煤炭工业企业液压支架设计毕业论文.doc

煤炭工业企业液压支架设计毕业论文1绪 论1.1国内外液压支架的研究现状及发展地下开采的煤产量主要是利用由液压支架配套的综采设备产出的。综采设备的研制和广泛的运用，对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作用，而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高，是强有力的促进因素。加速现代化进程，必须加速煤炭工业企业的建设、改造和革新技术装备的进程，增加地下开采和露天开采的煤产量。地下开采方法是最复杂和闲难的方法，但是，这种方法在工业发达国家和以煤作为次能源的地区，仍然普遍应用。而且，开采优质煤，包括炼焦煤，都是采用地下开采方法。综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命，从根本上改变了煤炭工业的面貌，综合机械化采煤是20世纪人类科技发展的重要成果。 综合机械化采煤技术在我国的研究试验、使用、发展，彻底改变了我国煤炭工业的面貌，降低了工人的劳动强度，提高了产量、劳动生产率和企业效益，满足了国民经济建设对煤炭的需求，合理的集中生产简化了生产系统，提高了生产安全性。我国综采技术发展的30多年，使我国的煤炭生产技术水平跨进了世界先进行列，综放技术跃居世界领先地位。工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。以液压支架为主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大革命。不仅从根本上改善了劳动和安全条件，也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了基础。但是综采设备初期投资高，特别是液压支架占综采设备总投资约60%，因此液压支架的合理选用特显重要。30多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机CAD进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准11项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。为适应我国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。配套设备的生产能力达到15002 500 t/h， 在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产300万吨以上。 新型矿用单体支护设备，采用悬浮式液压技术原理，生产矿用单体支护设备，技术水平达到了国际领先水平，填补了国际空白。DWX型液压支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无内泄漏、无圆弧焊缝等技术和安全特点，具有独创性。新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术，结束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史，开创了中国人发明的第三代单体支护技术设备的历史，并将会长期使用下去。该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面，是煤矿的重要支护设备。近10年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距发展。液压支架另一重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外线遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到68s。我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，掩护式液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。1.2本课题的研究目的和意义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。为了满足对煤炭增长的日益需要，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。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、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，必须设计出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。通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩固和理解。同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。通过自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅；将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平 。42液压支架基本理论分析2.1 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，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图2.1所示。图2-1 液压支架工作原理1顶梁；2立柱；3推移千斤顶；4安全阀；5单向筏； 6、7操纵阀；2.1.1 支架升降当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀5进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时，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。