液压支架设计与应用毕业论文.doc

山东科技大学学士学位论文液压支架毕业论文1 绪论回采面中，为了确保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。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。它使顶板的支撑、切顶、移架和输送机等工序全部实现了机械化。因而大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度，有效地增加了劳动安全性，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。但液压支架对煤层的地质条件要求较高。液压支架动作原理可概括如下：液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本功作，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) 升柱当需要支架上升支护顶板时，乳化液进入立柱的活塞腔，另一回腔液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触到顶板。(2) 降柱 当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一回腔液迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。(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；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。支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如下图所示：图11 支架工作特性曲线 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，此阶段为初撑阶段；支架初撑后，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定压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段，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定值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶梁压力减小，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，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。2 液压支架的应用及工作原理2.1 液压支架的应用及意义随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需求量的日益增加，煤矿开采，特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大变化。综合机械化采煤，就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都实现机械化。即采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤，工作面重型可弯曲运输机，以及与之相适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤，自移式液压支架支护和管理顶板。 这几种设备相互配合，组成了综合机械化设备。液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件与一些金属结构件组合而成的一种支撑式和控制顶板的采煤工作面设备，能实现支撑、降落、移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进，经济合理，安全可靠，当前世界各国都在不断提高采煤工作面的综合机械化水平。液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点，能使采煤工作面达到高产量、高回采率和高功效，能大大减少劳动强度，降低成本和掘进率，实现安全生产。2.2 液压支架的组成液压支架的典型结构是有顶梁、支柱、掩护梁、底座、推移装置、阀件、管路系统、连接部件及各种附属装置等组成。顶梁和底座通过数根支柱支撑在顶、底板之间，构成了一个可以活动的承载构件，支护顶板，维护工作空间。综合各种类型液压支架的结构，它的组成可归结为承载结构件、动力油缸、控制操纵元件、辅助装置和工作液体五大部分。