液压支架设计-华科

1、华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 76 页前言综合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。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我国液压支架经过30 多年的发展，取得显著的成果，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式液压支架，这些系列化液压支架一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。我国煤矿中使用的支架类型很多，按照支架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处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。目前

2、使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。从架型的结构特点来看，由于直接类别和老顶级别的不同，所以为了在使用中合理地选择架型， 要对支架的支撑力承载力的关系进行分析使支架能适应顶板载荷的要求。此次设计是对大学所学的知识的综合应用，通过设计使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机的使用的熟练性。通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高独立为完成工作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 2 页共 76页第 1 章液压

3、支架的概述1.1 液压支架的组成和用途1.1.1 液压支架的组成液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操作控制系统等主要部分组成。1.1.2 液压支架的用途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，保证工人安全和各项工作正常进行，必须对顶板进行支护，而液压支架是以高压液体作为动力由液压元件与金属构件组成的至呼和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。 实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架可与弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人劳动

4、和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.2 液压支架的工作原理液压支架在工作过程，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图1-1 所示。升柱：当需要液压支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，是与活塞杆相连的顶梁紧紧接触顶板。降柱：当需要降柱时，高压乳化液进入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推动活塞下降，顶梁脱离接触接触顶板。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。当

5、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； 当需要推移输送机时， 支架支撑顶板后，华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 76 页高压液进入推移千斤顶下腔，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。高压液体底压液体升降推移123456支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-2 所示pp1p2tt0t1t2支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化可分为三个阶段：支架升柱时，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

6、液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初承力阶段；支架初撑后，随着顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架安全阀的调正压力，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，是立柱下腔压力超过的安全阀调正压力值时，安全阀打开溢流，立柱下缩，是顶板压力减小，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。图 1-2 支架的工作特性曲线图 1-1 液压支架工作原理1 输送机； 2 推移千斤顶； 3 立柱； 4 安全阀； 5 液控单向阀； 6 操纵阀支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁

7、设计第 4 页共 76页1.3 液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数1.3.1 设计目的采用综合机械化采煤机械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设备，机械化采煤工作面。而每个综采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板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。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，因此其设计的工作量也是很大的，由此可见，研制

8、和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。1.3.2 液压支架的基本要求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，以使有效地控制顶板，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100kn 150kn ，中厚煤层一般为150kn 250kn ，后煤层一般为 300kn 400kn 。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面积，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

9、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，能承受事实上不均衡载荷和冲击载荷。10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。华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 76 页1.3.3 设计液压支架必须的基本参数1顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。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瓦斯等级根据瓦斯等级，按煤矿安全规程规定，验算通风断面。4底板岩性及小时涌水量根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。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煤层倾角根据煤层倾角决定是

10、否选用防滑装置。7井向罐笼尺寸根据井向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。1.4 液压支架的发展趋势1.4.1 新型适用特种条件下的液压支架为了安全高效的开采复杂地质条件的煤炭资源，必须设计能适应某种特殊地质条件使用的液压支架。1特厚煤层一次采全高液压支架。2009 年平顶山煤矿机械有限公司生产的zy10800/28/63 型电液控制掩护式液压支架是为神华宁煤设计制造的，支护高度 6.3 米、工作阻力 10800 千牛、重量 40.5 吨的大采高高端支架（参数见表1-1） 。该架型代表着国内支架行业的先进水平，技术含量高、生产难度大。2新型放顶煤支架

11、。设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。3水采液压支架。为了适应水采工作面的支护需要，设计一种水采工作面。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 6 页共 76页表 1-1 zy10800/28/63 型电液控制掩护式液压支架参数性能项目数值性能项目数值支架高度 mm 2800-6300 工作阻力 kn 10800 初撑力 kn 7912 支架中心距 mm 1750 支护强度 mpa 1.06 立柱缸径 mm 400 4重型支架。为适应顶板压力特别大的需要，可将液压支架的工作阻力设计的较大。5新型端头支架。为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作且安全可靠的断头液

12、压支架。6大倾角工作面支架。为适应煤层倾角小于等于45的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。1.4.2 液压支架结构设计的方向1轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度要求和配套的条件下，底座和顶梁尽量短，使支架轻型化。2标准化。为了减轻支架的重量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性减小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。3材质强化。提高结构件钢材强度，采用优质钢材，减轻液压支架的重量，设计师可先进行技术经济比较，再选合适的材料。4高压化。各种阀类的压力等级价高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架的