2.1.2支架推移支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶3来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，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。2.1.3 支架承载过程 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。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。(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成为工作阻力，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。 图2-2 支架的工作特性曲线由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图 所示，曲线上的、分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。上述工作过程表明：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效的支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性决定于立柱、液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。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，通常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2.1)式中 支架的支护面积，2.2 液压支架的类型和结构液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。2.2.1 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和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机联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，输送机用与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4左右；而且立柱多，一般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。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架后部，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。2.2.2 掩护式支架掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，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于顶梁或直接作用于顶梁上。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3.0mm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和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。2.2.3 支撑掩护式支架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，可适用于各种顶底板条件。支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：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。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。2.2.4 特种液压支架特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，在结构型式仍属于上述某种基本架型。2.3 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，以便有效地控制顶板，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100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 250kN，厚煤层一般为250kN 400kN。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、稀释有毒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植。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。2.4支架的选型设计2.4.1设计的原始条件顶设条件老顶II级、直接顶1类，底板接触比压0.9 MPa，工作阻力1600KN，推溜力100KN，移架力150KN，泵站压力32MP。液压支架型号ZFS1600/16/26。工作面配套设备：采煤机，刮板输送机SGZ(W)764/400。煤层倾斜角小于15度。2.4.2支架的支护性能与外载荷由液压支架的工作状态知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力，还受有平行于顶梁的摩擦力。垂直于顶梁的力由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板反作用力。 为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，概述如下：把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布；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；立柱和短柱按最大工作阻力计算；产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数W，一般取0.150.