2.2.1承载结构件1）顶梁：直接与顶板相接触，并承受顶板岩石载荷的支架部件叫做顶梁。它为支柱，掩护梁，挡矸装置等提供连接点。顶梁除整体刚性箱体结构形式外，一般由若干段组成，按它对顶板支护的作用和位置，可分为主梁、前梁和尾梁。顶梁约三米左右，多是变断面的整体顶梁，从柱窝中心向前直至顶梁前端逐渐变薄变窄，顶梁断面内有两个左右对称的柱窝，以接纳立柱球头。顶梁后端两侧耳板用来与掩护梁铰接，顶梁后部中心线处有平衡千斤顶的支撑座。顶梁两侧各有三个圆孔，供安装弹簧套筒和侧推千斤顶。2）掩护梁：阻挡采空区冒落矸石涌入工作面空间，并承受冒落矸石载荷，以及顶板水平推力的支架部件叫做掩护梁。掩护梁上部直接与顶梁铰接，下部直接或间接与底座铰接。掩护梁与顶梁的铰接点的运动轨迹为双纽线，形成了双摇杆的四杆机构。支架采用双纽线机构，顶板对顶梁的水平载荷由掩护梁传递给两个连杆承受，支架立柱不再承受横向力，立柱不容易弯曲变形。掩护梁前端焊有耳板供与顶梁铰接，后端焊有耳板供与后连杆铰接，销孔座供与前连杆铰接。掩护梁断面内有弹簧套筒使活动侧护板伸出，弹簧一端支撑在弹簧座上，弹簧座顶在掩护梁内的骨架上。弹簧另一端支撑在活动侧护板上。还可以装有侧推千斤顶，有调架和防倒防滑作用。3）底座：直接和底板相接触传递顶板压力到底板的支架部件叫底座。底座除为支柱、掩护梁提供连接支点外，还要安设推移千斤顶等部件。底座采用整体刚性平底座。它与底板接触面积大，因而，对底板接触比压小，支架不易下陷。2.2.2 动力油缸 1）支柱：支架上凡是支撑在顶梁和底座之间，直接或间接承受顶板载荷的主要油缸叫支柱。支柱是支架的主要承载部件，支架的支撑力和支撑高度，主要取决于支柱的结构和性能。立柱主要由缸体，活柱，导向套等组成。缸体有无缝钢管加工而成，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的液口。在缸体的上端装有导向套，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，在导向套上装有防尘圈。为了防止液体从立柱的上腔向外泄漏，在导向套上还装有蕾形密封圈，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。活柱 ，由无缝钢管做成，下部焊有活塞头，上部焊有柱头，为把立柱分割成互不相通的上下两腔，在活塞头上安装了具有双向密封作用的鼓形密封圈，它的两侧有导向环为活柱在缸体内运动导向。它及其导向环由内卡键，外卡键，卡箍实现轴向固定。接机械加长杆的立柱的活柱上端是空心的，带有柱头的机械加长杆，插入活柱内，将卡环嵌入接长杆的环形槽内，再用卡套套在卡环外面，最后用销轴穿过接长杆横孔，把接长杆与空心活柱固定在一起，接长杆上有若干个环形槽和若干横孔，可以按照具体的要求把卡环嵌入相应的环形槽内得到不同的调节高度，使用操作程序比外接长帽方便。 2）千斤顶：支架上除了支柱以外各种油缸都叫千斤顶。如前梁、推移、调架千斤顶、还有平衡、复位、侧推和护帮千斤顶。完成推移运输机、移设支架，和支架的调整等各项动作。它们的主要差异是立柱的活柱直径比较大，立柱上腔的环形面积与下腔的断面积的比值很小而千斤顶的活塞杆直径相对较小。千斤顶的前腔环形面积与下腔的断面积的比值较大。2.2.3 控制操纵元件包括控制阀，操纵阀等各种阀件和管件。这些元件是保证支架获得足够的支撑力，良好的工作特性，以及实现预定设计的动作所需的液压元件，它的种类和数量，随着支架结构和动作的要求不同而异。1）液控单向阀：主要用来闭锁液压缸中的液体，使之承载。2）安全阀：是必不可少的限定压强的元件。可以防止支架的主要承载结构件过负载，确保顶板岩层在不高于规定的工作阻力的作用下沉降。当阀液口前的液压力与作用于阀芯的弹性元件作用力相平衡时阀开启，这种阀具有灵敏度高，溢流限压作用及时的优点。3）操纵阀用来使液压缸换向实现支架各个动作手动换向。2.2.4辅助装置支架上除了上述三项构件以外的其他构件，都可归入辅助装置，它包括推移装置、复位装置、挡矸装置、护帮装置、防倒防滑装置、照明装置和其他附属装置等。1）掩护式支架的侧护装置，掩护梁和顶梁的两侧都装有侧护板，支架工作时，一侧的侧护板是固定的，另一侧则为可以活动的。制造时，通常，两侧的侧护板对称，总装时可以按需要将一侧的用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。它主要用来消除相邻支架掩护梁和顶梁间的架间间隙，防止冒落矸石进入支护空间。作为支架移架过程中的导向装置，防止支架降落后倾倒，以及调整支架的间距。 2）推移装置：掩护式支架所需要的移架力不仅应克服底板的摩擦力，还应克服两旁相邻支架的摩擦力，以及由于移架时立柱的剩余载荷引起的顶板对支架的摩擦力，所以它所需要的移架力很大。为了获得较大的移架力，推移装置常增加一个框架装置，以便于利用千斤顶的推力移架，拉力推溜。3）护帮装置：为了防止煤壁片帮或在片帮时起到遮蔽挡板的作用，避免砸伤工作人员或损坏设备。