中厚煤层支撑掩护式支架总体设计分析及顶梁设计毕业论文

中厚煤层支撑掩护式支架总体设计分析及顶梁设计毕第1章液压支架的概述1.1.1我国液压支架的发展历史液压支架是中国煤矿综合机械化采煤工作面最主要技术之一，也是综采工作面装备中装备数量最大的产品。自1964年我国第一架液压支架问世，经过几十年的引进技术、消化吸收和自主研发，液压支架在煤炭综采重大装备制造本土化首先取得突破，成效显著。国有些技术如综采放顶煤支架技术处于国际领先水平，大采高液压支架的主要技术参数已接近或达到国际先进水平。国产液压支架以其低廉的价格，同时又以较好的技术性能满足了煤矿用户的基本要求而广受国外煤矿企业的欢迎和信赖。1.1.2我国液压支架今后的发展趋势我国液压支架技术水平与国际上液压支架先进水平相比，与进一步发展我国高产高效矿井的要求相比较，仍有一下几方面的差距：设计理念与设计方法、产品标准、产品可靠性、控制系统技术水平、液压元件技术与工艺。我国今后液压支架需要改进的是：要进一步研究复杂条件下支架与围岩的相互作用机理，支架在复杂地质条件下的力学特征，进一步研究现代设计理论和设计方法在支架设计中的应用；提高支架的强度和耐久性；各类材料的升级换代，同时也要使制造工艺实现全面的技术进步；研究并生产出完全国产中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计化的高可靠性的液压支架液压阀和电液控制系统及液压原件；发展具有电液控制的薄煤层液压支架、6-7米超大采高液压支架，实现无人工作面的全自动化开采。1.2.1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。1.2.2液压支架的用途定义：以液压为动力实现升降、前移等运动，进行顶板支护的设备、负责支护工作面顶板、维护工作面安全工作空间、能自移、能推动刮板输送机以实现工作面前进。用途：支撑和管理顶板隔离采空区实现工作面设备的推进保证操作人员和其他设备的安全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，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。支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-1所示中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计pp1p2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tg；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ta；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。第2章液压支架的架型特点及选型2.1设计要求1液压支架架型选择。2液压支架整体结构设计，包括对顶梁，底座，掩护梁以及四连杆尺寸的确定和设计。3对液压支架结构形式的选择，受力分析，强度设计，其中包括力学模型，受力简图，剪力图，弯矩图，剪力方程，弯矩方程。4专题设计：顶梁。2.2.1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，中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计aa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：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插腿式支架b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，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a．四柱平行支在顶梁上的支架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中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计2.2.2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：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。2.2.3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围很不均匀，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，此种支架能在破碎不稳定顶板下工作。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计图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围图2-8支撑掩护式液压支架支撑力分布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，支架后部有四中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计连杆机构和掩护梁，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2.3液压支架的选型2.3.1液压支架的选型原则液压支架的选型，其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，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10°~15°（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。