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机械毕业设计1669支撑掩护式液压支架总体方案及底座设计说明书.doc
机械毕业设计1669支撑掩护式液压支架总体方案及底座设计说明书
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机械毕业设计1669支撑掩护式液压支架总体方案及底座设计说明书,机械毕业设计论文
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1 前言 综合机械化采煤是煤矿技术进 步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我们 60 年代起 支撑式液压支架，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式支架，这些系列化一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。 至今， 我国煤矿中使有的支架类型很多， 按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头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的位置的支架。 目 前使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。 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 ，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。 本设计论文则设计层煤厚度在 2.5米 到 2.9米 ，老顶级别为三级，直接顶类别为一类的支撑掩护式液压支架的设计。 其架型 特点 支柱两排，每排 1到 2根。多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆 机构。安的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，这类 支架适用于直接顶为中等稳定。老顶有明显或强烈周期来压。瓦斯含量较大的中厚或厚煤层中。因此本设计设计这类支撑掩护式液压支架。 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 2 1.液压支架的 概述 1.1 液压支架的 组成 和用途 1.1.1 液压支架的组成 液压支架由顶梁、底 座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要部分组成。 1.1.2 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 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组合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、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。 1.2 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完成的。 1.2.1 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。 1.2.2 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。 1.2.3 支架和输送机前移 支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成。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对活塞杆腔，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；当需要推输送机时，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，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。 nts 3 支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图 1-1 所示。 图 1-1 支架的工作特性曲线 Fig .1-1 line of support work characteristic t0 初撑阶段 ； t1 增阻阶段 ； t2 恒阻阶段 ； p1 初撑力 ； p2 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，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑力 阶段t0；支架初撑力后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的 安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段 t1；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，使顶板压力减少，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 整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段 t2。 1.3 液压支架设计目的、要求和设计 支架 必要 的 基本参数 1.3.1 设计目的 采用 综合机械化采煤机械方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化设备，迅速综合机械化采煤工作面（简称综合工作面）。而每个综采工作面平均需要安装 150 台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 4 由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不 同 液压支架的需求也不同。