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掩护式液压支架机械结构设计-煤矿矿井用设计Y7500-20-40D型号【三维Creo】【9张CAD图纸、说明书全套】【YC系列】
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三维Creo
9张CAD图纸、说明书全套
YC系列
掩护
液压
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结构设计
煤矿
矿井
设计
Y7500
20
40
型号
三维
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图纸
说明书
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YC
系列
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上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 煤矿矿井用液压支护机构机械结构设计 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 6煤矿矿井用液压支护机构机械结构设计1 选题背景及其意义煤炭是工业的粮食，到本世纪初，能源生产的消费结构中以煤为主的格局不会改变，到二十世纪末至少需要原煤14.5亿吨，从现在起，每年递增0.4亿吨。如何才能实现这样大幅度的增产，答案是明确的，即：依靠煤炭生产的机械化和自动化，决不能在走增大增产的老路，依靠科技进步，把科学技术是第一生产力的观点落实到实处，决不能单用拼体力，拼能耗换取煤炭增产的方法。综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，而液压支护机构是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。液压支护机构在我国煤矿中的使用已有近二十年的历史，才消化引进设备开始，到我国自己能独立研究、设计和制造液压支护机构，我们已经积累了丰富的经验，对这些经验进行总结和提高，势在必行。这对于提高液压支护机构的设计个制造质量，对于进一步开发液压支护机构的新品种，以满足煤炭生产和打入国际市场的需要。液压支护机构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。由于不同采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压的要求也不同。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护机构。因此，液压支护机构的设计工作是很重要的。在过去的半个多世纪中，煤矿井下开采支护设备的设计和使用发生了巨大变化。其中，最引人瞩目的事世界范围内广泛采用液压支护机构作为长臂开采支护工程的主要设备，从采煤设备的发展过程来看，采用液压支护机构管理顶板是当代采煤技术史上一次重要的变革，也是煤矿现代化的主要标志。液压支护机构作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约占综合采煤设备总重量的8090，其费用约占综合采煤设备总费用的6070。因此，为了降低成本提高采煤的经济效益，世界各主要产煤国都一直在积极地开展液压支护机构研究。1954年英国首次研制出垛式液压支护机构，紧接着法国研制的节式液压支护机构代替了木支架和金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命。60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架（具有四连杆机构），解决了支架端距变化的问题，开辟了液压支护机构设计的新时代；70年代主要是“立即支护”方式；1980年前西德赫母夏特公司开发出的G550-22/60掩护式支架，最大高度为6cm。为了提高生产能力，降低生产成本，20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制液压支护机构。最先将电液控制液压支护机构用于长壁工作面的是澳大利亚的科里曼尔煤矿，该工作面由74架英国原道锑公司研制的四柱式垛式液压支护机构组成，于1981年投产。1983年英国原道锑公司又为美国坎塞尔煤矿制造了两按钮式微机液压控制支架，1984年投产。1995年英国原道锑公司又研制出全工作面集中电液控制系统。威斯特伐利亚贝考瑞特公司研制出更先进的P-M3和P-M4电液控制系统。现在电液控制系统已经发展到综合采全套设备可视化集成控制阶段。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）1954年英国首次研制出垛式液压支护机构，紧接着法国研制的节式液压支护机构代替了木支架和金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命。60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架（具有四连杆机构），解决了支架端距变化的问题，开辟了液压支护机构设计的新时代；70年代主要是“立即支护”方式；1980年前西德赫母夏特公司开发出的G550-22/60掩护式支架，最大高度为6cm。为了提高生产能力，降低生产成本，20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制液压支护机构。最先将电液控制液压支护机构用于长壁工作面的是澳大利亚的科里曼尔煤矿，该工作面由74架英国原道锑公司研制的四柱式垛式液压支护机构组成，于1981年投产。1983年英国原道锑公司又为美国坎塞尔煤矿制造了两按钮式微机液压控制支架，1984年投产。1995年英国原道锑公司又研制出全工作面集中电液控制系统。威斯特伐利亚贝考瑞特公司研制出更先进的P-M3和P-M4电液控制系统。现在电液控制系统已经发展到综合采全套设备可视化集成控制阶段。 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50MPa、额定流量478L/min的乳化液泵站，以实现支架快速推进、移架速度达68s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6470KN，支架宽度普遍增大，中心距达到1.75m，并向2m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2055280m长壁综采面工作阻力为28565KN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；1998年9月，麋鹿矿用工作阻力为8900KN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7万t，最高工效1336t/工。澳大利亚也基本采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式液压支护机构，支架的平均阻力位7640KN。英国也在大力发展两柱掩护式支架，工作阻力有了很大的提高，达到60008000KN.我国液压支护机构经过20多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨、甚至班产超过万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几，有些地方特别是厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支护机构技术含量偏低，电液控制阀可靠性差。