8．同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。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。2.3.2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:2.5m～3.2m2.3.3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。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计三．稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落。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基本顶级别基本顶级别Ⅰ基本顶来压不明显Ⅱ明显Ⅲ强烈Ⅳ极强烈指标N=3～53～5L=25～50P3～5N≤0.3L＞50PL＞50PN≤0.3L=25～50P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。（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老顶级别类别不稳定中等稳稳定顶坚硬顶板顶板指标定顶板板主要指标参照指标强度指数D1直接顶初次垮落步距l=3.1~7岩层厚度在2～5m以上表中按右式计算：=岩石单向抗拉强度（Mpa）=节理裂隙影响系数；Cz=分层厚度影响系数。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计表2-3节理裂隙间距表节理节理裂隙间距表1表2-4分层厚度表分层厚度分层厚度表2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44别液压支架架型采高采高支护掩护掩掩护掩或护撑撑支撑支撑或或或支掩（采高大于撑支撑343（245）1.3×343支支2.5m）掩掩1.6×295＞2×应结合深孔爆破，软1.6×343295化顶板等措施处理采强度1m441（343）（245）1.6×441＞2×空区/()采539（441）1.3×4411.6×539343高（343）＞2×采（441）＞2×高539采高注:(1)表中括号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。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第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。159878-推移千斤顶；9-立柱；10-机械加长杆3.2.1液压支架的顶梁1．支撑式液压支架的顶梁结构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1适应性2差。323211222245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。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计如图d所示为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接，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，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，但应根据顶板条中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计件来选取。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。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，所以很少采中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计用。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。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。bbaadcdc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。为使底座在一定围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。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，中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计稳定相差，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。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。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。a、b整体式底座；c、d、e对分式底座；f底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。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计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所示图3-10双伸缩立柱动作原理3．