ZZ4000液压支架总体设计伸缩梁和伸缩千斤顶分析毕业论文.doc

1 绪论1.1 综采机械化采煤综采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。因此，世界主要产煤国家综合机械化采煤技术和装备发展很快，高产高效综采工作面平均日产已达万吨以上，有的已达23万吨，个别的已达4万吨，建设高产高效矿井也成为世界煤炭工业的发展方向。一个年产200万吨300万吨的大型矿井只需布置1个综采工作面，年产400万吨500万吨的矿井也只要布置2个综采工作面即可，高产高效综采矿井已形成“一井一面”或“一井两面”的生产模式。其特点是综采工作面装备采用大功率电牵引采煤机、电液控制的大吨位液压支架及大运量输送机等机电一体化高新技术。这样，矿井生产系统大大简化、生产高度集中、占用设备少，用人少、效率高、安全好、经济效益好，这是目前世界煤炭工业发展的趋势。普通机械化采煤工作面的配套设备，有采煤机、可弯曲刮板输送机和支护设备。因支护设备不同，其机械化程度也不一样。普通机械化采煤采用金属支架加铰接顶梁；高档普通机械化采用单位液压支架加铰接顶梁。普通机械化采煤工作面设备工作时也即采煤时，采煤机为单滚筒采煤机，骑在工作面刮板运输机上，首先沿工作面倾斜向上移动，把靠近顶板的煤采落并装入输送机，采过后裸露出的岩石顶板，用金属支柱和金属铰接顶梁支撑，以保护机器和工人的安全。采煤机采完全工作面顶部煤后，在返回下行采下部的余煤，并把所有落在底板的煤装入输送机。紧跟在机器后用千斤顶把输送机推移至新的煤壁。推移距离等于采煤机滚筒截割深度，也称为步距，一般为0.61.0m。同时把采空区后排支柱和铰接顶梁拆除，让顶板岩石冒落下来，即为回柱放顶。沿工作面全长这一工作过程称为一个工作循环。每个工作面的工作过程都是根据事先编制好的工作循环图表、按照一定程序工作的。回采工作面也可用双滚筒采煤机。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。他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。因而综合机械化采煤少不了要用自移式液压支架。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。因而大大的改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度、有效的增加了劳动安全性，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。综上所述，大力发展综采机械化采煤，研制和使用液压支架式十分关键的。1.2 液压支架总述1.2.1 液压支架使用现状 液压支架的设计、制造和使用，从1954年英国研制成功了液压支架发展到现在，已近基本成熟，它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。从液压支架的形式来看，由支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架又分煤层一次采全高液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状来看，由过去的手工设计、制造和使用发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展和进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过400mm，为减少割煤时间，一般采用0.81m截深。支架还采用屈服强度8001000MPa的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为4050MPa，额定流量400500min可实现工作面成组或成排快速移架，移架速度达到68s架。美国是世界上最先进的采煤国家，澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式液压支架，支架的平均工作阻力为7640KN，英国也大力发展两柱掩护式液压支架，工作阻力有了很大提高，达到60008000KN。1.2.2 液压支架的发展趋势 目前国内外在液压支架的设计、制造和使用中，新产品在不断的改进和研制中，下面做简单介绍。 1）前连杆设油缸的液压支架 2）沿顶板移架的液压支架 3）适应特种条件下的液压支架 （1） 特厚煤层一次采全高液压支架 （2） 新型放顶煤液压支架 （3） 水采支架 （4） 重型支架 （5） 新型端头支架 （6） 大倾角工作面支架 4）液压支架结构设计方向 （1） 轻型化 （2） 标准化 （3） 材质强化 （4） 高压化 5）操纵自动化 能适应无人采煤工作面的需要，设计远程操作的新型全自动液压支架1.2.3 我国液压支架与国外液压支架存在的差距及今后的发展趋势我国液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著的成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产超万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架，铺网支架，两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材的耐压能力一般为16MPa，最好的屈服极限才700MPa，液压系统压力在35MPa以下，流量在200Lmin以内，供液管直径2535mm，回液管直径2550mm，最快移架速度为1012s架，工作阻力更是相对较低。