今后十年，我国的液压支护机构将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量400L/min的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需求；系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。随着科学技术的高速发展。新技术、新材料的不断应用，微机和计算机技术进一步普及，为液压支护机构的发展提供了有利的条件。目前，液压支护机构研究发展趋势主要有以下几个：1 液压支护机构的结构形式正朝着简单实用方向发展，如液压支护机构的架型明显的向两柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。2 在已有支架设计与应用经验的基础上，将有限元和计算机辅助设计相结合，研究支架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。其中在设计中应该注意一下几个方面：提高液压支护机构的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面；如何提高支架的移架速度；改变支架个别部件结构，加大联结件强度3 改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密封件入手制定更严格的质量和抗腐蚀标准。4 对不稳定顶板、松软底板、地质构造教复杂等特殊条件，加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。5 采用新型元件和材质，可减轻支架重量，提高支架性能和适用寿命。6 结构上寻求克服四连杆的新型架型。7 快速支架电液控制系统的研制与投入，研究支架的遥控、程控控制和性能自动监控，为回采工作面的半自动化和自动化创造条件。工作面支护问题始终是围绕煤矿生产安全、质量、效率的重要问题。之前，国外高产高效综采工作面正向“设备重型化、工作面大型化”的方向发展，我国许多大型煤炭能源集团公司也正在发展超大型综采工作面，液压支护机构全部进口，对企业的发展极为不利。因此，我国必须加大综采液压支护机构的研究投入和步伐，尽快适应我国能源大开发的战略要求。3 研究内容根据设计题目明确设计任务，了解液压支护机构的工作原理、功能、工作环境以及国内外发展现状，理清设计思路和明确方向，拟定初步设计方案。然后根据给出的数据选择出适合的掩护式液压支护机构结构，并画出其四连杆机构简图，然后用原有数据内容确定四连杆的具体数据，并作几何图四连杆机构设计。确定了四连杆机构后，还需选择液压支护机构部件的选择和设计，其主要部件有：顶梁、掩护梁、底座、立柱、千斤顶、侧护板、连杆机构。图1 四连杆机构4 研究方案支架的主要组成部分有顶梁、掩护梁、底座、立柱、千斤顶、侧护板、连杆机构。顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。顶梁分为三种，这里我采用的是铰接式顶梁。图2 铰接式顶梁掩护梁做成箱体结构，用于承受部分煤、矸载荷，防止其窜入后输送机的工作空间，保证支架、后输送机正常运行。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要求之外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板接触比压要小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置等等：要有一定的质量，以保证支架的稳定性等。底座分为整体式、对分式、底靴式，由于我所做的是是掩护式的液压支护机构，所以我在此选择了整体式的底座。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。图3 整体式底座立柱是支架的受压构件，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地工作特性外，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需求。掩护式支架为2柱，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300（支架在最低位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。同时由于顶梁较短，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。这里采用单伸缩立柱即可。最后，将所有部件根据四连杆机构组合起来，完成掩护式液压支护机构的设计。图4 掩护式液压支护机构5 进度计划2014年1月- 2014年2月：收集资料，确定设计系统总体方案，书写开题报告。2014年2月- 2014年3月：方案设计。主要决定机器的各基本组成部分的位置 和结构选择；开题答辩。2014年3月- 2014年4月：零部件的具体设计，确定相关参数，绘图。2014年4月- 2014年4月中：中期答辩。2014年4月- 2014年5月：编写毕业论文。2014年5月- 2014年6月：毕业答辩准备和答辩。参考文献1 丁绍南，采煤工作面液压支架设计，世界图书出版社，19922 王国法，液压支架技术，煤炭工业出版社，19993 程居山.矿山机械，中国矿业大学出版社，20004 邢福康，刘玉堂.煤矿支护手册，煤炭工业出版社，19915 赵宏珠.综采面矿压与液压支架设计，中国矿业学院出版社，19876 雷天觉.新编液压工程手册，北京理工大学出版社，19987 成大先.机械设计手册，化学工业出版社，20048 曾正明.机械工程材料手册，机械工业出版社，20039 张家鉴，陈文享.液压支架，煤炭工业出版社，198510 单辉祖，材料力学，高等教育出版社，199911 王伯平，互换性与测量技术基础，机械工业出版社.2009.612 姚云英编著.公差配合与测量技术，机械工业出版社.200613 Yeale FFluid Power Design Handbook. Znd Ed. Revised and Expanded. New York and Basel: Marcel Decker lnc，199014 Colby RSA State Analysis of LCI fed Synchronous Motor Drive System. IEEE Trans, 198415Stoinski, K.; Mika, M.Dynamics of hydraulic post of powered supportJ，Fiz Tekh Probl Razrab Polezn Iskop指导教师意见课题从分析调查了煤矿矿井用液压支护机构的设计及研究中所涉及到的相关问题，分析了目前液压支护机构设计过程中存在的难点。并根据调查结果，提出了液压支护机构的机械设计方案。该学生态度端正,课题立意较为明确，对液压支护机构相关领域的国内外研究现状有一定的了解和认识，煤矿矿井用液压支护机构机械设计方案可行，能够紧扣煤矿矿井用液压支护机构设计中的主要内容展开分析，工作进度计划基本合理，做了不少为完成课题方面的前期基础工作，相信能够完成毕业论文的撰写。同意开题。 指导教师签名： 年 月 日上海电机学院毕业设计任务书课 题 掩护式液压支架机械结构设计 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2010级 姓 名 学 号 指 导 教 师 （签字） 学 院 院 长 （签字） 年 月 日课题来源企业项目课题的目的、意义掩护式液压支架它是以立柱为主要支撑部件并带有掩护梁的液压支架。立柱支在顶梁上，掩护梁和顶梁之间用平衡千斤顶定位，并可调整合力作用点位置，分离底座，立柱可单独动作。这种架型移架速度快，调高范围大，有时甚至达到2.7:1，这就使支架从一个工作面移向另一个不同高度的工作面很容易。