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。2.4.3 影响架型选择的因素(1) 煤层厚度煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层厚度大于2.52.8m（软煤取下限，硬煤取上限）时，应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。(2) 煤层倾角煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑象。当煤层倾角大于1015时，应设防滑和调架装置，当倾角超过18时，应同时具有防滑防倒装置。(3) 底板性质底板承受支架的全部载荷，对支架的底板影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压(对于砂岩底板，允许比压为1.962.16MPa，软底板为0.98MPa左右)。(4) 瓦斯涌出量对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。(5) 地质构造地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在58和20min以下时，暂不宜采用液压支架。(6) 设备成本在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。2.4.4 支架架型的确定从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力、采煤高度与承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。煤质条件老顶II级、直接顶1再再制造，底板平整，无影响支架通过的断层，根据表2-1初步选定为掩护式两柱液压支架。老顶级别直接顶类别12312312344支架类型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式掩护或支撑掩护式掩护或支撑掩护式支撑式采高小于2.5m时支撑掩护式采高大于2.5m时支架支护强度MPa采高m10.2941.30.2941.60.29420.249应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区20.343（0.245）1.30.343（0.245）1.60.34320.34330.441（0.343）1.30.441（0.343）1.60.44120.44140.539（0.441）1.30.539（0.441）1.60.53920.539表2-1支架架型的选择 注：括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，可根据本矿情况允许有%的波动范围。表中1.3、1.6、2分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶给出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。3 液压支架的整体结构设计3.1 支架高度、中心距的确定3.1.1支架高度其最大与最小高度为：Hm=260mm 支架最大高度，Hn=160mm 支架最小高度3.1.2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： （式3.）代入数据得m=1.625。3.1.3支架间距 所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算： （式3.）式中： 支架间距（支架中心距）；每架支架顶梁总长度；相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；n每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架。支架间距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溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。本次设计取支架的中心距为1.5m。3.2顶梁长度计算根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。3.2.1支架工作方式对顶梁长度的影响支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（及时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小。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，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600 mm 。本次设计采用及时支护方式。3.2.2顶梁长度计算 顶梁长度=配套尺寸+底座长度+Acos-Gcos+300+X+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距 （式3.）式中：a 后连杆长度 b 上连杆长度 c 前连杆长度 d 前连杆与底座铰点到底面的距离 前、后连杆与底座铰点的水平投影距离 g掩护梁长度 f 掩护梁与顶梁、前连杆铰点的直线距离Q1= 78 Q2=43 P1=56 P2=16 a= 897 b=263.5303 c=750.93 d=427.1207 = 302.2797 f=1054.1211 g=1317.6514 X 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。图3-3 确定四连杆机构顶梁长度=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（137mm）支架由高到低顶梁前端点最大变化距 60mm底座长度底座前端至后连杆下铰点之距离 1890mm工作面配套设备：采煤机，刮板输送机SGZ(W)764/400：配套尺寸+输送机中部槽的宽度，由输送机型号确定，输送机SGZ(W)764/400为764mm电缆槽和导向槽的宽度，通常为360mm代入数值：配套尺寸+ =764+360 =1124 代入相关数据得： 顶梁长度=1124+1890+897cos(78)-1317.6514cos( 56)300+60+137=2240.7mm顶梁的宽度:顶梁不仅必须满足支架的工作阻力的要求，还要使顶梁覆盖住顶板，以减少矸石的冒落。