掩护式支护机械立柱设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321辽宁工程技术大学毕业设计（论文）目录前言11概述21.1液压支架发展历史21.2我国液压支架的发展21.3液压支架的用途21.4掩护式液压支架的种类31.5掩护式液压支架的组成31.6掩护式液压支架的支撑力分布与承载31.6.1 掩护式支架的特点和支撑力分布31.6.2 掩护式支架在不同顶板条件下承载分析41.7液压支架的动作原理51.8采煤工作面液压支架设计目的、要求和设计液压支架的基本参数61.8.1采煤工作面液压支架设计目的61.8.2设计液压支架的基本要求71.8.3设计液压支架必需的基本参数71.9影响架型选择的因素81.10液压支架研究发展趋势92 掩护式液压支架整体结构尺寸设计102.1设计原始条件102.2支架高度、支架间距、底座长度的确定102.2.1支架高度102.2.2支架间距112.2.3底座长度112.3四连杆机构的作用和几何作图法112.3.1四连杆机构的作用112.3.2四连杆机构的设计要求112.3.3四连杆机构的设计（几何作图法）132.4 顶梁长度的确定172.4.1支架工作方式对顶梁长度的影响172.4.2顶梁长度的计算183 掩护式液压支架主要部件设计193.1 顶梁的设计193.1.1顶梁的作用及其设计要求193.1.2 顶梁的结构型式193.1.3 顶梁断面形状203.2 底座的设计203.3掩护梁和四连杆机构213.4侧护板213.5千斤顶233.5.1推移千斤顶233.5.2侧推千斤顶253.5.3 平衡千斤顶253.6液压支架的主要技术参数263.6.1 支护面积263.6.2 支护强度264 立柱结构设计和强度计算284.1立柱的设计要求284.2立柱的类型284.3立柱的结构294.4立柱技术参数的确定314.4.1立柱缸体内径314.4.2立柱初撑力314.4.3支架工作阻力314.4.4活塞杆直径的确定324.4.5立柱缸体壁厚的计算324.4.6立柱柱窝的确定334.4.7最大工作行程和最小导向长度354.4.8实际支护强度的计算374.5立柱强度和稳定性验算384.5.1油缸的稳定性验算384.5.2活塞杆的强度验算394.5.3缸盖连接螺纹的强度计算40结论42参考文献44附录A45附录B53前言综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。液压支架在我国煤矿中的使用已有二十年的历史，从消化引进设备开始，到我国自己能独立研究、设计和制造液压支架，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。这对于提高液压支架的设计和制造质量，对于进一步开发液压支架的新品种，以满足煤炭生产和打入国际市场的需要，对于提高教学水平都起到不可估量的作用。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，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件作成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明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。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，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概述1.1液压支架发展历史自1954年液压支架在英国问世、装备了世界上第一个采煤工作面开始，曾使世界采煤工业发生了革命性的变化，随着时间的推移，现已遍布世界各个采煤国家，并于70年代在中国落户。因为它是采煤工作面会行走的钢铁长廊，从此使采煤技术实现了综合机械化，在井下综采工作面大显神通。1.2我国液压支架的发展中国煤机行业从六十年代末开始进行液压支架的研究和开发工作。七十年代，在原国务院领导同志关于 “引进、消化、吸收、提高”方针的指导下，和科研院所一起，共同研究国外液压支架的设计与制造技 术，并结合中国煤层地质条件的复杂性和多样性，和煤矿企业一起，先后研制了：适用于中厚煤层开采 的ZY、QY系列产品；适用于坚硬顶板的ZZ系列支架。随着放顶煤技术在煤矿推广应用，郑州煤机厂、北 京煤机厂和煤科总院北京开采所、太原分院及其他科研单位，又共同研制和开发了ZFS、ZFD系列放顶液 压支架产品；为适应厚煤层分层开采的实际需要，研制和开发了出ZZP、ZZPL、ZYP系列铺网支架等产品 。目前，以郑州煤机厂、北京开采所、太原分院和北京煤机厂为主要设计和制造力量的液压支架的科研 和制造企业已经能够根据中国煤矿企业的需要，设计和生产出支撑高度0.65m，工作阻力为1200- 10000KN，工作面倾角在3045以下，移架速度在1216cm/s范围内的各种掩护式、支撑掩护式、放顶 煤和铺网液压支架。目前，国产液压支架在中国煤矿综采工作面液压支架总量的比例已达94%。1.3液压支架的用途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，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件作成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明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。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，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。1.4掩护式液压支架的种类掩护式液压支架有插脚式和非插脚式如图1-1所示。