煤矿用液压支架详细介绍

1、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，而且能减轻笨重的体力劳动，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。液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。 设计要遵从支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。在支撑掩护式的设计过程中，前梁、主顶梁、掩护梁和立柱等结构件的设计是重点。本论文介绍了液压 支架的结构，类型，工作原理，特点，目的及要求，对掩护式液压支架作了详尽的分析和介绍，讲述了这种 支架的方案

2、和用途。目录中文摘要 Abstract 第一章 引 言 1.1 前言 1.2 绪论 1.2.1 我国液压支架的发展 21.2.2 液压支架的发展动向 . 21液压支架的组成与分类第二章 支架设计 2.1 工况分析 2.2 液压支架工作原理 42.2.1 支架升降 . 42.2.2 支架移动和推移输送机 . 62.支架结构的选择 .62.3.1 顶梁的选取 .7232侧护板的选取 .72.3.3 底座的选取 .72.3.4 推移装置的选取 .7.82.3.5 护邦装置的选取 .82.3.6 防倒滑装置的选取2.3.7 液压支架的主要液压元件和泵站237.1 立柱 .8237.2 液控单向阀 92

3、37.3 安全阀 .9237.4 操纵阀 102.3.7.5 泵站 .102.4 支架主要尺寸的确定 .112.4.1 已知参数 .112.4.2 支架高度的确定 .112.4.3 中心距和宽度的确定 .122.4.4 梁端距和顶梁长度的确定 .122.4.5 支架四连杆机构尺寸设计及计算 .122.4.6 底座长度的确定 .162.4.7 顶梁长度的确定 .162.4.8 立柱的技术参数确定 .182.4.8.1 立柱数的确定 .192.4.8.2 支撑方式 .192.4.8.3 立柱缸体内径 192.4.8.4 立柱间距 202.5液压支架的受理分析和计算 212.5.1 顶梁的受力分析

4、.212.5.2 掩护梁的受力分析 222.5.3 底座受理分析 .252.6液压支架主要部件的强度校核 262.6.1 顶梁强度校核 .262.6.2 掩护梁强度校核 .322.6.3 底座强度校核 .352.6.4 立柱强度校核 .382.7 液压系统设计 .42第三章 结束语 .44第四章 参考资料 .4620 世纪 50 年代前，在国内外煤矿生产中，基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱铰接顶梁来 支护顶板。 1954 年英国首次研制出液压支架，目前，以液压支架为主体的地下综采设备，已逐步向程 控、遥控和自动化方向发展。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，

5、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。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。 1980 年起人们取得了对白移式液压支架的研制 成功并逐步改进完善，进而普遍推广应用，使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等 工序全部实现综合机械化，煤矿取得了较大综合效益。到20 世纪 90 年代初，人们寻找到适合矿区资源条件的先

6、进采煤方法，采用了放顶煤技术。低位放顶煤液压支架是一种支持双输送机的支架架型，支架掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁， 低位放顶煤液压支架一般为四柱支撑掩护式支架类型，这种架型有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度 45 度左右），因此在摆动中可以松动煤层，并维持一个落煤的空间。尾梁中间有一个液压控制的插板， 可以放煤和破碎大煤块，并且具有连续的放煤口。低位放顶煤支架分为小插板是低位放顶煤支架和大插 板式低位放顶煤液压支架。为了改进支架的支护性能，提高它对矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前 液压支架由下列几方面的发展动向：大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其他形式的支架应逐步减少

7、，原因是这些支架主要采用四连 杆机构 ,使两端和媒壁之间的距离基本保持恒定 ;支柱支在顶梁上 , 提高支架的工作阻力 ;顶梁和掩护梁铰 接,避免了两者之间产生的三角区 ; 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 .液压支架的进一步发展是着重解决扩大使用范围的问题,同时 ,为扩大支架适应的高度范围 ,广泛采用双伸缩式支柱 .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以达到 300公斤/cm2以上，为了 简化支架管路系统和便于安装操作 , 开始采用”多芯管”先导式邻架控制的操纵方式 . 为加快移加速度 , 进

