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毕业设计（论文）中期报告题目 :掩护式液压支架的设计与分析1. 设计（论文）进展状况1.1 通过查阅书籍资料，确定液压支架的选型1）给定参数中顶底版性质：老顶 I 级、直接顶 2 级，底板平整，无影响支架通过的断层，初步选择为掩护式支架。2) 给定煤层厚度为 46m，因此本次设计应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。3）给定煤层倾角5，故不用设置防滑和调架装置。1.2 液压支架相关参数的选择和计算1）确定支架结构参数的原则 要满足配套设备 (采煤机、输送机 )的相关要求； 与支架的工作方式 (即时支护或滞后支护 )相适应； 结构紧凑，行人操作方便； 支架的工作稳定性好。2) 主要参数最小高度 ： Hmin2550mm最大高度 ： Hmax5500mm工作阻力 ： 2 3926 kN立柱缸经 ： 345mm支护宽度 ： 1750mm3）支架的伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值即：m = kmax / kmin 支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大的调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般支架最大高度和最小高度的比值的范围是 1.5 至 2.5。经计算，设计支架的伸缩比 m2.16。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；使于人员操作和行走，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 ，即 左m6.01.2右。 1.3 查阅资料，进行液压支架的主要部件设计 参照液压支架 ZY7852/25.5/5501）前梁前梁为由 钢板焊接而成的箱体结构，前面连接护帮板，后面与主顶梁铰接，Mn6下部焊有耳座连接前梁千斤顶，可以上下摆动。前梁的前后销孔中心之间的距离为，宽度为 ，厚度为 ，与前梁千斤顶铰接的耳座孔孔径 ，m50m13020 m70前部也焊有与护帮板千斤顶铰接的耳座。主筋为 的钢板，加强板为 的钢m302板。2）顶梁顶梁后面与掩护梁铰接，下面由立柱支撑，上与顶板直接接触，做成箱体结构，不但要满足一定的刚度和强度的要求，还要适应顶板的不平整性，避免局部应力过大而损坏。顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。一般前、后柱窝断面为最危险断面，断面安全系数 ，它可多次反复支撑顶煤，以利于放煤。1.n顶梁装有侧护板，一侧装有侧推千斤顶和弹簧，防止架间漏煤、矸石及调节支架间距。顶梁基本尺寸：长度 ;宽度，侧护板缩回时 ；全部伸出时为m184m130；上下面厚度 ；与前梁连接用销孔直径 ,与掩护梁连接用销孔m160306直径 ,安装前梁千斤顶用销孔直径 。8543）掩护梁掩护梁下部与前、后连杆相连，下端与尾梁铰接，还设有尾梁千斤项的耳座。用于承受部分煤、矸载荷，防止其窜入后输送机的工作空间，保证支架、后输送机正常运行。掩护梁受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。掩护梁做成箱体结构，尾部有伸缩插板式和在下端铰接一伸缩尾梁式，它装有侧护板作用与顶梁侧护板相同。侧护板的横向宽度，要稍大于移架步距，这样移架时能与不动的邻架间保持封闭。掩护梁的主要结构尺寸如下：全长 ，两耳座之间的水平距离为 ，m380 m719宽 ，厚 ，上方用 90 销轴与顶梁铰接，尾部用 的销轴与尾m13023080梁铰接，与前连杆铰接用的销孔直径为 110 ，与后连杆铰接用的销孔直径为。4）连杆连杆分前连杆与后连杆，前连杆有一根，后连杆有两根，两端都有销孔，用于与掩护梁和底座的铰接，前连杆长 ，前后销孔的直径为 ，厚 ，m180m65207宽 ，主筋为厚 的钢板，加强板的厚度为 ；后连杆两边中心孔中心m3503020之间的距离为 ，销孔直径为 110 ，钢板材料均为 。21Mn15）底座底座为整体式刚性底座，四连杆机构铰接在底座后部，在两内主筋中间形成的较高的铰点位置，这主要是为了形成足够的后工作空间，在不影响人行通道的基础上，前、后连杆铰接点应尽量前移。在两内主筋间下部布置有推拉装置。有四个球面柱窝与立柱缸底相连，在底座侧面靠前位置设有拉后输送机千斤顶的可拆装固定耳座。该底座整体性强，稳定性好，比压小。为方便行人及工作人员操作，立柱距底座前端点的距离为 ，前连杆与m6.1307后连杆下铰点的水平距离为 ，底座全长 ，底面宽 ，中间为m2.769365安装推移千斤顶留有推溜槽。6）立柱立柱采用单作用、活塞式、双伸缩的型式。由缸体、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焊接球形缸底，在缸底上钻有孔并焊有管接头作为立柱下腔(活塞下部空腔)的液口。在缸体的上端装有导向套，它为活柱的上下往复运动导向。为了防止外部煤尘等脏物随活柱下缩而进入缸体，在导向套的上端装有防尘圈，为了防止液体从立柱上腔(活塞上部环形空间)向外泄漏，在导向套上还装有蕾形密封圈和 O 形圈。缸体上部钻有螺纹孔并焊有管接头，与上腔相通，作为立柱上腔的液口。立柱的主要参数为：内径 ，杆径 ，选用管材为 ,工作阻m140160m2845力为 ，初撑力 ，工作阻力为 立柱调高范围为KN1746KN7.8KN4.973m5021.4 相关 CAD 图纸的绘制根据计算和查阅资料所得支架各部位的尺寸，绘制的 CAD 图如下：1）掩护式液压支架整体结构图 2）底座结构图2.存在问题及解决措施在中期答辩之前，通过查阅资料和计算，我完成了液压支架的选型和整体结构的设计。由于知识和能力有限，在如下方面还存在一些问题：注：1）正文：宋体小四号字，行距 20 磅，单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。2）中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。1）四连杆机构的优化设计2）立柱及柱窝位置的确定3）千斤顶位置的确定4）支架的受力计算对于存在的问题都将寻找相关文献和资料进行相关的选取与计算，并向老师和同学请教，将问题一一解决。3.后期工作安排1) 进行支架的受力分析及计算、主要零部件的强度校核、液压系统的设计2）完成支架的装配图绘制，完成底座、立柱的设计图，完成液压系统设计图3）撰写毕业论文，准备最终答辩指导教师签字：年 月 日毕业设计(论文)开题报告题目：掩护式液压支架结构的设计与分析 开 题 报 告 填 写 要 求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴） ，完成后应及时交给指导教师审阅。3.开题报告字数应在 1500 字以上，参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少 3 篇） ，文中引用参考文献处应标出文献序号， “参考文献” 应按附件中参考文献“ 注释格式”的要求书写。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008 年 11 月 26 日” 。5.开题报告增加封面，封面格式：题目：宋体，加粗，二号；系别等内容格式：宋体，四号，居中。1 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景及研究意义 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，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。为了满足煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面（简称综采工作面） 。而每个总裁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。由于不同采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。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。由于液压支架的类型很多，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。