机械毕业设计（论文）-ZY16791323型掩护式液压支架设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2010届本科生毕业设计（论文） 第72页1 绪论全套图纸，加1538937061.1液压支架发展历史 在过去的半个世纪中，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工程（Longwall Mining Support Engineering）的主要设备。历史地来看，大约在四五十年前回采工作面还是使用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机械的使用，木支柱既不能对顶板提供足够大的支护阻力，其支设和回收亦很难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦和液压支柱所代替，并以支柱加铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。大约在同一时期，为了支护工作面及其端头的冒落顶板，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。1954年5月，几套四柱垛式液压支架安装在英国奥尔蒙德（Ormonde）煤矿的低主煤层（Low Main Seam），工作效果很好。几个月后，该煤层的整个工作面都装备的这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开辟了煤炭工业的新时代。1958年，法国试验成功了节式支架。节式支架类似于支柱加横梁的支护系统。它由底座上并排二根或三根液压支柱支撑一个顶梁组成。一个液压千斤顶连接在工作面输送机上，用来随工作面的推进而推移输送机。五十年代末，为开采煤层厚度超过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，并于1961年在阿尔斯科拖（Earls Court）举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压立柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁端点相对于煤壁做圆弧运动。这样，不仅影响支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式液压支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸渗入工作面，工作性能很好。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT型掩护式支架的基础上作了许多改进：利用支座滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。将四连杆机构引入支架结构设计中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。1964年，英国国家煤炭局（NCB:National Coal Board）实施的液压支架试验规范；1965年，FC Dobson等人研制的刚性底座都促进了液压支架的进一步发展。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、三柱、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，采用了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。1974年，NCB实施的“高科技采煤工程（Advanced Technology Projects）”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70年代和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（IFS）”，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年杜塞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我国研制液压支架起步不算晚。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。1967年，太原煤炭研究所首先研制出四组迈步式支架，经修改后于1972年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下试验。1970年又为大同矿务局设计了TZ-140型支架，在此基础上研制出TZ-1支架，开发了TZ-IB、TZ-、TZ-、TZ-和TZ-型等液压支架。1973年，北京煤矿机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳泉矿务局使用。中国煤机行业从六十年代末开始进行液压支架的研究和开发工作。七十年代，在原国务院领导同志关于 “引进、消化、吸收、提高”方针的指导下，和科研院所一起，共同研究国外液压支架的设计与制造技术，并结合中国煤层地质条件的复杂性和多样性，和煤矿企业一起，先后研制了：适用于中厚煤层开采 的ZY、QY系列产品；适用于坚硬顶板的ZZ系列支架。随着放顶煤技术在煤矿推广应用，郑州煤机厂、北京煤机厂和煤科总院北京开采所、太原分院及其他科研单位，又共同研制和开发了ZFS、ZFD系列放顶液压支架产品；为适应厚煤层分层开采的实际需要，研制和开发了出ZZP、ZZPL、ZYP系列铺网支架等产品 。目前，以郑州煤机厂、北京开采所、太原分院和北京煤机厂为主要设计和制造力量的液压支架的科研 和制造企业已经能够根据中国煤矿企业的需要，设计和生产出支撑高度0.65m，工作阻力为1200- 10000KN，工作面倾角在3045以下，移架速度在1216s范围内的各种掩护式、支撑掩护式、放顶 煤和铺网液压支架。目前，国产液压支架在中国煤矿综采工作面液压支架总量的比例已达94%。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。图1-1液压支架工作原理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，都是由底座上和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。支架的支撑力与时间关系曲线，称为支架的工作特性曲线，如下图1-2所示。支架立柱工作时，其支撑力随时间和变化过程可分为三个阶段。支架在升柱时，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，此阶段为初撑阶段t0；支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段t1；随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。