ZY32001535型液压支架 ——立柱和千斤顶的设计

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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要本课题主要论述了液压支架液压系统的主要设计过程。其中包括：液压支架总体设计、液压支架液压系统设计、液压支架的选型、乳化液泵站的设计。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着手，然后进行液压支架液总体结构设计以及液压系统设计。关键词：液压支架；顶梁；底座；立柱；液压系统。ABSTRACTThis topic focuses on the hydraulic system of hydraulic support of the main design process.These include: Hydraulic stent design, hydraulic support hydraulic system design, selection of hydraulic components.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 hydraulic system design.Keyword: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle；the column-type support；hydraulic system.目 录1 绪 论11.1 课题的提出及研究意义11.2 课题的研究现状21.2.1 液压支架的研究现状21.2.2 液压系统的发展现状41.3 论文的研究内容102 液压支架的总体设计112.1 液压支架的用途112.2 液压支架的组成和分类112.2.1 液压支架的组成112.2.2 液压支架的分类132.3 液压支架的基本要求152.4 液压支架的工作原理152.5 液压支架的选型192.5.1 设计的原始条件192.5.2 影响架型选择的因素192.5.3 支架架型的确定202.6 液压支架基本参数的确定222.6.1 支架高度的确定222.6.2 支架伸缩比232.6.3 支架间距232.6.4 底座长度242.6.5 底座宽度242.7 四连杆机构的设计252.7.1 四连杆机构的作用252.7.2 支架四连杆机构的运动轨迹272.7.3 四杆机构之间的关系282.8 顶梁长度和宽度的确定292.8.1 支架工作方式对顶梁长度的影响292.8.2顶梁长度的计算292.8.3顶梁宽度的计算303 液压系统的设计323.1 液压支架的液压系统简介323.2 液压系统的设计方法333.2.1 立柱系统333.2.2 千斤顶系统393.3.3 活动侧护板控制方式413.3.4 液压系统的设计423.4 立柱的设计443.4.1 支护面积443.4.2 支护强度443.4.3 确定立柱的技术参数453.4.4 安全阀压力与立柱实际工作阻力的确定473.4.5 支护效率503.4.5底座接触比压513.4.6 立柱布置513.4.7立柱柱窝位置的确定523.5千斤顶的设计553.5.1推移千斤顶553.5.2平衡千斤顶的确定563.5.3推移千斤顶位置的确定604 乳化液泵站的设计624.1 乳化液泵站624.2 泵站液压系统634.2.1 乳化液泵644.2.2 乳化液箱654.3 乳化液泵站的元部件664.3.1 泵用安全阀664.3.2 自动即截阀664.3.3 减压阀674.3.4 过滤装置674.3.5 蓄能器674.3.6 自动配液装置685 总结69参考文献70致 谢71附 录72外文资料与中文翻译72Hydraulic system and hydraulic system of institutions72液压系统与液压系统机构801 绪 论1.1 课题的提出及研究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，从而对液压支架液压系统的要求也不同。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，并随之设计不同的液压系统。作为液压支架的动力源，液压支架液压系统的设计工作是很重要的。通过对液压支架及液压系统的理论学习，完成液压支架液压系统的设计工作，加深对液压支架液压系统工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架总体尺寸，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压系统的设计，加深对液压传动的理解及运用；并通过对液压元件的选型对各液压元件的性能做了进一步的了解。同样通过对液压支架液压系统的设计，能够更好的认识国内外液压系统的发展趋势和发现目前煤矿液压支架液压系统主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架液压系统打下良好的基础。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 。1.2 课题的研究现状1.2.1 液压支架的研究现状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。1.2.2 液压系统的发展现状1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。第二次世界大战(1941-1945)期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会”。近2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位近年来，我国的工程机械取得了蓬勃的发展，其中，液压传动技术起到了至关重要的作用。而且，随着液压传动技术的快速发展和广泛应用，它已成为下业机械、下程建筑机械等行业小可缺少的重要技术。