本课题设计的是掩护式液压支架，它的特点是：顶梁的作用力均匀，结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调高范围大；对煤层厚度变化适应能力强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小；这类支架适用于支撑顶不稳定或中等稳定的煤层。1.2 液压支架的发展趋势近几年来，为适应采煤综合机械化的发展需要，液压支架获得了迅速的发展，出现了很多类型，据统计，它的结构形势已达数百种。每种支架的支柱从 1 根导 8 根，支撑力从 50 吨到 800吨，支架适应煤层厚度的范围由 0.6 米到 5 米，也以至更厚的煤层，适应煤层倾角由 0到 45，甚至 70左右。在缓倾斜薄及中后煤层中，液压支架已获得广泛的应用，但是由于煤层赋存条件复杂，支架的结构还不够完善，设备需要管理和操作经验，所以液压支架的使用范围仍受到限制1。为了改进支架的支护性能，提高它对不同矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前液压支架有下列几方面的发展动向：1) 大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其它形式的支架，应用逐渐减少。1976 年国际采矿设备展览会展出的 89 种液压支架中，有 80是掩护式支架，这些支架的主要特点是：采用四连杆机构，使梁端和煤壁之间的距离基本保持恒定；支柱支在顶梁上，提高了支架的工作阻力；顶梁和掩护梁铰接，取消了两者间易被矸石堵赛的三角区；掩护梁和顶梁的主梁部分均装设侧护板，提高了支架的防护能力；采用整体自移式，便于支架操作和实现自动控制。2) 液压支架的进一步发展，是着重解决扩大使用范围的问题。目前，各国正在研制大倾角、大采高、大截深和薄煤层支架，并使支架和采煤机更好地配合。近几年来，国外正在研制一次截深 1.5 米左右或一次采高 5.5 米的液压支架。同时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。3) 采用高压乳化液泵，以提高支架的初撑力，很多国家使用的泵站压力已达到 300 公斤/厘米 2 以上。4) 为了简化支架管路系统和便于安全操作，开始采用“多芯管”先导式邻架控制的操纵方式。5) 为加快支架移设速度，进一步改善操纵条件，支架控制正在向自动控制方向发展。目前，分组程序已开始使用，全工作面的自动控制还处在研究阶段。6) 液压支架结构设计的方向:轻型化、标准化、材质强化、高压化。1.3 我国液压支架与国外液压支架的差距1）生成能力上的差距：我国目前大部分支架的可靠性与国外差距比较大。进口支架工作面开机率达到 90%以上，日产达到了 30000t，年产达到 10Mt，支架大修周期为产煤 15Mt 以上。而我国目前综采工作面开机率平均为 50%左右。支架大修周期为产煤量在 45Mt 左右 3。 2）支护性能参数的差距：发达国家在设计指导思想方面大多主张大马拉小车，支架的工作阻力与支护强度普遍较大。工作阻力一般都在 7000KN 以上，最高达到 10000KN，而我国目前支架的工作阻力与国外相比普遍偏低，平均在 40005000KN，相差 30%左右。另外，国外支架中心距普遍采用 1.75m，个别达到 2m，我国支架中心距绝大多数为 1.5m3。3）结构件材料的差距：目前国外 s700800MPa 的钢材以广泛应用，而我国普遍使用的是 s450MPa 以下的钢板，相差 30%40% 5。4）控制系统方面的差距：目前世界上一些发达国家支架的控制系统已广泛采用电液控制系统，而我国目前很少采用电液控制，绝大部分为手动。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快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速度，尽量采用整体可靠的掩护梁、前后连杆和底座组成的四连杆机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为 40MPa、额定流量为 400L/min 的高压大流量乳化泵站 8，以适应快速移架的需要；系统采用环形或双向供液，以保证支架有足够的压力达到初撑力，使支架接顶位置准确，两柱掩护式支架的比重将大大增加。支撑力大、移架速度快、重量轻、用材少、安全性能高的支架将得到广泛应用。2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案或措施2.1 研究的主要内容1）液压支架的顶梁、掩护梁和底座的设计2）四连杆机构的选择与设计3）液压支架的立柱与千斤顶的设计4）液压支架的受力分析5）液压支架的强度计算掩护式液压支架的整体结构简图如下：1.顶梁 2.掩护梁 3.立柱 4.前连杆 5.后连杆 6.底座 7.限位千斤顶图 1.1 掩护式液压支架整体结构简图2.2 研究方案由于该煤层厚度适中，选用掩护式液压支架。煤层厚度介于 之间，煤层厚度变化较大，m64选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。支架采用正四连杆机构，以改善支架受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。为了提高移架速度，确保对顶板的及时支护，采用锥阀液压系统。3 本课题研究的重点及难点，前期已开展的工作本课题的重难点是液压支架的主要部件的设计及四连杆机构的选择与设计，前期液压支架整体结构的设计的工作已展开，后期将进行支架的受力计算、液压支架的主要部件的设计（包括前梁、主顶梁、掩护梁、前后连杆、底座、立柱、千斤顶） 、并进行强度校核，最后运用 AUTO-CAD 作出整体结构和主要部件的二维图。4 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）第 12 周：收集与课题相关资料、文献，所需软件的了解与准备；第 34 周：查阅资料，绘制掩护式液压支架整体结构简图，完成开题报告； 第 56 周：掩护式液压支架设计思路的明确、设计方案的确定； 第 78 周: 掩护式液压支架的受力分析及计算；第 910 周：掩护式液压支架主要部件（前梁、掩护梁、连杆、底座、立柱、千斤顶）的设计，并完成中期答辩；第 1112 周：掩护式液压支架各部件的强度校核第 1314 周：运用 AUTO-CAD 绘制支架整体结构图和重要零件图；第 15 周：撰写设计说明书，准备毕业答辩。 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日参考文献1 鲁忠良,景国勋 ,肖亚宁.液压支架设计使用安全辨析M.北京：煤炭工业出版社，2006.2 王国法.液压支架技术M .北京：煤炭工业出版社， 1999. 3 赵宏珠.液压支架工作阻力M .北京：中国矿业大学出版社， 1988.4 程居山主编.矿山机械徐州：M.中国矿业大学出版社，2005.5 朱真才主编.采煤机械与液压传动M .徐州：中国矿山大学出版社， 2005.6 王建明主编 .液压支架与泵站维修工艺技能M.北京：中国劳动社会保障出版社.2008.7 全国职业技能培训教学工作指导委员会每台专业委员会编，液压支架与泵站. J.北京：煤炭工业出版社，2009.8 王国彪，饶眀杰 .液压支架优化设计与计算机模拟分析M.北京：机械工业出版社社.1994.9 人力资源和社会保障部教材办公室组织编写.液压支架与泵站G .北京:中国劳动社会保障出版社.2009.10 丁绍南编著.液压支架设计M.世界图书出版社.1991.11 陈亮亮.掩护式液压支架四连杆机构的优化设计G.江苏： 中国矿业大学 机电工程学院，1997.12 朱纯才.普通掩护式液压支架的设计研究J .清华大学学报， 1999. 13 王永军.支撑掩护式液压支架受力分析M .北京：中国矿业大学出版社， 2005. 14 唐燕玲. 支撑掩护式液压支架的结构特点及合理应用 J.北京大学学报，1998.15 刘国军.掩护式液压支架杆件机构优化探讨M .北京：高等教育出版社，1988.16 张磊,张力GZM 一 150111 型振动给料机G .山东煤炭科技 ,1998(4)：41-42.17 Hydraulic supports development and perspective domestic and foreign hydraulic support development outlineJPowder Technology,2000,V01108(1)：l-5.18 Piatkowski T,Sompruch J.Model of process of load unitstream sorting by means of flexible active fenceJ.Mechanism and Machine Theory,2008,V01.43(5)：549-564.19 Kawamoto H.Some techniques on electrostatic separation of particle size utilizing electrostatic travelingwave fieldJ.Jonmal of Electrostatics,2008,V01.66(3-4)：220-228.