顶梁的覆盖率为顶梁面积与控制顶板面积比值的百分数，即 （式3.） 式中 B顶梁宽度；L顶梁长度；架间距；C顶梁前端到煤壁的距离；中等稳定顶板 ；一般取100200mm。如果给定和值，可以求出B值，即 （式3.）取， =79% 、=150mm。顶梁宽度的决定，除用上式计算外，还要考虑到整体支架与一节溜槽长度相匹配的问题。故顶梁宽取1.4m。604支架主要部件的设计4.1支架主要部件的设计要求各部件设计要求要满足总体配套的要求，就是应满足采煤机、双输送机和支架配套的空间要求。各部件设计的基本要求：（1）前梁由前梁千斤顶控制，可上下摆动15，与顶板保持良好的接触，维护机道上方顶板。挑梁是和前梁铰接的可翻转支护板，由防片帮千斤顶控制，可及时支护，并超过水平线上挑35，拉架时收回，还可在移架后支护煤壁，以防止片帮。（3）顶梁 顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。它可多次反复支撑顶煤，以利于放煤。顶梁装有侧护板，活动侧装有千斤顶和弹簧，防止架间漏煤、矸及调节支架间距。（7）液压控制系统及立柱、千斤顶 液压系统由各液压件、管路系统组成，它应保证立柱、千斤顶完成支架要求的各种性能，并达到设计技术参数。4.2顶梁的设计图4-1 支架的顶梁顶梁前、后分别与前梁和掩护梁铰接，球面柱窝与立柱的活柱头相连。顶梁有铰接耳座与四连杆机构的上连杆联接，此外还设有所需千斤顶的耳座，如前梁、掩护梁千斤顶耳座。顶梁体箱式结构件的设计可根据总体受力分析，按不同支护高度时各部件最大受力值计算其强度。一般柱窝断面为最危险断面，断面安全系数n应大于1.1，同时要充分考虑各个铰接孔的挤压强度，以免孔受塑变拉长而损坏，特别是与上连杆铰接的耳座，一定要加大强度。侧护板与导杆连接的结构以长方形拉板为好，可以保证导杆与侧护板的连接强度。其机构与一般掩护式支架相同，梁体由钢板焊成箱式结构件，设计强度要求同上，安全系数n大于1.1，侧护板设计要考虑降架式不与邻架侧护板脱离接触。侧护板采用长方形拉板与导杆连接，支架工作阻力400吨以上时，侧推千斤顶采用内供液式，有利于保证梁体的焊接强度。4.3支架技术参数和立柱的设计4.3.1 支护面积支架的支护面积按下式计算：F=(L+C)(B+) （式4.1）式中 F支护面积， L支架顶梁长度2.2407 m C移架后顶梁前端点到煤壁的距离，一般0.33mB支架顶梁宽度1.3m架间距0.15m将各数值代入公式(4.1)得支架的支护面积为：F=(2.2407+0.33)(1.3+0.15)=3.728支护强度的计算可借助表2.1，首先按表2.1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。由于实际最大采高不一定正好和表2.1所列采高相同，所以要用插值法重新计算。 kN/ （式4.2）式中：当支架最大采高为=2.6m时，支架应有的支护强度，kN/；在架型选样表2.1中与低于=2.6m但与之相邻的采高相对应的支护强度1.30.245kN/； 在架型选择表2.1中与高于=2.6但与之相邻的采高相对应的支护强度1.30.343kN/；所对应的采高2m； 所对应的采高3m。根据表2.1将各数值代入公式得支护强度为：= MPa =0.39494MPa支架理论支护阻力为：=F （式4.3） = 3.7280.39494KN =1472.3KN 代入数值得=1472.3KN4.3.2 确定立柱的技术参数立柱缸径按下式进行计算： mm （式4.4）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；安全阀调整压力，MPa，按产品样本选取(或参考同类支架选取)。其中，YB型=40 MPa；Y型=3060 MPa；立柱最大倾角(度)，(支架降到最低工作位置时，角最大)。 将各数值代入公式3.9得立柱缸径为：cm 按煤矿支护手册（ISBN 750200694X/TD639）表4-1和表4-2选取比计算值大的标准值作为内径，再选取配合尺寸。表4-1 单位：mm序号公称载荷(KN)缸径(mm)柱径(mm)推荐管材(mm)1280025024029929302250023022027326318002001852452641000160150、13019420580014013016818查表548，选=160mm表4-2规格缸径/柱径(mm)代号额定承载能力连接方式与尺寸工作阻力(KN)安全阀开启压力(Mpa)降柱力(KN)泵压(Mpa)柱头球半径(mm)缸底球半径(mm)柱头连接孔直径(mm)230/220(230/210)D230YJ230Y180043.3110.4(216.7)31.589.562(包括底柱)44220/185D200YJ200YD200DJ200D180057.3158751003590600160/150D160YJ160YD160DJ160D100050856010080400160/130D160/130Y23860100查表，选取配合尺寸为：外缸内径160mm，活柱外径150mm，工作阻力1000kN，安全阀开启压力50MPa，降柱力85KN，泵站压力31.5Mpa。取泵站额定工作压力( MPa)减去从泵站到支架沿程压力损失后的值为47Mpa，代入公式得立柱初撑力为：kN4.3.3 安全阀压力与立柱工作阻力的确定1、立柱的工作阻力安全阀的调整压力，按选定后的立柱缸体内径和支架承受的理论支护阻力来确定。即 Mpa （式4.5）式中的按下式计算： kN （式4.6）式中 支架在最高位置时立柱倾角，度；将数据代入公式得为：kN由公式得安全阀的调整压力为： MpaPa求出后，在选定一种动作压力与Pa相近的标准安全阀。此安全阀的动作压力即为支架安全阀的调整压力。取Pa=40Mpa。立柱工作阻力按下式进行计算： kN （式4.7）将各数值代入公式得立柱工作阻力为：kN表4.2支架工作阻力数值圆整标准（MT169-87）（kN）已知支架工作阻力为1600kN，则P2=800kN。2、最小导向长度的确定当活柱全部伸出时，从活塞导向环中点到导向套中点的距离称为最小导向长度的H，如图4.3所示。