液压支架顶梁立柱的设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——液压支架顶梁立柱的设计

――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

安徽理工大学毕业设计

目录

摘要（中文）???????????????????????????I摘要（英文）???????????????????????????II1、绪论‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐1

1.1综合机械化采煤‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐11.2液压支架总述‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐21.2.1液压支架使用现状‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐21.2.2液压支架的发展趋势‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐21.2.3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‐31.3设计任务及意义‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐31.3.1设计的任务‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐31.3.2设计意义‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐42、总体设计‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐4

2.1原始材料‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐42.1.1设计题目‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐42.1.2设计原始资料‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐52.2主要技术指标‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐52.2.1初撑力‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐52.2.2移架力与推溜力‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐52.2.3液压支架高度、采高确定‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐52.2.4支架的伸缩比‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐62.2.5中心距和宽度的确定‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐62.2.6底座长度‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐62.3液压支架总体设计‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐62.3.1挡矸结构‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐62.3.2控顶距与四连杆机构‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐92.3.3确定支架的主体尺寸‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐132.3.4支架受力分析及立柱的负载‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐202.3.5确定液压缸的行程及结构形式‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐252.3.6总图及工作原理‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐262.3.7其他‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐282.3.8小结‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐283、专题设计‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐29

――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

安徽理工大学毕业设计

3.1专题设计的内容及意义‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐293.1.1专题设计的内容‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐293.1.2专题设计的意义‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐293.2专题的主体尺寸‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐293.2.1主体结构分析‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐293.2.2有关计算‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐323.2.3装配关系‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐393.2.4总体尺寸控制、协同公差‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐393.2.5总图及工作原理‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐40

3.3主要零部件设计‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐433.3.1结构设计‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐433.3.2工艺性分析‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐433.3.3零部件图‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐443.3.4有关计算‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐453.4小结‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐45结论‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐46

计

1.3.2设计意义

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，保证工作人员的安全和特性工作的正常进行，必需对顶板进行支护。液压支架的出现解决了这个问题。液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了液压支架发展到了现在，已经基本成熟，它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。液压支架作为综合机械化采煤方式中最重要的设备之一，因而研究液压支架具有重要的意义。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。因此采煤综合机械化，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。

液压支架式以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机，大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠性高等优点，它的使用能增加采煤工作亮的产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证生产安全。在综合机械化设备组成中，液压支架的重量约占综采设备总重量的80～90﹪，成本占综采设备的70﹪左右。而且，综采工作面的安全性也主要取决于支架的支护效果。因此，为了降低成本，提高开采效益，并使支架的结构与性能适应不同的围岩与煤层条件，各国均在积极开展液压支架的设计、试验和研究。按支架的设定架型、基本结构和一般性能的参数，设计典型支架，设计者根据已有的设计知识与经验，参考现有液压支架的结构与参数，或用类比法来设计支架。国内外整层垮落开采缓后煤层的采面矿压初步研究成果可知：随着采高加大，上覆岩层动压现象依旧存在，且表现频繁；直接顶越稳定，高支架支护效果越好；支架应具有足够的支护力，特别是对老顶来压猛烈的顶板；采高加大后，应防止片帮、冒顶，尽力保持支架的稳定性，为此提高支架刚度是十分重要的。

2、总体设计

2.1原始资料2.1.1设计题目

ZZ9200/24/46厚煤层液压支架设计―――专题：顶梁、立柱

4

2.1.2设计原始资料

架型：ZZ9200/24/46支撑力：9200KN

支撑高度：2400mm～4600mm泵站：Pb﹦31.5MPa；400L∕min安全阀调定压力：Pa﹦40MPa2.2主要技术指标2.2.1初撑力

初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。有较大的初撑力可以使支架较快到达工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80﹪；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60﹪，对于周期来压猛烈的顶板，为了避免大面积的垮落对工作面的动载要挟，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75﹪。2.2.2移架力与推溜力

移架力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关。一般薄煤层支架的移架力为100～150KN，中等厚度煤层支架为150～300KN，厚煤层为300～400KN。寻常，1.5m长的一节溜槽对应一架支架，推溜力为150左右；薄煤层支架为100kN左右；厚煤层支架接近200KN。2.2.3液压支架高度、采高确定

