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机械毕业设计论文
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机械毕业设计1548掩护式液压支架设计,机械毕业设计论文
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第 1 页 共 82 页 1 前 言 本次毕业设计是我们大学四年的最后一次设计，同时也是 对大学生四年来所学的知识系统 总结和综合应用。现在我们已经进入大学学习的最后阶段， 毕业设计 作为本科学习最重要的组成部分之一 ，它能提高我们发现、分析、 解决问题的能力 ，综合检验和 巩固 我们所学知识 ，同时又是对我们 大学四年所学知识的全面复习，更是向我们以后即将从事的专业性工作的正常过渡。我们可以紧紧抓住这个机会认真学习并搞好毕业设计，众所周知，它对我们即将走上工作岗位或者更进一步深造有非常重要的意义。它将把我们过去的理论学习引向一个更高 、更深 的层次，也就 是参加工作，可以说我们在做一次过渡性的尝试。 我的毕业设计是关于 掩护式 液压支架 的 设计 。 液压支架是综合机械化采煤的关键设备，对于提高采煤效率，降低成本，改善作业环境 ，减少笨重的体力劳动具有举足轻重的作用。 其中， 掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合我国特点于 1968 年首先研制成功的。它 保留了垛式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用单排 立柱支撑顶梁（或顶梁于掩护梁）的结构；具有 防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机 构联结掩护梁和支架底座。 因此，加深掩护式液压支架的设计和研究具有深远的意义。 整个毕业设计已接近尾声，我们所忙碌的成果即将接受检验。我相信， 有耕耘，定有收获；有付出，定会有回报 。 四年的时间如流水般匆匆流过，在这四年里，老师们 用汗水和心血滋润我干枯的心田，用知识的乳汁将我哺育，在我即将离开母校的时候，我向我最尊敬的老师们表达我最真诚的谢意，谢谢你们 四年 来对我们的亲切关怀。在今后的日子里，我将努力奋斗，把您 在学校里 传授给我们的 知识运用到 实际 工作中去，为 我国的 机械 行业 做出我 们 应有的贡献。 最后，感谢各位评阅老师 在百忙之中评阅本文。由于时间仓促，本人水平有限，难免有错误和不足之处，敬请各位老师指正与赐教。 nts 第 2 页 共 82 页 2 一、绪 论 液压支架作为煤矿长壁综采工作面的关键设备，近年来得了迅速 地 发展， 它与 综采系统中的“三机”（ 刮板输送机、转载机、带式输送机）配合使用 ， 是煤矿开采技术现代化的重要标志。 液压支架是综采工作面主要设备之一，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，结构件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。 在综合机械化采煤过程中， 液压支架 担当着极其重要的角色，其 主要功能 不仅 用于 支撑管理顶板，隔离采空区，维护采煤作业空间，并能自行前移，推进采煤工作面输送机和采煤机 。 因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。另外， 合理的选用采煤设备并结合先进的采煤工艺，可解决采煤工作面的采煤支护运输等生产环节之间的矛盾，可有效地提高工效增加成本减少损耗保护生产人员和设备的安全，以及减轻笨重的体力劳动，可为煤矿获得很高的经济效益。 1.1 液压支架的工作原理 液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液 （这里采用水包油型乳化液） 作为动力 ，由液压操作系统，控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高压乳化液，经主进液管送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循环使用。 支架的承载原理是：液压支架支撑在综采工作面的顶底板之间支撑顶板。 顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将 压力传递底板。为保证支架结构件的强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板 压力超过立柱安全阀限定压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板压力下降到立柱工作阻力时，安全阀关闭进行保压承载。 1.2 液压支架的工作过程 液压支架对顶的作用过程主要取决于流体静力学原理工作的立柱工作过程。现以图 1-1所示的典型立柱控制系统来说明支架的工作过程。 支架操作的 基本功作过程 为： 急增阻阶段 ， 缓增阻阶段 ， 恒阻阶段 ， 无作用阶段 四 个 阶段 。 