液压支架的设计.doc

苏州市职业大学目 录摘要IABSTRACT II1绪 论11.1 国内外液压支架的研究现状及发展11.2 本课题的研究目的和意义22液压支架基本理论分析32.1 液压支架的工作原理32.2 液压支架的类型和结构62.3 对液压支架的基本要求72.4支架的选型设计83液压支架的整体结构设计 103.1支架高度、中心距的确定103.2底座长度的确定113.4顶梁长度计算124支架主要部件的设计144.1支架主要部件的设计要求144.2顶梁的设计154.3底座的设计164.6千斤顶技术参数的确定165支架受力分析与计算235.1支架工作状态235.2受力计算245.3顶梁载荷分布276液压支架的强度校核 296.1强度条件296.2主顶梁的校核296.3掩护梁强度校核326.4底座强度校核346.5立柱强度校核387液压系统设计 447.1液压支架的液压系统特点457.2液压系统的设计方法467.3千斤顶系统467.4乳化液泵站系统509结论56II苏州市职业大学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。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。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。2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设计的原始条件煤层厚度：H1.83.2米；顶设条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层。工作面配套设备：采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ730/320。煤层倾斜角小于15度，支护强度、底板抗压强度、泵站压力、安全阀调定压力40MPa。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。 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支架高度的确定 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等因素来确定，其最大与最小高度为： （式3.1） （式3.2）煤层最大采高，煤层最小采高伪顶冒落的最大厚度，一般取0.20.3m顶板最大下沉量，一般取100200mm移架时支架的最小可缩量，一般取50mm矸、浮煤厚度，一般取50mm本设计采高1.83.2m,取支架高度为1.53.5m 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3.3）代入数据得m=2.33。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3.4）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底座长度的确定3.2.1底座长度底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。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，液压控制控制装置、推移装置和其他辅助装置；使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度职3.5倍的移架步距(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右；支撑掩护式支架的底座长度取4倍移架步距，即2.4m左右。本次设计取底座长2.18m。3.2.2 底座宽度支架底座宽度一般为1.11.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架可加大到1.3m左右，放顶煤支架为1.31.4m。底座中间安装推移装置的槽子宽度与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为300380mm。宽度取1350mm。3.3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。3.4.1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。3.4.2顶梁长度计算 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 （式3.5）式中：底座长度底座前端至后连杆下铰点之距；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。采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ-730/320。查综采设备手册得三机配套尺寸为：配套尺寸=671+1553=2224mm 代入相关数据得： 顶梁长度=2224+2100+1131cos(78)-2300cos( 53)300+65+100=2910mm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3.6） 式中 B顶梁宽度；l顶梁长度；j架间距；c顶梁前端到煤壁的距离；中等稳定顶板 ；一般j取100200mm。如果给定和j值，可以求出B值，即 （式3.7）取， =79% 、 j=200mm。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。4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。（2）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。（3）掩护梁受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。（4）底座 底座是将支架承受的顶板压力和侧向力传至底板。它既要有足够的强度和刚度，又应满足底板比压不超限。保证支架整体稳定性的关键是在底座上铰接四连杆机构，在底座中间设置有推移装置，侧面设置拉后输送机的千斤顶和推移杆。（5）推移装置 此机构关系到支架能否正常推移，由千斤顶和推移杆组成。推移杆结构有长推杆或是由两部分短推移杆组成。（6）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。本设计采用铰接式的顶梁，具体结构见图纸。4.3底座的设计4.3.1液压支架的底座图4.2四连杆机构的底座底座为整体式刚性底座，四连杆机构铰接在底座前部(有的铰接在中部或后部)，有两个球面柱窝与立柱缸底相连，底座中间布置有推移装置，侧面有拉后输送机千斤顶固定耳座。该底座整体性强，稳定性好，与底板接触面积大，比压小。由于四连杆机构在中部连接，使底座受力状态不好。上连杆与底座的铰接座为两突出的内主筋形成的箱体结构，应合理设计，使突变过渡处强度足够，呈圆弧状过渡，以免损坏。本设计采用整体式刚性的底座，具体结构见图纸。