机械毕业设计15ZF4800放顶煤液压支架设计

中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 1 第一章 概 述 1.1 液压支架对现代煤矿生产的意义 综观采煤机械化发展的历史，液压支架是现代煤矿实现采煤、运输和支护等所有工序全部机械化，即采煤综合机械化中最后一个实现技术突破的环节，这固然有其技术和经济上的原因，但也充分说明液压支架对与现代煤矿的生产具有举足轻重的意义。 （ 1）液压支架的架型、参数和结构等都与采煤工艺、煤层赋存条件，尤其是与煤层顶底板的特性等直接相关，因而针对性强、不确定因素多，对适应性和可靠性要求高。 （ 2）液压支架不仅用于支护工作面顶板，同时又与采煤运输等设备紧密关联，提供空间 、相互推移、协调作业等等，而且与采煤、运输设备相比，因故障而拆除更换支架十分困难，因而液压支架的性能对于工作面设备的总体配套乃至实现高产高效等都至关重要。 （ 3）液压支架为工作面人员提供安全的作业空间、行人通道，对保证工作面安全生产具有重要意义。 （ 4）液压支架的数量多、重量大，在工作面所有设备中，无论以总购置费用还是总重量来说，一般都要占到 50%60%左右，因而资金投入与回报率，以及与此相关的工作面设备的运输、搬家等方面都是必须考虑的最重要因素之一。 1.2 我国液压支架的发 展现状及存在问题 随着工业的发展，对煤炭需求量的日益增长，要求人们改进回采工艺，提高采煤机械化程度。 20 世纪 70 年代我国先后研制出垛式、节式、掩护式和支撑掩护式支架，同时集中对支架阀类、立柱、密封件、高压胶管进行研究攻关，从无到有使我国支架实现了“顶得住，走得动”的基本要求； 80年代国内通过对国外支架技术的消化吸收，从设计，制造，使用等各方面对中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 2 支架的架型，工作阻力，结构和控制系统进行了研究探索，自主开发了适应不同地质条件和采煤方法的各种不同的液压支架。 90 年代我国液压支架的CAD 优化设计、手动快速移动和大流 量供液系统，高可靠性支架研制成功，为高产高效提供条件。尤其放顶煤支架渐趋成熟，使我国放顶煤技术达到了国际领先的水平。高产高效综采技术的核心是工作面综采设备，多年来，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。我国液压支架从无到有，逐步完善。随着我国煤矿集约化程度的提高，工作面单产、效率和安全越来越成为煤矿生存和发展的关键，因而液压支架必将逐步向高工作阻力、高可靠性、架型和结构简单（如两柱掩护式和四柱支撑掩护式及整体顶梁）、 加大中心距等方向发展。电液控制支架是液压支架发展的必然趋势，也是实现工作面自动化的必由之路。 我国综采技术发展中存在的问题： （ 1）我国煤层赋存条件复杂，老矿井受生产系统制约，综采效率难以发挥。我国大部分矿井井型较小，生产系统不适应集中生产的要求。巷道端面小，支护质量差，掘进设备落后，进度慢，运输系统环节多，辅助运输落后。工作面长度、采煤机截深、采区长度等工作面参数都比较小。 （ 2）职工队伍素质差，许多综采队以农民轮换工为主，文化基础差，队伍不稳定。管理水平低，管理模式落后，管理层次多，扯皮现象严重。 （ 3）煤炭企业普遍经济效益较差，负担重，技术改造任务难度大，资金投入严重不足，以致发展后劲不足，一些矿井没有设备更新能力，机械化出现倒退局面。 1.3液压支架选型背景 根据国内外使用液压支架的经验证明，支架架型的选择主要决定与矿山地质条件，特别是顶板的性质，它直接影响支架的架型和工作阻力。随着高产高效矿井的建设，煤炭开采工艺及装备水平不断提高，综采放顶煤技术，中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 3 在全国得到迅速发展和广泛普及。集团公司针对各矿井下煤炭储量及采掘面地质条件实际情况，有的放矢的加大综采设备资金投入及设备的更新改型设计。近几年来，按照集团 公司安排部署，我厂先后开发了 ZFQ2900 支架、ZF3700/16/26 型支架，在付村和柴里、新安三煤矿得到广泛赞誉，并创出了非常可观的经济效益，为轻型支架在我集团公司各矿的推广使用打下了基础。与此同时，针对放顶煤支架在井下的适用条件，结合付村矿某工作面煤层厚度，我厂计划在制造轻型放顶煤支架的基础上研制承载能力更大、支护强度更高的新型支架。这就是本课题的设计初衷。 1.4综放开采的技术经济优势 近年来综放开采之所以成为我国高产高效矿井建设的重要技术途径，是因为这种采煤方法不但符合我国国情，而且它在技术上较厚 煤层分层开采和单一煤层综采有明显的技术和经济优势。 （ 1）综放开采实现了缓倾斜特厚煤层的一次采全厚开采和急倾斜特厚煤层的水平分段开采，对地质条件的适应性较分层综采和单一煤层综采更强。适应于煤层厚度变化大、顶底板起伏不平、断层构造多以及其他地质条件变化的不稳定煤层。 （ 2）综放开采一次开采厚度大幅度增加，煤层开采强度加大，实现了垂直集中生产，而且低位放顶煤支架工作面有两个出煤点，在同样工作面长度和工作面推进速度的情况下，综放开采较分层综采和单一煤层综采工作面的单产可以成倍的增长。 （ 3）综放开采较分层综采的巷 道掘进率低，工作面寿命长，搬家次数少，吨煤设备投入费用少；工作面材料、电力等消耗少，因而工作面直接成本大大降低。