液压支架毕业论文.doc

河南理工大学毕业设计（论文）摘要作为综采工作面的重要设备液压支架的出现，把回采工作面的支护技术从手工支护发展到机械化支护。其是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸和阀件）和一些金属结构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备。在工作过程中能否取得良好的支护效果，取决于支架的架型的选择、结构的设计和相关参数的选取，因此液压支架的设计工作对于煤矿支护安全有着重要的影响。本文概述了液压支架的发展历史、国内外应用研究的现状和发展方向。叙述了液压支架的工作原理与分类。液压支架主要结构部件掩护梁、四连杆机构和底座的设计是本文的主要内容。在完成本设计的过程中，利用理论分析的同时，也参考了许多实际经验数据，做到理论与实践相结合, 所以,本文具有很大的理论和实用价值,满足国家对本科生毕业设计的要求。关键词：综采工作面 液压支架 掩护梁 四连杆机构 底座AbstractAs the improtant equipment of fully mechanized coal face - Hydraulic support appeared,the technology of support has been developed form manual support to mechanical support on the working face. It is withal High Voltage liquid for power，the a sort of buttress AND dam top tray coal face equipment back up of the both by some hydraulic element（oil cylinder and valve piece）and some metal construction piece combination whereas become.It works well or bad at work depending on the selection of the frame type, structure design and the selection of parameters of the hydraulic support, So the design of hydraulic support for coal mine safety has an important influence on supporting.This text said a liquid to press the development history of support all, present condition and progress condition of domestic and international application study,described a liquid to press work principle and categories of support. The design of Hydraulic supports main structure parts cover caving shield, four bar linkage and base is the main content of this article. Upon completion of this design process, using theoretical analysis, but also referred to the many practical experience data, achieves the combining theory with practice, therefore, the paper has great theoretical and practical value, satisfies the country to the undergraduate student graduation project request.Key words: fully mechanized coal face；hydraulic support；caving shield ；four-bar linkage；the base目录绪论11 液压支架的概述及分类21.1 液压支架的概述及发展动向21.1.1 液压支架的概述21.1.2 液压支架的国内外发展动向21.2 液压支架的分类32 液压支架的组成及其工作过程62.1 液压支架的组成62.2 液压支架的其工作过程92.2.1 液压支架的其工作原理92.2.2 液压支架的移架原理113 液压支架设计的目的、要求和需要的基本参数133.1 液压支架设计的目的133.2对液压支架的基本要求133.3 设计液压支架必需的基本参数144 液压支架的选型154.1 液压支架的支撑力与承载的关系154.1.1掩护式支架的特点和支撑力分布154.1.2掩护式支架在不同的顶板条件下承载分析154.2 液压支架的架型选择174.2.1 已知设计条件174.2.2 支架架型选择以及基本参数的确定175 液压支架的整体结构尺寸设计215.1支架高度、支架间距、底座尺寸的确定215.1.1支架高度的确定215.1.2 支架伸缩比225.2 支架间距和支架宽度225.2.1 支架间距225.2.2 支架宽度235.3 底座主要尺寸235.4 梁端距的确定236液压支架部件设计256.1 掩护梁和四连杆机构的设计256.1.1 四连杆机构256.1.2 掩护梁286.1.3掩护梁和后连杆长度的确定296.1.4几何作图法作图过程306.1.5 掩护梁尺寸的拟定336.2 底座的设计336.2.1底座的作用及用途346.2.3 底座主要尺寸的确定356.3顶梁的设计366.3.1顶梁长度的确定366.3.2顶梁长度计算376.3.3顶梁宽度376.4液压支架支护技术参数的确定396.4.2支护强度的确定396.4.3 立柱参数的确定406.5侧护板的设计486.5.1侧护板的选择486.5.2侧护装置的作用496.5.3侧护板的结构型式496.5.4侧护板尺寸的确定496.6 防倒防滑装置506.7 支架主要长度尺寸517 液压支架主要部件受力分析及强度校核527.1 液压支架主要结构部件受力分析527.1.1 整体受力分析527.1.2 顶梁的受力分析527.1.3 掩护梁受力分析547.1.4 底座受力分析557.1.5 前后连杆受力分析567.2 液压支架主要结构部件强度校核567.2.1 对掩护梁强度的校核577.2.2 对底座的强度校核617.2.3前后连杆强度校核647.2.4顶梁强度校核657.2.5立柱强度校核65总结66致谢68参考文献6969绪论工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。