基于ProE的液压支架的设计与分析

I摘 要液压支架是综采工作面煤层地下支护的关键设备，它的性能的好坏直接影响着矿山企业的产量和井下人员的安全。长期以来，对液压支架进行设计以及运动模拟主要是通过数据和二维图形进行的，局限性大。本文将优化设计、三维参数化造型、虚拟装配和运动仿真引进液压支架的设计中，以期缩短开发周期，减少研发成本，提高产品质量，提升产品的市场竞争力。本文分析了液压支架的工作原理，进行了液压支架整体结构尺寸设计及主要部件的设计，其中采用电算程序对四连杆机构进行了优化设计。本文利用 Pro/ E 对液压支架进行快速建模，然后利用其运动仿真模块(MECHANISM)实现了对支架的伸柱、降柱、推溜、移架的运动过程的动态仿真，分析仿真结果表明建立的模型和设置的仿真参数正确，支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域，顶梁前端一点的运动轨迹符合近似双扭线的要求。关键字：液压支架; Pro/E; 三维建模; 运动仿真 IIABSTRACTThe hydraulic support is the leading equipment in the mine undergroud , its quality effects the output of a mine company and the safety of the people at the bottom of a well. For a long time ,the design method of mine hydraulic support and its dynamic simuilation mostly adopts static date and two-dimension ,which is very confine. In this paper, the technique of virtual prototype is introduced in study of hydraulic suppor, and hope it can shorten the exploit period, reduce cost and obviously improve quality, effectively promote the competitory ability of producuts in the markets.Based on the working principle of the hydraulic support，the overall structure of the hydraulic support and its major components were designed. In his process, it focus on the design of the four-bar using procedures.In this paper, the model of the hydraulic support was built rapidly by using of Pro/E, then the rising, declining, pushing and moving process were simulated with mechanism module of the Pro/E. After the movement simulation analysis of the hydraulic support, it is proved that the modle and the simulation parameters are correcrt, this hydraulic support have a reasonable size, flexible movement and no movement interferes region, the movement path of one point at the front of top-beam reaches request of similarly double turns the line.Key words: Pro/E; hydraulic support; three-dimension model; movement simulation III目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III1 绪论 .11.1 本课题的研究目的及意义 .11.2 国内外液压支架研究现状与发展趋势 .21.3 本论文主要研究内容 .52 液压支架的基本理论分析 .62.1 液压支架的工作原理 .62.2 液压支架的承载过程 .72.3 液压支架的类型与结构 .92.3.1 支撑式支架 .92.3.2 掩护式支架 .92.3.3 支撑掩护式支架 .102.3.4 特种液压支架 .102.4 采煤工作面液压支架设计要求和设计必需的基本参数 .112.4.1 采煤工作面对液压支架的设计要求 .112.4.2 设计液压支架必需的基本参数 .113 液压支架的整体结构尺寸设计 .133.1 支架的选型设计 .133.2 支架高度、支架间距、底座长度的确定 .143.2.1 支架高度和支架的伸缩比 .143.2.2 支架间距 .153.2.3 底座长度 .163.3 四连杆机构的设计 .163.3.1 四连杆机构的作用 .163.3.2 四连杆机构设计要求 .173.3.3 四连杆机构优选设计法 .18 IV3.4 顶梁长度的确定 .293.5 立柱和千斤顶位置的确定 .303.5.1 立柱的布置 .303.5.2 立柱柱窝位置的确定 .303.5.3 平衡千斤顶位置的确定 .344 液压支架部件设计 .404.1 顶梁的设计 .404.2 掩护梁与连杆的设计 .414.3 底座的设计 .415 液压支架的建模与仿真 .435.1 液压支架的建模与装配 .435.1.1 液压支架建模与装配的目的及要求 .435.1.2 液压支架的三维实体建模 .435.1.3 液压支架的整机装配 .455.2 液压支架的运动仿真 .485.2.1 液压支架运动仿真的一般过程 .485.2.2 仿真结果分析 .516 总结与展望 .556.1 总结 .556.2 展望 .56参考文献 .57致谢 .59附录一（英文） .60附录二（译文） .74附录三 电算程序 .85 11 绪论1.1 本课题的研究目的及意义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。为了满足对煤炭增长的日益需要，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。液压支架作为综采工作面煤层地下支护的关键设备，它的性能的好坏直接影响着矿山企业的产量和井下人员的安全。由于采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，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。液压支架是由几个液压油缸或千斤顶以及几大复杂焊接结构件组成的多自由度机构，它的结构尺寸和构件的运动对其性能的影响非常大。以前对综放液压支架进行运动模拟是通过数据和二维图形进行的，局限性大。为了适应市场需求，要求液压支架的结构、性能等不断提高，规格型式日趋多样，而研发周期却在不断缩短。因此，采用先进的技术方法和手段进行液压支架的设计是一种必然选择。利用先进的 Pro/ E 软件不仅实现了液压支架的三维参数化造型、虚拟装配和运动仿真，而且还借助其运动仿真模块(MECHANISM)对支架的伸柱、降柱、推溜、移架的运动过程进行动态仿真。对相关运动构件的运动状态进行了分析，其操作方法简单快捷、产品形式形象直观、分析结果准确可靠。实践证明，将这一技术和方法应用于液压支架产品设计中，可极大地提高产品的设计效率和质量，缩短开发周期，从而为企业带来可观的经济效益和社会效益。 