a-插脚式支架、b-立柱在掩护梁上非插脚式支架、c-立柱在顶梁上非插脚式支架图1-1掩护式支架种类 Figure 1 -1 types of shield1.5掩护式液压支架的组成 掩护式液压支架由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、立柱、平衡千斤顶、推移千斤顶、操纵阀、控制阀等组成。1.6掩护式液压支架的支撑力分布与承载1.6.1 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，并且分布均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑式支架大，其支撑力的分布规律如图1-2所示。图1-2 掩护式支架支撑力分布Figure 1 -2 shield supporting force distribution1.6.2 掩护式支架在不同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分析图1-3 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况Figure 1 -3 shield in broken unstable roof conditions of the force支架的顶梁和掩护梁受力情况如图1-3所示。顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的合力Q3，载荷分布如图1-3所示。掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁候补自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上，对掩护梁的作用力可以分解为垂直分布力和水平分布力，如图1-3所示。掩护式支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布于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 图1-4 掩护式支架在中等稳定以上顶板下的受力分析 Figure 1 -4 shield stability in the middle of the roof above Analysis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1-4所示。直接顶冒落时，冒落岩石分别作用在顶梁上和掩护梁上。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，此种支架不能再中等稳定以上顶板下工作。1.7液压支架的动作原理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的。如图1-5所示。1-输送机 2-推移千斤顶 3-立柱 4-安全阀 5-液控单向阀 6-操纵阀图1-5 液压支架工作原理Figure 1 -5 hydraulic support Principle1）升柱当需要支架上升支护顶板时，将立柱操纵阀按下，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。2）降柱当需要降柱时，将立柱操纵阀拉起，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。3）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，然后将平衡千斤顶的操纵阀拉起，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，将平衡千斤顶的操纵阀按下，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，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。1.8采煤工作面液压支架设计目的、要求和设计液压支架的基本参数1.8.1采煤工作面液压支架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求，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（简称综采工作面）。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对压液支架的需求量是很大的。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，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计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。1.8.2设计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150KN250KN，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，要有足够宽度的人行道。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。1.8.3设计液压支架必需的基本参数1)顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。2)最大和最小采高根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3)瓦斯等级根据瓦斯等级，按保安规程规定，险算通风断面。4)底板岩性及小时涌水量根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。5)工作面煤壁条件根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。