该类型支架与围岩的相互作用关系合理，两柱受力均衡，支架的支撑能力能充分发挥，稳定性好，特别是对不稳定顶板有强的适应性，而且结构简单，支架相对重量较轻，造价低，搬运、安装、操作等都很方便本课题旨在设计一种Y7500/20/40D掩护式液压支架，并将数字化样机技术应用于液压支架的设计中，以提高液压支架的设计分析效率和保证液压支架的设计质量。通过本课题的锻炼，不但使学生综合运用的工程制图、机械原理、机械设计等机械专业理论知识，还能让学生熟练运用UG、SOLIDWORKS或AUTOCAD等软件进行设计，能够培养学生查阅科技文献及对其文献资料等科技信息的综合运用能力，提高学生综合运用所学知识分析解决实际问题的能力，为学生将来更好地从事专业工作奠定坚实的基础。要求课题的主要技术要求：型式：掩护式；支护高度：2.0-4.0m，展开高度为4000mm，收缩高度为2000mm，额定工作阻力:7500kN;支架中心距:1.75m;支架宽度：1650-1850mm;泵站压力为35MPa。课题工作量要求：1、按照指导老师要求，定期进行设计指导信息反馈，按时保质保量完成任务。2、要求完成总装配图和主要零件图，设计图纸折合不少于0号2张；3、设计计算说明书不少于1.5万字。 4、英文资料翻译2万个英文字符。课题主要内容及进度课题主要内容：1、根据设计参数，对液压支架的结构进行设计计算；2、构建液压支架的三维模型，并绘制二维图。（主要包括顶梁、推杆、底座、立柱、掩护梁、前连杆、后连杆组件的结构及装配体）3、液压支架的运动仿真。工作进度：1、熟悉现有资料，进行调研，对课题进行分析； 2周2、液压支架总体结构方案分析； 2周3、液压支架总体方案设计，必要的设计、计算； 6周4、液压支架的运动仿真； 2周5、支架各关键部件及装配图的绘制； 2周6、撰写设计说明书并定稿，准备答辩。 1周掩护式液压支架机械结构设计摘 要本次设计的内容是掩护式液压支架，我在本次设计中主要负责该支架的机械结构部分设计。此次任务包括立柱方案选择、顶梁、底座、护帮板、四连杆机构、支柱等的结构设计与计算以及强度校核，立柱由液压油缸组成；伸缩油缸在顶梁部分，销轴主要用于油缸与耳板、四连杆与底座、顶梁与掩护梁之间的连接。该支架采用传统的四连杆结构，四连杆机构是液压支架设计的难点与重点，直接关系到液压支架的使用质量；采用整体顶梁和底座。这种支架因结构简单、重量轻、造价低、节省空间，大大减轻了支架的整体重量，梁采用伸缩式的，支撑过程中能与地板接触，不仅起到一定的掩护作用，而且还能起到一定的支撑作用，使支架更稳定。关键词：液压支架；顶梁；掩护式；机械结构；AbstractThe content of this design is the design of hydraulic support, the mechanical structure part I mainly responsible for the support in this design. This taskincludes the column selection, top beam, base, flipper, four connecting rod mechanism, pillar and the structure design and calculation and strength check, the column by a hydraulic cylinder; the telescopic oil cylinder in thetop part, a pin shaft is mainly used for the connection between the cylinder and the ear plate, the four connecting rod and a base, the top beam and the shield beam.The bracket adopts four connecting rod structure of tradition, the four connecting rod mechanism is the key and difficult part of hydraulic support design, directly related to the quality of hydraulic support; the whole top beam and the base. The bracket has the advantages of simple structure,light weight, low cost, space saving, greatly reducing the overall weight of thebeam bracket, the telescopic, can contact the floor support process, not onlyto cover the role, but also play a supporting role, to support more stable.Keywords: hydraulic support; beam; shield; mechanical structure;51目 录摘 要1Abstract1目录2第一章 绪论41.1 概述41.2 液压支架的发展现况41.3液压支架的国内外研究现状41.4课题研究背景及主要意义5第二章 回采工作面的支护设备62.1支护设备的用途和种类72.2回采工作面顶板的组成及其分类72.3 液压支架的组成82.4液压支架的分类9第三章 液压支架的整体结构设计153. 1 支架基本参数的确定153.1.1 支架高度153.1.2 支架伸缩比153.1.3 支架间距153.1.4 支架宽度153.1.5 底座长度163.1.6 顶梁长度163.1.7 支架工作阻力174.1.2几何作图法的过程213.2顶梁结构设计233.2.1基本概念233.2.2顶梁分类243.2.3顶梁断面形状253.3 底座结构设计263.3.1底座的选型263.3.2 确定底座结构尺寸273.4立柱的确定293.4.1工作阻力的确定293.4.2立柱的确定31第4章 顶梁强度校核344.1材料的选择344.2 顶梁的强度校核354.2.1集中载荷在两根立柱中间时校核354.2.2集中载荷在顶梁两端时校核39第5章 底座强度校核425.1底座的受力分析425.1.1 受力分析425.2 强度校核43参考文献50第一章 绪论1.1 概述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，保证工作人员的安全和各项作业的正常进行，必须对顶板进行支护。而用于煤矿回采工作面的支护设备，经历了木支柱，金属磨擦支柱，单体液压支柱，液压支架等几个发展阶段。目前使用较多的则是液压支架。液压支架是以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。由于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，所以它的使用能增加采煤工作量的产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证生产的安全。因此液压支架是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。本次设计的重点是液压支架的选型和支架总体设计及部件结构的设计计算、强度校核，其中液压支架选型部分主要通过对目前煤矿广泛使用的四连杆和单摆杆机构的支架进行分析比较，在吸取了现有许多支架在设计使用中的经验教训的基础上,研制了这种新型分体顶梁液压支架。设计计算及强度校核部分是对液压支架主要部件顶梁、底座、和导向杆进行计算和强度校核。