中厚煤层支撑掩护式支架总体设计分析及顶梁设计毕业论文.doc

华北科技学院毕业设计(论文)中厚煤层支撑掩护式支架总体设计分析及顶梁设计毕业论文第1章 液压支架的概述1.1 液压支架的发展趋势1.1.1我国液压支架的发展历史液压支架是中国煤矿综合机械化采煤工作面最主要技术之一，也是综采工作面装备中装备数量最大的产品。自1964年我国第一架液压支架问世，经过几十年的引进技术、消化吸收和自主研发，液压支架在煤炭综采重大装备制造本土化首先取得突破，成效显著。国内有些技术如综采放顶煤支架技术处于国际领先水平，大采高液压支架的主要技术参数已接近或达到国际先进水平。国产液压支架以其低廉的价格，同时又以较好的技术性能满足了煤矿用户的基本要求而广受国内外煤矿企业的欢迎和信赖。1.1.2我国液压支架今后的发展趋势我国液压支架技术水平与国际上液压支架先进水平相比，与进一步发展我国高产高效矿井的要求相比较，仍有一下几方面的差距：设计理念与设计方法、产品标准、产品可靠性、控制系统技术水平、液压元件技术与工艺。我国今后液压支架需要改进的是：要进一步研究复杂条件下支架与围岩的相互作用机理，支架在复杂地质条件下的力学特征，进一步研究现代设计理论和设计方法在支架设计中的应用；提高支架的强度和耐久性；各类材料的升级换代，同时也要使制造工艺实现全面的技术进步；研究并生产出完全国产化的高可靠性的液压支架液压阀和电液控制系统及液压原件；发展具有电液控制的薄煤层液压支架、6-7米超大采高液压支架，实现无人工作面的全自动化开采。1.2液压支架的组成和用途1.2.1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、操作控制系统等主要部分组成。1.2.2液压支架的用途定义：以液压为动力实现升降、前移等运动，进行顶板支护的设备、负责支护工作面顶板、维护工作面安全工作空间、能自移、能推动刮板输送机以实现工作面前进。用途： 支撑和管理顶板 隔离采空区 实现工作面设备的推进 保证操作人员和其他设备的安全1.3液压支架的工作原理液压支架在工作过程，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图所示。升柱：当需要液压支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，是与活塞杆相连的顶梁紧紧接触顶板。降柱：当需要降柱时，高压乳化液进入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推动活塞下降，顶梁脱离接触接触顶板。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。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；当需要推移输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶下腔，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曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-1所示 图1-1支架的工作特性曲线 支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化可分为三个阶段：支架升柱时，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，此阶段为初承力阶段t0；支架初撑后，随着顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架安全阀的调正压力，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，是立柱下腔压力超过的安全阀调正压力值时，安全阀打开溢流，立柱下缩，是顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，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t2。第2章液压支架的架型特点及选型2.1设计要求1 液压支架架型选择。2 液压支架整体结构设计，包括对顶梁，底座，掩护梁以及四连杆尺寸的确定和设计。3 对液压支架结构形式的选择，受力分析，强度设计，其中包括力学模型，受力简图，剪力图，弯矩图，剪力方程，弯矩方程。4专题设计：顶梁。2.2液压支架的分类及特点2.2.1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分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。1支撑式液压支架：支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如图2-1所示，图2-1 支撑式液压支架的类型前梁较长，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。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，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稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。