QY-A型液压支架设计.doc

QY-A型液压支架设计1 概述1.1 液压支架在综采工作面的作用和分类1.1.1 液压支架的用途 液压支架作为煤矿综采机械化采煤设备（液压支架、可弯曲输送机和采煤机）的重要组成设备之一，可见它的作用是十分重要的;在生产过程中，液压支架的性能的好坏将直接影响煤矿生产的质量,特别是生产过程中对人员的安全保障问题是极为重要的。所有的这些都要求我们在从事液压支架设计时要严格按相关的规程要求来设计液压支架，设计的产品要具有安全性的同时要具有经济性，从而实现在做到确保人员的安全的同时要最大程度地提高煤矿生产效率，达到好的经济效益，提高工人的收入和生活水平。因此，性能优良的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。1.1.2 液压支架的分类液压支架的种类很多，分类的依据和方法各不相同。下面介绍几种常用的分类方法以及液压支架的类型。 按支架与围岩的相互作用关系分类 按照液压支架与围岩的相互作用关系，目前使用的液压支架可分为三类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类。 支撑式液压支架支撑式液压支架是一个在底座上放置几根立柱支撑顶梁，通过顶梁支撑顶板的简单结构基础上发展起来的，它是世界上发展最早的液压支架。典型的支撑式液压支架，其顶梁较长，立柱较多，靠支撑作用维护一定的工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。架厚的挡矸帘只起着碎矸石从采空区涌入工作面的作用。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，因此适用于顶板坚硬完整，基本顶周期压力明显或强烈，底板较坚硬的煤层。但由于立柱的垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去稳定性。 掩护式液压支架 掩护式液压支架是利用立柱、顶梁与掩护梁来支护顶板和防止岩石落入工作面。这类支架的顶梁较短，多数支架的立柱只有一排，一般仅有12根，多呈倾斜布置，与掩护梁连接或直接连接在顶梁上。立柱通过顶梁支撑顶板。掩护梁与冒落得岩石相接触，阻止矸石涌入工作面并承受采空区矸石的载荷。这类支架的支撑力小，但掩护性能和稳定性较好，调高范围大，对破碎顶板的适应性较强，适应于支护部稳定或中等稳定的松散破碎顶板。 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架式支撑式支架和掩护式支架相结合的一种架型，以支撑为主，但同时又具有掩护作用。这种支架采用了支撑式支架双排立柱支撑顶梁的结构形式，保证了支撑式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用了掩护式支架坚固的掩护梁以及侧护板将工作面与采空区完全隔离开的结构形式，保留了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处。因此，支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定或稳定，基本顶周期来压明显或强烈瓦斯涌出量较大的煤层。 按支架移动方式分类液压支架按移动方式的不同可分为二大类，即整体自移式和迈步移动式液压支架。 整体自移式液压支架这类支架一般均为整体结构，其移架和推溜共用一个千斤顶。该千斤顶与输送机之间有直接或间接的连接关系，因而能以输送机为支点实现移架，以支架为支点实现推溜。目前多数液压支架采用此种移动方式。 迈步移动式液压支架这类支架是由一定连接关系的主、副架所组成。移架与推溜的千斤顶是各自独立的，移架千斤顶分别与主、副架相连，互为支点，交替迈步移动；而推溜千斤顶一般只与支架相连，另一端则呈自由状态，推溜时以支架为支点。 根据使用地点分类液压支架按使用地点的不同可分为工作面支架和端头支架两类。布置在工作面内，用来支护工作面顶板的支架称为工作面支架。布置在工作面与上下顺槽连接处的支架称为端头支架。由于端头处机械设备较多，顶板悬露面积大，同时又是人员的出入口，所以要求端头支架不仅要有较高的支撑能力，还要保证有足够的空间；不仅要使支架自身能够沿弯曲的顺槽前移，还要考虑推移转载机。因此，端头支架在结构上具有特殊性。1.2 液压支架的组成及工作原理1.2.1 液压支架的组成液压支架爱一般由城在结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。 承载结构件 顶梁直接与顶板相接触并承受顶板载荷的支架部分叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、管理顶板功能。顶梁一般由两种结构形式：一种为整体顶梁，这种顶梁的梁体较长，结构简单，能顺利通过顶板局部冒落凹坑，但对顶板台阶的适应能力差；另一种为分段顶梁，即顶梁分为前梁和后梁两部分，前梁又可分为伸缩式活动前梁、铰接式活动前梁或兼而有之的活动前梁。由于分段顶梁铰接处的纵向间隙和销轴可以允许各段之间相互有稍许扭转，因而比整体顶梁容易满足港督要求。伸缩式活动前梁可在伸缩千斤顶的作用下向煤壁方向伸出和缩回，及时支护采煤机割煤后所暴露的顶板，实现立即支护。当采煤工作面出现较严重的片帮时，伸缩梁可直接插入煤壁进行支护。因此，在顶板破碎、片帮现象严重的工作能，多采用带伸缩式活动前梁的支架。铰接式活动前梁又称摆梁，即在前梁千斤顶的作用下，可沿与顶梁铰接的铰接轴向上或向下摆动一定角度，以改善支架的接顶情况，从而可提高支架对靠近煤壁顶板的支撑能力。 掩护梁阻挡采空区冒落的干湿窜入工作面并承受采空区冒落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的特征部件之一。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。当底板不平时，掩护梁还将承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱式整体结构，也有做成左、右对分结构的。 