为了有效地 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。由于液压支架的类很多，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。 1.3.2 液压支架的基本要求 1)为了满足 采煤 工艺及地制条件的要求，液压支架是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。推溜力一般力为 100KN 左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为 100KN 150KN，中厚煤炭一般为 150KN 至 250KN。厚 煤层一般为 300KN 400KN。 3)防止性能要好。 4)排矸性能好。 5)要求液压 支架能保证采煤工作有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。 6)为了操作和生产的需要，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，能够承受一事实上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 1.3.3 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，验算通风断面。 nts 5 4)底板岩性能及小时涌水量 根据底岩性和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 滑装置 7)井向罐笼尺寸 根据井向罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。 8)配套尺寸 根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。 1.4 液压支架 的 选型 1.4.1 液压支架的支撑力与承载关系 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承载能力。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 1-2所示 图 1-2支撑掩护式支架的受力状况 Fig.1-2 bracing caving shield pressure 1.4.2 液压支架 架型 的分类 按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分 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nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 6 作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。 目前使用的液压支架在分三类即：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。 1) 支撑式支架 支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图 1-3， 前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座坚固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩三石则在顶梁后部切 断垮落。 这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性 能，适用于顶板紧硬完整，周期压 力 明显或强烈，底板较硬的煤层。 a b 图 1-3 a 垛式 b 节式 Fig.1-3 a corduroy b divisional 2)掩护式支架 掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图 1-4所示 顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵 抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。 a b c 图 1-4 a 插腿式支架 b 立柱支在掩护梁上非插腿式支架 c 立柱支在顶梁上非插腿式支架 Fig.1-4 a support b leg piece on support c leg piece on support nts 7 3)支撑掩护式支架 支撑掩护式支架架型主要用：四柱支在顶梁上（如图 1-5a， b所示）；二柱支在顶梁（如图 1-5， c 所示）一 柱 或二柱支在掩护梁上。 支柱两排，每排 1-2 根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价贵，不便于运输。 这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中。 a b c 图 1-5 a 四柱平行支在顶梁上支架， b 四柱交叉支在顶梁两柱在掩护梁上支架 c 两柱在顶梁两柱支在掩护梁上支架 1.4.3 液压支架选型 原则 液压 支架的选型 ,其根本目的是使综采设备适矿井和工作面的条件 ,投产后能做到高产、高效、安全，并为矿井的 集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条件进行选择。 1)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直接选出架型。 2)当煤层厚度超过 2.5m 时，顶板有侧向推力和水平 推力时，应选用抗扭能力强支架一般不宜选用支撑式支架。 3)当煤层厚度达到 2.5 2.8mm 以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式双伸缩立柱的支架。 4)应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。 