8、一步改善操作条件 , 支架控制正在向自动控制方向发展 , 目前 , 分组程序控制已开始使用 , 全工作面的自 动控制还处于研究阶段 .1.3 液压支架的组成和分类1.3.1 液压支架的组成液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面 采运设备。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系“般 分为三大类，即支撑式、掩护式 （图 1-2）和支撑掩护式 （图 1-3） 根据支架各部件的功能和作用，其组成可 分为 4 个部分：(1) 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩 石的载

9、荷。(2) 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。(3) 控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件 等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。图 1-2 掩护式液压支架结构 图 1-3 支撑掩护式液压支架结构(4) 辅助装置，如推移装置、护帮 (或挑梁 )装置、伸缩梁 (或插板 )装置、活动侧护板、防倒防滑 装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。1.3.2 液压支架的分类及特点 按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称

10、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 所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式。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(图1-4 a)和节式支架(图1-4 b)两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前 移。节式支架由 2 3个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用于支架相连的推移 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 4m 左右；

11、立柱多，一般是 4 6 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，且作用点在支架中后部，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。 此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。2 掩护式支架(如图 1-2) 其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组 成。(a

12、)(b)图 1-4支撑式支架结构形式a 垛式支架b 节式支架它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，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与顶梁或直接作用与顶梁上。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

13、，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或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。3 支撑掩护式支架（如图 1-3 ）其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。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，可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是：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。它的缺点是：结

14、构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，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。4 特种液压支架特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架， 在结构形式上仍属于以上某 种液压支架。包括放顶煤支架等。支架设计2.1 工况分析本次设计的液压支架是针对神东煤矿工况条件而作。经考察该煤矿采场围岩的性质具有如下情况：直接顶初次垮落步距lz为1828米，且主要以砂岩，石炭岩组成， 节理裂隙很少；分层厚度0.331.0米；抗压强度3299MR综合弱化常量0.280.59 , 属于第

15、 3 类稳定直接顶；基本顶可根据煤层开采厚度为 3 米，初次来压步距大约为 3546米判断其为来压强烈，川级基本顶；其底板的容许比压为3.06.0MP,属于松软底板。根据围岩性质宜选择支撑掩护式（四柱支撑掩护式）其承载能力大，切顶能力强， 比压较均匀。2.2液压支架工作原理液压支架的主要动作茧自缚升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳 化液泵站提供的高压液体，通过液压控制系统控制不同功能的液压缸来完成的。每架 支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统（见图2.1 ），其中液控单向阀和安全阀设在本架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后 者为邻架操作。一-顶梁

16、；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；支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：（一）初撑操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体，经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱 下腔的压力达到泵站的压力后操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔的液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。此时，支架对顶板产行的支撑力称为初撑力。（二）承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加， 立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液

17、压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸 壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的 压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀 5泄出，立柱下缩，直至立柱下 腔的液体压力小于安全阀的动作压时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力 保持恒定，这就是恒阻过程。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。（三）卸载当操纵阀 8 处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀 6，立柱下腔排液，于是立柱（支架）卸载下降。由以上分析可以看出， 支架工作的支撑力变化可分为三个阶段 （如图 2.2 ）。即： 开始升柱至单向阀关闭时的

18、初撑增阻阶段to，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段ti，以 及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段 t2 ，这就是液压支架的阻力 -时间特性。它表明液 压支架在低于额定工作阻力下工作时具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用； 在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大的条件下，能随顶板下 沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由 安全闪莱实现，困此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的本个重要元件。2.2.2 支架的移动和推移输送机如图 2.1 所示，支架和输送机的前移，由底座 3上的推移千斤顶 4 来完成。 需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使

19、高压液体进入推移千斤顶 4 的活塞 杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进科推移千斤顶 4 的活塞腔，活塞 杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。2.3 支架结构的选择根据液、压支架各部件的功能和作用，其组成可分为四部分：（1）承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板及垮落岩 石的载荷。（2）液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。（3）控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀、以及管路、液压、电控元件。其主要功 能是操作控制支架各液

