支掩式液压支架底座设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系绪论1.1 液压支架的技术特点和发展趋势多年来，随着我国煤矿综采面的不断增加，支撑掩护式液压支架需求数量也在逐年上升。该架型结合了支撑式和掩护式两种架型的优点，在实际应用中更有优势。本文对液压支架各作用点受力情况及各主要参数对支撑掩护式液压支架承载能力的影响进行评细分析。支撑掩护式支架是以支撑为主，掩护为辅的液压支架，用来控制采场顶板下沉断裂及冒落，保证控顶距内顶板完整和必要的回采空间。目前煤炭工业关系到国家经济发展的速度，随着技术的不断提升，煤矿机械已着眼于高能、高效、高可靠性装备和先进技术的应用，这也是解决长期以来煤炭生产落后、安全系数低等问题的关键。我国有着广阔的煤炭资源，充分利用和高效采掘这些资源离不开现代化的装备，这就要求，必须加速煤炭工业的建设、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困难的方法，但是，这种方法在工业发达国家和以煤作为一次能源的地区，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1。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应用，对煤炭工业革新技术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。但是，自从70年代中期以来，液压支架使用的条件越来越多地与支架的工作我不目前煤炭工业关系到国家经济发展的速度，随着技术的不断提升，煤矿机械已着眼于高能、高效、高可靠性装备和先进技术的应用，这也是解决长期以来煤炭生产落后、安全系数低等问题的关键。我国有着广阔的煤炭资源，充分利用和高效采掘这些资源离不开现代化的装备。改革开放以来，我国煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，开采工艺和装备水平不断提高，机械化程度逐年上升。煤炭工业战线上的技术人员和广大职工，在设计制造矿山机械设备和引进吸收国外先进技术等方面积累了丰富的经验，取得了丰硕的成果。在我国经济稳步增长的今天，煤炭工业持续、稳定、协调的发展，是顺利实现社会主义建设宏伟目标的重要条件。高产高效综采技术的核心是工作面综采设备。近10年来，工作面三大配套设备采煤机、刮板输送机和液压支架，在设计方法和结构上都有了重大发展，主要是提高设备生产能力和可靠性，改进操作性能。其中，综合机械化采煤是煤炭工业增加产量，提高劳动生产率，改善劳动环境，保障安全生产的必要技术手段。所以，作为综合机械化采煤机械系统中重要的设备之一液压支架的安全可靠与否是至关重要的一个环节。近10年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，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（1.75m、2m）发展，结构材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高。 液压支架技术另一重大突破是控制系统采用电磁（或微电机）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技术、红外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68 s。配合采煤机的煤岩识别系统等先进技术，可实现工作面自动控制。到目前为止，根据液压支架在煤层工作面的安装位置和结构形式可分为若干种支架。1.2 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组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。1.3 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，这个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1-1所示。1.3.1 升柱当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。1.3.2 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。1.3.3 支架和输送机前移图1-1 液压支架工作原理Fig.1-1 Hydraulic pressure support principle of work1-输送机；2-推移千斤顶；3-立柱；4-安全阀；5-液控单项阀；6-操纵阀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，高压液体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。支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作牲曲线，如图1-2所示。图1-2 支架的工作特性曲线Fig.1-2 Support performance curve-初撑阶段；-增阻阶段；-恒阻阶段；-初撑力；-工作阻力支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。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，支架的液控单阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段；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整压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段；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整值后，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值后，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。1.4 液压支架的分类按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，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上所有位置的支架。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。