5)煤层倾角 10时，支架可不设倒滑装置 15 25 度时，排头支架应 设防倒防滑装置，nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 8 工作面中部输送机设防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机调防滑装置。 6)对瓦斯涌出量大的工作面，应 符合保安规程的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。 7)当煤层为软煤时，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；硬煤时，支架最大采高 5m 8)在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。 9)断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露 5 8m2 ,时间在 20min 以上时，暂不宜采用综采。 10)特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。 1.4.4 液压支架设计的原始条件 煤层厚度（ m） 2.5 2.9 老顶级别 直接顶类别 表 1-1适应不同类级顶板的架型和支护强度 Tab 1-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength 老顶级别 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 架 型 掩护式 掩护式 支撑式 掩护式 掩护式或支撑掩护式 支撑式 支撑掩护式 支撑掩护式 支撑或支撑掩护式 支撑或支撑掩护式 采高 2.5m时用支撑式 采高 2.5m 时用支撑掩护式 支 护 强 度KN/M2 支架采高m 1 294 1.3 294 1.6 294 2 294 应结合深孔 爆破，软化 顶板等措施 处理采空区 2 343（ 245） 1.3343(245) 1.6 343 2 343 3 441(343) 1.3441(343) 1.6 441 2 441 4 539(441) 1.3539(441) 1.6 539 2 539 nts 9 注：（ 1）表中括号内 数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。 （ 2） 1.3、 1.6、 2为增压系数。 2.液压支架的整体结构尺寸设计 2.1 液压支架基本技术参数的确定 2.1.1 支护高度 支架高度确定原则，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： 1 大大 hH S1 (mm) (2-1) aShH 2小小 （ mm） (2-2) 式中： 大H-支架最大高度， mm 小H-支架最小高度， mm 小h-煤层最大 高度， 大h=2900 mm 小h-煤层最小 高度， 小h=2500 mm S1-考虑伪项煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取 200-300mm，S1取 200 mm， S2-顶板最大下沉量是，一般取 100 200 mm， S2取 150 mm， a- 移架时支架的最小可缩量，一般取 50 mm， -浮矸石、俘煤厚度，一般取 50 mm， 由式 2 1可得 1 大H 2900 200=3100 mm 由式 2 2可得 小H 2500 150 50 50=2250mm 所以 取 ： nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 10 大H=3100mm 小H=2250mm 2.1.2 支架间距 所谓 支架间距 ，就 是相邻两支架中心之间的距离。 用 bc 表示。 支架间距 bc 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 刮板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， 我国刮板运输机溜槽每节长度为 1.5 米 ，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外， 支架间距一般为 1.5米，本设计取 bc=1.5 m。 2.1.3 底座长度 所谓 底座 ，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。在设计支架的 底座长度时，应考虑以下几个方面：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，即 2.1m 左右；支撑掩护式支架对底座长度取 4倍的移架步距，即 2.4m 左右。本次设计底座为 2.4m。 2.1.4 支护强度 本次设计中支撑掩护式支架的支护强度xq可用插入法求得，按下式计算： 1 121121 )( hh hHqqqq xx （ 2-3） 式中： xq 支架名义支护强度。 （ KN/m2） 1q 采高 1h 所对应的支护强度， 见表 1 1 2q 采高 2h 所对应的支护强度，见表 1 1 1h 1q 对应 的采高 (m),见表 1 1 2h 2q 对应 的采高 (m),见表 1 1 xH 支架的结构高度，在 2h ， 1h 之间。 nts 11 对应最大结构高度mH=3.1m 时 1h =3m 1q =705.6KN/m2 2h =4m 2q =862.4KN/m2 将各数据代入式（ 2 3）得采高最大时支架 支护强度 1 mq=705.6 (862.4-705.6)34 31.3 =721.28KN/m2 2.2 液压支架四连杆机构的确定 2.2.1 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：一是支架由高到低变化时，借助四连杆机构的顶梁前端的运动轨迹呈近似双纽线，从而 使支架顶梁前端点于煤壁间距离的变化大大减少， 提高了管理顶板的性能；二是使支架能承受较大的水平力。 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。