支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件得到变化等因素来确定，其最大和最小高度为Hm≥hm﹢S1Hn≤hn－S2－α－σ

式中Hm——支架最大高度，由设计题目知：Hm=4.6mHn——支架最小高度，由设计题目知：Hn=2.4mhm——煤层最大厚度（最大采高）；hn——煤层最小厚度（最小采高）；

S1——伪顶冒落的最大厚度，一般取0.2～0.3m；S2——顶板周期来压时的最大下沉量，一般取0.1～0.2mα——移架时支架的最小可缩量，一般取0.05m；

5

σ——浮矸、浮煤厚度，一般取0.05m。故:最大采高hm≤4.3～4.4m最小采高hn≥2.7～2.8m2.2.4支架的伸缩比

支架的伸缩比指最大与最小高度之比，即m=Hm/Hn=1.92

由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时垛式液压支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式液压支架为2.5；掩护式液压支架可达3.0。本设计的液压支架采用双伸缩带加长杆的立柱。2.2.5中心距(支架间距)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中心距大部分采用1.5m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。因此设计中欲取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。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170～200mm。当支架中心距为1.5m时，最小宽度一般取1400～1430mm，最大宽度一般取1570～1600mm。当支架中心距为1.75m时，最小宽度一般取1650～1680mm，最大宽度一般取1850～1880mm。当支架中心距为1.25m时，假使顶梁带有活动侧护板，则最小宽度一般取1150～1180mm，最大宽度一般取1320～1350mm，假使顶梁不带活动侧护板，则一般取1150～1200mm。本设计中心距取1.5m。2.2.6底座长度

底座是将顶板压力传递终究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。寻常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距，一个移架步距为0.6m，即2.1m左右；支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本设计底座长度取2400mm。2.3液压支架总体设计2.3.1挡矸结构

6

挡矸结构主要包括掩护梁、活动侧护板和四连杆机构等。下面主要说明掩护梁的结构侧护板和四连杆机构的结构。1.护梁的结构

掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，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。掩护梁内留有安装侧推移千斤顶和弹簧筒的空间。有直线型，折线型两种。如图2—1所示，其中2—1a为折线型，图2—1b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。从掩护梁的额宽度方向来分，可分为整体式和对分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度差。

2.侧护板的结构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。一般沿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和侧推千斤顶与梁体连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当该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。另一种是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

侧护板的结构形式如图2-2所示。寻常有两种类型。一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型的侧护板又有三种形式，如图2-2a所示，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；如图2-2b、c所示，在顶梁上加设顶

7

板，战胜可以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种是铰接式侧护板，如图2-2d所示。它战胜了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成三角带易填入碎矸，影响了架间密封效果。

3.四连杆机构

四连杆机构有两种结构形式。

如图2-3所示为前、后连杆式单杆式的结构形式。

如图2-4所示为前连杆式单杆、后连杆式整体式的结构形式。

前连杆又分为刚性前连杆和伸缩前连杆，如图2-4右所示，伸缩前连杆用油缸来代替。后连杆有直线型和圆弧型，圆弧型有利于矸石下滑。有的支架在后连杆上加侧护板，在后连杆上安装一个侧推千斤顶和两个导向筒。

8

2）顶梁长度计算的有关因素

支架顶梁长度与配套尺寸有直接关系。同时为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，又考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm，这个距离叫空顶距。另外，在输送机铲煤板前也留有一定距离。一般为135—150mm，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此以外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护下工作，以此来计算顶梁长度。3）顶梁长度的计算

由于本设计的支架是支持掩护式，故采用支撑掩护液压支架顶梁长度计算公式：顶梁长度=（配套尺寸+底座长度+AcosQ1）—（GcosP1?300?e）+掩护梁与顶铰接点至顶梁后端点的距离

式中：配套尺寸——参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定底座长度——底座前端至后连杆下铰点的距离；由1知底座长度为2800mme——支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；由四连杆机构的设计知e=47.05mm

Q1、P1——如图2-6所示，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，Q1=78°、P1=59°。

