说明书-ZY2000-07-14薄煤层液压支架设计.docx
ZY2000-07-14薄煤层液压支架设计含3张CAD图
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ZY2000/07/14液压支架设计摘 要随着煤矿综采机械化程度的大幅度提高及超强度开采，原煤田中开采条件较好的煤层逐渐枯竭，薄煤层综合机械化开采成为一个研究的重要课题。本论文以淄博矿集团埠村煤矿0.71.1米范围内的薄煤层综采为研究对象，分析了较薄煤层的综合机械化开采工艺，同时对配套使用的液压支架进行了研究。在薄煤层的综合机械化配套设备中，分析了配套使用的采煤机、刮板运输机、液压支架的特点，以及采煤区的地质条件，提出了液压支架的选型原则和方法，完成了适合淄矿集团埠村煤矿的液压支架的选型和相关参数的计算，其设计过程主要包括以下问题：液压支架的总体设计、主要零部件的设计和校核、液压系统的设计、液压支架配套设备的选型。此外本论文还附有下列图纸：液压支架装配图、掩护梁结构图、液压系统图。薄煤层液压支架的成功与成熟对于提高薄煤层采煤效率、节约国家煤炭资源将会有重要意义。关键词：薄煤层；综采机械化；液压支架；装配图Hydraulic Support DesignAbstractWith the increasement of coal mine comprehensive mechanization level substantial and excessive mining, the coal seam of better field condition is gradually drying up is the field of raw coal. It becomes a great research task for the thin coal seam to be mined by comprehensive mechanization.This thesis is adopted comprehensively for the research object with the thin coal seam in range of 0.71.1 meters of colliery of Bu village of Zibo ore group, It is analyzed that the synthesis of the thinner coal seam exploits the craft mechanizedly, The hydraulic support that used carried on research to forming a complete set at the same time. In the comprehensive mechanized corollary equipment of the thin coal seam, Have analyzed and formed a complete set the characteristics of coal mining machine, scratch board conveyor, hydraulic support used, And the geological condition of the bank, Have proposed selecting type principle and method of the hydraulic support, Have finished suiting the selecting type of the hydraulic support of the colliery of port village of black ore group and calculation of relevant parameters, Its design process mainly includes the following questions: Overall design of the hydraulic support, Design and check of the main spare part, Hydraulic and systematic design, Selecting type of the corollary equipment of the hydraulic support. In addition this thesis also encloses the following drawings: Installation diagram of hydraulic support, Shield the structure chart of roof beam, Hydraulic systematic picture.Thin coal seam hydraulic success and ripe for improve thin coal seam exploit mechanized improving efficiency of mining, saving national coals resources will have important meanings.Keywords: Thin Coal Seam; Adopt and Mechanize Comprehensively; Hydraulic Support; Installation Diagra.