支架应安设护帮装置。护帮装置的主要元件是护帮板和护帮千斤顶。2.3 液压支架的工作原理2.3.1液压支架自动移设的原理液压支架是以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，是液压支架完成升起、降落、行走、推移运输机等各种动作。以便使支架随工作面不断推移而反复支撑、前移和调架。1）降柱：当旋转式操纵阀转到降柱的位置，打开供液阀时，高压液体由主进液压管经操纵阀和油管，进入支柱的活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主回液管，支柱卸载下降。2）移架：液压支架卸载后，把操纵阀转到移架位置，打开供液阀，高压液体由主进液压管经操纵阀、油管进入推移千斤顶的活塞杆腔。同时进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀、操纵阀流回主回液管，推移千斤顶收缩，以运输机为支点，拉架前移。运输机靠相邻支架的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单向阀锁紧。 3）升柱：液压支架移至新的位置后，应及时升柱，以支撑新暴露的顶板，将操纵阀转到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主进液压管进入，经操纵阀到液控单向阀，顶开阀球经油管进入支柱的活塞腔，支柱活塞腔的油液，经油管和操纵阀流回主回液管，活柱和顶梁升起，支撑顶板。4）推移运输机：当液压支架前移并重新支撑后，把操纵阀转到推溜位置，打开供液阀，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入推移装置千斤顶的活塞杆腔，活塞腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，以液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。2.3.2 液压支架的支撑承载原理支架的支撑承载原理是指液压支架与顶板之间相互作用力学工作原理，包括初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。1）初撑增阻阶段：在升柱的过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭。阀球封闭了支柱活塞腔的油液，这就是支架的初撑增阻阶段。此时，支柱或支架对顶板产生的支撑力称为“初撑力”。支柱的初撑力： （2.1）支架的初撑力： （2.2）式中： Pb-泵站的工作压力；D-支柱缸体内径； n-每架支架的支柱数；-支撑效率；支撑力的大小，取决于泵站的工作压力，支架支柱数和支柱缸体的内径以及架型等。实际上，支柱初撑后，活塞腔内的油液压力由于阻力的损失，操作的情况和阀的灵敏度等原因，往往低于泵站的工作压力。2）承载增阻阶段：支架初撑后，随顶板的下沉，支柱活塞腔被封闭的油液受到压缩，油液压力继续升高，呈现承载增阻状态。这时由于支柱缸径增大，油液被压缩而体积缩小，即使乳化液没有任何的漏损，安全阀并未动作卸载，支柱总长度也将缩短。由于立柱发生弹性可缩现象而引起的立柱的降低值称为立柱的弹性可缩量。它可以按下式计算： （2.3）式中：l-立柱的弹性可缩量；p-立柱的下腔液体压强增量； -液体的体积压缩系数；l-立柱下腔内液柱高度；E-缸体材料的杨氏弹性模量；-缸体材料的泊松比；D -缸体内径；d-缸体外径。这个缩短量是有弹性的，如果作用在支柱上的载荷，反过来从工作阻力减少到初撑力时，支柱仍会恢复到原来的长度，因此，这个支柱长度上的缩短量，称为支柱的弹性可缩量。这个弹性可缩量，会使支柱工作未达到工作阻力之前，就造成了顶板的下沉，有可能使岩石离层，对顶板管理不利的。减少支柱的弹性可伸缩量，对改善顶板的管理起着重要的作用，具体措施时，是用高压乳化液，提高支柱的初撑力改善单向阀的质量。要能及时关闭液路，注意操作方式，使支柱下腔尽可能达到泵站的工作压力。3）恒阻阶段：支架承载后，如果完全支撑住顶板，不允许顶板下沉，需要有强大的支撑力。在实际生产中，由于顶板压力有时相当巨大，想设计出能抗住巨大顶板压力，而一点也不让压的支架是极困难的。因此，都使支架能随顶板下沉时，有一定的可缩量，但又保持一定的支撑力，不致于使顶板的任意下沉而造成破坏冒落。要求支架既具有一定的初撑力又具有可缩性，这种特性是由支柱的安全阀来控制的。在顶板的压力增大时，支柱活塞腔被封闭的油液压力就会迅速上升。当压力值得超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泄出，支柱降缩，支柱活塞腔的液体压力减小，这就是支架的让压特性。当压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，支柱的活塞腔的液体又被封闭，支架恢复正常工作。