13、质量减轻。5操作自动化。能适应无人采煤工作面的需要，实际运程操作的新型全自动液压支架。1.4.3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的液压支架经过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万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定的差距。 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华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 76 页低， 电液控制阀可靠性差，所用钢材耐压能力一般为16mpa ， 最好的屈服极限仅有700mpa

14、 ，液压系统压力在 35mpa以下，流量在 200l/min 以内，供液管直径2532mm ，回液管直径 2550mm ，最快移架速度为 1012s/ 架（井下实际应用又是在20s 以上） ，工作阻力相对较低。我国液压支架的设计制造水平经过30 多年的发展，不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架反面积累了丰富的经验，架型也基本趋于成熟完善，在品种和质量方面与国际相比还有较大的差距。所以，今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件开发一些新架型、新品种外，还应在设计支架控制系统和提高指甲的工作可靠性发面下功夫。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量高、钢板强度高、移架速度快（68 s/架）和电液

15、控制阀的方向发展，对破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠的推杆和抬底座机构，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 的高压大流量乳化液泵站，以适应快速一家的需要；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。两柱掩护式液压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使用。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 8 页共 76页第 2 章液压支架的架型特点及选型2.1 液压支架的分类及特点2.1.1 液压支架架型的分类按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分有

16、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。目前使用的液压支架分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。1支撑式液压支架：支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如图 2-1 所示，a b 前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。2掩护式液压支架

17、：掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图2-2 所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；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性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。3支撑掩护式液压支架：支撑掩护式液压支架是在支撑是液压支架和掩护式图 2-1 支撑式液压支架的类型华北科技学院毕业设计（论文）第 9 页 共 76 页液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点， 采用双排立柱支撑； 同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，

18、采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构， 使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。支撑掩护式液压支架适用范围很广，可用于各种顶板条件，尤其用于中等稳定以上的顶板条件。其缺点是：结构复杂，重量大，价格较贵。不同结构形式的支撑掩护式液压支架，其主要区别是立柱的布置方式不同。具体分类方法及及型式如图2-3 所示2.1.2 顶板的组成回采工作面的顶板，根据岩层和煤层的相对位置及特征，可以分三类：图 2-2 掩护式液压支架的类型a 插腿式支架b 立柱在掩护梁上非插腿式支架c 立柱在顶梁上非插腿式支架图 2-3 支撑掩护式液压支架的类型a四柱平行支

19、在顶梁上的支架b四柱交叉支在顶梁上的支架c两支柱支在顶梁上，两柱支在掩护梁上的支架支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 10 页共 76 页1伪顶：直接位移煤层上方使极易垮落的一层岩石。它通常使灰质页岩和泥质页岩，厚度一般不大于0.3 0.5 米，经常随采随冒。有些岩层不出现伪顶。为顶对支护设备的使用一般没影响。2直接顶：是指位于伪顶或直接位于煤层上方的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质页岩、页岩、沙质页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式及架型选择由决定性的影响。3老顶：是指位于直接顶之上厚而坚实、节理裂隙和层理都不发育的整体岩层。通常由砂岩、石灰岩

20、或砂砾岩等构成。老顶常能在采空区维持很大悬露面积而不随直接顶一起垮落，其垮落步距的长短对支护设备的载荷大小由决定性影响。2.1.3 液压支架的支撑力与承载关系1支撑式液压支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部分，以阻止上部岩层的移动，实现切顶。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板则处于无立柱状态，仅靠支护力较小的前梁来维护。股支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀，起预想的支撑力分布规律如图图 2-4 支撑式液压支架支撑力分布图2掩护式液压支架的特点和支撑力分布掩护式液压支架的特点是顶梁较短，控顶距较小，支撑力主要集中在顶

21、梁部位，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑是液压支架大，其支撑力的分布规律如图2-5华北科技学院毕业设计（论文）第 11 页 共 76 页所示掩护式液压支架在不同顶板条件下的承载分析1）掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况：顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数减少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的合力为q3 ，载荷分布如图 2-6 所示掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁后部自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上，对掩护梁的作用力可分解垂直分立和水平分力，如图掩护式液压支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布和支架支撑力的作用部位基本一致。所以，此种支

22、架能在破碎不稳定顶板下工作。图 2-5 掩护式液压支架支撑力分布图图 2-6 掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 12 页共 76 页2）掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况。掩护式液压支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差，受力情况如图2-7 所示直接顶冒落时，冒落岩石分别作用在顶梁上和掩护梁上。周期来压时，由于顶梁后部顶板不能充分切断，基本顶压力将由整个支架和采空区垮落岩石承担或者有可能在切顶时，基本顶直接压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减小， 使支架难以承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种