因此以液压支架为主要设备的综合机械化的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大革命。不仅从根本上改善了劳动和安全条件, 也为工作面产量和采煤效率的迅速提高奠定了基础，使煤矿生产面貌彻底改观。液压支架占综采设备总投资约60 % ,可见液压支架对综采工作面的重要性。我国液压支架经过40多年的发展，获得显著的成果，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式液压支架，这些系列化液压支架一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采，取得了不错的效果。我国煤矿中使用的支架类型很多，按照支架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处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。从架型的结构特点来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，为了在使用中合理地选择架型，保证煤矿的安全生产，要对支架的支撑力和承载力的关系进行分析，使支架能适应顶板载荷的要求。通过分析煤矿开采环境，查阅相关资料，对液压支架进行结构设计（本文主要对液压支架掩护梁、四连杆机构、底座进行设计）和强度校核，可以从更深层次上学习液压支架的工作原理和设计方法。并通过本次设计对大学所学的知识的综合应用，使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机使用的熟练性。通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高分组协作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。1 液压支架的概述及分类1.1 液压支架的概述及发展动向1.1.1 液压支架的概述液压支架作为煤矿综采机械化采煤设备（液压支架、可弯曲输送机和采煤机）的重要组成设备之一，其数量、重量和费用都占整套综采设备的60%以上，可见它的作用是十分重要的;在生产过程中，液压支架的性能的好坏将直接影响煤矿生产的安全和质量,特别是生产过程中对人员的安全保障问题。所有的这些都要求我们在从事液压支架设计时要严格按相关的规程要求来设计液压支架，设计的产品要具有安全性的同时更要具有经济性，从而实现在做到确保人员的安全的同时，最大程度地提高煤矿生产效率，达到很好的经济效益，提高工人的收入和生活水平。因此，性能优良的液压支架要求技术上先进、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。1.1.2 液压支架的国内外发展动向世界主要采煤国家一直在围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产方面做研究，他们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设计，现在已经取得了非常不错的成果。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外传感装置，立柱缸径超过400mm，为减少割煤时间，一般采用0.8-1m的截深，支架材料采用800-1000MPa的钢板。随着长壁采煤工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还采用高压大流量乳化液泵站，实现工作面成排或成组移动。美国、澳大利亚、英国等采煤技术先进的国家都在朝着以上方向进行研究。我国在1964年郑州煤机厂和太原分院设计了70型迈步自移支架，从此开始了液压支架的国产化道路。经过40多年的发展和努力，在架型研究、不同采煤方法中运用的液压支架等方面都有自己的独到之处，我国的液压支架的设计、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多的经验，在品种和质量方面与国际水平相比差距越来越小。为了改善支架支护性能，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。目前我国液压支架有下列几方面的发展动向：(1) 液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展。如液压支架的架型明显地向两柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。 (2) 在已有支架设计与应用经验的基础上，将有限元和计算机辅助设计相结合，研究支架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。其中在设计中应注意以下几个方面： 提高液压支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面； 如何提高支架的移架速度； 改进支架个别部件结构，加大联结件强度。 (3) 改进制造工艺，保证制造质量。对支架的阀类等零部件，从材料的选取、毛坯的热处理、机加工工艺和装配过程中的密封件选用等方面入手，制定更严格的质量和抗腐蚀标准。 (4) 制造特种支架。对不稳定顶板、松软底板、地质构造较复杂等特殊条件，加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。 (5) 新型元件与材质的选用，可减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命 。 (6) 结构上寻求克服四连杆机构缺陷的新型架型。 (7) 研制快速移架电液控制系统。研究支架的遥控、程控控制和性能自动监控等技术，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。1.2 液压支架的分类液压支架的种类很多，分类的依据和方法各不相同。下面介绍几种常用的分类方法以及液压支架的类型。（1） 按支架与围岩的相互作用关系分类 按照液压支架与围岩的相互作用关系，目前使用的液压支架可分为三类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式。 