支撑式支架又有垛式和节式之分。掩护式支架又有插腿式和非插腿式之分，图1-3为立柱支在掩护梁上非插腿式，图1-4为立柱支在顶梁上非插腿式2。图1-3 立柱支在掩护梁上非插腿式支架Fig.1-3 Column in shields on Liang must to intrude type support支撑掩护式支架又有四柱支在顶梁上和两柱支在顶梁，一或两柱支在掩护梁之分。图1-5为四柱平行支在顶梁上；图1-6为四柱交叉支在顶梁上；图1-7为两柱支在顶梁两柱支在掩护梁上。图1-4 立柱支在顶梁上非插腿式支架Fig.1-4 Column must intrudes type support1-5 四柱平行支在顶梁上支架Fig.1-5 Four column parallel in top-beam upper bracket图1-6 四柱交叉支在顶梁上支架Fig.1-6 Four column overlapping in top-beam upper bracket图1-7 两柱支在顶梁两柱支在掩护梁上支架Fig.1-7 Two column are shielding Liang in top-beam two column upper bracket1.5 液压支架结构液压支架就是一种在矿山开采作业的煤矿机械。它利用可展缩顶护板的保护作用，使工人及采矿车能安全地在矿井下工作。最早的液压支架是一种简单的框架形垛式结构，由于没有四杆机构，这种支架承受水平力的能力差，在水平力作用下容易失去稳定性。后来出现了掩护式(包括支撑掩护式)支架，这种支架的水平刚度和稳定性都比较高。液压支架的类型很多，按和围岩的相互作用可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式3类；按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式2类；按使用地点不同分工作面支架和端头支架2类；按煤层厚度和开采方法不同分为铺联网支架和放顶煤液压支架。本文介绍的支撑掩护式液压支架是在支撑式液压支架的基础上吸取掩护式液压支架的特点而设计的，液压支架的前探梁和顶梁是箱体焊接结构，支撑着工作面顶板，起着防止漏矸冒顶的作用。前探梁千斤顶操纵着前探梁向上和向下摆动。4根双作用油缸支撑在顶部与底座之间。为了扩大支架的工作范围，在油缸上还装有机械加强杆，能屈能伸。掩护梁是由钢板焊接而成的箱形结构，下端通过前、后连杆与底座铰接成四杆机构，起着稳定支架重心和防止采空区岩石涌人工作面的作用，既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距基本恒定，又承担了支架的工作稳定性；底座是在钢板焊接的箱形结构上设有4个柱窝并与4根立柱铰接。底座的后部与前后连杆铰接，前端焊接耳板用以安装推移千斤顶，推移千斤顶的另一端与工作面输送机连接，通过推移千斤顶的伸缩，实现推溜和移架行走动作。1.5.1 支撑式支架1）支撑式支架的结构：它由前探梁、后梁、前梁短柱、立柱、挡矸帘、操纵阀、控制阀、复位千斤顶、推移千斤顶、底座箱等组成。2）支撑式支架的液压系统：它由泵站、四根立柱、两个千斤顶、一个前梁短柱、一个操纵阀、五个控制阀和管路等组成。泵站供给的高压液体经主进油管通向各架的操纵阀。各架的回液经主回液管返回泵站。液压系统的主要部分是控制阀和操纵阀。控制阀装在立柱和前梁短柱的活塞液路上。操纵阀为八个二位三通阀的组合体，每两个阀成一组，相应控制前梁升降、前柱升降、后柱升降和移架推溜等八个动作。1.5.2 掩护式支架1）掩护式支架结构：它由前梁、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。2）掩护式液压支架的特点是：它与顶、底板的接触压力比较大，而且随着支架承压能力的增大，这个缺点对掩护支架自身造成的危害也越大，因此在掩护支架的设计中，顶梁及底座的接触压力都有一定的限定值，当顶板及底座的接触压力过高时，应考虑采用支撑掩护式液压支架的结构形式。1.5.3 支撑掩护式支架1）支撑掩护式支架的结构：它由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。2）支撑掩护式液压支架的特点:根据液压支架的特性，具有两支柱的掩护式液压支架和具有四支柱的支撑掩护式液压支架，由于支柱数的不同，与地层的相互作用关系也不同。掩护式液压支架的2个支柱相对于煤壁向前倾斜，支柱支撑顶梁的力产生水平分力，这个力作用在支架前端的直接顶上使之处于压紧状态，促使直接顶趋于稳定。相比之下，支撑掩护式液压支架的4根支柱相对于煤壁两两相背反向倾斜，其支撑力的水平分力相互抵消，因而也就不能提供水平作用力3。由此可见，掩护式支架在铰接较显或松散破碎直接顶地层中的支护效果较好，因它提供的水平作用力阻滞了直接顶岩块沿破裂面滑落，增强了地层的总体稳定性。支撑掩护式液压支架的优点之一是其垂直方向的支撑合力距煤壁的距离较远，这意味着对于岩表突出的顶板，这种支架的支护效果会更好，因为这将使其支撑力作用在更有效的支撑点上。另外它与顶、底板的接触压力较均匀，最大接触压力也相对较小，具有很高的稳定性。然而支撑掩护式液压支架前后两对支柱产生的多重推力路径影响了这种支架在易出现空洞地层中的支护效果。支架后部支柱的推力使顶梁产生逆时针方向的旋转位移，从而使顶梁与底板间的接触面积减小，使顶板地层更趋于空洞化，进而导致由前部支柱承担全部压力载荷，使支撑能力下降。3）支撑掩护式液压支架的合理应用：合理应用的目的是使液压支架处于合理的工作状态，以减轻液压支架的支承载荷，提高液压支架的利用效率。支撑掩护式支架是以支撑为主，掩护为辅的支架，用来控制采场顶板下沉断裂及冒落，保证控顶距内顶板完整和必要的回采空间。正确掌握其工作状态，就能发挥它的支撑、掩护作用；反之，不仅不能控制顶板的下沉断裂，而且会造成冒顶片帮，支架本身也有可能被压死。支架的合理工作状态：支撑掩护式液压支架应与煤层顶板倾斜度适应，支护过程中顶梁和前探梁应与顶板完全接触，保证支架和煤壁间的空顶面积最小及支架上方放顶线以后没有悬露顶板。4）支撑掩护式液压系统的特点是：在前梁千斤顶的承载腔液路上采用大流量安全阀。升降时前梁千斤顶先推出，前梁端部先接触顶板，在支架继续升起直到顶梁撑紧顶板时，前梁被迫下降，使前梁千斤顶收缩，在此过程中，大流量安全阀过载而大量溢流。从而使前梁千斤顶达到很大的工作阻力。这样前梁对顶板的支撑力能较快地过到额定值，从而可以有效地支控工作面前端的顶板，防止离层。当煤层厚度变化时，中间液压支架的结构稍有变化，但仍不失去上述三种基本类型。对于厚煤层，由于开采方法对支架有特殊要求，因此，支架结构有些特殊变化。如用冒落法采煤，在支架上要安装落煤窗口、插板等特殊结构。有的支架还要装设铺金属网结构。端头支架也有多种结构型式，如锚固式、局部支护式和全封闭式等。