支撑掩护式液压支架总体及推移千斤顶设计

摘要本次设计内容是支撑掩护式液压支架总体及推移千斤顶设计。液压支架与采煤机、刮板输送机构成综采工作面设备，液压支架不仅用来支撑顶板，推动刮板输送机工作面和自移式支架本身，而且还为综采工作面的采煤设备提供一个安全的工作环境。因此正确的选择和设计液压支架对长壁工作面采煤具有十分重要的意义。此外，由于对液压支架需求数量很大，对其投资要占到长壁采煤工作面初始投资的一半以上，所以，液压支架是长壁采煤工作面设备中十分重要的一部分。支撑掩护式液压支架具有支撑式液压支架和掩护式液压支架的特点。所以，支撑掩护式液压支架具有他们所具有的优点。液压支架作为回采工作面的一种支护设备，液压支架在工作时能否取得良好的支护效果，跟液压支架的架型，结构有关。首先，通过作图法确定支架的四连杆机构各杆系的长度；其次，对液压支架的前梁、顶梁、掩护梁进行受力分析，对支架上的载荷进行计算；最后对推移千斤顶的液压缸、活塞杆等进行强度效核,并画出设计所需要的机械图。关键词支撑掩护式液压支架；四连杆；推移千斤顶；强度ABSTRACTTHEDESIGNCONTENTISTHEOVERALLANDTHEPASSAGEJACKDESIGNOFTHESHIELDHYDRAULICSUPPORTHYDRAULICSUPPORTANDSHEARER,SCRAPERCONVEYOROFFULLYMECHANIZEDMININGFACEEQUIPMENT,HYDRAULICSUPPORTCANNOTONLYBEUSEDTOSUPPORTTHEROOF,PROMOTESCRAPERCONVEYORWORKINGFACEANDSELFMOVINGSCAFFOLDINGITSELF,BUTALSOPROVIDESASAFEWORKINGENVIRONMENTFORCOALMININGEQUIPMENTOFFULLYMECHANIZEDCOALFACESOTHECORRECTCHOICEANDDESIGNOFHYDRAULICSUPPORTFORTHELONGWALLCOALMININGISOFGREATSIGNIFICANCEINADDITION,BECAUSEOFHYDRAULICSUPPORTDEMANDQUANTITYISVERYBIG,THEINVESTMENTTOACCOUNTFORMORETHANHALFOFTHEINITIALINVESTMENTFORALONGWALLCOALMININGFACE,SOHYDRAULICSUPPORTISLONGWALLMININGCOALWORKINGSURFACEEQUIPMENTISAVERYIMPORTANTPARTOFSUPPORTSHIELDTYPEHYDRAULICSUPPORTHASTHECHARACTERISTICSOFSUPPORTINGHYDRAULICSUPPORTANDSHIELDHYDRAULICSUPPORTTHEREFORE,THESUPPORTOFTHESHIELDTYPEHYDRAULICSUPPORTHASTHEADVANTAGESTHATTHEYHAVEHYDRAULICSUPPORTISUSEDASASUPPORTINGDEVICEFORWORKINGFACE,ANDCANACHIEVEGOODSUPPORTINGEFFECTWHENHYDRAULICSUPPORTISWORKING,ANDITISRELATEDTOTHEFRAMESTRUCTUREANDSTRUCTUREOFTHEHYDRAULICBRACKETFIRST,EACHRODFOURBARMECHANISMBYGRAPHICALMETHODFORTHEDETERMINATIONOFSTENTLENGTHSECONDLY,OFHYDRAULICSUPPORTTOPBEAM,ATOPBEAM,ASHIELDBEAMSTRESSANALYSIS,TOCALCULATETHELOADONTHEBRACKETFINALLYTHEPUSHINGJACKHYDRAULICCYLINDER,PISTONRODFORINTENSITYEFFECT,ANDDRAWTHEDESIGNOFMECHANICALDRAWINGKEYWORDSCHOCKSHIELDHYDRAULICSUPPORTCANOPYFOURBARLINKSADVANCINGJACKSTRENGTH目录前言11概述211液压支架发展过程及现状212液压支架的应用3121液压支架的作用3122综采工作面的布置313液压支架的类型及其结构特点314支架的结构及工作原理4141液压支架的组成4142液压支架的工作原理5143液压支架立柱的工作过程615液压系统及其控制元件62液压支架整体结构分析及选型821支撑掩护式支架设计的初始条件822液压支架基本结构部件选型8221顶梁8222护帮装置形式的选择9223支架活动侧护板形式的选择9224底座11225推移装置的形式选择1123主要参数设计12231支架的最大高度和最小高度12233支架的中心距和宽度14234底座长度14235底座宽度143液压支架四连杆机构设计1631四连杆机构的力学影响及几何特征16311四连杆的力学影响16312四连杆机构的几何特征1632四连杆机构的几何作图法17321几何作图法作图1833梁端距和顶梁长度的确定2035立柱和千斤顶位置的确定21351立柱的布置21352立柱主要参数确定21353立柱柱窝位置的确定23354侧推千斤顶位置的确定23355前梁千斤顶的确定244液压支架受力分析2541液压支架的受力分析与计算2542其他附属设的配套3143支护强度和底座接触比压32431实际支护强度计算32432