目录1 绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 液压支架的国内外发展状况11.3 液压支架的用途21.4 液压支架的工作原理21.4.1 支架升降21.4.2 支架推移31.4.3 支架承载过程31.5 液压支架的类型和结构51.5.1 支撑式支架51.5.2 掩护式支架51.5.3 支撑掩护式支架61.6 对液压支架的基本要求61.7 设计液压支架必需的基本参数7(1) 顶板条件7(2) 最大和最小采高7(3) 瓦斯等级7(4) 底板岩性及小时涌水量7(5) 工作面煤壁条件7(6) 煤层倾角7(7) 井筒罐笼尺寸7(8) 配套尺寸72 液压支架的架型设计102.1 原始数据102.2 液压支架的架型选择102.2.1 影响架型选择的因素102.2.2 支架架型的确定113 液压支架的总体设计133.1 液压支架主要参数的确定133.1.1 支护强度和工作阻力133.1.2 初撑力153.1.3 移架力和推溜力153.2 支架高度、中心距和底座长度的确定153.2.1 支架高度153.2.2 支架伸缩比163.2.3 支架中心距163.2.4 底座长度163.2.5 底座宽度173.3 四连杆机构的设计173.3.1 四连杆机构的作用173.3.2 四连杆机构的几何特征173.3.3 四连杆机构各部件尺寸的计算183.3.4 四连杆机构的约束条件223.4 顶梁长度的确定233.4.1 支架工作方式对顶梁长度的影响233.4.2 配套尺寸对顶梁长度的影响233.4.3 顶梁长度计算243.5 立柱和千斤顶位置的确定253.5.1 立柱布置253.5.2 立柱柱窝位置的确定253.5.3 平衡千斤顶位置的确定283.5.4 侧推千斤顶位置的布置314 液压支架受力分析324.1 液压支架的支护性能和外载荷324.2 液压支架基本技术参数的确定324.2.1 支护面积324.2.2 支护强度334.2.3 确定立柱的技术参数334.2.4 立柱的初撑力与泵站额定工作压力364.2.5 安全阀压力与立柱工作阻力的确定434.2.6 千斤顶技术参数的确定424.3 支架受力分析与计算9454.4 顶梁载荷分布494.5 支护强度计算504.6 底座接触比压计算514.7 支护效率534.8 支架受力的影响因素544.8.1 支护高度对支架受力的影响544.8.2 摩擦系数对支架受力的影响544.8.3 平衡千斤顶的推拉力对支架受力的影响544.8.4 矸石作用力对支架顶梁受力的影响544.8.6 摩擦力方向对支架受力的影响555 液压支架的强度校核585.1 强度条件585.2 强度校核595.2.1 顶梁强度校核595.2.2 掩护梁强度校核635.2.3 底座强度校核655.2.4 立柱校核686 液压系统的设计766.1 液压系统的作用和特点766.1.1 液压系统的作用766.1.2 液压系统的特点766.1.3 液压传动装置的基本要求766.2 液压系统的拟定776.2.1 主管路776.2.2 液压支架的控制方式776.2.3 支架液路及其各千斤顶工作过程777 结论817.1 技术经济分析817.2 总结817.3 展望82参考文献83致 谢85 1 绪论1.1 课题的研究背景和意义在我国煤矿中，较薄煤层的储量占可采储量比例较大，为保证煤炭工业的可持续性发展，薄煤层的开采是急需解决的问题。综合机械化采煤装备的关键设备是液压支架，其功用是有效地支撑和控制工作面顶板，保证工人操作和机器运转所必须的安全工作空间，随着工作面推进而实现推移工序的机械化，并提供足够的通风断面。液压支架设计的合理与否直接关系到工作面的产量和其他各项经济技术指标，对改善工作面劳动条件、减轻工人体力劳动、确保安全生产有很大影响。为了有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。1.2 液压支架的国内外发展状况近几年来，我国液压支架的研制从学步到自主开发以取得了很大的成绩。首先，从架型上逐步淘汰了初期的垛式和节式支架，重点发展和推广掩护式和支撑掩护式支架，并根据我国煤矿赋存条件和特点，除了开发缓倾斜中厚煤层之外，还大大拓宽了液压支架的使用范围。其次，经过这几年的不断努力，液压支架的设计，制造水平也在不断提高，特别是在中厚煤层的液压支架方面积累了丰富的经验，其结构形式已趋于成熟。除此之外，放顶煤支架的研制成功和放顶煤技术的突破是我国综合机械化发展历史上具有重要意义的贡献。今后10年里，我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快和电液控制阀的方向发展。80年代以来，国外主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产的方向做努力，积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制，大力在井下提高机械化和自动化程度，主要面向工作阻力大、支护强度高、可靠性高、支架架型结构简单、适应性强、便于实现自动化控制的方向发展。目前世界先进国家的液压支架已广泛采用电液控制系统。虽然我国液压支架已有很大的发展，但总体水平与世界先进国家相比仍有一定差距。在支架架型功能上与先进国家产品相差无几，但在控制元件和控制系统方面却有很大差距。1.3 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作业正常进行，必须对顶板进行支护。而回采工作面使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支柱和自移式液压支架。他们与采煤机和工作面输送机分别组成“普采”、“高档普采”、和“综采”设备。 由于使用金属摩擦支柱劳动强度大、安全性差、工作面产量低，现已很少使用。而单体液压支柱是使用高压液体进行升柱和支撑，减轻了工人的劳动强度，增加了工作面的安全性，工作面的产量和效率有了一定的提高，但由于单体液压支柱支撤和移动仍靠人工进行操作，所以劳动强度仍然较大，安全性仍然较差，工作面的产量和效率的提高受到限制。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支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序，因而大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度，有效地增加了劳动安全性。液压支架的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动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。1.4 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图1.1所示。1.4.1 支架升降当操作阀8处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。