1.2 液压支架的发展现况从液压支架的形式来看，有支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看，有轻型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层分层和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架鼬分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架；从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状开看，液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展的进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。1.3液压支架的国内外研究现状综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志。80年代末以来，世界主要产煤国家高产高效综采技术迅速发展，特别是美国、澳大利亚、德国、英国和南非发展最快。综采工作面高产高效纪录不断刷新，综采装备新技术层出不穷。均年产1454万t洗精煤，平均工效274t(工*d)，工作面搬家(包括设备安装)时间平均684人工/面。工作面平均长度240 m，最大长度335m。 1994年平均班产进一步提高，其中，前10个工作面年平均班产达到5998t洗精煤，相当于年产400万t以上的水平。沙莫罗克公司(SHAMR0CK)的被克佛克矿在123个小班中产煤166万t，相当于月产83万t;塞普路斯阿马克斯煤炭公司卡姆博兰德矿1995年6月达到月产洗精煤573万t的纪录，阿科煤炭公司的西皮庇矿1994年11月创造了日产4.5万t的世界纪录,当月产量50余万t。美国1994年共有80个长壁工作面，其中有70个工作面是电液控制的工作面，占875，使用两柱掩护式支架73套，四柱支撑掩护式支架7套，两柱掩护式支架占9125，支架工作阻力大部分在70008000 kN，最大的两柱掩护式支架工作阻力达到9800kN。普遍装备大功率电牵引重型采煤机组和大功率、大运量、高可靠性刮板输送机。澳大利亚近10年来综采发展很快，综采工作面数量从1980年的3个增加到1994年的25个，井工效率达到1771t工。科迪尔克斯矿和巴波尼矿的综采工作面年产量已超过300万t。为使综采产量持续增长，近几年来澳大利亚采取了一系列措施，包括改革劳动制度，采用各种新设备、新技术，综采工作面优选世界各国最先进的重型高效装备，实现一井一面，集中化生产。 英国和德国是世界上综采技术装备最先进的国家，由于受其自然煤层赋存条件的限制，其高产高效工作面的纪录不如美国和澳大利亚，但世界著名的采煤机械公司主要集中在德国和英国。近年来，由于国际采矿业市场的不景气和激烈竞争，导致各公司的相互兼并，形成几个大跨国公司。为占领市场，各公司不断开发新技术、新产品。1.3.2国内研究现状我国在五十年代开始从国外引进注浆泵,直到二十世纪八十年代,才较大范围的推广使用注浆泵目前,国内注浆泵生产企业有十余家,总生产能力600辆,主要集中在中联重工三一重工、辽宁海诺、安徽星马、上海普斯特5个企业,产量占全行业的95%泵车的型号也有多种,泵送高度从20多米到50多米,国内目前生产的注浆泵车多集中在37m以下“我国虽然起步较晚,但发展相当迅速,借鉴欧洲技术自主开发”目前国内占主导地位的泵送液压系统有3种,一种是主要由三一重工所采用全液压液控换向系统;第二种是采用电信号换向,主要为中联重科采用；第三种是主要用在泵车上的闭式系统,换向冲击小,但成本比较高。1.4课题研究背景及主要意义经过对比我国的液压支架和国外液压支架的现状可以看出，两者之间存在着很大的区别。国外的支架主要的研究热点及发展方向是高强度，自动化。而我国的液压支架的发展方向主要是多品种，高适应性。这主要是由我国煤炭的赋存状况决定的。我国目前存在大量3. 55 .5厚煤层,特别是中小矿井,希望有一种结构简单、轻型、适应能力强的放顶煤液压支架来开采这类煤层。目前,国内用于厚煤层的重型放顶煤液压支架技术趋于成熟,但因其重量大、成本高，并不适合中小煤矿广泛使用，而轻型低位放顶煤液压支架还存在一些普遍的问题，主要表现在采用四连杆机构,结构复杂,后部空间小,重量较大，承受水平力能力弱;当顶梁上部压力的合力作用点前移至前立柱之前时,则会使后立柱受拉,而后立柱又是单作用油缸,只能承受压力,因而后立柱的作用往往失效,致使顶梁有低头前倾趋势;目前,常用放顶煤液压支架掩护梁形式易造成较薄顶煤的混矸,而且安装于掩护梁上的长尾梁机构的尾梁两侧也易混煤混矸;前探梁容易产生伸缩卡阻。针对上述普遍问题,经过大量调研,在吸取了现有许多支架在设计使用中的经验教训的基础上,研制了新型轻型导向放顶煤液压支架。在架型设计上,针对大多数放顶煤工作面顶板压力不大、煤质较松软、要求的工作阻力很小,以及许多中小矿井井筒和巷道运输断面较小的特点,要求支架结构简单、重量轻、体积小、工作可靠,搬运灵活的情况,吸收了国内外现有放顶煤液压支架的优点,特别是考虑厚煤层的放顶煤开采地质、矿压特点,设计了该轻型导向放顶煤液压支架。与同类支架相比,具有强度高,支撑力大,稳定性好,抗水平力能力强。对不同条件适用性强,特别适用于中小矿井厚煤层的放顶煤开采。这种轻型导向放顶煤液压支架是专门为中小煤矿开发设计的一种支护产品，它打了传统支架的设计理念，采用柔性导杆结构代替传统的四连杆或单摆杆结构，克服了四连杆机构、单摆杆机构支架在支护高度发生变化时，由于内力大而造成的支架易损坏的潜在因素，稳定性好，支护强度大，重量轻，工作面许用运动空间大；采用分体顶梁来代替整体顶梁，减轻了重量，结构更加紧凑；为中小矿井机采放顶煤工作面支护提供了一个很好的选择。这便是我们做这次设计的初衷，期待着我国的煤炭产量更上一层楼，同时也希望我国的煤矿工人的生活更加美好！课题主要完成的工作内容：1）液压支架的应用研究2）四连杆机构方案设计3）机械结构设计与计算4）机械结构强度校核计算5）绘制装配图、零件图和三维图第二章 回采工作面的支护设备2.1支护设备的用途和种类在回采工作面中。为了保护工作面内机器和人员的安全生产，要对顶板进行支撑和管理，以防止工作面空间的顶板冒落。回采工作面的使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支架和自移式液压支架。他们与采煤机和工作面的输送机分别组成“普采”、“高档普采”和“综采”设备。由于使用金属摩擦支柱劳动强度大、安全行差、工作面产量低，现已很少使用。单体液压支柱与铰接顶梁配套使用。由于单体液压支柱是用高压液体进行升柱和支撑，减轻了工人的劳动强度，增加了工作面的安全性，工作面的产量和效率有了一定的提高。但是由于单体液压支柱支撤和移动仍靠人工进行操作，所以劳动强度仍然较大，安全性仍然较差，工作面的产量和效率的提高受到限制。液压支架是以高压液体为动力，有金属构件和若干液压元件组成。它使支架的支撑、切顶、移架和输送机等工序全部实现了机械化。因而大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度，有效的增加了劳动的安全性，使工作面的产量和效率得到了很大的提高，并为工作面的自动化创造了条件。但液压支架对煤层的地质要求很高，初期投资较大。2.2回采工作面顶板的组成及其分类(一）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其特征，可以分为一下三中；伪顶:直接位于煤层的上方，是极易垮落的一层岩石。它通常是炭质岩和泥质岩，厚度一般不大于0.30.5m，经常随采随冒。有些煤层不出现伪顶。伪顶对支护设备的使用一般呜影响。直接顶：是位于伪顶或直接位于煤层上方的的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质岩页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式以及架行选择有决定性的影响。