本科毕业设计(论文) 题目：掩护式液压支架的设计与分析 掩护式液压支架的设计与分析摘 要本论文主要阐述了一般掩护式液压支架的设计过程。设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计、主要零部件的校核和液压系统的设计。由于该煤层厚度适中，选用掩护式液压支架。煤层厚度介于之间，煤层厚度变化较大，选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。支架采用正四连杆机构，以改善支架受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。为了提高移架速度，确保对顶板的及时支护，采用锥阀液压系统。关键词：液压支架；液压；四连杆机构 Shield Hydraulic Support Design and AnalysisAbstractThe article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design.Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the 46 rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system.Key word: The hydraulic pressure support ; Hydraulic pressure ;Four-link mechanism 目 录1 绪论11.1液压支架的发展概况11.2液压支架的分类21.2.1支撑式液压支架21.2.2掩护式液压支架21.2.3支撑掩护式液压支架21.3液压支架的组成及工作原理31.3.1液压支架的组成31.3.2液压支架的工作原理31.4液压支架的研究与发展趋势52 液压支架结构设计72.1液压支架的基本要求72.2确定液压支架结构参数72.2.1确定结构参数的原则72.2.2主要参数72.2.3支架的伸缩比82.2.4支架间距82.2.5梁端距82.2.6顶粱长度92.2.7顶粱宽度92.2.8底座形式的选择92.2.9底座的长度102.2.10护帮形式的选择102.2.11 侧护板的长度112.2.12 顶板覆盖率112.2.13 立柱布置122.3 四连杆机构的设计122.3.1四连杆机构设计要求122.3.2四连杆机构设计122.3.2四连杆机构的优化163 液压支架强度设计203.1 液压支架的受力分析简化203.2支架基本参数203.2.1支护面积203.2.2支护强度203.2.3立柱的技术参数213.2.4推移千斤顶的缸径的确定213.2.5提底千斤顶213.2.6护帮千斤顶223.2.7侧推千斤顶223.2.8平衡千斤顶223.3支架受力分析223.4支架强度计算273.4.1顶梁强度计算273.4.2掩护梁强度计算283.4.3底座强度计算293.4.4立柱强度计算333.5支架的受力的影响因素364 液压控制系统374.1液压支架的液压系统的简介374.2液压支架传动系统的基本要求374.3液压支架的液压传动特点374.4液压支架的液压系统拟订374.4.1立柱系统384.5液压元件的选取394.5.1液压系统的基本参数394.5.2 阀的选取394.6控制系统405 结论43参考文献44致 谢46毕业设计（论文）知识产权声明47毕业设计（论文）独创性声明48II1 绪论1.1液压支架的发展概况液压支架的出现，把回采工作面的支护技术从手工支护发展到机械化支护。液压支架和可弯曲刮板运输机、浅截式采煤机械（采煤机、刨媒机）的配合使用，使回采工艺过程破煤、装煤、运煤和支护全部实现了机械化，即所谓综合机械化采煤，简称综采。综采的出现，是煤炭工业的一次重大变革，它标志着煤炭工业机械化大生产的开始。综合机械化采煤设备的应用，使采煤工作面实现可高产、高效、安全、低耗的文明生产，使煤炭工业的面貌发生可深刻的变化。我国于1964年开始研制液压支架，最早于1970年先后对MZ1928型、TZI型、BZZB型、WKM400型、DM400型、YZ型、ZYZ型多种液压支架在开滦、大同、阳泉、鹤壁、徐州淮北等局进行了试验和使用，取得了良好的效果；1974年和1982年两次分别从德国、英国、波兰、原苏联、日本等国引进了许多不同类型的液压支架。通过学习国外新技术，我国液压支架的研制工作发展很快，从基本上依靠进口，发展到自行设计、自行制造，而且品种繁多、功能齐全、质量可靠。除了中厚煤层液压支架外，我国还设计和生产了支撑高度为061.5m的薄煤层工作面液压支架和最大支撑高度为6m的厚煤层工作面液压支架，既有适用于“三软”(软顶板、软底板、软煤层)地质条件的液压支架，也有适应“三硬”（顶板硬、底板硬、煤层硬）、工作阻力高达10000kN的强力液压支架，以及各种放顶煤液压支架、铺网液压支架、水砂充填液压支架等1。 我们液压支架制造技术水平比较落后，在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。支架液压系统的阀类，用的是乳化油，防锈蚀要求很高，国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯；我国是45 号钢加表面防腐处理。密封件的寿命国外大于5a ，我国是2a 左右。我国液压支架耐久性试验要求是大于7 000 次，印度要求是大于35 000 次，美国是大于45 000 次。这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，在国内高产工作面及在国际上是没有竞争力的。综采工程技术人员普遍认为目前我国支架的工艺技术水平尚未达到1979 年引进的100套支架的技术水平，可想落后远不止20年1。国内产煤大矿务局高产工作面使用进口设备这一问题发人深省。48 我们液压支架控制系统的研究也落后，目前，我国国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式，虽然具有控制系统简单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性较强的优点，但它存在严重缺点：(1) 工人劳动条件差，安全性差；(2)移架速度慢，影响采煤机效率的发挥；(3) 通风条件差，支架故障率高；(4) 支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验多少和技能高低有密切关系。1.2液压支架的分类液压支架的种类很多，分类的依据和方法亦各不相同。目前最常用的分类方法是按照液压支架于围岩的相互作用关系，将液压支架可分为三大类，即支撑式、掩护式、支撑掩护式三大类。(a )支撑式支架 (b)掩护式支架 (c)支撑掩护式支架图1.1 液压支架的分类图1.2.1支撑式液压支架支撑式液压支架是一个在底座上放置几根立柱支撑顶梁，如图(a)所示。它是世界上发展最早的一种液压支架。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，因此使用于顶板坚硬完整、基本顶周期压力明显或强烈、底板较坚硬的煤层。但由于立柱垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去稳定性。1.2.2掩护式液压支架掩护式液压支架是利用立柱、顶梁和掩护梁来支护顶板和防止岩石落入工作面。如图( b)所示。这类支架的顶梁较短，多数支架的立柱只有一排，一般仅有12根，多呈倾斜布置，与掩护梁连接或直接连接在顶梁上。立柱通过顶梁支撑顶板。掩护梁直接与冒落的岩石相接触，阻止矸石涌入工作面并承受采空区矸石的载荷。这类支架的支撑能力小，但掩护性能和稳定性较好，调高范围大，对破碎顶板的适应性较强，适用于支护不稳定或中等稳定的松散破碎顶板。1.2.3支撑掩护式液压支架支撑掩护式液压支架是支撑式支架和掩护式支架相结合的一种架型，以支撑为主，但同时又具有掩护作用。如图(c)所示。这种支架采用了支撑式支架双排立柱支撑顶梁的结构型式（或两根立柱支撑顶梁，两根立柱支撑掩护梁），保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞的优点，采用了掩护式支架坚固的掩护梁以及侧护板将工作面与采空区完全隔离开的结构型式，保留了掩护式支架防护性能好、结构稳定的长处。