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度大、移架速度快（68s架）和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶数量。另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400Lmin的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需要：系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸的直径将增至360mm，端头支架，轻放多用途支架将被广泛采用。1.3 设计任务及意义1.3.1设计的任务 任务：设计完成ZZ40001222型液压支架总体设计，伸缩梁、伸缩千斤顶的专题设计。1.3.2设计意义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，保证工作人员的安全和个性工作的正常进行，必须对顶板进行支护。液压支架的出现解决了这个问题。液压支架作为综合机械化采煤方式中最重要的设备之一，因而研究液压支架具有重要的意义。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。因此采煤综合机械化，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。液压支架式以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机，大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠性高等优点，它的使用能增加采煤工作亮的产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证生产安全。在综合机械化设备组成中，液压支架的重量约占综采设备总重量的8090，成本占综采设备的70左右。而且，综采工作面的安全性也主要取决于支架的支护效果。因此，为了降低成本，提高开采效益，并使支架的结构与性能适应不同的围岩与煤层条件，各国均在积极开展液压支架的设计、试验和研究。按支架的设定架型、基本结构和一般性能的参数，设计典型支架，设计者根据已有的设计知识与经验，参考现有液压支架的结构与参数，或用类比法来设计支架。国内外整层垮落开采缓后煤层的采面矿压初步研究成果可知：随着采高加大，上覆岩层动压现象仍然存在，且表现频繁；直接顶越稳定，高支架支护效果越好；支架应具有足够的支护力，特别是对老顶来压强烈的顶板；采高加大后，应防止片帮、冒顶，尽力保持支架的稳定性，为此提高支架刚度是十分重要的。2 总体设计2.1 原始资料2.1.1设计题目ZZ40001222薄煤层液压支架设计 专题：伸缩梁、伸缩千斤顶2.1.2设计原始资料架型 ZZ40001222支撑力 4000KN支撑高度 12dm22dm泵站：Pb31.5MPa；400Lmin安全阀调定压力：Pa40MPa2.2主要技术指标2.2.1初撑力 初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。有较大的初撑力可以使支架较快到达工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积的垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75。2.2.2移架力与推溜力移架力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关。一般薄煤层支架的移架力为100150KN，中等厚度煤层支架为150300KN，厚煤层为300400KN。推溜力一般为100150KN。2.2.3液压支架高度、采高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得到变化等因素来确定，其最大和最小高度为 Hm hmS1 （2-1） HnhnS2 （2-2）式中 Hm支架最大高度，由设计题目知：Hm=2.2m； Hn支架最小高度，由设计题目知：Hn=1.2m； hm煤层最大厚度（最大采高）； hn煤层最小厚度（最小采高）； S1 伪顶冒落的最大厚度，一般取0.20.3m； S2顶板周期来压时的最大下沉量，一般取0.20.3m； 移架时支架的最小可缩量，一般取0.05m； 浮矸、浮煤厚度，一般取0.05m。 故最大采高hm1.92.0m 最小采高 hn1.51.6m2.2.4支架的伸缩比 支架的伸缩比指最大与最小高度之比，即 m=Hm/Hn=1.83 （2-3）由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时垛式液压支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式液压支架为2.5；掩护式液压支架可达3.0。本设计的液压支架采用双伸缩带加长杆的立柱。