6)煤层倾角根据煤层倾角，决定是否用防倒放滑装置。7)井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。8)配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.9影响架型选择的因素主要取决于顶板条件、地板条件和地质条件。其次还有一些影响因素，如：1)煤层厚度(1)厚度超过2.5m，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不用支撑式的支架。(2)厚度达到25m2.8m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。(3)煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式支架，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。(4)假顶分层开采，应选掩护式支架。2)煤层倾角(1)倾角在10至15（支撑式支架取下限，掩护式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。(2)倾角在18以上，应选用同时带防滑防倒的装置的支架。3)设备成本在同时允许选用几种架型时，应优先选用价值便宜的支架。支撑式支架最便宜，其次是掩护式支架，最贵的为支撑掩护式支架。1.10液压支架研究发展趋势随着科学技术的高速发展,新技术、新方法、新材料的不断应用,微机和计算机技术进一步普及,为液压支架的发展提供了有利的条件。目前,液压支架研究发展可以从以下几个方面着手:(1) 液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展,如液压支架的架型明显地向两柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。(2) 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。其中在设计中应注意以下几个方面: 提高液压支架的设计强度,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; 改进支架个别部件结构,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、地质构造较复杂等特殊条件,加大投入,研制大量的特殊支架,以适用不同的开采条件。(5) 新型元件与材质,可减轻支架重量,提高支架性能和使用寿命。(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和投入,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与自动化创造条件。2 掩护式液压支架整体结构尺寸设计2.1设计原始条件老顶级别级，直接顶类。煤层厚度：1.92.4m。2.2支架高度、支架间距、底座长度的确定2.2.1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等因素来确定，其最大与最小高度为; 21 22式中 支架最大高度；支架最小高度；煤层最大厚度（最大采高）；煤层最小厚度（最小采高）；考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可靠初撑力所需的支撑高度，一般取；顶板最大下沉量，一般取；移架时支架的最小可缩量，一般取；浮矸石、浮煤厚度，一般取。2.2.2支架间距支架间距，就是相邻两支中心线间的距离。支架间距bc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，支架间距一般为1.5m。2.2.3底座长度底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。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。此次设计底座长度取2m，宽度取1.3m。2.3四连杆机构的作用和几何作图法2.3.1四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最重要部件之一。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扭线，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。2.3.2四连杆机构的设计要求为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连干机构的作用。下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些几何特征是四连杆动作过程的必然结果。图2-1 四连杆机构几何特征Figure 2 -1 4 linkage geometry1) 支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2-1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度 e应小于或等于70mm，最好为30mm以下。2) 支架在最高位置时和最底位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图2-1所示，因满足如下要求：支架在最高位置时，P5262，Q7585；支架在最底位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石留在掩护梁上，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W0.3，则P16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使P25为宜，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，支架不能下降。