23、支架不能在中等稳定以上顶板下工作。图 2-7 掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况3支撑掩护式液压支架支撑力分布与承载的关系及适用范围图 2-8 支撑掩护式液压支架支撑力分布华北科技学院毕业设计（论文）第 13 页 共 76 页支撑掩护式液压支架是为了改善支撑式液压支架和掩护式液压支架的性能和对顶板的适应性而设计的，主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的支撑力和承载能力。所以此种支架介于以上两种支架之间，增强了适用范围，适用于顶板较坚硬、顶板压力较大顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图 2-8 所示2.2 液压支架的选型2.2.1 液压支架的选型原则液压支架的选型，其

24、根本目的是使综采设备适合矿井和工作面的条件，投产后能够做到高产、高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条件进行选择。1液压支架架型的选择首先要适合于顶板。一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。2当煤层厚度超过 2.5m 时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。3当煤层厚度达到2.5 2.8m 以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式支架。4应使支架对地板的接触比压不超过地板允许的抗压强度。在地板较软条件下

25、，应选用抬地板装置的支架或插腿掩护式支架。5 煤层倾角小于 10时，液压支架可以不设防倒防滑装置。 倾角在 1015 （支撑式液压支架取下限，掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架取上限）以上时，应选用带有防滑装置的液压支架。 倾角在 18以上时，应选用同时带有防滑防倒装置的液压支架。6对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程要求，并优先选择通风面积大的支撑式或支撑掩护液压支架。7当煤层为软煤时，支架最大高度一般应2.5m；中硬煤时，支架最大高度一般3.5m；硬煤，支架最大高度 5m 。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 14 页共 76 页8同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的

26、支架。支撑式液压支架最便宜，其次是掩护式液压支架，最贵为支撑掩护式液压支架。2.2.2 液压支架设计的原始条件基本（老）顶级别 : 三级直接顶级别 : 三级采高:2.5m3.2m 2.2.3 液压支架的选型过程1确定直接顶和基本顶类别1) 顶板分类（1）直接顶分类我国将缓倾斜煤层回采工作面的直接顶分为四类：一不稳定顶板即破碎顶板，很容易冒落，冒落能基本充满采空区。泥质页岩、再生顶板等属于这一类。二中等稳定顶板：这类顶板强度较高，但由大量节理裂隙，局部较完整，厚度不大，冒落后不能充满采空区，一般支护设备前移后随即冒落。砂质页岩、粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。三稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落

27、。砂岩顶板、坚硬的砂质页岩顶板属于这一类顶板。四坚硬顶板：极难冒落的砂岩、坚硬砂质页岩等属于这一类顶板。表 2-1 基本顶级别注： 1. 比值 n应根据采煤工作面所在位置的地质柱状图中的m和 h来计算。2. 基本顶初次来压步距lp可根据现场实测或矿压显示特征确定。基本顶级别基本顶来压不明显明显强烈极强烈指标n=35 0.3 n35 lp=2550 0,3 n35 lp50 n 0.3 lp=2550 n0.3 lp50 华北科技学院毕业设计（论文）第 15 页 共 76 页（2）老顶分级老顶根据周期来压明显与否分为四级：i 级顶板，周期来压不明显；ii级顶板，周期来压明显； iii级顶板，周期

28、来压强烈；iv 级顶板，周期来压极强烈。老顶周期来压越不明显，作用于支架上的载荷就越小，而且稳定。反之，周期来压越强烈，作用于支护设备上的载荷就越小，且有冲击。表 2-2 老顶级别类别指标不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指数d1l=3l8 l=3.17l=918 l=7.112l=1925 l12l25 无直接顶， 岩层厚度在 25m以上6080 参照指标直接顶初次垮落步距l/m 表中按右式计算：=岩石单向抗拉强度（mpa ）= 节理裂隙影响系数；=分层厚度影响系数。表 2-3 节理裂隙间距表节理裂隙间距表l/m0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

29、0.9 1.0 1.1 1.2 c10.3 0.32 0.34 0.37 0.39 0.41 0.43 0.46 0.48 0.50 0.52 0.55 表 2-4分层厚度表支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 16 页共 76 页分层厚度表hx/m0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 c20.24 0.25 0.27 0.29 0.3 0.32 0.33 0.35 0.36 0.38 0.39 0.41 表 2-5 支架架型确定参数支架架型确定参数基本顶级别直接顶级别1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 液压支架架型掩护掩