20、压缸动作及保证所需的工作特性。（ 4） 辅助装置，如推移装置、护帮装置、伸缩梁装置、活动侧护板、防倒防滑装 置、连接件、喷雾装置等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。2.3.1 顶梁的选取 支架采用整体顶梁，整体顶梁结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有种于提高顶板覆盖率，改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端一般 上翘1°3°。2.3.2 侧护板的选取 支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。 本支架采用直角式单侧活动侧护板。直角式单侧活动侧护板一侧为固定式，一侧为活动式。固

21、定侧15护板即梁的边筋板，可增加梁体强度，减轻支架质量。直角式单侧活动侧护板适用于工作面倾角 以下的缓倾斜煤层，具有挡矸密封性和导向性好的特点。这正好满足所设计的煤层工况。2.3.3 底座的选取 本支架采用整体刚性底座。整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座接触面积大，有利于减小对底 板的比压，正好适用于软底板工件面。2.3.4 推移装置的选取 推移装置由推移杆、推移千斤顶和连接头等主要零部件组成，其中推移杆是决定推移装置形式和性 能的关键部件。推移杆采用正拉式短推移杆。这种推移杆是由钢板焊接而成的箱形结构件，结构简单可 靠，质量轻。推移千斤顶与移步横梁铰接并紧靠在运输机槽帮上，使结构复杂化，且

22、不能起到原来想象的防止支 架下滑的作用。目前广泛采用的方法是，推移千斤顶直接与运输机铰接。为了提高移架力，可采用以下 措施：（ 1） 采 用推移框架或推溜悬臂。（ 2） 在 推移油路上接处交替单向阀，推溜时千斤顶成差动缸运行，使推溜力减小。 移架时活塞杆腔进压力液。（ 3） 采 用浮动活塞。推溜时活塞腔进压力油液，先将浮动活塞推到缸口，然后活塞 杆才移动而推溜。当活塞杆腔进压力液时，先将浮动活塞推回到活塞杆端，然后缸体移 动而移架。因为活塞杆面积小于活塞环形面积，故推溜力小于移架力。在供油压力为31.5 兆帕时，推溜力为 181.6 千牛顿，移架力为 461.8 千牛2.3.5 护帮装置的选取

23、 护帮板是提高液压支架适应性的一种常用装置，其作用是护帮、做临时前梁等。此处护帮装置采用 四连杆式。这种护帮板铰接在整体顶梁，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，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板上。这种挑 梁的挑起力矩大，但结构复杂一些。2.3.6 防倒滑装置的选取因所设计的液压支架所适应的场合是煤层倾角为15°以下，故可以不设置防倒防滑装置。2.3.7 液压支架的主要液压元件和泵站2.3.7.1 立柱 立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，它直接影响到支架的工作性能，同时还处于高压受力状 态，因此，立柱除了具有合理的

24、工作阻力和可靠的工作特性外，还必须由足够的抗压和抗弯强度，密封 良好、结构简单并能适应支架的工作要求。立柱类型： 立柱按动作不同分为单作用立柱和双作用立柱；按结构不同可分为活塞式和柱塞式；安身锁不同可 分为单伸缩式和双伸缩式立柱。单作用立柱是属于液压升柱、自由降柱的工作方式，应用较少，目前广泛采用的是双作用活塞立 柱，极靠液压力来实现升柱和降柱。在伸缩方式上，大采用单伸缩，只有当煤层厚度比较大，或为了扩大支架调高范围时才采用双伸缩立柱。立柱结构：液压支架实际上是推力油缸作为支撑装置，具有以下特点： 立柱一般由活塞、活塞杆、缸体三部分组成，由于支架工作时，立柱承受的载荷较大，降柱力较 小，故活塞