据部分矿区统计，综放开采的吨煤成本可比分层综采的成本降低 10元 /t 以上，因而矿井的经济效益可以明显提高，不少矿区都是靠综放开采实现扭亏增盈的。实践证明，综放开采是一种高产、高效、安全、低耗、经济效益好的采煤方法，已成为我国高产高效矿井建设的重要技术途径。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 4 第二章 支架 选型设计 主要结构参数和形式的确定 2.1 液压支架的工作原理 液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液 泵站提供的高压乳化液，通过液压控制系统控制不同的液压缸来实现的。每架支架的进、回液管路都与连接泵站的工作面主供液管路并联，全工作面的支架共用一个集中的泵站作为液压动力源。工作面的每架支架形成各自独立的液压系统，其中液压单向阀和安全阀均设在本架内；操纵阀可设在本架内，也可装在相邻支架上，前者称为“本架操作”，后者为“邻架操作”。 图 2-1 工作原理图 液压支架的工作过程如图 2-1所示：将操纵阀 8置于上阀位（升架位置），由乳化液泵站 10来的工作液体经操纵阀 8和液控单向阀 6进入 立柱 2下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧在顶底板之间。当操纵阀 8置于下阀位（降架位置）时，工作液体进入立柱上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。支架的移动和推移输送机是靠操纵阀 7控制推移千斤顶实现的。推移千斤顶的两端分别与支架的底座 3和输送机 9相连接。移架时，先使支架卸载，立柱下腔回液，再将操纵阀 7 置于下阀位（移架位置），工作液体进入推移千斤顶活塞杆腔，后腔回液，此时，支架以输送机为支点前移。此中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 5 后，再把支架撑紧在顶底板之间。将操纵阀 7 置于上阀位（推溜位置），工作液体进入推移千斤顶活塞腔，前腔回 液，此时以支架为支点就将输送机推向煤壁。 2.2 液压支架基本参数的确定 液压支架是放顶煤综采的关键设备，合理确定放顶煤液压支架的基本参数，对充分发挥综采设备的效能影响很大。 2.2.1 中心距和宽度的确定 支架中心距一般等于工作面一节溜槽的长度。我国液压支架中心距大部分采用 1.5 m。大采高支架为了提高稳定性一般采用 1.75m，轻型支架的中心距采用 1.25m。为了保证支架的运输、安装、调架，支架顶梁装有活动侧护板，侧护板行程一般为 170 200mm。中心距在 1.5m 时最小宽度一般取1400 1430mm，最 大宽度一般取 1570 1600mm。 此支撑掩护式放顶煤液压支架支护宽度最小取 1430mm，最大宽度取1600mm。 2.2.2 高度的确定 综放工作面机采高度主要由煤壁的稳定性、采煤机生产能力及顶板管理状态所决定，一般控制在 2.5m 左右。对于高产高效工作面，为了提高工作面的推进速度，并考虑割煤速度通常大于放顶煤速度的情况，可根据煤层的厚度、顶煤冒放性以及工作面通风和液压支架后部空间合理的要求确定综放工作面的机采高度，一般取 2.8 3.2m。已知煤层最大采高 3.3m，最小采高1.95m，取伪顶冒落的最大厚度 为 0.2m，顶板周期来压时的最大下沉量、移架时支架的下降量、顶梁上及底座下的浮矸厚度之和为 0.25m。 支架最大结构高度 1maxmax SMH （ m） （ 2-1） 5.32.03.3m a x H （ m） 支架最小结构高度 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 6 2mi nmi n SMH z （ m） （ 2-2） 70.125.095.1m in zH （ m） 式中 ，minmax MM 、分别为煤层最大、最小采高， m； S1 为伪顶冒落的最大厚度，一般取 0.2 0.3m； S2 为顶板周期来压时的最大下沉量、移架时支架的下降量、顶梁上及底座下的浮矸厚度之和，一般取 0.25 0.35 m。 支架伸缩比 06.27.1 5.3m inm a x2 zZHHk2k 反映了对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，支架对煤层厚度变化S1 为伪顶冒落的最大厚度，一般取 0.2 0.3m；的适应能力就越大。由于 2k 大于 1.6，因此需加机械加长段或采用双伸缩立柱； 2k 小于 1.6 时，采用单伸缩立柱。 2.2.3 梁端距和顶梁长度的确定 梁端距是为了避免割顶梁而留的安全距离，支架高度越大，梁端距也越大。采用即时支护时，一般大采高支架梁端距应取 350 480mm，中厚煤层支架梁端距应取 280 340mm，薄煤层支架梁端距应取 200 300mm。根据此液压支架的高度及与其配套的综采设备尺寸，确定此支架的梁端距为260 364mm。 顶梁长度受支架型式、配套采煤机、刮 板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素的制约。