JX04-080@ZY32001535型掩护式支架
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机械毕业设计全套
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JX04-080@ZY32001535型掩护式支架,机械毕业设计全套
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摘 要 本课题主要论述了液压支架的主要设计过程。其中包括：液压支架的选型、总体设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。 支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑，还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。 在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理的液压支架受力参数、运动参数 和结构参数，以及选定液压支架最佳方案等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手，然后进行总体结构设计以及校核。 关键词 ：液压支架；顶梁；底座；立柱；结构设计 nts ABSTRACT The article mianly elaborate the hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top-beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest position high request. The top-beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate welding. At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits. Keyword: Hydraulic pressure support ； Top beam ； Cradle ； the column-type support； structure designnts 1 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nts 2 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nts 3 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，nts 4 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 。 nts 5 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。 nts 6 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 5 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 4 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nts 7 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0t、 1t 、3t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 nts 8 FPq310 MPa (式 2.1) 式中 F 支架的支护面积， 2m 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 m 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。 nts 9 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。 nts 10 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 100kN 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。 nts 11 2.4 支架的选型设计 2.4.1 设计的原始条件 煤层厚度： H 1.83.2 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： SGZ 730/320。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nts 12 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 10 15 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 2m 和 20min 以下时，暂不宜采用液压支架。 nts 13 (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。 根据煤层厚度 1.83.2 米，属于中厚煤层。支架的适应高度为 1.53.5米煤质条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板平整，无影响支架通过的断层，根据表 2.1 初步选定为掩护式两柱液压支架。 nts 14 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 5 %的波动范围。 