一般取Q2530，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。3) 从图2-1可知，掩护梁与顶梁铰点e,和瞬心中心O之间的连线与水平线夹角为。设计时，要使角满足tan0.35的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。4) 应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2-1所示的h段。其原因为当顶板来压时 ，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后运动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向空采区。同时底板防止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，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，并且是底座前端比亚减小，防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应减小，所以减轻了支护梁的外负荷。从以前分析得知，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，应尽量使e值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。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2-2所示（实际上液压支架四连杆机构属于双摇杆机构）。图2-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构Figure 2 -2 cover after connecting rod beam and pose a crank slider2.3.3四连杆机构的设计（几何作图法）四连杆基厚设计的几何作图法按如下步骤进行。1) 确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面面之距。2) 掩护梁和后连杆长度的确定图2-3 掩护梁和后连杆计算图Figure 2 -3 cover beams and calculated plan after link用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图2-3所示。设：G掩护梁长度， A后连杆长度， L2e点引垂线到后连杆下铰点之距， 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。从几何关系可以列出如下两式 23 24将（2-3）式和（2-4）式联立可得： 25说明：支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点之顶梁顶面之距和后连杆下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代入式（2-5），可以求得的比值。由于支架型式不同，一般的比值按以下范围来取。掩护式支架：0.450.61支架最高位置时的计算高度为: 26根据的比值和（2-6）式可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A，经过取整后，再重新算出P1、P2、Q1、Q2的角度，这几个参数就确定了。初步估算，后连杆下铰点到底座底面的距离约为260mm,掩护梁上铰点到顶梁顶面的距离约为140mm。支架高度为1.62.6m的液压支架最高位置时的计算高度为： 由（2-5）式得： 27将（2-7）式代入（2-6）式得： 取整 G=1610mm A=890mm将取整后的A、G的值代入（2-7）式得： 符合设计要求顶梁端点运动轨迹最大宽度e30mm3) 几何作图法作图过程用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸，具体作法如图2-4所示。 图2-4 液压支架四连杆机构几何作图法Figure 2 -4 hydraulic supports four Linkage geometric mapping作图步骤如下：（1）确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座底面略高260mm。（2）过O点作与底座底面平行的水平线HH线。（3）过O点作与HH线的夹角为的斜线。（4）在斜线上截取线段,长度等于A=890mm，a点即为后连杆与掩护梁的铰点。（5）过a点作为HH线又交角1的斜线，以a点为圆心，以G1610mm为半径作弧交此斜线一点e,此点位掩护梁与顶梁的铰点。（6）过e点作HH线的平行线FF线，则HH线与FF线的距离为H12200mm，为液压支架最高位置时的计算高度。（7）以a点位圆心，以360mm为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为前连杆上铰点的位置。（8）过e点作FF线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，e点在此直线上滑动）。（9）在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。（10）取线中间的一点，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扭线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端点运动轨迹的形状、变化宽度等）。