底座接触比压计算325液压支架推移装置的设计3451推移方式3452推移千斤顶布置3453推移千斤顶类型选择3454推移千斤顶的技术参数确定3555液压缸各个技术参数的确定36551推移液压缸缸盖及缸底尺寸的确定3656推移千斤顶强度验算38561油缸稳定性计算3857活塞杆的强度验算39571在承受同心最大载荷情况下油缸的初扰度391572油缸的最大扰度39573活塞杆的合成应力40574活塞杆的抗弯强度计算4058缸体强度验算41581油缸壁厚验算41582缸体与缸底焊缝强度验算416液压控制系统的确定4361液压支架控制方式4362拟定液压系统43结论46经济技术分析47致谢48参考文献49附录50附录A译文50附录B外文文献54前言液压支架是综采工作面的重要设备之一，它的作用是支护顶板、并保证安全的作业空间，同时也要推移工作面输送机和采煤机，因此液压支架的性能和可靠性在煤矿开采过程中是至关重要的。我的毕业设计就是支撑掩护式液压支架总体及推移千斤顶设计，其中，支撑掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合我国煤矿的特点于1968年首先研制成功的。它具有切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用双排立柱支撑顶梁的结构，有利于液压支架切顶；同时吸收了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁隔离采空区，起到避免采空区冒落矸石涌入工作面的作用，同时它与前后连杆、底座共同组成四连杆机构。因此，对支撑掩护式液压支架的设计和研究是十分重要的。液压支架有降柱，移架，升柱，推溜四个基本动作。支架的升降由立柱的伸缩来实现，支架和输送机的前移，是由底座的推移千斤顶来完成的，它布置在支架底座中部空间内，由推移千斤顶的伸出、收回完成推溜和移架功能，是支架推溜、移架机构中的连接体。设计的原始条件是采高为25M32M，老顶级别为级，直接顶类别为3类的支撑掩护式液压支架的设计。老顶来压强烈，直接顶稳定，所需要液压支架特点是工作阻力大，支护强度高，切顶能力强。1概述11液压支架发展过程及现状液压支架是综采工作面的主要设备之一，它分散布置在整个采煤工作面上，液压支架是以高压液体为动力，由金属构件和液压元件（液压缸和液压阀）组成。它与采煤机、可弯曲刮板机运输机组成三机配套，成为回采工作面的综合机械化设备。由于液压支架的使用，极大的提高了劳动生产率，增加了采煤产量，在此同时可以减少劳动强度保证了煤矿安全生产，目前，液压支架已经在大中型煤矿中得到了广泛的应用。液压支架经历了如下几个阶段的发展过程。50年代，英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架具有四连杆机构，解决了支架梁端距变化大且不能承受水平力的问题，开辟了液压支架设计的新时代70年代主要是“立即支护”方式；80年代以来，为提高生产率和降低生产成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高。我国近十年来液压支架的发展趋势是两柱掩护式和四柱支撑掩护式支架的发展，架型我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已经形成了较完整的设计、制造和科研体系。对于液压技术的突破，一方面是设计方法、设计参数，另一方面是液压支架控制系统的重大突破，应用电液控制技术，使用电磁控制的先导阀，并且应用压力传感器和位移传感器，以及微处理机技术，红外遥感技术等现代科技成果，使得液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，配合采煤机的煤岩识别系统等先进技术，可实现工作面自动控制。1采煤机；2液压支架；3可伸缩皮带运输机；4转载机；5工作面可弯曲刮板机；6主进液管；7主回液管；8乳化液泵；9乳化液箱；10端头支架；11单体液压支架图11综采工作面设备布置图FIG11FULLYMECHANIZEDCOALFACEEQUIPMENTLAYOUT12液压支架的应用121液压支架的作用液压支架的作用是对采煤工作面工作空间的顶板进行有效的支护；能够推移工作面的运输机，同属随着采煤工作面的推进，支架可以在其内部推移千斤顶的作用下向前移动，起着防止后部垮落的矸石窜入工作空间的作用，对于煤矿安全高效生产起着至关重要的作用。122综采工作面的布置综合机械化采煤设备在工作面的布置情况如图11所示，其中主要设备有用于破煤和装煤工作的滚筒式采煤机1也可用刨煤机，进行运煤的工作面可弯曲刮板运输机5和顺槽运输设备转载机4和可伸缩皮带运输机3，用以支护顶板的工作面液压支架2和端头支架10及单体液压支柱11，设在下顺槽的乳化液泵站包括乳化液泵8和乳化液箱9，以及由乳化液泵站引入工作面的主进液管6和主回液管7等。13液压支架的类型及其结构特点一般将液压支架分为三大类，即支撑式支架的特点是顶梁较长，其长度多在4M左右；它利用立柱与顶梁直接支撑同时控制着工作面的顶板。特点是立柱多，支撑力大，支撑效率较高，同时切顶性好；通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。掩护式支架的特点是立柱少、切顶能力弱；它的控顶距小，其中掩护梁可以防止岩石落入工作面，同时由掩护梁、前连杆、后连杆、与底座构成的四杆机构使得支架抵抗水平力增强；梁端距变化小，掩护性好；调高范围大，顶梁较短。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特点和性能，可适应各种顶底板条件。