由于安全阀的动作压力的限制，支柱呈现出恒阻特性，此时支柱或支架承受的最大载荷称为工作阻力。支柱的工作阻力： (2.4)支架的工作阻力： (2.5)式中：Pa-安全阀的动作压力支架的工作阻力取决于安全阀的动作压力，支架支柱数，支柱缸体内径和架型等。安全阀使支柱具有恒定的设计工作阻力，同时又使支柱在承受大于设计工作阻力的顶板压力，可随顶板的下沉而下缩，这就是液压支架的恒阻特性和可缩性。为防止安全阀频繁动作而失效，应使支架的工作阻力大于正常的顶板压力，即是在工作面生产过程中，支架还未达到设计工作阻力之前，就已经前移到新的支撑位置。工作阻力是液压支架的一个基本参数，用来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，并不能完全反映支架对顶板的支撑能力，因此常用表示单位面积顶板上所受支架工作阻力之大小的支护强度参数，来比较支架的支护性能。支护强度： (2.6)式中： A-支架的支护面积；由上可知，支柱或支架工作时，其支撑力随时间的变化过程是，支架升起，顶梁开始接触顶板至液控单向阀关闭时的初撑增阻阶段，初撑结束至安全阀卸载前的承载增阻阶段和安全阀出现重复卸载时的恒阻阶段，这种变化过程反映了支架的支撑力和时间的关系（图2-1）。图中虚线表示，有些支架的支柱并未达到额定的工作阻力值就已经降柱前移。支架前移后按原过程重新支撑。上述工作过程表明，液压支架在额定的工作阻力值以下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用。当支架的支撑力超过额定工作阻力值时支架能随顶板下沉而下缩。使支架保持恒定的工作阻力，即具有可缩性和恒阻性。支架本身的增阻性取决于液控单向阀和支柱的密封性能。可缩性和恒阻性则有安全阀的溢流性能决定，因此，液控单向阀，安全阀，支柱这三个部件，是保证支架工作性能的关键元件。2.4 四连杆结构的设计2.4.1 四连杆的作用 四连杆机构是液压支架的最重要的部件之一。其作用主要有两个，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，从而使支架顶梁前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；其二是使支架受力状态最佳，结构上既满足工作空间要求，又能承受足够的纵向、横向力及扭矩，能承受较大的水平力。2.4.2 四连杆动作时应满足的条件 支架在最高位置时，； 支架在最低位置时，为了有利于矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，为了安全可靠，最低工作位置应使为宜。而角主要考虑后连杆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。一般取，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。 下面用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度：设：掩护梁长度；后连杆长度；点引垂线到后连杆的长度；支架最高位置时的计算高度；支架最低位置时的计算高度。 按照几何关系可得出： (2.7) (2.8) 将(2.7)、(2.8)两式联立可得：= (2.9)按四连杆机构的几何特征要求，初选：=；=；=；。 把各个角的数值代入(2.9)式可得：=0.53 (2.10)的范围是0.450.61支架在最高位置时的计算高度为： (2.11)由(2.7)、(2.8)两式得 ： A=1513 图22 四连杆结构简图重新算得 =55 =30=75 =28用几何作图法确定四连杆机构的各部分尺寸，如上图2-2所示。3 液压支架主要部件结构设计3.1支架基本参数的确定3.1.1支护强度 根据煤矿井下的需要，支护强度为 600KN/m 2 。3.1.2支架的载荷 已知了支护强度，支架的支护载荷为：式中： L-顶梁的长度，m；l=3.14mB-顶梁的宽度, m； B=1.4mj-架间距, m； j=0.1mC-顶梁前端到煤壁的距离；c=0.3m以上各尺寸的关系表示在图3-1中。3.1.3初撑力初撑力的选择影响到支架的性能和设备成本。一般说来，提高支架的初撑力能迅速使支架上、下垫层压缩，增加支撑系统的刚度，减少顶板早期下沉和循环下沉，阻止和限制直接顶的离层和破碎。不同类型的顶板对初撑力有不同的要求，对于不稳定顶板应避免直接顶的离层破碎，初撑力应略大于下列计算值。对于稳定顶板，初撑力不宜过高，因为适当的顶板下沉有利于减少采空区的悬顶，故初撑力可略小于下列计算值。 式中： H- 煤层厚度，m；H=3-8m Lz-周期来压步距，m； Lk-控顶距离，m；3.1.4支架高度考虑到顶板有伪顶冒落，或可能局部的冒落，支架的最大高度应是煤层的最大开采高度再加200-300mm。