机械毕业设计（论文）-ZY40001432中厚煤层掩护式液压支架设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2011届本科生毕业设计第97页1 绪论全套图纸，加153893706液压支架是综采设备的重要组成部分。它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。它与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化，解决机械化采煤工作中顶板管理落后于采煤工作的矛盾，进一步改善和提高采煤和运输设备的效能，减轻煤矿工人的劳动强度，最大限度保障煤矿工人的生命安全。 近年来，我国液压支架的研制工作发展很快，从基本上依靠进口，发展到自行设计、自行制造，而品种繁多、功能齐全、质量可靠。1.1液压支架的发展 进入20世纪90年代以来，煤机产品呈现高技术化的特征。“十五”期间，煤机企业要坚持自主创新与引进技术、合作开发、合作制造相结合，跟踪世界煤机技术的发展趋势，将先进适用的技术和工艺，逐步转化为国产技术；大力推进机电一体化。经过10多年的联合、兼并和重组后，国外形成了在西方发达国家煤机市场中占据垄断地位的两家大型跨国公司DBT公司和JOY公司。DBT公司收购了朗艾道公司，实力有了显著的增强。他们的产品除了供应美国、澳大利亚、南非等世界先进的采煤国家外，已陆续进入我国，以各种形式抢占我国市场。我国煤机企业存在着分散管理、各自为战、生产规模小、技术开发能力弱、竞争能力不强的问题，面对跨国公司的挑战，我国煤机企业必须走联合的道路，集结力量，发挥群体优势，在煤机行业中组建具有实力的企业集团，以集团军的形式与发达国家煤机企业竞争。 目前我国是世界上第一大煤炭生产国和消费国，2006年煤炭产量达到23.25亿T，占世界煤炭总产量的37.4%。与之相一致的是，我国煤机制造行业的总产量也是位居世界首位，特别是以液压支架、刮板输送机、采煤机为主的煤炭综采装备生产总量位居世界第一。我国液压支架技术起步于20世纪60年代末70年代初,当时煤炭科学研究总院北京开采所、太原、唐山和上海研究所等单位都先后开始对液压支架展开研究。30多年来，先后开发研制了垛式、节式和掩护式等系列液压支架,并且针对不同地质条件和煤层厚度开发了大采高液压支架、薄煤层液压支架、大倾角液压支架和铺网式等液压支架。20世纪50年代前，在国内外煤矿生产中，基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架，目前，以液压支架为主体的地下综采设备，已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。我国是煤炭生产大国，在20世纪60年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。20世纪70年代，我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架，经过使用、仿制和总结经验，到20世纪80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20多种不同规格的液压支架。目前，在国内大、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。1980年起，人们取得了对自移式液压支架的研制成功并逐步改进完善，进而普遍推广应用，使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序全部实现综合机械化，煤矿取得了较大综合效益。1.2液压支架技术的发展趋势 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。现在国外的普通综采工作面液压支架已实现了微机红外线电液自动控制，可成组、成排地向前移架，额定供液压力达到40MPa，流量300 L/min450 L/min，供液管径100 mm120 mm，移架速度超过了10 组/min。而国产液压支架还是中低压小管径供液，人工手动操作。现场实际统计，前移一组支架大约需1 min。最大的支架供液压力不超过32 MPa，供液管径25 mm30 mm，流量在150 L/min200 L/min。二柱掩护式液压支架的工作阻力780 t，架宽1.5 m，采用PM4 型红外线电液控制系统，由采煤机微电脑远距离控制，支架立柱直径超过400 mm，移架速度10 组/min。20 世纪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400 mm。为减少割煤时间，一般采用0.8 m1m 的截深。支架还采用屈服强度800 MPa1 000 MPa 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10 MPa 50 MPa，额定流量100 L/min 500 L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，达到6 s/架8 s/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50 MPa、额定流量478 L/min 的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达6 s/架 8 s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命810 年，可用率高达9598。