2.2.5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长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用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。因此设计中欲取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170200mm。当支架中心距为1.5m时，最小宽度一般取14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为1.75m时，最小宽度一般取16501680mm，最大宽度一般取18501880mm。当支架中心距为1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度一般取11501180mm，最大宽度一般取13201350mm，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取11501200mm。本设计中心距取1.5m。2.2.6底座长度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。本设计底座长度取2600mm。2.3 液压支架总体设计2.3.1挡矸结构挡矸结构主要包括掩护梁、活动侧护板和四连杆机构等。下面主要说明掩护梁的结构侧护板和四连杆机构的结构。1. 掩护梁的结构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，有直线型，折线型两种。如图21所示，其中21a为折线型，图21b为直线型。折线型相对直线型支架断面大，结构强度高，但工艺性差，所以很少采用。从掩护梁的额宽度方向来分，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。2. 侧护板的结构1）侧护板的种类 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。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。但当该换工作面开采方向时，活动侧护板便位于倾斜方向的上方，给调架、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）侧护板的结构形式侧护板的结构形式如图2-2所示。通常有两种类型。一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型的侧护板又有三种形式，如图2-2a所示，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；如图2-2b、c所示，在顶梁上加设顶板，克服可以上的缺点，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2-2d所示。它克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成三角带易填入碎矸，影响了架间密封效果。3.四连杆机构四连杆机构有两种结构形式。如图2-3所示为前、后连杆式单杆式的结构形式。如图2-4所示为前连杆式单杆、后连杆式整体式的结构形式。前连杆又分为刚性前连杆和伸缩前连杆，如图2-4右所示，伸缩前连杆用油缸来代替。后连杆有直线型和圆弧型，圆弧型有利于矸石下滑。有的支架在后连杆上加侧护板，在后连杆上安装一个侧推千斤顶和两个导向筒。2.3.2控顶距与四连杆机构 1.控顶距为控制顶板的距离，也就是从支架顶梁后端檐到煤邦的距离 2.四连杆机构（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少，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。（2）四连杆机构对液压支架的影响： 1）对支架在调高范围内梁端距的大小有重要影响 2）影响支撑效率 3）双纽线轨迹变化对支架垂直支撑力有重要影响 4）双纽线轨迹影响连杆、掩护梁等连接部件的受力情况（3）对四连杆机构的基本要求 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，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e70mm，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，应满足如下要求：支架在最高位置时，p520620,Q750850；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tanPW0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Q250350,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）掩护梁与顶梁铰点和瞬心中心间的只限于水平线夹角，满足tan0.35。原因是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2-5所示的h段。图2-5支架工作段 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。