故取支架的最大高度 mm最小高度由：取最小高度为：2.0m式中： Hmin-煤层开采最小厚度；h=1650mm S-顶板下沉量，应取周期来压时的最大下沉量；s=144mmg-顶梁上、底座下的浮矸厚度，一般为50mm； e-移架时支架缩回量30-50mm。3.1.5支架的顶梁长度各个部件的几何关系列于图3-2中，b的长度按下式计算： 式中： e-人行道的宽度不小于0.6m，高度不小于采高的70%；-立柱的倾角；=14度H-支架的高度；H=3.8mm-铲煤板到煤壁间的距离；=80mmk-输送机宽度，包括连接千斤顶装置；k=1000mmd-采煤机滚筒截深；d=1000mmc-顶梁前端到煤壁的距离，一般取250-350mm。顶梁的全长：式中： l1- 柱窝到铰接轴的距离，通常取l1b/2。 3.2支架各部件参数计算3.2.1支架各作用点的受力计算 根据实测顶梁上的垂直载荷为3200KN。假设掩护梁上没有负载，摩擦系数为f = 0.3 支架在最高位置时， 每根立柱的工作阻力为1600KN。平衡千斤顶受到的力 -要求承载力一般取98.1117.1KNS-顶梁全长； S=3.14m-立柱的工作阻力； =1600KNTh=1308078KNmm取掩护梁和顶梁为隔离体，顶梁与掩护梁铰接点到顶梁之间的距离，并作出瞬时中心O，得角为13度 如图3-3所示。 支架的工作阻力为： PA的位置为 ：mm前后连杆受力： KN由以上数据可知 ，前、后连杆受力的方向与图示相同，前连杆受压，后连杆受拉。3.2.2立柱柱窝位置的确定图3-4 最小撑高时的尺寸标注立柱下柱窝到后连杆的距离： =3.2.3 平衡千斤顶位置的确定： 1)平衡千斤顶安装位置的确定原则 为保证支架工作的可靠性，支架的支撑力分布必须适应顶板载荷分布。必须按两种情况进行分析当顶梁前端出现空顶时，顶梁载荷合力作用点后移平衡千斤顶受拉，假设合理点位置在顶梁后端0.27倍顶梁长度进行计算。当顶梁后端出现空顶时，顶梁载荷合力作用点前移平衡千斤顶受压，假设合理点位置在顶梁后端0.35倍顶梁长2）平衡千斤顶在顶梁上位置的确定取顶梁为隔离体如图3-5所示：取 -平衡千斤顶的推拉力（推力取+ ,拉力取-）推力633kN 拉力454kN -支架在最高位置时平衡千斤顶的倾角 = -支架在最高位置时的立柱倾角 = 3)平衡千斤顶的行程计算假设平衡千斤顶活塞杆全部伸出时顶梁和掩护梁成180 度；平衡千斤顶活塞杆全部缩回时支架恰好在最高位置，当支架在最高位置时，平衡千斤顶达到最小长度 4）平衡千斤顶在掩护梁上位置的确定=当顶梁和掩护梁成180度时，平衡千斤顶达到最大长度 33 支架各部件强度的计算3.3.1顶梁的强度校核顶梁受一集中载荷时， 各作用点的弯矩，如图3-6所示。主顶梁做成等断面箱式结构，在最大的弯矩处的断面如图3-7所示。表3.1 顶梁各板件材料数据件号厚度mm钢号 N/ 1钢板1614MnVTiRe45126 2工字钢 22A323544 3钢板 1614MnVTiRe45126 4钢板 1614MnVTiRe39240 5钢板 1614MnVTiRe45126 图3.7 顶梁简化断面结构 表3.2 顶梁各板件计算数据件号12345数量 1 4 2 1 1面积Fn 224 48.4 1376 224 128惯性距10712.4 3114.1 52818.25101039275.3形心53.641.8 40.84055.2最大弯矩为： 结构的断面形心距为 ： =45.1cm惯性矩 ： 弯曲应力 ：安全系数： 3.3.2掩护梁 掩护梁按第一种情况计算。即掩护梁上没有载荷，受力力矩图表示在图3-8中.图3-8 掩护梁力矩图E处的弯矩为： C处的弯矩为： =1554.06KNm在最大的弯矩处的断面如图3-9所示。 图3-9 掩护梁断面图表3.3 掩护梁各板件材料数据件号厚度mm钢号 N/ 1钢板1614MnVTiRe45126 2工字钢 22A323544 3钢板 1614MnVTiRe45126 4钢板 2515MnTi39240 5钢板 2515MnTi392406钢板1614MnVTiRe39240形心位置： 各板件的计算数据列于表3-4。件号123456数量141412面积Fn218.942218.930.7534299.2形心Yn cm61.249.437.630.6523.2531惯性距Jn12320824095.449.846125.4669432.740107.9表3.4 掩护梁各板件计算数据结构件形心的位置为：惯性矩： 核算危险断面的弯矩应力：安全系数： 3.3.3底座 假设底座两端支撑，如图3-10所示。求支反力，,即：由上式得前端支反力：kN式中： HB- 柱窝高；HB =80mmHc-前连杆耳座高； Hc =634mmHD-后连杆耳座高； HD =80mm 图3-9底座力矩图断面B处受到的的弯矩最大为：表3.4底座各板件计算数据件号1234567数量262211141.611113.2541.6270766.4143.54.751414323432359234390258.5结构件形心的位置为：惯性矩： 核算危险断面的弯矩应力： =安全系数： 1 3.3.4 推移千斤顶的强度校核 支架的移架力与推溜力由支架的结构、支撑高度、顶板状况以及采煤深度有关。