25、杆直径较大，常采用空心结构，以保证有足够的刚度，活塞一般采用 Y 型密封圈，铜环导 向， 缸体底部焊接，缸体与缸盖之间用钢丝、螺纹或卡环连接。立柱的头部结构为球型，预定梁或底座之间的连接采用销轴活压块固定，以是立柱工作时有一定的 适应性。立柱的供液方式有外供液和内供液两种，一般双伸缩立柱采用内供液方式，单伸缩立柱大多用外供 液方式，此方法简单，加工、维修都很方便。为在一定范围内适应煤层厚度变化，立柱上端可根据需要装设机械架长杆，以增加支架高度，但其 长度必须控制在立柱刚性所允许的范围内才可以。2.3.7.2 液控单向阀 液控单向阀是支架液压系统中的关键元件之一，通常称为“液压锁”。支架的工作可

26、靠与否，与单 向阀的密闭性能有直接关系，如果单向阀锁不住立柱下腔的工作液体，支架就会出现自动慢慢下缩，使 不能允许的，如果液控单向阀动作不灵敏，则立柱得初撑力就达不到设计要求，因此要求液控单向阀密 封可靠、动作灵敏，并要求使用寿命长。2.3.7.3 安全阀 安全阀也称为定压阀，它与液控单向阀组合在一起，使液压支架不可缺少的一种控制阀。安全阀是 使支架保持平衡工作特性和可伸缩性的重要元件，和液控单向阀一样，他长期处于高压状态。支架经常 的工作状态取决于顶板压力逐渐增强和顶板岩石的极其缓慢下沉情况。若安全阀的密封性能不好，不能 保证支架达到设计的工作阻力和稳定的工作状态，故要求安全阀的动作灵敏，阀

27、的开启压力和关闭压力 差值很销，有一定的卸荷开口量，密封可靠和工作稳定，没有震荡现象，有较长的使用寿命，结构简 单，拆装方便。液压支架采用安全阀均为直动式，结构简单、工作灵敏度高，过载时，它能及时起到溢流作用，利 用液压和弹簧力的相互作用，以实现阀的开启溢流和复位定压作用。2.3.7.4 操纵阀 操纵阀是控制各液压缸进出油路使立柱完成各种动作的开关，故要求密闭性好，工作可靠、操作方 便。操纵阀的技能通过和位数必须满足支架的动作要求，操纵阀的机能一般在停止位置时，各个通路应 全部回液，相当于“ Y”型机能，故操纵阀上油液高压进液口和一个低压回路上。操纵阀控制不同，可分为手控、液控、电控和电液控四

28、种，按动作原理可分为往复式和回转式两 种。往复式： 往复式操纵阀的阀芯元件是沿轴向做往复运动，开闭进出口油路实现换向作用。它采用 结构为二位三通或三位四通电磁阀构成组合机构，每个阀独立操作可实现复合化，但体积大，结构较复 杂，阀的操作机构一般采用杠杆式凸轮闭轮锁的控制装置，也可用电控或电液控，因此往复式操作有利于实现遥控和自动化。回转操纵阀：回转操纵阀优点是体积小，位数多，操作简单方便，但只有单一动作，难以实现组合 操作。2.3.7.5 泵站 泵站一般有乳化液泵、乳化液箱和一套压力控制与保护装箱组成，装在可沿轨道或底板移动的平板 列车上，泵站是液压支架的动力源，一般按设在中间运输巷内，支架的液

29、压传动式乳化液作为传递能量 的介质，泵站的工作压力除了硬满足支架初撑力要求的压力和千斤顶的最大压力外，还应加上管路损 失。2.4 支架主要尺寸的确定2.4.1 已知参数：1. 煤层厚度：1.63m2. 顶板稳定度：中等3. 支护强度：0.7mpa4. 顶板尺寸：4.25 X 2.5m5. 底板比压：3.8mpa6. 液压系统工作压力： 31.5mpa2.4.2 支架高度的确定： 最大高度：HmaQ Mma炸 S1 = 3000 + 200= 3200mm最小高度：Hmi n= Mmi n-S2-a-b=1600-200-50-50=1300mm式中：Hmax-支架最大高度Hmin 支架最小高度