支架平均工作阻力6 470 kN（最大为9 800 kN，支架宽度普遍增大，中心距达到1.75 m，并向2 m 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 英里矿在长壁综采面用工作阻力为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8 900 kN 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1 336 t/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7 640 kN。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 的最高纪录，班产一直保持在5 000 t6 000 t。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5 000N6 000 N。1.3液压支架的组成 液压支架由顶梁、底座、掩护梁、前后连杆、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要部分组成。1.3.1顶梁顶梁都为箱型结构，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，顶梁前端呈滑橇式或圆弧型，以减少移架阻力。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，孔用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来。掩护式液压支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。为了满足各种支架强度和刚度的要求，顶梁可分为整体顶梁和分段组合式顶梁两大类。作用：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。要求：1）顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；2）顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；3）顶梁对顶板的覆盖率高；4）顶梁能适应顶板的起伏变化。1.3.2掩护梁掩护梁是支撑掩护式和掩护式支架的特征之一，它直接承受冒落矸石的载荷和顶板通过顶梁传递的水平载荷引起的弯距，一般都采用有钢板焊接而成的箱体结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。活动侧护板装在掩护梁的两侧。掩护梁的侧面形状有折线型和直线型两种，通常插腿式掩护式支架掩护梁采用折线型，结构强度高，可以增大通风断面，但工艺性差。掩护式和支撑掩护式支架多采用直线型，使得制造工艺简单。掩护梁一般做成整体，也有做成左右对分的对分式结构，尺寸小，易于加工、运输和安装,但结构强度差。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。1.3.3活动侧护板目前用的掩护式支架都有比较完善的侧护装置，不仅掩护梁两侧有侧护板，而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后端的两侧均有侧护板。支架工作时，一侧的侧护板是固定的，另一侧是活动的，制造式通常两侧侧护对称，活动侧护板通过弹簧套筒和侧推千斤顶与梁体连接，总装时按照需要将一侧用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。还有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，有利于放倒和调架。用途：1）消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙；2）防止冒落前是进入支护空间作为支架移架过程中的导向板；3）防止支架将落后侧倒；4）调整支架的间距。同时，侧护板必须同时具有导向、防倒和调架等功能，否则将因支架不平行、倾倒或间距加大而出现架间空隙，影响防钎效。1.3.4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。双扭线式支架的连杆应能承受从掩护梁传递来的冒落石的载荷和顶板水平运动引起的载荷，从而对它们有足够的要求，一般后连杆为整体铸钢件，前连杆为左右分支的铸钢件,这样可使支架的有效利用空间大些。双扭线式支架的梁、各连杆虽然增加了支架结构的稳定性，但也因要抵抗顶板的水平运动大大增加了对支架承载构件的作用力，结果使构件断面增大，支架重量增加。掩护式和支撑掩护式支架的进一步发展方向之一是寻求减轻支架的重量的方法，其中一个办法就是把刚性连杆用液压油缸代替，它的最大承受载荷可由安全阀调定，这样适当控制支架承受的水平载荷，从而减轻支架的重量,但这样做的结果使得支架的稳定性降低，因此在限制液压连杆的受力时应满足支架稳定性的需要。1.3.5底座底座有三种类型：整体式 整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构,整体性强,稳定性好,强度高,不易变形,与底板接触面积大,比压小；对分式 为使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化,通常把底座制成前,后或左,右对分式；底靴式 底靴式底座的特点是每根立柱支承在一个底靴上,立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，结构简单，动作灵活，对底板的不平整适应性强，但刚性差，与底板接触面积小，稳定性差，一般用于节式支架。