老顶：是位于直接顶之上厚而坚实节理裂隙和层里都不发育的整体岩层。通常由石灰岩或沙砾岩等构成。老顶长能在采空去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有决定性影响。（二）顶板分类1.直接顶分类我国将缓倾煤层回采工作面的直接顶分为四类。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。中等稳定顶板，这累顶板强度较高，但有大量的节理缝隙，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。页岩，粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落，砂岩顶板坚硬的砂岩属于这类顶板。4 坚硬顶板：极难冒落的砂岩坚硬砂质页岩等属于这类顶板。2.老顶分级老顶根据周期来压明显与否分为四级：级顶板，周期来压不明显；级顶板，周期来压明显；级顶板，周期来压强烈；级顶板，周期来压极其强烈。老顶来压越不明显，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大，且有冲击。2.3 液压支架的组成液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点，“一般分为三大类，即支撑式、掩护式(图2-1)和支撑掩护式(图2-2)根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为4个部分： (1) 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。(2) 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。(3) 控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。图2-1 掩护式液压支架结构图2-2 支撑掩护式液压支架结构(4) 辅助装置，如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。2.4液压支架的分类按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，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所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式。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（图2-3a）和节式支架（图2-3b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用于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，其长度多在左右；立柱多，一般是根，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，且作用点在支架中后部，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。(a) (b) 图2-3支撑式支架结构形式垛式支架 节式支架2 掩护式支架（如图2-1）其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，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与顶梁或直接作用与顶梁上。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或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。3 支撑掩护式支架（如图2-2）其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。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，可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是：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，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，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。4 特种液压支架特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。2.5 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2-4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。图2-4 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 操纵阀支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图2-5所示：支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段-初撑阶段； -增阻阶段； -恒阻阶段；-初撑力；-工作阻力（1）初撑阶段支架在升柱时，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，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段，此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为 (2-1) 图2-5 支架的工作特性曲线式中 -支架立柱的缸径，；-泵站的工作压力，；-支架立柱的数量。由上式可知，支架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。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。（2）承载增阻阶段支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到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。（3）恒阻阶段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压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，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之后，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。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。支撑式支架的工作组力为(2-2)式中 -支架安全阀的调定压力 ；支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。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。