这些几何特征是四连杆机构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 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，最好在 30mm 以下。 2） 支架在最高位置和最低位置时 ,顶梁与掩护梁的夹角 P 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=520 620,Q=750 850;支架在最底位置时 ,为有利矸石下滑 ,防止矸石停留在掩护梁上 ,根据物理学摩擦理论可知 ,要求 tgP W,如果纲和矸石的摩擦系数W=0.3,则 P=16.70.而 Q 角主要考虑后连杆底部距底板要有一顶距离 ,防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般去 Q=250 300，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下绞点的高度。 3） 从 图 2-1可知 掩护梁与顶梁绞点 e 和瞬时中心 O之间的连线与水平的夹角 Q。设计时，要使 Q 角满足 tgQ 35.0 的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 12 图 2-1四连杆机构几何特征 Fig.2-1fore rods geometry feature line 4） 顶梁前端点晕运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最佳工作段，如图 2-1所示的h段。其原因是顶板来压时，立柱让下缩，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少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁外负载。 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 e值减少。当已知掩护梁和后连杆的长度后，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，如图 2-2所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构） 图 2-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 Fig .2-2 caving lock piece and rod mechanism nts 13 2.2.2 四连杆机构的几何作图法 四连杆机构设计的几何作图法按如下步骤 进行。 1）确定掩护梁上绞点至顶梁面之距和后连杆下绞点至底座底面之距。 一般按同类型支架用类比来确定，关于这 两个尺寸的大小对支架受力的影响，后面进行专门研究。 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。 图 2-3 掩护梁和后连杆计算图 Fig .2-3 caving lock piece and after rod map 设 ： G-掩护梁长度（ mm） A 后连杆长度（ mm） L2-e 点垂直线到后连杆下铰点之距，（ mm） H1 支架最大计算高度，由下式求得 H1=H 大 220 150=3100 220 150=2730（ mm） 其中： 220（ mm）是 后连杆下铰点与底平面之距； 150（ mm） 是掩护梁上铰点与顶梁上平面之距 2H 支架最小计算高度。由下式求得 2H = 小H -220 160=2250 220 150=1880（ mm） 其中： P1 支架最高 位置时，掩护梁与顶梁夹角 (度 ) nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 14 P2 支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角 (度 ) Q1 支架最高 位置时，后连杆与底平面夹角（度） Q2 支架最低位置时，后连杆与底平面夹角（度） 从几 何关系可以列出如下两式： 1 G.COSP1-A.COSQ1=L (2-4) G.COSP2-A.COSQ2=L (2-5) 将以上两式联立可得： 1 1212 c o sc o s c o sc o s QQ ppGA (2-6) 说明： 支架计算高度为支架高度减去掩护梁上绞点至顶梁顶面之距和后连杆 下绞点至底座底面之距。 按四连杆机构的几何特征要求，选定 P1,Q1,P2,Q2代入（ 2-6）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。 对于支撑掩护式支支架， A/G值应满足如下范围： 1 A/G=0.61 0.82 支架在最高位置时有： 111 s ins in QAPGH （ 2-7） 因此掩护梁长度为： 111 s in)./(s in QGAp HG （ 2-8） 后连杆长度为： A=G(A/G) （ 2-9） 根据 A/G的比值和（ 2-7）式可以求得掩护梁的长度 G和后连杆长度 A，经过取整后，再重新算出 P1,Q1,P2,Q2的角度，这几个参数就确定了。 具体结果见表 2 1 2.2.3 几何作图法作图过程 nts 15 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。 具体作图步骤如下： 1)确定后连杆下铰点 O点的位置，使它比底座面略高 200 250mm（或类比同类型支架确定） 2)过 O点 作与底座面平行的水平线 H H 线。 3)过 O点作与 H H线的夹角为 Q1的斜线。 4)在此斜线截取线段 oa ， oa 长度等于 A,a点为支架在最高位置时后连杆与掩护梁的铰点。 5)过 a点作与 H H线有交角 P1的斜线，以 a点为圆心，以 G点为半径作弧交些斜线一点 e此点为掩护梁与顶梁的铰点。 6)过 e点作 H H 线的平行线，则 HH 线与 F F 线的距离为 H1，为液压支架的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 O点作与 H H线夹角为 Q2的斜线。 