的基本控制方式。它使用全流量操纵阀，根据操作人员的要求，直接向液压缸工作腔输入压力液，实现支架的各个动作。在采取邻架控制时的全流量控制系统，过架管路除了主管路外，还有许多控制管路因而行人不便，系统可靠性不高，维护工作量大。2先导液压控制先导液压控制近年来在支架液压控制系统中发展很快。它是通过先导液压操纵阀将操作人员的命令变成液压指令，再由液控分配阀完成向液压缸工作腔供给压力的任务。因为先导控制需要传输的不是流量而是液压，所以先导控制管可以做的很细小，于是必须过架的许多先导控制管可以用一根直径不大的多芯管来代替，并且简化了支架在井下工作面的安装，系统可靠性增加。3.4.2 自动控制手动控制的操作速度受到人员在工作面行走速度限制。特别是在薄煤层工作中，操作人员花费在从一个支架行走到另一个支架的时间较长，体力消耗也很大。因此，手动控制液压支架使高效采煤机械的工作能力不能充分发挥出来。所以，研制和开发自动控制系统是液压支架进一步发展的方向之一。目前，液压支架的自动控制大部分都处于试验阶段。这是因为地下工作条件复杂多变，在工作条件的监控方面，在人机之间和采煤机与支架之间的完善联系还有大量工作要做。总的趋势是采用带有电脑控制的电液先导液压控制系统。分配阀多采用安全火花型电液控制分配阀，监控装置多转换成电信号输入电脑指令系统。3.5 液压系统安装、调试、保养3.5.1 安装： 液压系统的安装是液压系统能否正常可运行的一个重要环节。 一、安装人员 液压传动系统虽然与机械传动系统有大量相似之处，但是液压传动系统确实有它的特性。经过专业培训，并有一定安装经验的人员才能从事液