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，常用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(2-3)式中：支架的支护面积，2.6 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 即时支护般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。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：割煤一推溜一移架。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 复合支护般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。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。第三章 液压支架的整体结构设计3. 1 支架基本参数的确定3.1.1 支架高度支架的高度由工作面的厚度及地质条件的变化等因素决定，考虑通风、运输、行人的要求以及一定的富余系数， 本课题任务书中已经确定了支架的最低高度Hmin=2m，最高支护高度Hmax=4m。3.1.2 支架伸缩比支架的伸缩比是指最大和最小支架高度之比值，即：m反映支架对煤层厚度的适应能力，采用单伸缩立柱m值一般为1.6左右；若进一步提高伸缩比，需采用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱，m值一般为2.5左右。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。确定支架中心距时，应考虑到下列几个方面的因素：（1）顶板允许暴露的面积。（2）运输机溜槽的长度。支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度，以便配套。目前国内外液压支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m，轻型支架中心距可采用1.25m；（3）支架的稳定性。一般支架中心距大，支架稳定性好。本研究课题任务书中规定中心距为1.75m.3.1.4 支架宽度支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。当支架中心距为1.5m时，最小宽度一般取14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为1.75m时，最小宽度一般取16501680mm，最大宽度一般取18501880mm。当支架中心距为1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度取1150l 180 mm最大宽度取13201350mm；如果顶梁不带活动侧护板，则宽度一般取1150l 200mm26。本研究课题任务书中规定中心距为1650-1850mm.3.1.5 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：支架度底座的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置；便于人员操纵和行走；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,故取底座长度为2.1m.3.1.6 顶梁长度顶梁是支护顶板的直接承载部件，其长度取决于必要的作业空间和通风断面要求，还与支护方式有关。如图3-1所示，顶梁长度由三部分尺寸组成15，即：图 3.1 液压支架尺寸关系式中 顶梁前部尺寸；顶梁上前、后排立柱柱窝之间的距离；顶梁上后柱窝中心到铰接点的距离，取550mm。顶梁前部尺寸为：运输机铲煤板端至煤壁距离，一般为50100 mm,取50mm；包括铲煤板和电线槽在内的运输机宽度，经查表取980mm；推移步距650mm；底座前柱窝中心到底座前端的距离，一般为500-800mm，取500mm；支架的最低高度，2000mm；支架最低位置时立柱的倾角，8；梁端距，梁端距是考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离，一般为250-350mm,取300mm。由此确定分体顶梁刚性液压支架的顶梁长度为2830mm。3.1.7 支架工作阻力支架的工作阻力定为7500kN，采用二柱支撑，因此每根立柱的工作阻力为。4.1四连杆机构设计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5-1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Q25303从图5-1可知，掩护梁与顶梁的饺点e和瞬时中心O之间的连线与水平面的夹角为其范围要为0.35。图5-1四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5-1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，可防止岩石向后移图5-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构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。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5-2所示：4.1.1 掩护梁和后连杆长度的确定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200mm，后连杆下铰点至底座地面的距离为280mm（类比支架为中煤北京煤机厂生产的QY240-10/26型掩护式液压支架）。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5-3所示。图5-3 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 (5-4) GcosP2-AcosQ2=L2 (5-5)联立两式可得：(5-6)按四连杆机构几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q2代入式4-5可以求得的比值，由于支架形式不同，一般的比值按以下范围来取。掩护式液压支架： =0.450.61支撑掩护式液压支架： =0.610.82支架最高位置时的计算高度为： H1=GsinP1+AsinQ1 (5-7)根据的比值和式5-7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=4000-730=3270mm H2=2000-730=1270mm设定：P1=41 P2=20Q1=60 Q2=30由式5-6可得：=0.58将H1、P1、Q1、A=0.7G 代入式5-7可得：2770=Gsin41+0.58sin60G=2832mmA=0.58G=1643mm对G、A进行圆整，取： G=2832mm A=1643mm4.1.2几何作图法的过程几何作图作图过程。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5-4所示。作图步骤如下：d图5-4 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QY240-10/26类比确定该距离为280mm。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（1400mm），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（2400mm）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2270mm实际作图得2787mm），为液压支架最高位置时的计算高度。