支撑式液压支架支撑式液压支架是一个在底座上放置几根立柱支撑顶梁，通过顶梁支撑顶板的简单结构基础发展起来的。典型的支撑式液压支架，其顶梁较长，立柱较多，靠支撑作用维护一定的工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。架后的挡矸帘只起着使碎矸石从采空区涌入工作面的作用。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，因此适用于顶板坚硬完整，基本顶周期压力明显或强烈，底板较坚硬的煤层。但由于立柱垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去稳定性。支撑式液压支架按结构和动作方式，主要分为垛式和节式两种：A 垛式：如下图1-1 所示整个支架为一整体结构，整体移动。其特点是支撑能力强，有4-6根立柱，支护性能好，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板，在英国和美国等国家被广泛应用。B 节式： 如下图1-2所示节式支架有2-4个框架组成，每个框架装有前后两根立柱和窄面绞接顶梁。其支撑能力不如垛式好，但其结构灵活，质量较小，便于移动，拆装方便，适用于支撑中硬顶板，但其稳定性差。 图1-1 垛式 图1-2 节式 掩护式液压支架掩护式液压支架是利用立柱、顶梁与掩护梁来支护顶板和防止岩石落入工作面。这类支架的顶梁较短，多数支架的立柱只有一排，一般仅有12根，多呈倾斜布置，与掩护梁连接或直接连接在顶梁上。立柱通过顶梁支撑顶板。掩护梁与冒落的岩石相接触，阻止矸石涌入工作面并承受采空区矸石的载荷。这类支架的支撑力小，但掩护性能和稳定性较好，调高范围大，对破碎顶板的适应性较强，适应于支护部稳定或中等稳定的松散破碎顶板。 支撑掩护式支架支撑掩护式支架是支撑式支架和掩护式支架相结合的一种架型，以支撑为主，但同时又具有掩护作用。这种支架采用了支撑式支架双排立柱支撑顶梁的结构形式，保留了支撑式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用了掩护式支架坚固的掩护梁以及侧护板将工作面与采空区完全隔离开的结构形式，保留了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处。因此，支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定或稳定，基本顶周期来压明显或强烈瓦斯涌出量较大的煤层。（2） 按支架移动方式分类液压支架按移动方式的不同可分为二大类，即整体自移式和迈步移动式液压支架。 整体自移式液压支架这类支架一般均为整体结构，其移架和推溜共用一个千斤顶。该千斤顶与输送机之间有直接或间接的连接关系，因而能以输送机为支点实现移架，以支架为支点实现推溜。目前多数液压支架采用此种移动方式。 迈步移动式液压支架这类支架是由一定连接关系的主、副架所组成。移架与推溜的千斤顶是各自独立的，移架千斤顶分别与主、副架相连，互为支点，交替迈步移动；而推溜千斤顶一般只与支架相连，另一端则呈自由状态，推溜时以支架为支点。（3） 根据使用地点分类 液压支架按使用地点的不同可分为工作面支架和端头支架两类。 布置在工作面内，用来支护工作面顶板的支架称为工作面支架。 布置在工作面与上下顺槽连接处的支架称为端头支架。由于端头处机械设备较多，顶板悬露面积大，同时又是人员的出入口，所以要求端头支架不仅要有较高的支撑能力，还要保证有足够的空间；不仅要使支架自身能够沿弯曲的顺槽前移，还要考虑推移转载机。因此，端头支架在结构上具有特殊性。2 液压支架的组成及其工作过程2.1 液压支架的组成液压支架一般由承载结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。（1） 承载结构件 顶梁 。直接与顶板相接触并承受顶板载荷的支架部分叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、管理顶板的功能。顶梁一般由两种结构形式：一种为整体顶梁，这种顶梁的梁体较长，结构简单，能顺利通过顶板局部冒落凹坑，但对顶板台阶的适应能力差；另一种为分段顶梁，即顶梁分为前梁和后梁两部分，前梁又可分为伸缩式活动前梁、铰接式活动前梁或兼而有之的活动前梁。由于分段顶梁铰接处的纵向间隙和销轴可以允许各段之间相互有稍许扭转，因而比整体顶梁容易满足港刚度求。伸缩式活动前梁可在伸缩千斤顶的作用下向煤壁方向伸出和缩回，及时支护采煤机割煤后所暴露的顶板，实现立即支护。当采煤工作面出现较严重的片帮时，伸缩梁可直接插入煤壁进行支护。因此，在顶板破碎、片帮现象严重的工作能，多采用带伸缩式活动前梁的支架。铰接式活动前梁又称摆梁，即在前梁千斤顶的作用下，可沿与顶梁铰接的铰接轴向上或向下摆动一定角度，以改善支架的接顶情况，从而可提高支架对靠近煤壁顶板的支撑能力。 掩护梁。阻挡采空区冒落的矸石窜入工作面并承受采空区冒落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的特征部件之一。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。当底板不平时，掩护梁还将承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱式整体结构，也有做成左、右对分结构的。 前后连杆。前后连杆只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。前后连杆与掩护梁、底座组成的四连杆机构，即可承受支架的水平分力，又可使掩护梁的铰接点在支架的调高范围内做近似的直线运动，使支架的梁端距基本保持不变，从而提高了支架控制的可靠性。前后连杆一般采用箱形分体式结构，即左、右各一件。后连杆常常用钢板将两个箱形结构连接在一起。 底座。直接与底板相接触，承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件叫底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。 侧护板。目前生产的掩护式和支撑掩护式支架都具有较完善的侧护装置，不仅掩护梁两侧有侧护板，而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后端的两侧也有侧护板。侧护板的作用是：a.消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；b.