2掩护式液压支架：掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图2-2所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；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，通风阻力小，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。3支撑掩护式液压支架：支撑掩护式液压支架是在支撑是液压支架和掩护式图2-2 掩护式液压支架的类型a 插腿式支架 b立柱在掩护梁上非插腿式支架c立柱在顶梁上非插腿式支架液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构，使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。支撑掩护式液压支架适用范围很广，可用于各种顶板条件，尤其用于中等稳定以上的顶板条件。其缺点是：结构复杂，重量大，价格较贵。不同结构形式的支撑掩护式液压支架，其主要区别是立柱的布置方式不同。具体分类方法及及型式如图2-3所示图2-3支撑掩护式液压支架的类型a四柱平行支在顶梁上的支架b四柱交叉支在顶梁上的支架c两支柱支在顶梁上，两柱支在掩护梁上的支架2.2.2顶板的组成回采工作面的顶板，根据岩层和煤层的相对位置及特征，可以分三类：1伪顶：直接位移煤层上方使极易垮落的一层岩石。它通常使灰质页岩和泥质页岩，厚度一般不大于0.30.5米，经常随采随冒。有些岩层不出现伪顶。为顶对支护设备的使用一般没影响。2直接顶：是指位于伪顶或直接位于煤层上方的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质页岩、页岩、沙质页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式及架型选择由决定性的影响。3老顶：是指位于直接顶之上厚而坚实、节理裂隙和层理都不发育的整体岩层。通常由砂岩、石灰岩或砂砾岩等构成。老顶常能在采空区维持很大悬露面积而不随直接顶一起垮落，其垮落步距的长短对支护设备的载荷大小由决定性影响。2.2.3液压支架的支撑力与承载关系1支撑式液压支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部分，以阻止上部岩层的移动，实现切顶。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板则处于无立柱状态，仅靠支护力较小的前梁来维护。股支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀，起预想的支撑力分布规律如图 图2-4 支撑式液压支架支撑力分布图2掩护式液压支架的特点和支撑力分布掩护式液压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，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑是液压支架大，其支撑力的分布规律如图2-5所示掩护式液压支架在不同顶板条件下的承载分析1）掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况：顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数减少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的合力为Q3，载荷分布如图2-6所示掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁后部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分解垂直分立和水平分力，如图掩护式液压支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布和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。图2-5掩护式液压支架支撑力分布图图2-6 掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况2）掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况。掩护式液压支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差，受力情况如图2-7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，基本顶压力将由整个支架和采空区垮落岩石承担或者有可能在切顶时，基本顶直接压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减小，使支架难以承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种支架不能在中等稳定以上顶板下工作。图2-7 掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况 3支撑掩护式液压支架支撑力分布与承载的关系及适用范围 图2-8 支撑掩护式液压支架支撑力分布支撑掩护式液压支架是为了改善支撑式液压支架和掩护式液压支架的性能和对顶板的适应性而设计的，主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的支撑力和承载能力。