机械加长杆的结构原理中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计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。需要增加支架到最大高度时（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、下端半球形发生转动，从而增大了支架的调高围。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，为了保证支架的正常工作，必须采用相应的防滑。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第四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液压支架的高度确定应该根据所采用的煤层的厚度，采区围地质条件的变化等因素来确定，其最大和最小高度为：＋（≤hn-s2-a-σα（4-2）式中：Hm——支架最大高度；Hn——支架最小高度；hm——煤层最大厚度（最大采高hm=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200～300mm；——顶板最大下沉量，一般取100～200mm；——移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm；α——浮矸、浮煤厚度，一般取50mm。根据式4-1可得：根据式4-2可得：Hn≤2500mm所以初步选定：4.1.2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：m（3-3）代入数据得m=1.48。立柱结构可以采用双伸缩双作用液压缸。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b。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。在支架底座长度设计时要考虑以下几方面：中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计1.支架度底座的接触比压要小；2.支架部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置；3.便于人员操纵和行走；4.保证支架的稳定性等。通常，掩护式液压支架的底座长度取移架步距的3.5倍（一个移架步距为0.6m及2.1m左右；支撑掩护式液压支架的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m。4.2.1四连杆机构的作用四连杆机构是支撑掩护式支架最重要的部件之一。其作用概括起来有两个，其一是当支架又高到低变化时，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，从而使支架顶梁的取端点与煤壁间的距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使顶板承受较大的水平力。1．支架高度在最大和最小围变化时，顶梁端点运动最大轨迹的最大宽度E应小于或等于70毫米，最好为30毫米以下。如图4-1所示：2．支架在最高和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角为P和后连杆与低平面的夹角为Q，如图4-1所示，应满足如下要求:支架在最高位置时，P≤52°~ 62°,Q≤75°~85°;支架在最低位置时有利于矸石的下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求tanP〉w,如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3，则P=16.7°。为了安全可靠，最低工作位置应是P≥25°。而Q一般取Q≥25°~30°。3．从图4-1可知，掩护梁与顶梁的饺点e’和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为θ其围要为tgθ<0.35θ图4-1四连杆机构的几何特征4．应取顶端梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段，如图4-1的h段。其原因是当顶板来压时，立柱让压下缩使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，有可以时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，使整个支架产生向顺时针转到的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端底板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底。水平的合力也相应的减小，所以减小了掩护梁的外载荷。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计图4-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构以上可知当知道掩护梁和后连杆的长度后，只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构就可以了，如图4-2所示：4.2.2四连杆机构尺寸设计1确．定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座地面的距离。一般同一类型的支架采用欧冠类比法来确定。在结构允许的条件下，掩护式液压支架尽量取大些，支撑掩护式液压支架尽量取小些。因此，由类比法取铰点至顶梁顶面的距离为280mm，后连杆下铰点至底座地面的距离为500mm（类比支架为中煤北京煤机厂生产的ZZ4400/22/45支撑掩护式液压支架）。