一般中厚煤层移架力为150300，推溜力为100150，由给出的煤层及顶板条件，取移架力为250，推溜力为125。泵站的压力为35，由于有沿程损失，传到支架时液体压力按31.5来计算。 推溜时： 移架时： 故： 由标准选取 重新算得推溜力与移架力为： =484.7 3.3.5后连杆抗压强度和稳定性校核后连杆是拉杆，最大载荷为1078.5 KN。其结构如图3-11所示。抗压强度核算：拉应力为：=材料为 Q235 s= 23500 N/cm2安全系数：1.2 稳定性校核：两端铰支=1； L =1513mm; Jx= 1213 4属于短 杆。 图3-11 后连杆结构简图3.3.6 后连杆销子强度计算后连杆销子受力为 P=539.25KN其受力情况如图312所示：图3-12 销轴受力简图 材料为40Cr，经调质处理后，s= 78480N/cm2 安全系数： 弯曲时： 1.2剪切时： 1.23.4防滑装置与防倾倒装置的设计如下图所示的下排头支架的防倒滑装置中，防倒千斤顶6两端分别用用圆环链接于下排头架的顶梁和上方第三架支架的底座上，利用千斤顶的拉力实现下排头支架防倒。防滑千斤顶两端分别用圆环链接下排头支架和第三架支架的底座前部，用拉力防止下排头支架下滑，在必要时可把它向上拉。1-圆环链2-防滑千斤顶3-防倒千斤顶4-导向管5-圆环链1）走向长壁工作面的煤层倾角为15度，支架的重力为G底座与底板的摩擦系数为f，防滑装置的防滑力T应满足：据标准选择防滑千斤顶的型号为Q63/45,缸径杆径为63/45，杆头与缸底孔径分别为20/20mm,2）防倒装置的防倒力矩底座的宽度为b，支架重心距底板高度为h且位于宽度方向的垂直平分面内防倒装置的防倒力矩应满足 据标准选择千斤顶的型号Q125/70W，缸径杆径为125/70，杆头缸底孔径35/35mm。4 立柱（千斤顶）4.1缸筒内径和缸壁厚度采用乳化液泵的压力为35MPa。选取初撑力与工作阻力的比值Kb为0.73。由前面知道每根立柱的工作阻力为1600KN.所以，缸筒内径为： =230mm式中 D-支架立柱的缸径； D=260mm -泵站的工作压力 ； =35MPa n-支架立柱的数量 ； n=2选用缸内径D为230mm.。恒阻阶段支架的工作阻力为：=38.5Mpa式中 -支架安全阀的天顶压力材料为27SiMn无缝钢管。安全系数选取1.5，许用应力为： 缸壁厚度用下式计算，即：=0.6cm 式中： p- 为缸内压力；考虑到缸口要安设导向套（车螺纹），取壁厚为30mm.。4.2计算重叠长度最小导向长度用下式计算 即：式中： L-液压行程 根据立柱长度的需要，液压行程为 1300mm。考虑活塞和导向套的厚度，取重叠长度为260mm。为了使立柱的结构简单一些，立柱采用了单伸缩的加机械加长杆的结构。在计算中加长杆作为伸缩活柱，因此按双伸缩的立柱计算，立柱的结构尺寸表示于下图4-1中.图4-1 立柱的结构图计算数据列于表4.1中。表4.1 立柱计算数据P=1600Kn=93cm=120.5cm=97.5cm=311cm=15cm=26cm=0.05=0.0035=0.025=150mm=200mm=170mm=260mm=230mm=176.6cm=87P=3190E= 4.3立柱强度校核假设立柱受一轴向力，没有横向力，不偏载。 为了清晰明了，先计算各有关的数据。 加长杆强度的计算：最大弯矩所在的位置为：由上式知道， 最大弯矩发生在 处。最大弯矩为：加长杆内的应力为由轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力， 即： 加长杆材料选用45号钢。s=35316 N/cm2安全系数：活柱强度核算：最大弯矩所在的位置为：由上式知最大弯矩发生在 处，即加长杆与活柱发生初折曲的地方。活柱的最大弯矩为：活柱内的应力为由轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力， 即：活柱选用27SiMn无缝钢管，s=83385N/cm2 。安全系数：缸体强度的核算：最大弯矩发生的地方为：由上式知，最大弯矩发生在 处，即活柱与缸体发生初折曲的地方。最大弯矩为：缸体内壁三个应力为： 按第四强度理论进行验算，即：安全系数： 立柱的稳定裕量验算：为了简化其计算，把加长杆作为活柱的一部分，这样就可以相当于单伸缩立柱，因此有：令 由图查得， 临界载荷为：稳定裕量 计算表明，支架受力最危险的状态并不一定是在最高的位置时或最低的位置发生，而很有可能发生在高度范围内某一位置。因此在计算中必须将整个高度范围内分成若干个位置分别进行计算，从中找出每一个构件的最危险的状态。4.4千斤顶加工工艺1千斤顶筒通常用35号和45号无缝钢管制成，有时也用20号的无缝钢管。