图1-2液压支架工作特性曲线a. 初撑阶段支架在升柱时，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，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段b. 增阻阶段支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段。c. 恒阻阶段随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，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。支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即式中 支架的支护面积，。1.4液压支架的组成和分类1.4.1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。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系“般分为三大类，即支撑式、掩护式(图1-2)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、电控元件等。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。1.4.2 液压支架的分类及特点按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，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。1) 支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架（图1-1 a）和节式支架（图1-1 b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由23个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在4m左右；立柱多，一般是46根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。 (a) (b) 图1-1支撑式支架结构形式支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。2 ) 掩护式支架（如图1-2）其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。图1-2掩护式液压支架结构它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为左右。掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。3 ) 支撑掩护式支架其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。它的缺点是：结构复杂，成本较高。4 ) 特种液压支架特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。1.4.3掩护式支架的特点掩护式支架可分为插入掩护式、非插入掩护式和直接支撑掩护式支架。下面分述三种类型：1、插入掩护式支架：插入掩护式支架底座面积较大，对底板的比压小，适用于顶板破碎，底板松软的煤质条件，但是太高了运输机溜槽，加大了装煤高度，影响装配效果。2、 非插入掩护式支架： 非插入掩护式支架由于底座没有插入运输机在下面，因而改善装煤效果，但底座较短，与底板的接触比压增大，稳定性较差。3、 直接支撑掩护式支架：这种支架把立柱设置在顶梁之下，大大提高了支撑效率，同时底座加长，减小了与底板的接触比压，适用于松软及中等硬度的底板条件。直接支撑掩护式支架在结构上有以下特点：（1） 与插入式相比，顶梁较长。（2） 立柱直接支撑在顶梁和立柱之间，又在顶梁和掩护梁之间设置了平衡千斤顶，使支架成了稳定结构，更加强了对机道上方的支护能力。掩护梁和顶梁后端铰接，消灭了三角区，有利于顶梁和顶板的结合。1.5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) 即时支护般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。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：割煤一推溜一移架。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) 复合支护般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。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掩护式液压支架的组成及部件作用1.6.1掩护式液压支架的组成掩护式支架是由前梁、护帮板、主梁、掩护梁、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。它采用本架控制，有两种供液压力，立柱、平衡千斤顶、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。在推溜液路上未设液控单向阀，可使系统简单，为国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。1.6.2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。1.6.3底座用途：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。1.6.4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。1.6.5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。1.6.6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采煤工作面液压支架设计目的、要求和设计液压支架的基本参数1.7.1采煤工作面液压支架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，可见对压液支架的需求量是很大的。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，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计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时很重要的。