然而，尽管液压技术在机械能与压力能的转换方而，已取得很大进展，但它在能量损失和传动效率上仍然存在着问题。因为，在液压系统中，随着油液的流动，有相当多的液体能量损失掉，这种能量损失不仅体现在油液流动过程中的内摩擦损失上，还反映在系统的容积损失上，使系统能量利用率降低，传动效率无法提高。高能耗和低效率又使油液发热增加，使性能达小到理想的状况，给液压技术的进一步发展带来障。因此，探索和研究高效液压传动技术，提高其综合性能就成为了液压技术领域研究的重点之一。液压传动技术由于自身所具有的一系列特点而被广泛用于各个领域。传统的液压系统所用的工作介质一般是石油型的，即通常所说的液压油。在一些具有特殊要求的应用场合如媒矿、冶金、航空、航海、海底石油开采等领域中使用的工作介质是非石油型的乳化液或合成液，如高水基液、水一乙二醇液、磷酸酯液等，通常是在水和基础液中加入各类添加剂，以使它们更适合于传统的液压系统使用。 近年来，由于不断增长的对液压系统的安全性、环保性以及可持续发展的要求，使得非石油型的工作介质正从水基液向自来水转变，水液压系统及元件的研究工作得到了迅速的发展。从经济性、环保性、难燃性、与生产环境的相容性以及可持续发展等各方面考虑，自来水是一种理想的工作介质。第一，它自身的成本较低，并且当同时考虑短缺成本（无）、处理成本（可忽略）和环境影响（可忽略）时，它的经济性就远远地高于其他的工作介质。第二，如果不采取特殊的泄漏控制技术，要消除液压系统中泄漏的威胁几乎是不可能的。在有些特殊的应用场合如食品、制药、制漆、木材加工、家具制造等行业使用的液压设备，泄漏的液压油很容易污染产品。使用自来水作为介质就避免了对环境和产品本身污染的危险。第三，在高温环境中采有非可燃性的自来水是非常安全的。第四，由于水实际上是不可压缩的，因此采用水作为介质就可以使一个控制系统的执行器实现更准确的定位。但水性能上的一些特点，如低黏性、高饱和蒸气压、较窄的工作温度范围等，又限制了它的应用范围。目前，正在研究将自来水直接用作工作介质，而不加入任何的添加剂。水的PH值、氯化物浓度、硬度、微生物含量等对水液压元件会产生一定的影响。随着在材料和元件设计、制造方面的技术不断进步，已使自来水成为一种最具潜力的、用途日益广泛的工作介质。 水液压系统的发展现状 适用于水的液压元件在设计、结构和材料方面，与使用传统的工作介质的元件有很大的不同。技术上的改进主要包括：(1)选择耐腐蚀的材料，如不锈钢、工程塑料、陶瓷、海军黄铜、各种复合材料等。(2)选择新的密封材料和设计新的密封方法。(3)各运动部件之间采用更小的设计和制造间隙。 目前，已有专为自来水液压系统设计的系列元件。这些元件的工作压力可达14MPa，流量范围15L/min140L/min，效率和使用寿命与大多数同类液压元件相当。这些元件主要有：(1)排量有480cm3/r共6种，额定压力为16MPa的轴向柱塞泵。(2)排量有412cm3/r共5种，最高转速可达400r/min，额定压力14MPa,输出功率将近8kW,而重量只有4.1kg的轴向柱塞马达。(3)压力范围1.514MPa，流量范围230L/min的各种控制阀。 有些水液压系统已经用手工业实际，丹麦SFK公司已经生产了一种用于肉类加工厂的手持式水液压锯，它主要包括一个排量为12.5cm3/r轴向柱塞泵和一个排量为5cm3/r、转速为4000r/min的轴向柱塞电机，系统压力为450r/min，最大输出功率3.7kW的气动电机驱动的，效率低、噪声大，并且排出的压缩空气膨胀后会在气动电机上形成霜冻。与它相比，水液压锯具有许多优点：(1)降低能耗81%。(2)噪声从90dB下降到72dB。(3)重量轻、无霜冻。(4)由于水液压马达的转速稳定使锯子切割能力更强，便用寿命延长1倍。(5)节省了大量的运行费用，实际使用结果显示，气动锯的年运行费用为11160美元，水液压锯的费用为3300美元。每套水液压锯每年可节省70%的费用。 美国的R.Howare Strasbaugh公司生产的用于半导体集成电路的加工设备中，就采用了水液压系统代替伺服电机和一套机械传动装置，将一只将有25个硅晶片、价格超过100万美元的盒子平滑精确地在电解槽中升降。 德国的著名汽车制造厂在焊接生产线上也采用了水液压系统。 水液压系统面临的挑战 水液压系统面临的挑战主要来自它的性能方面。如上所述，在几种介质中，自来水是最经济、最环保、最安全可靠、且符合可持续发展要求的工作介质。但由于水的低黏性使元件的容积效率较低。同时由于水的油膜强度较低，使水比油的润滑性差得多，并且水能腐蚀许多金属，导致金属表面剥落。 过去，解决这一挑战的方法是依靠加入增稠剂、水乳化润滑剂和抗磨剂等，来改善水的性能，使之能适用于普通的液压元件。但同时也产生了其他的问题，比如有些添加剂价格昂贵，有些有毒性，有些需很高的配套费用。很显然，这样的处理方法背离了使用水作为工作介质的最重要的理由。所以现在解决这一挑战的方法是设计与自来水相容的液压元件，而不是采用与普通的液压元件相容的乳化型或合成型工作介质。 今天的水液压元件克服的第一个障碍就是泄漏。通过设计制造零部件间隙极小的元件来减小内泄，可使元件在额定压力下的容积效率达到96%。水液压系统运行温度范围小的缺点对于减小内泄又变成了优点。如果系统运行温度变化较小，液压元件中各个零部件产生的热胀冷缩就小，这样可以通过控制零部件的尺寸达到较小的配合间隙。对于外泄，则采用特殊的O型圈和在泵、电机轴上使用特别设计的轴向座式密封件来消除。 另一个需要解决的问题是润滑。由于水是一种弱润滑剂，因此轴承材料的选择很关键，通过采用的是工程塑料和陶瓷。目前较新的材料是在一种高强度的塑料母体中掺杂高抗磨性的纤维。经过25万h的连续试验表明，新材料与不锈钢元件之间有较好的摩擦特性、机械强度和抗腐蚀性。 由于低黏度、高压差、小间隙的共同影响，在液压元件中流过的水流速度会很高，特别是当水中含固体颗粒时，可能导致泵、电机中的零件表面或阀的控制棱边被冲蚀。这个问题可以通过设计平滑的流道和采用高硬度的材料来解决。 由于水的饱和蒸汽压比油的高，从理论上讲，水液压系统更容易产生气蚀，气蚀一般发生在泵的吸油区和节流阀上。从元件考虑，可采用设计平滑的流道，在阀中设计特殊的形状等方法。