如图 2-1 所示 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 7 图 2 2 液压支架尺寸关系 选支架采用即时支护方式，取梁端距为 320mm，即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜，它的特点是，顶板暴露时间短，适用于各种顶板条件，也是我国目前应用最为广泛的支护方式。 根据公式（ 2-3）初步确定顶梁长度 )(01513 dnEA CLLXLLL （ 2-3） 2583+2325-348+110 （ 380 0） 4290（ mm） 式中： LA：为刮板运输机与采煤机的配套尺寸； L15：为底座长度，初步设为 2325mm； XE：为顶梁与掩护梁铰接点相对与后连杆下铰点的水平距离， 设为 348mm； L0：为顶梁与掩护梁铰接点后段的水平尺寸，设为 110mm； Ln：为梁端距，设为 380mm； Cd：为采煤机截深；当采用即时支护时 Cd 0， 当采用滞后支护时 Cd等于采煤机截深。 2.3 液压支架技术特征参数的确定 2.3.1 技术参数的确定 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 8 根据液压支架的选型背景有关内容，结合矿区实际，参照液压 支架技术等资料，分别算出放顶煤液压支架的各项技术参数如下： （ 1） 支护强度 支护强度是液压支架最主要的技术参数之一，它的实质是代表液压支架对顶板的支护能力。支护强度主要取决于工作面顶板条件、煤层埋藏深度和采高等因素。放顶煤支架支护强度的确定与普通支架支护强度的确定由较大的区别。实践证明，放顶煤工作面来压强度一般要低于普通综采工作面的来压强度。放顶煤液压支架支护强度的确定方法还不够成熟，在介绍的两种方法中，有一种为“参照相同条件确定放顶煤支架支护强度”，根据以往在付村矿、新安矿同一煤层中使用的 ZZP4800 型放顶煤液压支架的支护强度，可以取本支架的支护强度为 0.75MPa 。 （ 2） 支架工作阻力和初撑力的确定 液压支架的工作阻力即为支架的合力，是支架的主要参数之一，它代表了支架的支承能力。由确定的支护强度，根据配套尺寸确定支架的顶梁长度和控顶距，可算出支架的工作阻力。 P=SDKz BLLq 310)( =85.0 1050.1)29.331.0(75.03 =4765（ N）（ 2-1）式中 P 支架的工作阻力（ N）； zq 支架的支护强 度（ MPa）； KL 控顶距 （ m）； DL 顶梁长度 （ m）； B 支护中心距 （ m）； S 支架的支护效率 。 为支撑效率；支撑式支架的支撑效率为 100 ；掩护式和支撑掩护式支架，由于顶梁与掩护梁铰接，立柱有倾斜，支撑效率小于 1，初选支架时可取 80左右。此支架支撑效率取 85。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 9 该支架立柱的总 工作阻力取为 4800KN。每根立柱的工作阻力为1200KN。 支架支撑时主动支撑顶板的力即为支架的初撑力。初撑力的大小由立柱的缸径、数量和泵站压力所决定。放顶煤液压支架的初撑力应控制在工作阻力的 60% 80%。对于比较硬的顶煤，初撑力可取上限，有利于顶煤的破碎放煤；对于顶板较软的工作面，不需要过高的初撑力来平衡顶煤的早期运动。初撑力过大，一方面支架在移架过程中反复支撑顶煤，容易使顶煤更加破碎，造成顶板提前没落；另一方面，过大的初撑力常大于实际顶煤对支架顶梁的压力，造成不必要的浪费。 3 9 4 41044.31204104 2222 npDp bc （ KN） 式中：cp为支架初撑力， N； D 为立柱缸体内径， cm； Pb 为泵站额定工作压力， MPa； Z 为支架的立柱数。 （ 3） 移架速度 支架移架速度 Vz 可按下式估算： AQk QVibz )(（ 2-7） 式中： Qb泵站流量， l/min Qi为一架支架全部立柱和千斤顶同时动作所需的液体容积， L A支架中心距， m Kx泄漏损失系 数一般取 1.1 1.3，且工作面回采期间留有底煤，因此，回为保证高产高效工作面采煤机连续割煤，整个工作面的移架速度不应小于采煤机连续一刀平均割煤速度。即要求： Vz KzcVc （ 2-8） 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 10 式中： Kzc采支速度比 考虑首采工作面地质、地压等方面条件，结合综放工作面采煤经验，在全面分析、计算的基础上，确定该工作面的支护强度不低于 0.68MPa。由支护强度和综采设备配套尺寸，推算出支架工作阻力为 4800KN，初撑力为3944KN，支护强度为 0.68 0.75MPa,支架外形尺寸（长宽高） 6526 1430 1700mm。 2.3.2 低位放顶煤液压支架的特点和适应性 低位放顶煤液压支架是一种双输送机运煤、轻型放顶煤支架。在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁，可以上下摆动 45，同时松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的插板，用以放煤和破碎大块煤，具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背损失，采出率高，适应性强。在急倾斜煤层和缓倾斜中硬煤层、三软煤层放顶煤综采中都取得了成功，是目前我国广泛使用的放顶煤液压支架架型 。 