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。1.7.2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，中煤层一般为150 KN250KN，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，要有足够宽度的人行道。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。1.7.3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。1.8.掩护式液压支架的支撑力分布和承载1.8.1掩护式支架的特点和支撑力分布掩护式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，并且分布均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑式支架大，其支撑力的分布规律如图1-8所示。图1-8掩护式支架支撑分布Fig 1-8 shield stents distribution1.8.2掩护式支架在不同顶板条件下承载分析1)掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力分析支架的顶梁和掩护梁受力情况如图1-9所示图1-9掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况Fig 1-9 shield in broken unstable roof conditions of the force 顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的合力Q3，载荷分布如图1-9所示。掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁候补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以分解为垂直分布力和水平分布力，如图1-9所示。掩护式支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布于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。2)掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况图1-10图1-4 掩护式支架在中等稳定以上顶板下的受力分析Fig 1 -10 shield stability in the middle of the roof above Analysis掩护式支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差，受力情况如图1-10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，老顶压力将由整个支架和采空区跨落岩石承担，或者有可能出现在切顶时，老顶直接加压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减小，使支架难于承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种支架不能再中等稳定以上顶板下工作。2 液压支架的总体设计2.1液压支架参数的确定2.1.1初撑力初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言的，并与顶板的性质有关。较大的初撑力可以使支架较快地达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%。2.1.2移架力与推溜力移架力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关，一般薄煤层支架的移架力为。2.1.3支架调高范围支架最大结构高度支架最小结构高度m式中 、煤层最大、最小采高；伪顶冒落的最大厚度，一般取m，这里可取0.25m；顶板周期来压时的最大下沉量、移架使支架的下降量和顶梁上、底座下的浮矸、煤层厚度之河，一般取0.10.2m，这里取0.1m。确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度支架的伸缩比值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚度变化的能力越强，采用双伸缩立柱，值可取1.9左右。若进一步提高伸缩比，需采用带机械加长杆的立柱。2.1.4中心距和宽度的确定支架中心距（）一般等于工作面一节溜槽长度。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。目前国内外液压支架中心距大部分采用1.5m，因此设计中预取=1500mm。顶梁总宽度（）根据顶梁的性质来确定，宽度大，虽可加快移架速度，提高支架的稳定性，但对顶板适应性差，架间距为1.5m的支架,顶梁体宽度一般不小于1.4m,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170200mm。这里可取=1500mm，=1300mm。2.1.5底座长度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，可取2200mm。2.2四连杆机构设计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。 为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连杆机构的作用。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。这些特征是四连杆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，顶梁端点运动轨迹的最大宽度mm，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P和后连杆与底平面的夹角Q，应满足如下要求：支架在最高位置时，；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，则。为了安全可靠，最低工作位置应使。3) 掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心之间的连线与水平线夹角为,设计时要满足，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纽线向前凸的一段为支架工作段，如图21所示的h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。