2掩．护梁和后连杆距离的确定用。解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图4-3所示。1G22A图4-3掩护梁和后连杆长度的确定设：G——掩护梁的长度；A——后连杆的长度；L2——e’点引垂线到后连杆下铰点的距离；H1——支架最高位置时的计算高度；H2——支架最低位置时的计算高度。从几何关系出发可以列出如下公式：联立两式可得：（4-5）中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计按四连杆机构几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q2代入式4-5可以求得的比值，由于支架形式不同，一般的比值按以下围来取。掩护式液压支架：=0.45～0.61支撑掩护式液压支架：=0.61～0.82支架最高位置时的计算高度为：H1=GsinP1+AsinQ1(4-6)根据的比值和式4-6可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A，经过取整后计算出P1、P2、Q1、Q2的角度，确定这几个参数。由已知参数计算：H1=Hm-280-500=3400-2H2=Hn-280-500=2300-2设定：由式4-5可得：将H1、P1、Q1、A=0.7G代入式4-6可得：A=0.7G=1336.5mm对G、A进行圆整，取：3．几何作图作图过程。用几何做图法确定四连杆机构的各部分尺寸，具体作图如图4-4所示。作图步骤如下：Fe'Fp1e''e'''bH1cHb''ab'''a'b''a''b''QαHQ1do图4-4采用几何作图法设计的四连杆机构1)确定支架后连杆下铰点O点的位置，与中煤北京煤机厂生产的ZZ4400/22/45类比确定该距离为500mm。2)过O点作于底座地面平行的水平线H-H线。3)过O点作与H-H线夹角为Q1的斜线。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计4)在此斜线上截取线段oa,oa长度等于A（1350mma点即为后连杆与掩护梁的铰点。5)过a点作与H-H线有夹角α1（即P1=50°)的斜线，以a点为圆心，以G（1950mm）为半径作圆弧交此斜线于一点e‘，此点为掩护梁与顶梁的铰点。H1（设计要求为2620mm，实际作图得2663mm），为液压支架最高位置时的计算高度。7)以a为圆心，以0.25G（480mm）长度为半径作弧（理论要求G取0.22～0.3之间在掩护梁上交与一点b，为前连杆上铰点的位置。图4-5几何作图法设计四连杆机构个位置相关尺寸8)过e’点作F-F线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，e’带你在辞职线上滑动）。9)在垂线上作液压支架在最低位置时（距H-H1520mm），顶梁与掩护梁的铰点e’’’。10)取e’e’’’线中间某点e’’，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端活动轨迹的形状、变化宽度等）。11)以O点为圆心，Oa（1350mm）为半径作弧。径作弧，交与前面圆弧上一点a’，此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。13)以e’’’为圆心，掩护梁长ae’为半径作弧，交与最前面圆弧上一点a’’，此点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。14)连接e’’a’、e’’’a’’，并以a’点位圆心，ab长为半径作圆弧，交a’’e’’’上于b’点；以a’’点位圆心，ab长为半径作弧，交与a’’e’’’上于b’’点。则b、b’、b’’三点为液压支架三个位置时，前连杆上的铰点。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计15)连接a’O、a’’O，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。16)分别作bb’和b’b’’的垂直平分线，其交点c即为前连杆下铰点，bc为前连杆长度（作图后测得长度为1717mm）。17)过c点向H-H作垂线，交与点d，则线段Oa、ab、bc、cd和dO为液压支架四连杆机构（cd长度为380mm）。第5章液压支架顶梁设计5.1.1工作方式对支架顶梁长度的影响支架的工作方式对顶梁长度影响很大，如图5-1所示的工作方式：图5-1支架工作方式比较从图5-1可以看出先移架后推溜的方式（又称及时防护措施）要求有较大长度；先推溜后移架的方式（有称滞后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推移的方式时支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护。所以前一个要比后一个步距多一个（一般为600毫米）。设计中采用及时支护方式。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计5.1.2配套尺寸对顶梁的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接关系，为了防止采煤机想部倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时不一定把煤壁割成一个垂直面，所以我在设计时顶梁前端距煤壁最小距离为300毫米，这个距离叫做空顶距。另外在输送机铲煤板前也要留有一定距离。一般为130~150毫米。也是为防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此之外所有配套设备均要在顶梁掩护下工作。