30、Mmax -煤层最大厚度Mmin-煤层最小厚度51 -考虑伪顶媒皮冒落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度一般取 200- 300mm这里取 S1 = 200mm52 顶板最大下沉量，一般取 100 200mm这里取200mma-移架时支架的最小可缩量取 50mmb浮矸浮媒厚度 取 50mm2.4.3 中心距和宽度的确定支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度，目前国内外液压支架的中心距大部分采用1.5m。在此我们也采用此标准，在中心距为 1.5m的标准当中要求支架的最小宽度取14001430mm最大宽度一般取15701600mm在此次设计当中，我们根据生产经验选取宽度为1400mm2.4.4 梁端距

31、和顶梁长度的确定所谓顶端距是指移架后顶梁端部至煤壁的距离。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液压支架倾斜，为避免割到顶梁而留的安全距离。支架高度越大，梁端距也应越大，根据支架高度，我们选定300mm。245支架四连杆机构尺寸设计及计算（1 ） 用三点法来设计四连杆机构，女口图 2.3 所示图2.3掩护梁和后连杆长度的确定根据四连杆几何特征要求初选掩护梁在最高位置时与水平面夹角bl = 60o最低位置时b2 = 25o后连杆在最咼位置时与水平面夹角al = 75o最低位置时a2 = 35o根据几何关系式：L2cosb1 Llcosa

32、l = L(2 1)L2cosb2 L2cosa2 = L(2 2)（2 1）与（2 2）联合得L1/L2=cosb1-cosb2/cosa1-cosa2=0.73(2 3)因为有 Hma>= L2sinb1 + L2sina1(2 4)且 HmaQ 3200mm（2 3）与（2 4）联合得：掩护梁长度L2= 2037mm后连杆长度L1 = 1487mm（2）几何作图法求四连杆其他尺寸具体作图方法如图 2.4所示：图2.4四连杆机构的几何作图法作图步骤如下：1） 确定后连杆下铰接点O的位置，使其比底座略高，一般L7 =200250mm取L7=250mm2） 过O点作分别作分别与底座的水平

33、线H H和与H H线相交为750的斜线1 1。3）以0点为圆心，Li为半径作圆弧与线I I相交得点a, a即为后连杆与掩护梁的铰接点。4 ）以点a作与H H线相交为60o的斜线H H，并以 a点为圆心，L2为半径作圆弧交H H线于点e,此点即为掩护梁与顶梁的铰接点。5 ）过e点作与H H线的平行线皿一皿，则皿一皿线与H H线间的距离为 Hma%其中，Hmm为支架的最大支撑高度。6 ）以点a为圆心，0.25 L2长为半径，在n n线上交一点 b，点b即为前连杆与掩护梁的上 铰接点。7 ）假设支架在升降过程中，顶梁端点作近似直线运动。此时，过点e作皿一皿线的垂线 m-m,并在m-m线上作支架在最低

34、位置时顶梁与掩护铰接点e，取ee，的中间某点e”作为支架降至中间位置时顶梁与掩护梁的铰接点。8 ）分别以点 0和e”为圆心，以 0a和ae为半径作圆弧，两圆弧的交点 a'即为支架降至中间某 位置时掩护梁与后连杆的铰接点。同理可得支架最低位置时掩护梁与后连杆的铰点a”。9）连接e"a'，e'a”，分别以a'和a”为圆心，ab为半径，作圆弧，交e"a'与线e'a”上各得b'和b”点，则b，b'，b”为支架分别在最高、中间和最低位置时前连杆上铰接点的位置。10）连接 a' o 与 a” o， 为液压支架降到中

35、间某点和最低位置后连杆的的位置。11） 分别作bb'和b' b”的垂直平分线汇于点 C,点c即为前连杆下铰接点的位置，bc为前连杆的 长度。12）过c点向下作H H的垂线，得点 d，则oa,ab,bc,cd,do为液压支架的四连杆机构通过作图可得四连杆尺寸：bc= 1500mm co = 900mm oa = 1487 mm ab = 509mm其余数据：cd = 800mm do = 500mm2.4.6 底座长度的确定底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件，在设计液压支架的底座长度时，应考虑如下 诸方面问题：1 、支架对底板的接触比压要小；2、液压支架内部应用足够的空间