前后连杆前后连杆只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。前后连杆与掩护梁、底座组成的四连杆机构，即可承受支架的水平分力，又可使掩护梁的铰接点在支架的调高范围内做近似的直线运动，使支架的梁端距基本保持不变，从而提高了支架控制的可靠性。前后连杆一般采用箱形分体式结构，即左、右各一件。后连杆常常用钢板将两个箱形结构连接在一起。 底座直接与底板相接触，承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件叫底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。侧护板目前生产的掩护式和支撑掩护式支架都具有较完善的侧护装置，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也有侧护板。侧护板的作用是：a.消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；b.作为支架移架过程中的导向板；c.防止支架降落后倾倒；d.调整支架的间距。支架工作时一侧的侧护板是固定的，另一侧为活动的。制造时，通常两侧侧护板做成对称的；安装时，可按需要将一侧侧护板用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。按侧护板和掩护梁或顶梁上板面关系，侧护板有上复式、埋伏式、抽出式和拆页式等几种结构型式。 执行元件执行元件包括立柱和各种千斤顶。 立柱支架上凡是支撑在顶梁（或掩护梁）和底座之间直接或间接承受顶板载荷、调节支护高度的液压缸称为立柱。立柱式液压支架的主要动力元件，可分为单伸缩和双伸缩两种。单伸缩立柱调高范围较小，但结构简单、成本低；双伸缩立柱则与之相反。有的立柱两端还有机械加长段。立柱两端一般采用球面结合形式与顶梁和底座铰接。 千斤顶液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶，依其功能分别为前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，所以结构与立柱基本相同，只是长度和行程较短，也有人称它为短柱。平衡千斤顶是掩护式支架独有的，其两端分别与掩护梁和顶梁铰接，主要用于改善顶梁的界定接顶状况，改变顶梁的载荷分布。当支架设置防倒防滑装置时，还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。 控制元件液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。 安全阀安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀，可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力来调整开启压力。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力，即超过安全阀的调定压力时，工作腔内的压力液可通过安全阀释放，达到卸压目的。卸载以后，工作腔内的压力低于调定压力时，安全阀自动关闭。在此过程中，可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。 液控单向阀液控单向阀是液压支架的重要元件之一。它的作用是闭锁立柱或千斤顶的某一腔中的液体，使之承受外载产生的增加阻力，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力。液控单向阀往往和安全阀组合在一起，组成控制阀。 操纵阀在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作换向（分配）阀，习惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀二种类型。 辅助装置辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。 推移装置退役装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置，由连接头、框架、推移千斤顶组成。推移千斤顶一端与支架底座相连，另一端通过框架、连接头与刮板输送机相连。 挡矸装置挡矸装置由悬挂在顶梁后端的挡矸帘或挡矸板构成，其作用是防止矸石从采空区涌入工作面。 复位装置复位装置是支撑式支架的特征装置。这是由于支撑式支架的顶梁、前后立柱和底座恰好形成四杆双曲柄机构，因而支架的结构是不稳定的，在侧向力的作用下，容易发生立柱倾斜现象。安设复位装置的目的就是为了使支架立柱保持在垂直于顶板的正确位置，使支架的结构稳定，具有抵抗顶板水平分力的能力。 护帮装置煤层较厚或煤质松软时，工作面煤帮（壁）容易在矿山压力下崩落，这种现象称为片帮。工作面片帮使支架顶梁前端的顶板悬露面积增大，引起架前冒顶。我国规定，煤层采高超过2.52.8m，支架应设护帮装置，其目的在于防止煤壁片帮或在片帮时互帮板起到遮蔽作用，避免砸伤工作人员或损坏设备。护帮装置安设在支架顶梁前端，由护帮板和护帮千斤顶组成。 防倒防滑装置在煤层倾角较大（一般在15以上）时，支架需加设防倒防滑装置，以免支架降落或前移时倾倒或下滑。防滑装置一般安设在两相邻支架的底座侧面，防倒装置一般安设在两相邻支架的顶梁侧面。1.2.2 液压支架的工作原理 图1-1 液压支架工作原理 1输送机； 2推移千斤顶； 3立柱； 4安全阀； 5液控单向阀； 6操纵阀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。如图1-1所示。 升柱当需要架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升。