nts 第 3 页 共 82 页 3 图 立柱控制系统 立柱；安全阀；液控单 向阀；操纵阀； P高压管路； O回液管 （ 1） 泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段 操纵阀手把 置于 A 位，从泵站来的压力液经高压管路 P，打开液控单向阀 3 进入立柱下腔，立柱上腔与回液管 O连通，因而活柱伸出使支架升起接顶，对顶板 产生支撑力。支架接顶后，泵压使下腔内的液体压强迅速上升，支架对 顶板支撑力急剧增加。这就是支架对顶板的急增阻阶段。 （ 2） 闭锁承载，支架 对顶板缓增阻阶段 操纵阀手把放回零位后，立柱下腔内的压力液被液控单向阀闭锁，不能流出，从而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板逐渐下沉，立柱下腔内的液体受到 进一步压缩，压强逐渐增高，使直接对顶板产生更大的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉，一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架对顶板的支撑力增长也就相应缓慢，所以这个阶段被称为 支架对顶板缓增阻阶段。 （ 3） 溢流承载，支架对顶恒阻阶段 顶板继续下沉，立柱下腔内的压强继续升高，当达到立柱安全阀的调定值时，安全阀便开启溢流， 使立柱下腔内的压强保持定植，从而支架对顶板的支撑力不变，即支架处于对顶板恒阻阶段。 （ 4） 解锁降柱，支架与顶板无作用阶段 采煤机截煤后，欲将支架移到新的位置，首先把操纵阀手把置于 B让从泵站来的压力液进入立 柱上腔，同时作用于液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解除对立柱下腔液体的闭锁，允许其回到回液管 。这时，活柱缩回，支架降落离开顶板，nts 第 4 页 共 82 页 4 支架对顶板无压力。 在这一阶段如要保证顶梁平行下降需协调操纵平衡千斤顶操纵阀。 需要说明，目前为了防止破碎顶板漏顶 ，掩护式和支撑掩护式支架可以采用擦顶带移架方式，即支架顶梁实际并不脱离顶板，在移架过程中仍保持约每柱五吨左右的支撑力。因而，对于擦顶带压移架方式，此阶段应是解锁卸载，支架对顶板仍有轻微作用力。 1.3 支架组成 液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部 分组成。 （ 1） 金属结构件主要有顶梁、掩护梁、 前梁、 前连杆、后连杆、底座、侧护板 、护帮板 等。 （ 2） 油缸主要有双作用单伸缩立柱、推移千斤顶、 （ 平衡千斤顶 ） 、侧护千斤顶 、前梁千斤顶 等。 （ 3） 液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀等及液压辅助元件等。 1.4 液压支架主要结构件及其作用 1.4.1 顶梁 顶梁采用整体顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部件之一，由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度要求。 结构如图 1-2 所示： 1右侧护板； 2主顶梁； 3侧推千斤顶； 4前梁千斤顶耳座； 图 1 2 主顶梁 其主要作用是： nts 第 5 页 共 82 页 5 （ l） 承接顶板岩石及煤的载荷； （ 2） 反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用； （ 3） 隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。 本支架采用 分段组合式 顶梁结构 （刚性顶梁铰接式前梁） ，强度高，对顶板维护较好；另外，在顶梁前部还布置有起吊耳，可方便吊挂较小的机件。 1.4.2 掩护梁 1护帮板耳座 ； 2侧推千斤顶座； 3侧护板； 4侧推千斤顶； 5前连杆耳座； 6后连杆耳座； 7护帮千斤顶耳座； 8弹簧筒； 图 1 3 掩护梁 掩护梁分别与顶梁和前、后连杆连接，其主要作用有： (1) 承受上部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能； (2) 掩护梁与前后连杆、底座形成四连杆机构，保证支架的稳定性； (3) 阻挡后部落煤，维护工作空间。 1.4.3 底座 底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。该支架nts 第 6 页 共 82 页 6 设计为整体刚性底座，底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。该型底 座的缺点是在推移机构外易积存浮煤碎矸，要求及时清理。 底座结构如图 1-3 所示 1过桥； 2推移千斤顶耳座； 3立柱销孔； 4 前连杆销孔； 5后连杆销孔； 6侧板； 图 1 4 底座 其主要作用是： (1) 将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提供安装空间； (2) 给工作人员创造良好的工作环境； (3) 保证支架的稳定性。 