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中国矿业大学成人教育学院2012届毕业设计目 录1 概述1 1.1 概述1 1.2液压支架的用途、分类和结构2 1.2.1 液压支架的用途2 1.2.2 液压支架的分类2 1.2.3 液压支架工作状态及布置5 1.2.4 液压支架结构型式及特点6 1.3 液压支架的工作原理 7 1.3.1 支架升降和推移 8 1.3.2 支架的承载过程 8 1.3.3 液压支架的支护方式 92 液压支架整体结构尺寸设计 102.1 液压支架的主要尺寸的确定 102.1.1 支架高度和伸缩比 102.1.2 支架间距 102.1.3 底座长度 112.1.4 顶梁长度的确定 112.1.5 立柱布置 132.2 各部件结构选择 132.2.1 顶梁 132.2.2 底座 142.2.3 立柱 152.2.4 推移千斤顶 162.2.5 前梁千斤顶 172.3 液压支架基本技术参数的确定 72.3.1 支护面积 172.3.2 支护强度 172.3.3 确定立柱的技术参数 182.3.4 立柱的初撑力与泵站的额定工作压力 202.3.5 安全阀压力和立柱工作阻力的确定 202.3.6 推移千斤顶参数确定 213 液压支架的受力分析 24 3.1 概述 24 3.1.1 液压支架工作状态 24 3.1.2 计算载荷的确定 25 3.2 液压支架的受力分析 26 3.3 顶梁载荷分布 30 3.4 支护强度计算 31 3.5 底座接触比压计算 32 3.6 支护效率 35 3.7 支架受力的影响因素 354 液压支架的强度条件 37 4.1 强度条件 37 4.2 液压支架的强度校核 39 4.2.1 顶梁强度校核 39 4.2.2 底座的强度校核 44 4.2.3 耳板的强度校核 47 4.2.4 销轴的强度校核 494.2.5 立柱强度校核 505 液压支架的液压系统 55 5.1 概述 56 5.2 立柱和千斤顶 56 5.3 支架液压阀 57 5.3.1 液控单向阀 57 5.3.2 安全阀 58 5.3.3 操纵阀 58 5.3.4 液压支架液压阀的密封技术分析 58 5.4 液压支架液压原理图 59 5.5 液压支架的控制方式 60 5.5.1 手动控制 60 5.5.2 自动控制 61 5.6 液压系统安装、调试、保养 61 5.6.1 安装 61 5.6.2 调试 69 5.6.3 保养 706 液压支架的操作和维护 71 6.1 液压支架的操作维护要求 71 6.2 液压支架的操作管理事项 72 6.3 液压支架维护和管理的具体内容 73 6.4 液压支架的故障及排除 74 6.5 液压支架的发展趋势 76结 论 78参考文献 79致 谢 80中国矿业大学成人教育学院2012届毕业设计1 概述1.1概述采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。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，作为综合机械化采煤的关键设备之一，液压支架的重量约为综采设备总重量的80%-90%，其费用约占综采设备总费用的60%-70%。它与滚筒采煤机（或刨煤机）、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。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。液压支架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，不断的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，因此液压支架形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与节式支架。在引进、消化国外支架的基础上，我国已经形成了一支具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。支架最大高度已经达5m，最小高度为0.5m；适应最大倾角可达55；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。1.2 液压支架的用途、分类和结构1.2.1 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，它既能支撑又能维护顶板的支护设备，为采煤工作面综合机械化的主要设备。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。1.2.2 液压支架的分类液压支架分类的方式很多，主要可以按照支架与围岩的相互作用关系，立柱布置方式、使用条件和结构特点等来分类。液压支架支撑式掩护式支撑掩护式节式 （图1-1-a）垛式（图1-1-b）支掩式（图1-1-c）支顶式（图1-1-d）支顶支掩式（图1-1-e）支顶式（图1-1-f）支顶支掩式（图1-1-g）按照支架与围岩的相互作用和立柱布置特点分类，液压支架的形式一般和分为三大类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式三类，如图1-1所示。1支撑式支架：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。图1-1 液压支架的分类 按使用条件分类表1-1详细表示了支架按使用条件分类情况。