14

掩护梁与顶梁铰接点至顶梁后端点的距离，本设计取200mm。

参考以上公式和查阅综采支护手册得，取顶梁长度取3550mm，此外应注意采用及时支护方式，即先移架后推溜，因此要求要求顶梁由较大的长度。4）顶梁宽度的确定

支撑掩护式支架包括侧护板在内的顶梁宽度为1.4—1.6m左右，下限为侧护板收缩时的运输宽度，1.5为支架正常工作时的宽度，1.6m为调架时侧护板伸出后的最大宽度，取B=1.5m。2.立柱及柱窝位置的确定1）支架立柱数的确定

目前国内支撑式液压支架立柱数为2—6根，常用为4根；掩护式液压支架为2根；支撑掩护式液压支架为4根。本设计立柱数为4.2）立柱上校窝位置的确定

液压支架立柱上柱窝位置的确定原则，从理论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶板载荷分布一致。但顶板载荷繁杂，分布规律因支架顶梁与顶板的接触状况而异。为简化计算，假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度力向技线性规律变化，沿支架宽度方向均匀分布。把支架的空间杆系结构，简化成平面杆系结构。同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁长度方向向后越来越大，呈三角形分布，并按集中载荷计算。所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上校窝位置。此时认为支架顶梁承受集中载荷F1在顶梁1／3处，取顶梁为分开体，受力状况如图2-10所示:

对A点取矩：?MA=0；即

15

F1Wh1?Pt1cos?1?x?l2??Pt1sin?1?h2?h1??Pt2sin?2?h2?h1??Pt2cos?2?F1lg3?0

F1lg整理得：x?3?F1Wh1?Pt1cos?1l2??h2?h1??Pt1sin?1?Pt2sin?2?Pt1cos?1?Pt2cos?2（2-9）

式中：x——支架后排立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点的距离，m；

F1——支架支护阻力，Fl＝qFC，kN；q——支架最大支护强度，kN／m2；FC——支护面积，m2；

lg——顶梁长度(不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端的距离)，m；lg=3.55-0.2=3.35m；

Pt1，Pt2——前、后排各立柱工作阻力之和，kN；

h1——顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面的距离，m；取h1=0.22mh2——立柱上柱窝中心至顶梁顶面的距离，m；取h2=0.24m

?1,?2——前后排立柱在最高位置时的倾角，（°）。

W——顶梁与顶板间的摩擦系数㈠支护强度q确定

支护强度取决于顶板性质和煤层厚度。可根据以下公式采用插值法计算：

qx?q1??q2?q1?Hm?hq1hq2?hq1（2-10）

式中：qx——当支架最大采高为Hm时，支架应有的支护强度，KN/m2

q1——在选择表q2——在选择表

2-1中的低于Hm但与之相邻的采高相对应的支护强度，KN/m22-1中的高于Hm但与之相邻的采高相对应的支护强度，KN/m2

hq1——q1所对应的采高，mhq2——q2所对应的采高，m；

16

表2-1支架架型确定参数

㈡确定支架支护阻力F1

支架工作阻力应满足顶板支护强度的要求

支架工作阻力P应满足顶板支护强度的要求，即P=qFC*103KN(2-11)

22FC——支架的支护面积，FC??L?C??B?K?m（2-12）式中：可按下式计算：m，

式中：L——支架顶梁长度，mC——梁端距，mB——支架顶梁宽度，mK——架间距，m

由于查表采高4.2m没有具体的支护强度，故不用插值法计算，查资料得q=1.0MP,梁端距C，一般为0.25-0.35m，最大不超过0.4m，取C=0.30m，我国规定支架间标准中心距为1.5m，B+K=1.5m

FC=（3.55+0.3）×1.5=5.775m2

所以，F1=0.92×5.775×103KN=5.313×103KN㈢立柱工作阻力Pt1，Pt2

对于支撑式支架，支架立柱的总工作阻力等于支架工作阻力。对于掩护式和支撑掩护式支架，由于受到立柱倾角的影响，支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支架立柱的总工作的比值，称为支架的支撑效率?，所以支架立柱的总工作阻力Pt为：Pt?P?(2-13)