图1.1 液压支架工作原理1顶梁；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；11主供液管；12主回液管1.4.2 支架推移支架的前移和推移输送机是通过操纵阀7和推移千斤顶4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。1.4.3 支架承载过程 支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。(1) 初撑阶段在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。 (2) 承载增阻阶段支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。(3) 恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图1.2所示，曲线上的、分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。图1.2 支架工作特性曲线上述工作过程表明：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效的支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性决定于立柱、液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件。通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，通常单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即 , (1.1)式中 支架的支护面积，。1.5 液压支架的类型和结构液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型1。1.5.1 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和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机联接并互为支点整体前移。节式支架由23个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用与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4左右；立拄多，一般46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。1.5.2 掩护式支架掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，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于顶梁或直接作用于顶梁上。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3.0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，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和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。1.5.3 支撑掩护式支架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，可适用于各种顶底板条件。支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：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。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，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。1.6 对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，以便有效地控制顶板，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100左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100150，中厚煤层一般为150 250，厚煤层一般为250 400。(3) 防矸性能要好。(4) 排矸性能要好。(5) 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有毒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) 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定植。(9) 要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。(10) 在满足强度条件下，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。1.7 设计液压支架必需的基本参数(1) 顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对液压支架进行选型。(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，按保安规程规定，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底板比压。(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，决定是否选用防倒防滑装置。(7) 井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，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。