支撑掩护式支架优点是它的支撑力大，具有很好的切顶能力，并且它的防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。但它也有缺点，即结构比较复杂，并且成本较高。支撑式支架液压支架掩护式支架垛式支架节式支架单铰式掩护支架四连杆式掩护支架支撑掩护式支架表11是支架类型的评价，表12是不同结构液压支架的力学特征比较，可以具体了解不同类型液压支架的特性。表11支架类型评价TAB11HYDRAULICSUPPORTTYPE支架类型支撑式要素插底掩护式一般掩护式支撑掩护式垛式节式直接顶冒落倾向优良良差差基本顶周期来压差良优优良底板压入倾向良差优优优防煤壁片帮优良优差差通风断面差良良差差顶梁前端支撑力优良良差差顶梁后段切顶性差良优优优对顶板遮盖率优优优差差隔绝采空区能力优优优差差横向稳定性良优优差差对采高适应性良优优差差支撑效率差良优优优支护强度良良优优优支架围岩适应性对倾角适应性良优良良差14支架的结构及工作原理141液压支架的组成根据液压支架的各部件主要功能和作用，组成主要分为四部分（1）承载结构件，主要有顶梁、掩护梁、底座、连杆等。其主要功能是承受并传递顶板和夸落岩石的载荷。（2）液压油缸，主要有立柱、各类千斤顶等。其主要功能是实现液压支架的各类动作，产生液压动力。（3）液压控制元件，主要有液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件。主要功能是控制并保证油缸动作。（4）辅助装置，如推移装置、护帮装置、活动侧板等。其主要功能是实现支架的某些动作。表12不同结构液压支架的力学特征比较TAB12MECHANICALCHARACTERISTICSOFDIFFERENTHYDRAULICSUPPORTSTRUCTURECOMPARISON支架型式结构特征主要力学特性支掩式二支柱掩护式支架承载力较小，底板比压均匀，主动水平力较大掩护式支顶式二柱支顶掩护式支架承载力大，稳定性好，底座尖端比压较大，对顶板的主动水平力较大，前端支撑力大支顶支掩四柱（或三柱）稳定性好，抗水平力强，比压均匀，但支柱能力利用率低四柱X型顶梁合力调节范围大，伸缩比大，承载力高支撑掩护式支顶式四柱支撑掩护式承载力大，切顶能力强，比压较均匀142液压支架的工作原理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12液压支架工作原理FIG12HYDRAULICWORKS液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，然而这些动作的完成是靠着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。如图12所示。支架的承载原理是液压支架支撑在综采工作面的顶板和底板之间并支撑顶板。煤层的直接顶是工作面支架首要的支护对象，顶板将压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将压力传递底板。立柱的动力由乳化液泵站提供，通过安全阀控制，力传递给立柱，立柱活塞腔压力增大，大流量安全阀溢流，它会比立柱安全阀调定压力略低，并且大于泵站压力，目的是防止工作面前部顶板过早离层。如图13所示是支架的工作特性曲线。液压支架的立柱在工作时，其支撑力随时间的变化可以分为如下三个阶段。初撑阶段；增阻阶段；横阻阶段；初撑力；工作阻力0T1T2T1P2P图13支架的工作特性曲线FIG13LINEOFSUPPORTWORKCHARACTERISTIC143液压支架立柱的工作过程立柱的工作过程决定了支架对顶板的支护过程。立柱的工作过程分为升柱初撑阶段、增阻承载阶段、溢流承载阶段、卸载降柱阶段四个阶段，如图14所示是最基本的立柱控制回路。图15所示为立柱的工作过程。POI12341立柱2安全阀3液控单向阀4换向阀O回液管P高压管图14基本的立柱控制回路FIG14BASICCONTROLLOOPCOLUMN15液压系统及其控制元件支架的液压系统主要由乳化液泵站、主进、主回液胶管、各种液压元件、立柱及各种千斤顶等组成。前后两排立柱的升降动作各用一片操纵阀操作，根据采煤工作时的需要，前后排立柱既可以同时升降，也可以单独升降。当在采煤工作面工作时为了可以及图15液压支架立柱工作状态示意图FIG15STATEDIAGRAMOFLEGWORK时支护暴露出来的新的顶板，前梁千斤顶支架在升架时必须先推出，这样使得前梁前端先接触顶板，从而使前梁千斤顶活塞腔压力增大，这样就要求有大流量的安全阀，但是它要求比立柱安全阀调定压力低，并且要大于泵站压力，这样可以有效防止工作面前部顶板过早脱离。同时为了防止移架时输送机往后退，工作时要求推移千斤顶活塞杆腔接入自锁回路。工作过程是由乳化液泵站输出的高压乳化液经主进液管支架进液截止阀过滤器操纵阀立柱或各千斤顶架液截止阀主回液胶管乳化液泵站。2液压支架整体结构分析及选型21支撑掩护式支架设计的初始条件由本设计原始条件采高为25M32M，老顶III级、直接顶3类，可确定支架类型为支撑掩护式；22液压支架基本结构部件选型221顶梁顶梁的功能是支撑、管理顶板。支架常用顶梁形式有3种整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁（如图21,22,23所示）。铰接顶梁的前梁在强梁千斤顶的推拉下可以上下摆动，对不平的顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减少运输尺寸。