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机械毕业设计全套

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XYY01-040@ZY35002547型掩护式液压支架b,机械毕业设计全套

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中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设 计 姓 名： 周丹 学 号 ： 14030386 学 院： 应用技术学院 专 业： 机械工程及自动化 03-8 设计题目： ZY3500/25/47 掩护式液压支架 专 题： 指导教师： 舒凤翔 职 称： 讲师 2007 年 6 月 徐州 nts 中国矿业大学毕业设计任务书 学院 应用技术学院 专业年级 机自 03-8 学生姓名 周丹 任务下达日期： 20007 年 1 月 11 日 毕业设计日期： 2007 年 3 月 25 日至 2007 年 6 月 20 日 毕业设计题目： ZY3500/25/47 型掩护式 液压支架 毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求： 在已知支架形式、工作阻力和最大、最小支护高度的条件下，对支架进行结构设计。 做 出支架的总装配图，顶梁或底座的部件图， 并选取部分零部件作图。总图纸量不得少于 3.5 张 A0 图纸。说明书中要包含结构设计和部分零部件的校核，页数不得少于 50 页，字数不得少于15000 字， 并且说明书中必须包含表格，公式，不得出现纯文字的说明书 。 院长签字： 指导教师签字： nts 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语 （基 础理论及基本技能的掌握； 独立解决实际问题的能力； 研究内容的 理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点； 工作态度 及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 nts 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 （ 选题的意义； 基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等 ）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 nts 中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 （ 选题的意义； 基础理论及基本技能的掌握；综合运用所 学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等 ）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 nts 中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一般性错误 有原则性错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 nts 第 1 页 第一章 概 述 采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。 液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约 为 综采设备总重量的 80%-90%，其费用约占综采设备总费用的 60%-70%。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架 的研究。 1.1 支护设备的发展历史 煤矿支护设备是保证回采工作面正常生产和安全生产的重要设备之一，也是煤矿工作面使用规模最大、耗费资金最多的煤机产品。目前世界各国使用的煤矿支护设备主要是回采工作面单体支柱和回采工作面液压支架。 1.1.1 单体支柱的发展历史 20 世纪 50 年代出现了木支柱，它是一种古老而又简陋的支护材料，没有初撑力，也没有恒增阻降距，支撑力也无法保证，而且也浪费了大量的木材。 20 世纪 60 年代出现了单体金属摩擦支柱，与木支柱相比可节省大量木材，而且也可复用。但是它不能保证恒增阻降距。 20 世纪 80 年代出现了 DZ 型单体液压支柱，与前两种单体支柱相比可保证恒增阻降距，支撑力也能得到控制，但是由于这种支柱存在内泄露，因此存在严重的安全隐患。 1.1.2 液压支架的发展历史 液压支架的发展从 20 世纪 50 年代开始。 1954 年，英国研制出剁式支架。从此，开创了煤炭工业的新时代。 1958年法国试验成功了节式支架。 五十年代末，为开采煤层厚超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并与 1961 年在阿乐斯 -科拖举办的贸易展览会上展出了 OMKT 型掩护式支架。 比起剁式和节式支架， 掩护式支架能nts 第 2 页 有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。 60 年代末和 70 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。 进入 70 和 80 年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了 “立即前移支护 ”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。 1981年杜赛尔多 夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为 6m 的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。 1.2 我国液压支架的发展 1959 年 10 月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。 1961 年设计了 “本溪 - 型 ”支架，并制造出样机进行井下试验。 1965 年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。 1973 年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套 BZZ 垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。从70 年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所 共研制出 30 余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。 