作为支架移架过程中的导向板；c.防止支架降落后倾倒；d.调整支架的间距。支架工作时一侧的侧护板是固定的，另一侧为活动的。制造时，通常两侧侧护板做成对称的；安装时，可按需要将一侧侧护板用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。按侧护板和掩护梁或顶梁上板面关系，侧护板有上复式、埋伏式、抽出式和拆页式等几种结构型式。如下图2-1所示：图2-1 a 上复式b 抽出式c 埋伏式d 折页式（2） 执行元件。 执行元件包括立柱和各种千斤顶。 立柱。支架上凡是支撑在顶梁（或掩护梁）和底座之间直接或间接承受顶板载荷、调节支护高度的液压缸称为立柱。立柱是液压支架的主要动力元件，可分为单伸缩和双伸缩两种。单伸缩立柱调高范围较小，但结构简单、成本低；双伸缩立柱则与之相反。有的立柱两端还有机械加长段。立柱两端一般采用球面结合形式与顶梁和底座铰接。 千斤顶。液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶，依其功能分别为前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，所以结构与立柱基本相同，只是长度和行程较短，也有人称它为短柱。平衡千斤顶是掩护式支架独有的，其两端分别与掩护梁和顶梁铰接，主要用于改善顶梁的界定接顶状况，改变顶梁的载荷分布。当支架设置防倒防滑装置时，还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。（3） 控制元件。液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。 安全阀。安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀，可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力来调整开启压力。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力，即超过安全阀的调定压力时，工作腔内的压力液可通过安全阀释放，达到卸压目的。卸载以后，工作腔内的压力低于调定压力时，安全阀自动关闭。在此过程中，可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。 液控单向阀。液控单向阀是液压支架的重要元件之一。它的作用是闭锁立柱或千斤顶的某一腔中的液体，使之承受外载产生的增加阻力，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力。液控单向阀往往和安全阀组合在一起，组成控制阀。 操纵阀。在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作换向（分配）阀，习惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀二种类型。（4） 辅助装置。辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。 推移装置。推移装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置，由连接头、框架、推移千斤顶组成。推移千斤顶一端与支架底座相连，另一端通过框架、连接头与刮板输送机相连。 挡矸装置。挡矸装置由悬挂在顶梁后端的挡矸帘或挡矸板构成，其作用是防止矸石从采空区涌入工作面。 复位装置。复位装置是支撑式支架的特征装置。这是由于支撑式支架的顶梁、前后立柱和底座恰好形成四杆双曲柄机构，因而支架的结构是不稳定的，在侧向力的作用下，容易发生立柱倾斜现象。安设复位装置的目的就是为了使支架立柱保持在垂直于顶板的正确位置，使支架的结构稳定，具有抵抗顶板水平分力的能力。 护帮装置。煤层较厚或煤质松软时，工作面煤帮（壁）容易在矿山压力下崩落，这种现象称为片帮。工作面片帮使支架顶梁前端的顶板悬露面积增大，引起架前冒顶。我国规定，煤层采高超过2.52.8m，支架应设护帮装置，其目的在于防止煤壁片帮或在片帮时互帮板起到遮蔽作用，避免砸伤工作人员或损坏设备。护帮装置安设在支架顶梁前端，由护帮板和护帮千斤顶组成。 防倒防滑装置。在煤层倾角较大（一般在15以上）时，支架需加设防倒防滑装置，以免支架降落或前移时倾倒或下滑。防滑装置一般安设在两相邻支架的底座侧面，防倒装置一般安设在两相邻支架的顶梁侧面。2.2 液压支架的其工作过程2.2.1 液压支架的其工作原理图2-2 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操纵阀液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成。如图2-2所示。（1） 升柱。当需要架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升。使活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。（2） 降柱。当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。（3） 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的。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液体进入千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机的为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入千斤顶的活塞腔，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的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图2-3所示。支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可以分为三个阶段。支架升柱时高压液体进入立柱的下腔，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，此阶段为初撑阶段t；此时支架的初撑力为 P=D pnKN 式中 D支架立柱的缸径，m； p泵站的工作阻力，Mpa； n支架立柱的数量。