老顶级别 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 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m 1 0.294 1.3 0.294 1.6 0.294 20.249 应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区 2 0.343（ 0.245） 1.3 0.343（ 0.245） 1.6 0.343 20.343 3 0.441（ 0.343） 1.3 0.441（ 0.343） 1.6 0.441 20.441 4 0.539（ 0.441） 1.3 0.539（ 0.441） 1.6 0.539 20.539 nts 15 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。 nts 16 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： 1ShH mm （式 3.1） 2ShH nn（式 3.2） hm 煤层最大采高， hn 煤层最小采高 S1 伪顶冒落的最大厚度，一般取 0.20.3m 2S 顶板最大下沉量，一般取 100200mm a 移架时支架的最小可缩量，一般取 50mm a 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： nmHHm（式 3.3） 代入数据得 m=2.33。 nts 17 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： 3cmb B n C （式 3.4） 式 中： cb 支架间距（支架中心距）； mB 每架支架顶梁总长度； 3C 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cb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；nts 18 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 四连杆机构的设计 3.3.1 四连杆机构的作用与缺点 1梁端护顶 鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内时，借此可以保证梁端顶板维护良好。 2 挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作用。 3抵抗水平力 观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向）的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。 4提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较nts 19 大的整体，在支架承载阶段，其稳定 程度较高。 四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响 。 3.3.2 四连杆几何特征 （ 1）支架在最高位置时，1P=52 62 ，即： 0.911.08弧度； 1Q=75 85 即 1.311.48弧度 ；支架在最低位置时，保证 P1 25。 （ 2）后 1连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为 I =0.450.61;支撑掩护式为 I = 0.610.82。 （ 3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为 I10.220.3。 （ 4） e 点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度 70e mm以下。 （ 5）支架在最高位置时的 tan 应小于 0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于 0.16。 3.3.3.四连杆 机构各部尺寸的 确定 四连杆机构各部参数如图 3.1 所示，图中的 1H 为支架在最高位置时的计算高度。令 ： oa2= A ; ab = B ; ab = C ; cd = D ; 2od= E ; ae = G ; eb= F ; 1Jo= S ; Je = L ; A IG; ab Iae 1; tan = SL=U nts 20 ea图 3.1 四连杆机构参数图 1、四连杆的作用 四连杆机构是现代液压支架主要的稳定机构，其主要作用是保证支架纵向和横向的稳定性；承受和传递载荷以及保持液压支架的整体刚度等。对于四连杆的选择形式，大多数都是采用前整体后单的形式，这样可以增加尾部的空间。 具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践考验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了支撑式支架稳定性和力学持性的缺陷，成为液压支架技术发展史上的一个重要里程碑。 现代掩护式和支撑掩护式支架都用前后连杆把掩护梁和底座连结在一起，这样组成的双摇杆四连杆机构可使支 架升降时保持比较稳定的梁端距，即要求掩护梁和顶梁的铰接点的运动轨迹近似为一条直线，故称底座、前连杆、后连杆和掩护梁组成的机构为近似直线机构，从而得到一个近似相等的端面距，以提高管理顶板性能，使支架能承受较大的水平力。 