从系统考虑，将泵放在水箱的液面以下，以提高自吸能力。 水在0时会结冰，是另一个性能上的挑战。某些环境温度也许降到0以下，这时水中就必须加入防冻剂。以前使用的防冻剂带有毒性，破坏了使用水液压系统的环保性、现在用无毒的丙二醇作为抗冻剂，由于丙二醇已被美国食品及药物检验局批准用于食品生产，因此采用它作防冻剂不会危及水液压系统的环保性。 在阀的结构设计上，由于上述内泄等原因，座式阀比滑阀更多地用于水液压系统。一般的球座阀中，球采用陶瓷材料，阀座采用了不锈钢，这样可提高阀的密封性。但不管怎样改进，球阀的启闭特性曲线均是非线性的。1995年在汉诺威国际博览会上展出的一种可用于水液压系统的新型的滑阀，有希望填补这一空白。该阀的阀芯与阀套都采用了工程陶瓷，为了减小配合间隙，最大的公差为2m。这一尺寸要求对于陶瓷的加工提出了新的挑战。当滑阀停顿时，给它加一个高频颤振信号，以防卡紧。另外，在设计上还考虑了适用于水的其他要求。这种新型的滑阀希望能够取代座式先导阀，这样液压控制系统的进出口参数可以用一个阀调节，而它的连续尺寸是与传统的液压元件一致的。 出于对环境保护和可持续发展的考虑，生产适用于水的液压元件和系统的厂商会不断增加，这不仅有益于环境保护，而且可以向用户提供多个可选择的传动方案。随着水液压系统的广泛应用，会使其价格下降，并使它们更具竞争力。今后水液压系统的发展趋势是不断地拓宽它的应用领域，开发新的水液压元件。水液压系统具有十分诱人的发展前景。1.3 论文的研究内容本毕业设计主要进行液压支架总体尺寸的计算，液压支架液压系统的设计和乳化液泵站的设计。第二章为液压支架的总体设计。进行了液压支架的选型，液压支架主要参数的确定，并对四连杆机构进行了计算和优选，确定了顶梁和底座的长度，从而得出液压支架的总体尺寸。第三章为液压支架液压系统的设计。主要进行了立柱和千斤顶的系统拟定，从而完成对液压系统的设计，并且对立柱进行了设计。第四章为乳化液泵站的设计。对乳化液泵站进行了系统设计，并完成泵站原件的选型工作。2 液压支架的总体设计2.1 液压支架的用途在回采工作面中，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。回采工作面内使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支柱和自移式液压支架。它们与采煤机和工作面输送机分别组成“普采”、“高档普采”和“综采”设备。本次设计是液压支架的液压系统。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。它使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械化。因而大大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。但液压支架对煤层地质条件高，初期投资较大。2.2 液压支架的组成和分类2.2.1 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和与围岩的作用关系“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。2.2.2 液压支架的分类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。(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) 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。(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。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 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。调高范围要大，照明和通讯方便。(7)支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定植。(8)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。(9)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 液压支架的工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实现完成的。如图2-3示(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接触顶板。(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。图2-3液压支架工作原理-顶梁 -立柱 -底座 -推移千斤顶 -安全阀 -液控单向阀 、-操纵阀 -输送机 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管(3) 支架和输送机前移支架和运输机的前移，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；当需要推运输机时，支架支撑顶板后，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，是活塞杆伸出，把运输机推向煤壁。支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图2-4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 式（2.1) 式中 -支架立柱的缸径，；-泵站的工作压力，；-支架立柱的数量。2-4支架的工作特性曲线由上式可知，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 式(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 式 (2.3) 式中 支架的支护面积，。