总之，我国液压支架是从 50 年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。 1.3 液压支架的用途、分类和结构 1.3.1 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。因此，液压nts 第 3 页 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。 1.3.2 液压支架工作状态及布置 图 1-1 所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。 A-A 截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（ B-B 截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（ C-C 截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（ D-D 截面），以便完成下一个动作过程。 随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。 图 1-1 液压支架在工作面布置示意图 1采煤机 2液压支架 3传送带输送机 4转载机 5刮板输送机 6主进液管 7主回液管 8乳化液泵 9乳化液箱 10端头支架 11单体液压支柱 1.3.3 液压支架的分类 液压支架分类方式很多，主要 按照支架 使用条件和结构特点 来分类。 1、 按使用条件分类 nts 第 4 页 表 1-1 详细表示了支架按使用条件分类情况。 表 1-1 按使用条件分类表 分类标准 具体分为 使用高度 厚煤层一次采全高支架（ 3.5m） 中厚煤层支架（ 1.3m h 3.5m） 薄煤层支架（ 1.3m） 使用倾角 缓倾斜工作面支架（ 25） 倾斜工作面支架（ 25 45） 倾斜工作面支架（ 45） 采煤工艺 放顶煤支架 机械铺（连）网支架 充填支架 使用地点 排头支架 端头支架 工作面支架 顺槽超前支架 2、按主要结构特点（表 1-2） 表 1-2 按主要结构特点分类 分类标准 具体分为 分类标准 具体分为 调高机构 四连杆式 控制方式 本架控制 单铰点式 邻架控制 摆杆式 成组控制和顺槽 控制 nts 第 5 页 配套方式 插腿式 组合方式 单架式 不插腿式 组合式 1.3.4 液压支架结构型式及特点 根据用途和在采煤工作面的安装位置，液压支架分为两大类，即端头支架和中间支架。 端头支架安装在采煤工作面两端与顺槽连接处。一般来说，它的顶梁较长，支护空间较大，具有较大的支撑力，并兼有支撑和锚固作用，其整体性和结构强度均较高。 中间支架安装在除端头支架以外的采煤工作面的全部作业位置。其作业是确保采煤工作面人员与设备的安全，并实现顶板管理与支护以及采煤作业过程机械化。液压支架的分类主要是对中间支架进行分类。 中间支架按其结构及与围岩相互作用方式可分为 :支撑式、 掩护式和支撑掩护式三大类，如图 1-2。后两类又统称为掩护型液压支架。 1.支撑式液压支架 支撑式液压支架是利用立柱与顶梁直接支撑和控制采煤工作面顶板的，没有掩护梁。其顶梁较长，立柱较多，一般呈垂直布置，联结着顶梁和底座，无法承受水平作用力，这是此种支架的最大弱点；靠立柱支撑顶梁来维持一定的工作空间；顶板岩石则在顶梁后部垮落。这类支架的特点是：具有较大的工作阻力和良好的切顶性能，通风面积大；采区防矸不严密；由于顶梁较长，对顶板重复支撑次数多；适用于老顶来压强烈的或直接顶稳定和坚硬的顶板。 2.掩护式液压 掩护式液压支架是利用立柱、顶梁、及掩护梁来支撑顶板和防止顶板岩石涌入工作面。其顶梁较短，立柱较少，一般呈倾斜布置，联结着顶梁和底座或掩护梁和底座；掩护梁直接与冒落的矸石接触，靠其掩护作用来维持一定工作空间；顶板岩石则在掩护梁后部垮落。掩护式液压支架的特点是 ： 调高范围大，适应煤层厚度变化的能力强， 由于掩护式液压支架的这些优点，目前它已经成为世界各主要产煤大国研制和使用的重点架型。 nts 第 6 页 图 1-2 液压支架结构型式 a) 支撑式 b) 掩护式 c) 支撑掩护式 1前探梁 2顶梁及其侧护板 3掩护梁及其侧护板 4前连杆 5后连杆 6底座 7立柱 8推移千斤顶 9平衡千斤顶 10操纵阀与控制阀 11护帮机构 12护帮千斤顶 13前梁千斤顶 14挡矸帘 3.支撑掩护式液压支架 它利用支撑和掩护的双重作用来维持一定的工作空间。这类支架的特点式：立柱较多，垂直支撑或立柱倾角较小，工作阻力大，切顶性能较好；采用掩护梁，架间密封，挡矸掩护性能好；采用四连杆机构，能承受侧向力；适用范围较宽 。 1.4 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，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图 1-3所示。 nts 第 7 页 PO923468117121015图 1-3 液压支架工作原理 1-顶梁； 2-立柱； 3-底座； 4-推移千斤顶； 5-安全阀； 6-液控单向阀； 7、 8-操纵阀； 9-输送机； 10-乳化液泵； 11-主供液管； 12-主回液管 1.4.1 支架升降和推移 当操纵阀 8处 于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀 8、液控单向阀 6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 8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。 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀 7和推移千斤顶 4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀 7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 4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。 1.4.2 支架的承载过程 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。 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。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。 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nts 第 8 页 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。 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称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。 