1.4.4 前后连杆 前、后连杆分别与掩护梁和底座铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件，铸 件中不得有气孔、砂眼、夹杂 等，以免降低强度，嫌少使用寿命 。铸后要进行淬火和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的 强度，这里采用整体式。前后连杆的结构如图 1 5，图 1 6。 nts 第 7 页 共 82 页 7 图 1 5 前连杆 nts 第 8 页 共 82 页 8 图 1 6 后连杆 其主要作用是： （ l） 使支架在调高范围内，顶板平稳地升降，并使顶梁前端与煤壁的距离 (梁端距 )变化尽可能小，更好地支护顶板。 （ 2） 承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。 本支架采用正四连杆机构， 为使冒落矸石不从连杆处涌入支架内，后连杆为整体式 ， 前连杆为分体式。 均为钢板焊接的箱形结构，这种结构有较强的抗拉、抗压和抗nts 第 9 页 共 82 页 9 扭性能。 1.4.5 推移机构 图 1 7 推移框架 支架的推移机构包括推杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送机和拉移支架。推移连杆的一端通过连接头与输送机相连，另一端通过推移千斤顶与底座 相连，推移连杆除承受推拉力外，还承受一定的侧向力防止底座的下滑 1.5 液压系统及其控制元件 支架液压系统由乳化液泵站、主进、主回液胶管、各种液压元件、立柱及各种千斤顶等组成。支架操纵方式采用邻架操作控制，使用快速接头拆装方便，性能可靠。 由乳化液泵站输出的高压乳化液经主进液管 支架进液截止阀 过滤器 操纵阀 立柱或各千斤顶 架液截止阀 主回液胶管 乳化液泵站。 nts 第 10 页 共 82 页 10 1.6 支架的设计特点 结合首采工作面及矿区此类地质构造条件下，使用 ZY2400/17/30 二柱掩护式支架的成功经验，本架型应有如下特点： （ 1）支架型式为：带机械加长的 两 柱掩护式 薄 煤层液压支架； （ 2）对支架总体结构参数优化，梁端距变化应小；顶梁前部较薄强度、刚度应充分保证； （ 3）支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其它构件形成刚性好、强度高、稳定性好的整体结构； （ 4）整体顶梁和掩护梁带单侧活动长侧护板，能实现对护顶的严密调整； （ 5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度； （ 6）架的整体构造应有“人机学”的 观 点，结构应紧凑，操作方便，制造成本降低； （ 7） 采 用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座 ，以增加支撑力，增强支架的稳定性。 1.7 液压支架的架形 掩护式液压支架的架形如下图 1 8 所示： nts 第 11 页 共 82 页 11 1后连杆； 2前连杆； 3掩护梁； 4后立柱； 5销； 6销； 7主顶梁； 8前立柱； 9前梁千斤顶； 10销； 11销； 12销； 13销； 14前梁； 15护帮板千斤顶； 图 1 8 支撑掩护式液压支架nts 第 12 页 共 83 页 12 二、 液压支架的结构设计 2.1 液压支架的选型 2.1.1 液压支架结构类型的优选 根据以往液压支架设计的经验总结，考虑到不同架型 和机构的支架围岩力学相互作用、支撑力矩、底板比压等特点，可以对掩护式与支撑掩护式结构进行比较。 （ 1） 液压支架的力学特征综述（见表 2-12） 表 2 1不 同结构液压支架的力学特征比较 支架型式 结构特征 主要力学特性 掩护式 支掩式 二支柱掩护式 支架承载力较小，底板比压均匀，主动水平力较大 支顶式 二柱支顶掩护式 支架承载力大，稳定性好，底座尖端比压较大，对顶板的主动水平力较大，前端支撑力大 支撑掩护式 支顶支掩 四柱（或三柱） 稳定性好，抗水平力强，比压均匀，但支柱能力利用率低 支顶式 四柱 X型 顶梁合力调节范围大，伸缩比大，承载力高 四柱支撑掩护式 承载力大，切顶能力强，比压较均匀 （ 2） 支架选型要素及简要评价。 液压支架结构 选型必须考虑的要素及对各类型支架的评价 （ 见表 2 2） 表 2 2支架类型评价 （见下页） nts 第 13 页 共 83 页 13 要素 支架类型 支撑掩护式 支撑式 插底掩护式 一般掩护式 垛式 节式 支架围岩适应性 直接顶冒落倾向 优 良 良 差 差 基本顶周期来压 差 良 优 优 良 底板压入倾向 良 差 优 优 优 防煤壁片帮 优 良 优 差 差 通风断面 差 良 良 差 差 顶梁前端支撑力 优 良 良 差 差 顶梁后段切顶性 差 良 优 优 优 对顶板遮盖率 优 优 优 差 差 隔绝采空区能力 优 优 优 差 差 横向稳定性 良 优 优 差 差 对采 高适应性 良 优 优 差 差 支撑效率 差 良 优 优 优 支护强度 良 良 优 优 优 对倾角适应性 良 优 良 良 差 2.1.2 液压支架的架形选择原则 在选择液压支架时既要保证对工作面顶板实现可靠的支撑，又要避免过大的设备投资，导致不必要的浪费。因此，液压支架的正确选型对于工作面经济效益关系重大。 