使活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。 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。 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的。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液体进入千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机的为支点，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的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-2所示。支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可以分为三个阶段。支架升柱时高压液体进入立柱的下腔，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t；此时支架的初撑力为 P=D pn, KN 式中 D支架立柱的缸径，m； p泵站的工作阻力，Mpa； n支架立柱的数量。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t；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调正值时，安全阀打开溢流，立柱收缩，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值后，安全阀停止溢流，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t，此时支架的工作阻力为 P= D pn, KN 式中 p支架安全阀的调定压力，Mpa； 其它符号意义同前。支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。 图 1-2 支架的工作特性曲线 t初撑阶段； t增阻阶段； t横阻阶段； P初撑力； P工作阻力1.3 液压支架设计的目的和要求1.3.1 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。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。由于不同才每个字母的底板团结、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。为了有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此，液压支架设计的工作是非常重要的。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。1.3.2 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150KN至250KN，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值。9.要求支架有足够的刚度，能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 液压支架的选型2.1 液压支架的支撑力与承载的关系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，制假所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理的选择架型，要对支架的支撑力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。掩护式支架的支撑力分布与承载2.1.1 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，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支护式支架大，其支撑力的分布规律如图2-1所示。 图 2-1 掩护式支架支撑力分布2.1.2 掩护式支架在不同的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情况 图 2-2 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况支架的顶梁和掩护梁受力情况，如图2-2所示。顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑的次数少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上合力Q，载荷分布如图所示。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，对掩护梁的作用可以分解为垂直分力和水平分力，如图所示。掩护式支架虽然立柱少，支撑力较小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布与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2-3所示。 图2-3 掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况直接顶冒落时，冒落岩石分别作用在顶梁和掩护梁上。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，此种支架不能在中等稳定以上顶板下工作。2.2 液压支架的架型选择 从前面的受力分析得知，液压支架的架形选择，主要取决于顶板条件和地质条件，结合各类支架的不同性能和特点，选择一种较为合理的架型。