如果导向长度过小，将使立柱的初折曲增大，影响立柱的强度和稳定性。因此在设计时，必须保证有一定的最小导向长度。一般要求满足下式。式中L立柱最大工作行程，L=1000mm缸筒内径，mm一般导向长度A，当缸内径，取活柱外径的0.61.0倍。活塞宽度B则取缸内径的0.61.0倍。C取缸内径的0.61.0倍。为了保证导向长度，过分增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的，最好在活塞上不装一个距离套，距离套的宽度有所需要的最小导向长度决定。图4-3立柱导向长度关系图1缸筒；2活塞；3导向环；4距离套；5导向套；6缸盖；7活柱3、缸底厚度计算掩护式和支撑掩护式支架立柱的缸底，一般在缸内做成平地，在缸外做成球面形，如图4-35所示。在直径（mm）处的底厚可用下列公式计算：式中p缸内所能形成的最大压力，P=43.3MPa；缸底材料的许用应力，铸钢=100MPa。图4-4立柱缸底示意图4、缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体的外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸的缸体长度不应大于内径的2030倍。4.3.4支护效率整台支架的工作阻力是由立柱工作阻力产生的。对于掩护式支架而言，用支护效率来评价立柱工作阻力转为支架工作阻力的有效程度，效率按下式计算： （4.8）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、后连杆来承担，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，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，掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90%以上。故满足要求。4.4立柱柱窝位置和受力计算立柱是液压支架的主要承载与高度调节件。它除了要具有较高的承载能力外，还应有较大的伸缩行程，以满足支架工作高度的要求。在厚煤层开采中，为了增大支架对煤层厚度变化的适应性，常需使支架的伸缩比较大。此时，单伸缩立柱就难以满足要求。虽然采用在支架上装设机械加长杆的方法，在一定程度上可以扩大其调高范围。但机械加长杆在安装后就成为固定活塞杆，需要调节时装拆比较困难。目前，在国内外一些大高度的新型支架上日益采用伸缩式立柱。本设计采用单伸缩加长杆立柱结构。4.4.1立柱布置1）立柱数，本课题设计ZFS1600/16/26取支架为2柱。2）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。一般立柱轴线与顶两的垂线夹角小于（支架在最低工作位置时），由于角度较大，可是调高范围增加。同时又与顶梁较短，立柱倾角较大可以使顶梁柱窝位置前移，是顶梁前端支护能力增大。4.4.2立柱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1/3处，取顶梁为分离体，受力情况如图4.4所示。对A取距，可算得x 图4-5 顶梁受力分析 （式4.11）式中：x立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距；支架支护阻力； q支架最大支护强度； 支护面积；Lg顶梁长度； 支护工作阻力之和；顶梁与顶板摩擦力W摩擦系数取0.15顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距；立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距；立柱在最高位置时的倾角。由前面的计算可知道q394.94kN/ =1472.3kN Lg=2.2407m =1600kN =0.28m =0.230m =15度代入得x=650mm 由立柱倾角可得下柱窝位置。4.5 千斤顶技术参数的确定4.5.1平衡千斤顶的功能与设计1、调整支架作用于顶板的支撑合力位置与大小。平衡千斤顶的推力增大，将使支架合力减小，但合力作用点前移。这有利于提高顶梁前端的支撑力和改善直接顶状况，因而对破碎顶板的维护有利。平衡千斤顶拉力增大，将使支架合力增大，但作用点后移，是顶梁后部的支撑力提高，增强了支架的切顶能力2保证支架在卸载与半卸载状态下锁定顶梁的位置，也就是使顶梁呈水平状态所需要的角度，以保证良好的初撑接顶、架间密封及顺利移动支架3当支架处于通过断层、大的顶板台阶，架前冒顶或是顶板来压，冒落矸石全部压在顶梁后部及掩护梁上，致使顶梁只在前端或只在后端受载状态时平衡千斤顶对于保持顶梁与掩护梁之间夹角有重要作用4、平衡千斤顶的推力增大了支架的主动水平支撑力，对顶板维护十分有利5、平衡千斤顶推拉力能明显改变支架合力在底板上作用位置和大小，因而使底座对底板的比压发生变化4.5.2对设计的技术要求1 足够的保持力矩2.应保证在顶梁与掩护梁成最大夹角时，平衡千斤顶仍有有一定的行程余量伸出，在最小余量夹角时有一定得行程余量供压缩。一般支架在最高位置时，顶梁可下摆10左右。3.为适应地质条件变化，避免部件损坏，必要时应有机械限位装置，使顶梁与掩护梁达到最大极限夹角时，千斤顶不承受拉伸载荷，4.平衡千斤顶用安全阀溢流量一般不小于30L/min，以免支架升柱时千斤顶过载而损坏零部件。4.5.3保持力矩的确定保持力矩是指在外载荷的作用下，保持顶梁与掩护梁之间夹角的力矩如图535所示，假设立柱后部顶梁与掩护梁上承受两倍松散密度、则保持力矩（M）为，KNm式中H采高 2.6m，B支架中心距1.2m，顶板岩层密度25KN/ =0.65m、 L=0.7365m 、=0.92m 如图535所示要求平衡千斤顶保持力矩()大于上述计算值，即式中T 平衡千斤顶的额定压力386KN 顶梁与掩护梁铰点至千斤顶轴线的垂直距离代入数值得=78.5KNm 38678.5 KNm 0.2034m取为210mm图4-6平衡千斤顶保持力矩的确定4.5.4平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 (1)参考液压支架技术表千斤顶缸径、活塞杆径与工称载力匹配关系选取平衡千斤顶：缸径/柱径 125/70 代号(Q125/70W) 推力/拉力 386/265工作压力31.5MPa杆头孔径32mm，缸底耳孔径32mm取顶梁为分离体如图所示，对a点取距有：图4-7顶梁受力图 （式4.13） 顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距；280mm立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距；230mm平衡千斤顶推力/拉力386/265KNW 顶板与顶梁之间的摩擦系数，计算时取0.15支架在最高位置时立柱倾角 15支架在最高位置时平衡千斤顶与顶梁夹角56，为保证平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度时平衡千斤顶与掩护梁平行，可以取在最高位置时顶梁上平面与掩护梁的夹角取56。