30、护支撑掩护掩护或支撑支撑支掩支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m）支架支护强度/() 采高 1m 采高 2m采高 3m采高 4m 294 343（245）441（343）539（441）1.3 295 1.3 343（245）1.3 441（343）1.3 539（441）1.6 295 1.6 343 1.6 441 1.6 539 2295 2343 2441 2539 应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区注: (1)表中括号内数字系掩护式支架顶梁上的支护强度 (2)1.3、1.6 、2 为增压系数(3) 表中采高为最大采高2液压支架类型的确定由给定

31、的顶板条件参照表2-5 可选取的液压支架的选型为支撑掩护式液压支架。华北科技学院毕业设计（论文）第 17 页 共 76 页第 3 章支架各部件的结构特点3.1 支撑掩护式液压支架的整体结构支撑掩护式液压支架主要由护帮、防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。3.2 液压支架的各部件结构3.2.1 液压支架的顶梁1支撑式液压支架的顶梁结构2 4 35 6 7 9 10 1 8 图 3-1 支撑掩护式液压支架1-护帮； 2-防片帮千斤顶；3-前梁； 4-顶梁； 5-掩护梁； 6-四连杆机构；7-底座；8-推移千斤顶；9-立柱； 10-机械加长杆支撑掩护式液压支架总体设计分析

32、及顶梁设计第 18 页共 76 页支撑式液压支架顶梁结构形式如图3-2 所示。如图 a 所示为整体刚性顶梁。顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好，但对顶板适应性差。(a)(b)(d)(c)(e)(f)如图 b，c 所示为铰接式顶梁，由前梁和后梁组成，分别由前、后排立柱支撑。其中，b 为全铰式，它能适应支架顶梁上方前后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半饺式顶梁如图c 所示，它克服了全铰式的缺点，当中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于铰接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。如图 d 所示为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰

33、接，在铰接前梁处安装有前梁千斤顶，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上下摆角适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增设尾梁，如图e 所示。如图 f 所示为不带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶式顶梁伸缩，由于前梁可以及时伸出支护暴露的顶板，从而允许固定顶梁减小长度，也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。2掩护式液压支架的顶梁结构掩护式液压支架的顶梁结构型式如图3-3 所示如图 a 所示为平衡顶梁顶梁较短，与其下部的的掩护梁铰接。因为它能在顶板凹凸图 3-2 支撑式液压支架的顶梁类型1-前梁； 2-后梁

34、； 3-尾梁； 4-前梁千斤顶； 5-前梁伸缩千斤顶1 1 2 2 2 1 2 4 5 1 4 2 3 1 华北科技学院毕业设计（论文）第 19 页 共 76 页变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁，顶梁铰接点前、后侧面的比例接近于2：1（按载荷分布近似三角形设计） 。这种顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被冒落矸石堵住，影响支护效果。为此，在顶梁后部加设挡矸板。zyz型掩护式液压支架就采用此种结构。如图 b 所示为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除三角区。如图 c 所示为铰接式顶梁，顶梁为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁铰接，取消三角区，立柱直接支撑在顶梁上。平衡千斤顶调节顶

35、梁的接触面积。如图 d 所示为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶调节前梁角度，可以提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。如图 e 所示为带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，减少顶板的暴露时间铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为如图d、e 所示两种型式的结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。3支撑掩护式液压支架的顶梁结构由于支撑掩护式液压支架的结构介于支撑式和掩护式液压支架之间，所以，支撑掩护式液压支架的顶梁结构可采用前述诸种型式，但应根据顶板条件来选取。图 3-3 掩护式液压支架定量的类型1-顶梁； 2-前梁； 3-后梁； 4-掩护梁； 5-立柱； 6 限位千斤顶；7

36、 前梁千斤顶8-平衡千斤顶支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 20 页共 76 页4顶梁的断面形状各类顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘型顶梁。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，移减少移架阻力。支撑式液压支架后焊接有挂帘板，作为挂挡矸帘用。在顶梁下面含有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，孔用钢丝绳或销轴不立柱和顶梁连接起来。掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构式：1）闭式顶梁顶梁上下盖板与筋板焊接成封闭型，如图(3-4) 所示：图 3-4 顶梁筋板焊接图