分类标准具体分为使用高度厚煤层一次采全高支架（3.5m）中厚煤层支架（1.3mh3.5m）薄煤层支架（1.3m）使用倾角缓倾斜工作面支架（25）倾斜工作面支架（2545）倾斜工作面支架（45）采煤工艺放顶煤支架机械铺（连）网支架充填支架使用地点排头支架端头支架工作面支架顺槽超前支架3、按主要结构特点（表1-2）表1-2 按主要结构特点分类分类标准具体分为分类标准具体分为四连杆式控制方式本架控制单铰点式邻架控制摆杆式成组控制和顺槽控制配套方式插腿式组合方式单架式不插腿式组合式1.2.3液压支架工作状态及布置图1-1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、装载机、乳化液压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。 图1-2 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1.2.4 液压支架结构型式及特点根据用途和在采煤工作面的安装位置，液压支架分为两大类，即端头支架和中间支架。端头支架安装在采煤工作面两端与顺槽连接处。由于此处顶板悬露面积较大，综采设备较多，又是人员的安全出口，要求端头支架不仅能支护顶板，而且要与端面处的各种机械设备相适应。因此，端头支架具有特殊性。一般来说，它的顶梁较长，支护空间较大，具有较大的支撑力，并兼有支撑和锚固作用，其整体性和结构强度均较高。中间支架安装在除端头支架以外的采煤工作面的全部作业位置。其作业是确保采煤工作面人员与设备的安全，并实现顶板管理与支护以及采煤作业过程机械化。因此，一方面，要求中间支架工作可靠，使用方便，易于制造和运输，在整个服务年限内使用费用的总和最低；另一方面，要求中间支架的结构即及布置方式采场围岩的运动规律，与其支护的工作面顶板压力相适应，兼有支撑和掩护作用既能支撑住采煤工作面下沉的顶板，又能防止矸石涌入工作面。液压支架的分类主要是对中间支架进行分类。中间支架按其结构及与围岩相互作用方式可分为:支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类，如图1-2。后两类又统称为掩护型液压支架。图1-3液压支架结构型式a) 支撑式 b) 掩护式 c) 支撑掩护式1前探梁 2顶梁及其侧护板 3掩护梁及其侧护板 4前连杆 5后连杆 6底座7立柱 8推移千斤顶 9平衡千斤顶 10操纵阀与控制阀11护帮机构 12护帮千斤顶 13前梁千斤顶 14挡矸帘1.3 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图1-3所示。1.3.1 支架升降和推移当操纵阀8处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶图1-3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-主回液管板。当操纵阀8处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀， 立柱下腔回液，支架下降。支架的前移和推移输送机是通过操纵阀7和推移千斤顶4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶4的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀7置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。1.3.2 支架的承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。（1）初撑阶段在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。（2）承载增阻阶段支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。（3）恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高。当升高到安全阀5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。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。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。1.3.3 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。2 液压支架整体结构尺寸设计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1.支架高度由题目已知支架的最大高度Hm=2.8m支架最小高度Hn=2.0m2.支架伸缩比是指最大与最小支架高度之比值即：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，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。取=1750mm，=150mm,=1则=1750+1501 =1900mm2.1.3 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。因此，取底座长度为2840m，如下图所示图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关系如图2-2所示。