支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至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t；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调正值时，安全阀打开溢流，立柱收缩，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值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t，此时支架的工作阻力为 P= D pn KN 式中 p支架安全阀的调定压力，Mpa； 其它符号意义同前。支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。 图 2-3 支架的工作特性曲线 t初撑阶段； t增阻阶段； t横阻阶段； P初撑力； P工作阻力2.2.2 液压支架的移架原理液压支架以高压液体为动力通过各种动力油缸的伸缩，是支架完成升起、降落、行走、和推移运输机等各种动作，以便支架工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。降柱；当旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，高压液体有主进油管经操作阀进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操作阀，流回主回液管，支柱卸载下降。移架；液压支架卸载后，操纵阀转到移架位置，打开供液阀，高压液体由主进液管经操纵阀和油管进入推移千斤顶的活塞杆腔，同时进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油腔的油液经油管、叶控单向阀、操纵阀流回主回液管，推移千斤顶收缩，以运输机为支点前移，运输机靠相邻支架的推移千斤顶来固定，千斤顶油液控单向阀锁紧。升柱；液压支架移至新的工作位置后，应及时升柱，以支撑新暴露的顶板，经操纵阀装到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主体进油管进入，经操纵阀到液控单向阀，顶开阀球经油管进入支柱活塞腔，支柱活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回油管，活塞和顶梁升起，支撑顶板。推移运输机；当液压支架前移并重新支撑后，操纵阀转到推溜位置，打开供液阀，高压液体由主进油管经操纵阀、液控单向阀进入推移千斤顶的活塞杆腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液馆，推移千斤顶的活塞杆伸出，以液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。3 液压支架设计的目的、要求和需要的基本参数3.1 液压支架设计的目的 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。为了满足对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。而每个综采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。由于不同才每个字母的底板团结、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，液压支架设计的工作是非常重要的。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。3.2对液压支架的基本要求 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，以便有效的控制顶板，保证合理的下沉量。 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，中煤层一般为150KN至250KN，厚煤层一般为300KN400KN。 防矸性能要好。 排矸性能要好。 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、稀释有害气体等安全方面的要求。 为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。 调高范围要大，照明和通讯方便。 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。 要求支架有足够的刚度，能承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。 在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。 要易于拆卸，结构要简单。 液压元件要可靠。3.3 设计液压支架必需的基本参数 顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。 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。 瓦斯等级根据瓦斯等级，按保安规程规定，险算通风断面。 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。 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。 煤层倾角根据煤层倾角，决定是否用防倒放滑装置。 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。 配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度4 液压支架的选型4.1 液压支架的支撑力与承载的关系从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，制假所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理的选择架型，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。掩护式支架的支撑力分布与承载4.1.1掩护式支架的特点和支撑力分布掩护式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护式支架大，其支撑力的分布规律如图4-1所示。