37、2）开式顶梁开式顶梁结构如图所示其特点为减轻顶梁重量，曾强顶梁抗弯强度。对于掩护式和支撑掩护式支架，为便于侧护板自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，如图（3-5）所示：图 3-5 顶梁断面根据上述顶梁各种型式我选择封闭焊顶板的型式，如图上图所示。华北科技学院毕业设计（论文）第 21 页 共 76 页3.2.2 掩护梁的结构掩护梁的结构为钢板焊接成的箱式结构，在掩护梁上上端与顶梁铰接，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3-6 所示。其中，如图 a 所示为折线型，图 b

38、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。从掩护梁的宽度方向分，可分为整体式和相分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度较差。3.2.3 侧护板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。一般燕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筒和侧推千斤顶与顶梁连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当改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。(a) (b) 图 3-6 掩护梁的结构

39、型式1 顶梁； 2掩护梁； 3 立柱； 4 前连杆； 5 后连杆； 6 底座； 7 限位千斤顶支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 22 页共 76 页另一种时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如图3-7 所示。通常有两种类型。一种是侧护板在顶梁外侧。这种类型侧护板又有三种形式，如图3-7a 所示，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落的矸石卡住，影响侧护板的伸缩；如图3-7b、c 所示，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种时铰接式侧护板，如图3-7d 所示。他克服了以上两种侧

40、护板的缺点，但由于架间侧护板造成的三角带容易填入矸石，影响架间密封效果。3.2.4 底座1底座的结构型式如图3-8 所示，通常有 3 种类型。1）整体式。整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定向好，强度高，不易变形，与底座接触面积大，比压小。如图 3-8a 所示的底座用于支撑式液压支架，箱体高度大便于安装复位装置。如图 3-8b 所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式和支撑掩护式液压支架。2）对分式。为使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化，通常把底座制成前、后或左、右对分式。如图3-8c 、d 所示为前、后两个底座的对分式，两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成。如图3-8e 所

41、示为左、右两个底座箱的对分式，两者用弹簧钢板和销轴连接。图 3-7 侧护板的结构型式a b c d 华北科技学院毕业设计（论文）第 23 页 共 76 页3）底靴式。底靴式底座的特点是每根立柱支撑在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，如图3-8f 所示。它的结构简单，动作灵活，对地板的不平整适应性强，但刚性差，与地板接触面积小，稳定相差，一般用于节式支架上。各种型式的底座前端都制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部的重力大于前部，避免移架时啃底。(a)(b)(c)(f)(e)(d)底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以免因立柱偏斜受偏载，并用限位板和销轴限

42、位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间去掉一块钢板，减少底座后部与底板的接触面积，增加底座后部的比压，同时有利于排矸。图 3-8 底座的结构型式a、b 整体式底座； c、d、e 对分式底座； f 底靴式底座a b c da e f 支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 24 页共 76 页2底座立柱柱窝上要开槽的原因：由于底座立柱柱窝的形状为半球体，为防止底座立柱柱窝内存有煤粉和积水， 所以在柱窝上开一个槽或钻一个孔，便于消除积水和煤粉。3.2.5 立柱1立柱的结构立柱按动作方式分为单作用和双作用立柱；按结构分为活塞式和柱塞式立柱；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩式立柱，如图3-9 所示

43、。(a)(b)(c)(d)(e)(f)2几种立柱的动作原理1）单伸缩立柱的动作原理单伸缩单作用活塞式或柱塞式立柱，靠液压力伸柱，靠自重或弹簧力降柱。单伸缩双作用活塞式立柱，靠液压力伸柱和降柱。当下腔进液上腔回液时伸柱，反之为降柱。2）双伸缩立柱的动作原理双伸缩立柱动作原理如图3-10 所示当高压液进入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，如图3-10a 所示。当中缸全部伸出后中缸下腔压力增加，当压力增加至超过底阀弹簧调正压力时，底阀打开，高压液进入上柱下腔，上柱上腔液体经中腔上部小孔排出，使上柱伸出，如图3-10b 所示。降柱时如图3-10c、d 所示。当高压液进入中缸上腔，下腔回液，中缸下降；当中