1.6 设计的目的、要求与基本参数1.6.1 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。为了满足对煤炭止益增长的需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械他采煤工作面（简称综采工作面）。而每个综采面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。由于不有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。为有了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，液压支架的设计工作是很重要的4。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。1.6.2 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。推溜力一般为左右；移架力按煤层厚度而下，薄煤层一般为，中厚煤层一般为，厚煤层一般为。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要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）为的操作和生产的需要，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。1.6.3 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及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，决定是否选用防倒防滑装置。7）井筒罐笼尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。552 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，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。2.1支撑式支架的支撑力分布和承载2.1.1支撑式支架的特点和支撑力的分布支撑式支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部，以阻止上部岩层的移动，实现切顶作用。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板，则处于无立柱支撑状态，仅靠支撑力较小的前梁来维护。故支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀，其预想的支撑力分布规律如图2-1所示。图2-1 支撑式支架支撑力分布Fig.2-1 The brace support support strength distributes2.1.2支撑式支架在不同顶板条件下承载分析1）支撑式支架在中硬以上稳定顶板的受力情况，如图2-2所示。一般来说，支架顶梁承受的顶板压力可视为两部分组成，其一是直接顶作用在支架上的压力；其二为老顶通过直接顶间接地作用在支架上的压力。开始支架只承受直接顶压力，作用点位于近似支架顶梁中部，它相当于均布载荷。周期来压时，裂隙带下沉，其一端通过直接顶间接地作用在支架顶兴上；另一端落在冒落岩石上。作用在支架上的压力为，作用点位于支架顶梁后部，相当于三角形载荷分布。图2-2 支撑式支架在中硬以上稳定顶板条件下的受力情况Fig.2-2 Brace support under hard above stable roof condition stress situation支架承受载荷和，使支架顶梁后部受力大，同时底板对底座后部反力也大。由于支撑式支架前梁无立柱，支撑力小。顶梁后部有立柱，支撑力大。所以这种支架能适应中硬以上稳定顶板的条件5。2）支撑式支架在破碎不稳定顶板条件的受力情况，如图2-3所示。图2-3 支撑式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况Fig.2-3 Brace support under stave unstable roof condition stress situation由于支撑式支架顶梁较长，在支架重复支撑过程中（假设顶梁长，支架每前进一次为，则支架顶梁对顶板的重复支撑次数为次），使直接顶破碎冒落，支架顶梁后部出现空顶，使顶板压力前移，合力作用点靠近前柱，顶梁载荷呈阶梯状分布，出现支架顶梁前部支撑能力小，而载荷大；支架后部支撑能力大，而载荷小的受力状态。同时底板对底座后部反力也小。所以支撑式支架不能适应破碎不稳定顶板。2.2 掩护式支架的支撑力分布和承载2.2.1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撑式支架大，其支撑力分布规律如图2-4所示。图2-4 掩护式支架支撑力分布Fig.2-4 The shield type support support strength distributes2.2.2掩护式支架在不同顶板条件下承载分析1）掩护式支梁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2-5所示。图2-5 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况Fig.2-5 Shield type support under stave unstable roof condition stress situation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，载荷分布如图2-5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，对掩护梁的作用力可以分解为垂直分力和水平分力，如图2-5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2-6所示。图2-6 掩护式支架在中等稳定以上顶板下的受力情况Fig.2-6 Under shield type support in medium stable above roof stress situation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垮落岩石承担，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。