以此来计算顶梁长度。5.1.3长度的计算掩护式与支撑掩护式顶梁长度的计算公式为顶梁长度=配(套尺寸+底座长度+AcosQ1)-（GcosP1+300+e）+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距式中：底座长度—底座前端至后连杆下铰点之距；e—支架又高到低顶梁前端点最大变化距离；Q1、P1—支架在最高位置时，分别为后连杆与掩护梁与水平面的夹角。采煤机选用MLS3-170型；输送机采用DGWD-180型；配套尺寸为底座长度=2500mm，e=30mm，掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距其它参数可从上述中得：顶梁长度=(1972+2500+1350cos60。)-（1950cos50。+3综上所述圆整得到顶梁长度=3700mm.5.1.4顶梁其它有关尺寸的确定采用类比法，确定顶梁上立柱柱窝位置，底座上立柱柱窝位置，进而确定支架结构尺寸如图5-2所示中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计5.2.1支护面积的确定Fc=bc(Lg+Δ)（5-1）式中：Fc-支护面积，；bc-顶梁宽度，；Lg-定量长度，；Δ-移架后顶梁前端到煤壁的距离，一般取Δ=0.3+e，m。所以Fc=1.5×（3.7＋0.336.45m25.2.2支护强度计算-支架最大采高Hm时支架支护强度，KN/-在表（2-5）中低于Hm有与之相近的支护强度KN/-在表（2-5）中高于Hm有与之相近的支护强度KN/-对应的采高；Hq2-对应的采高；r2;;将数值代入式5-2计算可得：支护强度=611.52KN/从而可得顶梁的支撑阻力：5.2.3立柱的技术参数泵站额定工作压力及立柱初撑力确定立柱缸体径计算公式：式中：Da—立柱缸体径，cm；—支架承受的理论支护阻力，kN；la—每架支架立柱数，支撑掩护式液压支架立柱数为4柱；pa—安全阀调整压力，MPa，按产品样本选取(或参考同类支架选取)。其中，YF1B型=40MPa；YF2B型=30~60MPa；en—立柱最大倾角(5°)，(支架降到最低工作位置时，en角最大)。将各数值代入公式5-3得立柱缸径为：表5-1径标准单位：mm查表5-1，选取立柱缸体径Da为180mm。表5-2立柱缸径缸、活塞柱径配合关系表中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计外缸径/mm活塞外径/mm工作阻力/KN额定工作压力查表5-2选取配合尺寸为：外缸径180mm，活柱外径170mm，工作阻力1372kN，额定工作压56.1MPa。选用国生产的XRB2B型乳化液泵站，额定工作压力为35MPa。取泵站额定工作压力(MPa)减去从泵站到支架沿程压力损失后的值得立柱初撑力为：5.2.4安全阀压力和立柱工作压力安全阀选用YF1B型调正压力=40MPa。立柱的工作阻力P2按下式计算：将=180mm，=40MPa代入式5-5得：5.3.1液压支架的支护性能及外载荷在采煤工作面液压支架支护顶板。如图5-3所示，当煤层被采动之后，顶板有压力显现。作用在液压支架上的载荷大体分为两部分：其一是直接顶形成的压力Q1；其二是老顶形成的压力Q2。如果直接顶比较完整，在工作面煤壁上方的直接顶呈悬臂状态，则Q1由工作面煤壁和支架共同承受。若直接顶很破碎，在工作面煤壁上方的直接顶已经断裂，则Q1由支架单独承受，位于直接顶上方的老顶通常不与直接顶一起冒落。当直接顶在支架顶梁之后冒落时，老顶呈悬臂状态。由老顶形成的悬臂一段支撑在直接顶垮落后的矸石上，另一端则支撑在支架和煤壁上方的直接顶上，并形成载荷Q2，随着煤壁的推进，老顶悬露部分加长，Q2在增加，当老顶悬露达到一定长度后，其自重使其断裂，于是老顶悬露长度变短，Q2降到最小值，在采煤工作面连续开采过程中，工作面不断前移，Q2由小变大，再有大变小，这样周而复始的变化，Q2每次递增至老顶断裂称为老顶周期来压。QQ中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计图5-3支撑式液压支架在中硬以上稳定顶板条件下的受力情况液压支架的结构和液压系统必须保证液压支架具有完全适应顶板变化的性能。采煤机采过一个截深之后，支架前移一个步距，支护性暴露出来的顶板，此时，顶板尚无下沉现象，支架以初撑力支撑顶板。此后，顶板开始破碎下沉或断裂，支架承载加大，直至立柱下腔压力达到安全阀调定值，安全阀释放，立柱下缩。此现象为液压支架的“让压”现象。此时立柱以“工作阻力”支护顶板。随着顶板压力不断加大，立柱就不断“让压”下缩。为避免立柱完全缩回，支架出现压死现象，采煤工作面的生产循环应保证在压死前就移架。由上述液压支架工作状态可知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架顶梁与顶板有相对滑动现象，支架不仅受垂直于顶梁的力，还承受平行于顶梁的力。为了设计方便，要对支架的载荷和支架本身进行简化，先概述如下：1．把支架简化成一个平面杆系结构，为了偏于安全，计算时把外载荷视为集中载荷。2．金属结构件按直梁理论计算。3．顶梁、底座与顶板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿宽度方向均匀分布。4．通过分析和计算可知，掩护梁顶矸石的作用力只能使液压支架的实际支护阻力降低。所以，在进行强度计算时忽略不计，使掩护梁偏于安全。5．立柱和短柱按最大工作阻力计算。6．产生作用在顶梁的水平力的情况有两种，一是由于支架让压回缩，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只想采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数W一般取0.15～0.3。7．按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。