1.5 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。 1.5.1 支架的组成 液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系一般分为三大类，即支撑式、掩护式和 支撑掩护式。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。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。 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、喷雾装置等。这些 装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。 1.5.2 液压支架的支护方式 综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。 3 个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的 3种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。 1、即时支护 nts 第 9 页 一般循环方式为：割煤 移架 推溜。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。 2、滞后支护 一般循环方式为：割煤 推溜 移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。 3、复合支护 一般循环方式为：割煤 支架伸出伸缩梁 推溜 收伸缩梁 移架。复合支护的特点是，支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。 1.6 采煤工作面液压支架设计要求 为了满足长臂工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求： 1.能有效的控制顶板。具体有这些要求 ： 能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架 。 2.保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明 、通讯、防尘、防火 。 3.应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化 。 4.能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修 。 5.最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。 1.7 本文所做的主要工作 毕业设计名称： 掩护式 液压支架设计 参数如下： （ 1） 要求工作阻力 350t； （ 2）最小采高 2.5m； （ 3） 最大采高 4.7m。 本次设计主要工作如下：四连杆机构的设计 、各个结构件的结构设计、各结构件的受力分析及强度校核及支架 发展趋势 。 nts 第 10 页 第二章 液压支架整体结构尺寸设计 2.1 支架高度和支架间距的确定 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比 一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。 由于我国急斜煤层煤层厚度都比较大，煤层厚度在 20 80m 之间，所以按厚煤层高度的确定原则来确定该放顶煤液压支架的高度。 max maxH =M（ 200 300） （ 2-1） min minH =M （ 300 400） （ 2-2） 式中：maxH 支架最大高度（ mm） ； minH 支架最小高度（ mm） ； maxM 最大采高（ mm） ； minM 最小采高（ mm） 。 本 设计最大 采高maxM 4500mm,取支架最大高度 maxH 4500 200 4700mm 本 设计最小 采高 minM 2800mm,取支架最小高度 minH 2800 300 2500mm 支架 最大高度 与最小高度之差为支架的调高范围。 支架的伸缩比 指其最大高度与最小高度之比值。即： maxminHm=H (2-3) 代入有关数据，得 m=25004700=1.88 2.1.2 支架间距和宽 度的确定 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： c m 3b = B + n C（ 2-4） 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 nts 第 11 页 n =1；整体迈步式支架 n =2；节式迈步支架 ， n =支架节数。 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。 大采高支架为提高稳定性中心距可采用 1.75m,轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用 1.25m。 本次设计 取 支架的中心距为 1.5m。 支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170mm 200mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为 1400mm,最大宽度为1570mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取 170mm。 2.2 底座长度的确定 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；保证支架的稳定性等。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，支撑掩护式支架的底座长度取 4倍的移架步距，即 2.4m 左右。在 这里取底座长度为 2.5m。 2.3 顶梁长度的确定 根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度 。 2.3.1 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 有 很大影响。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 。这里，采用 滞后 支护方式。 nts 第 12 页 2.3.2 顶梁长度计算 掩护式 支架顶梁长度计算 顶梁长度 =配套尺寸 +底座长度 + 1cosAQ （ ）-1G cos P （ ）+300+e +掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（ mm） (2-5) 式中 配套尺寸 参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定； 底座长度 底座前端至后连杆下铰点之距 e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离； 1Q 、 1P 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。 