同时底板防止底座向后移，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。 （4）用几何作图法设计四连杆机构1）确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离 一般同类型支架用类比法来确定，类比ZZ40001735型液压支架分别取值为220mm、260mm。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，几何关系如图2-6所示：图中 G掩护梁长度；A后连杆长度；L2e点引垂线到后连杆下铰点的距离H1支架最高位置时的计算高度；H2 支架最低位置时的计算高度。从几何关系出发可以列出如下两式： （2-4） (2-5)将式2-4、2-5联立可得： (2-6)支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座地面的距离。 按四连杆机构几何特征要求，选定,代人式(2-6),可以求得其比值，由于支架型式不同，一般的比值按以下范围来取： 掩护式液压支架： 0.45-0.61 支撑掩护式液压支架：0.61-0.82 支架最高位置时的计算高度为：本设计支架型号为ZZ10000/22/42型液压支架，故 =2200-220-330=1650mm =1200-220-330=650mm类比ZZ4000/17/35型液压支架取 =75，A=845mm,G=1150mm,实取=0.73 经作图法做四连杆如图2-7所示：ab/G=0.17,ab=195mm,得e=42.14mm.由图可知各项参数符合设计要求，四连杆机构设计参数如图2-7所示。这样，四连杆机构的几何长度及最高最低位置时对应的夹角就确定。该连杆机构不仅能满足工作高度的要求，而且在支架下降时，顶梁前端向前倾斜，这样有利于改善支架的受力。 图2-7四连杆机构2.3.3确定支架的主体尺寸1.底座参数的确定1）底座长度的确定底座是将顶板压力传递到底板相稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够空间用于安装立栓、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作相行走保证支架的稳定性等。通常，掩护式液爪支架的底座长度取移架步距的35倍(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右；支撑掩护式液压支架的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m左右。本支架初取为2.8m。2）底座宽度的确定底座宽度一般为1.11.2m。为了提高横向稳定性，减小对底座的比压，厚煤层支架可达1.3m左右，初取底座宽度为1.3m。2.顶梁参数的确定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的顶梁长度影响很大，如图2-8所示。从图2-8可以看出，先移架后推溜的方式(又称及时支护方式)要求顶梁有较大长度；先推溜后移架的方式(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600mm。2） 顶梁长度计算的有关因素 支架顶梁长度与配套尺寸有直接关系。同时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，又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135150mm，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距离。除此以外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护下工作，以此来计算顶梁长度。3） 顶梁长度的计算由于本设计的支架是支持掩护式，故采用支撑掩护液压支架顶梁长度计算公式：顶梁长度=（配套尺寸+底座长度+）（）+掩护梁与顶铰接点至顶梁后端点的距离式中：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的距离；由1知底座长度为2800mm e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；由四连杆机构的设计知e=42.4mm 、 如图2-6所示，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，=64、=55。掩护梁与顶梁铰接点至顶梁后端点的距离，本设计取200mm。参考以上公式和查阅综采支护手册得，取顶梁长度取3920mm，此外应注意采用及时支护方式，即先移架后推溜，因此要求要求顶梁由较大的长度。4） 顶梁宽度的确定支撑掩护式支架包括侧护板在内的顶梁宽度为1.41.6m左右，下限为侧护板收缩时的运输宽度，1.5为支架正常工作时的宽度，1.6m为调架时侧护板伸出后的最大宽度，取B=1.5m。1. 立柱及柱窝位置的确定1）支架立柱数的确定目前国内支撑式液压支架立柱数为26根，常用为4根；掩护式液压支架为2根；支撑掩护式液压支架为4根。本设计立柱数为4.2）立柱上校窝位置的确定液压支架立柱上柱窝位置的确定原则，从理论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶板载荷分布一致。