由前排立柱到顶梁前端的长度由下式计算： 式中 铲煤板到煤壁间距离，一般为50100mm； 输送机宽度，包括连接千斤顶装置； 前柱中心到底座前端的距离 采煤机滚筒截深c顶梁前端到煤壁的距离，一般为250350mm。图2-2 支架相对关系 选取采煤机型号为MXA-300/3.5,型双滚筒采煤机，滚筒直径1800mm，滚筒转速37.23r/min，截深656mm。刮板输送机型号SGZ-730/220,所以：故=732mm，=656mm取=100mm， =300mm，另外=700mm得=100+732+656+700-300=1888mm则顶梁总长L=1888+1440+800=4128mm 取L=4540mm2.1.5 立柱布置本支架采用悬浮式立柱。立柱数：国内支撑式支架立柱数为26根，常用为4根。故选立柱数目为4。支撑方式：支撑式支架立柱为垂直分布。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。支撑式支架和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5m。本支架立柱间距选1.44m。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。本支架为垛式支架，故采用刚性顶梁带铰接式前梁，如下图2-3所示，顶梁由前、后梁铰接。在铰接前梁2安装有前梁千斤顶3，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。图2-3垛式支架顶梁结构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。取顶梁的断面形状为闭式顶梁，顶梁上、下盖板与筋板焊成封闭型，如图2-4所示。图2-4 顶梁断面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。支撑式支架底座结构选整体式底座，如图2-5，整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，强度高，不易变形，与底板接触面积达，接触比压小，便于安装复位装置。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2-5 底座的结构形式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。本支架在用单伸缩悬浮式立柱。单伸缩悬浮式立柱靠压力伸柱，靠弹簧降柱。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。2.2.4 推移千斤顶 本支架采用直接连接方式的推移千斤顶。这种千斤顶结构简单，推溜力较小，一般用于支撑式支架。2.2.5 前梁千斤顶前梁千斤顶的缸体用圆柱销固定在前梁下端的耳座上，活塞杆与主梁与主梁相连接。前梁千斤顶的活塞腔液路上，装有液控单向阀和安全阀，以保证前梁的初撑力和工作阻力。2.3 液压支架基本技术参数的确定确定和选择液压支架及其主要部件的基本参数。2.3.1 支护面积支架的支护面积按下式计算： （m2）式中支架的支护面积（m2） 支架顶梁的长度（m） 移架后顶梁前端到煤壁的距离（m），一般取=300mm故本支架支护面积为：（m2）2.3.2 支护强度支护强度是液压支架的一个重要参数，它是指支架对单位面积顶板提供的工作阻力，按下式计算： （kN/m2）式中： P立柱总工作阻力（N）；支护效率；支架中心距（mm）； 梁端距（mm）； 顶梁长度（mm）。支撑式支架=1，所以有： =2.170N/mm=2170 kN/m2.3.3 确定立柱的技术参数立柱的缸体内径按下式进行计算： (cm)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 安全阀调正压力（MPa），按产品样本选取 立柱最大倾角本支架中，=20000kN，=4，=40MPa， =0则有(cm)按照北京煤矿机械厂标准（Q/BM327-82）表2-1选取比计算值大的标准作为内径，再按表2-2，表2-3选取配合尺寸。表2-1 单位：mm506380100110125140（145）160180200（210）220（230）250活塞杆、活塞外径尺寸见表2-2所示表2-2 单位：mm324045506370(85)90100(105)110115(120)125(130)140(150)160(170)(185)(190)200(210)220(240)注：括号内尺寸不符合国标（GB2348-80）双伸缩立柱的缸径、柱径组配关系见表2-3所示表2-3外体内径(mm)250230200180160(220)*中缸外径(mm)240220190170150210中缸内径(mm)200180160140125180活柱外径(mm)185160130120105140工作阻力(Kn)19601764137210787841568外缸额定工作压力(MPa)45.744.245.544.140.642.8中缸额定工作压力(MPa)71.472.171.172.866.564.1推荐选用管材外缸299282732524526219241942027334中缸2562623224220024180241592015220活柱圆钢15220注：缸体材料屈服强度不低于35.3MPa，活柱屈服强度不低于35.3Mpa本支架选单伸缩立柱，但工作阻力大,缸体内径较大,此标准中无能满足要求,故终选尺寸如下：外缸外径：450mm；外缸内径：400mm；活柱外径：340mm；活柱内径：350mm。