所以此种支架介于以上两种支架之间，增强了适用范围，适用于顶板较坚硬 、顶板压力较大顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图2-8所示2.3液压支架的选型2.3.1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合矿井和工作面的条件，投产后能够做到高产、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、技术和设备条件进行选择。1液压支架架型的选择首先要适合于顶板。一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。2当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，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、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式支架。4应使支架对地板的接触比压不超过地板允许的抗压强度。在地板较软条件下，应选用抬地板装置的支架或插腿掩护式支架。5煤层倾角小于10时，液压支架可以不设防倒防滑装置。倾角在1015（支撑式液压支架取下限，掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架取上限）以上时，应选用带有防滑装置的液压支架。倾角在18以上时，应选用同时带有防滑防倒装置的液压支架。6对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程要求，并优先选择通风面积大的支撑式或支撑掩护液压支架。7当煤层为软煤时，支架最大高度一般应2.5m；中硬煤时，支架最大高度一般3.5m；硬煤，支架最大高度5m。8同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。支撑式液压支架最便宜，其次是掩护式液压支架，最贵为支撑掩护式液压支架。2.3.2液压支架设计的原始条件基本（老）顶级别:三级直接顶级别:三级采高:2.5m3.2m 2.3.3液压支架的选型过程1确定直接顶和基本顶类别1)顶板分类（1）直接顶分类我国将缓倾斜煤层回采工作面的直接顶分为四类：一不稳定顶板即破碎顶板，很容易冒落，冒落能基本充满采空区。泥质页岩、再生顶板等属于这一类。二中等稳定顶板：这类顶板强度较高，但由大量节理裂隙，局部较完整，厚度不大，冒落后不能充满采空区，一般支护设备前移后随即冒落。砂质页岩、粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。三稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落。砂岩顶板、坚硬的砂质页岩顶板属于这一类顶板。四坚硬顶板：极难冒落的砂岩、坚硬砂质页岩等属于这一类顶板。表2-1 基本顶级别基本顶级别基本顶来压不明显明显强烈极强烈指 标N=350.3N35LP=25500,3N35LP50N0.3LP=2550N0.3LP50注：1.比值N应根据采煤工作面所在位置的地质柱状图中的M和h来计算。2.基本顶初次来压步距LP可根据现场实测或矿压显示特征确定。（2）老顶分级老顶根据周期来压明显与否分为四级：I级顶板，周期来压不明显；II级顶板，周期来压明显；III级顶板，周期来压强烈；IV级顶板，周期来压极强烈。老顶周期来压越不明显，作用于支架上的载荷就越小，而且稳定。反之，周期来压越强烈，作用于支护设备上的载荷就越小，且有冲击。表2-2 老顶级别 类 别指 标不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指数D1l=3l8l=3.17 l=918l=7.112 l=1925l12l25 无直接顶，岩层厚度在25m以上6080参照指标直接顶初次垮落步距l/m表中按右式计算： D1=c1c2=岩石单向抗拉强度（Mpa）c1= 节理裂隙影响系数；c2=分层厚度影响系数。表2-3 节理裂隙间距表节理裂隙间距表l/m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2c10.30.320.340.370.390.410.430.460.480.500.520.55表2-4分层厚度表分层厚度表Hx/m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.112.C20.240.250.270.290.30.320.330.350.360.380.390.41表2-5 支架架型确定参数支架架型确定参数基本顶级别直接顶级别12312312344液压支架架型掩护掩护支撑掩护掩护或支撑支撑支掩支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m）支架支护强度/(KN/m)采高1m采高2m采高3m采高4m294343（245）441（343）539（441）1.32951.3343（245）1.3441（343）1.3539（441）1.62951.63431.64411.65392295234324412539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区注: (1)表中括号内数字系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)表中采高为最大采高2液压支架类型的确定由给定的顶板条件参照表2-5可选取的液压支架的选型为支撑掩护式液压支架。