图 4-1 掩护式支架支撑力分布4.1.2掩护式支架在不同的顶板条件下承载分析 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况 图 4-2 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况支架的顶梁和掩护梁受力情况，如图4-2所示。顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑的次数少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上合力Q，载荷分布如图所示。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，对掩护梁的作用可以分解为垂直分力和水平分力，如图所示。掩护式支架虽然立柱少，支撑力较小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布与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。 掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况，掩护式支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差。受力情况如图4-3所示。图4-3 掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况直接顶冒落时，冒落岩石分别作用在顶梁和掩护梁上。周期来压时，由于顶梁后部顶板不能 充分切断，老顶压力将由整个支架和采空区跨落岩石承担，或者有可能出现在切顶时，老顶直接加压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减小，使支架难于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。4.2 液压支架的架型选择 从前面的受力分析得知，液压支架的架形选择，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行架型选择。4.2.1 已知设计条件煤层厚度3米，倾角18度，老顶级别级，直接顶类型1，底板接触比压1.98MPa, 最大采高2米，最小采高1.5米，瓦斯涌出量较小。4.2.2 支架架型选择以及基本参数的确定 液压支架的架型选择 选型原则 ：支架选型应使支架支护强度与采面矿压相适应，支架结构与煤层赋存条件相适应，支护断面与通风相适应，液压支架与采煤机、输送机等设备相匹配。 选型主要依据：所选采面的煤层状况，顶底板及采区的地质条件，以及各不同的支架类型所具有的不同的性能和特点。 影响架型选择的因素1）顶板直接顶的类别与老顶的级别对支架选型起主导作用。在回采工作面顶板分类方案中给出了不同顶板条件下液压支架架型选择的建议。 一般，顶板愈不稳定，应选择支撑合力愈靠近煤壁、顶板愈短、顶梁前端支撑力较高的支架型式。例如支撑掩护式或支撑式掩护支架等，一般采用即时支护方式。必要时应设置铰接或可伸缩的前探梁等装置，以保证较小的梁端距；架间有较完善的挡矸密封装置。相反，顶板愈稳定，一般老顶来压也明显，则应选择顶梁后端支撑力较高的架型。例如支撑掩护式或支撑式支架。必要时，可采用滞后支护方式和比较简单的架间密封。对坚硬难冒顶板则应使掩护梁尽可能陡立，支架应有抗冲击措施。2)底板A 底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支撑面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压（对于砂岩底板，允许比压为1.962.16MPa，软底板为0.98 MPa左右）。如果尖端比压大于容许比压，则需要改变支架结构参数或另选架型B 对于松软底板，可以考虑如下建议：a 在配套设备许可情况下，采用插腿式掩护支架。b 一般不宜采用分体底座、靴式底座等。只有在采用底座抬起装置和措施时，才可以考虑用分体底座。3)煤层厚度A 厚度超过2.5，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。B 厚度达到2.5m至2.8m以上时，需要选择带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，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。C 假顶分层开采，应选用掩护式支架。4) 煤层倾角A 倾角在10度至15度（支撑式支架取下限，掩护式支架和支撑掩护式支架取上限）以上时选用带有防滑装置的支架。B 倾角在18度以上时，应选用同时带防滑防倒装置的支架。5）底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板的允许比压。 为了移架容易，设计时要使支架底座前部比后部比压小。6）瓦斯含量对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风断面较大的支撑式或支撑掩护式支架。7）地质构造断层十分发育，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在5-8平方米和20分钟以下时，暂时不宜使用综采。8） 设计成本在同时允许选用几种架型时应优先选用价格便宜的支架。支撑式支架最便宜，其次是掩护式，最贵的是支撑掩护式支架。液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学性能能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。具体选择可根据原煤炭部（81）煤科字第429号文件关于试用缓倾斜煤层工作面顶板分类和已知条件来选取架型。按表4-1根据老顶级别和直接顶类别来确定支架架型，再根据老顶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的支护阻力（或叫支架的工作阻力）。表4-1液压支架架型选择参数老顶级别直接顶类别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）支掩（采高大于2.5m）液压支架支护强度KN/M2采高1米2941.3*2941.6*2942*294应结合深孔爆破,软化顶板等措施处理采空区.