缸筒上焊接缸底耳轴或管接头，采用35,并在粗加工调质到HB241-285以改善加工性能和强度。对缸筒的技术要求:1)缸筒内径一般采用H8,H9 级配合，表面光洁度8-10。需要滚压处理。在缸筒入口处及有密封通过的孔槽处，为了装配时不损坏密封件，缸筒的内径应加工成15度的坡口。2)内径D的椭圆度圆锥度不大于内径公差的一半。3）缸孔轴线的弯曲度在500mm长度上不大于0.03mm。4）端面T对轴线不垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。5）当缸筒上焊有耳环时，耳环孔中心线对缸筒轴线的偏移量不大于0.03mm。其轴线不垂直度在100mm上不大于0.01mm。6）焊接在缸筒上的铰接轴轴线对缸筒轴线的偏移量及其在100mm上的不垂直度均不大于0.1mm。7）缸筒端部为螺纹连接，应采用6-7级精度的公制螺纹。8）为防止缸筒腐蚀和提高寿命，可在缸筒内表面镀0.03-0.05mm的铬镍合金。再进行研磨抛光，缸筒外表面应涂油漆。2.缸底 缸底的材料可用 35号和45号钢缸底与缸筒一般采用焊接结构，其结构紧凑，加工简单，工作可靠，但容易产生焊接变形。通常缸底止口与缸筒内径孔间采用过渡配合以限制焊接后变形。3.缸盖，材料一般为35号和45号钢对缸盖的技术要求:1）直径D,d2,d3的椭圆度及圆锥度不大于直径公差的一半。2）D,d2,d3不同心度小于0.03mm.3）A,B端面对轴线的不垂直度在100mm上不大于0.04mm。4）活塞杆的导向d2,按 H9加工，光洁度6 。5）液压系统的压力和液温都很高，因此对密封件的材质和结构要求也较高，常用丁腈橡胶和聚氨酯压制而成的V形密封圈、O形密封圈、Y形密封圈密封。此外，在缸盖端部还装有防尘圈，防止污物进入缸内。4.缸体与外部的连接缸体与外部为径向底座安装形式。常用耳环或铰接轴的连接形式。活塞耳环与活塞杆焊接或螺纹连接。缸底耳环常与底座制成一体或与底座焊接。5.活塞 活塞的材料通常采用35号和45号钢。 对活塞的要求: 1）外径D对d1的径向跳动， D的椭圆度和锥度均不大于D公差的一半.2）两端面对轴线不垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。3）活塞的结构应当考虑与活塞杆的连接和密封。以及它与缸壁间的滑动和密封。活塞与活塞杆之间为动配合H9/h9,H9/f9，配合面之间采用O形密封圈,密封槽常开于轴上，以便于加工。6.活塞杆活塞杆的一端留有透气孔，使焊接和热处理时能排出热气。材料一般为 35号和45号钢。对活塞的技术要求:1）粗加工后进行调质处理，硬度为HB229-285 最后高频淬火，表面硬度为 HRC45-55. 2）活塞杆d2,d的椭圆度和锥度不大于相应的直径的公差的一半。径向跳动不大于0.01mm 。3）活塞杆的轴线不直度在500mm上不大于0.03mm。4）端面的不垂直度在直径100mm上不大于0.04mm.5）活塞杆上有连接的销轴孔，则按H11 加工。6）孔的轴线相对于活塞杆轴线的偏移不大于0.1mm。不垂直度在直径100mm上不大于0.025mm。活塞杆表面应镀铬厚度为0.03-0.05mm 并抛光。5 液压支架液压系统5.1液压支架液压系统的特点1）工作压强高，液压支架在工作面支护顶板时，要求有较大的支撑力，与初撑力有关的是泵站的工作压力，一般为19.6-34.4Mpa。因此，液压元件要有足够的耐高压强度。2）工作介质是水包油乳化液（5%左右的乳化油和95%左右的水合成），这种乳化液黏度低，润滑和防锈性能不如矿物液压油。故对系统各元件的密封性和防锈性有较高的要求。3）工作环境恶劣，潮湿、粉尘又多、空间有限，检修不方便，要求每个支架应形成独立液压系统，并装设断路器以便于更换部件和进行局部的检修。5.2 立柱立柱主要由缸体、活柱、导向套等组成。缸体由无缝钢管加工而成，缸体下端焊接球形缸底，在缸底上钻有孔并焊有管接头作为立柱下腔液口。在泵站集中供液，工作介质输送管路长，压力损失较大。要适应支架断续工作的要求，要求主管路要有足够的过流断面，既能及时供液又能及时卸载。在缸体的上端装有导向套，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，在导向套上装有防尘圈。为了防止液体从立柱的上腔向外泄漏，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。活柱由无缝钢管做成，下部焊有活塞头，上部焊有柱头，为把立柱分割成互不相通的上下两腔，在活塞头上安装了具有双向密封作用的鼓形密封圈，它的两侧有导向环为活柱在缸体内运动导向。它及其导向环由内卡键，外卡键，卡箍实现轴向固定。机械加长杆的立柱，它的活柱上端是空心的，带有柱头的机械加长杆5，插入活柱内，将卡环4嵌入接长杆的环形槽内，再用卡套3套在卡环外面，最后用销轴1穿过接长杆横孔，把接长杆与空心活柱固定在一起，接长杆上有若干个环形槽和若干横孔，可以按照具体的要求把卡环嵌入相应的环形槽内得到不同的调节高度，使操作程序比外接长帽方便。