液压支架架形的选择，主要取决于液压支架的力学性能是否适用矿井的顶底板条件和其它地质条件。在同时允许选用几种架形时，应 优先选用价格便宜的支架，支承式支架最便宜，其次为掩护式。支承式支架适合于稳定顶板。掩护式支架适合于中等稳定和一般破碎的顶板。支承掩护式支架适合于周期来压强烈，中等稳定和稳定顶板。 在综采工作面支架选型时，还应注意下述 四点 原则： (1) 对于不稳定和中等稳定顶板，应优先选用二柱掩护式支架。但在底板极松软条件下，必须严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷nts 第 14 页 共 83 页 14 强度。在此条件下，通常应避免使用重型支架。 (2) 对于非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，应优先考虑选取四柱支 撑掩护式支架。 (3) 众所周知，三点决定一个平面，由于顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实际支撑力很低，因而二柱式掩护支架支撑能力利用率高于四柱式。即二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架 ，特别是对机道上方顶板的支护强度。 （ 4） 在不稳定顶板条件下使用四柱式支架应注意对机道上方的顶板控制，包括增加前任阻 力 及可伸缩前梁等。 2.1.3 影响架形选择的因素 液压支架的选型受到矿井的煤层、地质、技术和设备条件的限制，因此，以上因素都会影响到支架的选型。 液压支架架型的选择首先要适合 于顶板条件。一般情况下可根据顶板的级别，由表 3-1-5 见综采技术手册（上册）中直接选出架型。 （ 1） 煤层厚度 当煤层 厚度超过 2.5m，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不用支承式 支架 。 当煤层 厚度达到 2.5m 2.8m以上时 ，需选择带有 护帮 装置的掩护式或支承掩护式支架。 煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。 假顶分层开采，应选用掩护式支架。 （ 2） 煤层倾角 煤层倾角 18 时， 应选用同时带防滑防倒装置的支架。 （ 3） 底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许比压。 为使移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。 nts 第 15 页 共 83 页 15 (4) 瓦斯含量 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风端面较大的支承式或支承掩护式支架。 (5) 煤层硬度 当煤层为软煤层时，支架最大采高一般 2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般3.5m；硬煤层时，支架最大采高 15。在 J 点作 角，再取 JC 一定长度与 HC 交与 C 点， C 点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。 以 J 为圆心， JC 为半径画一弧 ab。以 I 为圆心，以 HC 的长度为半径画弧与弧 ab交于 E 点， C 点和 E 点就是后连杆在支架为最低高度和最低高度 时 的极限位置。 在 CH 上取一长度 CD，必须 CDDC，这样 CD 就是最短杆。而且要使 CD+DG 立柱缸体内径按下式进行 D2= bR4 P K3 .1 4 P （ cm） 式中 D2：立柱刚体内径 （ cm） P: 立柱的工作阻力 （ kN） pR：泵站工作压力 （ MPa） Kb：一般在 0.52 0.78 之间，对于不稳定顶板向上取限，稳定顶板向下取限。 这里取 Kb为 0.65。 根据 1984年我国正式发布的矿用液压立柱、千斤顶、柱径系列MT94 84煤矿工业部标准。鉴于所计算数据取 D2=200 mm 查表得柱径为 d 185mm 初撑力 1cxF4 232D 10ap （ kN） 式中 D2：缸体内径 （ m） 310 ：单位换算值 工作阻力 P4 232D 1 0anp （ kN） 式中anp为安全阀的调定压力，也是缸体内的压力。 因为 p=4000kN 选用安全阀开启压力为anp=31.8MPa 2 千斤顶的计算和立柱相同。 P=4000KN pR =14.7 MPa Kb=0.65 求得 D2 165 mm 取 D2 200 mm d 185mm anp=31.8MPa nts 第 38 页 共 83 页 38 千斤顶的推力和拉力计算 固定活塞式千斤顶的推力按下式计算： 234 10tRF D p (kN) 固定活塞式千斤顶的拉力按下式计算： 2 2 31R4 D d p 1 0F （ ） （ kN） 式中 D：千斤顶缸体内径 （ m） d：千斤顶活塞杆的外径 （ m） pR：泵站压力 （ MPa） 由于 Dd，所以固定活塞式千斤顶的推力大于拉力。 5. 