下面简要介绍影响架型选择的因素和如何有针对性地进行架型选择。2.2.1 已知设计条件 1.支架参数 支撑高度 1.4/3.2(m) 工作阻力和初撑力 20382238/16171813(KN)2.顶板类型 （1） 直接顶类别 2级 属于中等稳定顶板。 （2） 基本顶级别 级 老顶周期来压不明显。2.2.2 支架架型选择以及基本参数的确定 A.液压支架的架型选择 选型原则 ：支架选型应使支架支护强度与采面矿压相适应，支架结构与煤层赋存条件相适应，支护断面与通风相适应，液压支架与采煤机、输送机等设备相匹配。 选型主要依据：所选采面的煤层状况，顶底板及采区的地质条件，以及各不同的支架类型所具有的不同的性能和特点。 影响架型选择的因素a.顶板直接顶的类别与老顶的级别对支架选型起主导作用。在回采工作面顶板分类方案中给出了不同顶板条件下液压支架架型选择的建议，可以参照：表1-1。一般，顶板愈不稳定，应选择支撑合力愈靠近煤壁、顶板愈短、顶梁前端支撑力较高的支架型式。例如支撑掩护式或支撑式掩护支架等，一般采用即时支护方式。必要时应设置铰接或可伸缩的前探梁等装置，以保证较小的梁端距；架间有较完善的挡矸密封装置。相反，顶板愈稳定，一般老顶来压也明显，则应选择顶梁后端支撑力较高的架型。例如支撑掩护式或支撑式支架。必要时，可采用滞后支护方式和比较简单的架间密封。对坚硬难冒顶板则应使掩护梁尽可能陡立，支架应有抗冲击措施。b.底板 底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支撑面积。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0.98 MPa左右）。如果尖端比压大于容许比压，则需要改变支架结构参数或另选架型 对于松软底板，可以考虑如下建议： 在配套设备许可情况下，采用插腿式掩护支架。 一般不宜采用分体底座、靴式底座等。只有在采用底座抬起装置和措施时，才可以考虑用分体底座。 煤层厚度 厚度超过2.5，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。 厚度达到2.5m至2.8m以上时，需要选择带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的掩护式，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。 假顶分层开采，应选用掩护式支架。 煤层倾角 倾角在10度至15度（支撑式支架取下限，掩护式支架和支撑掩护式支架取上限）以上时选用带有防滑装置的支架。 倾角在18度以上时，应选用同时带防滑防倒装置的支架。 底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板的允许比压。 为了移架容易，设计时要使支架底座前部比后部比压小。 瓦斯含量 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风断面较大的支撑式或支撑掩护式支架。 地质构造断层十分发育，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在58平方米和20分钟以下时，暂时不宜使用综采。 设计成本在同时允许选用几种架型时应优先选用价格便宜的支架。支撑式支架最便宜，其次是掩护式，最贵的是支撑掩护式支架。B.液压支架架型的选择液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学性能能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。具体选择可根据原煤炭部（81）煤科字第429号文件关于试用缓倾斜煤层工作面顶板分类和已知条件来选取架型。按表2-1根据老顶级别和直接顶类别来确定支架架型，再根据老顶级别和采高确定支护强度。支护强度被定义为单位支护面积的支护阻力（或叫支架的工作阻力）。 根据以上各参考条件以及已知的设计条件（顶底板地质条件）结合表2-1，选择QY型掩护式支架，其支护强度为0.340.45Mpa。表2-1老顶级别直接顶类别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）支掩（采高大于2.5m）液压支架支护强度KN/M2采高1米2941.3*2941.6*2942*294应结合深孔爆破,软化顶板等措施处理采空区.采高2米343（245）1.3*343（245）1.6*3432*343采高3米441（343）1.3*441（343）1.6*4412*441采高4米539（441）1.3*539（441）1.6*5392*539注: 表中括号内的数字系掩护式支架顶梁上的支护强度。 1.3、1.6、2 为增压系数。 表中采高为最大采高 3 QY型液压支架的整体结构尺寸设计3.1 支架高度、支架间距、底座长度的确定3.1.1 支架高度和支架伸缩比 支架高度支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化因素来确定，其最大与最小高度为： H h + s1 H h - s2 a - b 式中：H 支架最大高度 H 支架最小高度 h 煤层最大厚度（最大采高） h 煤层最小厚度（最小采高） s1 考虑伪顶，煤皮冒落后仍有可靠处撑力所需要的高度，一般取200-300mm。s2 顶板最大下沉量，一般取100-200mm。 a移架时支架的最小可缩量，一般取50mmb 浮矸石、浮煤厚度 一般取50mm。 而已知设计条件已给出支架的最大支撑高度和最小支撑高度。 支架伸缩比支架的伸缩比是最大与最小高度之比值即：M = H / H = 3.2/1.4 = 2.286由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式支架为2.5；掩护式支架可达3。一般范围是1.5至2.5，煤层较薄时选大值。