但顶板载荷复杂，分布规律因支架顶梁与顶板的接触情况而异。为简化计算，假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度力向技线性规律变化，沿支架宽度方向均匀分布。把支架的空间杆系结构，简化成平面杆系结构。同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁长度方向向后越来越大，呈三角形分布，并按集中载荷计算。所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上校窝位置。此时认为支架顶梁承受集中载荷F1在顶梁13处，取顶梁为分离体，受力情况如图2-10所示:对A点取矩：；即整理得： （2-9）式中：x支架后排立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点的距离，m；F1支架支护阻力，Fl，kN； q支架最大支护强度，kN；支护面积，；顶梁长度(不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端的距离)，m；=3.92-0.2=3.72m； ，前、后排各立柱工作阻力之和，kN；顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面的距离，m；取=0.22m立柱上柱窝中心至顶梁顶面的距离，m；取=0.24m,前后排立柱在最高位置时的倾角，W顶梁与顶板间的摩擦系数支护强度q确定 支护强度取决于顶板性质和煤层厚度。可根据下列公式采用插值法计算： （2-10）式中：当支架最大采高为Hm时，支架应有的支护强度，KN/在选择表2-1中的低于Hm但与之相邻的采高相对应的支护强度，KN/在选择表2-1中的高于Hm但与之相邻的采高相对应的支护强度，KN/所对应的采高，m所对应的采高，m； 表2-1支架架型确定参数确定支架支护阻力支架工作阻力应满足顶板支护强度的要求支架工作阻力P应满足顶板支护强度的要求，即P=* KN (2-11)式中：支架的支护面积，可按下式计算：（2-12）式中：L支架顶梁长度，m C梁端距，m B支架顶梁宽度，m K架间距，m由于查表采高2.2m没有具体的支护强度，故用插值法计算 =0.611MP,梁端距C，一般为0.25-0.35m，最大不超过0.4m，取C=0.30m，我国规定支架间标准中心距为1.5m，B+K=1.5m=（3.92+0.3）1.5 =6.33所以， F1=0.616.33KN =3.86KN 立柱工作阻力， 对于支撑式支架，支架立柱的总工作阻力等于支架工作阻力。对于掩护式和支撑掩护式支架，由于受到立柱倾角的影响，支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支架立柱的总工作的比值，称为支架的支撑效率，所以支架立柱的总工作阻力Pt为： (2-13)支撑式支架的效率为100，支撑掩护式和掩护式支架取=80左右。 Pt=3.86100.8Kn=4.8310Kn前后排立柱数相等，初步可设为=2.4210KN 确定 直接支撑的支撑掩护式支架，立柱的倾角较小，且一般后排的立柱的倾角小于前排立柱的倾角；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的夹角小于10（支架在最高工作位置时），因为夹角小，有效支撑力较大。取=5，=3。 确定前后排立柱间距 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液压支架的立柱间距为11.5m，选立柱间距=1.02m。代入公式（2-9）得x=0.430m，取整为430mm。2）立柱下柱窝位置计算 立柱下柱窝位置的确定，要有利于移架，使底座前端比压小。同时考虑柱前行人和支架的调高范围以及下柱窝与前连杆下铰点的距离，一般按支架在最低工作位置时，立柱最大倾角应小于30。来考虑，具体计算如图2-11所示。图2-11下柱窝位置计算图 按几何关系列出的下列诸公式进行计算： (2-14) （2-15)将（2-15）代入（2-14）得：（2-16）式中：H3=H2-(h2+h3) 支架最低位置时，前排立柱倾角，； 前后排立柱下铰点之距，m； 支架最低位置时，后连杆与水平面夹角 支架最低位置时，掩护梁与水平面夹角由立柱上柱窝计算得：=1.02m，h2=0.24m，x=0.43m；由四连杆机构设计知：A=0.845m，G=1.15m，Q2=32.53,P2=24.98。图2-12液压支架总体简图 立柱下柱窝中心至底座地面的距离 按比例类比ZZ4000/17/35型液压支架，取h3=280mm 前后排立柱最低位置时的倾角， 一般按支架在最低工作位置时，立柱最大倾角应小于30来考虑，且一般后排立柱的倾角也应小于前排立柱的倾角。 确定前后排立柱间距 参考矿山机械，一般选取800-950mm，由绘图知=959mm. 确定H3 H3=H2-(h2+h3) =1.2-(0.24+0.28) =0.68m代入公式2-16得x1=0.6065m，取整为：607mm支架总体简图如图2-12所示2.3.4支架受力分析及立柱的负载1.支架受力分析简化为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，现概述下：(1)把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷。(2)金属结构件校直梁理论计算。(3)顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均匀分布。(4)通过分析和计算可知，掩护梁上歼石的作用力，只能使支护架实际支护阻力降低。所以在进行强度计算时忽略不计，使掩护梁偏于安全。(5)立校和短校按最大工作阻力计算。(6)产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，一是由于支架让压凹缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受到一个指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数w一般取0.15-0.3。(7)按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。2.支撑掩护式支架的受力分析与计算 易得： （2-17）首先取顶梁为分离体，如图2-14所示。写出内力xb，yb以及Fn作用点的位置x的表达式。 （2-18） （2-19）（2-20）式中，1，2角可由结构尺寸算出，即为1=5，2=3图2-13支撑掩护式支架整体受力再取掩护梁为分离体，如图2-15所示，写出连杆受力F5，F6的表达式，求出Fn。 （2-21） (2-23) （2-23）图2-14顶梁分离体受力Fn求出后，代入式2-20，可求出x。 （2-24） 再取底座为分离体，如图2-16所示，可求出底板对底座的支撑反力F1及其作用点的位置x： （2-25） （2-26）图2-15掩护梁分离体受力2.立柱的负载 立柱的负载在这里主要计算其实际支护阻力F1，F2，分两种情况。 前后排立柱的实际支护阻力F1、F2，由前面受力分析得出的公式2-23和2-24反求。即为：式中：R顶板对支架的载荷，本设计为4000KN; F1，F2前后立柱的实际支护阻力；F顶梁与顶板之间的摩擦系数，一般取0.10.3，本设计取0.3；1、2前后排立柱的倾角；xR作用线距离顶梁铰点的距离，X=0.900m;W掩护梁上矸石的阻力。、矸石阻力的作用力的作用点的位置确定：x、y方向上矸石作用力就相当于均匀载荷，W的作用点就在掩护梁的1/2处。、矸石阻力W的计算：图2-16底座分离体受力 （2-27） （2-28） （2-29） (2-30)式中：、 x、y方向矸石作用力； H最大采高，本设计为2.2m： 、 掩护梁在x、y方向的投影面积； r矸石容重，2510N/m。、确定掩护梁的面积 由四连杆机构设计知掩护梁的长度1150mm，估计其宽度与顶梁宽度一致，由于工作时有侧护板伸出，所以其宽度就为1.5m。 掩护梁的面积就可以初步估算为F=1.151.5=1.725m最高位置时由四连杆的设计部分知：最高位置时=6.96、1=5、2=3、L=1007.08mm;计算W及其作用线位置：掩护梁在x方向的投影面积：Fx=1.725cos55=0.9894m掩护梁在y方向的投影面积：Fy=1.725sin55=1.4130mx、y方向矸石作用力： =3/42.22.5100.9894 =40.813kN =32.22.5101.413 =233.145KN = =236.69KN =233.145/40.813=5.7125即：=80.071，则W的方向与x轴成80.071角度，从而通过结构尺寸确定出：C=607.11mm代入数据解出：F1=2352.5KN ；F2= 1690.8KN 最低位置时由四连杆的设计部分知：在最低位置时=2.77、1=17.51、2=13.05、L=1676.64mm；计算W及其作用线位置：掩护梁在x方向的投影面积：Fx=1.725cos24.98=1.5636m掩护梁在y方向的投影面积：Fy=1.725sin24.98=0.7285mx、y方向矸石作用力: =3/42.22.5101.5636=64.4985KN =32.22.5100.7285=129.525KN =144.695KN =129.525/64.4985=2.008即：=63.53，则W的方向与x轴成63.53角度，从而通过结构尺寸确定出C=980.74mm,代入数据解出;F1=4113.7KN,F2=1696.5KN2.3.5确定液压缸的行程及结构形式1.液压缸的行程液压缸的行程主要液压支架最低位置来确定。又由于本设计的液压支架分前后排立柱，而且后排立柱较前排立柱要短，因此液压缸的行程由后排立柱确定。此时画液压支架的总装配图的草图以确定液压支架缸的行程，根据液压缸各部分零件的定位要求，一一确定各部分零件的尺寸。例如导向套、卡环、缸盖、卡键、支撑环在满足基本要求下尽量减小横向尺寸缸体、活塞，在满足基本要求的同时尽量增加长度以保证液压缸的行程。通过作总图2-18确定出：一级缸的行程为1000mm。2.立柱的结构形式立柱按动作方式，分为单作用和双作用立柱；按结构种类，分为活塞式和柱塞式立柱；按伸缩方式，分为单伸缩的双伸缩，如图2-17所示：由于液压缸的行程不够，本设计采用双伸缩机械加长型立柱，其特点为： 调高范围比较大，多用于厚煤层支架 有级调高 比三伸缩立柱结构简单、经济。 2.3.6总图及工作原理1.总图如2-18所示：2.液压支架工作原理1）液压支架的动作原理 液压支架在工作过程必须具备升、降、推、移四个动作。这些动作是利用泵站供给高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来实现的。