（11）以O点位圆心，为半径作圆弧。（12）以为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点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）以为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前圆弧上一点，此点为液压支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。（14）连接、，并以a点位圆心，长为半径作弧，交上一点b点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点。则b、三点位液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。（15）连接、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）分别作和的垂直平分线，其交点c即为前连杆一铰点，为前连杆长度。（17）过c点作HH线的垂线，交点d，则线段、为液压支架四连杆机构。根据以上P1、P2、Q1、Q2和计算的A、G、H1、H2的值，按四连杆的几何作图法，画出下图 本次设计的四连杆尺寸为：、。2.4 顶梁长度的确定2.4.1支架工作方式对顶梁长度的影响支架工作方式对顶梁长度的影响很大。1) 支架工作方式对支架顶梁长度的影响先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；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，支架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的顶梁长度要长一个步距，一般为600mm。2) 配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶梁的长度有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时不一定把煤壁截割成一个垂直平面，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。另外在输送机铲煤板前也应留有一定距离，一般为135150mm左右，也是为了采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护下工作，以此来计算顶梁长度。2.4.2顶梁长度的计算掩护式顶梁长度的计算顶梁长度=配套尺寸+底座长度+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距配套尺寸=1972mm掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距=100mm顶梁长度 取整 3130mm3 掩护式液压支架主要部件设计3.1 顶梁的设计3.1.1顶梁的作用及其设计要求顶梁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。它不但要具有一定的刚度和强度，而且面积尽可能加大，使顶梁对顶板的覆盖率高。同时，要求顶板能适应顶板变化，与顶板接触压力分布均匀，避免因局部接顶，造成集中载荷，损坏支架。3.1.2 顶梁的结构型式掩护式液压支架的顶梁结构形式有很多种。有平衡式顶梁、嵌入式顶梁、铰接式顶梁、带前梁的铰接式顶梁、带伸缩前梁的铰接式顶梁。本次设计选择的顶梁的结构形式为铰接式顶梁如图3-1所示。 顶梁后端直接与掩护梁铰接，立柱直接支撑在顶梁上。1-顶梁 2-掩护梁 3-平衡千斤顶 4-立柱图3-1 带前梁的铰接式顶梁Figure 3 -1 band beams articulated former top beam3.1.3 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3-2中a，同时增强了顶梁的结构强度。图3-2 顶梁断面 a为顶板Figure 3 -2 top beam cross-section of a roof3.2 底座的设计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外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板接触比亚要小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置，要便于人员操作行走；能起一定的档矸排矸作用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。底座是在钢板焊接的箱型结构上设有两个柱窝并与两根立柱铰接。底座的后部与前后连杆铰接，前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳，推移千斤顶的另一端与工作面运输机连接，通过推移千斤顶的伸缩，实现推溜和移架行走动作。此次设计的底座结构选整体式结构的底座，如图3-3所示。 图3-3 整体式底座Figure 3 -3 integral Cradle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，比压小等优点。图3-3所示的底座还有底座高度低、占用空间小等优点。3.3掩护梁和四连杆机构1) 掩护梁掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构，下端通过前、后连杆与底座铰接成四连杆机构，起着稳定支架重心和防止采空区岩石涌入工作面的作用，既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距基本恒定，又承担了支架在工作过程中的水平分力，以保证支架的工作稳定性。