但考虑尽量减轻支架的重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。3.1.2 梁端距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，QY型液压支架的梁端距取340mm。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 b=B+nc式中 b支架间距（支架中心距），B每架支架顶梁的总宽度，c相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙，n 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 = 支架节数。 支架间距b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槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间,所以除节式和迈步式支架外，支架中心距一般为1.5m。3.1.4 底座长度底座是将顶板压力传递到底版和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：支架对顶板的接触比压要小；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；由于本次设计的原始数据和QY250-13/32型掩护式液压支架除最小支护高度不同外，其余的参数相同，所以在设计本型号支架时一些结构参数可以参照QY250-13/32型掩护式支架。取底座长度：2.1m。支架底座宽度一般为1.11.3 m。取底座宽度：1.3 m。3.2 四连杆机构的作用及几何特征3.2.1 四连杆机构的作用 四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的重要部件之一。其作用概括起来主要有两个，其一是当支架由高到低的变化时，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。3.2.2 四连杆机构的几何特征支架高度在最大和最小范围变化时，如图 3-1所示，顶梁前端点运动轨迹的最大宽度e应大于或等于70mm，最好为30mm以下。 图 3-1 四连杆的几何特征图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，P 52 62，Q 75 85；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，阻止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求tgP W，如果钢和矸石的摩擦系数W = 0.3，则P = 16.7而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取Q 25 30，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。从图3-1可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心之间的连线与水平线的夹角为，设计时要使a角满足tg0.35的范围，其原因为角直接影响支架承受附加力的数值的大小。 图 3-2 四连杆的几何特征 应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架的工作段。其原因是当顶板来压时，立柱让压下缩，使支架有向前移的趋势，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的转动趋势，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，有利于移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外载荷。 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量是e值减小，取双纽线向前凸的一段为支架的工作段。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，运用作图法就可以了，如图3-3所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构）。图 3-3 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构3.2.3 掩护梁和四连杆长度的确定 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图34所示。Q1GP2P1HHA图34 掩护梁和后连杆计算图设G为掩护梁长度；A为后连杆的长度；L2为点引垂线到后连杆下铰点之距；H1为支架最高位置时的计算高度；H2为支架最低位置时的计算高度；从几何关系可以列出如下两式：GcosP1-AcosQ1=L2; GcosP2-AcosQ2=L2;联立上述两式可得： 说明：支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点之顶梁面之距和后连杆铰点至底座底面之距。按四连杆机构的几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q2代入上式，可求出两者之间的比值为0.7。符合掩护式支架的0.450.61根据的值就可以求出掩护梁的长度G1860mm和后连杆长度A1135mm。 3.3 顶梁长度的确定3.3.1 配套采煤机和刮板输送机型号 表 3-1 配套设备制造厂家MLS-170 采煤机鸡西厂SGD-730/180 刮板输送西北厂3.3.2 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的影响很大，如图3-5所示。 