2.3.3 液压支架主要技术指标 （ 1）架型：四柱支撑掩护式低位放顶煤液压支架 （ 2）最小 /最大高度： 1700/3500mm （ 3）最小 /最大宽度： 1430/1600mm （ 4）支架中心距： 1500 mm （ 5）初撑力： 3944KN （ 6）工作阻力： 5200 KN （ 7）平均支护强度： 0.72MPa （ 8）对底板比压： 1.7MPa （ 9）梁端距： 310380mm （ 10）支架推溜步距： 600mm （ 11）推溜力 /拉架力： 631/359KN （ 12）泵站压力： 31.4MPa 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 11 （ 13）操作方式：本架操作 （ 14）支架质量： 16516kg 2.4 挑梁装置形式的选择 挑梁是提高液压支架适应性的一种常用装置，挑梁贴紧煤壁，向煤壁施加一个支撑力，防止片帮，挡住片帮煤不进入人行道，防止片帮继续扩大；在支架能及时支护的情况下，采煤机过后挑起挑梁可以实现超前支护。具有保护工人安全的作用。 挑梁装置有两种主要类型，一类是简单铰接式，一类是四连杆式，此支架采用四连杆式挑梁，四连杆式挑梁与顶梁铰接，在千斤顶与挑梁之间增加一个四连杆机构实现挑梁和挑起支护顶板，并保证收回到预定的角度。四连杆机构能够有效地将千斤顶的作用力传递给煤 壁和顶板上。四连杆式挑梁的挑起力矩大。 2.5 顶梁形式的选择 支架顶梁有 4 种形式：整体顶梁，铰接顶梁、伸缩铰接顶梁和楔形结构顶梁。 2.5.1 整体顶梁 整体顶梁特点：结构简单，可靠性好；顶板对顶梁载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；能够设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，支护效果较好，减少支架之间的漏矸现象。 2.5.2 伸缩铰接式顶梁 伸缩铰接式顶梁是在铰接顶梁的前梁上套上一个可伸缩的梁，其行程为采煤机的截深，这种顶梁除具有铰接顶梁的优点外，还可超前支护。 2.5.3 铰接式顶梁 铰接式顶梁特点：前 梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，减小运输尺寸。前梁间有 100 150mm 间隙，主要是增加破碎顶板漏矸的可能性。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 12 2.5.4 楔形结构梁 楔形结构梁利用了构件摩擦自锁的原理，通过构件之间的摩擦作用自锁，这样的顶梁具有整体刚性顶梁前端支护力大的优点。同时还具有铰接顶梁的灵活性。缩短了运输尺寸，有利于运输和安装。 根据顶梁的结构形式特点，该支架顶梁选用铰接式顶梁。 2.6 侧护板形式的选择 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。 支架的活动侧护 板形式有 3 种：直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。 2.6.1 直角式单侧活动侧护板 一侧是固定侧护板，一侧是活动侧护板。固定侧护板是梁的边筋板，可增加梁体的强度，减轻支架的重量。它主要适用与工作面倾角较小（ 15）的缓倾斜煤层或水平煤层，具有较好的密封效果和导向性。 如图 2-3 所示 图 2-3 单侧活动侧护板 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 13 2.6.2 直角式双侧可调活动侧护板如图 2-4 所示，可以根据工作面倾角方向 ,调整一侧固定，另一侧活动，适应性强，能够用于各种支 架。 该支架采用 直角式双侧可调活动侧护板，它不仅增加了架间的密封能力，并且便于侧护装置在支架侧向到架时有较强的调整力。 2.6.3 折页式单侧活动侧护板 如图 2-5 所示，它的主要特点：结构简单，千斤顶能够布置在梁体的外侧，方便拆装和维修。但是密封性差，矸石容易泄漏，并且移动支架时导向不好。主要用于顶板比较稳定或坚硬条件的支撑掩护式支架，同时只能安装在顶梁上，掩梁不能使用。 通过以上结构形式特点的论述，该支架侧护板选用直角式双侧可调活动侧护板。 图 2-4 双侧可调活动 侧护板双 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 14 图 2-5 折页式单侧活动侧护板 2.7 放煤机构的选择 放煤机构是设计放顶煤液压支架的关键，它不但能自由地控制放煤，而且具有对放下的大块煤破碎的功能。放煤机构有三种型式，即摆动式放煤机构、插板式放煤机构和折页式放煤机构。 2.7.1插板式放煤机构 插板式放煤机构分为大插板放煤机构和小插板放煤机构，它们都是由尾梁、尾梁千斤顶、插板和插板千斤顶组成，结构相似，工作原理相同。区别在于大插板放煤机构的尾梁与顶梁铰接，尾梁千斤顶一端与尾梁联接，另一端与顶梁联接，插板结构尺 寸大，插板千斤顶行程大，形成的后部放煤空间大；小插板放煤机构的尾梁与掩护梁铰接，尾梁千斤顶一端与尾梁联接，另一端与掩护梁联接，插板尺寸小，插板千斤顶行程小，形成的后比放煤空间也较小。 尾梁和插板都是由钢板焊接而成的箱体结构，尾梁体内设有滑道，插板安装在滑道内，操纵插板千斤顶可使插板在滑道上滑动，实行伸缩。关闭或打开放煤口，操纵尾梁千斤顶，可使尾梁上下摆动，以松动顶煤或放煤，插板的前端设有用于插煤的齿条。 