44、缸降到底时，一方面底阀被缸底顶开，另一方面中缸上孔正对立柱上部进液孔，如图3-10c 所示。图 3-9 立柱类型a-单作用活塞式；b-单作用柱塞式；c-双作用活塞式；d、e、f-双伸缩式华北科技学院毕业设计（论文）第 25 页 共 76 页立柱上部进液孔经中缸小孔进入上柱上腔，下腔液体经底阀从立柱下部孔回液，上柱下降，如图 3-10d 所示(a)(b)(c)(d)3机械加长杆的结构原理由于双伸缩立柱结构复杂，成本高，为了降低成本，在单伸缩立柱上安装机械加长杆，满足支撑高度的变化要求。图 3-10 双伸缩立柱动作原理支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 26 页共 76 页需要增加支架到最

45、大高度时（在井上） ，可以拆下 4 根立柱中对角线上的2 根立柱上机械加长杆卡环，操作支架升柱，支架顶梁升起，带动机械加长杆从立柱中拔出，当达到所调高度时，再把这两根机械加长杆的卡环固定。把支架降至原来高度，拆下另两根机械加长杆的卡环，用同样的方法使这两根机械加长杆达到与前两根相同的高度为止。4立柱上、下端头设计成半球形的原因第一个原因，由于支架在伸缩过程中，顶梁不可能同步造成立柱与顶梁和立柱与底座之间转动，所以立柱的上、下端头用半球形，形成铰接，就可以适应这种转动。第二个原因，当立柱为倾斜布置时，在支架升降过程中，立柱一方面要伸缩，一方面要倾斜，立柱与顶梁和立柱与底座之间依靠立柱上、下端半球

46、形发生转动，从而增大了支架的调高范围。3.2.6 辅助装置1推移装置：推移装置是液压支架必备的重要辅助结构件，由推移千斤顶和其它附属装置组成。移架和推溜的动作就是通过推移千斤顶及其附属装置来完成的，但随着矿山地质条件、液压支架结构和工作过程不同， 推移方式和推移千斤顶的布置也不一样。由于液压支架的工作过程的不同，推移方式有两种：先移架后推溜，先推溜后移架两种。2护帮装置：液压支架的护帮装置时为了开采厚煤层或煤质松软的一些中厚煤层时防止煤壁片帮而设计的。护帮装置一般由液压千斤顶和护帮板构成，安装在前梁下部。正常情况下，护帮板伸出紧贴煤壁，防止片帮，或在片帮时起缓冲作用，防止硬伤工作人员。当采煤机

47、割到液压支架前面时，需要将护帮收回，让采煤机通过，然后，随支架移到新的工作位置后重新伸出以支护新暴露的煤壁。3挡矸装置：矸石涌入支架内会造成行人不便，移架困难，有时甚至会埋住操纵阀把手，损坏高压软管，严重影响支架的正常工作，架内矸石的清理也需要繁重的体力劳动。为此，需要良好的挡矸装置。4防滑防倒装置：液压支架在移架过程中，由于支架自重在倾斜方向的分力会使支架沿倾斜下滑，所以煤层倾角越大，下滑力也越大。支架的后部因重量大，离固定点华北科技学院毕业设计（论文）第 27 页 共 76 页较远，所以下滑程度比前部严重，造成支架的倾斜。当煤层倾角增大至使支架失去横向稳定性时，支架会向下倾倒，因此，为了保

48、证支架的正常工作，必须采用相应的防滑、支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第 28 页共 76 页第 4 章液压支架的整体结构尺寸设计4.1 液压支架基本参数确定4.1.1 液压支架的高度确定支架的高度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，其最大与最小最小高度为（4-1）（4-2）式中支架最大高度；支架最小高度；煤层最大厚度（最大采高） ；=3.2m 煤层最小厚度（最小采高） ；=2.5m 考虑伪顶、煤皮冒落以后仍有可靠初撑力的支撑高度，一般取 200300mm ；顶板最大下沉量，一般取100200mm；移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm；浮矸、浮煤厚度，一

49、般取50mm。根据式 4-1 可得： mm200mm=3400mm 根据式 4-2 可得：100mm50mm50mm=2300mm 所以初步选定：=3400mm =2300mm 华北科技学院毕业设计（论文）第 29 页 共 76 页4.1.1 支架伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为：nmhhm（3-3）代入数据得 m=1.48。立柱结构可以采用单伸缩液压缸加加长杆。4.1.3 支架间距支架间距就是相邻两支架中心线的距离。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与工作面输送机的一节中部槽相连， 因此目前主要根据输送机中部槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定。 我国刮板输送机中部槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在中部槽中间位置，所以除节式和迈步式液压支架，支架间距一般为1.5m。4.1.4 底座长度底座是将顶板压力传递到顶板和稳固支架的部件。