2.3 支撑掩护式支架的支撑力分布和承载支撑掩护式支架是为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和顾载能力。所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适用范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图2-7所示。图2-7 支撑掩护式支架的受力状况Fig.2-7 Support shield type support stress condition3 中厚煤层液压支架的整体结构设计原始数据： 煤层厚度：3；老顶级别：II级； 直接顶类别：2类； 底板允许平均比压：。3.1 支架高度、支架间距、底座长度的确定3.1.1 支架高度和支架的伸缩比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； （3-1） （3-2）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要的支撑高度，取； 顶板最在下沉量，取150； 移架时支架的最小可缩量，取； 浮矸石、浮煤厚度，取。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即： （3-3）3.1.2 支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，支架间距要根据支架型式来确定，但由于第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，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。3.1.3 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。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；保证支架的稳性等。通常，支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即左右6。本设计中取底座长度为。3.2 四连杆机构的作用和四连杆机构设计的几何作图法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最重要的部件之一。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了，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：1）支架高度在最大和最小范围内变化时，如图3-1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于，最好为以下。图3-1 四连杆机构几何特征Fig.3-1 Four link motion gear geometry characteristic2）支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与底平面的夹角，如图1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，； 支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学磨擦理论可知，要求，如果钢和矸石的磨擦系数，则。为了安全可靠，最低工作位置应使为宜，而角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落石卡住后连杆，支架不能下降。一般取，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夹角为。设计时，要使角满足的范围，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纽线向前凸的一段为支架工作段，如图3-1所示的段。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，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的磨擦力指向采空区。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，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。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，应尽量使值减小，取双纽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快机构，运用作图法就可以了，如图3-2所示（实际上液压支架四迦杆机构属双摇杆机构）。图3-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑快机构Fid.3-2 Shields Liang and the rear connecting rod constitution crank slides quick organization3.2.3 四连杆机的几何作图法四连杆机构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面之距 一般按同类型支架用类比法来确定。2）掩护梁和后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3-3所示。图3-3 掩护梁和后连干计算图Fig.3-3 Shields Liang Hehou the company to do nomograph 设：掩护梁长度， 后连杆长度， 点引垂线到后连杆铰点之距， 支架最高位置时的计算高度，支架最低位置时的计算高度。从几何关系可以列出如下两面式 （3-4） （3-5）上两式联立得 （3-6）按四连杆机构的几何特征要求，选定、代入上式中，可以求得的比值，所以 （在 0.610.82范围内） （3-7）支架最高位置时的计算高度为： （3-8） 根据的比值和（3-6）式，可求出掩护梁的长度和后连杆长度：，3）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件尺寸，具体作法如图3-4所示。作图步骤如下：a 确定后连杆一铰点点的位置，使它大体比底座底面略高。b 过点作与底座底面平行的水平线线。c 过点作与线的夹角为的斜线。d 在此斜线上截取线段，长度等于，点即为后连杆与掩护梁的铰点。