支撑式支架的效率为100﹪，支撑掩护式和掩护式支架取η=80％左右。Pt=5.313×103／0.8KN=6.641×103KN

17

npt4?pt?3.32×103KN22前后排立柱数相等，初步可设为Pt1=Pt2=㈣确定?1?2

直接支撑的支撑掩护式支架，立柱的倾角较小，且一般后排的立柱的倾角

?2小于前排立柱的倾角?1；支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，

一般立柱轴线与顶梁垂线的夹角小于10°（支架在最高工作位置时），由于夹角小，有效支撑力较大。取?1=5°，?2=3°。㈤确定前后排立柱间距l2

立柱间距的选择原则为有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式液压支架的立柱间距为1—1.5m，选立柱间距l2=1.02m。代入公式（2-9）得x=0.332m，取整为330mm。2）立柱下柱窝位置计算

立柱下柱窝位置的确定，要有利于移架，使底座前端

比压小。同时考虑柱前行人和支架的调高范围以及下柱窝与前连杆下铰点的距离，一般按支架在最低工作位置时，立柱最大倾角应小于30。来考虑，具体计算如图2-11所示。

图2-11下柱窝位置计算图

按几何关系列出的以下诸公式进行计算：

x2?l1?x1?AcosQ2?l2?x?GcosP2(2-14)x2?H3tan?1'（2-15）将（2-15）代入（2-14）得：x1?l2?x?GcosP2?H3tan?1'?l1?AcosQ2（2-16）

18

式中：H3=H2-(h2+h3)

?1'——支架最低位置时，前排立柱倾角，°；l1——前后排立柱下铰点之距，m；

Q2——支架最低位置时，后连杆与水平面夹角P2——支架最低位置时，掩护梁与水平面夹角由立柱上柱窝计算得：l2=1.02m，h2=0.24m，x=0.33m；

由四连杆机构设计知：A=1.79m，G=2.75m，Q2=31.7°,P2=20.64°。

图2-12液压支架总体简图

①．立柱下柱窝中心至底座地面的距离

按比例类比ZZ4000/17/35型液压支架，取h3=280mm②．前后排立柱最低位置时的倾角?1'，?2'

一般按支架在最低工作位置时，立柱最大倾角应小于30°来考虑，且

一般后排立柱的倾角?2'也应小于前排立柱的倾角?1'。③．确定前后排立柱间距l1

参考《矿山机械》，一般选取800-950mm，由绘图知l1=876.87mm④．确定H3

H3=H2-(h2+h3)=2.4-(0.24+0.28)=1.88m

19

代入公式2-16得x1=1.2166m，取整为：1216mm支架总体简图如图2-12所示2.3.4支架受力分析及立柱的负载1.支架受力分析简化

为了设计计算便利，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，现概述下：(1)把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷。

(2)金属结构件校直梁理论计算。

(3)顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均匀分布。

(4)通过分析和计算可知，掩护梁上歼石的作用力，只能使支护架实际支护阻力降低。所以在进行强度计算时忽略不计，使掩护梁偏于安全。(5)立校和短校按最大工作阻力计算。

(6)产生作用在顶梁上的水平力的状况有两种，一是由于支架让压凹缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受到一个指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数w一般取0.150.3。(7)按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。2.支撑掩护式支架的受力分析与计算易得：cos?1?HHm'm2'（2-17）

2?a1首先取顶梁为分开体，如图2-14所示。写出内力xb，yb以及Fn作用点的位置x的表达式。

xb?fFn?Pasin?1?Pbsin?2（2-18）yb?Fn?Pacos?1?Pbcos?2（2-19）

x?fFnh7?Pacos?1L1?Pbcos?2L2?Pasin?1(h6?h7)?Pbsin?（h6?h7)2Fn（2-20）

式中，α1，α2角可由结构尺寸算出，即为α1=5°，α2=3°

20

图2-13支撑掩护式支架整体受力

图2-14顶梁分开体受力

再取掩护梁为分开体，如图2-15所示，写出连杆受力F5，F6的表达式，求出

21

Fn。F6?xbtan?3?yb?W?sin??cos?tan?3?cos?4tan?3?sin?4（2-21）

F5?F6cos?3?yb?Wcos?cos?3(2-23)