图2-1四连杆机构几何特征Fig.2-1 The geometric features of four-bar linkage我们按如图所示方法，把硬纸板按1：10比例剪成掩护梁和前后连杆三个板块，在根据前连杆下铰点O点的位置，前、后连杆长度，曲线最大宽度，曲线的形状以及角的要求，不断调整三个板块位置，确定一组四连杆尺寸，前连杆700mm，后连杆653mm，掩护梁1451mm。四连杆机构作图方法1一掩护梁；2一前连杆； 3一后连杆2.2.1四连杆机构的优选（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。2.3顶梁长度的确定根据支架工作方式何设备配套尺寸来确定顶梁长度2.3.1顶梁的作用顶梁直接与顶板接触，承受顶板岩石载荷，并起切顶作用，是支架的主要承载部件之一。要求顶梁对顶板有良好的适应性和足够的强度。2.3.2组成 该顶梁为整体顶梁，其结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；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。改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端（800mm1000mm）一般上翘13。2.3.3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影响很大，先移架后推溜方式（及时支护方式）要求顶梁有较大的长度；先推溜后移架方式（滞后支护方式）要求顶梁长度较短。只是因为采用先移架后推溜的工作方式，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比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距为600mm。2.3.4配套尺寸对顶梁长度的影响为防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不切割顶梁在设计时要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm。2.3.5顶梁长度的计算掩护式支架顶梁长度计算(如图2-3)：1) 顶梁长度=配套尺寸+底座长度+Acos（）-Gcos（）+300+e+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm）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，参照SY38001022型掩护式液压支架底座长度可取2200mm；e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离，根据范围可取20mm； 、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；A、G分别为后连杆和掩护梁长度。图2-3配套尺寸图Fig.2-3 Matching size graph2) A和G的长度确定：一般按同类型支架用类比法来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，参照SY38001022型掩护式液压支架可选取掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为130mm，后连杆下铰点至底座底面之距为220mm。-130-220=2250-130-220=1900mm取、，后连杆与掩护梁的比值I=0.450.61，这里I可取0.45。当支架在最高位置时的H1值确定后，掩护梁长度G为：G=1451mm后连杆的长度为：A=IG =0.451451=653mm前、后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为=0.220.3，这里可取0.25前、后连杆上铰点之距为：B=G=0.251451=362.8mm顶梁长度=配套尺寸+底座长度+Acos（）-Gcos（）+300+e+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距=2422+2200+675cos（）-1500cos（）+300+20+100=3769mm。式中 配套尺寸参照MG300AW1型采煤机、SGZ764型输送机来选取配套尺寸=671+374+764+613=2422mm。2.4立柱及柱窝位置的确定2.4.1立柱的作用立柱是液压支架实现支撑和承载的主要部件，它直接影响支架的工作性能。液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等诸多方面提出许多新的要求。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。 2.4.2立柱数掩护式支架为二柱。2.4.3支撑方式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直夹角小于300（支架在最低工作位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。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大。2.4.4立柱的设计1）支护面积支架的支护面积按下式计算：式中 支护面积()；顶梁宽度，取1.5m；顶梁长度；移架后顶梁前端点到煤壁的距离，一般取0.3+e。故： =5.982）支护强度支护强度的计算可借助于查表。首先按表根据老顶级别和直接顶类别确定支架架型，再根据老顶级别和采高确定支护强度，。立柱参数的确定：立柱缸体内径按下式进行计算： =式中 立柱缸体内径（cm）；支架承受的理论支护阻力（）； KN每架支架立柱数；立柱最大倾角，可取；安全阀调正压力，取。按照国家标准选取比计算值大的标准值作为内径，选取立柱的基本参数为：外缸内径： 180mm中缸外径： 170mm中缸内径： 140mm 活柱外径： 120mm工作阻力： 1078KN外缸额定工作压力： 44.1中缸额定工作压力： 72.8推荐选用钢材：外缸：中缸：活柱：元钢 2.4.5立柱柱窝位置的确定1) 上柱窝位置的确定确定的原则：从理论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶板载荷分布一致。但顶板载荷复杂，分布规律因支架顶梁与顶板的接触情况而异。为了简化计算，假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化，沿支架宽度方向均布。把支架的空间杆系结构简化成平面杆系结构。同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁长度方向向后越来越大呈三角形分布，并按集中载荷计算。