因此支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定或稳定、基本周期来压明显或强烈、瓦斯涌出量较大的煤层。1.3液压支架的组成及工作原理1.3.1液压支架的组成液压支架一般由承载结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。a. 承载结构件承载结构件包括顶梁、底座、掩护梁、连杆和侧护板等金属构件。b. 执行元件执行元件包括立柱和各种千斤顶。c. 控制元件液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。d. 辅助装置辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防滑防倒装置等。1.3.2液压支架的工作原理根据回采工艺对液压支架的要求，液压支架不仅能够可靠地支撑顶板，应能随着采煤工作面的推进向前移动。要求液压支架必须具备升降和推移两个方面的基本动作，这些动作是利用乳化液泵站供给的高压液体，通过立柱和推移千斤顶来完成的，如图1.2所示。 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.主回液管图1.2 液压支架基本工作原理图a. 升降升降指液压支架升起支撑顶板到下降脱离顶板整个工作过程。这个工作过程包括初撑、承载、降架三个动作阶段。(1) 初撑阶段将操纵阀8放到升架位置，由乳化液泵站来的高压液经主供液管11、操纵阀8打开液控单向阀6，经管路进入立柱下腔；与此同时，立柱上腔的乳化液经管路、操纵阀8回到主回液管12。在压力液的作用下，活柱伸出使顶梁升起支撑顶板。顶梁接触顶板后，立柱下腔液体压力逐渐增高，压力达到泵站供液压力时，泵站自动卸载，停止供液，液控单向阀关闭，使立柱下腔的液体被封住，这一过程称为液压支架的初撑阶段。(2) 承载阶段支架达到初撑力后顶板要随着时间的推移缓慢下沉而使顶板作用于支架的压力不断增大。随着压力的增大，封闭在立柱下腔的液体压力也相应增高，呈现增阻阶段，这一过程一直持续到下腔压力达到安全阀动作压力为止，我们称之为增阻阶段。在增阻阶段中由于下腔的液体受压，其体积将减少以及立柱缸体弹性膨胀，支架要下降一段距离，我们把下降的距离称为支架的弹性可缩值，下降的性质称为支架的弹性可缩性。安全阀动作后，立柱下腔的少量液体将经安全阀溢出，压力随之减少。当压力低于安全阀关闭压力时，安全阀重新关闭，停止溢流，支架恢复正常工作状态。在这一过程中，支架由于安全阀卸载而引起下降，我们把这种性质称为支架的永久可缩性（简称可缩性）。支架的可缩性保证了支架不会被顶板压坏。以后随着顶板下沉的持续作用，上面的过程重复出现。由此可见，安全阀从第一次动作后，立柱下腔的压力便只能围绕安全阀的动作压力而上下波动，支架对顶板的支撑了也只能在一个很小的范围内波动，我们可近似地认为它是一个常数，所以称这一过程为恒阻阶段，并把这时的最大支撑了叫做支架的工作阻力。液压支架承载中达到工作阻力后能加以保持的性质叫做支架的恒阻性。恒阻性保证了支架在最大承载状态下正常工作，即常保持在安全阀动作压力范围内工作。由于这一性质是由安全阀的动作压力限定，而安全阀的动作随着立柱下腔少量液体溢出而导致支架下降，所以支架获得了可缩性。当工作面某些支架达到工作阻力而下降时（因顶板压力作用不均匀，工作面支架不会同时达到工作阻力），相邻的未达到工作阻力的支架便成为顶板压力作用的突出对象，即将压力分担在相邻支架上，我们把这种支架互相分担顶板压力的性质叫做支架的让压性，让压性可使支架均匀受力。(3) 降架阶段降架是指支架顶梁脱离顶板而不再承受顶板压力。当采煤机截煤完毕需要移架时，首先应使支架卸载，顶梁脱离顶板。把操纵阀8手把扳到降架位置，由泵站来的高压液经主液管11、操纵阀8进入立柱上腔；与此同时，高压液分路进入液控单向阀6的液控室，将单向阀推开，为立柱下腔构成回液通路。立柱下腔液体经管路被打开的液控单向阀6。操纵阀8向主回液管回液。此时，活柱下降，支架卸载，直至顶梁脱离顶板为止。b. 推移液压支架推移动作包括移支架和刮板输送机。根据支架架式的不同，移架和推溜发式各不一样，但其基本原理都相同，即支架的推移动作都是通过推移千斤顶的推、拉来完成的。图1.2为支架和刮板输送机互为支点的推移方式，其移架和推溜共用一个推移千斤顶。该千斤顶的两端分别与支架底座和输送机连接。(1) 移架支架降架后，将操纵阀7放到移架位置，从泵站来的高压液经主进液管11、操纵阀7进入推移千斤顶左腔，其右腔的液体经管路和操纵阀7回到主回液管12。此时，千斤顶的活塞杆受输送机制约不能运动，所以千斤顶的缸体便带动支架向前移动，实现移架。当支架移到预定位置后，将操纵阀手把放回零位。(2) 推移输送机移到新位置的支架重新支撑顶板后，将操纵阀7放到推溜位置，推移千斤顶右腔进压力液、左腔回液，因缸体与支架连接不能运动，所以活塞杆在液压力作用下伸出，推动输送机向煤壁移动。当输送机移到预定位置后，将操纵阀把手放回零位。1.4液压支架的研究与发展趋势作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下方面：(1) 设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。(2) 完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限元模型，开发出SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性，广泛应用于液压支架设计研究，达到国际先进水平， 为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。(3) 技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。(4) 计算机辅助设计(CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库，并正在逐步实现支架设计CAD化。(5) 液压支架控制系统有了重大进步。据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的2030s/架，提高到912s/架。(6) 新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。新型高可靠性支架，反向四连杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。基于以上进展，液压支架的研究与发展方向是：(7) 在己有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计方法和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。(8) 研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。(9) 研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。(10) 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。2 液压支架结构设计2.1液压支架的基本要求采用综合机械化采煤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采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面(简称综采工作面)。而每个综采丁作而平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。 由于不同采煤工作面的顶顺板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。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。但无论哪个类型都有个基本的要求，其如下：(1) 为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要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。推溜力一般为100kN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100kN150kN，中厚煤层一般为150kN至250kN厚煤层一般为300kN 400kN2。(3) 防矸性能要好。(4) 排矸性能要好。