毕业设计（论文）-液压支架立柱的设计分析.doc

第一章 绪论1.1 液压支架的设计目的采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。而每个总裁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底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。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。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，因此其设计工作量也是很大的。由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。1.2液压支架的使用现状液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在，已经基本成熟，已经基本成熟，它已经形成了能另适用各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。从液压支架的形式来看，有支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看，有轻型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层分层和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架鼬分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架；从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状开看，液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展的进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。1.3液压支架的发展趋势近几年来，为适应采煤综合机械化的发展需要，液压支架获得了迅速的发展，出现了很多类型，据统计，它的结构形势已达数百种。每种支架的支柱从1根导8根，支撑力从50吨到800吨，支架适应煤层厚度的范围由0.6米到5米，也以至更厚的煤层，适应煤层倾角由0到45，甚至70左右。在缓倾斜薄及中后煤层中，液压支架已获得广泛的应用，但是由于煤层赋存条件复杂，支架的结构还不够完善，设备需要管理和操作经验，所以液压支架的使用范围仍受到限制。为了改进支架的支护性能，提高它对不同矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前液压支架有下列几方面的发展动向：1).大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其它形式的支架，应用逐渐减少。1976年国际采矿设备展览会展出的89种液压支架中，有80是掩护式支架，这些支架的主要特点是：采用四连杆机构，使梁端和煤壁之间的距离基本保持恒定；支柱支在顶梁上，提高了支架的工作阻力；顶梁和掩护梁铰接，取消了两者间易被矸石堵赛的三角区；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。2).液压支架的进一步发展，是着重解决扩大使用范围的问题。目前，各国正在研制大倾角、大采高、大截深和薄煤层支架，并使支架和采煤机更好地配合。近几年来，国外正在研制一次截深1.5米左右或一次采高5.5米的液压支架。同时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。3).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已达到300公斤/厘米2以上。4).为了简化支架管路系统和便于安全操作，开始采用“多芯管”先导式邻架控制的操纵方式。5).为加快支架移设速度，进一步改善操纵条件，支架控制正在向自动控制方向发展。目前，分组程序已开始使用，全工作面的自动控制还处在研究阶段。6).液压支架结构设计的方向:轻型化、标准化、材质强化、高压化。1.4我国液压支架与国外液压支架的差距及今后的发展趋势我国液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著成绩，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差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几，但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低，电液控制阀可靠性差，所以钢材的耐压能力一般为16mpa，最好的屈服极限才700mpa，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，工作阻力更是相对较低。我国科学工作者经过30多年的发展和努力，液压支架的设计、制造水平在不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型已基本趋于成熟、完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比，差距越来越小。但在控制元件和控制系统方面，与先进国家的产品相比还有较大的差距。所以，今后除硬继续针对我国国情的煤层具体条件，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支架的工作可靠性方面下功夫。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架里，尽量采用整体可靠推杆 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的高压大流量乳化泵站，以适应快速移架的需要；系统采用环形或双向供液，以保证支架有足够的压力达到初撑力，以保证支架接顶位置准确。两柱掩护式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。第二章 回采工作面的支护设备2.1 支护设备的用途和种类在回采工作面中。为了保护工作面内机器和人员的安全生产，要对顶板进行支撑和管理，以防止工作面空间的顶板冒落。回采工作面的使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支架和自移式液压支架。他们与采煤机和工作面的输送机分别组成“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、安全行差、工作面产量低，现已很少使用。单体液压支柱与铰接顶梁配套使用。由于单体液压支柱是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。但是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为动力，有金属构件和若干液压元件组成。它使支架的支撑、切顶、移架和输送机等工序全部实现了机械化。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，有效的增加了劳动的安全性，使工作面的产量和效率得到了很大的提高，并为工作面的自动化创造了条件。但液压支架对煤层的地质要求很高，初期投资较大。2.2回采工作面顶板的组成及其分类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其特征，可以分为一下三中；伪顶:直接位于煤层的上方，是极易垮落的一层岩石。它通常是炭质岩和泥质岩，厚度一般不大于0.30.5m，经常随采随冒。有些煤层不出现伪顶。伪顶对支护设备的使用一般呜影响。直接顶：是位于伪顶或直接位于煤层上方的的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质岩页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式以及架行选择有决定性的影响。老顶：是位于直接顶之上厚而坚实节理裂隙和层里都不发育的整体岩层。通常由石灰岩或沙砾岩等构成。老顶长能在采空去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有决定性影响。2 顶板分类1.直接顶分类我国将缓倾煤层回采工作面的直接顶分为四类。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。中等稳定顶板，这累顶板强度较高，但有大量的节理缝隙，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。页岩，粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。稳定顶板即完整顶板：不易发生局部冒落，砂岩顶板坚硬的砂岩属于这类顶板。4 坚硬顶板：极难冒落的砂岩坚硬砂质页岩等属于这类顶板。1.老顶分级老顶根据周期来压明显与否分为四级：级顶板，周期来压不明显；级顶板，周期来压明显；级顶板，周期来压强烈；级顶板，周期来压极其强烈。老顶来压越不明显，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大，且有冲击。2.3 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，“一般分为三大类，即支撑式、掩护式(图2-1)和支撑掩护式(图2-2)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2-1 掩护式液压支架结构 图2-2 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。