第3章 支架各部件的结构特点3.1支撑掩护式液压支架的整体结构支撑掩护式液压支架主要由护帮、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3-1 支撑掩护式液压支架1-护帮；2-防片帮千斤顶；3-前梁；4-顶梁；5-掩护梁；6-四连杆机构；7-底座；8-推移千斤顶；9-立柱；10-机械加长杆108169754323.2液压支架的各部件结构3.2.1液压支架的顶梁1支撑式液压支架的顶梁结构21支撑式液压支架顶梁结构形式如图3-2所示。如图a所示为整体刚性顶梁。顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好，但对顶板适应性差。图3-2 支撑式液压支架的顶梁类型35124212 如图b，c所示为铰接式顶梁，由前梁和后梁组成，分别由前、后排立柱支撑。其中，b为全铰式，它能适应支架顶梁上方前后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半饺式顶梁如图c所示，它克服了全铰式的缺点，当中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于铰接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。如图d所示为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接，在铰接前梁处安装有前梁千斤顶，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上下摆角适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增设尾梁，如图e所示。如图f所示为不带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶式顶梁伸缩，由于前梁可以及时伸出支护暴露的顶板，从而允许固定顶梁减小长度，也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。2掩护式液压支架的顶梁结构掩护式液压支架的顶梁结构型式如图3-3所示如图a所示为平衡顶梁顶梁较短，与其下部的的掩护梁铰接。因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁，顶梁铰接点前、后侧面的比例接近于2：1（按载荷分布近似三角形设计）。这种顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被冒落矸石堵住，影响支护效果。为此，在顶梁后部加设挡矸板。ZYZ型掩护式液压支架就采用此种结构。如图b所示为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除三角区。如图c所示为铰接式顶梁，顶梁为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁铰接，取消三角区，立柱直接支撑在顶梁上。平衡千斤顶调节顶梁的接触面积。图3-3 掩护式液压支架定量的类型1-顶梁；2-前梁；3-后梁；4-掩护梁；5-立柱；6限位千斤顶；7前梁千斤顶8-平衡千斤顶如图d所示为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶调节前梁角度，可以提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。如图e所示为带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，减少顶板的暴露时间铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为如图d、e所示两种型式的结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。3支撑掩护式液压支架的顶梁结构由于支撑掩护式液压支架的结构介于支撑式和掩护式液压支架之间，所以，支撑掩护式液压支架的顶梁结构可采用前述诸种型式，但应根据顶板条件来选取。4顶梁的断面形状各类顶梁都为箱式结构，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。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，移减少移架阻力。支撑式液压支架后焊接有挂帘板，作为挂挡矸帘用。在顶梁下面含有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，孔用钢丝绳或销轴不立柱和顶梁连接起来。掩护式液压支架和支撑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。按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构式：1）闭式顶梁顶梁上下盖板与筋板焊接成封闭型，如图(3-4)所示：图3-4 顶梁筋板焊接图2）开式顶梁开式顶梁结构如图所示其特点为减轻顶梁重量，曾强顶梁抗弯强度。对于掩护式和支撑掩护式支架，为便于侧护板自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，如图（3-5）所示：图3-5 顶梁断面根据上述顶梁各种型式我选择封闭焊顶板的型式，如图上图所示。