图21整体顶梁FIG21INTEGRATEDROOF1前梁2前梁千斤顶3顶梁图22铰接式顶梁FIG22ARTICULATEDROOFBEAM整体刚性顶梁的特点是结构简单、质量较轻，但对根据顶板条件和使用要求，顶梁可设置伸缩梁；一般整体顶梁只能设置内伸式伸缩梁，如图23所示。在铰接顶梁的前梁上可设置内伸缩式亦称潜入式伸缩粱如图24所示，设置外伸式亦称手套式伸缩梁，如图25所示。本次设计所选择的铰接式顶梁，不带伸缩梁。类比同类型液压支架，在顶梁两侧安装侧护板根据工作面方向不同可以使一侧固定，另一侧活动。当要求侧护板固定时，只需要将它的弹簧收回，同时需要使用销子将其锁在销孔中。1伸缩梁2顶梁图23整体顶梁带伸缩梁FIG23FLEXIBLEBEAMWITHINTEGRATEDROOF1伸缩梁2前梁图24带内伸缩式伸缩前梁FIG24STRETCHINGBANDTELESCOPICBEAM222护帮装置形式的选择一般情况下，当采高大于25M时，支架都应配护帮装置。护帮装置设在顶梁前端或者在伸缩梁的前部，护帮装置的作用是防止片帮，如果发生了片帮，也可挡住片帮煤不进入人行道，并可以防止片帮继续扩大；护帮装置也可以作临时前梁，临时维护顶板，避免引发冒顶；1护帮装置的类型和特点护帮装置的类型主要有两类，一类是简单铰接式，如图26所示；另一类是四连杆式，如图27所示。简单铰接式护帮装置。简单铰接式护帮板铰接在整体梁或铰接式顶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。但挑起力矩小，且当顶梁或前梁带伸缩梁时，厚度较大，难以实现挑起。四连杆式护帮装置。除具有简单铰接式特点外，其摆动值大，可回转180，因此可以对梁端距变化与煤壁片帮程度的适应性强，它在千斤顶与护帮板间增加一个四连杆机构，实现护帮和挑起支护顶板，还可以收回到预定的角度，使用较多。图26简单铰接式FIG26SIMPLEHINGEDTYPE本设计支架护帮装置选用四连杆式护帮装置，既可以支撑煤壁防止片帮，又可临时支护端面顶板。223支架活动侧护板形式的选择活动侧护板安装在掩护式和支撑掩护式支架的顶梁和掩护梁侧面，其作用是可以改图27四连杆式挑梁FIG274LINKCANTILEVERBEAMFIG27FOURRODCONNECTINGSHOULDERGIRDER1托板2导向梁3梁盖4千斤顶5前梁图25带外伸缩式伸缩前梁FIG25BEFORESTRETCHINGBANDTELESCOPICBEAM善顶梁与掩护梁的护顶、防矸性能隔离控顶区与采空区，防止冒落矸石窜入工作面，同时在移架时起着导向作用。活动侧护板增强了支架的侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防止支架降落后倾倒和调整支架间距作用。支架常用的活动侧护板形式有直角式和折页式两种。1直角式，它的特点是活动侧护板的接触面积大，导向性好，挡矸，密封性能好，可以调架，有利于支架的稳定性，结构较复杂、折装较困难。分为直角式单侧活动侧护板如图28所示和直角式双侧可调的活动侧护板如图29所示。适用条件几乎所有的支撑掩护式支架都可采用；既可用于顶梁，也适用于掩护梁。图28直角式单侧活动侧护板FIG28RIGHTANGLESINGLESIDEDACTIVESIDEGUARDSHIELD1活动上侧护板2活动下侧护板3顶杆4千斤顶5固定侧护板图210折页式活动侧护FIG210FOLDINGTYPEACTIVITIESSIDEPROTECTION图211整体刚性底座FIG211OVERALLRIGIDBASE2折页式，它的特点是移架时导向性能差，结构简单、拆装更换比较方便，挡矸、密封性差、易形成矸石漏斗。如图210所示，适用条件主要用于顶板比较稳定或坚硬顶板条件的支撑掩护式支架；只能用于顶梁。根据活动侧护板的特点和适用条件，本次设计选择直角式双侧可调的活动侧护板，根据王国法等著的液压支架技术，顶梁和掩护梁上的侧护板支护要求是支架一侧的侧护板要固定，另一侧的侧护板是液压操纵的。侧护板还应当要求有一个锁定装置。与侧护板相连的套筒应当嵌装在顶梁内。图29直角式双侧可调的活动侧护板FIG29RIGHTANGLEBOTHSIDEREGULABLEACTIVESIDEGUARDSHIELD224底座底座是支架的主要支撑部件，支架通过底座将顶板压力传至底板，地板也是组成四连杆机构的构件之一。支架还通过底座与推移机构连接，以实现自身的前移和推移输送机。液压支架常用的形式有如下3种，即整体刚性底座（见图211），底座用钢板焊接成箱形结构，底部密封。它的特点是强度高而且稳定性很好，对底板比压小；缺点是排干性能差。该底座适用于底板比较较松软，采高和倾角较大以及顶板稳定的采煤工作面。底分式刚性底座（见图212）。底座底板是左右对称的两部分，上部是用箱形结构将左右部分固定连接，这类支架排矸性能好，在底板比压满足的条件下，广泛应用。铰接式分体底座（见图213）。底座是由分为左右相对独立而且对称的两部分，从中挡处铰接，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下降。图212底分式刚性底座FIG212BOTTOMFRACTIONRIGIDBASE由上述底座的特点和适用条件，类比同类液压支架，选择整体刚性底座。225推移装置的形式选择支架的推移装置可以实现支架自身和输送机前移。推移杆的常用形式有正拉式短推移杆（见图214）和倒拉式长推移杆（见图215）两种。1短推移杆短推移杆一般结构如图214所示，是由钢板组焊而成的箱形结构件，结构简单可靠，并且重量轻，应用广泛。2长推移杆图213铰接式分体底座FIG213ARTICULATEDSPLITBASE长推移杆常用形式有框架式、整体箱式和铰接式三种。