8．各结构件的强度校核，除按理论支护强度校核危险断面外，还要按原煤炭部标准MT86-84《液压支架型式试验技术规》的各种加载方式以液压支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10%的超载试验，将由安全系数来保证强度5.3.2顶梁受力分析支撑掩护式液压支架整体受力如图5-4所示1nEQ\*jc3\*hps42\o\al(\s\up13(α),m)1图5-4支撑掩护式液压支架整体受力中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计取顶梁为分离体进行受力分析，如图5-5所示ynn2a2注：图中a点为顶梁与掩护梁的铰接点顶梁受力分析的目标是求出图5-5中的四个未知量Fn、X。以图5-5中a点取距,可写出F1作用点的位置X的表达式:F1式中：Fn—顶梁所受的集中力，KN；W—顶梁顶板摩擦系数，W=0.3；Pa—前排立柱的合力，Pa=2034.72KN；Pb—后排立柱的合力，Pb=2034.72KN；L2—前立柱柱窝与a点的水平距离，L2=1510mm：L3—后立柱柱窝与a点的水平距离，L3=310mm：h1、h’1—前后立柱柱窝与顶梁上表面的距离，h1=h’1=215mm；h2—a点与顶梁上表面的距离，h2=280mm；α1、α2—前后立柱与垂直平面的夹角，α1=α2=5°;取掩护梁分离体做受力分析，建立补充方程，受力分析如图5-6所示aaO图中O点为前、后连杆的运动瞬心，通过对O点取距，建立平衡方程：EM,(P)=0;（5-9）F’ax=F’ax（5-10）F’ay=F’ay（5-11）式中：L4—a点与运动瞬心O点的水平距离，L4=130mm；h3—a点与运动瞬心O点的水平距离，h3=2046mm。将已知数值代入式5-6、5-7并化简可得：中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计（5-13）联立式5-12、5-13可得：→将已知数值代入式5-8并化解可得：将、、、的数值代入式5-15可得：在把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。由于顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为了计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分布。设顶梁长为Lg，顶板的集中载荷为F1，其作用点距顶梁一端为x。则x≤时，载荷分布为三角形。如图5-7（a）所示。xxq2q2g顶梁前端比压q2为0，顶梁后端比压q3为：当，载荷呈梯形分布，如图5-7（b）所示。顶梁前端比压为：（5-17）顶梁后端比压为：由于x=0.975m小于3（3.7/3=1.23m）所以载荷分布为三角形。将1=4142.8kN将1=4142.8kN，m=1.5m，=0.975m代入式5-16得顶梁后端比压3为：中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计5.3.4实际支护强度支架的结构设计结束后，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。支撑是液压支架随支架支撑高度不同，其支护面积和工作阻力不变，故其支护强度不变。而掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架，由于支架的工作阻力因支架支撑高度不同而异故，支护强度也因支架支撑高度变化而变化。计算结果要与理论要求支护强度（即5.2.2提及的支护强度）计算结果比较，误差应在±5%之间。5.3.5支护效率整台液压支架的工作阻力是由立柱工作阻力产生的。对于掩护式和支撑掩护式液压支架而言，两者并不相等。用支护效率来评价立柱工作阻力转化为支架工作阻力的有效程度，支护效率η按下式计算：式中：其中:P—支架的名义工作阻力，KN；η—支护效率将以上数据代入式5-20得：η值与液压支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，η值过大或过小都不好。由于支架的工作阻力F1由立柱工作阻力之和的垂直分力及掩护梁和前、后连杆来承担，而立柱的工作阻力之和不变，当η值过大时，说明掩护梁和前、后连杆承受载荷增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当η值过小时，说明立柱工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段，支撑掩护式支架由于立柱倾角较小，η值应在95%～105%之间；支撑式支架由于立柱倾角较大，η值应大于90%以上；支撑式支架由于立柱垂直布置又无四连杆机构，所以η值为100%。5.4强度校核按理论支护阻力在顶梁最危险断面处，对顶梁进行强度校核。5.4.1液压支架强度设计的强度条件在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度汁算是极为必要的。前面数章的容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方法。但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及大致形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应调整。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计1.强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数。2.结构钢、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件如下：1)各机构件通常采用15CrMo等普通低碳合金结构钢，并由具体标准厚度的钢板焊接而成，取=459MPa。