4.4 千斤顶技术参数的确定4.4.1推移千斤顶推移千斤顶选用框架推移方式，则其缸体内径为： mm （式4.12）式中 推移千斤顶的移架力，kN。在薄煤层中=100150 kN；中厚煤层中=150250 kN；厚煤层中=300400 kN。由于是中厚煤层，所以取=150 kN，代入公式得推移千斤顶缸体内径为： mm由以上计算出来的推移千斤顶的缸体内径，再查表选用标准缸80mm。 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，按液压缸行程系列表选用700mm。4.4.2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160，推力/拉力()633/454。取顶梁为分离体如图所示，对a点取距有：图4.6顶梁受力图 （式4.13） 平衡千斤顶推力/拉力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倾角支架在最高位置时平衡千斤顶倾角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。为保证平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，按下式计算 （式4.14）式中： 掩护梁厚度（） 平衡千斤顶外径（） P平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取0.030.05（） L2平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距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W32006334540.315531602600.35L0.27LL4Db6118001018.5785.76702201601661(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 图4.7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） 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4.8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。 4.4.3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。1. 侧推千斤顶控制方式(1)无锁紧回路且在不操作时，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。防止顶板岩石从架间冒落，移架时摩擦阻力小。其中ZYZ型掩护式支架每个弹簧筒的弹簧力为6.2KN，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。(2)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。2. 侧推千斤顶位置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大，才能灵活操纵顶梁侧护板。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，则侧推千斤顶的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。具体布置方式有如下三种：二孔式采用两个侧推千斤顶，在侧推千斤顶处同时布置弹簧筒，靠弹簧力实现架间密封。三孔式中间孔安装侧推千斤顶，两侧对称安装弹簧筒。四孔式中间两孔安装侧推千斤顶，侧面两孔布置弹簧筒。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=3200 kN，=-454 kN，=0.3，=15，=53，=0.322m，=1.661m，=0.611m，=0.16m，=0.39m代入公式得为：代入数据算得=3242kN 将值代入公式得作用点的位置为： =0.77m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kN kN取掩护梁为分离体，写出力系的x方向和y方向平衡方程解出、。 （式5.5）= -588kN （式5.6） =-39.2kN底板对底座的支撑反力与大小相等。作用点的位置可以由取整体支架为分离体求出。对图点取矩，整理后有： （式5.7） 将各数值代入公式(3.19)得值为：m5.3 顶梁载荷分布在把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出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。为了计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分布。设顶梁长为，顶板的集中载荷为，其作用点距顶梁一端为。则 图5.5顶梁三角形载荷分布时，载荷分布为三角形。如图5.5所示。顶梁前端比压为0，顶梁后端比压为：M （式5.8） 当时，载荷呈梯形分布，如图5.5所示。顶梁前端比压为： MPa （式5.9）顶梁后端比压为： Mpa （式5.10）由于x=0.77小于所以载荷分布为三角形。将=3242 kN，=1.4m，=0.77m代入公式(5.10)得顶梁后端比压为：MPa 6 液压支架的强度校核6.1 强度条件在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度汁算是极为必要的。前面数章的内容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方法。但是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、制造工艺以及大致形式等为依据，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调整。强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数如表6.1所示。表6.1支架安全系数安全系数前梁底座顶梁掩护梁前连杆n1.11.11.11.31.3安全系数后连杆主要轴缸体焊缝活塞杆n1.31.33.343.341.46.2主顶梁的校核6.2.1主顶梁的弯距计算假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力如图6.1（a）所示：由上面求出F为3242kN，距离铰接点770mm。做主顶梁的受力及力矩图6.1所示：图6.1（a）顶梁受力图图6.1（b）顶梁弯矩图由图可知：3200sin150.26+3200cos150.03=308.07N/m主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图6.2所示：图6.2最大弯矩断面图6.2.2主顶梁的强度计算(1) 形心位置各板件计算数据如表6.2所示：表6.2各板件计算数据件号123456789数量122422221139.273.627.852.226.840.3235.226.2560.82.415.815.81529.229.229.219.129.715.72133.74812.21107.48.65.65.64968结构件的形心位置为：= =14.23(2) 惯性矩=+=125318.6（3） 弯曲应力kN/6.2.3安全系数钢板材料选取16Mn，s =34335 kN/ 满足强度要求。