图 3-5 支架工作方式比较从图 3-5 可以看出，先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大的长度；先推溜后移架方式（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600m。3.3.3 配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接的关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶板，同时考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm，这个距离叫空顶距。另外在输送机采煤板前也留有一定距离。一般为135-150mm左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。初此之外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，以此来计算顶梁长度。3.3.4 顶梁长度计算 掩护式于支撑掩护式支架顶梁长度的计算 顶梁长度【配套尺寸底座长度Acos(Q1)】【Gcos(P1)+300+e】掩护梁于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铰点之距； e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离； Q1 、P1如图3-1 所示 ，支架最高位置时，分别为后连杆和掩护梁水平面的夹角； 代入数据就可以计算到顶梁的长度为：2.99m3.3.5 顶梁宽度支架宽大，可以加快支架的移架的速度，提高支架的横向的稳定性，但是对顶板起伏的适应性差，且需增大立柱的工作阻力。我国规定支架的标准的中心距为1.5m；掩护式和支撑掩护式支架包括侧板在内的顶梁宽度为1.4m到1.6m左右（1.43m为支架正常工作的宽度，1.6m为调架时侧护板伸出后的最大宽度）。3.4 立柱和千斤顶位置确定3.4.1 立柱的布置 立柱数目前国内支撑式支架立柱数为26根，通常为4根；掩护式支架为二柱；支撑掩护式支架为四柱。 支撑方式支撑式支架为垂直布置。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线夹角小于30（支架在最低工作位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。同时由于丁量较短，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。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱的轴线与顶梁的垂线夹角小于10（支架在最高工作位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较大。3.4.2 立柱柱窝位置的确定液压支架立柱上柱窝的确定原则，从理论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶板载荷分布一致，但顶梁载荷复杂，分布规律同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形规律变化，沿支架宽度方向均布。把支架的空间杆系结构，简化为平面杆系结构。同时偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿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的位置，认为支架顶梁承受集中载荷F1在顶梁1/3处，取顶梁为分离体，受力情况如图 3-6 所示。 图3-6 顶梁受力分析对A点取矩： 式中 x立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（m） F支架支护阻力（KN） L顶梁长度（不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距）（m） P立柱工作阻力之和（KN） h顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距（m） h立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距(m) 立柱在最高位置的倾角（度） 设计尺寸如下： F=2283KN , L=2890mm , P=2450KN , h=170mm , h=180mm , =10 代入计算得x=0.893m 原设计的x=0.85m,上述计算结果x=0.893m，比原计算多0.043m，原设计基本合适。3.4.3 平衡千斤顶位置确定原则 平衡千斤顶位置确定应按下述方法确定： 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或拉力等），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，顶梁后端的载荷加大，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。当顶梁后端出现空顶时，顶梁前端的载荷加大，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倍顶梁长度处来计算。 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 取顶梁伟分离体如图 3-7 所示 图 3-7 顶梁分离体受力图取 式中 C平衡千斤顶的推拉力（推力为“+”、拉力取“-”） W顶板与顶梁之间的摩擦系数，计算时取0.3 支架在最高位置时立柱的倾角 支架在最高位置时平衡千斤顶的倾角 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和掩护梁的夹角。 