7) 以a为圆心，以0.2G（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。8) 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-H1270mm），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）。图5-5 几何作图法设计四连杆机构个位置相关尺寸P1=14 P2=20Q1=60 Q2=3011) 以O点为圆心，Oa（1270mm）为半径作弧。12) 以e为圆心，掩护梁长ae（即G得长度为2400mm）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1796mm）。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290mm）。结论：后连杆长度A=1643mm 掩护梁长度G=2832mm前连杆长度C=2370mm 前后连杆下铰点底座投影距离E=1258mm 前后连杆下铰点垂直距离D=221mm3.2顶梁结构设计3.2.1基本概念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以外，还要保证支护顶板的需要。顶梁作用是支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的连接点。用途：a.用于支撑维护控顶区的顶板。b.承受顶板的压力。c.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。3.2.2顶梁分类支架常用顶梁形式有三种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段称为主梁，一般简称顶梁。图2-3铰接顶梁1. 前梁；2. 前梁千斤顶；3. 顶梁图2-2整体顶梁整体顶梁整体顶梁（图2-2）的特点是：结构简单、可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可以设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端（8001000mm）, 一般上翘1。铰接式顶梁 铰接式顶梁如图2-3所示。在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性较强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减少运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力的联接强度。前 梁上不宜设置侧护板。为了顺利移架，前梁间一般要留有100500mm间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。楔形顶梁图2-4楔形结构梁1. 楔形梁；2. 楔块；3. 楔形梁千斤顶；4. 后梁楔形结构梁如图2-4所示。楔形梁1和后梁4通过销轴铰接，而千斤顶铰接于顶梁上。楔形结构梁利用构件间摩擦自锁原理，通过楔块2与楔形梁1和顶梁4之间的摩擦作用，使楔形梁1、楔块2和后梁4在受载时保持为一个 整体，如同整体刚性顶梁，这样，该梁宜具有整体刚性顶梁前端支护力大的优点。由于楔形梁1与后梁4为铰接结构，当操作楔形梁千斤顶伸出或缩回时带动楔形块前后移动，从而使楔形梁1绕铰轴上下摆动，其摆动范围取决于楔形块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰接顶梁小，因而该梁不具有铰接顶梁的灵活性。此外，在运输时楔形梁1可以放到下垂位置，缩短了运输尺寸，从而方便运输和安装。现根据常用液压支架顶梁形式各自特点，本设计采用整体顶梁。3.2.3顶梁断面形状顶梁都为箱式结构，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。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来，支撑掩护式支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。对于支撑掩护式支架，为了便于侧护板能自由伸缩，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2-6所示，同时增强了顶梁的结构强度。图2-6 顶梁断3.3底座结构设计底座是液压支架的主要承载部件，它把顶板的压力传递给底板，它是支架的结构基础，因此，对底座的设计有以下要求： 1 要有足够的强度和刚度；2 对底板有较好的适应性和较小的比压；3 能获得足够的空间安装立柱、推移千斤顶、液压操纵系统和其他装置；4 便于人员行走、操纵支架和采煤机等；5 有一定的重量以保持支架的稳定性；6 满足快速移架和顺序排矸的要求；液压支架底座常用型式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体式底座。整体刚性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。该结构的推移千斤顶一般安装在箱形体之下，整体刚性底座立柱柱窝前一般要设计一过桥，以提高底座的整体刚性和抗扭能力。但推移机构处易积存碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架。为了使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化，通常把底座设计为底分式刚性底座。该结构底座底板为中分式的，推移机构直接落在底板上，前立柱柱窝前有过桥，由于这种底座底板分体，推移装置处的碎矸可随支架移架从后端排到机器后方，不需要人工清理，但减少了底座接触面积，增大了对底板的比压。目前，高产高效工作面液压支架一般采用分体刚性底座。铰接分体式底座分为左右相对独立的两部分，在中间处铰接，左右底座在垂直方向可相对错动，无刚性约束。这种底座对底板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但支架的整体刚性有所降低。为了保证底座整体性强、强度高、比压小等性能，此次分体顶梁柔性液压支架的设计选用整体刚性底座。由于所设计的分体顶梁柔性支架采用三排立柱支撑结构，每两排立柱之间设置一个推移千斤顶，因此底座选择五腔室局部开口的截面形式，采用六条主筋板组成五腔室，其中最左、最右和正中间的三腔室封闭，其余两腔室开口，以便安装推移机构。3.3.1底座的选型底座的结构型式通常有三种类型： （a） （b）图 3.3 底座分类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，稳定性好，强度高，不易变形，与底板接触面积大，比压小。如图(a)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、右对分的形式，如图（b），两者用过桥连接。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，其特点是结构轻便，动作灵活，对底板的不平整适应性强，但刚性差，与底板的接触面积小，稳定性较差，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，同时底座后部重量大于前部，避免移架时啃底。 根据以上分析，选择整体式底座3.3.2 确定底座结构尺寸根据底座类型可以初步制定出底座的长、宽、高等各部件的结构尺寸。