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。掩护梁的侧面形状应选直线式的。2) 四连杆机构前连杆选用单杆式结构、后连杆选用整体式结构。技术尺寸：前连杆长991mm，宽280mm，厚160mm。 后连杆长890mm，宽1100mm，厚160mm。3.4侧护板1) 侧护板的选择选择两侧皆为活动侧护板。这种侧护板可以适应工作面开采方向变化的要求，有利于防倒和调架。2) 侧护板的结构型式如图3-4所示，这种型式克服了当侧护板被冒落矸石压住时，影响侧护板伸缩的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。图3-4 侧护板的机构形式Figure 3 -4 side plates to form the body3) 侧护板尺寸的确定顶梁侧护板的侧向宽度，按支架升降高度和推移步距来确定。即：考虑到当一架升起，另一架降柱时，要保证相邻两架侧护板不脱离接触。同时考虑到支架降柱后要前移，为防止顶梁后部侧护板脱离接触，顶梁侧护板后部要加宽，加宽的长度一般为顶架后部起大于一个步距，即大于600mm。掩护梁侧护板的侧面宽度，主要考虑移架步距，一般比一个步距大100mm，即相当700mm。当一架固定，另一架前移时，两架之间能封闭，同时又考虑到降架前移时，原不动的掩护梁侧护板下部不致脱开。所以，掩护梁侧护板下部要加宽。顶梁和掩护梁侧护板的顶面宽度，与活动侧护板的行程有关。由两台相邻支架的架间距离来确定。顶梁和掩护梁侧护板的连接，在考虑动作灵活可靠的情况下，应尽量减少间隙，加强密封性。顶梁侧护板前部280mm，后部600mm。掩护梁侧护板上部550mm，下部730mm。3.5千斤顶3.5.1推移千斤顶1) 直接连接方式的千斤顶直接连接方式的推移千斤顶，结构简单，但移架力小于推溜力，掩护式支架基本不采用。2) 框架连接方式的推移千斤顶框架连接方式的推移千斤顶如图3-5所示。由于支撑掩护式支架重量较大，为了提高移架力，就要增加缸径或提高供液压力。如果采用直接推移方式，在提高移架力的同时，推溜力也将增加，这样有可能把溜槽推坏。1-推移千斤顶 2-活塞杆与支架连接处 3-输送机图3-5 框架式连接方式Figure 3 -5 frame connections动作原理：当缸体后腔进液，前腔回液，活塞杆伸出而移架；当缸体前腔进液，后腔回液，缸体前移通过框架而推溜，由于缸体后腔面积大，所以，框架连接可以使移架力大于推溜力。框架结构为钢管焊接型式。3) 浮动活塞式推移千斤顶浮动活塞式推移千斤顶的方式，也可以使移架力大于推溜力，动作原理如图3-6所示。图3-6 浮动活塞式推移千斤顶动作原理Figure 3 -6 floating piston goes jack action principle（1）推溜推溜如图3-6中的b、c所示，活塞腔进液，活塞杆腔回液，由于活塞空套在活塞杆上，活塞推到前方，活塞杆在压力作用下推溜，由于活塞杆面积小，推溜力小。（2）移架移架时，如图3-6中d所示，活塞杆腔进液，活塞腔回液，缸体前移而移架，由于活塞杆腔环形面积大于活塞杆面积，所以移架力可能大于推溜力。D为缸筒内径，d为活塞杆直径。当时，移架力大于推溜力。当时，移架力等于推溜力。当时，移架力小于推溜力。从结构上来看，浮动活塞式千斤顶相对于框架式千斤顶要简单，制造成本低，所以此次设计中推移千斤顶应选浮动活塞式千斤顶。为了推移千斤顶上、下、左、右滑动，在支架底座上焊有导向槽，缸体上焊有导向板。而对于浮动式活塞千斤顶，由于缸体铰接在底座上，只要在活塞杆的端部按有导向装置，就可以防止活塞杆受偏载而弯曲。本次设计选用浮动活塞式推移千斤顶。其主要技术参数为： 移架力： 推溜力： 内 径： 行 程： 活塞杆直径：3.5.2侧推千斤顶侧推千斤顶的活塞杆固定在活动侧护板上，缸体固定在固定侧护板上。侧推千斤顶的安装：在顶梁和掩护梁下面开窗口，把侧推千斤顶安装在窗口内，便于安装和检修。为了使活塞杆和活动侧护板相连，在改变工作面时，侧推千斤顶要调转。侧推千斤顶的技术参数：行程：170mm缸体内径：93mm活塞杆直径：40mm3.5.3 平衡千斤顶平衡千斤顶为双作用油缸。它铰接于顶梁和掩护梁之间。使掩护式支架构成稳定结构；通过它可以调节顶梁呈水平状态或所需要的角度，使相邻支架保持良好的密封状态，还可以利用双向控制阀，使平衡千斤顶呈推力或拉力，适应顶板载荷的变化。平衡千斤顶的位置初步定为：平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距为，平衡千斤顶上铰点至顶梁顶面之距为，平衡千斤顶下铰点至顶梁顶面之距为，平衡千斤顶下铰点至掩护梁之距为。技术参数：缸径：140mm行程：300mm初撑力：拉、推工作阻力：拉、推3.6液压支架的主要技术参数3.6.1 支护面积 （3-1）式中 支架间距 顶梁长度 移架后顶梁前端点到煤壁的距离，3.6.2 支护强度 （3-2） 式中 当支架最大采高为时，支架能有的支护强度，； 在架型选择表3-1中低于但与之相邻的采高相对应的支护强度； 在架型选择表3-1中高于但与之相邻的采高相对应的支护强度； 所对应的采高； 所对应的采高。表3-1 Tab 3-1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掩支掩支掩支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑采高小于2.5m或支掩采高大于2.5m液压支架支护强度采高1m采高2m采高3m采高4m2943432454413435394411.32941.33432451.34413431.35394411.62941.63431.64411.6539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区 注：表中括号内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4 立柱结构设计和强度计算4.1立柱的设计要求立柱是支架的承载构件，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的工作特性外，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要求。