9)在此斜线上截取线段 oa . oa 的长度等于 A， a点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 10)过 a点作与 H H线有交角 P2的斜线，以 a点为圆心，以 G 为半径作弧交些斜线一点 e，此点为支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。 11)以 a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，为支架在最 低位置时前连杆上铰点的位置。 12)取 ee 线之间一点 e为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。 13)以 O为圆心， oa 为半径圆弧。 14)以 e点为圆心，掩护梁长 ae 为半径作弧，交前圆弧上一点 a，以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。 15)以 ea 连线，并以 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 ，前连杆上铰点。 16)由 b， b ,b三点确定的圆心 C，为前连杆下铰点位置。 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 16 17)过 C 点 H H 线作垂线，交点 d，则线段 oa ,ab ,bc ,cd ,和 do 为液压支架四连杆机构。 18)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 e的运动轨迹，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，再按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。 图 2-4 液压支架四连杆机构的几何作图法 Fig .2-4 hydropost fore rod is geometry map method 按以上作图步骤，作 四组不同的连杆机构几何分析图分别求出相关的参数和尺寸。在设计实践中，可以 把硬纸按 1： 10或 1;5的比例剪成掩护梁和前、后连杆三个板块，再根据前连杆下铰点 C点的位 置，前、后连杆长度，曲线最大宽度，曲线的形状以及角的要求，不断调整三个板快的位置，一直找到合适的几何尺寸为止。 下面是四组四连杆机构的尺寸图（ 2-5a、 b、 c、 d） 以及各个 尺寸及参数 （见表 2-1所示）。 nts 17 图 a 图 b nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 18 图 c 图 d 图 2-5四连杆机构尺寸图 Fig .2-5fore rod geometry map nts 19 表 2-1 tab 2-1 项目 组数 支架在最高位置时 P1 600 610 610 620 Q1 820 830 830 810 支架在最低位置时 P2 260 270 260 250 Q2 310 300 330 370 1212 c o sc o s c o sc o s QQ ppGA 0.627 0.629 0.630 0.629 111 s in)./(s in QGAp HG （ mm） 1865 1850 1857 1857 前后连杆在掩护梁上铰点之距 ab （ mm） 610 555 567 608 瞬心角 120 110 150 170 前后连杆在底座上铰点水平之距do (mm) 670 680 710 724 前后连杆下铰点到底座平面之距cd (mm) 521 538 610 546 前连杆长 bc (mm) 1213 1215 1320 1322 A=G(A/G) (mm) 1143 1163 1163 1168 前后连杆长比值 1.06 1.04 1.13 1.21 支架顶梁前端运动双纽线最大宽度 e（ mm） 38 30 45 42 注：根据四连杆机构的几何特性和约束条件进行选择，从中选出一组。通过比较，本设计选取方案 2.2.4 四连杆机构的优选设计法 掩护式与支撑掩护式液压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。为此，如何优选设计四连杆机构尺寸的意义重大。 1） 目标函数的确定 根据附加力对 支架受力影响的分析，为减少附加力，必须使 tg 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nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 20 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切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高度到低变化时， 顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函为输，这两项要求都能满足。 2）约束条件是根据 tg值的要求和支架的结构尺寸关系定出来的 a)前后连杆的比值范围。根据现有支架调查统计，前后连杆的比值 C/A=0.9 1.2范围 b)前连杆机构高度不宜过大，一般应使 D H1/5 c)前后连杆下铰点的水平距离 E的长度，一般应使 E H1/4.5 d)对掩护式支架应 tg 0.2 2.3 液压支架配套设备和顶梁参数 的确定 2.3.1 采煤机和 运输机型号的确定 根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为： 采煤机： MLS3PH-170 型 运输机： SGWD-180PB型 1） 配套尺寸 .配套图的确定 配套尺寸的确定，由图 2-6可知 配套尺寸 2 E=650 377 730 352=2109（ mm） 2)液压支架配套关系图 ,如图 2-6所示。 图 2-6 液压支架配套关系图 Fig.2-6 hydraulic pressure map 2.3.2 顶梁的确定 nts 21 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以外，还要保证支护顶板的需要。 1)顶梁的作用 及用途 顶梁作用是 支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的连接点。 