922 液压支架的架型设计2.1 原始数据煤层厚度：；煤层倾角：；顶底板性质：老顶级、直接顶2级，底板平整，无影响支架通过的断层；抗压强度：10；瓦斯等级：1级。2.2 液压支架的架型选择正确选择液压支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素。液压支架架型的选样，主要取决于液压支架的力学特性能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。2.2.1 影响架型选择的因素(1) 煤层厚度煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层厚度大于2.52.8(软煤取下限，硬煤取上限)时，应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。(2) 煤层倾角煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑等现象。当煤层倾角大于1015时，应设防滑和调架装置，当倾角超过18时，应同时具有防滑防倒装置。(3) 底板性质底板承受支架的全部载荷，对支架的底板影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其植要小于底板的允许比压(对于砂岩底板，允许比压为1.962.16，软底板为0.98左右)。表2.1 支架架型的选择老顶级别直接顶类别12312312344支架类型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑式支撑式支撑掩护式支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑式采高小于2.5时支撑掩护式采高大于2.5时支架支护强度采高10.2941.30.2941.60.29420.294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区20.343（0.245）1.30.343（0.245）1.60.34320.34330.441（0.343）1.30.441（0.343）1.60.44120.44140.539（0.441）1.30.539（0.441）1.60.53920.539注：括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，可根据本矿情况允许有%的波动范围。表中1.3、1.6、2分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶只给出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。 (4) 瓦斯涌出量对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。(5) 地质构造地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在58和20以下时，暂不宜采用液压支架。(6) 设备成本在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。2.2.2 支架架型的确定按表2.1根据老顶级别和直接顶类别来确定支架的架型。由老顶级、直接顶2级，查表1.1可得选用掩护式液压支架。3 液压支架的总体设计3.1 液压支架主要参数的确定3.1.1 支护强度和工作阻力支护强度取决于顶板性质和煤层厚度，根据表2.1可确定支护强度的大小。除此，支护强度也可根据下列方法来求得2：(1) 估算支护强度： 根据下面公式可以估算液压支架的支护强度。， (3.1)式中 作用于支架上的顶板岩石系数，一般取58。顶板条件好、周期来压不明显时取下限，否则取上限； 采高，； 顶板岩石密度，一般取。表3.1 周期来压3 老顶级别老顶来压不明显明 显强 烈极强烈表3.2顶板条件直接顶类别稳定性不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板根据原始数据老顶级，直接顶2级，分别查表3.1、3.2可知周期来压不明显，顶板中等稳定。因此，取值为7。将=1.1，=代入公式3.1得：=71.1=0.1771此外，根据倍数岩重法可以比较精确的确定支护强度，公式如下： ， (3.2)根据煤矿顶板稳定条件，取= 9；为采高，取1.2；为岩石密度，取27，代入公式3.2得：支架工作阻力应满足顶板支护强度的要求，即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定。， (3.3)式中 支架的支护面积，。可按下式计算 ， (3.4)式中 支架顶梁长度, ； 梁端距，； 支架顶梁宽度，； 架间距，； 支架中心距，。根据有关资料，取=3050；=0.32；=1.5代入公式3.4得：将、代入公式3.3得：对于掩护式和支撑式支架，由于受到立柱倾角的影响，支架的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阻力的比值，称为支架的支撑效率。所以支架立柱的总工作阻力为： , (3.5)支撑掩护式和掩护式支架取=80%左右。将代入公式3.5得：3.1.2 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。较大的初撑力可以使支架较快地达到达到工作阻力，防止顶板过早的离层，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%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75%。根据分析得初撑力为：3.1.3 移架力和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100150；中厚煤层支架为150300；厚煤层支架为300400。推溜力一般为100150。3.2 支架高度、中心距和底座长度的确定3.2.1 支架高度支架高度的确定，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4。