21.2 国内外液压支架研究现状与发展趋势20 世纪 50 年代前，在国内外煤矿生产中，基木上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁支护顶板。1954 年英国首次研制出垛式液压支架，它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958 年法国率先研制出节式放顶煤液压支架，开采特厚煤层并取得成功。60 年代末，为开采煤层厚超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于 1961 年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了 OMKT 型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅 0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在 OMKT 型掩护式支架的基础上作了许多改进：（1）.利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。（2）.利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。（3）.将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。60 年代末和 70 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的 3液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974 年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入 70 和 80 年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护” ，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981 年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为 6m 的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。我国是煤炭生产大国，在 20 世纪 60 年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。20 世纪 70 年代我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架，经过使用、仿制和总结经验，到 20 世纪 80 年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了TD 系列 ,ZY 系列和 ZZ 系列等 20 多种不同规格的液压支架。 20 多年来，我国综放开采从无到有，从试验到推广取得了较好的经济效益，发展迅速，改善了我国井下采煤技术，经济效益显著，完全适应市场经济的要求，成功地把我国厚煤层井下开采技术推到世界领先地位。可以说，发展综放开采是对厚煤层传统采煤方法的一次革命。目前，在国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。经过 30 余年的发展和努力，我国液压支架的设计、制造水平在不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型己基木趋于成熟、完善，在品种和质量方而与国际先进水平相比差距越来越小。多年来，在液压支架技术的不断发展中，我国形成了以煤炭科 4学研究总院、北京煤矿机械厂、郑州煤矿机械厂等为主的支架研究设计队伍。在液压支架设计中，计算机辅助设计和优化设计得到了广泛的应用，使用 CAD 软件作为基础设计平台，并在此基础上组织设计和计算机骨干进行二次开发，构建了液压支架及液压零部件设计的专用平台。在此平台上可以快速有效地进行液压支架的设计与计算，实现液压支架相关数据的自由交换，并能实现部分零部件的参数化设计，开发出强度计算软件，可以模拟支架在井下的各种使用工况并进行强度分析计算，三维动画模拟可以对支架进行各方位的运动学分析，庞大的液压支架零部件数据库为设计提供了极其方使，可以迅速地从几百个方案中确定最优化的设计方案。由于高可靠性设计、有限元分析等理论得到了普遍应用，使支架的设计强度有了充分的保障。21 世纪是以网络信息为代表的高科技技迅猛发展的新时期。就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。美国、德国、澳人利亚等国家在井下开采中大力提高机械化和自动化程度，所有的工程部门都拥有 CAD/CAM 等工程软件组成的强大工作站，进行仿真、扭力分析和高可靠设计、有限元分析等理论得到了普遍应用。国外支护设备先进性主要是支架工作阻力大、支护强度高、可靠性高，支架架型结构简中，适应性强，便于实现自动化控制。一次采全高支架架型主要为二柱掩护式，整体顶梁。控制方式主要是电液系统自动控制。目前世界先进国家的液压支架已广泛采用电液控制系统。随着科学技术的高速发展，新技术、新方法、新材料的不断应用，微机和计算机技术进一步普及，为液压支架的发展提供了有利的条件。目前，液压支架研究发展趋势可以从以下几个方面着手：（1）.液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展，如液压支架的架型明显地向两柱掩护式支架和四柱支撑掩护式支架发展。 5（2）.在己有支架设计与应用经验的基础上，将有限元和计算机辅助设计相结合，研究支架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。其中在设计中应注意以下几个方面:1) 提高液压支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面;2)如何提高支架的移架速度； 3)改进支架个别部件结构，加大联结件强度。（3）.改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密封件入手，制定更严格的质量和抗腐蚀标准。（4）对不稳定顶板、松软底板、地质构造较复杂等特殊条件，加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。（5）.新型元件与材质，可减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命。（6）.结构上寻求克服四连杆的新型架型。（7）.快速移架电液控制系统的研制和投入，研究支架的遥控、程控控制和性能自动监控，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。 1.3 本论文主要研究内容 根据设计原始资料要求拟定支架的总体方案，确定架型，进行总体结构设计； 液压支架总体结构尺寸的确定（包括：支架高度、支架间距、底座长度的确定；四连杆机构的结构设计、顶梁长度的确定；立柱和千斤顶位置的确定） ； 对液压支架各结构部件进行三维建模设计； 对液压支架各结构部件进行三维装配设计与分析； 对液压支架进行运动仿真分析。 62 液压支架的基本理论分析2.1 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图 2.1 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，推动活塞下降，于是顶梁脱离顶板，实现降柱。（3） 移架和推溜：支架和输送机的前移，都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1-输送机；2-推移千斤顶； 3-立柱；4-安全阀；5- 液控单向阀；6- 操纵阀图 2.1 液压支架工作原理图向煤壁；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 7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。