2.5 液压支架的选型2.5.1 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。2.5.2 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1015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和20min以下时，暂不宜采用液压支架。(5) 设备成本在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。2.5.3 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。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。老顶级别直接顶类别12312312344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m10.2941.30.2941.60.29420.249应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区20.343（0.245）1.30.343（0.245）1.60.34320.34330.441（0.343）1.30.441（0.343）1.60.44120.44140.539（0.441）1.30.539（0.441）1.60.53920.539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%的波动范围。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。2.6 液压支架基本参数的确定2.6.1 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（2.4） 式（2.5）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所采煤层的厚度1.83.2m=3.2+0.2=3.4m=1.8+0.1-0.05-0.05=1.8m所以取支架高度为1.53.5m2.6.2 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（2.6）代入数据得: m=2.33。2.6.3 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（2.7）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。2.6.4 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。2.6.5 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。2.7 四连杆机构的设计2.7.1 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，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。 为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连杆机构的作用。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。这些特征是四连杆动作过程的必然结果。(1) 支架高度在最大和最小范围内变化时，如图25所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽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低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图25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，为有利于矸石下滑，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W0.3，则P16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使P25。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，使支架不能下降。一般取Q2530，在特殊情况下需要较小角度时，可提高后连杆下铰点的高度。 (3) 从图25可知，掩护梁与顶梁铰点e和瞬时中心点0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纽线向前凸的一段为支架工作段，如图25所示的h段。其原因为当顶板来压时，支柱让压下缩，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摩接力指向果空区。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少，防止啃底，有利于移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁的外负荷。图25四连杆机构参数图液压支架升降时，顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，既有顶梁与掩护梁的铰点E的轨迹所决定，其轨迹如图26所示：图26升降柱运动轨迹2.7.2 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。2.7.3 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