（1） 长度 式中：前立柱与底座前端距，取500mm;：前后排立柱间底座长度，为900mm；：后排立柱距底座后缘的距离，为600 mm；则底座长度（2） 宽度移架时，保证相邻底座间不挤卡，移架顺利，必须留有安全间隙，其值一般不小于150。一般中心距为1500的支撑掩护式支架底座宽度可以取11001300。现取1220mm .（3） 移架机构导向通道 一般支架底座在其宽度的中部有一个通道，用于放置移架机构，便于导向排矸。通常宽度取决于移架机构宽度，一般为250350，取300。（4）柱窝形式 一般为埋入底座箱型机构内的球窝形柱窝，具有强度大，对立柱缸底的适应性强，可保证支架由较大的调高范围等特点，其缺点是对底座的强度减弱较大，柱窝处容易堆积煤矸，影响正常动作。（5）底座厚度 按类比法取数值：3.4立柱的确定目前国内支撑式支架立柱数为2-6根，常用4根；支撑掩护式支架为四根。本液压支架为掩护式支架采用2根立柱。立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前后两立柱间距。立柱间距的选择原则为有利于操作，行人和部件合理布置。支撑和支撑掩护式支架立柱间距为1-1.5m。立柱是支架的重要承压部件，在支架正常工作时，一直处于高压受力状态，它的工作性能直接整个支架的工作状态。因此在设计支柱时除要求具有合理的工作阻力和可靠的工作性能外，还需要具有足够的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，并能适应支架的要求。立柱分单作用和双作用。其中单作用又分活塞式和活柱式; 双作用分单伸缩、单伸缩带机械加长段、双伸缩、三伸缩等。本支架采用双作用的单伸缩立柱，下面介绍立柱的设计计算。3.4.1工作阻力的确定（1）支护面积L:支架顶梁长度，取3220mm;C:梁端距，取300mm;B:支架顶梁宽度，1410mm;K:相邻顶梁间的间隙，取180mm.(2)覆盖率:顶梁的面积；:支护面积。（3）支护强度 根据老顶级别和直接顶类别确定支架型号，再根据老顶级别和采高确定支护强度。由于实际最大采高步一定正好和上表所列采高相同，所以要用插法重新计算。：当支架最大采高时，支架应有的支护强度；：在上表中，与低于最大采高但与之相邻的采高对应的支护强度，取：在上表中，与高于最大采高但与之相邻的采高对应的支护强度，取：对应的采高，取：对应的采高，取(4)液压支架的支护力，初撑力和工作阻力立柱支护力：:液压支架对顶板的支护力，:液压支架支护强度，:液压支架对顶板的支护面积，3.4.2立柱的确定（1）根据支架的工作阻力或初撑力和泵压确定，其计算公式如下：式中 D立柱缸径，；安全阀调整压力，；立柱支护力，;再按照北京煤矿机械厂标准（Q/BM327-82）选取计算比较大的标准值作为内径，取D=125.如下表：内径系列表506380110110125140145160180200210220230250将缸径圆整到标准值取立柱初撑力：泵站额定工作压力减去从泵站到支架沿程压力损失后的值取安全阀调整压力：安全阀调整压力取立柱工作阻力：选取标准值：单伸缩立柱缸体内径：125mm； 活柱外径：105 mm；工作阻力：7500KN； 额定工作压力：50 MPa； （2）缸体壁厚的计算液压支架立柱的壁厚（mm）一般为，即中等壁厚，按下式计算:式中 p：缸内工作压力，MPa；：缸体材料许用应力，安全系数取,将上述数据代入壁厚公式得：根据液压设计手册将缸体壁厚圆整为标准值缸体外径 （3）厚度计算支撑掩护式支架立柱的缸底，一般在缸内做成平底，在缸外做成球面形，如图1-1所示。在直径D(mm)处的缸底厚可按下列公式计算。 (13)式中: p缸内所能形成的最大压力，MPa；缸体材料的许用应力，MPa。本立柱缸底,材料取45号钢,其抗拉极限强度是，安全系数取,得将上述数据代入壁厚公式得：取35mm 。 （4）活塞宽度的确定 活塞立柱的关键元件，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。活塞套在活柱上，活塞与缸体内径的配合精度一般为，粗糙度。液压缸的活塞宽度B取缸筒内径的倍。本立柱活塞宽度范围是，取活塞宽度为90mm。（5）最大工作行程L液压缸的最大工作行程是由工作要求和结构计算的最大值来确定的。本设计液压缸的最大工作行程根据设计要求支架的最大支护高度为4m,最小支护高度为2m,确定立柱的最大工作行程为2000mm。 图 3.6 一般的液压缸（6）最小导向长度H的确定，当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸口导向套滑动面中点的距离成为最小导向距离，如图3.6所示。对于一般的液压缸，其最小导向长度H应满足下式要求：式中： L液压缸的最大工作行程，800mm； D缸筒内径，125mm本设计应满足:本立柱根据总体设计要求得最小导向长度为,满足最小导向长度的要求。（7）活塞宽度活塞的宽度取缸径的倍，取90mm.第4章 顶梁强度校核4.1材料的选择在液压支架的研制，试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。由于液压支架的结构特点，外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及失效形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应的调整。我国液压支架强度计算中的强度条件：(1)强度校核均以材料的屈服极限计算安全系数。(2)结构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件。各构件通常采用16MnVN等普通低合金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而成，取459MPa主要销轴均采用CrMo等合金结构钢取屈服极限561Mpa活塞杆均采用45号钢，取屈服极限367.2MPa结构件、销轴和活塞杆的强度条件为：式中危险断面计算出的最大应力，MPa，许用安全系数(3)缸体材料采用27SiMn无缝钢管，取抗拉强度1020MPa，强度条件为：式中缸体许用应力，MPa许用安全系数，取3.54焊条抗拉强度取561Mpa，其强度条件：式中计算出的焊缝许用应力按焊条类型确定许用挤压应力按下式计算： （4） 安全系数，查书1表安全系数前梁顶梁底座主要轴缸体焊缝活塞杆n1.11.11.11.33.343.341.44.2 顶梁的强度校核顶梁受力有两种，按集中载荷在两根立柱中间和在顶梁两端两种情况，理论支护阻力在顶梁的最危险断面处，对顶梁进行强度校核。4.2.1集中载荷在两根立柱中间时校核由中华人民共和国煤炭行业标准MT 312-2000中实验的规定加载。加载方式如下图所示：图4.1 顶梁中部集中载荷实验加载方式示意图图中，剖面线部分为顶梁中部所加的钢条，也就是作用力的位置。钢条所在的位置为，两柱窝中点。现将此实验中顶梁的受力模型列于下图中：图 4.2 顶梁结构及受力图1.画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图图b为剪力图，从右向左取，向上为负，向下为正。对个点左右的剪力计算如下：A:B:C: 图c为弯矩图2.按弯曲应力计算进行强度校核 由计算得知，按弯压联合计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为了安全，在A-A截面，采用最大弯曲应力进行校核。计算截面面积F及截面形心至aa面的距离y全部厚度为12mm首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成一个号，然后计算截面面积最后计算截面形心距即：图 4.3 顶梁截面图每个零件中心到截面形心的距离：矩形截面的惯性矩为：式中b截面宽度 h截面高度计算每个零件的对截面形心的惯性矩计算弯曲应力和安全系
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