一般框架式长推移杆结构如图215，框架一端与输送机相连，另一段与推移千斤顶的活塞杆或缸体相连，推移千斤顶的另一端与支架相连。用框架来改变千斤顶推拉力的作用方向，用千斤顶推力移支架，用拉力推输送机，使移架力大于输送机的力，移架力最大，由于框架长，框架的抗弯性能差，容易发生变形，采用这种推移装置时需要用普通千斤顶，推拉力结合，应用广泛。图214短推移杆FIG214SHORTPASSESBAR整体箱式长推移杆，如图216所示，它的特点是结构简单、可靠，可以防止支架和输送机下滑，但是在工作面时更换困难，因此使用时必须保证其有足够大的安全系数。铰接式长推移杆如图217，一般由前后两段箱式结构组成，中间通过十字连接头铰接，可以上下左右摆动。它解决了整体箱式长推移杆不便更换的缺点，兼有短推移杆和长推移杆的双重特点。图216整体箱式长推移杆FIG216OVERTHEWHOLELENGTHRODBOX由上述推移装置特点，本设推移装置选用框架式长推移杆、有较大的移架力，并在移架时对底座前部有上抬作用。推移机构采用加强推杆、抗弯强度高，不易损坏。23主要参数设计231支架的最大高度和最小高度1支护高度图217铰接式长推移杆FIG217ARTICULATEDALONGPOLEOVER图215框架式长推移杆FIG214FRAMEOVERALONGROD按下面式子确定支架最大与最小高度为MSHHM34502301AN25012式中支架最大高度；M支架最小高度；N煤层最大厚度；H煤层最小厚度；N考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度一般取1S200300MM；本论文取250MM。顶板最大的下沉量，一般取100200MM；本论文取150MM。2移架时支架的最小可缩量，一般取50MM；A浮矸石、浮煤层厚度，一般取50MM；支架的最大结构高度与最小结构高度的差值为其调高范围。调高范围越大，支架使用范围就越广，但是支架的最大、最小结构高度应根据支撑掩护式液压支架高度系列表21，可得出，。MH350MN20表21支撑掩护式液压支架高度系列表TAB21SUPPORTSCREENTYPEHYDRAULICSUPPORTHEIGHTSERIESTABLEMAXMINHMAXHMINH1005311611055321712063318130653519140738201507540211608422217094523181047242011502522125326251355272814602830152）支架的伸缩比支架的伸缩比是支架最大结构高度与最小结构高度之比，即2159123MINAXHKS根据采高和设计要求，类比同类液压支架，本次设计立柱选单伸缩立柱带机械加长杆。3支护强度由插值法计算得11212MQXHHQ2/78435670486705KN式中参数如下当支架最大采高为时，支架应有的支护强度（）；XQM2/M在架型选择与低于但与之相邻的采高相对应的支护强度，查表1H22取；2/6705MKN在架型选择与高于但与之相邻的采高相对应的支护强度，查表2QM2取；2/48所对应的采高3M；QH1所对应的采高4M。2233支架的中心距和宽度根据王国法等著的液压支架技术，支架中心距可采用15M。当支架中心距为15M时，最小宽度一般取14001430MM,最大宽度取15701600MM。本设计支架宽度范围取14201590MM。234底座长度支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即24M左右。同时在底座前面应当具有清理废弃物的足够空间，当工作时支架处于最小控顶距时，前排立柱与输送机挡煤板之间的距离至少应为700MM，为了使采用滞后支护的支撑掩护式液压支架在最小控顶距时，采煤机司机可以有效的操控采煤机。本设计取2430MM。235底座宽度支架底座宽度一般为1112M，放顶煤支架宽度一般为1314M。底座中间安装推移装置的槽子宽度，与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为300380MM。通过类比同类支架，本设计取底座长度取2430MM；宽度为1140MM。底座中间槽子宽度取380MM。表22适应不同类级顶板的架型和支护强度TAB22ROOFLEVELTOADAPTTODIFFERENTTYPESOFAIRCRAFTTYPEANDINTENSITYOFSUPPORT老顶级别直接顶类别12312312344液压支架类型掩护掩护支撑掩护掩护或支撑支撑支撑支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑（采高小于25M）或支掩（采高大于25M）液压支架支护强度2/MKN高1M高2M高3M高4M2943432454413435394411329413343（245）13441（343）13539441162491634316441165392249234324412539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区注（1）表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。（2）13、16、2为增压系数（3）表中采高为最大采高。3液压支架四连杆机构设计掩护式和支撑式支架均采用双摇杆机构，双摇杆机构形成的条件是最短杆和最长杆之和小于其余两杆长度之和，而最短杆为上连杆掩护梁，最短杆的对边为固定杆底座。