泵站压力的确定 泵站压力的确定按照立柱和千斤顶的工作压力需要确定为： P = 14.7MPa 计算得 ZY2000/14/26 支撑掩护式液压支架技术参数如下： 支架 形式 掩护式 操作方式 邻架操作 高度 1.4 2.6 m 宽度 1.42 1.59 m 初撑力 1250 kN 工作阻力 2000 kN 支护宽度 1.5 m 支护强度 383 kPa 底座面积 2.6 2m 底座比压 0.9 MPa 重量 5.2 Kg 泵站工作压力 32 MPa nts 第 39 页 共 83 页 39 立柱 (2根 ) 缸径 200 mm 活柱直径 185 mm 行程 900 mm 初撑力 462 kN 降拉力 121 kN 工作阻力 1000 kN 短柱（前梁千斤顶）（ 1根） 缸径 140 mm 活塞杆直径 105 mm 行程 140 mm 初撑力 226 kN 拉力 99 kN 工作阻力 588.6 kN 前梁端部最大支撑力 127.5 kN 前梁向上摆角 15 前梁向下摆角 19 推移千斤顶（ 1根） 缸径 140 mm 活塞杆直径 85 mm 行程 700 mm 推力 145.7 kN 拉力 231 kN 护帮千斤顶（ 1根）、侧推千斤顶（ 4根） 缸径 80 mm nts 第 40 页 共 83 页 40 活塞杆直径 45 mm 推力 75 kN 拉力 51.5 kN 行程相应为 250 mm 2.4拟定液压系统 本支架的液压系统，由乳化液泵站，主进，主回液胶管，各种液压元件，立柱及各种千斤顶等组 成。液压系统原理：本支架操作方式采用邻架操作控制，使用快速接头拆装方便，性能可靠。 本支架液压系统所使用的乳化液，是由乳化油和水配制而成的，乳化油的配比浓度为 5，使用乳化液应注意以下几点： (1) 定期检查浓度，浓度过高增加成本，浓度太低，可能造成液压元件锈蚀，影响液压元件的密封和使用寿命 (2) 防止污染，定期清理乳化液箱和支架过滤器 (3) 防冻：乳化液的凝固点为零下三度左右，与水一样也具有冻结膨胀性，乳化液受冻后，不但体积膨胀 ，稳定性也受影响，乳化液地面配制和冬季运输时要注 意防冻。 nts 第 41 页 共 83 页 41 液压支架液压系统图 1 前立柱 ； 2 压力指示器 ； 3 安全阀 ； 4 液控单向阀 ； 5 后立柱 ； 6 顶梁侧推千斤顶 ； 7 掩护梁侧推千斤顶 ； 8 护帮千斤顶 ； 9 双向液控单向阀 ； 10 操纵阀 ； 11 推移千斤顶 ； 12 前梁千斤顶 ； ZY4000/17/35 型液压系统的特点是 : (1) 支架上的大部分液压元件 (除前梁千斤顶控制阀和双向锁外 )都装在阀组的座架上 ,支架本身 只有两根高压软管 ,这样既便于操作 ,又能保证 支柱间有宽敞的人行道 。 (2) 操纵阀 ZC 型组合操纵阀 ,前柱 .后柱及前梁千斤顶可单独操作 ,也可同时操作 。 (3) 前梁千斤顶活塞腔与活塞杆腔之间连接一个大流量安全阀 ,在升前梁与升柱同时操作时 ,对前梁加以保护 ,并使前梁有较大的支撑力 。 (4) 液压系统中 设有顶梁活动侧护板和掩护梁侧护板千斤顶液路，通过两片操纵阀可单独操纵两个千斤顶的伸缩。 (5) 为在厚煤层工作面中防止片帮，液压系统中还设有护帮千斤顶，在护帮千斤顶的液路上连接着双向锁，对护帮千斤顶的活塞腔与活塞杆腔分别进行相互闭锁。 (6) 支柱和前梁千斤顶的活塞腔液路上，设有测压阀，根据工作需要，可随时进行压力测定，了解支架受力情况。nts 第 42 页 共 83 页 42 三、 支架的强度计算 3.1 支架的工作状态 (1) 顶板状态 在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于上部岩从压力，出现离从和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就越大，而顶板冒落时有一定过程的，一般分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，次时顶板较完整，而且没有下沉，通常称为老顶来压，次时顶板并不破裂，且这种下沉带有一定的周期，所以称为老顶周期来压状态，如不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。 (2) 支架工作状态 开始支架以初承力 支承顶板，此时为无压状态，当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增加，当增加到大于安全阀调定正压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称压死状态，这是在设计和使用中，必须要注意避免的现象。 (3) 支架受力 支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板压力，其中顶板合力的垂直分力，由支架工作阻力来克服，所以我们在计算支架的工作载荷 F 时按支架的工作阻力来确定。 3.2 支架载荷的确定 液压支架实际受载荷情况很复杂，顶梁和底座上的载荷即非集中载荷又非均布载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算作如下规定。 (1) 把支架化简成一个平面杆系结构，同时为防于安全，按集中载荷进行计算。 (2) 金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。 (3) 顶梁，底座与顶底板 认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律，沿支架宽度方向为均布。 (4) 通过分析和计算可知，掩护梁上煤块的作用力，只能使支架实际支护阻力降nts 第 43 页 共 83 页 43 低，所以在计算强度时不计。 (5) 立柱和短柱按最大工作阻力来计算。 (6) 作用在顶梁上水平力的产生有二种情况：一种是支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双扭线，所以顶梁与顶板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘 积 ，其方向与顶梁产生位移方向趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平力，最大水平力值与上相同。顶梁与顶板 的静摩擦系数 f ， 目前国内一般取 0.2 0.3。 (7) 支架各部分受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。 (8) 各种结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险端面外，还要按液压支架形式试验技术规范的各种加载方法，以支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力 10的超载试验，将由安全系数来保证强度。 3.3 支架受力分析 支架的受力分析与计算，是按理论力学中一个物体受几个力的作用下处于平滑状态时，所受力和力矩之和为零的原理来进行分析和计算的。即以当支架支承后在处于平衡状态时，取整体 或某一个部分为分离体也处于平衡状态，其合力和合力矩为零。即满足静力平衡的充分必要条件为各力在 x上的投影之和为零，各力在 y上的投影之和为零 ;各力对某点取矩之和为零。下面就根据这一理论对支架简化成平面杆系进行受力分析和计算。 直接撑顶的支撑掩护式支架各支撑点受力计算： 假设顶梁受以集中载荷AP,水平分力为AfP。掩护梁上载荷的合力分量各为xQ和yQ。前排立柱工作阻力为BP,后排立柱工作阻力为 BP。受力状态如图 3 1所示。 nts 第 44 页 共 83 页 44 图 3 1 直接撑顶支撑掩护式 支架受力情况 取顶梁和掩护梁为隔离体，OM=0, 即： 1 1 1 2 2 2( ) ( ) ( ) 0B B B BA A y Xl l P C O S L P S i n t g l l P C O S l P S i n t gS l P f P l t g Q e Q K （ 3 1） XF=0,即： 120A B B C C D Xf P P S i n P S i n P C O S P Q （ 3 2） 0yF ，即： 1 2 0A B B C C D D yP P C O S P C O S P S i n P S i n Q （ 3 3） 取顶梁为隔离体，1 0OM ,即： 1 1 2 20B B Al P C O S l P C O S P S 由上式得： 1 1 2 21 ( )BBAS l P C O S l P C O SP （ 3 4） nts 第 45 页 共 83 页 45 把 (3 4)式代入 （ 3 1）式，解得： 1 2 1 21 ( ) 1A B B B B y xekP P C O S P C O S P S i n P S i n t g Q Qf t g l l (3 5) 由（ 3 4）式和（ 3 1）解得： 121 ( ) ( )()( ) D B c B CCDA c C y C x CP P C O S P C O SS i nP f S i n C O S Q C O S Q C O S （ 3 6） 121 ( ) ( )()( ) CD DDD D DDBBCA y xP P C O S P C O SS i nP f S i n C O S Q C O S Q S i n （ 3 7） 3.3.1 各主要参数的影响 支撑掩护式支架在工作过程中，各主要部件的受力是变化的，其影响因素有诸多方面。 (1) 立柱倾角对承载能力的影响 由于掩护式和支撑掩护式支架的立柱大部分是倾斜布置的，倾角 又随着支架的高度变化，所以支架的承载能力的大小也随着支架的高度而变化。现在 对承载能力的影响。 立柱支撑在顶梁，当立柱的工作阻力为BP，倾角为 时，显然支架的承载能力与BPCOS 有直接的关系。因为 COS 1，因此立柱倾斜布置将使支架的承载能力降低。 角和 COS 之间的关系表示在 右图 中。由图看到，当 0.95，支架的承载能力降低值不等大于。当 26 时， COS 1.1 由于安全系数 6远远大于所给定安全系数，所以支架底座绝对安全。 F.推移千斤顶计算及强度校核 推移千斤顶计算推 溜力为： 145.7KN；拉架力为 231KN；故所受最大力为拉架力。 （ 1） 千斤顶稳定性验算 活塞杆柔度计算：i 式中 长度折算系数，在两端铰接时， 1； 活塞杆的计算长度； nts 第 54 页 共 83 页 54 i 活塞杆横断面的回转半径， 1JiA14d。 