支架最大结构高度：， (3.6)支架最小结构高度， (3.7)式中 煤层最大、最小采高，； 伪顶冒落的最大厚度，一般取0.20.3； 顶板周期来压时的最大下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底座下的浮矸、浮煤厚度之和，一般取0.250.35。确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度。将=1.1；=0.25；=0.7；=0.25分别代入公式3.6、3.7得：= 1.1 + 0.25 = 1.35； = 0.70.25 = 0.453.2.2 支架伸缩比支架的伸缩比指最大和最小支架高度之比值，即： (3.8)值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚度变化的能力越强。采用单伸缩立柱，值一般为1.6左右。若进一步提高伸缩比，需采用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱，其值一般为2.5左右。薄煤层支架可达3。计算值为：3.2.3 支架中心距我国规定支架标准中心距为1.5。3.2.4 底座长度底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的部件，在设计支架的底座长度时，应考虑如下方面：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。通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍移架步距(一个移架步距为0.6)，即2.1左右；支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4左右。3.2.5 底座宽度支架底座宽度一般为1.11.2。为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架可加大到1.3左右，放顶煤支架为1.31.4。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300380。3.3 四连杆机构的设计3.3.1 四连杆机构的作用四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一。其作用概括起来主要有两个，其一是当支架有高到低变化时，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，从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使支架受力状态最佳，结构上既满足工作空间要求，又能承受足够的纵向、横向力及扭矩，能承受较大的水平力。3.3.2 四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征如图3.1所示。图3.1 四连杆机构几何特征图(1) 支架在最高位置时，5262，即0.911.08弧度；7585，即1.311.48弧度。(2) 后连杆和掩护梁的比值，掩护式支架为=0.450.61；支撑掩护式支架为=0.610.82。(3) 前、后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为=0.220.3。(4) 点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度时，载荷呈梯形分布，如图4.8所示。顶梁前端比压为： ， (4.21)顶梁后端比压为： ， (4.22)将=614.7，=1.4，=0.6853，=2.779代入公式4.21得顶梁前端比压为：顶梁后端比压为：4.5 支护强度计算支架的结构设计结束，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。于是可求出支架实际支护强度如下式： ， (4.23)将=614.7 ，=0.3，=1.5代入公式4.23得支架实际支护强度为：4.6 底座接触比压计算顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。计算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。如有一底座如图4.9所示，则其与地板的接触面积为： ， (4.24)式中 底座宽度，图4.9 底座面积将=1.904，=1.35，=0.72，=0.37，=0.78，=0.42代入公式4.24得地板的接触面积为：底座对底板的平均比压按下式计算： ， (4.25)将各数值代入公式4.25得底座对底板的平均比压按为：由于底板凹凸不平或底座下垫有碎矸，底座对底板的比压很不均匀。为简化计算而又不失其有效性，假设底座对地板均匀接触且载荷为线行分布。设支架的整体结构和外载荷如图4.10所示，而载荷呈三角形分布，如图4.11所示，底座前端有最大比压，后端比压为0，为求，应先求出底座的集中载荷的作用位置。由图4.10所示为：图4.10 整体支架分离当时，底座前端比压为： ， (4.26)代入数值可得底座前端比压为：当时，底座载荷呈梯形分布，如图4.12所示。此时底座前端比压为： ， (4.27) 图4.11 底座三角形比压分布 图4.12 底座梯形比压分布将各数值代入公式4.27得：4.7 支护效率整台支架的工作阻力是由力柱工作阻力产生的。对于掩护式支架和支撑掩护式支架而言，两者并不相等。用护效率来评价立柱工作阻力转换为支架工作阻力的有效程度，支护效率按下式计算： (4.28)将=614.7， =636代入公式4.28得支护效率为：值与支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，值过大或过小都不好。由于支架的工作阻力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，当值过大，说明掩护梁和前、后连杆受载增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当值过小，说明立柱的工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段内，支撑掩护式支架由于立柱倾角较小，值应在95%105%之间；掩护式支架由于立柱倾角较大，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，所以值为100%。