用途： a.用于支撑维护控顶区的顶板。 b.承受顶板的压力。 c.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。 2)顶梁的结构型式的确定 支撑掩护式支架的顶梁较长 ，为了改善顶梁的接顶状况，增大梁端支撑力，这类支架采用分段组合式顶梁，它有以下几种组合型式： a)铰接前梁的刚性顶梁 铰接前梁的刚性顶梁，如图 2 7 a所示，该结构 顶梁分前后梁并铰接，在铰接前梁设有前梁千斤顶，支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以调整前梁的上下摆角，以适应顶板不平的变化。 b)伸缩前探梁的刚性顶梁 伸缩前探梁的刚性顶梁，如图 2 7 b 所示，该结构前梁有伸缩千斤顶使它伸缩，因此及时伸出支护刚暴露的顶板，从而可使顶梁长度减小，也可使用前梁千斤顶和伸缩千斤顶，使前梁即可伸缩又可以上下摆动。 a b 图 2 7 支撑掩护式顶梁的结构形式 Fig.2-7 bracing caving shield construction 1 前梁 2 后梁 3 前梁千斤顶 4 前梁伸缩千斤顶 以上二种顶梁型式比较，本设计选用铰接前梁的刚性顶梁的结构型式。 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 22 2.3.3 对顶梁长度的影响 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，从液压支架的工作原理可以看出，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 600mm。 2)配套尺寸对顶梁长度的影响 设备配套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 300mm， 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 135 150mm 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的距离。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，在此来计算顶梁长度。 2.3.4 顶梁主要尺寸的确定 1)顶梁长度 Lg2 顶梁长度 =配套尺寸底座长度 AcosQ1 GcosP1 300 e (2-10)式中： 配套尺寸为 2109 mm， 底座长度为 2400 mm， P1=610 Q1=830 代入公式（ 2-10）中得 Lg=2109 2400 1163 cos830 1850cos610 300=3454.3mm 取整为 3454mm 2)顶梁面积 A A=LgB (2-11) 式中： Lg 顶梁长度 mm, B-顶梁宽度 mm,在 本 次设计中顶梁宽 度为 1500mm, nts 23 代入公式（ 2-11）得 A=34541500=5.18 m2 3)支护面积 Fc Fc = Bc(Lg )m2 (2-12) 式中： Fc 支护面积 m2 ， 移架后顶梁前端点到煤壁的距离 m,一般 =0.3 Bc 支架间距（支架中心距），一般为 1.5m 代入公式 (2-12)得： Fc = 1500(3454 30)=5.22 m2 4)支架的理论 支护 阻力 F1 2 F1=Fcqx （ 2 13） 式中 : F1 支架 的理论 支护 阻力， KN Fc 支护面积 m2 qx 支护强度 KN/M2 支架在最高处的理论支护阻力为： F1=5.22721.28=3765.08（ KN） 5)顶板覆盖率 =A/Fc100% (2-14) 式中： 顶板覆盖率 A 顶梁面积 m2 Fc 支护面积 m2 代入式（ 2 14） 得 =5.18/5.22100%=99.23% 6)顶梁其它有关尺寸的确定 确定立柱上绞点，前梁千斤顶绞点、前后梁绞点、掩护梁与顶梁绞点位置（包括水平方向和垂直方 向）各尺寸如图 2-8所示 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 24 图 2-8 支架结构尺寸总图 Fig.2-8 hydropost geometry map 2.4 掩护梁的结构 及参数的确定 2.4.1 掩护梁 的作用和用途 掩护梁是支架的掩护构件，它有承受冒落矸石的载荷和顶板通过顶梁传递的水平载荷引起的弯矩 ， 掩护梁的用途 ， 掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩。掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸性能。 2.4.2 掩护 梁的结构 型式 掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，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。有的支架在掩护梁上焊有立柱柱窝。活动侧护板装在掩护梁的两侧。 从侧面看掩护梁，其形状有直线型、折线型。如图 2-9所示。 nts 25 图 2-9 掩护梁结构型式 Fig.2-9 caving lock piece mechanism method 1 顶梁； 2 掩护梁； 3 立柱； 4 前连杆； 5 后连杆； 6 底座； 7 限位千斤顶梁的结构型式 折线 型 相对直线型支架端面大， 结构强度高，但 工艺性差。 所以很少采用， 从掩护梁的宽度 方向来分，可分为整体式和对分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度差。所以本次设计采用的是整体式、直线型。 2.4.3 掩护梁的参数确定 1） 掩护梁的长度 G 掩护梁就是两铰点的距离，由前面的四连杆机构可得知，掩护梁长度为 1850mm。 2） 掩护梁宽度 By 本设计掩护梁宽度与顶梁宽度相同，所以掩护梁宽度为 1500mm。 3） 掩护梁上前后连杆铰点位置 通过比较，可确定前后连杆铰点位置（水平和垂直方向）具体尺寸可以通过图 2 8中掩护梁部分 所知 。 2.5 立柱 及 主要参数的确定 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。 