掩护式和支撑掩护式支架的底座多采用整体刚性平底座，各种形式的底座前端都制成滑橇形，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，增加底座后部比压,同时有利于排矸。1.3.6推移装置作用：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1.3.7操纵控制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。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，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。1.4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。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下腔，上腔回液，推动活柱上升，使与活柱相连接的顶梁支撑顶板。2) 降柱 当需要降柱时，高压液进入立柱的上腔，下腔回液，迫使活柱下降，于是顶梁脱离顶板，为移架做准备。图1.1 液压支架的工作原理3) 支架和刮板机前移 支架和刮板机的前移，都是由底座上的推移千斤顶和推杆来完成的。当需要支架前移时，先将立柱卸载，然后高压乳化液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以刮板机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推刮板机时，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，把刮板机推向煤壁。1.5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。1.5.1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所示，前梁较长，立柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由立柱的复位装置来保证。它靠立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 垛式 b 节式图1.2支撑式支架 1.5.2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 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 图1.3掩护式支架1.5.3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。1.6 液压支架工作状态及布置图1.3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、转载机、乳化液泵站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。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。从而对顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。1.7 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。图1.3 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；2工作面设备选型 2.1工作面设备选型配套原则(一)生产能力配套 工作面生产能力取决于采煤机落煤能力，而刮板输送机、液压支架及运输巷运输设备的运输能力要高于采煤机生产能力的20以上，要保证工作面高产，工作面运输设备的运输能力要大于采煤机的落煤能力，液压支架的移架速度一定要满足采煤机高产快速运行的要求。1、采煤机生产能力选择，采煤机的生产能力的决定是依据工作面的年产量及每小时生产能力而确定的。采煤机生产能力(th)=60(minh)采高(m)截深(m)采煤机牵引速度(minm) 煤的密度 (tm3 )系数2、刮板输送机生产能力要高于采煤机的生产能力。 3、液压支架生产能力的确定，为了保证工作面采煤机连续截煤，整个工作面支架的移机速度应大干采煤机连续截煤的平均截煤牵引速度。 (二)性能配套 主要解决各设备性能互相协调与制约的问题，从而发挥设备性能，满足安全生产需要。(三)空间配套 从安全角度出发，支架前柱到煤壁的无立柱空间宽度越小越好。 (四)寿命配套 采煤机、刮板输送机和液压支架的大修周期应相互配套。综合机械化采煤是将工作面的落煤、装煤、运煤、支护的各个环节有机的联系在一起，使各个环节实现机械化的过程，各设备之间的合理匹配，将使效率显著提高，劳动条件将有很大改善。2.2液压支架的选型液压支架选型原则： 1、支护强度应与工作面矿压相适应。支架的初撑力和工作阻力要适应直接顶和基本顶岩层移动产生的压力，将空顶区的顶板移近量控制到最小程度；2、支架结构应与煤层赋存条件相适应；3、支护断面应与通风要求相适应，保证足够风量，且风速不能超过规定值；4、液压支架应与采煤机、刮板输送机等设备相匹配。