如图2-19所示：(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紧密接触顶板。(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。(3)移架 移架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。(4)推溜 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，是活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。2）液压支架工作特性曲线 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2-20所示：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，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段to,此时支架对顶板的支撑力为初撑力。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称而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用调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，支柱下腔压力增加，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。3） 恒撑阶段随着顶板压力继续增加，立柱下腔压力超过支架的安全阀调正压力，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值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调正压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。此时支架对顶板的支撑力为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。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。2.3.7其它在进行液压支架的整体受力分析时，为了简化受力过程，没有考虑前梁受力以及前梁千斤顶的负载。总体设计时由于时间紧迫，平衡千斤顶也未作设计以及进行受力分析。2.3.8小结通过对液压支架的总体设计，培养了我们的动手设计能力，发现问题和解决问题的能力，提高了理论联系实际的能力，同时也锻炼了我们查阅文献和使用工具手册的能力。设计的刚开始，我们对液压支架只是有初步的认识，对其工作原理和各零部件更是知之甚少；此后通过自己的学习，查阅资料，导师的讲解后对其有了全面的认识。设计过程中也遇到了许多困难，通过老师的讲解给予了及时的解决；有不妥当之处，也通过查阅资料进行了适当的改正。总之，此次的总体设计让我无论在理论知识，还是实际应用都受益颇深。3专题设计3.1专题设计的内容及意义3.1.1专题内容的设计 专题的设计内容为：伸缩梁和伸缩千斤顶的设计3.1.2专题的设计意义带铲煤板的“手套”式伸缩梁，并将伸缩梁体强度加强、行程加长 “手套”式伸缩梁在伸出时，两相邻支架伸缩梁间隙很小，可有效避免架间漏煤、漏矸，有利于阻止片帮。加大伸缩梁的伸缩油缸的缸径，防止受顶板摩擦阻力对它的别卡，无需降架即可实现对采煤机割煤后新暴露的顶板提供立即支护，防止因伸出伸缩梁而降架松动顶板造成冒顶事故。增大对煤壁推力，有利阻止片帮。伸缩梁前端带铲板，可以铲掉采煤机没有切割到的煤矸，防止采煤机切割顶梁下的煤矸而引起冒顶。3.2专题的主体尺寸3.2.1 主题结构分析1.伸缩千斤顶 伸缩千斤顶的结构如下图3-1所示，采用单伸缩型，有缸体、活柱、导向套等主要零部件组成，缸体由无缝钢管加工而成，缸体的下端是和缸体接在一起的，在缸体的下端由孔焊接并焊有管接头作为立柱下腔的进液口，在缸体的上端装有导向套，它为活柱的上下往复导向，为了防止外部煤尘扥发赃物随活柱下缩而进入缸体，在导向套的上端装有防尘圈，为了防止液体从活柱上腔向外泄，在导向套上还装有蕾型密封圈和O型密封圈。（1）缸体 缸体是油缸的承压部件，一般用 27SiMn 无缝钢管制成，缸体的内表面是活塞的密封表面，所以要求的加工精度很高，它的配合精度为H7-H9，表面粗超度为0.4-0.1。（2） 活塞 活塞是立柱的关键元件，对它的主要要求是保证密封件性能良好，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在活柱上，本设计是将活塞直接焊在活柱上，活塞与缸体内径的配合精度一般为H9/f9，粗糙度为0.8-0.4，本设计采用钢制的活塞，在活塞上安装导向环与缸体内径配合，导向环为塑料制品，材料为聚甲醛。 活塞靠密封圈密封，密封圈有O形、Y形、U形、鼓形、蕾形等。本设计主要采用的是蕾形密封圈 。（3） 活柱和活塞杆 活柱是油缸传递机械力的重要零件，它能承受压力和弯曲载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用27SiMn无缝钢管或45号钢制成，本设计采用40Cr制成，活柱与导向套的配合为