液压支架升降时，顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，既有顶nts 21 梁与掩护梁的铰点 E 的轨迹所决定，其轨迹如图 3.2 所示： 图 3.2 升降柱运动轨迹 2、支架四连杆机构的运动轨迹 支架在最大高度和最小高度范围内运动时， E 点的运动轨迹呈 3 种形式：双向摆动 (ABCD 段 )、单向向后摆动 (BC 段 )和单向向前摆 动 (AB段和 CD 段 )。选择不同的四连杆参数可以使 E 点轨迹处于上述 3 种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当 E 点轨迹处于 AB 段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当 E 点轨迹处于 BC 段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。 从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产 生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数使支架工作段内， E 点轨迹处于 AB 段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使 E 点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支nts 22 架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度 3080mm。液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。 液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件，不具有承 受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。 3、四杆机构之间的关系 掩护式和支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构形成的条件是：最短杆 C 和最长杆之和小于其余两杆长度之和，而最短杆为上连杆（掩护梁），最短杆的对边 a 为固定杆（底座），即： C b o15 。在 J 点作 角，再取 JC 一定长度与 HC 交于 C 点， C 点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。 4)以 J 为圆心， JC 为半径画一圆弧 ab 。以 I 为圆心，以 HC 的长度为半径画圆弧与 ab 弧交于 E 点。 C 点和 E 点就是后连 杆在支架为最小高度和最大高度时的极限位置。 5)在 CH 上取一长度 CD，必须使 CDDC,这样 CD 就是最短杆。而且要使 CD DGx 3Lg时，载荷呈梯形分布，如图 5.5 所示。 顶梁前端比压为： 3212 10)26( mBLgLgxFq MPa （式 5.9） 顶梁后端比压为： 3213 10)64( mBLgxLgFq Mpa （式 5.10） 由于 x=0.77 小于3Lg所以载荷分布为三角形。 将 1F =3242 kN，mB=1.4m， x =0.77m 代入公式 (5.10)得顶梁后端比压3q为： 1.21077.04.13 3 2 4 22 33 q MP a nts 53 6 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 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。 nts 54 6.2 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 2 。 图 7.1 带压移架回路 1输送机； 2支架； 3推移千斤顶； 4立柱； 5安全阀； 6液控单向阀； 7制成保持阀； 8节流阀 6.3 千斤顶系统 千斤顶系统包括前梁、平衡、侧推、推移、护帮、防倒、防滑和调架千斤顶。这类千斤顶控制系统一般由油缸上加一些必要的液压阀构成。 常用的千斤顶控制回路有如下形式： nts 55 6.3.1. 侧推、调架、防倒系统 图 7.2 为单作用式，图 7.3 为双作用式。 图 7.2 单作用式 图 7.3 双作用式 6.3.2. 推移千斤顶系统 推移千斤顶系统如下图所示。 a 为单向锁紧回路， b 为差动回路， c为千斤顶定压回路，用于辅助移架千斤顶的推力限制在一定范围，在该千斤顶的活塞腔一侧液路上增设一个定压开关阀。当操纵操纵阀时，压力液经分流阀后分成两路：一路去推移千斤顶，另一路经定压开关阀去辅助移架千斤顶。当液压力超过定压关闭阀的调整压力时，该阀关闭，切断液路，保证辅助移架千斤顶的推力不超过调定值。 6.3.3.平衡千斤顶系统 平衡千斤顶系统一般用双向锁紧限压回路图 7.4 所示。 nts 56 图 7.4 双向锁紧限压回路 6.3.4. 活动侧护板控制方式 （ 1）弹簧机构式。其优点式结构简单，不需要液压元件，但功能较差，不具备调架性能，适应煤层倾角很小的工作面。 （ 2）弹簧与液压无闭锁混合系统。这种方式除弹簧机构外，需装备 3 4 个千斤顶及其操纵系统。与第一种方式相比，增加了设备费用，在功能方面并未获得显著的改善。但目前我国煤矿大量的支架式采用这种控制方式的活动侧护板。 （ 3）弹簧与液压闭锁系统混合式。与第二种无闭锁系统比较，只是控制阀的功 能不同，并增加了 2 3 个安全阀，使设备费用并不会显著增加，却获得了较好的防倒、防矸和调架的性能。 （ 4）全液压控制系统。这种系统在结构方面取消了弹簧，增加了一条低压供液系统和压力顺序阀，使活动侧护板具备了良好的性能，还可简化顶梁和掩护梁的结构。 