支架的宽度应与刮板输送机中部槽长度相一致，推移千斤顶的行程应比采煤机截深大100200mm，支架沿工作面的移架速度应能跟上采煤机的工作牵引速度并能满足生产指标。 2.2.1架型的确定选用二柱支顶掩护式液压支架。如图3.1所示：图2.1二柱支顶掩护式支架2.3 采煤机选型采煤机的选型直接关系到安全高效能否实现。在选择采煤机时着重考虑以下功率、牵引速度和技术先进性与可靠性等因素，故选择MG160/380-WD型电牵引采煤机。2.4刮板输送机选型刮板输送机选型原则： 1、刮板输送机应能保证工作面落煤生产能力需要，选择刮板输送机应以工作面最大生产能力乘以1.2的不均衡系数为基础；2、结构形式一般与采煤机相配套，输送机槽的结构应与工作外面底板条相适应，并应考虑与采煤机底板托架和行走机构尺寸相匹配；3、输送机铺设长度可根据刮板输送机技术特征、输送量、链速和工作面倾角等因素确定。根据工作面生产能力的要求以及采煤机、液压支架和运输机的配套关系，参照国内外工作面输送机的技术参数以及该矿区近几年综采 “三机”配套成熟的经验，最终选定SGZ7300/400型运输机。3 液压支架的结构设计3.1液压支架的主要尺寸的确定3.1.1支架高度支架最大结构高度支架最低结构高度式中 -支架最大高度（mm）； -支架最小高度（mm）； -煤层最大高度（mm）； -煤层最小高度（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， 伸缩比 3.1.2 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，整体自移式支架；整体迈步式支架；节式组合迈步支架支架节数。支架间距主要根据支架形式确定，但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，千斤顶连接位置在刮板槽中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。取 ，则3.1.3底座长度梁端距即移架后梁端到煤壁的距离，通常指不考虑煤壁片帮、煤壁歪斜或移架不足等因素影响的理论值。生产实践证明：决定支护效果的是顶梁前端到煤壁的距离，即梁端距越小，即使冒顶洞穴也不多。对于破碎顶板，梁端距不应超过100mm，但实际上很难实现。我国综采实践认为：梁端距的大小对支架前顶板的冒落情况有很大影响，尤其是破碎顶板，梁端距过大，会使顶板难以控制。但是，梁端距过小则易产生采煤机滚筒割顶梁事故。因为在输送机向采空区方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或运输机推移量不足时，采煤机的上滚筒和顶梁之间的距离就会减少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250300mm，最大不超过400mm， 我选择300mm。31.4 支架底座长度的确定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。我的移步距取800mm，则底座长为2800mm。3.2 支架四连杆机构的确定3.2.1 四连杆机构的作用（一）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；（二）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；（三）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；（四）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。 3.2.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特征来确定。其四连杆机构的几何特征如下：（1）支架从最高高度降到最低高度时，如图3.1所示顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于70，最好为30以下；图3.1四连杆机构几何特征图（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，为图3.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，P5262，Q7585；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，则要求，如果按钢和矸石的摩擦系数f=0.3，可求得，则P=16.7，为了安全可靠最低工作位置应使P25为宜，而角主要考虑掩护梁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，使支架不能降下来，一般取Q2530；还有书上的说法：是 在支架最小支护高度时，掩护梁倾角应保证移架过程中掩护梁背负的歼石能沿梁体下滑，即满足P18。（3）图4.1可知，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，要使0.35以下，主要原因是角直接影响附加力的数值大小；（4）支架的工作段要取曲线向前凸的那一段，如图4.1的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有前移的趋势防止岩石向右移动，又可以使作用在顶梁的摩擦力指向采空区，同时底板阻止底座向右移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了前梁端部的支护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架；再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力有掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁的受力。