插板放煤机构在关闭状态时，插板伸出，挡住矸石流入后部运输机；放中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 15 煤时，收回插板，利用尾梁千斤顶和插板千斤顶 的伸、缩调整放煤口进行放煤。 2.7.2 摆动式放煤机构 摆动式放煤机构，由放煤千斤顶、小插板千斤顶、放煤摆动板和小插板组成，主体是放煤摆动板。放煤摆动板内部设有轨道，用以安装小插板，上端铰接在掩护梁放煤口上沿，在中下部有两个一端固定在底座上的放煤千斤顶推拉，使放煤摆动板上下摆动，与掩护梁形成一定的角度，用以破碎顶煤和打开整个窗口。 在放煤摆动板内装有可伸缩的小插板，小插板前端设有用于插煤的齿条，齿条下部有耳座，与插板千斤顶联接。在插板千斤顶的作用下，插板伸出或收回，用于启闭局部窗口。 摆动式放煤机构在关闭 状态时，小插板伸出，搭在放煤口前沿；放煤时，由液压控制系统先收回小插板，以免损坏插板，然后摆动放煤机构。 2.7.3 折页式放煤机构 折页式放煤机构由折页板和折页千斤顶组成。它由两扇可转动的折页门开启、关闭来控制放煤。由于受结构限制，折页门在放煤位置时很难达到垂直掩护梁位置，影响放煤口面积，而且折页板铰接处留有较大缝隙，密封性能差，这种放煤机构已基本不使用。 本支架放煤机构选用小插板放煤机构。 2.8 底座形式的选择 支架的底座常用形式有 3 种：整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。 2.8.1 铰接分体 式底座 铰接分体式底座分为左右两个独立的部分，从中挡处铰接，垂直方向上可以相对错动，无刚性约束。主要适用于底板不平的煤层条件，减少了底座的扭转和偏载载荷，但是支架的整体刚性有所降低。目前这种底座结构已经中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 16 较少使用。 2.8.2 整体钢性底座 整体刚性底座中挡前部一般有一个箱形结构，推移千斤顶安装在箱形体之下，整体刚性底座立柱柱窝前设计一个过桥，用来提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的特点：整体刚度和强度好，底座接触面积大，有利于减小底板的比压，但是中挡位置容易积存浮煤和碎矸石，给清理工作造成困难， 一般用于软底板条件下工作面支架。 2.8.3 底分式钢性底座 底座中间的推移机构直接落在煤层的底板上，前立柱柱窝前有过桥，中挡上方为箱形结构，由于底座是底分式，所以浮煤和碎矸石可以随着推移装置从后端排到采空区，不需要人工专门清理，适应高产高效要求，由于减小了底座的接触面积，相应增加了对底板的比压。我国高产高效工作面液压支架一般均采用底分式刚性底座。 通过以上对底座形式的叙述，确定本支架底座选用整体刚性底座。 2.9 推移装置的形式选择 推移装置由连接头、推移千斤顶和推移杆等主要零部件组成。其常用形式有正拉式 短推移杆和倒拉式长推移杆两种。 2.9.1 长推移杆 长推移杆有框架式、整体箱式和铰接式。 一般框架式长推移杆由前后两端组成，前段为箱式结构，后段为双杆式结构和导向块。当推移千斤顶缸径超过 140mm 时，难以保证结构强度，可靠性下降。它主要适用于中型以下的支架。整体箱式长推移杆由钢板组焊而成，其结构简单、可靠性好，防止支架和输送机下滑的性能好，具备足够大的安全系数。同时整体箱式长推移杆在高效煤矿工作面使用，未发现损坏。铰接式长推移杆一般由前后两段箱式结构件组成，中间通过十字连接头铰接，可以上、下、左、右摆动。 它解决了整体箱式长推杆不便更换的缺点， 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 17 兼有长推移杆和短推移杆的双重特点。本支架的推移装置就选用此交接式长推移杆。 2.9.1 短推移杆 短推移杆主要由钢板组焊而成，是一种箱形结构件，其结构简单，重量轻，得到广泛的应用。 2.10 立柱的结构形式 为满足支架支护高度的要求，在支架上选用双伸缩立柱结构，确定立柱缸体直径 D200mm，立柱中缸采用厚臂制造，柱内导向材料用聚甲醛，满足大行程的要求，大大提高了立柱抗偏载能力，这样立柱的可靠性提高了。 综采工作面配套设备的选型直接影响综采成套设备的使用效果 。为兼顾生产使用和高产高效对支架的要求，采用的配套设备是： 600mm 截深的MG200/475-W 型采煤机和 SGZ764/500 型刮板运输机。 2.11 柱间距和筋板配置 柱间距和筋板配置要考虑支架的中心距、立柱直径、推移装置的宽度等因素。合理确定柱间距和筋板配置，是支架结构设计的重要任务，柱间距和筋板配置要考虑支架的中心距、立柱的缸径、推移装置的宽度等因素。柱间距与筋板配置关系如图 2-5 所示。据设计经验推荐 5 种柱间距和筋板配置方案见表 1 中。