图3-4 液压支架四连杆机构的几何作图法Fig.3-4 Hydraulic pressure support four link motion gear geometry constructione 过点作线有交角的斜线，以点为圆心，以为半径作弧交此斜线一点此点为掩护染与顶梁的铰点。f 过点作线的平行线线，则线与线的距离为，为液压支架最高位置时的计算高度。g 以点为圆心，以（0.220.3）长度为半径作弧，在掩护梁上交一点，为前连杆上铰点的位置。h 过点作线的垂线，（认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动）i 在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。j 取线中间某一点，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纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状、变化宽度等）。k 以点为圆心，长为半径作圆弧。l 以为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点，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。m 以为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点，此点为液压支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。n 连接、，并以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点。则、三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。o 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。p 分别作和的垂线的平分线，其交点即为前连杆一铰点，为前连杆长度。q 对点向线作垂线，交点，则线段、和为液压支架四连杆机构。r 按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点的运动曲线，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线来，再按液压支架四连杆机构的几何特征进行校核，最终选出较优的四连杆机构尺寸来。其中：；3.3 四连杆机构优选设计法支撑掩护式液压支架支架四连杆机构尺寸，直接影响着液压支架的工作性能和受力状况7。为此，如何优选设计四连杆机构尺寸，具有重大意义。下面对优化四连杆机构进行分析：3.3.1 目标函数据的确定根据附加力对液压支架受力影响的分析，为减少附加力，必须使有较小值。同时，为有效地支控顶板，要求支架由高到低变化时，顶梁前端点与煤壁距离的变化要小。而支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。3.4 顶梁长度的确定3.4.1 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，先移架后推溜方式要求顶梁有较大长度；先推溜后移架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。3.4.2 配套尺寸对顶梁长度的影响设备尺寸与支架顶梁长度有直接关系。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垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为，这个距离叫空顶距。另外在输送机铲煤板前也留有一定距离。一般为左右，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，均要在顶梁掩护之下工作，以此来计算顶梁长度。3.4.3 顶梁长度计算 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（）。 （3-9）=1972+-+100 =3.5 立柱和千斤顶位置的确定3.5.1 立柱布置1）立柱数因为本设计为支撑掩护式支架，所以立柱数为4柱。2）支撑方式 支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于。3）立柱间距 立柱间距是指支架前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操作、行人和部件合理布置。支撑掩护式支架的立柱间距为左右。本支架两柱间距取。3.5.2 立柱柱窝位置确定 根据支撑力分布与顶板载荷相一致的原则，通过受力分析计算，确定柱窝合力作用点位置；根据前、后立柱间行人的要求，对支撑掩护式支架还要考虑立柱倾角的要求，进行分配前、后柱窝位置。3.5.3 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a 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，移架时磨擦阻力小。这种结构的缺点在于防矸、防倒效果与弹簧式差不多。b 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。 在侧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稳。3.5.4 主要销轴间隙及其影响销轴间隙大小对支架支护性能有一定影响：1）影响梁端距如果销轴间隙均能保证，当顶板对顶梁的磨擦力向后时，使顶梁前端后移，反之当顶板对顶梁的磨擦力向前时，使顶梁前端向前移。2）间隙过小，装配困难。3）受力影响支架在承载压力时，若间隙适当，销轴在销孔中可转动，阻力矩甚小，在受力计算时忽略不计，否则阻力矩较大，使支架动作不灵活。4 中厚煤层液压支架部件设计液压支架各个部件的结构型式，应根据工作面的顶底板条件和支架架型进行选择。4.1 顶梁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外，还要保证支护顶板的需要，如：有足够的顶板覆盖率；同时要适应顶板的不平整性，避免局部应力面引起损坏8。4.1.1 支撑掩护式支架顶梁如图4-1所示，该顶梁为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接。在铰接前梁2安装有前梁千斤顶4，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上、下摆角，适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。