Fn?C??Pcos??Pcos??Psin??Psin?tan??W??a1b2a1b2?1?ftan??L??1（2-23）

图2-15掩护梁分开体受力

Fn求出后，代入式2-20，可求出x。

x?1Fn?PaL1cos?1?PbL2cos?2?（2-24）

再取底座为分开体，如图2-16所示，可求出底板对底座的支撑反力F1’及其作用点的位置x’：

F1?Pacos?1?Pbcos?2?F6sin?4?F5sin?3

'''（2-25）

x?'F5cos?3?h10?h11??F5sin?3L8?Pbcos?2L10?Pbsin?2?h11?h9??Pacos?1?L9?L10??Pasin?1?h11?h9??fF1h11（2-26）

F1

22

2.立柱的负载

立柱的负载在这里主要计算其实际支护阻力F1，F2，分两种状况。前后排立柱的实际支护阻力F1、F2，由前面受力分析得出的公式2-23和2-24反求。即为：R?x?C??Fcos??Fcos??Fsin??Fsin?tan??W??11221122?1?ftan??L??1R1?F1L1cos?1?F2L2cos?2?

式中：R——顶板对支架的载荷，本设计为9200KN;F1，F2——前后立柱的实际支护阻力；

F——顶梁与顶板之间的摩擦系数，一般取0.1—0.3，本设计取0.3；α1、α2——前后排立柱的倾角；

x——R作用线距离顶梁铰点的距离，X=1.117m;W——掩护梁上矸石的阻力。

①、矸石阻力的作用力的作用点的位置确定：x、y方向上矸石作用力就相当于均匀载荷，W的作用点就在掩护梁的1/2处。②、矸石阻力W的计算：

图2-16底座分开体受力

W=Wx2?Wy2（2-27）

23

P=3632KN3）立柱缸体壁厚计算立柱缸体壁厚的计算如式3-4：

??PmaxD2???（3-4）

式中???—缸体材料的许用应力，MPa。

缸体材料选用27SiMn无缝钢管，查机械工程材料可知：σb=980MPa，安全系数取n=5，则???=σb/n=196MPa。

计算大缸壁厚δ

1

得：

40?3402?196mm?34.69mm?1?取整为δ1=35mm

计算中缸壁厚δ

2

得：

2?2??340?40????230?230?2?196mm?51.287mm取整为δ2=50mm

4）验算缸筒壁厚的安全性

额定压力Pn应低于一定极限以保证安全，即

Pn?0.35?sDd?D1Dd2?22?MPa（3-5）

式中?s—缸筒材料的屈服强度，材料为27SiMn，查手册得?s?850MPa；Dd—缸体外径，Dd=0.41m；D1—缸体内径，D1=0.34m。将以上数据代入式3-5得

Pn?0.35?850?0.41?0.340.412?22?MPa?92.9MPa

Pn=40MPa

n?????max?0.55?s?

max?0.55?343.35103.987?1.816>?n??1.1

查表3-2，得出许用安全系数?n?=1.1综上所述：顶梁的强度满足要求。

表3-2许用安全系数表

许用安全系数前梁1.1主要轴1.3顶梁1.1缸体3.3~4底座1.1掩护梁1.3焊缝3.3~4前连杆1.3后连杆1.3活塞杆>1.4?n?许用安全系数?n?注：1.顶梁、底座许用安全系数为1.1，主要考虑加载时加载力为工作阻力的1.1倍，掩护梁、连杆、销轴等不能进行加载强度校核，为偏于安全取1.3（假使能确切计算、有限元计算等，许用安全系数可以减小，这个问题有待研究解决）。

2.假使各结构件计算出来的许用安全系数偏大，可按标准钢材厚度减薄，或减少加强筋数量和筋板高度，以减轻支架重量，降低成本。根据计算说明，改变结构件高度对强度影响较大，而改变结构件钢板厚度对强度影响较小，在设计时可根据结构件具体状况酌情处理。

资料来源：鲁忠良，景国勋，肖亚宁，液压支架设计使用安全辨析，北京：煤炭工业出版社，2023

3.2.3装配关系

立柱部分：活塞与缸体内径的协同精度一般为H9/f9；导向套外表面与缸体或与二级缸的协同精度一般采用H10/f9、H10/d10、H10/d11。具体协同尺寸关系见图纸。顶梁部分：顶梁与立柱是通过销轴连接，都是大间隙的，不要求有协同精度。