4.2立柱的类型立柱按动作方式分为单作用立柱和双作用立柱；按结构种类分为活塞式立柱和活柱式立柱；按伸缩方式分为单伸缩立柱和双伸缩立柱，如图4-1所示。a-单作用活塞式 b-单作用活柱式c-双作用活塞式 d-双伸缩式 图4-1 立柱的种类Figure 4 -1 column type1) 本次设计立柱类型选单伸缩双作用活塞式立柱，如图4-1c所示。此种类型的立柱具有结构简单、成本低等优点。2) 立柱数为两根。3) 立柱动作原理单伸缩双作用活塞式立柱，靠液压力升柱和降柱。当下腔进液上腔回液时伸柱，反之为降柱。4.3立柱的结构1) 缸体缸体是立柱的承压部件。一般用27SiMn无缝钢管制成。缸体内表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。配合精度为H7H9，表面粗糙度为。2) 活塞活塞是立柱的关键元件，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。活塞可以套在活塞杆上，或直接焊接在活塞杆上，活塞与缸体内径的配合精度一般为，粗糙度。用钢制作活塞时，可在活塞上安装导向环与缸体内径配合。导向环多数用塑料制品，也有用铜合金制成。在不承受横向力或横向力很小的情况下，可以用保护密封圈的尼龙挡圈兼作导向环。活塞靠密封圈密封，密封圈有O型、Y型、U型、V型、鼓型、蕾型等。鼓型密封圈是两个夹布U型橡胶圈中间夹一块橡胶压制而成的整体实心密封圈如图4-2所示，它的两个L型防挤圈一起使用，适用于工作压力，在压力小于时，可不加挡圈。它可用于各种活塞上的双向密封。 1-夹布胶 2-橡胶 3-L型防挤圈 4-活塞 5-缸体 图4-2 鼓型密封圈Figure 4 -2 drum-type gasket图4-3 蕾型密封圈Figure 4 -3 Bud gasket蕾型密封圈是一个U形夹布橡胶圈和唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈如图4-3所示。它适用于装入各种液压活塞头和导向套上，为单向密封。工作压力小于，当工作压力不超过可以不加挡圈。3) 活塞杆活塞杆是立柱传递机械力的重要零件，它要能承受压力和弯曲载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用27SiMn无缝钢管或45号钢制成。活塞杆与导向套的配合精度为，表面粗糙度为。为了防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，表面要镀铬，并要注意保护，防止外部硬伤。4) 缸口缸口是缸体与活柱接触的部件，它装有密封圈、导向套和缸盖等主要零件。缸盖和缸体相连接，保证环形腔密封和承压。导向套为活塞杆导向。导向套与活塞杆表面及要紧密接触又要动作灵活，同时要承受活柱形成的横向载荷。导向套的材料通常为聚甲醛或铜合金。导向套内表面与活塞杆的配合精度一般采用，粗糙度不低于。有的为了简化缸口结构，导向套和缸盖合成为一个零件。缸盖和缸体的连接缸盖与缸体的连接方式选用螺纹连接。4.4立柱技术参数的确定4.4.1立柱缸体内径 41式中 支架承受的理论支护阻力每架支架立柱数，安全阀调正压力，取立柱最大倾角， 根据GBT23481993 液压缸内径系列，取4.4.2立柱初撑力 42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， 4.4.3支架工作阻力 43 4.4.4活塞杆直径的确定 44 式中 双作用单活塞杆液压缸速比 取 根据GBT23481993 液压缸活塞杆外径系列 取4.4.5立柱缸体壁厚的计算 45式中 D缸筒内径P立柱的最大工作压力强度系数，当采用无缝钢管时，c计入筒壁公差及腐蚀时的附加厚度，c=0缸筒材料的许用应力 式中 缸体材料的抗拉强度，无缝钢管的抗拉强度n安全系数，一般取 缸筒外径的确定 46 缸筒外径取标准值为4.4.6立柱柱窝的确定掩护式液压支架立柱上、下柱窝位置的确定，对液压支架能否正常工作，极为重要。为此，在设计时，必须根据顶板载荷分布和底板条件，先确定支架顶梁的支撑分布和底座对底板的比压分布，使支架能适应工作面条件的要求，从此来确定立柱上、下柱窝的位置。立柱上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。为了简化计算，假设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。沿支架宽度方向均匀分布。把支架的空间杆系结构，简化平面杆系结构。同时为了偏于安全，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，支架支撑力分布也呈三角形，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F1在顶梁1/3处，取顶梁分离体，受力情况如图4-4所示。图4-4 顶梁受力分析Figure 4 -4 roof beam analysis对A点取矩立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距 47式中 立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距 支架支护阻力顶梁长度不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距立柱工作阻力之和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， 对顶板适应性分析（1）当直接顶完整不破碎，顶梁和顶板能较均匀的接触，立柱上柱窝位置按以上原则确定，支架能充分发挥初撑力和工作阻力，能有效支控顶板。此时，顶板载荷分布和支架支撑力分布基本一致。