2.2 液压支架的承载过程液压支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。（1）.初撑阶段在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀 5 即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。初撑力的大小取决于泵站的工作压力。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。（2）.承载增阻阶段支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。（3）.恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高。当升高到安全阀 4 调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。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。 8图 2.2 支架的工作特性曲线由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图 所示，曲线上的 、 、 分别表示支架的初撑、增阻、0t13t和恒阻阶段的时间。上述工作过程表明：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效的支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性决定于立柱、液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。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，通常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。即(2 .1)FPq310Ma式中 支架的支护面积，F2m 92.3 液压支架的类型与结构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作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。2.3.1 支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机联接并互为支点整体前移。节式支架由 23 个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用与支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在 4 左右；而且立m柱多，一般 46 根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。2.3.2 掩护式支架掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连 10接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为 3.0mm 左右。掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。2.3.3 支撑掩护式支架支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适用于各种顶底板条件。支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。2.3.4 特种液压支架特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，在结构 11型式仍属于上述某种基本架型。2.4 采煤工作面液压支架设计要求和设计必需的基本参数2.4.1 采煤工作面对液压支架的设计要求（1）.为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架应具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，中厚煤炭一般为 150KN 至 250KN。厚煤层一般为 300KN400KN。（3）.防矸性能要好。（4）.排矸性能好。（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）.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，能够承受一定的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2.4.2 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。 12（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）.瓦斯等级对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。（4）.底板岩性及小时涌水量根据底板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）.煤层倾角煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑象。当煤层倾角大于 10 15 时，应设防滑和调架装置，当倾角超过 18 时，应 同时具有防滑防倒装置。（7）.井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，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。 133 液压支架的整体结构尺寸设计3.1 支架的选型设计对于具体条件下的液压支架选型，必须考虑该条件直接顶的类别、基本顶级别、底板类型，对各种典型围岩结构组合，从有利于改善支架与围岩适应性方面，在部颁标准 MT554-1996综采工作面顶板分类的附件中提出了液压支架选型的建议，见表 3.1 所示。表 3.1 围岩类型与支架选型建议液压支架直接顶类别 基本顶来压级别底板类别1 21 、支掩掩护式支顶掩护式轻型支顶掩护式支掩掩护式2 、支顶掩护式支顶掩护式支掩掩护式支撑掩护式3 、 、 支撑掩护式 支顶掩护式4、支撑掩护式强力支撑掩护式（短顶梁、大流量安全阀）支顶掩护式参考表 3.1，根据上述分析及国内外使用经验，在综采工作面支架选型时，还应注意下述原则：（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 14容许比压即极限载荷强度。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，应优先考虑选用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，包括增加前柱阻力及可伸缩前梁等。在本设计中，综合考虑已知条件：直接顶类别 2、基本顶来压级别、底板类别，以及其他因素，选用二柱支顶掩护式液压支架。3.2 支架高度、支架间距、底座长度的确定3.2.1 支架高度和支架的伸缩比支架高度的确定，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： （3.1）1shHm（3.2）an2式中： 煤层最大采高；mh煤层最小采高；n伪顶冒落的最大厚度，一般取 200300mm；1s下沉量，一般取 100200mm；2移架时支架的最小可缩量，一般取 50mm；a 15矸、浮煤厚度，一般取 50mm；a根据原始条件煤层厚度为 1.01.2m，m5.120.mH8.0n从而设计液压支架的支撑高度为 0.81.5m。