2800634450经计算的支架顶梁长度为 3000mm. 2.4 四连杆机构的确定 2.4.1 四连杆机构的作用 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nts 第 13 页 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。 2.4.2 四连杆机构设计的要求 1.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 2-1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，P 52 62， Q 75 85；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 W =0.3，则 P =16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使P 25为宜。而 Q 角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连 杆，使支架不能下降。一般取 Q 25 30，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中可知，掩护梁与顶梁铰点 e 和瞬时中心 O之间的连线与水平线夹角为 。设计时，要使 角 满足 tan 0.35 的范围，其原因是 角直接影nts 第 14 页 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，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。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。 从以上分析可知，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。 2.4.2 四连杆机构的设计 四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计鉴于各种方法的优缺点，采用了 几何作图法 的方式来求解。 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之距。 一般按同类型支架用类比法来确定 。 取掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为200mm， 取后连杆下铰点至底座底面之距为 240mm。 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 2-3所示 e1hPQoe= 30图 2-1 四连杆机构几何特征图 nts 第 15 页 e图 2-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 图 2-3 掩护梁和后连杆 计算图 其中 ： 一掩护梁长度， 后连杆长度， 2L e 点引垂线到后连杆下铰点之距， 1H 一支架最高位置时的计算高度， 2H 一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 : 211 co sco s LQAPG (2-6) 222 co sco s LQAPG (2-7) (2-6)式和 (2-7)式联立可得 ： 1212 coscos coscos QQ PPGA （ 2-8） nts 第 16 页 说明： 支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至 顶梁顶面之距和后连秆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 Pl、 P2、 Ql、 Q2 代入 (2-8)式，可以求得 A/G的比值。由于支架型式不同，一般 A/G的比值按以下范围来取。 掩护式支架： A/G 0.45-0.61 支撑 掩护式支架： A/G 0.61-0.82 支架最高位置时的计算高度为： 111 s ins in QAPGH （ 2-9） 根据 A/G的比值和 (2-9)式可以求得掩护梁的长度 G和后连杆长度 A， 经过取整后 ,重新算出 P1、 P2、 Q1、 Q2的角度，这几个参数就确定了。 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尺寸，具体作法如图 2-4 所示。 图 2-4 四连杆机构的几何作图法 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200250mm。 (2)过 O点作与底座底面平行的水平线 H H线。 (3)过 O点作与 H H线的夹角为 Q1的斜线。 (4)在此斜线上截取线段 oa ， oa 长度等于 A， a 点即为后连杆与掩护梁nts 第 17 页 的铰 点。 (5)过 a 点与 H-H 线的平行线有交 角 1P 的斜线，以 a 点为 圆 心，以 G 为半径作弧交此斜线一点 e ，此点为掩护梁 与顶梁的铰点。 (6) 过 e 点作 与 H-H 线的平行 的 F F 线 ，则 H H 线与 F F 线 的 距商为 H，为液 压 支架最 高 位置 时 的计算高度。 (7)以 a点为 圆 心，以 (0.22-0.3)G 长度为半径作 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 F F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 e 。 (10)取 ee 线中间某 一点 e ，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 )。 (11)以 o点为圆心， oa 半径作圆弧。 (12)以 e 点为圆心，掩护梁长 ae 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 e 点为圆心，掩护梁 长 ae 为半径作 弧 ，交最前面 圆 弧上一点 a ，此点为 支 架降到最低位置时，掩护梁与后 连杆 的 铰 点。 (14)连 接 ae 、 ae ， 并以 a 点为圆心， ab 为半 径作弧 ，交 ea 上一点b 点；以 a 点为圆心， ab 长为半径作弧，交 ae 上一点 b 点。则 b、 b 、 b三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。 (15)连接 oa 、 oa 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 bb 和 bb 的垂直平 分线，其 交 点 c即为前连杆下铰 点， bc 为前连杆长 度。 (17)过 c 点 向 H-H 线作 垂 线， 交点 d,线段 oa 、 ab 、 bc 、 cd 、 do 为液压支架四 连杆机构。 nts 第 18 页 第三章 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。结构件的端面尺寸，应进行强度校核，满足要求才能投入生产使用。 3.1 顶梁 3.1.1 顶梁的 主要作用 （ 1）用于支撑 、 维护 和覆盖 顶板 ，为工作面创造安全的工作空间； （ 2） 将立柱的支撑力传递至顶板，并给予合理地分布；对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用；对无立柱空间的顶板起支撑作用； （ 3）为护帮、防倒装置 等提供依托； （ 4）将顶板载荷通过立柱经底座传到底板 。 图 3-1 顶梁的结构型式 1 前梁； 2 后梁； 3 尾梁； 4 前梁千斤顶； 5 前梁伸缩千斤顶 nts 第 19 页 3.1.2 结构型式 H 型组合支架的顶梁在设计过程中，参考了支撑式支架顶梁的结构型式。其结构型式如图 3-1 所示。 图 3-1 a 为整体刚性顶梁，顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好。但对顶板的适应性差。图 3-1 b 为铰接式顶梁，由前梁和后梁铰接而成，分别由前、后排立柱支撑。其中图 3-1 b 为全铰接式，它能适应顶梁上方前、后顶板的变化，但 当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半铰接式顶梁如图 3-1 c 所示，它克服了全铰接式的缺点，当顶梁中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于交接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。 图 3-1 d 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。 为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增加尾梁 3，如图 3-1 e 所示。 图 3-1 f 为带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶 5 使前梁 1 伸缩。由于前梁可以及时伸出支护刚暴露的顶板，从而允许固定顶梁减少长度。也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。 为了使支架结构简单，而且具有更好的支护能力。本支架采用图 3-1 f所示的结构 。 3.1.3 顶梁结构和断面形状 各类顶梁都为箱式结构，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。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂矸帘之用。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，掩护式支架和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。 按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构形式： （ 1） 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 3-2 所示。 一种为立筋凸出型，如图 3-2 a 所示，增加了焊接强度；另一种为立筋凹下，焊接后使顶梁平整，但焊接强度如前一种，如图 3-2 b 。 （ 2） 开式顶梁 开式顶梁结构如图 3-3 所示。 nts 第 20 页 图 3-2 顶梁闭式立筋型式 图 3-3 顶梁开式立筋型式 开式顶梁的特点，可 减轻顶梁重量，增强顶梁的抗弯强度。 对于掩护式和支撑掩护式支架，为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 3-4 中 a，同时也增强了顶梁的结构强度。 图 3-4 顶梁断面 本设计中的 支架 顶梁的型式如图 3-5 所示。 nts 第 21 页 图 3-5 支架的顶梁 1 护帮 ； 2 铰接轴； 3 伸缩梁 千斤顶 ； 4 顶梁 3.2 顶梁侧护板 支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。 3.2.1 侧护板的 主要作用 （ 1） 挡矸。可改善顶梁与掩护梁的护顶、防矸性能，隔离控顶区与采空区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘； （ 2） 导向。在 支架移架时起导向作用 ； （ 3） 防倒、调架。活动侧护板增强了支架侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用。 3.2.2 侧护板的种类与选择 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侧护板。由于固定侧护板与梁体焊接在一起，可节省原梁体的侧板，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护板。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。 另一种是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。 ZY3500/25/47 型液压支架采用的是第一 种 形式的 侧护板。 3.3 底座 3.3.1 底座的 主要作用 nts 第 22 页 （ 1）承受由立柱与连杆等传递的顶板载荷，并传递给底版； （ 2）是整个支架结构稳定性、整体性的基础； （ 3）为支架辅助件，例如推移装置、防倒防滑、操纵阀架等提供依托与根基； （ 4）有一定的挡矸与排矸能力； （ 5）便于人员操作与行走； （ 6）与工作面输送机等组成交替前移的支撑点，防止支架与输送机下滑。 3.3.2 底座的结构型式、特点与选择 支架底座结构型式通常有三种类型，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。 此处选择 底分式刚性底座 ，如图 3-6 所示。 底分式刚性 底座 能在一定范围内适应底板不平度的变化 ， 通常把底座制成左右对分式， 用过桥连接。 图 3-8 底分 式刚性底座 1 过桥； 2 柱窝； 3 前连杆位置 ； 4 后连杆位置 3.4 推移装置 液压支架推移装置是保证支架正常推溜和拉架，实现工作面正常循环作业的重要装置。 在设计支架时，应根据支架结构和配套要求合理选择推移装置的形式，nts 第 23 页 并充分保证支架推移装置对工作面条件和配套的适应性。 