2.3.4立柱的初撑力与泵站的额定工作压力立柱的初撑力按下式进行计算： 式中 泵站额定工作压力(MPa)，这里取=31.5MPa则有 (kN)2.3.5安全阀压力和立柱工作阻力的确定立柱工作阻力计算公式如下： 式中： 安全阀的调正压力，这里取=40MPa则有(kN)2.3.6推移千斤顶参数确定1推移千斤顶的缸径确定本支架采用浮动活塞式推移千斤顶，其缸体内径按下两式联立求得：； 式中 D推移千斤顶缸体内径(cm)； 泵站额定工作压力(MPa)； d活塞杆直径(cm); 移架力(kN); 推溜力(kN);一般=100kN，在薄煤层中=100150kN；中厚煤层中=150250kN；厚煤层中=300400kN。则有： 缸径(mm)160140125100806350杆径(mm)14010085100857070(63)5045454032泵压(MPa)32.6推力(kN)6374903922451579863拉力(kN)150038244523430428412715798108485840推荐材料规格(mm)缸19422168201461412114102148311杆15217105圆钢 95圆钢110105圆钢95圆钢 85圆钢8085圆钢70圆钢/ 由以上计算出来的推移千斤顶缸体内径，再按上表选取。本支架中D取125mm，d取70mm。2. 推移千斤顶行程推移千斤顶的行程与推移步距有关，当推移步距为600mm时，推移千斤顶的行程为700750mm,按规定取700mm或750mm。90表2-5 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m2-2.8支架宽度m1.7-1.75支架中心距m1.9支护强度kN/2170对底板比压MPa4.192初撑力kN3956工作阻力20000操作方法本架操作泵站压力MPa31.5立柱型式悬浮式根数根4缸径mm450柱径mm350初撑力kN3956.4工作阻力（）kN5024行程mm790推移千斤顶型式浮动活塞式根数根1缸径mm100柱径mm90行程mm800回拉千斤顶型式双作用单伸缩根数根1缸径mm240杆径mm200行程mm800前梁千斤顶型式双作用单伸缩根数根2缸径mm200杆径mm150行程mm500尾梁千斤顶型式双作用单伸缩根数根2缸径mm200杆径mm150行程mm500配套设备采煤机MXA-300/3.5型刮板输送机SGB732/3203 液压支架的受力分析3.1 概述3.1.1 液压支架工作状态在采煤工作面液压支架支护顶板时，当煤层被采动后，顶板有压力显现。作用在支架上的载荷，大体上可以分为两个部分（如图4-1所示），其一是直接顶形成的压力Q1，其二是老顶形成的压力Q2 。如果直接顶比较完整，在工作面煤壁上方的直接顶呈悬臂状态，则Q1由工作面煤壁和支架共同承受。若直接顶很破碎，在工作面煤壁上方的直接顶已经断裂，则Q1由支架单独承受。位于直接上方的老顶通常不与直接顶一起冒落。当直接顶在支架顶梁之后冒落时，老顶呈悬臂状态。由老顶形成的悬臂梁的一端支撑在直接顶跨落后的碎矸上，另一端则支撑在支架和煤壁上方的直接顶上，并形成载荷Q2。随着煤壁的推进，老顶悬露长度变短，Q2在增加。当老顶悬露部分达到一定长度，起自重使其断裂，于是老顶悬露长度变短，Q2立刻降到最小值，在采煤工作面连续开采过程中，工作面不断前移，Q2由小到大，再由大到小，这样周而复始的变化。Q2每次递增直至老顶断裂，称为老顶周期来压。图4-1 支撑式支架在中硬以上稳定顶板条件下的受力情况液压支架的结构和支架液压系统必须保证液压支架具有完全适应顶板变化的性能。采煤机采过一个截深之后，支架前移一个步距，支护新暴露出来的顶板。此时，顶板尚无下沉现象，支架以“初撑力”支撑顶板。此后，顶板开始破碎和下沉或断裂，支架承载加大，直至立柱下腔压力达到安全阀调整定值，安全阀释放，立柱下缩。称此现象为液压支架的“让压”现象。这时立柱以“工作阻力”支护顶板。随着顶板压力不断加大，立柱就要不断“让压”下缩。为避免立柱完全缩回，支架出现“压死”现象，采煤工作面的生产循环应保证在“压死”前就前移。3.1.2 计算载荷的确定液压支架实际受载荷情况很复杂，顶梁和底座上的载荷既非集中载荷，又非均匀载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算，作如下规定：把支架简化成一个平面杆系结构，同时为偏于安全，按集中载荷进行计算。2. 金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。 3. 顶梁、底座与顶底板认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律，沿支架宽度方向为均匀分布。4. 通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全。5. 立柱和短柱按最大工作阻力来计算。6. 作用在顶梁上水平力的产生有两种情况：一种是由于支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双纽线，所以顶梁与底板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘积，其方向与顶梁产生位移方向趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向老塘的水平力，最大水平力值与上相通。顶梁与顶板的静摩擦系数，目前国内一般取0.20.3。7. 支架各部件受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。8. 各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按液压支架形式试验技术规范的各种加载方式，以及支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10%的超载试验，将由安全系数来保证。