3.2.2掩护梁的结构掩护梁的结构为钢板焊接成的箱式结构，在掩护梁上上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座（有的支架在掩护梁上焊有立柱柱窝）。活动侧护板装在掩护梁的两侧。从侧面看掩护梁，有直线型，折线型两种。如图3-6所示。其中，如图a所示为折线型，图b为直线型。(a) (b)图3-6 掩护梁的结构型式 1 顶梁；2 掩护梁；3 立柱；4 前连杆；5 后连杆；6 底座；7 限位千斤顶折线型相对直线型支架断面大，结构强度高，但工艺性差，所以很少采用。从掩护梁的宽度方向分，可分为整体式和相分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度较差。3.2.3侧护板1侧护板的种类顶梁和掩护梁的侧护板有两种：一种是一侧固定另一侧活动的侧护板。在设计时，根据左右工作面来确定左侧或右侧为活动侧护板。一般燕倾斜方向的上方为固定侧护板，下方为活动侧护板。活动侧护板通过弹簧筒和侧推千斤顶与顶梁连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当改换工作面开采方向时，活动侧护板便位于倾斜方向的上方，给调架、防倒等带来不便，所以很少采用。另一种时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，有利于防倒和调架。2侧护板的结构形式dcba侧护板的结构如图3-7所示。通常有两种类型。图3-7侧护板的结构型式一种是侧护板在顶梁外侧。这种类型侧护板又有三种形式，如图3-7a所示，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落的矸石卡住，影响侧护板的伸缩；如图3-7b、c所示，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种时铰接式侧护板，如图3-7d所示。他克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成的三角带容易填入矸石，影响架间密封效果。3.2.4底座1底座的结构型式如图3-8所示，通常有3种类型。1）整体式。整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定向好，强度高，不易变形，与底座接触面积大，比压小。如图3-8a所示的底座用于支撑式液压支架，箱体高度大便于安装复位装置。如图3-8b所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式和支撑掩护式液压支架。2）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。如图3-8c、d所示为前、后两个底座的对分式，两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成。如图3-8e所示为左、右两个底座箱的对分式，两者用弹簧钢板和销轴连接。3）底靴式。底靴式底座的特点是每根立柱支撑在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，如图3-8f所示。它的结构简单，动作灵活，对地板的不平整适应性强，但刚性差，与地板接触面积小，稳定相差，一般用于节式支架上。各种型式的底座前端都制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部的重力大于前部，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，增加底座后部的比压，同时有利于排矸。2底座立柱柱窝上要开槽的原因：由于底座立柱柱窝的形状为半球体，为防止底座立柱柱窝内存有煤粉和积水，所以在柱窝上开一个槽或钻一个孔，便于消除积水和煤粉。图3-8 底座的结构型式a、b 整体式底座；c、d、e 对分式底座；f底靴式底座3.2.5立柱1立柱的结构立柱按动作方式分为单作用和双作用立柱；按结构分为活塞式和柱塞式立柱；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩式立柱，如图3-9所示。图3-9 立柱类型a-单作用活塞式；b-单作用柱塞式；c-双作用活塞式；d、e、f-双伸缩式2几种立柱的动作原理1）单伸缩立柱的动作原理单伸缩单作用活塞式或柱塞式立柱，靠液压力伸柱，靠自重或弹簧力降柱。单伸缩双作用活塞式立柱，靠液压力伸柱和降柱。当下腔进液上腔回液时伸柱，反之为降柱。2）双伸缩立柱的动作原理双伸缩立柱动作原理如图3-10所示当高压液进入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，如图3-10a所示。当中缸全部伸出后中缸下腔压力增加，当压力增加至超过底阀弹簧调正压力时，底阀打开，高压液进入上柱下腔，上柱上腔液体经中腔上部小孔排出，使上柱伸出，如图3-10b所示。降柱时如图3-10c、d所示。当高压液进入中缸上腔，下腔回液，中缸下降；当中缸降到底时，一方面底阀被缸底顶开，另一方面中缸上孔正对立柱上部进液孔，如图3-10c所示。立柱上部进液孔经中缸小孔进入上柱上腔，下腔液体经底阀从立柱下部孔回液，上柱下降，如图3-10d所示图3-10 双伸缩立柱动作原理3机械加长杆的结构原理由于双伸缩立柱结构复杂，成本高，为了降低成本，在单伸缩立柱上安装机械加长杆，满足支撑高度的变化要求。