(5) 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，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) 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。(8) 要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。(9) 在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。(10) 要易于拆卸，结构要简单。2.2确定液压支架结构参数 2.2.1 确定结构参数的原则 第一，要满足配套设备(采煤机、输送机)的相关要求； 第二，与支架的工作方式(即时支护或滞后支护)相适应； 第二，结构紧凑，行人操作方便；第三，支架的工作稳定性好。2.2.2主要参数 两柱式大采高掩护式液压支架参数：最小高度 ： Hmin2550mm最大高度 ： Hmax5500mm工作阻力 ： 2 3926 kN立柱缸经 ： 345mm支护宽度 ： 1750mm2.2.3支架的伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值即： (2.1)支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大的调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般支架最大高度和最小高度的比值的范围是1.5至2.5。经计算，设计支架的伸缩比m2.16。2.2.4支架间距所谓支架间距，就是相邻两架中心之间的距离，按如下公式计算： b= (2.2) 式中： b支架间距 B每架支架顶梁总宽度 c相邻支架顶梁之间的间隙 n每架所包含的组架或架数，整体自移式支架n=1；整体迈步式支架n=2；节式组合迈步支架n=支架节数。支架间距b主要根据支架型式，但目前主要根据刮板运输机油槽每节长度及槽帮上千斤顶连接的位置来确定，目前我国刮板运输机油槽每节长度为1.5m，千斤顶连接位置在刮板槽中间，所以除了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1.75m2。2.2.5梁端距所谓梁端距是指移架后顶梁端部至煤壁的距离(Ln)。梁端距是考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。一般大采高支架梁端距应取350480mm。2.2.6顶粱长度a支架工作方式对支架顶粱长度的影响先移架后推溜方式(又称即时支护方式)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淄的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能即时前移，支护新暴露的顶板，做到即时支护。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。b配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶架长度有直接关系。在输送机铲煤板前留有一定距离。一般为135150mm左右，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，以此来计算顶梁长度。在本次设计中选用的采煤机的型号为MG800/2040，采高为2.75.5m，截深1.0m，滚筒直径2.5m，机面高度2259mm，牵引型式为电牵引（交）无链（销轨），输送机型号为SG1000/14003。=304+295+1000+350+200=2149mm=+Acos-G+300式中：配套尺寸顶梁长度底座长度2149+2760-1760+3003449mm2.2.7顶粱宽度顶梁宽度根据支架间距和架型来定，架间间隙为0.2m。其中宽面顶梁一般为1.21.5m；节式支架一般为0.40.6m；顶梁宽度取1.5m。2.2.8 底座形式的选择底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此除了满足一定的刚度和强度外，对底座起伏不平的适应性要强；对底座接触比压要小；要有足够的空间安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；要便于人员操作行走，能起一定的挡矸作用；要考虑排矸能力；要有一定重量，以保证支架的稳定性等。支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。 a整体刚性底座整体刚性底座中挡前部一般有一高度50100mm小箱形结构，中挡后部上方为箱形结构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座立柱柱窝的一般要设计一过桥以提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好。底座接底面积大，有利于减小对底板的比压，但中挡推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架。b底分式刚性底座底分式刚性底座的底板是中分式的，中挡维移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，小挡后部上方为箱形结构。由于底分式刚性底座中挡底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不需要人工情理适应高产高效要求，但减少了底座接底面积增大了对底板的比压，目前，高产高效工作面液压支架一般均采用分体刚性底座。c铰接分体式底座铰接分体底座分为左右相对独立的两部分，从中档处铰接，左右底座在垂直方向可相对错动，无刚性约束。这种底座对底板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但支架的整体刚性有所降低。波兰文架采用铰接分体底座的较多，我国ZY36001735K支架等亦采用这种铰接分体式底座。目前这种底座结构已较少采用。根据以上的分析，结合这次设计的实际，采用整体刚性底座，它的整体刚度和强度好。底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。2.2.9 底座的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的3.5倍的移架步距(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右。结合这次设计的实际，底座长度取2.76 m。 2.2.10 护帮形式的选择护帮装置的主要类型有两类：一类是简单铰接式如图2.6所示；另一类是四连杆式，如图2.5所示。 图2.5 四连杆式挑梁 图2.6 简单铰接式 a简单铰接式：简单铰接式护帮板铰接在整体顶粱或铰接式顶梁前梁的前端(有伸缩梁时铰接在伸缩梁头上)，千斤顶直接与护帮板相连接。这种形式的护帮板结构简单，但挑起力短小，且当顶梁或前梁带伸缩梁时，厚度较大，难以实现挑起。当仅作护帮板使用时，翻转角度大于即可。b四连杆式：四连杆式护帮板与顶梁或前梁的铰接方式与简单铰接式相同，但在千斤项与护帮板间增加一个四连秆机构，实现护帮和挑起支护顶板，并保证收回到预定的角度。四连杆机构把千斤顶的作用力有效地传递到煤壁和顶领上。这种挑梁的挑起力矩大，但结构相对复杂一些。对于厚煤层支架，为了提高护帮高度和增加超前支护面积，挑梁体可采用伸缩式或折叠式结构，分别如图2.7和图2.8所示。 图2.8 折叠式护帮装置图 图2.7 伸缩式护帮装置根据以上的分析，结合这次设计的实际，采用简单铰接式。2.2.11 侧护板的长度支架常用的活动侧护板形式有3种，即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。顶梁侧护板高度一般取250500mm，薄煤层支架取下限，大采高支架取上限。掩护梁侧护板和后连杆侧护板高度一般根据支架最大高度时，侧护板水平尺寸等于移架步距加100200mm搭接量的原则确定。这次设计侧护板的长度为700mm。2.2.12 顶板覆盖率顶板覆盖率按下式计算： *100% (2.3)式中： 顶梁总面积（） 梁端距（m） b支架间距（m）对破碎顶板，覆盖率值应达到8595，故掩护式支架装有可活动侧护板，以此来维护架间的间隙；中等稳定顶板覆盖率值为7585；稳定顶板覆盖率值为60704。2.2.13 立柱布置a立柱数目前国内支撑式支架立柱数为26，常用为4根；掩护式支架为2二柱；支撑掩护式支架为四柱。b支撑方式支撑式支架与底座为直立布置；掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能提高调高范围。