支架的伸缩比指支架最大与最小高度之比值即： （3.3nmH）代入有关数据，得 875.10m确定 K1值：K1 =（L mL n）/L n = (1351-817) /817 = 0.65式中 K1 - 单位缸长行程；Lm - 活塞全部伸出时立柱的总长度；Ln - 活塞全部缩回时立柱的总长度；LmL n - 活塞行程。考虑到 K10.7，故采用单伸缩立柱。3.2.2 支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算：3cmbBnC（3.4）式中： 支架间距（支架中心距）；c每架支架顶梁总宽度；mB 16相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；3Cn每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架n =1；整体迈步式支架 n =2；节式迈步支架，n =支架节数。支架间距 要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶都cb与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为 1.5m。本次设计取支架的中心距为 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。本次设计取支架宽度为 1440mm3.2.3 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 倍的移架布距，即 1.8m 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。在本设计中，初取底座长度为 1.6 m 。3.3 四连杆机构的设计3.3.1 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以下几点：（1） 梁端护顶 鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，从 17而使支架前梁端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能。（2） 挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作用。（3） 抵抗水平力 观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向）的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。（4） 提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点，如支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加等。3.3.2 四连杆机构设计要求（1）.支架高度在最大和最小范围内变化时，如图 3.1 所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度 应小于或等于 70mm，最好为 30mm 以下。e（2）.支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角 和后P连杆与底平面的夹角 ，如图 3.1 所示，应满足如下要求：支架在最高位Q置时， 5262， 7585；支架在最低位置时，为有利于P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，如果钢和矸石的摩擦系数 =0.3，则 =16.7。为了安全可tanWWP靠，最低工作位置应使 25为宜。而 角主要考虑后连杆底部距底板PQ 18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 2530，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰Q点的高度。（3）.从图 3.1 中可知，掩护梁与顶梁铰点 和瞬时中心 O 之间的连e线与水平线夹角为 。设计时，要使 角满足 的范围，其原因tan0.35是 角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扭线向前凸的一段为支架工作段，如图 3.1 所示的 段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有h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。图3.1 四连杆机构几何特征图从以上分析可知，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 值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。e 193.3.3 四连杆机构优选设计法（1）.目标函数的确定为了减少附加力，必须使得 有较小值。同时，为有效的控制顶板，tan要求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的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。（2）.四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征，如图 3.2 所示。1）支架在最高位置时，P 15262，即 0.911.08 弧度；Q17585 ，即 1.311.48 弧度。支架在最低位置时，P25。2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I =0.450.61；支撑掩护式为I = 0.610.82。3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为 0.220.3。I14）e点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度 mm 以下。705）支架在最高位置时的 应小于 0.35，在优化设计中，对支撑掩tan护式支架最好应小于 0.2。 20图3.2 四连杆机构参数图（3）.四连杆机构各部尺寸的计算四连杆机构各部参数如图 3.2 所示，图中的 为支架在最高位置时的1H计算高度。令： = ; = ; = ; =D; = ; = ; = ; oa2AbBcCd2oEaeGbF= ; =L; ; = =1JOSeI1tnSLU1） 后连杆与掩护梁长度的确定如图 3.2 所示 ，当支架在最高位置时的 H 值确定后，掩护梁长度 G1为：11sinsiHGPIQ（3.5）后连杆长度为：AI（3.6） 21前后连杆上绞点之距为：BIG1（3.7）前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为：F（3.8）从式（3.5）至式（3.8），可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对变量规定相应的步长如下： 的步长为0.034弧度； 的步1P1Q长为0.034弧度； 的步长为0.02； 的步长，掩护式为0.042。若上述四个1II变量各向前迈出五步，经排列组合变得到625组数据。此处，步长也可根据精度自行确定不必遵循此规定。2）后连杆下绞点至坐标原点之距为 ，如图3.3所示1E图3.3 四连杆几何关系图3）前连杆长度及角度的确定 22当支架高度变化时，掩护梁上绞点 e的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