2.4 液压支架的分类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2-3a）和节式支架（图2-3b）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，其长度多在左右；立柱多，一般是根，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。(a) (b) 图2-3支撑式支架结构形式 垛式支架 节式支架2 掩护式支架（如图2-1）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。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2-2）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。2.5 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2-4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。图2-4 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 操纵阀支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图2-5所示：支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段-初撑阶段； -增阻阶段； -恒阻阶段；-初撑力；-工作阻力（1）初撑阶段支架在升柱时，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，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段，此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为 (2-1) 图2-5 支架的工作特性曲线式中 -支架立柱的缸径，；-泵站的工作压力，；-支架立柱的数量。由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。（2）承载增阻阶段支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段。（3）恒阻阶段随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，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。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。支撑式支架的工作组力为 (2-2)式中 -支架安全阀的调定压力 ；支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。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。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，常用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 (2-3)式中： 支架的支护面积，2.6 液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。 3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的3种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。1 即时支护般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。2 滞后支护一般循环方式为：割煤一推溜一移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。3 复合支护般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。第三章 液压支架的主要参数和选型3.1 原始参数基本（老）顶级别: 级直接顶级别:2支撑高度:1.7m3.2m 工作阻力和初撑力35003600/20002500(kn)3.2 设计要求通过完成液压支架设计原理以及结构组成等分析，掌握液压支架的设计原理和方法。完成液压支架的易发故障和解决方法和途径进行分析和技术讨论，并列出易损零件明细和更换维修要求。完成支架立柱的设计分析。3.3液压支架的选型原则3.3.1 概述从液压支架架型的结构特点结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板的条件来看，由于直接顶类别和基本顶级级别不同，支架所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力与承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。3.3.2 影响架型选择的因素液压支架的架型选择，主要取决于顶板条件和地质条件，结合各类支架的不同性能和特点，选择一种较为合理的架型。下面简要介绍影响架型选择的因素和如何有针对性地进架型选择。(1)煤层厚度1）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。2)当煤层厚度达到2.52.8m以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架.3）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)假顶分层开采，应选用掩护式液压支架。（2）煤层倾角1）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。2）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。（3）瓦斯含量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。（4）底板强度 1）验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板的容许比压。 2）为了移架容易，设计时要使底座的比压不超过底板的容许比压。（3）设备成本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。3.3.3 液压支架的选型过程（1） 确定直接顶和基本顶类别 基本顶级级别的确定。基本顶级级别按基本顶来压强弱来划分。基本顶来压强弱取决于垮落带岩石对采空区充满程度n（n为直接顶后度m与采高h之比）和基本顶初次来压步距。通常按n和，把基本顶分为四级，见表3-1。表3-1 基本顶级别基本顶级别基本顶来压不明显明 显强 烈极强烈指 标n=350.3n35lp=25500,3n35lp50n0.3lp=2550n0.3lp50 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）直接顶类别按表3-2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=3 l8l=3.17 l=918l=7.112l=1925l12l25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3-2直接顶类别表中按右式计算： （3-1）式中 =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。可按所测量的节理裂隙间距l查表 3-3得到 可按所测地的分层厚度查表3-4得到表3-3 节理裂隙间距表l/m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2c10.30.320.340.370.390.410.430.460.480.500.520.55 表3-4 分层厚度表hx/m0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2c20.240.250.270.290.30.320.330.350.360.380.390.41（2）支架架型的支护强度的确定。按表3-5根据基本顶级级别和直接顶类别来确定支架架型，在根据基本顶级级别和采高确定支护强度。支护强度被定义为单位支护面积和支护阻力。 表3-5支架架型确定参数基本顶级别+直接顶级别12312312344液压支架架型掩护掩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4m294343（245）441（343）539（441）1.32951.3343（245）1.3441（343）1.3539（441）1.62951.63431.64411.65392295234324412539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液压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3-5可选取液压支架的选型为掩护式液压支架。3.4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3- 1所示 图3- 1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3-2所示图3-2掩护式液压支架支撑力分布图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3-2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。图3-3 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3-4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3-4 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3-5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3-5所示。