根据支架的工作原理，做出液压系统如下图 7.5 所示： nts 57 图 7.5 液压系统图 1-立柱 2-推移千斤顶 3-护帮千斤顶 4-前梁千斤顶 5-平衡千斤顶 6-顶梁侧推千斤顶 7-掩护梁侧推千斤顶 8-后连杆 侧推千斤顶 9-调整千斤顶 nts 58 6.4 乳化液泵站 系统 6.4.1 乳化液泵站 乳化液泵站是采煤工作面文护设备及推移装置的动力源。主要由乳化液泵组、乳化液箔组组成，还包括必要的控制、保护、监视等元件及联接管路。 泵站的布设分为固定式和移动式两种。供液的方式为单一工作面供掖和集中对多个工作面供液。 表 7.1 泵站供液方式 方式 布设地点与配置 供给地点与输送 固定式泵站 集中供液 在采区或矿井硐室中，配置多台泵组和大容量液箱 通过大管径金属管道向去全采区或矿井的各个采煤工作面供液 单一供液 在工作面顺槽端部硐室内，配两台泵组和一台乳化液箱组 通过大管径硬管或高压软管向本工作面供液 移动式泵站 单一供液 在距采煤面 3050m 的顺槽内布设两台泵组，一台箱组，随工作面的推进而移动，也可安装于动力列车上 通过高压软管于工作面主供液管连接供液 nts 59 泵站主要多数应满足采煤工作面供液需要，同时要有合理的管路和阀类配套。 泵站公称压力取决于立柱初撑压力和杏千斤顶的 t 作压力。在此基础上考虑一定的富裕系数，以补偿系统沿程的压力损失。 泵站的液箱容积应能保证系统正常循环时液体的充分沉淀和 排气，洒温不要超出 0， 能容纳由于顶板下沉等原因回流的液体。一胜液箱容积不少于泵公称流量的 6 倍。 为了验证泵站系统组配的合理性，可用液压支架液压系统优化程序进行检验。 6.4.2 泵站液压系统 乳化液泵站系统应符合以下基本要求： (1)系统及其元件应能满足工作面支护设备和推移设备的要求。 (2)控制系统中，应配有各自独立的两台泵组。 (3)应有完善的过滤装置及磁过滤。 (4)必须有两级压刀保护装置。固定泵站应有失压保护。 (5)应设有压力指示。 (6)应有消除系统脉动和补能的蓄能器。 由于工 作面支架的立柱和千斤顶所需要的压力不同，就需要泵站共给不同的压力液。一般情况下，立柱要达到较高的初撑力，就需要高压液。要求推力较小的千斤顶，例如侧推千斤顶等就要较低的压力液。由此，本次设计选用高压 低压泵液压系统：工作面同时需要高压和低压时，可以设置一套高压泵，一套低压泵，组成整套乳化液泵站，其原理系统图表示如图 7.6 示。高低压泵可以用一台电机拖动。 nts 60 图 7.6 泵站液压系统 1 低压蓄能器 2 低压单向阀 3 低压卸载阀 4 低压手动卸载阀 5 低压安全阀 6 油箱 7 低压泵 8 高压泵 9 高压安全阀 10 高压手动卸载阀 11 高压卸载 阀 12 高压单向阀 13 高压蓄能器 1、乳化液泵 乳化液泵与电动机、机架等组成乳化液泵组，作为一个泵站组件。 工作原理：机械化采煤工作面一般采用卧式三往塞往复式乳化液泵。它是由电动机驱动，将曲轴的转动经连杆 块沿机构带动柱塞作往复直线运动。其工作原理如图 7.7 所示。当柱塞左行时，缸体腔容积增大形成真空。液箱里的乳化液在大气压力下经吸液阀被吸入缸体。此时排液阀在排液管内液压下关闭。当柱塞右行时，缸体腔逐渐缩小，液体受压推开排液阀，关闭吸液阀将乳化液注入排液管路输入系统。柱塞往复一次完成一个吸、排液循环 。其排液量呈正弦规律变化。由于三个柱塞运动互呈 120 度的相位角，泵的连续流量为三个柱塞排量总和，其流量压力脉动为三条正弦曲线的叠加，如图 7.8 所示。 nts 61 图 7.7 乳化液泵工作原理 图 7.8 乳化液泵压力、流量脉动线 2、乳化液箱 乳化液箱是泵站系统中贮存、回收和过滤工作液的装置。具有较完善的过滤系统和监控系统。有些还配有自动卸载阀、减压阀、蓄能器等元部件。由液箱及装在其上的元件和连接胶管组成乳化液箱组。一般单一供液的工作面泵站系统配一台液箱组和两台泵组。在必要时增设辅助液箱组。 乳化液箱的结构大体 分为四个部分： 1沉淀室； 2过滤室； 3工作室； 4控制室。系统液流的循环如图 7.9 所示。 nts 62 图 7.9 乳化液循环方框图 6.4.3 乳化液泵站的元部件 1、泵用安全阀 泵用安全阀是乳化浓泵的过载保护装置。安装于泵的高压排液口。当高压管路意外堵塞或系统自动卸载阀失灵时，泵压升高超道安全阀的弹簧调定压力时，使安全阀开启，释放出高压液体，使泵卸载。 2、自动即截阀 该阀是泵站的压力控制和过载保护元件。正常工作时泵排出的液体流经卸载阀的单向 阀进入供液系统。在系统异常或工作面不需供液，系统压力超过卸载阀调定压力最高值并控制液流使卸载阀口自动打开，泵排出的液体流回乳化液箱，使泵处于空载循环远行，在系统压力低于卸载阀调它的恢复压力值时，卸载阀自动关闭，使泵恢复正常循环供液。 自动卸载阀往往还联通一个手动卸载阀组成卸载阀组可以起三个作用： （ 1）保证泵组在排供液时，进入低压或空载运行。节省能量消耗，延长泵站使用寿命。 （ 2）在系统出现异常，压力超调时，起卸载保护作用。 新配制的乳化液 支架用液 支架供液 支架回液 乳化液泵 沉淀室 去泡沫隔板 磁性过滤器 吸液断路器 工作室 过滤网槽 卸载阀回液 nts 63 （ 3）当起动时打开手动卸载阀，可零压起动。因此卸载阀在系统中是一重要元件，并且呈频 繁动作状态，要求性能稳定、可靠。卸载阀的频繁动作给系统带来振动和冲击，一般应装于泵组上，与泵出口直接连接，并配以较大的系统蓄能器。 3、减压阀 为满足两种或两种以上的工作面支护设备所需要的工作压力，采用系统减压阀，使泵排出的高压液降到所需要的工作压力，同时供给使用。减压阀主要由主阀、调节装置及安全阀三部分组成。主阀通过间隙节流产生压降，成为减压部分，调节装置是靠弹簧或蓄能器及调节活塞来调定二次压力，并保持其压力稳定；安全阀起二次侧压力过压保护作用。 4、过露装置 液箱的过滤装置包括吸液过滤器 (装于吸液断路器 上 )、过滤网槽、磁过滤器及高压过滤。
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