h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180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 B掩护梁厚度（m） D平衡千斤顶外径 平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取0.030.05m L立柱柱窝中心至平衡千斤顶上铰点之距（m） L平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距 X支护阻力合力作用点的位置。 平衡千斤顶在拉力时，取X=0.27 L；平衡千斤顶在推力时，取X=0.35 L。式中L为顶梁的长度。 已知 h=350mm L=2890mm =10 =50 P=+612KN 或 P=-530KN 代入数值计算得：L=0.318m 和 L=0.542m 取平均值得L=430mm.3.4.4 侧推千斤顶位置的确定侧推千斤顶伸出时，使活动侧护板外移，可密闭架间间隙，起到防矸、导向、防倒和调架等作用；侧推千斤顶缩回时，使活动侧护板回缩，可减少移架阻力。 侧推千斤顶控制方式 无锁紧回路且不操作时，侧推千斤顶处于浮动状态，靠弹簧筒的弹簧力控制活动侧护板与邻架的间隙。为防止顶板岩石从架间冒落，移架时摩擦阻力小。QY型掩护式支架每个弹簧筒的弹簧力为17.2KN，这种结构的缺点在于防矸、防倒效果与弹簧式差不多。 有锁紧回路时，用液控单向阀锁紧。优点为防矸、防倒效果好。缺点在于移架时要操纵千斤顶，使移架操作复杂化，而且架间易掉矸。 侧推千斤顶的布置由于顶梁在顶板载荷作用下，要求侧推千斤顶的推拉力要大，才能灵活操作顶梁侧护板。因此在顶梁上一般布置两个侧推千斤顶，两个弹簧筒。在掩护梁上一般仅在中间有一个侧推千斤顶，两端各对称布置一个弹簧筒。由于在顶梁和掩护梁上焊有横筋板，则侧推千斤顶安装位置要与横筋板相适应。一般为对称布置，这样可以使侧护板受力平衡。3.5 通风断面的验算 采煤工作面的过风量有一定要求。在风量一定时，采煤工作面的通风面积不应过小。但在工作面中安装液压支架后，通风面积明显减小。因此必须验算通风断面积。一般按工作面允许风速进行验算。根据保安规程规定，工作面的风速应小于5m/s。采煤工作面风速计算按下式进行。 V= m/s式中 V工作面风速（m/s） A支架在采煤工作面的通风断面积（m） Q采采煤工作面所需风量（m/min） Q采= m/min K通风不均匀系数，一般取K=1.5 C保安规程允许的沼气含量，一般取C=1% Q沼= T日产量（T） q一分钟生产一吨煤沼气涌出量，一般取q=14（m/min）已知： A=3.9 m T=670 t/h则有： Q沼=6.51 （m/min） Q采=976.5 （m/min） V= =4.17 (m/s)V5m/s,合乎保安规程规定。4 QY-A型液压支架部件设计4.1 顶梁掩护式支架顶梁结构型式如图4-1所示（此处只介绍掩护式支架顶梁的型式及选型。顶梁的具体结构及计算见下章）。图4-1 a为平衡式顶梁。顶梁1较短，与其下部的掩护梁4铰接。因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡顶梁。顶梁铰接点前、后段的比例近似为2：1。这种顶梁后部和掩护梁形成区，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。图4-1 b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，消除了三角区。图4-1 c为铰接式顶梁，顶梁1为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁4铰接，取消了三角区，立柱直接支撑在顶梁上。用平衡千斤顶8调节顶梁与顶板的接触面积。QY型掩护式支架就采用这种结构，所以该支架使用此种顶梁。图4-1 d为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶7调节前梁角度，可提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。图4-1 e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，为图4-1 d和e两种型式结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。图 4-1 掩护式支架顶梁结构型式4.2 掩护梁和四连杆结构4.2.1 掩护梁掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆的耳座。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。掩护式、支撑掩护式支架掩护梁主要功能有： 将顶梁承受的部分顶板压力通过连杆或铰点传递给底座； 用以隔离采空区、阻止其冒落矸石涌入工作面；掩护梁上的活动侧护板，进一步完善了这种功能； 承受采空区冒落矸石的压力，并将它传递至顶梁、连杆和底座。从侧面看掩护梁，其形状有直线型、折线型两种。 整体式直线型图4-2 整体直线型特点与适用条件： 整体性好、强度大，加工简单，工艺性好 从侧面看、掩护梁上轮廓线形状为直线形。当支架歪斜时，架间密封性比折线形掩护梁好 用于支撑掩护式支架时，立柱不支撑在掩护梁上，因而这种掩护梁的受力和结构比较简单整体折线形 图4-3 整体折线型特点与适用条件： 当支架歪斜时，折线形掩护梁的架间密封性差。折线形掩护梁加工工艺性差。 用于早期的支掩式掩护梁支架以及其他某些支架，目前应用较少QY-A型液压支架选择整体式直线型掩护梁。4.2.2 四连杆四连杆机构有两种结构型式。 图 4-4 单杆式连杆图4-4为前、后连杆式单连杆的结构型式。图4-5为前连杆是单杆、后连杆是整体的结构型式。 前连杆 后连杆 图4-5 前后连杆结构分体式图