4.8 支架受力的影响因素4.8.1 支护高度对支架受力的影响支撑式支架的支护高度对支架受力没有影响，而掩护式和支撑掩护式支架，由于支护高度的变化，使立柱的支撑角度、平衡千斤顶的角度、掩护梁和四连杆机构的角度等的不同，使支架受力也不同。4.8.2 摩擦系数对支架受力的影响液压支架在工作过程中，顶梁与顶板、底座以及掩护梁与其上的矸石之间均存在着相对运动，于是在相对运动两者之间产生摩擦力。摩擦力的大小与摩擦系数有关，且直接影响支架受力、支护效率等。4.8.3 平衡千斤顶的推拉力对支架受力的影响支架在实际工作中，平衡千斤顶的推力和拉力是变化的。按支架在如下工况时进行计算：支护高度为顶梁承受最大合力时的高度，矸石作用力=0，摩擦系数=0.3，并且按平衡千斤顶产生推力和拉力两种情况分别进行支架的受力计算。分析表明，平衡千斤顶产生拉力时，顶梁后端比压增大，可增强切顶能力，底座比压分布状态较好，连杆受力较小；平衡千斤顶产生推力时，顶梁合力作用点前移，可增加顶梁前端支撑能力，底座前端比压增大，连杆受力增加。4.8.4 矸石作用力对支架顶梁受力的影响假定支护高度为某一定值，平衡千斤顶的推、拉力=0，摩擦系数=0.3。矸石作用在掩护梁上的负载，为在05倍采高的岩石重量范围内，取若干个值。计算结果表明，矸石作用力增加，使支护强度、支护效率和切顶能力减小，同时连杆受力也减小，底座分布改善，增加了支架的纵向稳定性。所以，在支架受力计算和强度分析时，为偏于安全，一般对矸石作用力忽略不计。4.8.5 值对支架受力的影响值对支架受力的影响，值增加，附加力增加。当摩擦系数=0.3，=1时，附加力可高达支架名义工作阻力的30%。所以，值过大对支架受力不利。在支架的工作高度范围内，一般把值控制在0.35以下，从而把附加力控制在支架名义工作阻力的10%范围内。4.8.6 摩擦力方向对支架受力的影响由于掩护式和支撑掩护式液压支架有四连杆，所以当支撑高度变化时，顶梁前端的运动轨迹近似为双纽线，则顶梁和顶板之间出现相对运动。因为摩擦力的产生是必然的。计算表明，当顶板对顶梁的摩擦力方向指向采空区时，顶梁和底板均有较大载荷。在试验台上进行压架实验时，也是检查顶梁和底板的强度。因此通常按顶板对顶梁的摩擦力指向支架后方的工况来校核支架主要部件的强度。5 液压支架的强度校核5.1 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。前面数章的内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。下面简单介绍我国液压支架强度计算中的强度条件。(1) 强度校核均以材料的屈服极限计算安全系数。(2) 结构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件：1) 各结构件通常采用16Mn等普通低台金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊结而成，取屈服极限为=34335。2) 主要销轴均采用CrMo等合金结构钢，取屈服极限=561。3) 活塞秆均采用45号钢，取屈服权限=367.2。4) 结构件、销轴和活塞杆的强度条件： (5.1)式中 危险断而计算出的最大应力，；许用安全系数。(3) 缸体材料采用27SiMn无缝钢管，取抗拉强度=1020，强度条件为： (5.2)式中 缸体许用应力，； 许用安全系数，取3.54。(4) 焊条抗拉强度取=561，其强度条件为： (5.3)式中 计算出的焊缝许用应力；按焊条类型来定。(5) 许用挤压应力按下式计算： (5.4)(6) 安全系数安全系数如下表5.1所示表5.1 安全系数表安全系数前 梁顶 梁底 座掩护梁前连杆n1.11.11.11.31.3安全系数后连杆主要轴缸 体焊 缝活塞杆n1.31.33.343.341.45.2 强度校核5.2.1 顶梁强度校核(1) 画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图5.1所示10。(2) 由图5.1可知，顶梁的危险截面在集中力作用处。图5.1 顶梁受力图危险截面如图5.2所示，对每块板进行编号，对相同位置相同截面的编成一个号。将各板的计算数据列于表5.2中。图5.2 最大弯矩处的端面图表5.2 计算数据件 号123456789数 量122422221879230963248.446.835180.51.59.59.5717.517.517.510截面形心位置按下列式进行计算： (5.5)将各数据代入公式5.5得：每个零件中心至截面形心的距离为：； ； ； ； ；(3) 截面中心主惯性矩矩形截面的惯性矩为： (5.6)式中 截面宽度；截面高度。每个零件对截面形心的惯性矩为： (5.7)将各数据代入公式5.7得每个零件对截面形心的惯性矩为： ； ； ； ； ； ； ； ；所以：(4) 弯曲应力和安全系数的计算 (5.8) (5.9)将有关数据代入公式5.8得：安全系数为：故：顶梁的弯曲强度符合设计要求。(5) 校核截面的剪切强度从图5.1可以看出，在截面的剪应力为最大，而且腹板采用钢板焊接，故需校核。现对中性轴处剪应力进行校核。即： (5.10)式中 最大剪力； 截面沿中性轴的总宽度；截面中心轴之上各块面积对中性轴静矩。即： (5.11)将各数据代入公式5.11得：将，代入公式5.10得：安全系数为： (5.12)将各数值代入公式5.12得：故：顶梁的剪切强度满足设计要求。5.2.2 掩护梁强度校核(1) 画出掩护梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图5.3示。图5.3掩护梁受力图(2) 由图5.3可知，掩护梁的最大弯矩发生在前连杆处，其值为故需校核此处的弯曲强度。最大断面处的端面表示如图5.4所示，对每块板进行编号，对相同位置相同截面的编成一个号。将各板的计算数据列于表5.3中，如下所示。图5.4 前连杆处断面表5.3 计算数据件 号1234567数 量1242122 151.290.8879.668.821.54040 0.618.214.615.315.328.627.6截面形心位置按下列式进行计算： (5.13)将各数据代入公式5.13得：(3) 截面中心主惯性矩 (5.14)每个零件对截面形心的惯性矩为： ； ； ； ； ； ； ； 所以：(4) 弯曲应力和安全系数的计算 (5.15) (5.16)将有关数据代入公式5.15得：安全系数为：故：掩护梁的弯曲强度符合设计要求。