2)主要销轴均采用CrMo等合金结构钢，取=561MPa。3)活塞杆均采用45号钢，取屈服极限=367.2MPa。4)结构件、销轴和活塞杆的强度条件为—危险断面计算出的最大应力，MPa；[n]—许用安全系数。3.缸体材料采用27SiMn无缝钢管，取抗拉强度=1020MPa，强度条件为式中[c]—缸体许用应力，MPa；[n]—许用安全系数，取3.5～4。4.焊条抗拉强度取MPa，其强度条件为式中—计算出的焊缝许用应力；5.许用挤压应力按下式计算：s6.许用安全系数，如表5-3所示。数n安n前梁后连杆底座主要轴顶梁缸体掩护梁焊缝前连杆活塞杆表5-3支架安全系数注：1.顶梁、底座的许用安全系数为1.1，主要考虑加载时加载力为工作阻力的1.1倍，掩护梁、连杆轴等不能进行加载强度校核，为偏于安全取1.3（如果能精确计算，如有抗扭计算、有限元计算等，许用安全系数可以减小，这个问题有待研究决定）。2.如果各结构件计算出来的许用安全系数偏大，可按标准厚度钢材减薄，或减少加强筋板高度，以减轻支架重量，降低成本。根据计算表明，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情况酌情处理。5.4.2顶梁承受的剪力和弯矩确定计算顶梁承受的剪力和弯矩的数值是进行顶梁强度校核的前提，是顶梁设计中不可缺少的重要部分。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计顶梁剪力和弯矩计算的具体步骤为：将顶梁上的具体受理情况向顶梁顶面简化，计算顶梁上的剪力和计算顶梁上的弯矩，绘制顶梁剪力图和弯矩图，如图5-8所示。y2aaDDAQ图5-8顶梁受力图、剪力图及弯矩图中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计1．根据顶梁的的具体受外力情况，将个点的力简化到顶梁的上表面，如图5-8a和图5-8b所示。计算中使用的数据如下：L1=0.535m;LZ=8.66sm;;=z=5";具体计算过程如下：B点的力：;D点的力和附加力矩：;2．绘制剪力图、弯矩图1）确定约束力根据5.3.2节顶梁受力分析所计算出的数据向顶梁上表面简化的计算中，我们可以得到顶梁在A、D两点约束力，如图5-8b所示。2）建立坐标系建立FQ1和坐标系，如图5-8a和5-8b所示。3）确定控制面及控制面上的剪力和弯矩在集中力和集中力偶作用处（B点和C点）的两侧截面以及假设制作反力点（A点和D点）侧截面均为控制面。应用截面法和平衡方程，求得这些控制面上的建立和弯矩值分别为A右截面：,M=3&,13KNImB左截面：,M=1123.58KNImB右截面：,M=1123.58KNImC左截面：,M=1282.33KWImC右截面：,M=1320.46KNImD左截面：,M=1348KNIm4）分段建立剪力方程和弯矩方程剪力方程：从A右有截面到B左截面之间任选一截面，并假设其位置坐标为x,假设这一截面上的剪力为正方向，于是有左边部分的平衡，可以写出这一段的剪力方程：,从B右截面到C左截面，在这两个截面之间任选一截面，并假设其位置坐标为x,假设这一截面上的剪力为正方向，于是有左边部分的平衡。从C右截面到D左截面，在这两个截面之间任选一截面，并假设其位置坐标为x,假设这一截面上的剪力为正方向，于是有左边部分的平衡。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计从A右有截面到B左截面之间任选一截面，并假设其位置坐标为x,假设这一截面上的弯矩为正方向，根据左边部分的力矩平衡条件，可以写出这一段的剪力方程：M(⃞=FYYX十3B.13ENIm(0＜x≤0.535m)从B右有截面到C左截面之间任选一截面，并假设其位置坐标为x,假设这一截面上的弯矩为正方向，根据左边部分的力矩平衡条件。从C右有截面到D左截面之间任选一截面，并假设其位置坐标为x,假设这一截面上的弯矩为正方向，根据左边部分的力矩平衡条件，可以写出这一段的剪力方程：,5）根据剪力方程和弯矩方程在控制面间连图线根据剪力方程和弯矩方程在剪力图和弯矩图上作出完整的剪力图和弯矩图，如图5-8c、d所示。从图中可以得到剪力和弯矩的绝对值的最大值(BC段)B截面）5.4.3顶梁强度校核由5.2.2节的计算可以得出顶梁上承受的最大剪力和最大弯矩及其位置，下面进行顶梁强度校核，取顶梁在B点的横截面，顶梁全部采用20mm厚的16Mn钢板焊接而成,顶梁柱间距和筋板间尺寸参照图5-9和表5-10中的方案4确定，具体尺寸如图5-10所示。整个顶梁断面由4种不同断面钢板组成，分别编号如图5-10所示。钢材参数见表5-5所示。d1B7BdAB7BC2BB88ab表5-4顶梁柱间距和筋板配置推荐尺寸mm参数d中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计D≤320D≤280适用条件D——立柱缸径Ds——推移液压缸缸径D≤250D≤200D≤200ooz1．顶梁形心坐标的计算设、5c为形心坐标，有如下公式：取顶梁上表面中心（如图5-9所示O点）作为坐标原点计算形心位置，由于顶梁断面左右对称，只需计算顶梁z轴的位置。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计表5-5顶梁钢材参数钢材直径牌号或厚度mm>16～251>25～36>36～50≥510~470~特性及应用举例产量最大，应用广泛的，综合机械性能良好，低温冲击韧性、冷冲压和切削加工性能好，焊接性亦佳，比Q235钢的性能要优越，但缺口敏感性比 Q235钢要明显，如有缺口存在时，疲劳强度较Q235低，且易发生裂纹，正火可以提高钢的塑性，冲击韧性，冷压成型性能，但其强度略有下降，一般在热轧或正火状态下使用，广泛用于制造受动载荷的各种焊接钢结构，如桥梁、车辆、船舶、管道、锅炉、大型容器、油缸、重型机械设备、矿山机械、电站、厂房结构、-40︒以下的低温压力容器，桥梁等结构件，还可制作渗碳零件注：取自《机械零件设计手册》第三版，ISBN7-5024-1324-32．