需要增加支架到最大高度时（在井上），可以拆下4根立柱中对角线上的2根立柱上机械加长杆卡环，操作支架升柱，支架顶梁升起，带动机械加长杆从立柱中拔出，当达到所调高度时，再把这两根机械加长杆的卡环固定。把支架降至原来高度，拆下另两根机械加长杆的卡环，用同样的方法使这两根机械加长杆达到与前两根相同的高度为止。4立柱上、下端头设计成半球形的原因第一个原因，由于支架在伸缩过程中，顶梁不可能同步造成立柱与顶梁和立柱与底座之间转动，所以立柱的上、下端头用半球形，形成铰接，就可以适应这种转动。第二个原因，当立柱为倾斜布置时，在支架升降过程中，立柱一方面要伸缩，一方面要倾斜，立柱与顶梁和立柱与底座之间依靠立柱上、下端半球形发生转动，从而增大了支架的调高范围。3.2.6辅助装置1推移装置：推移装置是液压支架必备的重要辅助结构件，由推移千斤顶和其它附属装置组成。移架和推溜的动作就是通过推移千斤顶及其附属装置来完成的，但随着矿山地质条件、液压支架结构和工作过程不同，推移方式和推移千斤顶的布置也不一样。由于液压支架的工作过程的不同，推移方式有两种：先移架后推溜，先推溜后移架两种。2护帮装置：液压支架的护帮装置时为了开采厚煤层或煤质松软的一些中厚煤层时防止煤壁片帮而设计的。护帮装置一般由液压千斤顶和护帮板构成，安装在前梁下部。正常情况下，护帮板伸出紧贴煤壁，防止片帮，或在片帮时起缓冲作用，防止硬伤工作人员。当采煤机割到液压支架前面时，需要将护帮收回，让采煤机通过，然后，随支架移到新的工作位置后重新伸出以支护新暴露的煤壁。3挡矸装置：矸石涌入支架内会造成行人不便，移架困难，有时甚至会埋住操纵阀把手，损坏高压软管，严重影响支架的正常工作，架内矸石的清理也需要繁重的体力劳动。为此，需要良好的挡矸装置。4防滑防倒装置：液压支架在移架过程中，由于支架自重在倾斜方向的分力会使支架沿倾斜下滑，所以煤层倾角越大，下滑力也越大。支架的后部因重量大，离固定点较远，所以下滑程度比前部严重，造成支架的倾斜。当煤层倾角增大至使支架失去横向稳定性时，支架会向下倾倒，因此，为了保证支架的正常工作，必须采用相应的防滑。 第四章液压支架的整体结构尺寸设计4.1液压支架基本参数确定4.1.1液压支架的高度确定液压支架的高度确定应该根据所采用的煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大和最小高度为：Hmhm S1 （4-1）Hn （4-2）式中： Hm支架最大高度；Hn支架最小高度；hm煤层最大厚度（最大采高）；hm=3.2mhn煤层最小厚度（最小采高）；hn=2.5mS1考虑伪顶、煤皮冒落以后仍有可靠初撑力的支撑高度，一般取200300mm；S2顶板最大下沉量，一般取100200mm；移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm；浮矸、浮煤厚度，一般取50mm。根据式4-1可得： Hm3200mm200mm=3400mm根据式4-2可得：Hn2500mm100mm50mm50mm=2300mm所以初步选定：Hm=3400mmHn=2300mm4.1.2支架伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为： （3-3）代入数据得m=1.48。立柱结构可以采用双伸缩双作用液压缸。4.1.3支架间距支架间距就是相邻两支架中心线的距离。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中部槽相连，因此目前主要根据输送机中部槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定。我国刮板输送机中部槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在中部槽中间位置，所以除节式和迈步式液压支架，支架间距一般为1.5m。4.1.4底座长度底座是将顶板压力传递到顶板和稳固支架的部件。在支架底座长度设计时要考虑以下几方面：1. 支架度底座的接触比压要小；2. 支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置；3. 便于人员操纵和行走；4. 保证支架的稳定性等。通常，掩护式液压支架的底座长度取移架步距的3.5倍（一个移架步距为0.6m），及2.1m左右；支撑掩护式液压支架的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m。4.2 液压支架四连杆机构确定4.2.1四连杆机构的作用四连杆机构是支撑掩护式支架最重要的部件之一。其作用概括起来有两个，其一是当支架又高到低变化时，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，从而使支架顶梁的取端点与煤壁间的距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使顶板承受较大的水平力。1支架高度在最大和最小范围内变化时，顶梁端点运动最大轨迹的最大宽度E应小于或等于70毫米，最好为30毫米以下。如图4-1所示：2支架在最高和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角为P和后连杆与低平面的夹角为Q，如图4-1所示，应满足如下要求:支架在最高位置时，P5262，Q7585;支架在最低位置时有利于矸石的下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求tanPw,如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3，则P=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应是P25。