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曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取双纽线向前凸的那一段，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，进行作图就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图3.2所示。3.2.3 四连杆机构的设计从图3.2可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了。 图3.2 掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构其具体做法是顺时针转动后连杆使支架最高位置时的点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹，只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁的上铰点所作的运动轨迹上，任找几点（为作图方便起见，可找出支架上高、中、低三个位置时上铰点运动轨迹上的三点），把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的一点为前连杆的下铰点。这样四连杆机构就可以确定了。（一）几何作图来设计四连杆机构1、 掩护梁上铰点至顶梁顶面之距一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，再根据结构的合理性确定，一般支架取=150200mm，重型支架可取210260mm。后连杆下铰点至底座底面之距,般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取=150250vmm，对中厚煤层支架取250450mm，对大采高支架取450600mm。确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距（预确定为150mm），和后连杆下铰点至底座底面之距（预确定为250mm）。这个尺寸的选取最好进行同类支架的选取，在设计中我发现若是这两个尺寸选取不当会导致后续的麻烦。比如 ，立柱柱窝的位置确定跟同类支架相差很大等等问题。 已知条件是支架的最大高度3200mm和支架的最低高度1400mm，要求在这范围内掩护梁上的铰点上下运动时的轨迹是一条直线或近似直线，水平偏移量不许超过70mm。最好不要超过30 mm。2、用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图3.3所示：设： G掩护梁长度；A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。 GA图3.3掩护梁和后连杆计算图从几何关系可以列出如下两式 （3-5） （3-6）将（35）式和（36）式联立可得： （3-7）将四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定、 代入（3-7）式，可求得的比值。已知=3.2m，=1.4m ，最大计算高度和最小计算高度的确定。3.3 支架顶梁长度的确定3.3.1 支架工作方式对顶梁长度的影响支架工作方式对顶梁长度的影响很大，如图3.4所示。 先移架后推溜(又称及时支护方式)要求顶梁长度较长，先推溜后移架(又称滞后支护方式)要求顶梁长度较短。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，先移架后推溜时的顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度大一个步距，我取800mm。图3.4 支架工作方式比较图 先推溜后移架工作方式（活塞杆处于收缩状态） 先移架后推溜工作方式（活塞杆处于伸出状态）3.3.2 顶梁长度计算支架在工作面的相对位置关系如图3.5所示。图3.5支架配套设备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+ -+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm） (4-11)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,取e =19mm。、 支架在最高位置，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。配套尺寸=800+400+730+250=2180mm底座长度=2800mm顶梁长度= 3.4 立柱布置本支架采用单伸缩立柱。国内掩护式支架立柱常用2根。故立柱数为2根。3.5 立柱柱窝的位置确定3.5.1 立柱上柱窝位置的确定液压支架立柱上柱窝位置的确定原则，从理论上分析，要使顶梁支撑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，计算顶梁集中受力的位置。