36、用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；3、底座设计要便于工作人员操作和行走；4、要保证液压支架总体的稳定性。通常，掩护式液压支架的底座长度取3.5倍的移架步距（一个移架步距为0.6m），即2.1m左右;支撑掩护式液压支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。考虑到该支架的工作阻力大的特点，在此取值应偏大一点;根据生产经验，选取底座的长度为2600mm。2.4.7 顶梁长度的确定 ：如图 2.5 所示：图 2.5 支架大体结构顶梁长度 L 顶=（配套尺寸底座长度L1cosa1） （ L2cosb1300e） 掩护梁与顶梁铰 点至顶梁后端点的距离配套尺寸=+ k+ d + i式

37、中：式中，铲煤板到煤壁间的距离，一般为135150mmit匕处取140mmk 输送机宽度，查手册煤矿矿井采矿设计手册选SGWD-180型号的皮带输送机，其输送带宽度为 630mm。d 采煤机 MLS3-170 型为 250mm。i 底座前柱窝中心到底座前端的距离，根据设计结构取为800mm配套尺寸=140 + 630 + 250 + 800 = 1820mmL 顶=(1820 + 2600 + 1487cos75o )-( 2037cos60o + 300 + 30)+ 1000 = 3956mm其中底座长度为 2600mm，掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点的距离取 1000mme 为支架有高到底

38、顶梁端点最大变化距离，一般不能大于70mm 这里取 30mm.验证顶梁的长、宽尺寸是否适用根据顶板的覆盖率应适合顶板的性质，一般不稳定顶板不小于85%95%，中等稳定顶板不小于75%85%稳定顶板不小于 60%70%。顶板覆盖率定义公式：E = B X L 顶/ (L 顶+ c)( B+ k) X 100 %= 3.956 X 1.4/(3.956+0.3)(1.4+0.2) X 100%= 80%所得覆盖率满足中等稳定顶板，故其设计尺寸合理2.4.8 立柱的技术参数确定 立柱是支架的最重要的承压部件，在支架正常工作时，一般处于高压受力状态，他的工作性能直接 影响整个支架的工作状态，因匕设计时

39、，要求具有合理的工作组力和可靠的工作性能外，还必须有足够 的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，并能适应支架的要求。其中单作用又分为活塞式支活柱式、双作 用分为单伸缩、单伸缩带机械加长杆，双伸缩、三伸缩等。由于双伸缩立柱结构复杂，成本高，为了降低造价，在单伸缩立柱上部安装机械加长杆，满足支撑 高度的变化要求。为需要增加支架的最大高度时，可以先拆下四根立柱中对角线上的两根立柱上机械加长杆的卡环， 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；然后拆下另外两根立柱的机械及长杆卡环，用同样的方法使这 里那个跟机械加长杆达到

40、与前两根相同的高度为止。本设计采用单伸缩立柱上部安装机械加长杆，2.4.8.1 立柱数的确定因为本次设计的液压支架类型为支撑掩护式，故立柱的数目应为4根。2.4.8.2 支撑方式根据结构要求，使其呈倾斜布置，一般情况下，立柱轴线与顶梁的垂线夹角应小于10°， (支架在最高位置时，由于夹角较小，有效支撑能力较大，我们取前柱角8o,后柱角50。)248.3 立柱缸体内径式中：Fi为支架所受的理论阻力，Fi= 7437knNd为支架立柱数 Nd= 4Pa安全阀的调正压力根据同类支架取31.8mpaa为立柱在最低位置时的最大倾角取a= 25o得 Dd= 238.9mm根据参考资料1表61选定