四连杆机构使支架顶部端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端的端面离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板性能，使支架能承受较大的水平力。31四连杆机构的力学影响及几何特征311四连杆的力学影响1由于设计的支撑掩护式液压支架有四连杆机构，所以使支架在承载过程中承受附加力，附加力越大，对支架受力越不利。掩护梁与顶梁铰点O和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为，而值的大小对附加力影响很大，值大，支架承受的附加力大，TGTG对支架受力不利。设计时把值控制在035以下。2后连杆与掩护梁长度的比值，支撑掩护式支架为061082。支撑掩护式支架应在这个范围内取较小值。312四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征如图31所示。1支架从高到低运动时，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应不大于70MM。2支架在最高位置时和最低位置时，顶梁和掩护梁的夹角P和后连杆与底面夹角Q，满足以下要求支架最高位置时，P5262；Q7585；支架在最低位置时，应使P25，一般取Q2530。3取支架曲线前凸的一段H段。其原因是因为顶板来压时，立柱受压下缩，使顶梁有向前移的趋势，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，从而增加了前梁端部的支撑力，防止顶梁前端顶板冒落，又可以使底座前端比压减小，又可防止啃底，有利于移架，再则减小了水平力的合力，由于支架承受的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁的受力。从以上分析可以得出，设计时为了使支架受力合理和工作可靠应尽量使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32所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构）图32掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构FIG32CAVINGLOCKPIECEANDRODMECHANISM32四连杆机构的几何作图法首先用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图33所示。图31四连杆机构几何特征FIG31FORERODSGEOMETRYFEATURELINE图33掩护梁和后连杆计算图FIG33CAVINGLOCKPIECEANDAFTERRODMAP设G掩护梁长度（MM）A后连杆长度（MM）点垂直线到后连杆下铰点之距，（MM）2LEH1支架最大计算高度，由下式求得MH3105243015241大其中240（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支架最小计算高度。由下式求得2MH180524015242小其中P1支架最高位置时，掩护梁与顶梁夹角P2支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角Q1支架最高位置时，后连杆与底平面夹角Q2支架最低位置时，后连杆与底平面夹角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。掩护梁上铰点到顶梁顶面之距离，一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，在根据结构的合理性确定，一般支架距为150200MM，重型支架可取210260MM。后连杆下铰点至底座底面之距，一般根据支架最小高度确定，同时根据四连杆机构的几何作图法，后连杆下铰点的位置应比底座底面略高200250MM。将代入（32）式，可以求得A/G的比值，对于支撑掩护式支支75,4211QP架，A/G值应满足如下范围82061/GA支架在最高位置时有（31）111SINIQPH故掩护梁长度为（32）MQGAP03275SIN60452SIN3I/SIN11后连杆长度为（33）/GA经过计算取整后，得后连杆长度为541360取整得，。MG2175A143321几何作图法作图通过用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸，作图如图34所示。具体作图步骤如下1确定后连杆下铰点点的位置，使它大体比底座面略高。OM2402过点作与底座面平行的水平线线。H3过点作与线的夹角为的斜线。H1Q4在此斜线截取线段，长度等于,点为支架在最高位置时后连杆与掩护梁OAAA的铰点。5过点作与线有交角的斜线，以点为圆心，以点为半径作弧交些斜A1PG线一点此点为掩护梁与顶梁的铰点。E6过点作线的平行线，则线与线的距离为，为液压HFHF1H支架的最高位置时的计算高度。7以点为圆心，以长度为半径作弧，在掩护梁上交一点,为前连杆AG302B上铰点的位置。8过点作线的垂线（认为液压支架由高到低变化时在直线上滑动）。EF9在垂线上作液压支架最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。E10取线之间一点，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。EE11以为圆心，为半径作圆弧。