5.2.3 底座强度校核(1) 受力条件：假设底座两端支撑，立柱发挥工作阻力。(2) 画出底座结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图5.5示。求支点的反力： (5.17)即： 代入数据得为：(3) 由图5.5可知，底座的最大弯矩发生在下柱窝位置处，其值为：故需校核此处的弯曲强度。图5.5 底座受力图最大弯矩处的端面表示如图5.6所示，对每块板进行编号，对相同位置相同截面的编成一个号。将各板的计算数据列于表5.4中，如下所示。图5.6底座危险截面图表5.4 计算数据序 号12345数 量24411 12812027622888 13713.5126截面形心位置按下列式进行计算： (5.18)将各数据代入公式5.18得：(4) 截面中心主惯性矩 (5.19)每个零件对截面形心的惯性矩为： ； ； ； ； ； 所以：(5) 弯曲应力和安全系数的计算 (5.20) (5.21)将有关数据代入公式5.20得：安全系数为：故：底座的弯曲强度符合设计要求。5.2.4 立柱校核(1) 立柱的稳定性验算在双伸缩液压缸的稳定性验算时，假定活柱与中缸全部伸出，立柱在承受最大同心载荷的情况下进行验算，其方法是把活柱与中缸的当量惯性矩相当于单伸缩中活柱的惯性矩来计算，再用单伸缩求液压缸稳定性的方法进行验算。液压缸的稳定性条件： (5.22)式中 活塞杆最大推力，1078；液压缸稳定临界力，；稳定性安全系数，一般取24。液压缸的稳定临界力是与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度及其两端支承状况等因素有关。由于刚体的刚度通常都大于活塞杆的强度，而且缸体在理论上并不承受负载的轴向压力，故液压缸的稳定性主要取决于活塞杆的条件。如果液压缸在压缩工况下的最大挠度点发生在由导向中心偏向活塞杆一边()时，液压缸的稳定临界力可按等截面杆(截面等于活塞截面)来考虑。若最大挠度点偏向缸体一边(),则应按不等截面阶梯来计算。1) 计算最大挠度点位置的值： ， (5.23)式中 活柱与中缸的当量惯性矩；钢材的弹性模量为其中 (5.24)式中 活柱断面惯性矩；中缸断面惯性矩 (5.25) (5.26)式中 活柱直径，；中缸外径，；中缸内径，；活柱全部伸出，活柱端部销孔至活柱与中缸连接处之,取400；中缸全部伸出，活柱与中缸连接处至中缸与外缸连接处之矩，取300。将各数据代入公式(5.25)、(5.26)、(5.24)得、为：将各数据代入公式5.23得最大挠度点位置的值为：由于，故液压缸的稳定临界力可按等截面杆来计算。2) 按等截面杆计算稳定临界力活塞杆的计算柔度： (5.27)式中 长度折算系数，它取决于液压缸的支承状况活塞杆计算长度(液压缸安装长度) (5.28)活塞杆断面面积将各数据代入公式5.28、5.27得：柔性系数为： (5.29)活塞杆材料的屈服极限活塞杆采用A3钢，则显然，液压缸不会失稳，只需进行强度计算： (5.30)将各数值代入得为：取，则：由于，则立柱满足稳定性要求。(2) 活塞杆强度验算在液压缸处于稳定工作状态，即活塞杆受到的轴向压力小于稳定临界力时，由于初始挠度的存在，活塞杆将同时受到压缩和弯曲。当且时，活塞杆得计算。当液压缸仅有轴向压缩载荷和自重的作用，而不承受其他横向作用力和纵向偏心力时，液压缸的初始挠度可按下式计算： ， (5.31)式中 活塞杆与导向套的配合间隙，取0.02；活塞与缸筒内壁的配合间隙；取0.03；活塞杆头部销孔至导向中心A点的距离；缸底尾部销孔至导向中心A点的距离；活塞杆全部外伸时，液压缸两端销孔之间的距离；活塞杆全部外伸时，导向滑套动面前端到活塞滑动面末端的距离；活塞杆最大推力；液压缸自重；液压缸轴线与水平面的夹角。将各数据代入公式5.31得：活塞杆在偏心载荷作用下的合成应力为： (5.32)式中 活塞杆断面面积；活塞杆断面模数；活塞杆材料的许可应力，其中为屈服极限，安全系数。活塞杆用45钢，则为：由于，则活塞杆满足强度要求。(3) 缸体强度验算在此，仅验算缸体壁厚。缸体壁厚，由于，因此按中等壁厚缸体公式计算。 (5.33)式中 油缸内工作压力；附加厚度，取0.002；强度系数，无缝钢管将各数值代入公式5.32得：安全系数为： (5.34)式中 缸体材料为27SiMn无缝钢管，；一般取3.54。将各数值代入公式5.33得：故缸体壁厚满足要求。6 液压系统的设计6.1 液压系统的作用和特点6.1.1 液压系统的作用液压支架不仅需要有良好的结构以适应所工作的煤层地质条件，而且还应配备完善而可靠的液压系统及液压元件来实现支架的优良工作性能。液压支架的液压系统属于泵缸开式系统。动力源是乳化液泵，执行元件是各种液压缸。系统回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增压，经各种控制元件供给各个液压缸。乳化液泵站通常安装在工作面顺槽，可随工作面一起向前推进。泵站通过沿工作面全长敷设的主供液管和住回液管，向各个支架供给高压乳化液，接收低压回液。工作面中每个支架的高压控制回路多数完全相同，通过截止阀连接于主管路，相对独立。其中任一架支架发生故障进行检修时，可关闭该架与主管路连接的截止阀，不会影响其它支架的工作11。6.1.2 液压系统的特点(1) 工作压强高 泵站工作压强一般为19.634.3，立柱承载时被封闭的下腔液压更高，一般为39.258.9，因此要求液压元件包括管路要有足够的耐高压强度。(2) 工作介质是水包油乳化液，占95%左右 这种乳化液粘度低，润滑性能和防锈性能都不如矿物液压油，因而支架液压元件一般不采用间隙密封方式，对液压元件的材料、加工精度和防锈处理也有较高的要求。(3) 泵站集中供液 工作介质输送路程长，损失较大，要求主管路有足够的过流断面。(4) 工作环境恶劣 潮湿、粉尘多、空间有限，采场条件经常变化，检修不方便，要求液压元件可靠工作时间长12。6.1.3 液压传动装置的基本要求对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：(1) 用结构比较简单，设备外形尺寸小 ，能够远距离地传递大的能量，能够承受较大的载荷。