而Q一般取Q2530。3从图4-1可知，掩护梁与顶梁的饺点e和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为其范围要为tg0.35图4-1 四连杆机构的几何特征4应取顶端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4-1的h段。其原因是当顶板来压时，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， 有可以时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，使整个支架产生向顺时针转到的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端底板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底。水平的合力也相应的减小，所以减小了掩护梁的外载荷。图4-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构以上可知当知道掩护梁和后连杆的长度后，只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构就可以了，如图4-2所示：4.2.2四连杆机构尺寸设计1确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座地面的距离。一般同一类型的支架采用欧冠类比法来确定。在结构允许的条件下，掩护式液压支架尽量取大些，支撑掩护式液压支架尽量取小些。因此，由类比法取铰点至顶梁顶面的距离为280mm，后连杆下铰点至底座地面的距离为500mm（类比支架为中煤北京煤机厂生产的ZZ4400/22/45支撑掩护式液压支架）。2掩护梁和后连杆距离的确定。用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图4-3所示。图4-3 掩护梁和后连杆长度的确定设：G掩护梁的长度；A后连杆的长度；L2e点引垂线到后连杆下铰点的距离；H1支架最高位置时的计算高度；H2支架最低位置时的计算高度。从几何关系出发可以列出如下公式： GcosP1-AcosQ1=L2 (4-3) GcosP2-AcosQ2=L2 (4-4)联立两式可得： （4-5） 按四连杆机构几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q2代入式4-5可以求得AG的比值，由于支架形式不同，一般AG的比值按以下范围来取。掩护式液压支架： AG =0.450.61支撑掩护式液压支架： AG =0.610.82支架最高位置时的计算高度为： H1=GsinP1+AsinQ1 (4-6)根据AG的比值和式4-6可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A，经过取整后计算出P1、P2、Q1、Q2的角度，确定这几个参数。由已知参数计算： H1=Hm-280-500=3400-280-500=2620mm H2=Hn-280-500=2300-280-500=1520mm设定：P1=50 P2=30Q1=60 Q2=35由式4-5可得：将H1、P1、Q1、A=0.7G 代入式4-6可得： 2620=Gsin50+0.7Gsin60 G=2620sin50+0.7sin60=1909.3mm A=0.7G=1336.5mm对G、A进行圆整，取： G=1950mm A=1350mm3几何作图作图过程。用几何做图法确定四连杆机构的各部分尺寸，具体作图如图4-4所示。作图步骤如下：d图4-4 采用几何作图法设计的四连杆机构1) 确定支架后连杆下铰点O点的位置，与中煤北京煤机厂生产的ZZ4400/22/45类比确定该距离为500mm。2) 过O点作于底座地面平行的水平线H-H线。3) 过O点作与H-H线夹角为Q1的斜线。4) 在此斜线上截取线段oa,oa长度等于A（1350mm），a点即为后连杆与掩护梁的铰点。5) 过a点作与H-H线有夹角1（即P1=50）的斜线，以a点为圆心，以G（1950mm）为半径作圆弧交此斜线于一点e，此点为掩护梁与顶梁的铰点。6) 过e点作H-H线的平行线F-F线,则H-H线与F-F线的距离为H1（设计要求为2620mm，实际作图得2663mm），为液压支架最高位置时的计算高度。7) 以a为圆心，以0.25G（480mm）长度为半径作弧（理论要求G取0.220.3之间），在掩护梁上交与一点b，为前连杆上铰点的位置。图4-5 几何作图法设计四连杆机构个位置相关尺寸P1=50 P2=26 Q1=60 Q2=29G=1950mm A=1350mm H1=2663mm H2= 1520mm8) 过e点作F-F线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，e带你在辞职线上滑动）。9) 在垂线上作液压支架在最低位置时（距H-H1520mm），顶梁与掩护梁的铰点e。10) 取ee线中间某点e，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端活动轨迹的形状、变化宽度等）。11) 以O点为圆心，Oa（1350mm）为半径作弧。