尾梁3是为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘。图4-1 支撑式支架顶梁的结构型式Fig.4-1 Brace support top-beam structure pattern1前梁；2后梁；3尾梁；4前梁千斤顶4.1.2 顶梁结构和断面形状各类顶梁都为箱结构，一般由钢板焊接面成。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，以减小移架阻力。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按顶梁的断面形状，可以把顶梁分成开式顶梁和闭式顶梁。本设计采用闭式顶梁，闭式顶梁为顶梁上、下盖板与筋板焊接成封闭型，如图4-2所示。立筋凹下，焊接后使顶梁平整。图4-2 顶梁筋板焊接图Fig.4-2 Top-beam muscle board welding chart4.2 掩护梁 掩护梁的结构为刚板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。侧护板装在掩护梁的两侧。4.3 侧护板4.3.1 侧护板的类型顶梁和掩护梁的侧护板有两种，一种是一侧固定，另一侧活动的测护板；另一种是两侧皆为活动的侧护板。本次设计中的液压支架是一侧固定另一侧活动的侧护板。由于固定侧护板与梁体焊接在一起，可节省梁体的侧板，既节省材料又可加固梁体。在设计时，根据左右工作面来确定左侧或右侧为活动侧板9。一般沿倾斜方向的上方为固定侧护板，下方为活动侧护板。活动侧护板通过弹簧筒和侧推千斤顶与梁体连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当改换工作面开采方向时，活动侧护板便位于倾斜方向的上方，对调架、防倒等带来不便。4.3.2 侧护板的结构型式采用铰接式侧护板，特点是它既克服了侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩的缺点，又克服了支架承受偏载时，侧护板装置受力很大的缺点。但由于架间侧护板造成三角带容易填入碎矸，影响架间密闭效果。4.3.3 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，要保证相邻两架间侧护板不脱离接触。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，加宽的长度一般为从顶架后部起大于一个步距，即大于。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，即相当。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，掩护梁测护板下部要加宽。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。4.4 底座 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，对底板接触比压要小，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；能起一定的挡矸排矸作用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。底座的结构型式：整体式。如图4-3所示：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，底座高度低，占用空间小。底座前端制成滑撬形，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。图4-3 底座结构的型式Fig.4-3 Foundation structure pattern底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以免因立柱偏斜受偏载，并用限位板和销轴限位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间去掉一块钢板，减少底座后部与底板的接触面积，增加底座后部比压，同时有利排矸。4.5 立柱立柱是权架的承压构件，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。4.5.1 立柱的类型立柱按动作方式，分为单作用和双作用；按结构类型，分为活塞式和柱塞式；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩，本液压支架选用双作用活塞式。如图4-4所示。图4-4 双作用活塞式Fig.4-4 Double-acting plunger type4.5.2 机械加长杆的结构原理机械加长杆是为了满足支架高度的变化要求，所在立杆上部安装的机构加长杆。为需要增加支架最大高度时，可以先拆下四要立柱中对角线的两根立柱上机械加长杆的卡环，操作支架升柱，支架顶梁升起，带动机械加长杆从立柱中拔出，当达到所调高度时，再把这两根机械加长杆的卡环固定。把支架降至原来高度，拆下另两根机械加长杆的卡环，用同样的方法使这两根机械加长杆达到与前两根相同的高度为止10。4.5.3 立柱的结构立柱由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。缸体：缸体是立柱的承压部件。一般用无缝钢管制成。缸体内表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。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。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不的情况下，可以用保护密封圈的尼龙圈歉作导向环。活塞靠密封圈密封。活柱和活塞杆：活柱和活塞杆是立柱传递机械力的重要部件，它要能承受压力和弯曲等载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用或号钢制成。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。缸口：缸口是缸体与活柱或活塞杆接触的部件，它装有密封圈、导向套和缸盖等主要部件。密封圈的作用和结构如前所述。缸盖和缸体相连接，保证环形腔密封和承压。导向套为活柱和活塞杆导向。导向套与活塞杆表面既要紧密接触又要动作灵活，同时要承受活塞杆形成的横向载荷。导向套的材料通常为聚甲醛或铜合金。为简化缸口结构，导向套和缸盖合成一个部件。4.5.4 缸盖与缸体的连接形式螺纹连接，缸盖既是一个压盖又起导向套作用，在它上面装有密封圈和防尘圈。4.6 千斤顶4.6.1 推