采高2米343（245）1.3*343（245）1.6*3432*343采高3米441（343）1.3*441（343）1.6*4412*441采高4米539（441）1.3*539（441）1.6*5392*539注: 表中括号内的数字系掩护式支架顶梁上的支护强度。 1.3、1.6、2 为增压系数。 表中采高为最大采高 5 液压支架的整体结构尺寸设计5.1支架高度、支架间距、底座尺寸的确定5.1.1支架高度的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的变化因素来确定，其最大与最小高度为： H h + s1 H h s2 a b式中：H 支架最大高度H 支架最小高度支架最高位置时的计算高度；支架最低位置时的计算高度；h 煤层最大厚度（最大采高）h 煤层最小厚度（最小采高）掩护梁上铰点至顶梁顶面之距；取100mm；后连杆下铰点至底座底面之距；取200mm；s1 考虑伪顶，煤皮冒落后仍有可靠处撑力所需要的高度，一般取200-300mm；s2 顶板最大下沉量，一般取100-200mm；a移架时支架的最小可缩量，一般取50mm；b 浮矸石、浮煤厚度 一般取50mm。根据已知设计条件可确定支架最大支撑高度和最小支撑高度：H 2000+250=2250mm 取H=2300mmH1500 150 50 50=1250mm 取H=1200mm5.1.2 支架伸缩比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，垛式支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式支架为2.5；掩护式支架可达3。一般范围是1.5至2.5，煤层较薄时选大值。但考虑尽量减轻支架的重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶板的适应性，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。5.2 支架间距和支架宽度5.2.1 支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，按下式计算 b=B+nc式中：b支架间距（支架中心距），B每架支架顶梁的总宽度，c相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙，n 每架所包含的组架或框架数，整体自移式支架n = 1；整体迈步式支架n = 支架节数。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溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间,所以除节式和迈步式支架外，支架中心距一般为1.5m。本设计中取支架间距（支架中心距）为1.5m。5.2.2 支架宽度支架宽度是指顶梁的最小与最大宽度。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的侧护板，侧护板的行程一般取为170-200mm，当支架的中心距为1.5m时，最小宽度一般取为1400-1430mm,最大宽度一般取1570-1600mm。当支架的中心距为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，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度取1150-1180mm，最大宽度取1320-1350；如果顶梁不带活动侧护板，则宽度一般取1150-1200mm。本次设计中所选择的最小支架宽度为1400mm，最大宽度为1580mm。5.3 底座主要尺寸底座是将顶板压力传递到底版和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：支架对顶板的接触比压要小；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倍的移架步距（一个移架步距为0.6m），即2.1m左右。本设计取底座长度为2240mm， 根据近似架型的比较取底座宽度为1300mm。底座长度L2L2=2240mm.底座宽度底座宽度为1300mm.5.4 梁端距的确定梁端距即移架后梁端到煤壁的距离，通常指不考虑煤壁片帮、煤壁歪斜或移架不足等因素影响的理论值。生产实践证明：决定支护效果的是顶梁前端到煤壁的距离，即梁端距越小，即使冒顶洞穴也不多。对于破碎顶板，梁端距不应超过100mm，但实际上很难实现。我国综采实践认为：梁端距的大小对支架前顶板的冒落情况有很大影响，尤其是破碎顶板，梁端距过大，会使顶板难以控制。但是，梁端距过小则易产生采煤机滚筒割顶梁事故。因为在输送机向采空区方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或运输机推移量不足时，采煤机的上滚筒和顶梁之间的距离就会减少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250300mm，最大不超过400mm，本设计中选取梁端距为320mm。6液压支架部件设计6.1 掩护梁和四连杆机构的设计6.1.1 四连杆机构 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，其一是当支架由高到低变化时，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；其二是使支架能承受较大的水平力。下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些几何特征是四连杆机构动作过程的必然结果。 支架高度在最大和最小范围内变化时，如图6-1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好在30mm以下。 支架在最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图6-1所示,应满足如下要求:支架在最高位置时,P=520620,Q=750850;支架在最底位置时,为有利矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知,要求tgPW,如果纲和矸石的摩擦系数W=0.3,则P=16.70.而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离,防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般去Q=250300，在特殊情况下需要角度较小时，可提