OOA12以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点，此点为液压支EAA架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。13以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点，此点为液压支E架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。14连接、，并以点为圆心，长为半径作弧，并交上一点点；AAABEAB以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点。则、三点为为液压支ABEB架在三个位置时，前连杆的上铰点。15连接、为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。OA16分别作和的垂直平分线，交点即为前连杆一铰点，为前连杆长度。BCBC17过点线作垂线，交点，则线段,和为液压支架四连CHDOABDO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的运动曲线，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的E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34液压支架四连杆机构的几何作图法FIG34HYDROPOSTFORERODISGEOMETRYMAPMETHOD通过作图，作连杆机构几何分析图分别求出相关的参数和尺寸。按上述方法作图，取整后得到前连杆的长度为1450MM，与底座的高度为580MM；后连杆的长度为1430MM，与底座的高度为240MM；测得E435MM75MM，符合要求。具体数据如下，。4521P751Q，。6332取490MM。MGLAB547821000346。9TNT后连杆长度A1430MM。掩护梁长度G2175MM。前连杆长度C1450MM。前后连杆下铰点底座投影距离E825MM。前连杆下铰点高度D580MM。支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度。ME54333梁端距和顶梁长度的确定1掩护式顶梁长度LG的计算顶梁长度配套尺寸底座长度L1COS1L4COS1300E掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距MM式中配套尺寸参考原煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册得出配套尺寸2088MM；E支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；1、1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；代入数据顶梁长度813705430527COS1430208LG取整顶梁长度M752支架的支护面积CF3GCCLBF4式中支护面积C2M移架后顶梁前端点到煤壁的距离M,一般E345030支架间距（支架中心距），一般为15MCB代入公式34得2265570347150MFC35立柱和千斤顶位置的确定351立柱的布置本设计是支撑掩护式液压支架，故采用四柱。2支撑方式掩护式支架的立柱布置方式为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。根据陈庆禄、朱银昌主编的煤矿液压支架设计监测试验使用与维修得知，支架在最低工作位置时，立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于30，当夹角角度加大时，液压支架调高范围也相应增加。同时立柱倾角加大使顶梁柱窝位置向前移，这样会使顶梁前端支护能力增大。对于支撑掩护式支架，根据它的结构要求呈倾斜或直立布置，当支架在最高工作位置时，一般立柱的轴线与顶梁的垂线夹角小于10，由于轴线与顶梁夹角较小，有效支撑能力较大。352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（3MADNPFDCOS405）式中D立柱缸体内径MMF1支架承受的理论支护阻力KNN每架支架立柱数PA安全阀的正压力，本设计选择型PA38MPA。SYF2立柱最大倾角（度），支架降到最低位置时，角最大，取25。MM代入公式（35）得DD23195COS38410表31立柱内径系列单位MMTAB31COLUMNDIAMETERSERIES105110125140160180200210220230250280320360注括号内尺寸非优先推荐选用。查表取整的为200MM。2立柱初撑力和工作阻力A初撑力（3BEPD1042柱初6）式中立柱初撑力KN柱初PP泵钻压力P147MPABB代入公式（36）得KNDBE4627104231042柱初B立柱工作阻力（37）PAE125604310422柱式中立柱工作阻力，KN柱P安全阀调整压力，选择型安全阀，查得PA40MPA。ACYF1表32单伸缩立柱公称承载力与内径配比关系TAB32NOMINALCAPACITYOFASINGLETELESCOPICRELATIONSHIPWITHTHEDIAMETERRATIO内径MM360320280250230公称承载力KN3750450030003550234026501900224016001800内径MM200180160140公称承载力KN118014009501100750850600670根据表32当单伸缩立柱内径为200MM时，承载力在11801400KN，计算的出立柱阻力为1256KN，因为在范围内，所以符合。