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 18 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 19 图 2-6 柱间距与各部件筋板配置关系 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 20 表 1 柱间距和筋板配置推荐尺寸 单位： mm 参数 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 d d1 C C1 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 Bc Bw A 850 810 1310 1350 400 390 330 320 340 430 360 350 350 1400 1368 820 780 1280 1290 360 350 290 280 300 390 320 310 350 1380 1368 770 740 1280 1190 320 310 270 260 270 360 290 280 350 1300 1368 720 690 1280 1110 320 310 270 260 260 390 290 280 330 1300 1368 720 690 1355 1110 320 310 270 260 260 330 290 280 330 1300 1368 适用条件 DL 320 Da 320 DL 280 Da 180 DL 250 Da 180 DL 200 Da 160 DL 200 Da 160 注： DL立柱缸径； Da推移千斤顶缸径。 本支架柱间距和筋板的配置尺寸选择第三方案，立柱外缸直径 DL210mm， 立柱活柱直径为 140mm, 推移千斤顶缸径 Da 140mm。 2.12 四连杆机构作图 2.12.1 四连杆机构的作用 四连杆机构的液压支架问世以来，经过长期的实践考验，显示了巨大的优越性，并从根本上克服了支撑式支架稳定性和力学特性的缺陷，成为液压支架技术发展史上的一个重 要里程碑。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 21 四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的横向和纵向稳定性；承受和传递外载；保持支架的整体刚度。因此，对液压支架的研究常常离不开对四连杆机构的研究和认识。 支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁铰点 E 的轨迹所决定。根据运动学分析， E 点的运动轨迹一般为一条双纽线。合理设计四连杆参数，可以改善支护性能，减少连杆受力。 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，单向向后摆动和单向向前摆动。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩 趋势。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。前者对于保持梁端距顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层和断裂，造成顶板断裂向前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆机构的参数，使支架运动轨迹处于理想状态，但对于调高范围大的支架，要达到此要求十分困难。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使 E 点的实际运动轨迹和理论运动轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度 XE 30 80mm.液压支架的稳定性完全是由四连杆机构决定的，并不取决于立柱的多少。 2.12.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定 2.12.2.1 掩护梁上铰点到顶梁顶面的距离 H0和后连杆下铰点至底座底面的距离 y5。 如图 2-1 所示，支架高度已经确定，用作图法确定四连杆机构，首先根据配套尺寸 LA 为 1743mm，梁端距 Ln 为 320mm 初步确定了顶梁长度 L13等于 3230 和底座长 L15等于 2040mm，然后再确定顶梁与掩护梁铰点相对于后连杆下铰点的水平距离 XE 等于 328mm，该铰点到顶梁顶面距离 H0 等于150mm 和后连杆 下铰点的高度 y5 等于 250mm。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 22 H0 一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体高度后，根据结构的合理性确定，一般支架取 H0 150 200mm，重型支架可取 H0 210 260mm。 y5 一般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取 y5 150 250mm，对于中厚煤层取 y5 250 450mm，对于大采高支架取 y5 450 600mm。 2.12.2.2 支架最大和最 小高度时掩护梁与水平夹角 max和 min 掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离采空区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四 连杆机构，对于保护支架-围岩力学状态的稳定有显著的作用。一般掩护式支架取 max 58 620，支撑掩护式支架取 max 60 700。 