第四章 液压支架的各部件结构4.1 液压支架的顶梁 4.1.1 顶梁的结构形式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4-1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。图4-1支撑式液压支架的顶梁类型1-前梁；2-后梁；3-尾梁；4-前梁千斤顶；5-前梁伸缩千斤顶2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。4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4-2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。平衡千斤顶调节顶梁的接触面积。图4-2 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前梁千斤顶8-平衡千斤顶如图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。4.1.2 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(4-3)所示：图4-3 顶梁筋板焊接图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。如图(4-4)所示：图 4-4开式顶梁结构图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（4-5）所示：图4-5 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。4.2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4-6所示。其中，如图a所示为折线型，图b为直线型。(a) (b)图4-6 掩护梁的结构型式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。4.2 侧护板4.2.1 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。4.2.2 侧护板的结构形式。图4-7侧护板的结构型式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4-7a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4-7b、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4-7d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（根据上述侧护板各种型式我选择顶梁上加设顶板的型式，如图b）4.4 底座1底座的结构型式如图4-8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4-8a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4-8b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4-8c、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4-8e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4-8f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。图4-8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。第五章 液压支架的结构尺寸设计5.1 液压支架设计的基本要求和基本参数5.1.1 液压支架设计的基本要求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100kn150kn，中厚煤层一般为150kn250kn，后煤层一般为300kn400kn。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。5.1.2 液压支架设计的基本参数(1)顶板条件。根据基本顶和直接顶的分类，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，按煤矿安全规定弟一百零五条规定，验算通风。（4）底板岩性及小时涌水量，根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。（5）工作面煤壁条件。分居工作面煤壁条件，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）井筒灌笼尺寸。根据井筒灌笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。（8）配套尺寸。根据配套尺寸及方式来计算顶梁长度。5.2 液压支架的参数确定5.2.1 液压支架煤层高度的确定支架的高度确定应所采煤层的厚度，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 （5-1） （5-2）式中 支架最大高度；3.2m支架最小高度；1.7m煤层最大厚度（最大采高）；煤层最小厚度（最小采高）；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，一般取50mm。根据式5-1可得：3200250mm2950mm根据式5-2可得：1950mm5.2.2 支架的伸缩比确定支架的伸缩比指最大支架高度与最小支架高度之比值为： （5-3）=1.8823由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高工作面，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3.0一般范围是1.52.5，煤层较薄时选较大值。但考虑尽量减轻支架重量，降低造价，可搞系列化支架，加强支架对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。 此设计采用单伸缩油缸带机械加长杆的立柱。5.2.3 支架的间距确定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。5.2.4 底座长度的确定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：支架度底座的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置；便于人员操纵和行走；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。(本题我取2250mm)5.3 四连杆机构设计5.3.1 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范围内变化时，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5-1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，p5262，q7585;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tanpw,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p25。而q一般取q25303从图5-1可知，掩护梁与顶梁的饺点e和瞬时中心o之间的连线与水平面的夹角为其范围要为0.35。图5-1四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5-1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，可防止岩石向后移图5-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构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。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5-2所示：5.3.2 掩护梁和后连杆长度的确定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200mm，后连杆下铰点至底座地面的距离为280mm（类比支架为中煤北京煤机厂生产的qy240-10/26型掩护式液压支架）。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5-3所示。图5-3 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；l2e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： gcosp1-acosq1=l2 (5-4) gcosp2-acosq2=l2 (5-5)联立两式可得： (5-6) 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，一般的比值按以下范围来取。掩护式液压支架： =0.450.61支撑掩护式液压支架： =0.610.82支架最高位置时的计算高度为： h1=gsinp1+asinq1 (5-7)根据的比值和式5-7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-200-230=3200-200-230=2770mm h2=hn-200-230=1700-