为保证平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，按下式计算=0.3247=253.3m=650-253.3=396.7平衡千斤顶受拉力时，取x=0.27Lg 平衡千斤顶受推力时取x=0.35Lg以上参数具体数值如下表，将数据代入得L2=0.322m表4-4 计算平衡千斤顶各种参数W16003862650.1515562802300.35L0.27LL4Db611650784.26056702201501661(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背被拉坏，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15度；支架在最低位置时顶梁能上摆10度，或顶梁和掩护梁近似180度。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180度；平衡千斤顶的活塞全部缩回时，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L4,如图4.7所示 L4 xL2h 1 7h7图4-8平衡千斤顶最短位置 （式4.15）上式中X由下式进行计算 （式4.16）代入数值得0.1046当顶梁和掩护梁成180度时，平衡千斤顶达到最大长度L5,如图4.8所示。 行程 （）查表液压活塞行程系列表取 图4-9平衡千斤顶最长位置(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，如图4.8 （4.17）式中 -当活塞全部缩回时，缸体上铰点之活塞上部之距，如图4.8所示。对于掩护型支架， =209，-当活塞杆全部缩回时，活塞杆铰点之活塞杆腔出油孔中心线之距，对于掩护式支架，=141。5 支架受力分析与计算5.1支架工作状态5.1.1 顶板状态在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于受上部岩层压力，出现离层和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就越大。而顶板冒落是有一定过程的，一般可分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，此时顶板较完整，而且没有下沉，称为无压状态；但经一定时间后，顶板就会下沉，通常称为老顶来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉带有一定的周期性，所以称为老顶周期来压状态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。5.1.2支架工作状态支架在这三种状态下是这样工作的：开始支架以初撑力支撑顶板，此时为无压状态；当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增大，当增大到大于安全阀调正压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称为立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如果继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称为压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现象；当支架前移后，此时顶板处于无支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架在工作过程中的三种状态。5.1.3支架受力支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板反力，其中顶板合力的垂直分力,由支架工作阻力来克服，所以在计算支架的工作载荷时按支架的工作阻力来确定5.2受力计算该支架整体受力如图5.1所示，图中和为已知，需求、及作用点位置。图5-1铰接式顶梁支架受力首先取顶梁为分离体：图5-2 顶梁分离体受力各力对点取矩，可写出作用点的位置的表达式：(式5.1） 再取顶梁和掩护梁为分离体：如图5.3所示，对点取矩，可求得的表达式，将此式与上式联立，解出如下： （式5.2）再把此式代回上式，可解出。图5-3顶梁和掩护梁分离体所以，在验算顶梁强度时，按平衡千斤顶受拉且=0.3时进行计算。若这个条件强度计算能满足，其他条件都能满足。将=1600 kN，=-158kN，=0.15，=15，=56，=253mm，=921mm，=280，=230，=325mm代入公式得为：代入数据算得=1426kN 将值代入公式得作用点的位置为： =706mm再取掩护梁为分离体如图5.4所示:图5-4掩护梁分离体由顶梁分离体写出力系平衡方程，再由此解出顶梁与掩护梁铰点的内力 （式5.3） （式5.4）从这两式中可以看出平衡千斤顶受推力时，有最大值，掩护梁受力最大，前后连杆受力也最大，所以，演算掩护梁和前后连杆强度时，用这种情况进行。计算得416kN 439kN6 液压系统设计6.1液压支架的液压系统特点液压支架由不同数量的立柱合千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等功作。虽然支架的液压缸(立柱和千斤顶)种类、数量很多，但其液压系统都采用多执行元件的并联系统。液压支架的液压传动，与其它机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点加下：工作液的压力高(管路内的压力达2040MP