此时设定立柱上柱窝位置距顶梁和掩护梁铰接点长度为900mm，取顶梁为分离体，受力情况如图3.6所示。图3.6对A点取距： 式中， 顶梁集中受力点至顶梁和掩护梁铰点之距（m）；支架支护阻力（KN），；支架最大支护强度（）；支护面积（）；立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（m）；立柱工作阻力之和（KN）；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）；立柱在最高位置时的倾角（度）。3.5.2 立柱下柱窝位置的确定立柱下柱窝位置的确定，要有利于移架，使支架底座前端比压小，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距离，一般按支架在最低位置时，立柱倾角小于考虑。如图3.7所示： 下柱窝位置按下式计算： (3-13)式中， 上柱窝中心距顶梁与掩护梁铰点距离 支架在最低位置时的立柱倾角，取 支架在最低位置时，掩护梁与水平线夹角;. 支架在最低位置时，后连杆与水平线夹角 按下式计算： =1400-250-300 =850 式中， 支架最小结构高度 立柱上柱窝中心至顶梁上顶面距离(m) 立柱下柱窝中心至底座底面距离(m) 图3.7下柱窝位置计算下柱窝位置按下式计算： =1340mm3.6 液压支架的性能参数确定3.6.1 液压支架的支护强度支架有效工作阻力与支护面积之比定义为支护强度。顶板所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层厚度。我国已定制了不同顶板等级的支护强度标准，支护强度除可按规定选用外，还可按经验公式结算。 式中，作用于支架上的顶板岩石厚度系数，取K=6;截割高度，m。取最大截割高度，M=2.2 岩石密度，一般取故：3.6.2 液压支架的工作阻力支架支撑顶板的有效工作阻力为： 式中：支架的支护面积， 式中： 支架顶梁长度，； 梁端距，； 支架顶梁宽度，； 架间距，。 =6.243 偏于安全考虑，取工作阻力为。3.6.3 液压支架的初撑力初撑力的大小对支架的支护性能和成本都有很大影响。较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。一般取初撑力为（0.60.8）倍的工作阻力。初撑力在立柱设计中计算。3.6.4 支架推溜力和移架力液压支架要有足够的移架力和推溜力，推溜力一般为100150 。本次设计取推溜力为150。移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关，一般根据煤层厚度确定。薄煤层一般为150150，中厚煤层为150300，厚煤层为300400，本次设计取移架力为 200 ；37 平衡千斤顶计算37.1 平衡千斤顶推拉力的计算平衡千斤顶铰接在掩护梁和顶梁之间，是液压支架中非常重要的受力部件。参考同类液压支架，初取各参数如下，平衡千斤顶的受力如图3.8。图3.8千斤顶的受拉力千斤顶所受的拉力，按支架在最低位置时作用在顶梁上柱窝之后和所有掩护梁长度的厚度为最大采高的岩石重量计算。如图3.9是我在求千斤顶受拉力时的各部件间的尺寸关系。图3.9顶梁和掩护梁为分离体，对瞬心O取钜列平衡方程：得，式中，至掩护梁瞬心O点之距，S=2.237m；立柱至掩护梁瞬心O点之距，b=3.28m；作用在支架后部的岩石重量，(kN)；式中，岩石厚度，按最大采高算，；岩石计算长度，；顶梁最大宽度，；岩石容重，；故，kN再取顶梁为分离体，对A点取钜列力矩平衡方程，即，可求得平衡千斤顶的拉力，即：式中，j 立柱到A点之距，；d 平衡千斤顶到A点之距，（类比进行选取）；故平衡千斤顶拉力为，计算平衡千斤顶推力时，设支架的支撑合力Pc的作用点分顶梁前后段且长度比为2：1，用这个比例来计算平衡千斤顶的推拉力，即代入支架最高位置时，取顶梁分离体对g取距。平衡千斤顶推力为， 式中， 顶梁后铰点到顶梁尾端的距离，3.7.2 平衡千斤顶位置的确定为了保证支架工作的可靠性，支架的支撑力分布，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。（一）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倍顶梁长度处来计算。（二）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后移，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。取顶梁和掩护梁为分离体，如图3.10所示。图3.10顶梁和掩护梁分离体受力取 得： (3-14)图3.10顶梁分离体受力图取顶梁为分离体，如图3.10所示取 得： （3-15）式中 平衡千斤顶的推、拉力（推力取“+”、拉力取“-”）；顶板与顶梁之间的摩擦系数，计算时取0.3；支架最高位置时立柱倾角；支架最高位置时平衡千斤顶倾角；为了使平衡千斤顶不与掩护梁发生干涉，保证支架在不同高度时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与掩护梁的夹角。当支架降到顶梁与掩护梁成180时为了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： （3-16）式中， 掩护梁厚度，类比同类支架取0.4m；平衡千斤顶外径，由后面的计算知道其为0.18m；平衡千斤顶与掩护梁间之间隙，一般取3050mm，我取50mm；瞬心到掩护梁与顶梁铰点之距，0.15m。