3.2.4总体尺寸控制、协同公差1、总体尺寸控制

立柱：立柱的行程主要液压支架最低位置来确定。又由于本设计的液压支架分前后排立柱，且后排立柱较前排立柱要短，因此立柱的行程应由后排立柱确定。

39

通过画液压支架的总装图的草图已确定了液压支架立柱的行程，根据立柱各部分零件的定位要求，一一确定各部分零件的横向尺寸。

顶梁采用铰接式，其尺寸受顶梁总长度的计算部分控制，在范围内，可利用类比法合理分派顶梁和前梁的尺寸，从而确定顶梁的长度。宽度方面前面总体设计部分已设计过。

2、协同公差。通过协同精度计算得出协同公差。活塞与缸体内径的协同精度为H9/f9由互换性计算出：

中缸与缸体的协同公差Tf为：0.280mm活柱与中缸的协同公差Tf为：0.230mm

大导向套外表面与缸体协同精度为：?355H10/f9、?360H10/d10、

?360H10/d11

则计算得出的协同公差Tf分别为：0.370mm、0.460mm、0.590mm

小导向套外表面与中缸体协同精度为：?240H10/f9、?245H10/d10、

?360H10/e11

则计算得出的协同公差Tf分别为：0.185mm、0.370mm、0.300mm。3.2.5总图及工作原理立柱的总图如图3-7顶梁的总图如图3-8

工作原理：双伸缩立柱动作原理如图3-9所示

当高压液进入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，如图3-9a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定压力时，底阀开启，高压液进入上柱下腔，上柱上腔液体经中缸上部小孔排出，使上柱伸出，如图3-9b所示。降柱时，如图3-8c、d所示。

当高压液进入中缸上腔，下腔回液，中缸下降；当中缸降终究时，一方面底阀被缸底开启，另一方面中缸上孔正对立柱上部进液孔，如图3-8c所示。

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3-8d所示。

40

图3-7立柱

图3-8顶梁

41

图3-9双伸缩立柱动作原理

机械加长杆的工作原理：

需要增加支架到最大高度时，可以先拆下4根立柱中对角线上的2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，拆下另两根机械加长杆的卡环，用同样的方法使机械加长杆达到与前2根相

42

同的高度为止。3.3主要零部件设计

主要零部件设计主要设计大缸、中缸、活柱等。3.3.1结构分析1、大缸

大缸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（活塞下部空腔）的进液口。在缸体的上端装有导向套，它为活柱的上下往复运动导向。

2、中缸。也即二级缸。

中缸要与大卡键、支撑环、鼓形密封圈、导向环连接。另外在缸口部位要与小导向套协同、与卡环、小缸盖、挡圈连接。所以在连接处和协同处其结构都得符合零件的定位要求以及尺寸要求。中缸与小缸底焊接在一起，焊缝要作抛光处理，保证同轴度，进而使各零件定位确凿可靠。3、活柱

活柱要与小卡键、小支撑环、鼓形密封键、导向环连接。活柱内要镗孔与加长杆连接，还要钻孔与半圆卡环连接。4、导向套

导向套起导向作用。与缸体、导向环相连接。导向的长度也是有要求的。过短的话强度不够，影响立柱的正常工作；过长使立柱的行程缩短影响液压支架的最大高度。3.3.2工艺性分析1、大缸

下料、热处理、车直口、装加强套、焊加强套、车倒角及截长短、镗内孔、车架窝、车缸口、钻进液孔、焊成品。加强套加热装至大缸直口。采用两撑装卡工件车工艺15°工艺倒角和焊接倒角。钻进液孔时，内孔孔壁要修光倒圆。焊成品时，焊接倒角、接头座、堵头等都要烘干、除锈，防止出现焊接缺陷。2、中缸

下料、车直口、堆焊、热处理、车架窝、车倒角及截长短、镗内控、车架窝、车缸口、焊缸底、修中心孔、钻进回液孔、半精车外圆及切槽、车底阀孔、磨外圆、包装、电镀。堆焊采用加垫片堆焊方法，精车时垫片全部车掉。热处理时调制硬度为240-280HB。车工艺15°工艺倒角和焊接倒角。采用两撑装卡。镗内控分为一次粗镗、二次粗镗、精镗、