(2) 有复杂的传动机构，有爆炸危险和含尘的空气里保证工作安全，动作迅速，操作、调节简单，过载及损坏保护简单。容积式液压传动可最大限度地满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。6.2 液压系统的拟定整个综采工作面液压支架的液压系统由乳化液泵站、主管路和各个支架的控制系统等三大部分组成。6.2.1 主管路通常，从泵站向工作面引出两条管线：一条供给压力液，称为主压力管路P；另一条接受低压回液，称为主回液管路O13。6.2.2 液压支架的控制方式液压支架多采用手动邻架控制。操作人员随采煤机前进，依次站在被移支架倾斜上方的支架里进行操作，使被移支架完成各个必要动作。手动控制的操作速度受到人员在工作面行走速度限制。特别是在薄煤层中工作时，操作人员花费在从一个支架行走到另一个支架的时间较长，体力消耗也很大，因此手动控制液压支架使高效采煤机的工作能力不能充分发挥出来。6.2.3 支架液路及其各千斤顶工作过程(1) 立柱工作过程该回路采用了液控单向阀组和安全阀作为控制元件，其回路简图如图6.1所示14。当操纵阀处于左位时，压力液经液控单向阀进入立柱下活柱下腔，使下活柱伸出，当下活柱完全伸出后，压力液才进入上活柱下腔，使上活柱伸出。当操纵阀处于中位时，液控单向阀可闭锁回路，使立柱承受一定的外载荷，当外载荷过大，溢流阀打开使回路卸载保护其他液压元件。图6.1 立柱工作回路当操纵阀处于右位时，压力液进入立柱，同时也推开液控单向阀使回液管路打开，使立柱下活柱下腔液体回液，下活柱缩回缸体内，但此时上活柱下腔液体回不到回液管，当下活柱完全缩回后，上活柱下腔才能回液，从而上活柱开始回缩。(2) 推移千斤顶的工作过程推移千斤顶工作液路采用定向交替单向阀作为控制元件，该回路能减小千斤顶的推溜力，提高推溜速度，增大拉架力。其回路简图如图6.2所示。当操纵阀处于左位时，在压力液进入推移千斤顶后腔的同时，使定向交替单向阀的B口断开，把A口和前腔也连通，这样千斤顶前腔回液管的通道被堵死，前腔液体只能进入千斤顶的后腔，忽略定向交替单向阀的流动阻力，液压缸两腔液压相等，但由于后腔活塞作用面积大，故活塞及其活塞杆仍向右伸出，推力为：，(为活塞杆断面面积)。因此推力减小，由于前腔排出的液体只能流入后腔，使得进入后腔的实际流量大于泵站所提供的流量，因而加快了推溜速度。当操纵阀处于右位时，压力液将从交替单向阀的B口进入液压缸的前腔，液压缸后腔回掖压强小于供液压强，因而不能打开定向交替单向阀的A口，只能通过操纵阀回液，增大了拉架力。图6.2 推移千斤顶工作回路1推移千斤顶 2定向交替单向阀(3) 平衡千斤顶工作过程此回路采用了双向锁和安全阀作为控制元件，双向锁可以闭锁进入液压缸工作腔的液体，使液压缸在不操作时也能承载，安全阀的作用是当外载使工作腔的压力液达到一定压力时能自动打开，使回路卸载。其回路简图如图6.3所示。当操纵阀处于左位时，压力液将推开客控单向阀1，进入千斤顶上腔，同时压力液也将打开液控单向阀2，使千斤顶下腔的压力液流回油箱。当操纵阀处于中位时，此时双向锁发挥作用，将液压缸工作腔内的液体闭锁，可继续承载，当外载使工作腔压力液达到一定压力后，安全阀便打开卸载并保护液压元件。当操纵阀处于右位时，活塞杆缩回，其他液压元件工作原理与上述原理相同。图6.3 平衡千斤顶工作回路7 结论7.1 技术经济分析研究液压支架一般从两个方面进行。一方面，从液压支架结构本身入手。分析其运动、力学特性以及支架的结构强度和稳定性等，使支架的结构设计达到最优；另一方面，从液压支架与围岩的相互作用关系出发，研究围岩机理，探讨围岩特性对支架性能的影响。这两个方面研究的最终目的就是使液压支架的设计与选型达到最优，实现支架与围岩的最佳匹配。在本设计中采用了VB编程，直接实现了四连杆机构的优化设计，比常规的优化设计方法节省了时间；采用CAD、Pro/E等现代的作图工具做图，比手画图更加精确、方便、美观；在液压支架的参数优化问题上采用了数学规划法进行求解，为支架的四连杆机构参数及其运动学分析提供了方便。7.2 总结为期三个多月的毕业设计到此已基本结束，从开始接到本研究课题到总体设计、受力分析、校核、液压系统设计等的完成，每一步对我来说都是一个新的尝试与挑战。(1) 在总体设计中，通过使用VB编程方法直接将四连杆机构的最优解解出，避免了复杂的计算过程。从总体上看简化了计算过程，同时也避免了在计算过程中出现的计算错误。(2) 在受力分析中，通过假设支架撑牢在顶底板之间，取其整体或某一部件为分离体为研究对象，同时把支架简化成平面杆系来研究其平衡状态，据此来进行受力分析与计算。(3) 在强度校核中，通过前几节对液压支架主要零部件进行受力分析和负荷的计算，结合液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性，以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及失效形式等为依据，来进行强度的校核与计算。(4) 在液压系统设计中，根据支架的液压系统属于泵缸开式系统，即油液通过乳化液泵吸入并增压，经各种控制元件供给各个液压缸的过程来设计。通过对不同的回路采用优良的控制元件使液压支架达到优良的工作性能。通过这段时间不懈的努力，我学到了很多知识。在设计方面，通过一个完整的设计过程，使我掌握了正确的设计思路和现代的设计法，养高、成了严格认真的科学态度和严谨求实的科学作风，能够综合运用各学科的理论知识与技能去分析和解决工程实际问题；在CAD和Pro/E方面，通过翻阅书籍使我在设计软件的运用方面有了一个新的提高，进一步提高了自己的操作技能，使自己的设计成果不断完善。7.3 展望从总体来说我的设计过程还有很多不足之处，如：(1) 在强度校核中，通过与其他支架进行类比，选择出支架各钢板的厚度，这种方法精度低，安全系数较大，在制造成本上比较浪费。(2) 在液压系统设计中，由于采用手动控制方式，使操作人员花费在从一个支架行走到另一个支架的时间较长，体力消耗较大方，不能使高效的采煤机械的工作能力发挥出来。在科技高度发达的社会，为了设计出强度更性能更好的液压支架，可以利用有限单元法、薄壁箱型截面组合强度的计算机辅助法、液压支架强度的概率设计法等，提高了支架结构的
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