解得： i 1054 26.25 1 92826.25 35.355，且 225JJ 1121212()lKK lltt gg式中 1K1PEJ,2K2PEJ； 其中 ： E钢材的弹性模量， E 2.088 52 .0 8 8 1 0aMP； nts 第 55 页 共 83 页 55 1t11(57.3 )tg K l ；2t22(5 7 .3 )tg K l ； 经计算得1 1.362K ,2 1.31K ;1t 0.68；2t 0.574； 5.6； 活塞杆的合成应力： PPAW 式中 A活塞杆的横截面积； A=86.59mm2 W活塞杆的端面模数； w 113.7； 2 3 1 2 3 1 5 . 68 6 . 5 1 1 3 . 7 =140.5MPa 安全系数计算如下： sn 活塞杆采用 45 号钢s 450 550MPa 450140.5n =3.2n 式中 n 许用安全系数，一般最小为 1.4。 （ 3） 千斤顶缸体强度验算 缸体壁厚验算： 当 3.2D 时按中等壁厚缸体公式计算，此处 D 25。 () 2 . 3 ( )p D CC 式中 缸体实际承受的最大应力， MPa。 安全系数为： bnn 式中 b缸体材料为 27SiMn无缝钢管，b 980 MPa； nts 第 56 页 共 83 页 56 n 许用安全系数，一般取 3.5 4。 经计算： 1 4 . 7 (1 4 0 5 . 6 1 )2 . 3 ( 5 . 6 1 ) 201 MPa 980 4 . 8 7 201nn ； 故经校核计算推移千斤顶 符合要求。 3.4 顶梁载荷分布 把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。有戏顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分 布。 设顶梁长度为 Lg，顶板的集中载荷为 F1，其作用点距顶梁一端为 x。则当 x Lg/3时，载荷分布为三角形。 如图 3 7 所示 图 3 7 载荷分布图 顶梁前端比压 2q 为 0，顶梁后端比压3q为： nts 第 57 页 共 83 页 57 33 23 101 mBFq （ MPa） 当 Lg/2xLg/3 时，载荷呈梯形分布，如上图 3 6 所示。 顶梁前端比压为： 3B )26(2 1021 mLgLgxFq （ MPa） 顶梁后端比压为： 3B)64(3 1021 mLgxLgFq （ MPa） 3.5 支护强度 支护强度为单位面积得支护阻力按下式进行计算 1)1( BsFq (t/ ) 式中 s:顶梁前端至煤壁的距离 B1：支架支护强度（支架间距） 不同高度求得支护强度 q 3.6 底座接触比压 由于底板条件的变化，底座的接箸比压很不均匀，为计算方便起见，假设底座与底板均匀接箸且为线性载荷分部。底座对底板的比压值应小于底板的抗压强度，否则底座会陷入底板，造成移架困难，顶底板移动量增大，支架失稳及支承力 降低等现象。支架技术特征中给出的底座与底板的平均比压值为： 0P=dBdLR (MPa) 式中 0P：平均比压（ MPa） R：底座对底板的合力 （ N） dL:底座长度 （ m） nts 第 58 页 共 83 页 58 dB：底座当量宽度（ m） 求得 0P 10.5MPa 3.7 护效率 支护效率按下式进行计算 = F/P F:支护阻力 P:支护工作阻力 3.8 支架受力的影响因素 （ 1） 对支架受力的影响 掩护式支架，由于支护高度的变化，使平衡千斤顶的角度，立柱的支承角度，掩护梁及四连杆机构的角度等的不同，支架受力也不同。接近支护高度最高处，顶梁受力最大，支护效率最高，其支护效率为顶梁合力与工作阻力之比。 （ 2） 系数对支架受力的影响 液压支架在实际工作中的摩擦系数是一个不定值，一般钢对岩石的摩擦系数为0.2 0.3，根据计算表 明，摩擦系数增大，对支架受力有利，使底座的底比压分布较好。 （ 3） 千斤顶的推拉力对对支架的受力影响 平衡千斤顶为拉力时，顶梁后端比压增大，可增强切顶能力，底座比压分布状态较好，连杆受力较小；平衡千斤顶为推力时，合力作用点前移，可增加前端支护能力，此时底座前端比压增大，连杆力增。 （ 4） 作用力对支架受力的影响 煤块作用力增加，使支护强度，支护效率和切顶能力减小，同时连杆力减小，底座比压分布改善和增加支架纵向稳定性。 （ 5） tgQ对支架受力的影响 tgQ增加，使支护阻力增加，支架要多承受载荷 ，所以 tgQ值大了对支架受力不利。在全部支架工作段内，一般控制在小于 0.35。 （ 6） 支架强度计算应考虑的因素 nts 第 59 页 共 83 页 59 由于支护高度，摩擦系数，平衡千斤顶和煤块作用对支架受力有明显的影响，在支架强度计算时，对不同的受力杆件应参考实际使用中产生的最恶劣状态选择支护高度，平衡千斤顶推拉力，摩擦系数的数值进行计算。 计算出最大顶梁合力前连杆，后连杆的支护高度分别对顶座，掩护梁，连杆，底座等进行受力分析。 要使支架处于安全，摩擦系数的大小应按表中计算出的能 使顶梁，前后连杆力等为最大值的摩擦系数，分别对各件进行受力分析。 平衡千斤顶推拉力，可按计算出的能使顶梁，前后连杆力等为最大值的摩擦系数，分别对各值进行受力分析。 通过分析和计算可知，掩护梁上煤块的作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在进行强度计算时可忽落不计。 