一般立柱与顶梁垂线夹角小于，由于角度大，可使调高范围增大，同时由于顶梁较短，角度大后使立柱顶梁柱前移，使顶梁尖端支护力大；支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱与顶梁垂线夹角小于，由于夹角较小，有效支撑力较大。c立柱间距立柱间距的选择原则为有利于工作和部件合理布置的原则下，采用较小立柱间距。立柱间距小，可减小梁端距，但工人行走不便，操作不便，支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距沿行走方向一般为1.01.5m。2.3 四连杆机构的设计2.3.1四连杆机构设计要求1) 对支架在跳高范围内梁端距的大小有重要影响。四连杆机构应能控制顶梁与掩护梁铰接点运动轨迹(呈双扭线)、使其在支架调高范围内的偏差一般不大于70mm；2) 影响支架支撑效率。一般在支架工作工作高度范围内，四连杆机构瞬心距立柱的垂直距离越大越有利；3) 双扭线轨迹变化对支架垂直支撑力有重要影响；4) 双扭线轨迹影响连杆、掩护梁等连接部位的受力情况。通常认为轨迹曲线应向前偏摆，即支架由高位置降下时，轨迹曲线逐渐靠近煤壁；5) 为保证支架的稳定性，后连杆的水平夹角Q一般不超过85度，最小角度应以连杆机构与底板不干涉为准；6) 一般应尽可能加大掩护梁的背角。厚煤层支架取大值，薄煤层支架取小值。对支撑掩护式支架应加大背角。对坚硬难冒顶板的支架，掩护梁背角应尽可能大； 7) 掩护梁长度与掩护梁上前、后连杆铰接点间距应保持一定的比例(4：116：1)。2.3.2四连杆机构设计a. 四连杆机构的几何特征1) 支架从最高高度降到最低高度时，如图2.9所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于70mm，最好为30mm以下。 图2.9 四连杆机构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和后连杆与水平的夹角q，为图2.9，应满足如下要求。支架在最高位置时，,；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，则要求tgpf，如果按照钢和矸石的摩擦系数f0.3，可求的tgp0.3，则p，为了安全可靠最低工作位置应使为宜，而q角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般。3) 后连杆与掩护梁的比值，对掩护式支架为I = 0.45 0.61。4) 前后连杆上铰点之距与掩护梁之比为I1 = 0.22 0.3。5) 从图2.9可，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平夹角为，设计时，要使tg范围以下。b. 四连杆机构的约束条件有（双纽线轨迹最大宽度）；（支架最高位置）；（支架最高位置）；（支架最低位置）；（支架最低位置）；tg；I1= 0.22 0.3（前后连杆上绞结点与掩护梁的比值）；I = 0.45 0.61（后连杆与掩护梁的比值）；C/A=0.91.2（前后连杆长度的比值）；(H 支架的最大高度，D前后连杆下绞结点的垂直距离)；( H 支架的最大高度，E 前后连杆下绞结点的水平距离)。c. 设计变量的变化步长的间隔 0.034弧度；的间隔 0.034弧度；I的间隔0.001；的间隔0.001。d. 求解过程（1）用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图2.10所示。 掩护梁长度 后连杆长度 e点垂直线到后连杆铰点之距 支架最高位置时的计算高度 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： （2.4） （2.5）图2.10 掩护梁和后连杆计算图将（2.4）和（2.5）联立可得： （2.6）按四连杆机构几何特征所要求，把设计变量代入（2.6），可求得的比值，而支架最高位置时的值为： （2.7）因此，掩护梁的长度为： （2.8）后连杆的长度为： （2.9） 图2.11 四连杆机构中的参数（2.7）和（2.8）两式中的比值按下式来定。掩护式支架： 0.450.61 （2.10）每组变量的值对于一组、；前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距为：四连杆机构中的各部参数如图2.11所示：ea=L1=A；ab=B；bc=C；ca=D； ed=L=G；eb=F ；ae=E ；oe=L2=E1。e前连杆长度和角度的确定 支架由高到低，掩护梁上铰点的运动轨迹为曲线，根据支架几何特征的要求，为使曲线的最大宽度尽量小，所以把点的运动轨迹看成理想的直线运动，根据设计经验，当点沿理想直线由最高向最低运动时，后连杆与掩护梁轴线夹角由大于到小于，在此区间内一定有一位置处于垂直位置，以这一特殊位置为所求的中间的某一位置3。 图2.12 四连杆机构几何关系图（1）点坐标当支架在最高位置时的计算高度为H，此时点的坐标为： （2.11） （2.12）（2）点坐标当支架在最低位置时，此时点的坐标为： （2.13） （2.14）则此时 （2.15）（3）点坐标支架的掩护梁与后连杆长垂直位置的几何关系时，点的坐标为： （2.16） （2.17）其中： （2.18） （2.19）（4）C点坐标根据图2.12支架在三个位置的几何关系可知，C点就是过、三点的圆心，为前连杆的长度。因此可以用圆的方程求得前连杆的长度： （2.20）式中、为C点坐标，可以按下列方程联立求得： 联立（2-21）和（2-22）得： （5）前连杆下铰点的高度D和四连杆机构的底座的长度E当前连杆C点的坐标确定后，D 和E的长度：= = 2.3.3 四连杆机构的优化到此为止，可初步求出四连杆的个杆系的长度。并非所有的值都可以用，所以要进行选优，选优的方法就是根据给定的约束条件，对所计算出来的各组值进行筛选，最终选出一组相对最优的值。其约束条件是根据四连杆机构的几何特征要求，以及支架的结构关系，得出的约束条件如下：1）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/A0.91.22）前连杆的高度不宜过高，一般应使DH/5（H为支架最大的计算高度）3）E的长度，一般应使EH/4.54）值对掩护式支架应使；支撑掩护式支架应使,值按下面的方法进行计算如图2.13所示为支架在最高位置时的几何关系1）d点的坐标：; 2）e点的坐标：; 3）cb直线的斜率： 4）ed直线的斜率： 5）01点的坐标由于c、b、01在同一条直线上，因此cb和bo1直线的斜率相同，所以bo1直线的斜率为： （2.21）同理ed直线的斜率为： （2.22） 由 (2.21) 得： （2.23）由（2.22）得： （2.24）联立（2.35）和（2.36），整理得： 则： 图2.13 瞬心位置图横向偏差e值的求解:先求四连杆机构的方程从图2.14中可知，在任一个q4角位置时，a点的x坐标应满足下列方程： （2.25）b点y坐标应满足下列方程： （2.26）图2.14 四连杆机构的方程图由（2.26）式得： 将（2.26）式代入（2.25）式得： 整理得： 令：Zcos（） sin（）K J R 将（2.44）、（2.45）、（2.46）式代入（2.43）式得： 则： 不合题意之根舍去，当时，（2.48）方程才有意义。在图2-7中e点任一位置时之坐标x、y可写成： （2.27） （2.28）其中： 则： （2.27）、（2.28）两式就是液压支架四连杆机构的曲线方程。x为e点的横坐标，y为e点的纵坐标。y的变化相当支架的计算高度的变化，则x的变化相当顶梁的前端的变化，所以e值为支架高度范围内，相应的即：e相对比较而言选用第一组数据：、L12205、 L3675、L21760、cb2110e60.5、I10.22、I0.6。3 液压支架强度设计3.1 液压支架的受力分析简化为了设计计算的方便，要对支架的外载荷和支架进行简化，现概述如下：第一，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。第二，金属结构按直梁理论计算。第三，顶梁、底座与顶板被认为为均匀接触，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布。第四，通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低。所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全。第五，立柱与短柱按最大工作阻力计算。