2.5.1 立柱布置 1)立柱数 目前过内支撑式支架立柱数为 2 6 根，常用为 4 根；掩护式支架为 2 柱；支撑掩护nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 26 式支架为 4柱。 2)支撑方式 支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于 300（支架在最低位置时），由于角度较大，可使 调高范围增加。同时由于顶梁较短，立柱倾角加大可 以使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增大。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱轴线与顶梁垂线夹角小于 100（支架在最高位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较大。 3)立柱间距 立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、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。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为 1 1.5m。 4)立柱类型 立柱按动作方式，分为单作用和双作用；按结构分类，分为活塞式和活柱式；按伸缩方式分为单身缩和双伸缩，如图 2-10所示 a b c d e f 图 2-10 立柱类型 Fig.2-10 coal sorting a 单作用活塞式； b 单作用柱塞式； c 双作用活塞式； d、 e、 f 双伸式 nts 27 2.5.2 立柱主要参数确定 1)立柱缸体内径和活塞外径 a.立柱缸体内径的确定 Dd= mndPaFm co s/40 （ 2-15） 式中： D 立柱缸体内径 mm F1 支架承受的理论支护阻力 KN n 每架支架立柱数 Pa 安全阀的正压力， pa=40mpa m 立柱最大倾角（度） 代入公式（ 2-15）得 Dd= 5co s40414.3/08.3 7 6 540 =189mm 查表取整为 200mm。 2).立柱初撑力和工作阻力 a.初撑力 柱初P=/4.Da2.Pb（ 2-16） 式中： 柱初P 立柱初撑力 KN Peb 泵钻 压 力 Pb=35(Mpa) 代入公式（ 2-16）得 3 柱初P=3.14/4200035=1099.0（ KN） b.立柱工作阻力 柱初P=/4.Da2.Pa （ 2-17） 式中：柱P 立柱工作阻力， KN Pa 安全阀调整压力，取 Pa=40Mpa， 代入公式（ 2-17）得 柱P=3.14/200240=1256(KN) 2.6 千斤顶的技术参数确定 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 28 框架连接方 式推移 千斤顶 ， 动作原理如图 2-11 所示 , 由于掩护式和支撑掩护式支架重量较大 ,为了提高移架力 ,就要增加缸径或提高供液压力。如果采用 直接推移方式，在提高移架力的同时，推溜力也将增加，这样有可能把溜槽推坏，为了解决这个问题，就要设计成移架力大于推溜力的结构形式，框架连接方式 就 是其中一种。 2.6.1 框架连接方式 推移千斤顶的动作原理 当 缸体后腔进液，前腔回液，活塞杆伸出而移架；当缸体前腔进液，后腔回液，缸体前移通过框架而推溜，由于缸体后腔面积大，所以，框架连接可以使移架力大于推溜力。 图 2-11 框架连接方式 动作原理 Fig.2-11 principle of bar method 1推移千斤顶； 2活塞杆与支架连接处； 3输送机； 2.6.2 框架连接方 式推移千斤顶 1)框架连接方 式推移千斤顶的缸体内径按下两式联立求得 3 Dt= 2/4 dPFb 移(2 18) d1 =bPF /4 推(2 19) 式中： Dt 推移千斤顶缸体内径 mm dt 推移千斤顶活塞杆直径 mm 移F 推移千斤顶移架力， KN，一般取移F=150 250 KN，本次选移F为 200KN 推F 推移千斤顶推溜力， KN 一般取推F=100KN Pb 推移千斤顶处泵站来压 Pb=32.6mpa，取为 32mpa nts 29 将推F代入 2-19公式得 4 d1 =bPF /4 推=63.09mm 将移F代入 2-18公式得 4 Dt= 2/4 dPFb 移=109.22mm 式中 Dt、 d1 取整标准值为 Dt= 110mm.d1 =63mm. 2)推移千斤顶的推溜力和移架力 a)推溜力 推F=/4.dbP.2=3.14/463232=99.70 KN b)移架力 移F=/4(DbPd )22=3.14/4(1102 632)32=204.25 KN 2.7 侧护板 2.7.1 侧护板的种类 1） 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或活动侧护板。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。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，所以很少采用。 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。 2.7.2 侧护装置的作用 1)消除相邻支架掩护梁和顶梁间 的间间隙，防止冒落矸石进入支护空间； 2)作为支架移架的倾倒； 3)防止支架的倾倒； 4)调整支架间距 nts支撑掩护式液压支架总体方案及底座 设计 30 2.7.3 侧护板的结构 和 型式 侧护板的结构型式如图 2-12所示。通常采用两种类型。 一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板又有三种型式，图 2-12a，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；图 2-12b、 c，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。 另一种是铰接式侧护板，如图
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