所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上柱窝位置。此时认为支架顶梁承受集中载荷在顶梁3/1处，取顶梁为分离体，受力情况如图2-4所示。图2-4 受力分析图Fig.2-4 The force analysis graph对A取矩： 式中 x立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（m）；支架支护阻力（KN）；q支架最大支护强度（）；支护面积（）；顶梁长度（不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距）（m）；立柱工作阻力之和（KN），1678.6KN；顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距（m）；立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距（m），参照QY240-10/26型掩护式支架取；立柱在最高位置时的倾角（度），可根据立柱在最高位置和最低位置时以及立柱在最低位置的倾角来计算出。2) 下柱窝位置的确定立柱下柱窝位置的确定，要有利移架，使底座前端比压小。同时考虑柱前行人和支架的调高范围以及下柱窝与前连杆下铰点的距离，一般按支架在最低工作位置时立柱最大倾角应小于来考虑，具体计算如图2-5所示。图2-5受力分析图Fig.2-5 The force analysis graph按几何关系列出的下述诸公式进行计算。 （2-1） （2-2）将（2-2）式代入（2-1）式得： （2-3） =1219.9mm式中 ；支架最低位置时，后连杆与水平面夹角，利用几何作图法可求出=170；支架最低位置时，立柱倾角；支架最低位置时，掩护梁与水平面夹角，同样可以利用几何作图法求出=31.60；立柱上柱窝至掩护梁与顶梁铰点之距；立柱下柱窝至底座下表面之距，这里参照SY38001022型掩护式液压支架可选取=0.15m。由支架的 、可计算得出立柱的工作行程L=892mm，查液压缸活塞行程系列表取L=900mm。2.5平衡千斤顶及其位置的确定2.5.1平衡千斤顶的作用平衡千斤顶铰接于顶梁与掩护梁之间，使支架构成稳定结构，通过它可以调节顶梁呈水平状态或所需角度，使相邻支架保持良好的密封状态，还可以利用双向控制阀，使平衡千斤顶呈推力或拉力，适应顶板载荷变化。2.5.2平衡千斤顶安装位置的确定原则为了保证支架工作的可靠性，支架的支撑力分布包括立柱的支撑力和平衡千斤顶的推力和拉力等）必须适应顶板载荷分布。当立柱的上、下柱窝位置确定后，就可以根据顶板载荷分布来确定平衡千斤顶的位置，现按两种情况进行分析。当顶梁前端出现空顶时，顶梁后端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡千斤顶受拉，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端0.27倍顶梁长度出来进行计算。当顶梁后端出现空顶时，顶梁前端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置前移，此时平衡千斤顶受推，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端0.35倍顶梁长度处进行计算。掩护式支架中平衡千斤顶的推力和拉力计算，平衡千斤顶位置应按如下方法计算确定2.5.3平衡千斤顶在顶梁上位置的确定1）平衡千斤顶在顶梁上位置的确定取顶梁为分离体（如图2-6示）：图2-6受力分析图Fig.2-6 The force analysis graph由得出 （2-4）由 （2-5） （2-6）将（2-4）代入（2-6）中得到新的方程，此方程再与（2-5）联立可解出：式中 平衡千斤顶的推、拉力（推力取“”、拉力取“”）；顶板与掩护梁之间的摩擦系数，计算时取0.3；支架在最高位置时的立柱倾角；支架在最高位置时平衡千斤顶倾角。为使平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度是平衡千斤顶与掩护梁平行，可以取支架在最高位置时顶梁上平面和掩护梁的夹角。平衡千斤顶活塞杆铰点至顶梁顶面之距，当支架降到顶梁和掩护梁成时，为使平衡千斤顶不与掩护梁发生干涉，所以可以按下式进行计算： 式中 掩护梁厚度（m），参照SY38001022型掩护式液压支架可选=0. 5m；平衡千斤顶外径（m），参照SY38001022型掩护式液压支架可暂选=0.125m；平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取m；瞬心点至顶梁和掩护梁铰点之距（m）；立柱柱窝中心至平衡千斤顶上铰点之距（）；平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距（m）；支护阻力合力作用点位置（m），平衡千斤顶在推力时，取。式中为顶梁长度。2）平衡千斤顶的行程计算为了防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身拉坏，对平衡千斤顶的行程有如下要求：当支架在最高位置时，顶梁能下摆；支架在最低位置时顶梁能上摆，或顶梁和掩护梁近似成。为简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞杆全部伸出时顶梁和掩护梁成；平衡千斤顶的活塞杆全部缩回时，支架恰好在最高位置。 当支架在最高位置时，平衡千斤顶达到最小长度为,如图2-7所示。图2-7 支架在最高位置时的Fig.2-7 The of hydraulic support At the highest position上式中 =204mm当顶梁和掩护梁成时，平衡千斤顶达到最大长度为，如图2-8所示。图2-8 计算图Fig.2-8 The nomogram行程 =3）平衡千斤顶在掩护梁上位置的确定平衡千斤顶的行程确定后，即可确定它在掩护梁上的位置 式中 当活塞全部缩回后，缸体上铰点至活塞上部之距，这里可以取=209mm； 当活塞杆全部缩回时，活塞杆铰点至活塞腔出油孔中心线之距，这里取=141mm。通过和的计算，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。2.6主要轴销间隙及其影响参照QY240型支架，顶梁和掩护梁孔为82mm，销为80mm，间隙为2mm；四连杆孔为102mm，销为100mm，间隙为2mm。销轴间隙大小对支架支护性能有一定影响，现仅举例说明之。1）影响梁端距如果销轴间隙均能保证，当顶板对顶梁的摩擦力向后时，使顶梁前端后移2mm，反之当顶板对顶梁的摩擦力向前时，使顶梁前端向前移2mm。2）间隙过小，装配困难。3）受力影响支架在承载让压时，若间隙适当，销轴在销孔中可转动，阻力矩甚小，在受力计算时忽略不计，否则阻力矩较大，使支架动作不灵活。3液压支架的主要部件的设计各部件设计的基本要求如下：1）四连杆机构应进行优化设计，使支架梁端距变化小，支架受力状态最佳，结构上既满足