目前多使用带机械加长杆的立柱，其结构如图5-1所示。5.3支架液压缸的主要零部件5.3.1缸体缸体是液压缸承受液体压强的部件，支架液压缸一般采用合金无缝钢管如27SiMn，或冷拔碳素钢管制做。缸体的内表面是活塞的密封面，因而，要求有较高的加工精度和表面光洁度。通常，缸孔的加工精度为 H8H10, 表面光洁度为810。5.3.2活塞活塞是液压缸承受并传递作用力的部件，双作用液压缸的活塞上装有双向的运动密封圈，以防止活塞两侧腔室液体的串通而引起的液压缸承载能力的降低。为了保护运动密封圈并给活塞导向，在运动的密封圈两侧通常装有导向环，液压缸承受横向载荷时导向环可用铜合金做成，横向载荷小时，导向环可以用尼龙或塑料做成。导向环或活塞与液压缸的缸体的内孔的配合精度为H8/f9-H10/f9，表面光洁度为78。 活塞一般焊接在活柱或活塞的杆上, 特别是活柱有无缝钢管制成时，活塞也可以活套在活柱上，特别是活柱由实心的原钢制成时，活套的活塞以及它的密封圈导向环等，一边紧靠其凸肩，另一边轴向固定。5.3.3活柱或活塞杆 活柱或活塞杆是液压缸传递机械力的部件，它将承受拉、压、弯曲等载荷，它们也采用合金的无缝钢管做成。活柱与导向套的配合精度H8/f9-H9/f9 ，表面光洁度为 8-9。活柱工作时经常伸出液压缸外，直接接触矿井下的潮气、腐蚀性气体和粉尘。因此，要求它们的表面除了耐磨外，还应耐腐蚀，不生锈。所以，通常液压缸的活柱外表面都有几十微米的耐腐蚀的铬镍合金，使用支架时应注意活柱表面，不要碰伤。5.3.4导向套 导向套在缸体外端，为活柱伸缩往复运动时导向，要求导向套内壁与活柱接触紧密但不妨碍活柱动作灵活，导向套还应承受住由外部载荷对活柱形成的横向力、弯曲、震动等的影响。导向套的可以用铜合金做成，内衬耐磨材料，导向套或耐磨衬环的加工精度为 H8H19。内表面光洁度不低于6。现在常采用导向套兼起缸盖作用直接与缸体固定。5.3.5蕾形密封圈 蕾形密封圈是在U形夹布橡胶圈唇内填塞橡胶压制而成的单向实心密封圈。蕾形密封圈配有塑料挡圈使用时密封强度可达到58.9Mpa 。 不带挡圈使用时只能于29MPa 以下。5.3.6鼓形密封圈鼓形密封圈是由两个 U 形夹布橡胶圈以其唇边相对，在中间填塞橡胶压制而成的双向实心密封圈。当它配有一个L 形的塑料导向环时，强度可达到58.9 MPa 若实际工作压强，低于24.5 MPa 时，可不需要导向环支撑。5.3.7山顶形密封圈 尖顶形密封圈是外层带尖顶部分为夹织物橡胶，内层与固定接触面的部分是纯橡胶。内层压制成一体，内层为弹性元件，外层为夹织物橡胶，可以渗透油液，防止干摩擦，尖顶的作用是减少接触面积增大接触压强，密封性能好。尖顶形密封圈可以与 L 形导向环，也可以与结构简单的挡圈配合使用。导向环和挡圈一般用尼龙做成。5.4液压支架液压阀液压支架液压阀主要有压力控制阀和方向控制阀两大类。压力控制阀主要是安全阀。方向控制阀主要液控单向阀、操纵阀和液控分配换向阀。5.4.1液控单向阀 液控单向阀结构：液控单向阀在支架的液压系统中，主要用来闭锁液压缸的液体，使之承载。球面形液控单项阀，为闭锁平衡千斤顶前后两个腔的双向液力锁，使液控单项阀的一种。实质上是有两个单向阀共用一个双头顶杆组装在一个阀体里而成的。单向密封副为球面接触，每个单向阀有螺纹端套弹簧钢球尼龙阀座和进液套等组成。液控单向阀工作原理如下：当液口A 和B 均与回液管相连时，两个钢球分别在弹簧的作用下紧压在自己的阀座上，不允许液体从液口C 和D流回 A 和 B 。如果液口 C 和D 分别连接在一个千斤顶两腔。则千斤顶的活塞杆就被固定在某一位置。既能承受推力的负荷，也能承受拉力的负荷。液口A 进高压液，液口 B通回液管时，高压液体将打开左面的球形单向阀流到口C，与此同时向右面推压顶杆顶开右面的球阀，允许液口D 的液体回流到液口B。同样，B口进高压液，A 液口通回液时，则高压液流从B 到 D，低压液流从 C到A 。即，双向液力锁的A 和 B 液口不仅是各自单向阀的进液回液通道，还分别是对方单向阀的卸载液控口。 对液控单向阀的要求：1）密封可靠 特别是锁紧立柱下腔液路的液控单向阀，需要长时间的保持绝对的密封。2）动作灵敏 尤其要求关闭及时，保证刚刚锁紧的液压缸中的压强等于泵站的供液压强。 3）流动阻力小。4）工作寿命长 能保证工作面推进800-1000米而不需要更换。结构简单。.5.4.2安全阀安全阀是支架液压系统中必不可少的限定压强的元件。立柱的安全阀可以防止支架的主要承载结构件过载负荷，确保顶板岩层在不高于规定的工作阻力下沉降。如图4-3所示。弹簧式阀座安全阀的阀芯凹窝中装有橡胶垫，在弹簧的作用下压在阀座的凸台上，同平面密封液控单向阀一样，也是硬接触软密封，橡胶的弹性补偿了密封副平面的接触的不精确度，从而保证了关阀时能完全密封，阀芯与阀座硬接触可以限制橡胶垫的最大变形量，延长了寿命。当液口A 的液