41、缸内直径为 250mm参考资料1表6 3得立柱工作阻力P1=2352 kn立柱工作阻力和初撑力P2满足一定关系：即P2=（0.350.7） P 1这里取0.7初撑力 P 2= 0.7 X 2352 = 1646kn根据生产经验，我们知道推移千斤顶的缸径一般为160-180mm这里选取d= 180mm2.4.8.4 立柱间距因为两立柱下柱窝位置已确定，两立柱倾角已确定！所以 可用三点几何法确定上柱窝位置：如图综上可得：cd = 700mm ac = 1000mm2.5液压支架的受力分析和计算即 Fa = Pb = 2352 X 2= 4704kn假设梁上受一集中载荷Fn,水平分力为FnW其中W

42、0.3，前排立柱工作阻力为Pa,后排工作阻力为Pb，因为前后立柱内径一样忽略损失，可将其视为相等顶梁的受力分析取顶梁为分离体，受力如图2.6所示:FiIpFfruL - 3 PliXTv1图2.6顶梁受力图则内力Xb, Yb表达式，及Fn作用点位置x的表达式为:X b= FnW/- Pbsina 2 Pa sina 1(2-1)Y b= Fn Pbcosa2 Pa cosa 1(2-2)x = FnWh+ Pa cosa 112 + Pbcosa1 + Pa sina 1 ( h1 h2)+ PbSina 2 (h1 h2)/F n(2-3)掩护梁的受力分析再取掩护梁为分离体如图2.7所示:图

43、2.7掩护梁受力图前后连杆受力F5, F 6的表达式：Fe = Xbtana 3 + Yb/cosa 4tana 3-sina 4(2-4)F5 = Fecosa3Yb/ cosa 3(2 5)联合(2 1)( 2 2)( 2 3)( 2 4)( 2 5)得Fn = 4704 X cos8o + 4704cos5o +( 4704sin5o+4704sin8o ) tan 18o/1 Wtan 18o= 10470kn式中=18o a 3 = 55 o a 4 = 75 o实际支护强度 q =( Fn/ (L 顶+ c)+ b 顶)x 10_3 = 1.7mpa>0.7mpa符合要求式中

44、c = 300mm梁端距将 Fn= 10470kn 代入(2 3 )的10470*0.3*5004704*cos8*17004704*cos5*7004704*sin8*(500300)4704*sin 5*(500300)10470=1216mm式中：丨 i=700mm l 2=1700mmh1= 500mm h 2=300mm同理：Xb= FnW/- PbSina 2 Pa sina 1 = 2076knYb= Fn Pbcosa2 Pa cosa 1= 1126knF6= Xbtana 3 + Yb/cosa 4tana 3-sina 4 = 6818knFs= F6cosa3+ Yb/

45、 cosa 3= 5885kn负号表示连杆实际受力方向和图示方向相反！底座受力分析取底座为分离体，如图2.8所示：图2.8底座受力分析图1 1 1F1 = Pa cosa1 + Pb cosa2+F5Sina 3 Fesina 4 = 4704cos8+4704cos5 5885sina55 +6818s in75 = 11043k nF11x1 = Pa1cosa1 (14 +15)+ Fb1l 5cosa2 FT 3S in a 3 Pa1si na 1 (h2 h" Pysina 2 (h21h1) F5cosa3 (h2 hj F1 Wh分别代入数据得F11x1则1x = 1

46、100mm求底座宽度：根据 q°=(F11 /bd*1 d)*10 -3得 bd= F11*10-3 / q 0 1 d= 11043X 10-3 /3.8 X 2.6 = 1.2m式中I d为底座长度o为底板比压3.8mpa2.6液压支架主要部件强度校核顶梁强度校核简图，受力图，剪力1 1FFnpx-PyP-Xa(a)）画岀顶梁结构图和弯矩图女口图2.9 所示：(b)(c)(d)图2.9（2）计算剪力和弯矩。如图（c）所示为剪力图。从右向左取矩，向上的力为负，向下的力为正对各点的剪力计算如下：A占：八、Q人左=ya = 1126k nB占：八、QB右=一-ya= 1126knQB左