推移装置的型式如表 3-1 所示 表 3-1 推移装置 千斤顶的型式 型 式 特 点 适用条件 普通式 普通活塞式双作用千斤顶可为外供液式，也可为内供液式 1、目前已很少直接用作推移装置，而多与反拉框架 一起使用，应用较广 2、 外供液式结构简单，应用广泛 差动式 千斤顶结构仍为普通型式，利用交替阀的油路系统，使其减小托输送机力 用于直接拉架的方式，目前应用较少 浮动活塞式 千斤顶活塞可在活塞杆上滑动，使环腔供液时拉力与普通千斤顶相同 ； 但在活塞腔供液时，使压力 的 作用面积仅为活塞杆 断 面积， 从而 减小 了 推输送力 1、 广泛用于直接拉架方式 ，与短推杆等导向件一起使用 2、 动作时间有一定滞后，但一般不影响使用 推移装置一般由推移千斤顶、推杆或框架等导向传力杆件以及连接头等部件组成，其功能 、连接型式见表 3-2。 表 3-2 推移装置的功能与主要连接型式 nts 第 24 页 功 能 1、 将输送机推向煤壁，保证作业循环 2、 将液压支架拉向煤壁方向，及时支护顶板 3、 框架或推杆与底座导向通道共同作为支架、输送机移动时的导向，起一定的防滑作用 连接型式 1、 直接连接 一端固定在支架底座（一般位于支架纵轴线上），另一端固定在输送机或输送机底托架上。此时移架和推输送机都用一个推移千斤顶 2、 移步横梁间接连接 在推移装置与输送机之间加一个移步横梁、千斤顶仅与移步横梁连接。这种方式减少了支架与输送机之间的约束和影响、比较机动，但结构复杂 3、 相邻支架或支架节连接 这种方式一般用于 节式或各种类型的组合迈步支架。移架千斤顶位于主副架之间，多数分别与两者的底座相连，称为下移架机构。少数为顶梁之间相连，称为上移架机构。移架与推溜各用不同的千斤顶。推输送机千斤顶两端分别同支架与输送机相连，但数量可以减少，如 56m 布置一个 推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆两种。短推移杆式推移装置一般采用浮动活塞式千斤顶或采用双作用千斤顶差动连接。这种推移装置结构比较简单、紧凑。 ZY3500/25/47 型液压 支架所采用的推移装置为： 浮动活塞式 千斤顶加短推杆；连接方式为：直接连接。这里采用 的短推移杆，如图 3-7 所示，结构简单可靠，重量轻，被广泛采用。 支架推输送机的力应不大于输送机的设计推力，拉架力一般应为支架重量的 2-5 3 倍。支架移架速度应与采煤机截割牵引速度相适应。 nts 第 25 页 图 3-9 短推移杆 1 连接头； 2 短推杆； 3 推移千斤顶 3.5 立柱 的设计 本支架主要对立柱的设计进行详细的说明，其余的千斤顶如推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶等都采用相关手册上的标准型号和尺寸，故不再详细叙述。 立柱是支架的承压构件，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。 3.5.1 立柱的类型 立柱的种类很多，按不同的分类方法有不同的类型。详细分类见表 3-3。 表 3-3 立柱的分类 分类方法 类型 按动作方式分 单作用和双作用 按结构种类分 活塞式和活柱式 按伸缩方式分 单伸缩和双伸缩 3.5.2 立柱的结构 立柱的结构由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。 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nts 第 26 页 活塞的 密封表面，所以要求很高的加工精度。 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。 活塞可以套在活柱上，或直接焊接在活柱上。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做导向环。 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 型橡胶圈压制而成的整体实心密封圈，它和两个 L型防挤圈一起使用，适用于工作压力 19.6 58.8MPa，在压力小于 24.5MPa时，可以不加挡圈。它可用于各种活塞上的双向密封。 蕾型密封圈是一个 U 型夹布橡胶圈和唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈。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 58.8MPa 时，可以不加挡圈。 以上两种密封圈的使用，简化了活塞结构，装配方便，但密封圈本身加工较复杂。 活塞的轴向固定方式由三种：用螺帽加防松螺钉固定；用压盘和螺钉固定；用半圆环加弹性挡圈固定。 活柱和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等载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用 27SiMn 或 45 号钢制成。为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。 缸口用钢丝挡圈固定，是在导向套外侧装有钢丝挡圈，内侧装有密封圈和防尘圈。这种结构简单，装卸方便，但要求活塞杆外径与缸体内径之间有nts 第 27 页 比较大的空间，这种固定方式使用较多。 固定钢丝和钢丝挡圈的连接方式，不能耐高压。当密封液体压力较高时，可采用半圆环结构连接方式。 图 3-10 双伸缩 活塞式 立柱结构 1 底座； 2 进出油口 ； 3 缸体 ； 4 二级缸 ； 5 活柱； 6 密 封件； 7 活塞 3.5.3 立柱的设计及强度校核 1、 确定立柱的技术参数 立柱的缸体内径按下式进行计算： 140 4 0 1 7 1 5 2 3 . 3 ( c m )40daFDP （ 3-1） 圆整为： 230 m meD 式中 dD 立柱缸体内 径， cm 1F 立柱理论支护阻 力， kN aP 安全阀调定压力， MPa 2、 立柱初撑力与泵站的额定工作压力 立柱初撑力按下式进行计算： nts 第 28 页 2 1 ( k N )40 e bDPP （ 3-2） 式中 bP 泵站的额定工作压力bPMPa 减去从泵站到支架沿程压力损失后的值， MPa （泵站额定工作压力bP即泵站产品目录中给定的值。）这里 bP取 32MPa 。 目前国内生产的2XRBB型乳化液泵站的额定工作压力为 20MPa 和35MPa 两种，这里按照液压支柱选取 20MPa 作为泵站额定工作压力。 因此， 2 2123 1 8 1 4 1 . 3 7 2 ( k N )4 0 4 0ebDPP 3、 安全阀与立柱工作阻力的确定 安全阀的调整压力 aP，按选定后的立柱缸体内径eD和支架承受的理论支护阻力1F来确定。即： 12240 4 0 1 7 1 5 4 1 . 2 ( M P a )23aeFP D （ 3-3） 选取与 aP值相近的安全阀，这里选 40MPa 。 4、 立柱缸体壁厚的确定 缸体材料选用 27SiMn 无