第六，产生作用在顶梁上的水平力的情况的两种，一种是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹近似双纽线，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，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数为0.150.39。第七，按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。3.2支架基本参数3.2.1支护面积支架的支护面积按下式计算： (3.1) 式中： 支护面积() Lg顶梁的长度（m） 移架后顶梁前端点到煤壁的距离(m)，一般0.4 带入数据得: 3.2.2支护强度 式中： 3.2.3立柱的技术参数（1） 立柱的初撑力计算： （0.60.8）；0.75式中：立柱初撑力 （KN）立柱工作阻力 3926（KN）0.75=0.7539262944.5 KN（2） 立柱缸体内经计算： 式中：立柱初撑力 （KN） 立柱缸体内经 （cm） 泵站压力 31.5（MP） 立柱工作阻力 （KN） 安全阀额定工作压力 40（MP）根据(3.3)计算得出：D34.5cm3.2.4 推移千斤顶的缸径的确定推移千斤顶的缸径按下两式联立求得： （cm） (3.2)（cm） (3.3)一般100千牛顿，300400千牛顿计算得：d6.032cm ；D12.06cm取标准：d70mm ；D125mm 壁厚： 17mm推移千斤顶的行程与步距有关，当推移步距为600mm时，推移千斤顶的行程为700750mm, 所以取行程750mm。3.2.5 提底千斤顶选用： 行程 230mm 活塞直径 110mm 活塞杆直径 90mm壁厚 15mm3.2.6 护帮千斤顶选用： 行程 470mm 活塞直径 90mm 活塞杆直径 63mm壁厚 15mm3.2.7 侧推千斤顶选用： 行程 215mm 活塞直径 63mm 活塞杆直径 50mm壁厚 13mm3.2.8 平衡千斤顶 选用： 行程 400mm 活塞直径 280mm 活塞杆直径 220mm壁厚 22.5mm3.3支架受力分析a. 为了简化计算，作以下假定1）立柱和前梁千斤顶按最大工作载荷计算；2）顶梁和底座按集中载荷(即最恶劣的加载工况)计算；3）掩护梁上没负载；4）摩擦系数为0.3.5）支架的工作阻力为2 3926 KNb作用力F和作用位置X1）整体受力如图3.1所示。图中：Pk平衡千斤顶推拉力。2）取顶梁为分离体，如图3.2所示已知：P，Pk，h1，h2，.求：F，X，Xa,Ya.解：P3926 KN Pk1180 KN h1250mmH2200mm A1 00 (3.4) 图3.1 支架受力图00 (3.5)0 (3.6)由（3.6）可得： (3.7) 图3.2 顶梁分离体受力图顶梁与分离体受力图中有4个未知数，而3个方程不可解，所以要结合顶梁和掩护梁为分离体受力分析所列方程联立求解。 取顶梁和掩护梁为分离体，如图3.3所示。950mm 300mm 2827mm 422mm 0 (3.8) （3.7）式代入（3.8）式，经整理得： 8029.8 KN1208mm从（3.7）式可知： 当为“+”（平衡千斤顶为推力）；W0时，F力最小；当为“-”（平衡千斤顶为拉力）；W0.3时，F力最大。所以在验算顶梁强度时，按平衡千斤顶拉力，W0.3进行计算，此时F最大，这个条件能满足，其他条件都能满足。 图3.3 顶梁掩护梁分离体受力图由(3.6) 式可得： (3.9) KN由(3.7) 式可得： (3.10) 3050.6KN从（3.9）和（3.10）式可以看出，当取“+”值时，为平衡千斤顶的推力，此时最大，对掩护梁受力最大，同时对前后连杆受力也最大，所以在校验掩护梁、前后连杆强度时，按平衡千斤顶的推力进行计算，此时能满足要求，其他条件都能满足。3）取掩护梁为分离体，如图3.4所示。已知：求： 图3.4 掩护梁分离体受力图解：0 （3.11）0 （3.12）联立（3.11），（3.12）式可得： （3.13） =8260.2KN由（3.13）式可得： （3.14）11626.1KN4）取底座为分离体，如图3.5所示。已知： 求： 解：250mm 1212mm 290mm1060mm 2060mm0 （3.15）0 （3.16）0 （3.17）联立（3.15），（3.16），（3.17）可求得： （3.18）6438.7KN 图3.5 底座分离体受力图 1515.8mm3.4 支架强度计算3.4.1顶梁强度计算前面已将顶梁受力计算过，最大弯距为：最大弯矩处的断面如图3.6所示 图3.6 顶梁最大弯矩处的断面图a形心位置各板件的计算数据列于表3.1中。 表3.1 各板件数据件 号123456数 量1122122402769966272992.5421.521.53921.51809274.252290.774.25机构件的形心位置为：b惯性矩c. 弯曲应力 = 7800.5N/cm2d. 安全系数钢板材料选16Mn，34335 N/cm 根据许用安全系数表3.2，顶梁符合设计要求。 表3.2 安全系数许用安全系数顶梁底座掩护梁n1.11.11.33.4.2 掩护梁强度计算由前面已经求出掩护梁上前后连杆的销轴处受力为11626.1KN和8260.2KN，最大弯矩处发生在前连杆处，其值为： 图3.7 掩护梁最大弯矩处的断面图6343.2KN/m 最大弯矩处的断面表示于图3.7中a形心位置各板件的计算数据列于表3.3中。表3.3 板件数据 件 号1234数 量144824827333916.55.522.582.7182.3332.8507机构件的形心位置为： = 10.9cmb惯性矩 = 78428.3 N/cm2c弯曲应力 = 13830.3 N/cm2d安全系数掩护梁符合设计要求3.4.3底座强度计算顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。 底座的最大比压： （3.19）式中 Q支架工作阻力 t b底座的宽度 cm前柱与顶梁铰接中点到底座前端的水平距离 cm前柱与顶梁铰接中点到顶梁与掩护梁铰接点的水平距离 cm支架工作阻力在顶梁上的作用点到顶梁与掩护梁铰接点的水平距离 cm顶梁与顶板的摩擦系数 支架高度 cm底座的最大比压： 92.7 N/底座对底板的最大比压应限制在底板抗压强度之内。鉴于底板比压一般比底板岩层抗压强度的1/4，故设计时可取底板最小允许比压为196215.6 N/，软底板要小于98 N/。本次设计满足要求。 底座受力：P3926 KN、6438.7 KN、1515.8mm、11626.1 KN、8260.2 KN假设底座两端支撑，各点的力都已经求出，其受力图表示于图3.8。现在求支点A的反力。 图3.8 底座受力图 图3.9 底座弯距图 ，即：求得：RA =9674.4KN各点的弯矩： =3820.8KN/m =1326.7KN/m在C处弯矩大，其断面表示于图3.10。a形心位置各板件的计算数据列于表3.4中。表3.4 各板件数据件 号1234567数 量444424136.832336.63280933006.18.382.430.350.8130139.527.642.7252.542.726.769.8100 图3.10 底座最大弯距截面图机构件的形心位置为： =83.3cmb惯性矩 = 3887648.7cm4c弯曲应力= 5621.6N/cm2底座设计符合要求3.4.4立柱强度计算采用乳化液泵的压力为31.5。选取初撑力与阻力比值0.75。已知立柱内径为345mm，材料为27无缝钢管，。阻力为3926，初撑力为2945。安全系数选取1.5，许用应力为。缸壁厚度用3.20式来计算，即： （3.20） =2.4cm式中 缸内压力，考虑到在缸口要安设导向套（车螺纹），选取壁厚为40.5mm最大弯矩为：。a. 活柱活柱的受力状态为单向应力状态，由压力和弯曲应力组合而成，即 （3.21）式中 立柱所受最大压力（N） 活柱横截面积（mm2） 活柱最大弯距（N/mm） 活柱抗弯模量 （mm3）或= 13696.7 N/cm2活柱材料选用45号钢符合设计要求b. 中缸双伸缩立柱中缸不但受到弯曲应力作用，而且还由于油压的影响受到径向应力和周向应力的作用，为三维应力状态。径向应力和周向应力可由梅拉公式计算，即 （3.22） （3.23） = 12446.6N/cm2 = 1098.6N/cm2 弯曲应力为 = 18611.9N/cm2按第二强度理论计算组合应力为 材料为27无缝钢管 符合设计要求c. 外缸外缸的受力状态与双伸缩立柱中缸相似，因此计算公式是（3.23）和（3.24） = 1456.8N/cm2 = 1336.8N/cm2弯曲应力为 = 10028.7N/cm2按第二强度理论计算组合应力为 = 10258.7N/m2材料为27无缝钢管 符合设计要求3.5支架的受力的影响因素a立柱倾角对实际工作阻力的影响支架上作阻力与有关，即与立柱倾斜布置的角度有关。