断面关于z轴的惯性矩计算由公式5-29分别计算各部分对z轴的惯性矩：3．计算断面上的最大拉应力和最大压应力由图5-9所示，可以确定最大拉应力作用点和最大压应力作用点到中性轴的距离分别为：弯矩计算公式如下uymaxT+=(MyzyymaxT+)fHYZ(拉)（5-30）uymaxT=(⃞yzyymaxTi),lyz(压)（5-31）应用公式5-30、5-31，将M的单位化为KN.m；的单位化为；和的单位化为m，将已知数值代入公式，得到：4．安全系数校核查表5-3和表5-4可知顶梁许用安全系数[n]=1.1，20mm厚的16Mn钢板中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计s计算顶梁安全系数为：＞[n]s由以上计算可知顶梁强度满足使用要求。结束语采用液压支架对开采工作面的顶板进行支护是综合机械化采煤的一个必要条件，而综合机械化采煤又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。因此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。此次以支撑掩护式液压支架为题毕业设计是我们走上工作岗位前的最后又一次练兵，为我们能顺利进入工作状态奠定了基础。我们作为即将毕业的机械制造及其自动化大学生，未来生产行业的技术人员，设计和生产出高技术含量、高安全系数的机械产品是我们的责任。通过此次对支撑掩护式液压支架的设计，使我对液压支架的结构和工作原理及其它相关理论有了一个很深刻的认识。在这段时间里，通过对液压支架的选型设计，总体设计，受力分析，强度校核等工作，综合运用了大学期间所学到的知识并学到了很多新的知识，使我深刻认识到了知识积累的重要性。开始对液压支架等相关技术很不了解的状态，也不能有效地把所学过的只是综合应用，通过查看相关的资料书籍和老师指导，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，又通过实习进一步了解了液压支架，为顺利的设计奠定基础。支撑掩护式液压支架设计即将结束。几个月来，从开始接到论文题目到参数计算、作图，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的项目。虽然我的论文不是很成熟，还有很多不足之处，但这里面的每一个图、每一个数，都有我辛勤汗水的结晶。使我感觉到了知识充实带来的快乐。中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做研究是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。希望这次的经历能让我在以后学习和工作得到更大的进步。[1]鲁忠良,景国勋,肖亚宁主编.液压支架设计使用按却辨析.北京：煤炭工业，2006.8[2]济荣主编.液压传动与采掘机械.：中国矿业大学，2008.4.[3]炳文,王启广编著.矿山机械.：中国矿业大学，2007.1.[4]王星亮主编.煤矿机械化开采.北京：化学工业，2008.2.[5]程居山主编.矿山机械.：中国矿业大学，2005.8[6]东北大学《机械零件设计手册》编写组主编.机械零件设计手册.北京：冶金工业，1994.4.附录一（英文）strengthsocketmaterial30Cr06,usedinhighperTheoreticalcalculations,mechanicalpropertytestsandhardnessgood.Therefore,thisthesocketofhighperfor中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计forhydraulicsupportwithgreatworkingresistanceandhighreliabilitykeepsincreasinweight,requireshighcomprehensivemechanicalpropertiesandweldinganddevelopedanewtypeofhighstrengconsiderablyenhancedanditscomprehend-dsivemechaniial)[1].Socketaccessoriesareconngirderbyweldssothatitdemandssockeability.Amechanicalperformancetest,ahard-nessdistributiontestandametallographicstructuralanalysisoftheheataffectedzonandourresearchachievementshavebeenhydrogenandreducestheconTheamountsofalloyshavedifferenteffectsonthecapabilitstructureafterprocessing.Accordiamountsofthefiveelemenbythedesign.FromproductionTable1Compositionof30Cr06Acomparedwith30Cr06(%)中厚煤层支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计SiCCrMoSiCCrMoNiMn0.24-0.2-0.24-0.2-00.5-00.5-0.880.24-0.3-00.24-0.3-00.5-00.5-0.0.2-0.0.2-0.475475Fromanorthogonalexperiment,theoptimaldesiwasfound.Weexperimentedwithfdesignedtocarry