47、=ya py= 1126 4686 =5812knC占：八、Qc右=Q左=一 5812knQc左二二 Q右+ Fn = 5812 + 10470 =4658knD占：八、QD右=Q 左=4658knQD左=二 Q)右 一 py = 4658 一 4658 = 0如图（d）所示为弯矩图:从A点向C点取矩：A占：八、MA左=二一X ah3 =2076 X 500 = 1038000kn*mmB占：八、Mb右=二 MA左+ yal 3 =1038000 + 1126 X 700= 249800kn*mmMb左二=MA 左 + pxl 3 =1038000 + 286986 = 390786 kn *

48、mmC点:c右 = MA左+ pyX l 2/2+p xhi+ya(+13)=3622251kn*mm=3622kn*m2Mc 左=Me 右=3622k n*mD点：MMd 左=pyl 1= 108468k n*mm1D右=Md左 + Px= 196401 kn *mm(3)按弯曲应力进行强度校核。由计算得知，按弯压联合作用计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为安全起见，采用最大应力时进行校核。L4r /1/I 2 /J厂 7一全邯犀度为&4563如图2.10所示：图2.10顶梁结构图其中 经过尺寸类比 取l 2= 1400mm 11 = 800mmh2 = 400mm ； h 1=

49、280mm/= 40mm13 = 100mm ； l 4 = 200mm l 5= 560mm计算截面积F及截面形心至a a面的距离y。首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成同一号！再计算截面积最后计算截面形心距。即:2F 1= L1 /= 32000mm； y=/ /2=20mm2F 2= L2 / =56000 mm ; y 2 = 2 /= 80mm2F 3= h1 /X 6= 67200 mm ;2F 4=L5/ = 22400 mm ;y2F 5=L4 /x 2= 16000 mm2F 6= L3/X 2 = 8000 mmy3= 2 /+ h1/2=220mm4=

50、 2 /+ m+/ /2=380mmy5= y4= 380mmy6= y4= 380mm形心距：Fiyii 1F1 y1 F 2 y2 F 3y3 F 4y4F5y5F 6 y6FiF1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6186mm每个零件中心到截面形心的距离ai为:y y1= 166mm2= y 讨2= 106mm3= y y3= 34mm4= y y4= 194mm5= y y5= 194mm6= y y6= 194mm计算截面中心惯性矩jzi每个零件的对截面形心的惯性矩j zijjjjjz1= Lj3/12+ a/ F1 = 43z2 = L2 / /123z3 = h1 / /12

51、3 z4= L5 / /122-4+ a2 F2 =2 一4+ a3 F3= 1747653 mm24+ a4 F4 =3z5 = L4 / /122_+ a5 F5 =z6 = l_3 / /122l+ a6 F6 =.44z = j z1 + j z2 + j z3 + j z4 + j z5 + j z6= = 327538.61cm计算弯曲应力和安全系数：Snax= MnaX/max / j z= Mnax (山2 讨)/ j z5=362 X 10 (40 18.6 ) /327538.612=23665n/cm =237mpa安全系数 n= Ss / S max=459/237=1

52、.9>n选用15CrMo材料 其中Ss = 459mpa顶梁许用安全系数n =1.12.6.2 掩护梁强度校核1. 掩护梁受力情况5885kn和6818kn，最大弯矩发生在前由前面已经求岀在掩护梁上前、后连杆的销轴处受力为-连杆处，其值为：M = 0.509 X 5885 X sin60 = 2594kn最大弯矩处的断面如图所示。2. 掩护梁的强度计算1) 形心位置各板件的计算数据列于下表2.3件号1235数量1442184.816637957 . 60. 75 . 324 . 829 . 330.21386.73861 . 627 . 7结构件的形心位置为:yc(Fnyn)i 1nFn184.8*0.7166*5.3379*24.8115*29.3184.8 166 379 11513777.09844.8=16.3cm2) 惯性矩2 2=30.2 + 184.8 ( 0.7 16.3 )+ 4 X 1386.7 +( 5.3 16.3 )+ 4 X 3861.6 +379 ( 24.8 16.3 )+