值是01，由三角函数中查出，0.95；当26、0.9，为了充分发挥支架的工作阻力倾角不要大于18度.但是为了要适应煤层变化的情况，使支架调高范围增大、也只能选择较大的倾角12。b. 支架高度实际工作阻力的影响 虚线是工作阻力；实线是初撑力 图4.12 掩护式支架工作阻力与高度的关系由公式中可以看出Q与一些尺寸如、l等有关，而它们是随支架高度而衍变化的，因此，支架的实际工作阻力也就随高度而变化。掩护式支架的变化曲线如图上图所示。从图中可知，在支架调高范围内。小高度和大高度时支架实际工作阻力都相对减。因此，在实际工作中为了发挥支架的支撑力。应使支架在适当的高度下工作-c摩擦系数时支架实际工作阻力的影响摩擦系数f对支架实际工作阻力的影响表现在“”的一项中。f一般般为0.10.3，所以对支架的工作阻力有很大的影响。但是，当角很小时，是一个小值，则可以忽略对工作阻力的影响，即。d 角对液压支架的影响液压支架的支承力与顶板对顶梁的摩擦力方向并无关系，液压支架的支承力由于该摩擦力的存在而提高；摩擦力方向对液压支架的稳定性、顶板的管理及支架对底板间的比压有影响。支架工作瞬心应接近顶梁掩护梁铰接点所在的水平面，角度越小支架承载力的波动就越小角度越小，即梁端距变化量越小，连接件间相互运动的加速度越小，冲击力就越小。4 液压控制系统4.1液压支架的液压系统的简介液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。4.2液压支架传动系统的基本要求对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：采用结构简单，设备外型尺寸小，能远距离地传递大的能量；能承受较大的载荷；没有复杂的传动结构；在有爆炸危险和含尘的空气里保证工作安全；动作迅速；操作、调节简单；过载及损坏保护简单。4.3液压支架的液压传动特点液压支架的液压传动，与其它机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下： 第一，工作液的压力高（管路内的压力达，立柱内的压力达），流量大（）10；第二，在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体作为工作介质；第三，液压缸、操纵阀，其它调节和控制装置等的数量大（高压泵16台、液压缸3001500个、安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀）； 第四，很长的液压管路（200300刚性管，5003000高压软管）； 第五，泵-液压缸传动系统的换算弹性模数较低； 第六，根据支架的数量改变液流的参数； 第七，所有支架的结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及它们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）；第八，每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序； 为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业和工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。 这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即：液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独地加以研究。4.4液压支架的液压系统拟订根据液压支架的架型和结构设计，确定立柱和千斤顶数目，并拟订液压系统。4.4.1立柱系统a. 单柱控制回路单柱控制回路如图4.1a、b、c、d、e所示，其中图a为单作用单柱，图b、c为双作用单柱，图d、e为双伸缩单柱。 图a 单柱 图b双柱 图c 双柱 图d 双伸缩单柱 图e 双伸缩单柱图4.1 单柱控制回路b. 多柱控制回路 多柱控制回路如图4.2 a、b所示，图中为两根立柱并联组成，同时动作。图4.2 a为共用一个控制阀回路，图为各用一个控制阀回路，采用双液控单向阀或用于双伸缩立柱。 a. 共用一个控制阀回路 b. 各用一个控制阀回路 图4.2 多柱控制回路c. 带压移架回路带压移架回路如图4.3所示。在立柱控制阀前面装设一个由移架液路控制的支撑保持阀和一个与立柱活塞杆腔液路相通的节流阀，可使支架带压移架，设计时应考虑在移架时，支架对顶板的支撑力应大于10KN/m2。d. 端头锚固支架的闭锁回路端头锚固支架的闭锁回路，各柱升柱时，相互没有关系。而当桩柱升柱时，锚固柱必须处于升柱撑紧状态；反之，当锚固柱降柱时，桩柱的液路压力要达到一定植，否则液压打不开限压阀，不能进入桩柱或锚固柱的活塞杆腔，桩柱或锚固柱就降不下来，从而可以起到相互闭锁的作用。图4.3 带压移架回路e. 提高立柱支撑力的回路提高立柱支撑力的回路采用两条压力液管路，一条为中压大流量供液管，另一条是高压小流量供液管。在立柱的初撑阶段，先由两条压力液管路共同供液，待顶梁支撑顶板，立柱活塞腔的液压力大于中压液管的压力，单向阀关闭，由高压小流量管路继续供液，直至达到预定的初撑力。4.5液压元件的选取4.5.1液压系统的基本参数 泵站采用工作压力为的乳化液泵站。工作介质乳化液：5号水包油乳化液，牌号。最大流量的计算：移架过程中包括：降柱、移架、升柱。因此依架的时间也就为这三个部分的时间之和。国家标准规定移架的时间不能超过22秒。设支架移架时，支架下降。设降柱时间为,升柱时间为,依架时间为。 （4.1） （4.2） （4.3）式中：-立柱内径，-推移千斤顶缸体内径，设由 考虑到工人操作也需要时间，实际流量比以上计算要大一点。4.5.2 阀的选取换向阀：选取冶金工业部北京液压机械厂生产的阀；集成块型号：型，盖板型号：；溢流阀：选取冶金工业部北京液压机械厂生产的阀；插入元件型号：，盖板型号：。液控单向阀：选取冶金工业部北京液压机械厂生产的阀；插入元件型号：，盖板型号：。管件：与立柱及千斤顶进、回口连接的由管统一采用无缝钢管。立柱进油口油管：公称通经,外径，壁厚，公称流量。立柱回油口油管：公称通经,外径，壁厚，公称流量。油路管路用年胶管：16。4.6控制系统本设计支架的控制阀组一般由一组操纵阀组(8片和3片各一组)，液控单向阀五组(立柱用4组，前梁用l组)，安全阀五组(立柱用4组，前梁、备用1组)，双向锁一组(护帮板用)，单向锁一组组(推移千斤顶备用l组)，截止阀两组，过滤器一组及测压阀(用在支柱控制阀上)等组成。a. 操纵阀组 操纵阀中，一组操纵支柱的升、降和前梁千斤顶、护帮板千斤顶、侧推千斤项，推移千斤顶的伸缩。b. 液控单向阀 液控单向阀和立柱、千斤顶的工作腔直接连接，操纵阀供液通过它出入立柱、千斤顶工作腔，并在关闭后严密封闭立柱、千斤顶工作腔液体，因此对液控单向阀的要求必须动作灵活，密封可靠。c. 安全阀安全阀的作用为，它和立柱用液控单向阀组合使用，保证液压支架具有可缩性和恒定的工作阻力，直接和立柱下腔相通，当顶板压力超过立柱额定工作阻力时，立柱下腔的压力液通过该阀释放，使立柱下沉，达到对顶板让压的目的，使立柱在下沉过程中保持对顶板具有恒定的工作阻力，同时对支架起到安全和过载保护作用。d. 双向锁双向锁用于液压千斤顶两个工作腔均需液压闭锁的液压回路中，利用它的两个单向阀，使液压缸活塞在任何位置上均可双向闭锁。下图即为双向锁的机构原理图（图4.4）：图4.4双向锁的机构原理图e. 单向锁 单向锁实际也是一种液控单向阀，在支撑掩护支架中，用在推移千斤顶的油路中，保证顺利拉架；根据需要也可用在侧推千斤顶的油路中，泵液经过单向镇使侧护板伸出，平时单向锁闭锁，以增强支架的抗倒架能力。f. 截止阀 截止阀一方面起着连通各支架间的主进、回液管路，另一方面，通过高压软管与操纵阀组进、回液孔相连。当本支架的液压系统发生故障而需要检修时，能与主管路断开,而不影响其它支架正常工作。g. 过滤器它的作用是防止主进液管路中的脏物进入支架的阀组和管路系统,其一端与截止阀的出液口相连，另一端通过高压软管与操纵阀组相连接。根据支架的工作原理，做出液压系统如下图（4.5）所示。立柱或千斤顶的具体操作过程如下：a. 立柱的操作操纵手柄，使三位四通阀处于左位，此时高压油液经单向阀进入立柱下腔，而立柱上腔油液接低压油液O，立柱上腔回油，从而前后立柱升起；操纵手柄，使三位四通阀处于右位，立柱下腔回液，从而前后立柱降下。b. 前梁千斤顶的操作操纵手柄，使三位四通阀处于左位，高压油液经单向阀进入前梁千斤顶的活塞腔，而前梁千斤顶的活塞杆腔接低压油液，前梁千斤顶的活塞杆腔油液经油管回到油箱，前梁千斤顶被撑起；操纵手柄，使三位四通阀处于
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