12) 以e为圆心，掩护梁长ae（即G得长度为1950mm）为半径作弧，交与前面圆弧上一点a，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e为圆心，掩护梁长ae为半径作弧，交与最前面圆弧上一点a，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ea 、ea，并以a点位圆心，ab长为半径作圆弧，交ae上于b点；以a点位圆心，ab长为半径作弧，交与ae上于b点。则b、b 、b三点为液压支架三个位置时，前连杆上的铰点。15) 连接aO、aO，为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。16) 分别作bb和bb的垂直平分线，其交点c即为前连杆下铰点，bc为前连杆长度（作图后测得长度为1717mm）。17) 过c点向H-H作垂线，交与点d，则线段Oa、ab、bc、cd和dO为液压支架四连杆机构（cd长度为380mm）。第5章 液压支架顶梁设计5.1顶梁长度的确定5.1.1工作方式对支架顶梁长度的影响支架的工作方式对顶梁长度影响很大，如图5-1所示的工作方式：600 图5-1 支架工作方式比较从图5-1可以看出先移架后推溜的方式（又称及时防护措施）要求有较大长度；先推溜后移架的方式（有称滞后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推移的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。所以前一个要比后一个步距多一个（一般为600毫米）。设计中采用及时支护方式。5.1.2配套尺寸对顶梁的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接关系，为了防止采煤机想内部倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时不一定把煤壁割成一个垂直面，所以我在设计时顶梁前端距煤壁最小距离为300毫米，这个距离叫做空顶距。另外在输送机铲煤板前也要留有一定距离。一般为130150毫米。也是为防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此之外所有配套设备均要在顶梁掩护下工作。以此来计算顶梁长度。5.1.3长度的计算掩护式与支撑掩护式顶梁长度的计算公式为 顶梁长度=(配套尺寸+底座长度+AcosQ1)-（GcosP1+300+e）+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距式中： 底座长度底座前端至后连杆下铰点之距；e支架又高到低顶梁前端点最大变化距离；Q1、P1支架在最高位置时，分别为后连杆与掩护梁与水平面的夹角。采煤机选用MLS3-170型；输送机采用DGWD-180型；配套尺寸为1972mm，底座长度=2500mm，e =30mm，掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距=100mm其它参数可从上述中得：顶梁长度=(1972+2500+1350cos60)-（1950cos50+300+e）+100=3693.56-e综上所述圆整得到顶梁长度=3700mm.5.1.4顶梁其它有关尺寸的确定采用类比法，确定顶梁上立柱柱窝位置，底座上立柱柱窝位置，进而确定支架结构尺寸如图5-2所示 图5-2支架的结构尺寸5.2液压支架支护技术参数5.2.1支护面积的确定 Fc = bc( Lg +) （5-1）式中： Fc-支护面积，m2； bc-顶梁宽度，m； Lg-定量长度，m； -移架后顶梁前端到煤壁的距离，一般取=0.3+e，m。bc = 1.5m Lg = 3.7m = 0.33m 所以 Fc = 1.5（3.70.33）6.45 m25.2.2支护强度计算根据公式 qx = q1 + (q2 q1) (5-2)qx-支架最大采高Hm时支架支护强度，KN/m2；q1-在表（2-5）中低于Hm有与之相近的支护强度KN/m2；q2-在表（2-5）中高于Hm有与之相近的支护强度KN/m2； hq1-q1对应的采高； Hq2-q2对应的采高；将数值代入式5-2计算可得： qx = 1.6343 + (1.6441 1.6343)=611.52 支护强度qx = 611.52 KN/m2从而可得顶梁的支撑阻力： F = qx Fc = 3944.304 kN5.2.3立柱的技术参数泵站额定工作压力及立柱初撑力确定立柱缸体内径计算公式： Dd=40F1ndPacosm (5-3) F1=Fcqx 式中： Dd立柱缸体内径，cm；F1支架承受的理论支护阻力，kN；nd每架支架立柱数，支撑掩护式液压支架立柱数为4柱；Pa安全阀调整压力，MPa，按产品样本选取(或参考同类支架选取)。其中，YF1B型Pa=40 MPa；YF2B型Pa=3060 MPa；m立柱最大倾角(5)，(支架降到最低工作位置时，m角最大)。将各数值代入公式5-3得立柱缸径为： Dd=403944.304440cos5=17.75cm表5-1 内径标准 单位：mm506380100110125140(145)160180200210220230250查表5-1，选取立柱缸体内径Dd为180mm。表5-2 立柱缸径缸、活塞柱径配合关系表 外缸内径/mm活塞外径/mm工作阻力/KN额定工作压力/MPa250240235250220210196051.6200185176458.4180170137256.116015098050.714013078451.9查表5-2选取配合尺寸为：外缸内径1