6.3 掩护梁强度校核6.3.1掩护梁受力情况掩护梁的受力分析如图6.3所示处理后的力学模型由受力图可以看出掩护梁的危险截面在前连杆与掩护梁铰接处，故需校核此危险截面的弯曲强度。此处截面的弯曲强度为：图6.3掩护梁受力分析图主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图6.4所示： 图6.4最大弯矩断面图6.3.2掩护梁强度计算(1)形心位置各板件计算数据如表6.3所示：表6.3掩护梁板件数据件号1234567数量1242122面积cm2151.290.8879.668.821.54040形心位置cm0.68.214.615.315.328.627.6结构件的形心位置为：代入数据得：13.3cm（2）惯性矩 将数据代入公式，算得总惯性矩为： =58210.3（3）弯曲应力kN/6.3.3安全系数 钢板材料选取16Mn，s =34335 KN/ 满足强度要求。6.4 底座强度校核6.4.1底座受力情况底座通过立柱，前后连杆支撑支架的顶梁及掩护梁，是支架的主要承压部件，主要对其压力强度进行校核，基本不受弯矩影响。底座的受力分析见图6.5示。(a)底座受力图(b)底座弯矩图图6.5底座受力情况图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出，由得由上式求得前端的支反力为1）最高位置时的情况： = =1590.42=1748.45=1404.82在最低位置时的情况： =1296.46表6.4相应位置对应的弯矩 弯矩位置Mb KNmMc KNm最高位置1748.51404.8最低位置15991239.7由表6.4中可知，最大弯矩发生在立柱的柱窝处。但是柱窝处专门焊接了柱窝，断面加强。危险断面在离柱窝中心250mm处，如图6.6所示。该处弯矩为 图6.6 柱窝结构示意图最大弯矩处截面如图图6.7底座最大弯矩箱体结构图材料数据表6.5材料数据件号厚度钢号 1钢板4016Mn343352钢板2014MnTiRe451263钢板2014MnTiRe45126形心位置计算数据列于表6.6中表6.6形心位置件号123件数411Fn 80268268Jn 6060Yn 09.29.2结构的形心位置为结构的对称轴线。其惯性距为 = 弯曲应力 故满足要求。6.5立柱强度校核立柱的强度校核包括立柱的稳定性验算，活柱，加长杆和缸体的强度验算。6.5.1预算缸筒内径和缸壁厚度采用乳化液泵的压力为31.4MPa。经以上立柱参数的计算确定：缸内径为230mm，材料为27SiMn无缝钢管，。安全系数选取1.5，许用应力。缸壁厚度为：=0.7cm式中 p缸内压力，。我国液压支架一般用27SiMn无缝钢管做缸筒和立柱。考虑到缸口要车槽、台阶或螺纹等，应选较厚的管壁。取壁厚为21.5mm。6.5.2计算重叠长度最小导向长度为：式中 L液压行程，根据立柱长度需要，液压行程为1000mm。考虑了活塞厚度和导向长度，取重叠长度为228mm。为了使立柱结构简单一些，立柱采用单伸缩加加长杆的结构。在计算加长杆作为伸缩活柱，因此，按双伸缩立柱计算。立柱结构尺寸表示如图6.8（a、b）。计算数据列于表6.7所示：P=1600KNl1=95.5cml2=239.5cml3=122.5cml=356.1cma1=11cma2=22.8cmp=3800N/cm2d1=180mmd3=230mmd2=210mmd3=273mmd2=179mm （a）立柱受力情况图6.8（b）立柱等价受力图6.5.3各段的弯矩 其中各系数的计算如下，假设立柱受一轴向力P，没有横向力，不偏载，即e1=e2=0。sink1l1=0.4848cos k1l1=0.8746sink2l2=0.8315cosk2l2=0.5554sink3l3=0.2662 cosk3l3=0.9639sink2l3=0.4813sink2l3=0.87656.5.4加长杆强度核算最大弯矩所在位置为：由上式知道最大弯矩发生在l1处。最大弯矩为： Ncm加长杆内的应力由于轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力，即： 加长材料选用45号钢，。安全系数： n=1.4故满足强度要求。6.5.5活柱强度核算油缸的挠度计算式中活塞杆与导向套处的最大配合间隙，=0.1353；活塞与缸体的最大配合间隙，=0.11；活塞杆头部销孔中心至最大饶度处的距离，；缸底尾部销孔中心至最大饶度处的距离，；缸体全部外伸时，液压缸两端销孔间的距离，；活塞杆的最大推力，即立柱的工作阻力，；活塞杆全部伸出时，导向套前端到活塞滑动面末端的距离；液压缸的重力，；=；立柱轴线与水平面的夹角；=。把以上数据代入公式中得：cm最大弯矩所在位置为：=239.5由上式可知活柱的最大弯矩发生在处，即加长杆与活柱发生初折曲的地方。活柱的最大弯矩为： Ncm活柱内的应力为由于轴向力形成的压力和弯曲形成的弯曲应力，即： 活柱选用27SiMn无缝钢管，。安全系数：n=1.4故活柱满足强度要求。6.5.6缸体强度核算最大弯矩发生的地方为：由上式知道，缸体最大弯矩发生在l3处，即活柱与缸体发生初曲折的地方。最大弯矩为：kNcm缸体内壁三个应力为：按第四强度理论进行验算，即：安全系数： n=3.3故缸体满足强度要求。 7 液压系统设计7.1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2040MPa，立柱内的压力达3070MPa)，流量大(35140l/min)；在液压系统种，采用粘度低和容量大的液体作为工作介质；液压缸、操纵阀，其它调节和控制装置等总的数量大(高压泵16台、液压缸3001500个、安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀)；泵液压缸传动系统的换算弹性模数较低；根据支架的数目改变液流的参数；所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及它们之间都有相同的连接方式(相同的液压系统)；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序；为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。这些特点体现了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即：液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独地加以研究。7.2 液压系统的设计方法根据液压系统的架型和结构设计，确定立柱和千斤顶数目，并拟定液压系统。带压移架回路如图7.1所示。在立柱控制阀前面装设一个由移架液路控制的支撑保持阀和一个与立柱活塞杆腔液路相通的截流阀，可时支架带压移架，设计时应考虑在移架时，支架对顶板的支撑力应大于10KN/m。图7.1