得出立柱参数如下表。立柱4根缸径200MM活柱直径185MM行程900MM初撑力462KN工作阻力1256KN353立柱柱窝位置的确定支撑掩护液压支架前、后立柱上、下柱窝位置的确定根据液压支架标准化的选择，在理论研究和广泛的现场实践基础上得到的数据，根据印度煤矿使用的液压支架选型标准，同时结合我国同种类型的液压支架，对于采用“V”型布置、双伸缩立柱的液压支架，两排立柱的中心距为1050MM，后排立柱到顶梁与掩护梁连接销的中心距不应超过300MM，本设计取300MM，根据前、后梁立柱间行人要求，参照同类液压支架，同时考虑立柱倾角，通过计算、分析确定，前立柱下柱窝位置到后连杆与底座铰接点距离为1830MM，后立柱下柱窝位置到后连杆与底座铰接点距离为1005MM。354侧推千斤顶位置的确定侧推千斤顶动作伸出时，使活动侧护板外移，可密闭架间间隙，起到防矸、导向、防倒和调架等作用；侧推千斤顶缩回时，使活动侧护板回缩，可减少移架阻力。顶梁和掩护梁都装有双侧可以换装活动的侧护板，由千斤顶和弹簧控制。本设计由计算查表并结合同类支架可得侧推千斤顶的主要技术参数如下表。侧推千斤顶（4根）缸径80MM活塞杆直径45MM推力75KN拉力515KN行程相应为200MM355前梁千斤顶的确定前梁千斤顶的缸体用圆柱销固定在前梁下的耳座上，前梁千斤顶的活塞杆与主顶梁连接，根据工作需要，保证前梁在工作时的初撑力和工作阻力，本设计由计算查表并结合同类支架可得前梁千斤顶的主要技术参数如下表。短柱（前梁千斤顶）（1根）缸径140MM柱径100MM行程140MM推力225KN拉力98KN工作阻力588KN前梁端部最大支撑力1275KN前梁向上摆角15前梁向下摆角194液压支架受力分析41液压支架的受力分析与计算当支架撑牢在顶底板之间时，取其整体或某一部件为分离体，进行受力分析，根据整体及其分离体均处于平衡状态，据此，把支架简化成平面杆系进行受力分析和计算。根据顶板地质条件选支撑掩护式支架。根据顶板支护强度、煤层厚度、即采煤机等条件，支架尺寸表示在图41。图41支架尺寸简图FIG41HYDRAULICSUPPORTSIZEDIAGRAM支架在最高位置时的参数如下表角度12CD支架最高位置734562475由于液压支架实际所受载荷的分布情况十分复杂，在下列情况下进行计算时进行简化，根据力的平衡条件，取顶梁和掩护梁进行受力分析，取摩擦系数为03，支架最高位置，每根立柱工作阻力为1256KN。由四连杆作图法做出的瞬时中心O，求得角为191。411支撑掩护式支架对支架整体进行受力分析如图42所示，图中为支架所受外力，需要求出。为NFKP前梁千斤顶推力，、都已知。APB图42支撑掩护式支架整体受力FIG42SUPPORTSCREENTYPEHYDRAULICSUPPORTFORCEASAWHOLE1对前梁进行受力分析，如图43所示。求A点的内力,Y和FM为AX（41）COSKAPX式中前梁A梁点所受水平力，KNA前梁千斤推力。P225KNKK前梁千斤顶水平倾角，00图43前梁分离体受力FIG43LOCKPIECELIBERATIONPRESSURE代入公式（41）得KNXA25COS25（42）1212COSSINLHPKFMK（式中H前梁千斤顶铰接点距顶梁距离取330MM1前后梁铰点距顶梁距离取80MM2前梁长度取1100MM1L代入公式（42）得KNFM145108325（4FMPYAKSIN3）式中Y前梁点受垂直力KNAFM前梁千斤顶所受集中力KN前梁千斤顶水平倾角00代入公式（43）得KNYA145SIN25的“”号表示方向与所设方向相反。AY2对主顶梁进行受力分析，如图44所示图44后梁分离体受力FIG44AFTERLOCKPIECELIBERATIONPRESSURE（44）AKBANBXPAPWFXCOSSINSI21（45）YFPYICO式中后梁所受集中力KNBX后梁所集中力KNNF顶梁千斤顶板摩擦系数，30前排立柱的合力。APKNPA251后排立柱的合力。BB的反作用力。K的反作用力。BAYX,BA,后梁B点所受垂直力KNY由式44和45联立，可以求得。NF（4TGXYBAKABNNBAXPPWYFCOSSISICO12216）整理得（4SINSICOSS12121TGXPPYPWTGFNAKBABA7）式中瞬心角（度）代入公式（47）得1453COS217COS2519301TGFN629INSI25KNTG由式（44）得0450COS2513046XB由式（45）得93281467COS251KNYB（4NKAABBAFHPHXLYHPPLFNWXSISICOS632642652454168）式中X后梁集中力作用点与顶梁后端之距MM掩护梁与顶梁铰点与顶梁上表现之距，150MM6H6H前排立柱上铰点与顶端后端之距，1350MM4L4L后排立柱上铰点与顶梁后端之距，300MM5L5L前排立柱上铰点与顶梁上表面之距，200MM4H4H后排立柱上铰点与顶梁上表面之距，330MM55前排立柱上铰点与前后梁铰点之距，800MM2L2L代入公式（48）得30COS51307COS25103146X2584IN5207SIN251M89483对掩护梁进行受力分析。如图45所示。图45掩护梁分离体受力FIG45CAVINGLOCKPIECELIBERATIONPRESSURE通过受力分析，写出连杆受力F,的表达式为56（4443SINCOATGAYXB9）式中F后连杆力，KN6A前连杆与水平面的夹角；6243A后连杆与水平的夹角；7574的反作用力。BYX,B,代入公式（49）得KNTGF58431775SINCO