在支架最小支护高度时，掩护梁倾角应保证移架过程中 掩护梁背负的矸石能沿梁体下滑，满足 tanmin f,其中 f 为岩石与钢的摩擦因素，一般为0.15 0.3。若取 f 0.3，则 min 170，设计中一般可取 min 12 180。 此液压支架掩护梁与水平夹角 max取 620, min取 13.60。 2.12.2.3 掩护梁与后连杆长度比的确定 6 根据设计经验确定，一般应 保证 2 50，掩护梁与后连杆长度比（ L3+L4）/L2，对四柱支撑掩护式支架一般取 1.2 1.8，对两柱掩护式支架一般取 1.42.1。 此液压支架的掩护梁与后连杆长度比 初步确定为 1.45。 2.12.3 四连杆机构的作图 利用计算机 Solidworks 软件绘制四连杆机构，作出四连杆机构的顺心运动轨迹。 2.13 四连杆机构解析设计 2.13.1 掩护梁与后连杆几何关系的确定 如图 2-6 所示首先确定了 max， min 和 21， 组成联立方程： 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 23 图 2 7 掩护梁与 后连杆的几何关系 212m a x43m a x co ss in)( LLLh 222m i n43m i n co ss in)( LLLh 222m i n43212max43 s i nco s)(s i nco s)( LLLLLL 解该方程组得有意义的解为： a cbLL 2243 21m in43m a x2 c o s s in)( LLhL 2m i n43m i n22 s in)(a r c c o s L LLh 式中：21m ax2m ax2m i n2 t a ns in2s ins in kka ； 21m a xm a xm a xm i nm i n t a ns ins in khhhb )(4 2m ax2m i n2 hhabc ； c 0； m a xm i n co sco s k。 掩护梁上铰点 E 到后连杆下铰点的水平距离为： 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 24 348s inco s)(212m i n43 LLLx E（ mm） 2.13.2 前连杆长度和位置 掩护梁与前连杆的铰点 C（ x， y）的运动轨迹方程为 2184183 c o ss in s inc o s LLy LLxx E 其中 43243 2 s i na r c c o s LL xLL L E此轨迹是一椭圆弧的一部分 。 2.14 底座对底板的比压 底座对底板的比压是指支架接触面积的载荷强度，是支架的重要技术参数。常规计算中假设底板为塑性基础，底座为刚性梁，则底板比压近似为线性分布。 底座对底板比压计算按照图（ 2-7）（ 2-8）所示。 图 2-8 底座对底板的压力 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 25 图 2-9 支架受力及底座底板比压 yN RQR 1Hfxx Q )( 17LxLx GG 当 3/)(2171517 LLLx 时，为三角形分布，计算公式为： 0)(5.12151bwQbPBxLQP 式中： f1为顶板与顶梁间的摩擦因数；支架技术特征参数中一般应标定底座前端对底板比压和平均对底板比压，在进行比压计算时统一取 f0.2。 Pb1为前端比压； Pb2为后端比压； BW为底座接地宽度。 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 26 当 3/)(171517 LLLx 时，为倒三角形分布，计算公式为： wbbBLxQPP)(5.101721 当 3/)(22/)(1715171715 LLLxLL 时，为梯形分布。 当 2/)(3/)(1715171715 LLLxLL 时，为倒梯形分布，计算公式为： 11715217151717151)(22)()(6)(bwbwbPBLLQPLLLxBLLQP当2 1715 LLx 时，为矩形分布，计算公式为： )( 171521 LLBQPPPWbbb 式中bP为底板平均比压。 )()s i ns i n)(c o sc o s212211212211hhfbPPhhbPbPR y =3568（ KN） 22221211 ./c o sc o s)( hfRlPllPX yd =0.796 （ m） fHLXLx dGdG . 1.765（ m） )( 17LxLx GG 834.117 Lx （ m） 式中 Ry为顶梁外载合力的垂直分力； Xd 为顶梁外载合力作用点至顶梁与掩护梁铰点的水平距离； XG为底板反力合力作用点至支架底座尖端的距离； 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 27 LG为支架底座长度； L 为支架顶梁长度； b 为支架顶梁瞬心至顶梁与掩护梁铰点的水平距离； 通过计算该支架底板比压为倒梯形分布，计算结果为： )(1.27.11296)1402325(100059402)(2)(7.12)1672771(183461296)1402325(100059402)()(6)(11715217151717151M P aPBLLQPM P aLLLxBLLQPbwbwb9.12/)1.27.1(2/21 ppP (MPa) 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 28 第三章 液压支架的受力分析及强度计算 液压支架在井下的实际工况是非常复杂的，不仅顶板压力的大小和和作用位置，而且支架的顶梁和顶板的接触情况都随机变化。