（2）当顶梁前端偏帮而冒空时，使支架顶梁合力作用点位置后移。此时，平衡千斤顶受拉，由平衡千斤顶来控制顶梁和掩护梁的夹角。如平衡千斤顶的拉力和行程在允许的范围内，支架能有效地支控顶板，当超过平衡千斤顶的行程范围，平衡千斤顶的耳环或活塞有可能被拉坏，支架就不能正常工作。（3）当顶梁后部顶板出现冒空，使支架顶梁合力作用点位置前移。此时，平衡千斤顶受压，顶梁和掩护梁的夹角变小，如果平衡千斤顶的推力和行程在允许范围内，支架仍然能有效地支控顶板，当超过平衡千斤顶的行程范围时，平衡千斤顶被压死，顶梁和掩护梁的交角最小。（4）当顶梁上部全部冒空，冒落岩石全部作用在顶梁和掩护梁上，使顶梁和掩护梁的夹角增大，直至平衡千斤顶的活塞杆被拉出或耳环拉坏，支架失去支控能力。下柱窝位置的确定立柱下柱窝中心至底座地面之距为。由作图可知，如图4-5所示立柱下柱窝至底座和后连杆铰点之距取。本次设计立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距取，立柱下柱窝至底座和后连杆铰点之距取。由图4-5可知立柱在最高位置时，立柱的轴线与顶梁垂线的夹角为18。在最低位置时，立柱轴线与顶梁垂线的夹角为30。图4-5 支架简图 Figure 4 -5 stent schematic 4.4.7最大工作行程和最小导向长度最大工作行程 立柱最大极限位置 立柱最小极限位置 按GB234980规定的液压缸工作行程系列，向大圆整称标准值取。最小导向长度立柱的最小导向长度，是指当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离如图4-6所示。若导向长度太小，将使立柱因间隙引起的初始绕度增大，从而影响立柱的稳定性。最小导向长度H应满足： 48式中 L立柱的最大工作行程 D缸筒内径 图4-6 导向长度Figure 4 -6 guide length导向套滑动面长度 取活塞宽度 取需在导向套和活塞间装一隔离套K。其长度C由所需的最小导向长度决定。采用隔离套不仅能保证最小导向长度，而且还可以扩大导向套和活塞的通用性。4.4.8实际支护强度的计算 如图4-7所示，对A点取矩， 假设集中载荷在顶梁的处。图4-7 顶梁受力分析Figure 4 -7 roof beam analysis 49实际支护强度 410 4.5立柱强度和稳定性验算4.5.1油缸的稳定性验算 油缸的稳定性条件： 411式中 油缸稳定性极限力 油缸最大工作阻力 活塞杆断面惯性矩活塞杆惯性矩和油缸惯性矩和： 412 413式中 缸体外径 缸体内径 活塞杆直径， 根据和的比值，查图4-8可求得，再将的值代入412式得油缸的稳定性满足条件。 图4-8 时临界力的计算图 Figure 4 -8 Critical force nomograph4.5.2活塞杆的强度验算活塞杆在轴向压缩负载和液压缸自重作用下，由于初始挠度的存在，活塞杆将同时受到压缩和弯曲。但液压缸自重无法确定，但其弯曲应力相对于前者较小，在这里忽略其应力大小。最大绕度处截面上的合成应力及强度条件为： 414式中 液压缸最大推力活塞杆横截面积 活塞杆材料的许用应力 材料的屈服极限，材料选45号钢，安全系数，通常取 活塞杆的强度满足条件。4.5.3缸盖连接螺纹的强度计算 缸筒与缸盖采用螺纹连接时，螺纹处的拉应力和剪应力分别为： 415 416合成应力及强度条件为： 417式中 液压缸最大推力； 缸筒内径； 螺纹外径； 螺纹内径，采用普通螺纹GB19663时，可近似的按下式计算，t为螺距，取； 螺纹内摩擦系数，取 螺纹预紧力系数，取 螺纹的许用应力， 缸筒材料的屈服极限，材料为27SiMn无缝钢管，； 安全系数，取 缸盖连接螺纹的强度满足条件。结论1本次设计完全符合老顶级别级，直接顶类，煤层厚度：1.92.4m开采工作面的支护要求。2 掩护式液压支架由于具有很高的稳定性，使之在煤矿开采中得以广泛应用。液压支架的费用通常占整个开采各费用的70%左右，因此根据其结构特点，进一步优化液压支架的结构，提高支架的支护效果，并在使用中使支架处于合理的工作状态，降低支架的损坏，延长其使用寿命，从而降低其支护费用。3 在设计过程当中，由于实践经验和知识水平的不足，关于设计计算、结构设计以及校核等方面都会有不完善之处。在今后的工作学习中我会更加详尽的学习，提高设计的科学性和效率。使之更加完善，符合实际矿山工程机械的要求。致谢 论文的完成得益于隗金文教授的悉心指导、关怀和帮助。从论文的选题、设计、计算到最终的定稿无不渗透着导师的心血。导师渊博的知识、严谨的治学态度、平易近人的师长风范以及对我们始终如一的关心培养和严格要求使我深受教益。在此，向隗金文导师致以衷心的感谢、崇高的敬意和美好的祝愿。同时感谢阜矿集团机电二厂给与的一次宝贵的实习机会。 最后，向评审本论文的各位老师表示衷心的感谢！参考文献1陶驰东采掘机械M煤炭工业出版社，199342丁绍南液压支架设计M世界图书出版公司，199243陈庆禄、朱银昌编煤矿液压支架设计监测试验使用与维修M内蒙古科学技术出版社，1999114赵宏珠综采面矿压与液压支架设计M中国矿业学院出版社，1987115方慎权煤矿机械M中国矿业学院出版社，1986116隗金文、王慧编液压传动M东北大学出版社，2001127成大先.机械设计图册第二卷M化学工业出版社，200558成大先机械设计手册第四卷M化学工业出版社，200219赵衡山高产高效工作面液压支架的发展J煤炭科学技术，19981，第26卷第1期10吴乐兵液压支架的发展与前瞻J淮南职业技术学院学报2006年第1期11 徐景才王志伟掩护式液压支架四连杆机构设计及力学分析J河北煤炭1999年第2期12T. Furuhashi, N. Morita, M. Matsuura. Research on Dynamics of Four Bar Linkage with Clearances at Turning Paris, 1st Report, Bull.JSME,1978附录A基于粗糙集的机械制造工艺知识发现方法研究摘 要：针对企业工艺信息系统中的知识发现问题，分析了传统的计算机辅助工艺设计系统、工艺信息系统和基于知识的工