平衡千斤顶在拉力时，取，平衡千斤顶在推力时，取,式中为顶梁长度。通过（3-14）式求出，代入（3-15）式求得。由于平衡千斤顶的推力和拉力不同，使值不同。所以可以用值代入（3-15）式求得两个，再取平均值即可。当mm时，将其代入式(4-14)得到：当mm时，将其代入式(4-14)得到：然后分别代入式（3-15）得到：和取平均值：为了防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身被拉坏，对平衡千斤顶的行程有如下要求：当平衡千斤顶在最高位置时，顶梁能下摆15（此时平衡千斤顶最短），支架在最低位置时顶梁能上摆10，或顶梁与掩护梁近似成180（此时平衡千斤顶最长）；另外还要给平衡千斤顶一定的富裕行程。在确定了行程之后，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。在掩护梁上的位置可以进行类比同类支架。也可以通过计算进行得到。下图是我设计得到的平衡千斤顶具体位置：图3.11最高和最低位时的平衡千斤顶图3.12最高位时的平衡千斤顶顶梁下摆15图3.13支架在最低位置时顶梁能上摆103.8 液压支架适应性要求液压支架的适应性是决定支架成败的关键因素之一，设计时必须进行全面充分的考虑。支架适应性要求，是根据液压支架设计和使用经验面提出的，设计中必须子以保证。一、顶梁的适应性当采用整体顶梁时，支架最大高度时顶梁应能下俯，最小高度(最小采高)时要求能上仰。顶梁前端宜倾斜向上逐渐上翘，梁端高出后部平面3050mm，以补偿焊接变形，并保证第一接顶点靠近煤壁。带内伸缩梁的整体顶梁，当伸缩梁末伸出时其梁端高度应与顶梁上板面一致，伸出过程逐渐上抬，伸出后废高于顶梁顶而2050mm。当采用分体铰接顶梁时，前梁应能上摆，下摆。梁端支撑力应尽可能大于100k。运输时可将前梁放下转至与顶梁垂直以减小支架运输尺寸，便于整体运输。二、防护装置的适应性中厚煤层液压支架和大采高液压支架一般均应设置护帮板装置，适用“三软”煤层的液压支架必须具有完善的护帮装置。护帮千斤顶应用液压双向锁控制，可翻转护帮板(亦称跳梁)应能翻转到高于顶梁平面、转角大于的位置。煤层倾角大于时，支架需设防倒装置。常用支架防倒装置有两种形式：一种是邻架平拉防倒装置；另一种是斜拉防倒装置。平拉式防倒装置在移架时应允许被移支架下降150200斜拉防倒装置被防倒架与支撑架相隔不少于l2架，斜拉千斤顶缸径应等于或大于100，锚链的安全系数应大于5。一般用于中厚以上煤层的各种液压支架。 当煤层倾角大于15。时。需设防滑装置或称为底调装置。底推式支架防滑装置的液压系统必须保证底报千斤顶不使用时处于收缩状态以防止拉架时损坏。当煤层倾角大于25。时需设输送机防滑装置。防滑千斤顶缸径应等于或大于100，防滑锚链安全系数应大于5。当煤层倾角大于35。时，输送机防滑装置的液压控制系统，应保证全工作面的防滑千斤顶能同时操作，也能分别操作。 三、推移装置的适应性 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。短推移仟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，但千斤顶只能小腔拉架，提高拉架力较困难。长推移杆(框架)倒拉式推移装置，具有千斤顶大腔力拉架、小腔力推溜及拉架力大的特点，且拉架时，推移千斤顶作用力对底座前瑞产生垂直向上的分力，可将底座前端向上抬，有助于顺利移架。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253倍。移架装置在收回位置，其输送机相对水平位置向上抬起量不得小丁200(薄煤层支架不小于100咖)，下落不得小于100。支架移架速度应与采煤机截割牵引速度相适应。4 液压支架主要部件选择设计4.1 支架主要部件的设计要求顶梁是支护顶板的直接支撑构件，除满足一定的刚度和强度外，还要满足支护顶板足够的顶板覆盖率；同时尽可能的要适应顶板的不平整性，使顶梁与顶板的接触应力均匀，避免因局部压力而引起损坏。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，抗弯曲度，良好的密封性能，结构简单，并能适应支架的工作要求。掩护梁是支架的掩护构件，除防止采空区冒落的矸石涌于工作面外，并承受冒落矸石的压力和顶梁分解的水平力。底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此除满足一定的刚度和强度外，对底板起伏不平的适应性要强；对底板接触比压要小；要有足够的空间安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置；要便于人员操作行走，能起一定的挡矸作用；要考虑排矸能力；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。4.2 顶梁的选择设计4.2.1 顶梁结构形式液压支架的顶梁是直接支撑顶煤和间接支撑直接顶及老顶部分载荷的承载部件，除满足一定的刚度和强度外，还要求对顶板覆盖率要高，以减少降、移支架过程中漏煤。由于顶煤易产生裂隙、破碎及跨落，要求顶梁尽可能适应这种变化，具有良好的接顶性能，避免因局部压力而引起损坏。顶梁结构形式如图4.1，图4.1 顶梁的结构型式1护帮；2后梁；3尾梁；4护帮千斤顶；5前梁伸缩千斤顶图4.1 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4.1 b为铰接式顶梁