此外，支架还可能承受不同大小和不同方向的水平载荷。所以，液压支架应具有适应外载变化的能力。 3.1 四柱支撑掩护式放顶煤液压支架的简化平面受力分析 画出四柱支撑掩护式液压支架的简化平面受力分析。如图 3-1 所示 图 3 1 液压支架的简化平面受力分析 取顶梁和掩护梁为分隔体，对 O1 点取力矩平衡方程为 0)()t a n( 02211 cc bxQbHQfrprP （ 3-1） 水平和垂直轴方向的力平衡方程为： 0s ins ins ins in 22112211 ppFFQf （ 3-2） 0c o sc o sc o sc o s 22112211 QFFpp （ 3-3） 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 29 取顶梁为分离体，对 O 点取力矩平衡方程为： 004231 QxQ fHrprp （ 3-4） 由方程（ 3-1）（ 3-4）解得： )ta n1()()( 422311fbrrprrpQc （ 3-5） 04231 fHQrprpx （ 3-6） 1212222211121 s i nt a nc o s )t a nc o s( s i n)t a nc o s( s i n)t a n1( ppfQF（ 3-7） 21122112 c o s c o sc o sc o s FppQF （ 3-8） 立柱倾角 1和 2，向前为“ +”值，向后为“ -” 值。 根据以上公式和已知及使用 AutoCAD 画图，并测得尺寸，进行计算液压支架最高时各部尺寸； )ta n1()()( 422311fbrrprrpQc )29t a n2.01(1 5 0 0 )1 6 2 03 0 3 0(2 4 0 0)4401 9 5 0(2 4 0 0 =5191 （ KN） 04231 fHQrprpx 2202.05191 162024004402400 =996 （ mm） 1212222211121 s i nt a nc o s )t a nc o s( s i n)t a nc o s( s i n)t a n1( ppfQF42s in31t a n42c o s )31t a n6c o s6( s in2400)31t a n2.01(5191 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 30 )31ta n2.1c o s2.1( s in2 4 0 0 = 9949 (KN) 21122112 c o s c o sc o sc o s FppQF 31c o s )42c o s9949(2.1c o s24006c o s24005191 =9390 (KN) 3.2 主要结构件强度核算 3.2.1 前梁：假设顶梁支撑，前梁前端受一集中载荷，前梁千斤顶发挥工作阻力。如图 3-2 弯矩： gcCFAlWlFWlFlM 3.2.2 顶梁：假设前梁先去作用，顶梁受一集中载荷，立柱发挥 工作阻力。如图 3-2 弯矩： ).(c o s 1111 SlpnM B 图 3 2 前梁、顶梁构件受力图 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 31 3.2.3 掩护梁：假设掩护梁上没用载荷，立柱发挥工作阻力。如图 3-3 弯矩：hhc DCFM 11 c o s 图 3 3 掩护梁构件受力图 3.2.4 底座：假设底座两端支撑，立柱发挥工作阻力。如图 3-3 弯矩： GHpnEHRM EH 111 s in IJpnGHpnHJpnEJRM EJ 222111111 s i ns i nc os JLpnKLpnHLpnELRM EL 222111111 c o ss i nc o s KLFKLpng 21222 s ins in UNFM hhN 11 c o s IJpnGHpnHNpnENR E 222111111 s i ns i nc o s(1 UNFLNFKLFJNpnhhgggg 111111222 s i ns i nc o sc o s 中国矿业大学成人教育学院 2006 届毕业设计 32 第四章 液压支架立柱和千斤顶 4.1 立柱型式 随着液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等各方面提出了许多新的要求，不断促使立柱的结构更加合理。以往的标准已经不能满足实际需要，有的已经修改，制定了新的标准。立柱的主要型式有 4 种。 4.1.1 单 伸缩双作用立柱 结构简单、可靠，属液压无级调高，调整高度方便，但调高范围小主要用在调高范围不大的支架上，许多种放顶煤支架使用单伸缩双作用立柱。 4.1.2 单伸缩双作用带机械加长杆立柱 结构比较简单，调高范围较大，有液压无级和加长杆有级两种调高方式，使用中经常用液压无级调高。操作人员需根据采煤工作面煤层厚度的变化及时调整机械加长杆的高度以满足支护要求，如果有级调高调整的不及时，会出现支架被压死或顶空的问题。调