tgQ在结构设计时应考虑的因素。一旦结构设计确定， tgQ 也就确定了。在进行强度校核时，按最不利支护高度受力分析，其中 tgQ值为在此条件下的对应 值进行计算。 以上支架强度计算考虑因素为计算掩护式支架时的确定方法。支护高度为支架受力最大时的支护高度进行计算。 3.9 强度条件 (1) 强度校核均从材料的屈服极限计算安全系数 (2) 结构件，销柱，活塞杆的屈服极限及强度条件 各结构件受力普通低合金结构钢为 15MnVN钢板焊接成，取极限 4500Kg/ 主要销柱均采用合金结构钢为 35CrMo元钢，取屈服极限 5500 Kg/ 活塞杆均采用 45钢，取屈服极限 3600 Kg/ 以上主要件的强度条件为 n = max/s n 其中 max:危险断面计算出的最大应力 n：许用安全系数 (3) 缸体材料采用 27SiMn无缝钢管，取抗拉强度 1000 Kg/强度条件为 n = bnts 第 60 页 共 83 页 60 / ,式中 缸体许用应力 Kg/ (4) 焊接抗拉强度取b= 5500 Kg/ ,其强度条件为 n=b/ n其中 T 计算出的焊接应力 (5) 许用挤压应力按下式进行计算 0 = 0.75sT(6) 各结构件钢板应选用标准尺寸 (7) 安全系数，各安全系数如下所示 前 梁： 1.1 顶 梁： 1.1 底 座： 1.1 掩护梁： 1.3 活塞杆 1.4 前连杆： 1.3 后连杆： 1.3 立 柱 ： 1.3 缸 体： 3.3 焊 缝： 3.3 注：顶梁底座安全系数为 1.1，主要考虑加载时加载到工作阻力 1.1 倍，掩护梁、连杆、销轴不能进行加载强度校核，为便于安全取 1.3，各结构件计算出来的安全系数如果偏大时可按标准钢材厚度减小，或 减少钢板筋数量，筋板高度，使安全系数不要超过太大，以减轻支架重量，降低成本。根据计算表明改变结构件高度对强度影响较大，改变结构件钢板厚度对强度影响较小，在设计时可根据结构件具体情况进行考虑。液压支架前梁 顶梁 掩护梁 四连杆 底座等都属于焊接结构件，它们的强度都决定于液压支架工作阻力及钢板和焊缝的许用应力。为了保证它们有足够的强度，就需根据力学原理进行计算。nts 第 61 页 共 83 页 61 四、 液压 支架 的使用和 维护 4.1 液压支架操作 为了保证综采工作面的稳定、高产、以及延长液压支架的使用寿命，必须 配备专职的支架工操作。 4.1.1 操作前的准备 支架操作前，应先检查管路系统和支架各有关部件的动作是否有阻碍，要清楚顶板、底板的障碍物。注意管件不要被矸石挤卡或埋压，管路要齐全，接头药用 U 形销插牢，不得漏液。支架开始操作时，支架周围的人员应该注意或离开，以免发生事故。 工作面开始作业时，应先联系开动乳化液泵，利用推移千斤顶先将工作面运输机推移成直线，以便采煤和移架。 4.1.2 操作方式与顺序 目前我国综采工作面多数采用先移架后推溜的及时支护方式。 (1) 移架：在顶板条件较好的情况下，移架工作滞后采煤机前滚筒 1.5处进行，一般不超过 3 5。当顶板较破碎时，移架工作 则应于采煤机滚筒割下顶煤后立即进行，以便及时支护新暴露出的顶板，防止发生局部冒顶。此时，要特别注意与采煤机密切配合，一面发生挤人与割前梁等事故。 移架的方式与步骤，主要根据支架结构来确定，其次是工作面顶板状况与生产条件。 在顶板比较破碎的情况下，移架过程分为降柱、移架、升柱三个动作。先接通操纵阀的卸载液路，打开支柱控制阀的单向阀，使支柱活塞腔卸载，活柱下降，顶梁逐渐下降脱离顶板。为使支架尽量做到擦顶移架，便于控制顶板，手把在此位置尽可能停留时间短些。当 顶梁与顶板稍有松动后随即 将把手放到移架位置，开启液路，支柱的活塞腔停止卸载，顶梁也不再下降，而后移架动作开始，直到支架移到新的位置为止，这是应憋压一下，以保证支架移足步距，并使支架与运输机成垂直位置。如果使用组合式片阀时，卸载降柱与移架可同时动作，使支架能擦顶移动。 如果在移架过程中发现顶梁有憋卡现象，致使移架有困难时， 不能勉强硬移，可将手把放到卸载位置，开启液路，使顶梁与顶板支架再松动一下，然后再移架。移架nts 第 62 页 共 83 页 62 完毕后，再将手把放到升柱位置，开启液路，前后柱与前梁千斤顶同时升起，直到顶梁与顶板全面接触。这时应憋压一下，以保证支架对顶 板能达到额定的初撑力。将手把放到停止位置，完成移架动作。顶板破碎的情况下，如果选用具有带压移架系统的支架，操作就更方便，控顶也更有效。 如果顶板平整，条件较好，也可将操纵阀手把支架放到降移位置（如果操纵阀上有这一位置），开启液路，支架处于同时卸载、移架两种状态，等降移动作完成后，再进行升柱动作。如果顶板坚硬完整，条件很好，或顶板高低不平，可选择降前梁、降柱 、移架、升柱的动作方式。总之，移架过程要能适应顶板条件，满足生产需要，加快速度，保证安全。 (2)推溜：当支架移过 8， 9 架后即滞后采煤机滚筒 10 15时 ，即可进行推溜。推溜时，可根据工作面具体情况，采用逐架推溜，间隔推溜或几架同时推溜等方式。为使工作面运输机保证平直状态，支架工推溜时，应注意随时调整步距，使运输机除推溜段有弯曲外，其他部分应保证平直，以利于采煤机工作。 4.1.
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