3.2液压支架的受力分析支架的受力分析与计算，是按理论力学中一物体受几个力作用下处于平衡状态时，所受的合力矩之和为零的原理来进行分析和计算得。所以当支架支撑后在处于平衡状态时，取整体或某一部件为分离体也处于平衡状态，其合力和合力矩为零。即：满足静力平衡的充分必要条件为，各力在x轴上的投影之和为零，各力在y轴上的投影之和为零，各力对某点取矩之和为零，下面根据这一理论对支架进行受力分析和计算。在支架撑牢在顶底板之间时，取其整体或某一部件为分离体，皆处于平衡状态。据此把支架简化为平面杆系进行受力分析和计算。支架整体受力关系如图3-1所示，图3-1 液压支架受力分析图中前梁端部所受集中载荷；后梁所受集中载荷；前探梁千斤顶的支撑力；、前、后立柱的工作阻力；（为支架工作阻力）底板对底座的支撑力。借助于取分离体的方法求出、及其作用点的位置。首先取前梁为分离体，如图3-2所示。图中为前梁千斤顶支撑力为已知，和均已知。图3-2 前梁分离体受力分析 (3-1) (3-2) (3-3) (3-1),(3-2),(3-3)联立求得： 再取后梁为分离体，如图3-3所示。图中、为前后立柱的工作阻力，其和为，是液压支架的工作阻力。是前梁千斤顶的支撑力。和是前梁在铰接点a处对后梁的作用力。由图3-3，利用力系的y方向平衡方程式和对b点的力矩平衡方程式，可以求出及其作用点的距离图3-3 后梁分离体受力图 (3-4) (3-5) (3-4),(3-5)联立求得： 带入数据得： (kN) (Kn) mm支架底座受到的支撑反力由图3-1可知：本支架中 (kN)3.3 顶梁载荷分布在把顶梁所受的载荷求出来后，就可以进一步计算载荷在顶梁上面的分布情况。由于顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为计算方便，假设顶梁和顶板均匀接触且载荷为线性分布。设顶梁长为，顶梁的集中载荷为，其作用点距顶梁一端为。则当时，载荷分布为三角形。如图3-4所示q3q2图3-4 顶梁三角形载荷分布F1顶梁前端比压为0，顶梁后端比压为： (MPa)当时，载荷呈梯形分布，如图3-5所示：顶梁前端比压为：q2F1q3图3-5 顶梁梯形载荷分布 顶梁后端比压为： 由于,故本支架顶梁受力为梯形分布，计算得：顶梁前端比压为： (MPa)顶梁后端比压为： (MPa)3.4 支护强度计算支架的结构设计结束，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。于是可以求出支架的实际支护强度如下式： (MPa)支撑式支架随着支撑高度的不同，其支护面积和工作阻力不变，故其支护强度不变。而掩护式支架和支撑掩护式支架，由于支架的工作阻力因支架支撑高度不同而不同，故支护强度也因支架高度变化而变化（为简化计算，不考虑支护面积在支撑过程中的变化）。本支架为支撑式支架，故支护强度不变，为1946 kN/m2。3.5 底座接触比压计算顶板对于支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。计算底板比压时，首先要计算底板与底座的接触面积。如图3-6所示图3-6 底座面积则其与底板的接触面积为： (m2)然后计算底座对底板的平均比压如下： (MPa)由于底板凹凸不平或底座下垫有碎矸，底座对底板的比压很不均匀。为简化计算又不失其有效性，假设底座对底板均匀接触且载荷为线性分布。设外载荷呈三角形分布，如图3-7所示，底座前端有最大比压，后端比压为0。为求，应先求出底座的集中载荷的作用点的位置。 图3-7 底座三角形比压分不当时，底座前端比压为： (MPa)当时，底座载荷呈梯形分布，如图3-8所示。此时底座前端的比压为： (MPa) (MPa)求出底座的最大比压之后，要与底板允许比压进行比较。底座对底板的最大比压应小于底板的允许比压，否则应重新设计底座乃至整个支架。图3-8 底座梯形比压分布几种软岩底板的允许比压如表3-1所示： 表3-1 几种较软岩石底板允许比压底板岩性Rc(MPa)P (MPa)V5粘质可塑页岩10.50.50.30.30.15可塑页岩 灰质页岩21.52.01.00.50.50.3沙质 灰质 泥浆页岩43.02.02.01.01.00.3注：Rc底板抗压入强度 (MPa)V矿井小时涌水量，(m3/h)。涌水量大，岩石变软，降低了允许比压P允许比压 (MPa)对于本支架，=1.2，所以有6.068 (MPa)(MPa)3.6 支护效率整台支架的阻力是由立柱的工作阻力产生的。对于掩护式支架而言，两者并不相等。用支护效率来评价立柱工作阻力转变为支架工作阻力有效的支护，支护效率按下式计算：值与支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，值过大或过小都不好。由于支架的工作阻力由立柱工作阻力之和的垂直分力及掩护梁和前后连杆承担，而立柱的工作阻力之和不变，当值过大，说明掩护梁和前、后连杆受载增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当值过小时，说明立柱的工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段内，支撑掩护式支架由于立柱倾角较小，值应在95%105%之间；掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90%以上；支撑式支架由于立柱垂直布置又无四连杆机构，所以值应为100%，故本支架支护效率为100%。3.7 支架受力的影响因素掩护式和支