毕业设计（论文）-ZF6400-17-32放顶煤液压支架设计.doc

山东科技大学学士学位论文摘 要放顶煤液压支架是综合机械化综采工作面的不可或缺的支护设备之一，其性能的好坏直接影响采煤工作面以及工作人员的安全与否。在传统的放顶煤液压支架的设计过程中，对初始化参数的处理和二维CAD绘图是主要的设计途径。本文则将放顶煤支撑掩护式液压支架的设计与四连杆优化、三维建模与装配、运动仿真与分析结合在一起进行研究，以求达到减少支架生产周期和研发成本，提高支架质量和生产效率的目的。本文的研究重点在于：在对放顶煤支撑掩护式液压支架（四连杆机构）的优化设计的基础上，运用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0对其进行三维建模，然后运用其运动仿真模块(MECHANISM)实现放顶煤支撑掩护式液压支架升、降柱和挑梁运动过程的动态仿真与分析。分析结果表明优化设计的结果、建立的模型和设置的仿真参数正确，无运动干涉区域，顶梁前端轨迹符合近似双扭线的要求。关键词：放顶煤液压支架；四连杆机构； Pro/ENGINEER Wildfire 4.0；运动仿真ABSTRACTThe caving hydraulic support is one of the most indispensable support equipment in the full mechanization coal mining face. Its performance will impact the safety of the comprehensive mechanization coal mining face and the staff.Initialization parameters for the processing and two-dimensional CAD design drawing is the main ways in the traditional design process of the caving hydraulic support. However, this article will connect the design of the caving hydraulic supports of support cover type with the optimization of the 4 linkage mechanisms, three-dimensional modeling and assembly and the motion simulation and analysis and research so as to reduce the production cycle R & D costs and improve quality and production efficiency. The focus of this articles research is that utilizing Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 three-dimensional modeling based on the optimal design of the caving hydraulic supports of support cover type (4 linkage mechanisms). Then, utilizing motion simulation module (MECHANISM) to achieve the realization of hydraulic support bracket cover up, down and pick column, beam loading process of the caving dynamic simulation and analysis. The results show that the results of optimum design, the establishment of the model and the simulation parameter settings correct, no movement to interfere in the region, the top beam similar to the front of the track in line with the requirements of double-twisted wire.Keywords: Hydraulic support; four connect pole organization; Pro/ENGINEER Wildfire 3.0; simulation目 录引言1第一章 放顶煤液压支架概述21.1 放顶煤液压支架发展历史21.2 放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架51.2.1 放顶煤液压支架的分类71.3 低位放顶煤的组成81.3.1 低位位放顶煤液压支架的组成91.4 液压支架的工原理131.5 液压支架的类型和结构181.5.1 支撑式支架181.5.2 掩护式支架（如图1.5.2）191.5.3 支撑掩护式支架（如图1.5.3）211.6 液压支架的支护方式211.7 采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数241.7.1 采煤工作面对液压支架的设计要求24第二章 放顶煤液压支架的选型242.1 液压支架设计的基本参数242.1.1 主要任务252.2 液压支架的设计252.2.1 液压支架的选型25第三章 液压支架的整体结构尺寸设计283.1 液压支架高度的设计283.2 支架中心距，宽度和底座长度的确定293.3 支架四连杆机构的确定303.4 顶梁主要参数的确定53第四章 放顶煤液压支架主要结构件设计554.1 顶梁的设计574.2底座的设计574.3 掩护梁和连杆的设计584.4 四连杆机构594.5 放煤口及放煤机构的设计604.6 立柱614.7 推移装置624.8 侧护板的结构和型式654.9 柱间距和筋板配置66第五章 液压支架受力分析685.1 设计要求685.2 放顶煤液压支架基本技术参数的确定695.3 支架的受力分析与计算825.4 顶梁载荷分布895.5 底座接触比压915.6 支护效率92第六章 顶梁强度校核946.1 顶梁强度校核956.2 掩护梁强度校核1006.3 底座强度校核1056.4 前连杆强度校核1116.5 后连杆强度校核113第七章 液压支架液压系统设计1167.1 液压支架的液压系统的简介1167.1.1 液压支架传动系统的基本要求1167.1.2 液压支架的液压传动特点1177.2 液压支架的液压系统拟定1187.2.1 立柱系统的拟定1187.2.2 千斤顶系统1207.2.3 支架液压阀1217.3 液压系统的验算1227.3.1 验算泵到液压缸回路中的压力损失1237.3.2 管路系统总压力损失及压力效率124第八章 液压支架运动仿真1248.1 基本概念1248.2系统仿真的应用1258.2.1 从局部阶段仿真到全生命周期仿真1258.2.2液压支架仿真分析1268.3 实体的创建127附录一146翻译部分146英文原文（见参考文献19.P157）146中文译文154161引言我国煤炭储量十分丰富，1979年世界能源会议估计我国煤炭资源为15000亿吨。从采煤工艺看，我国1972年开始装备综合机械化采煤，至1990年已经达到29.8%。当时对厚度在3.55米的煤层多采用一次采全高工艺，特别是大采高支架，平均单产可超过3万吨，最高超过6万吨，最高月产142211吨。然而，对于厚度大于5米的特厚煤层的开采，存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题，尽管分层开采技术较为成熟，但其成本高、工序多，影响效率。第一章 放顶煤液压支架概述1.1 放顶煤液压支架发展历史 支架的作用不仅是支护顶板、保证安全，而且要有效的控制顶板、提高效率。综放工作面的产量不仅取决于煤层、采运设备、综放支架，而且还取决于知己控制顶板、顶煤的能力和效果。放顶煤液压支架是综合机械化放顶煤开采最重要的机械设备。它的发明和应用，使放顶煤开采技术从高落式进入一个全面机械化的新的发展阶段。放顶煤工作面由液压支架实现可靠、快速地支护和放煤，采用采煤机采煤，使厚煤层全厚开采在安全、可靠的工作条件下进行，保证了工作面实现高产高效。前苏联研制的KTY型掩护式放顶煤液压支架是世界上最早的放顶煤液压支架之一。此后，法国研制出尾梁呈“香蕉”形的用于放顶煤开采的支撑掩护式放顶煤液压支架，如图1所示。自20世纪70年代开始，法国、前联邦德国、英国等国家陆续研制成功了开“天窗”的支撑掩护式或带插板的支撑式放顶煤液压支架（图2、图3）。英国研制开“天窗”式放顶煤支架如图2所示，该支架在掩护梁上开了放顶煤“天窗，由液压千斤顶控制开关，“天窗”附近装有搅动杆，以便于对顶煤进行二次破碎。掩护梁上还钻有眼孔，在煤硬不落时钻空爆破。20世纪80年代初，匈牙利研制成功放顶煤掩护式支架，结构如图3所示，采、放顶煤均用单一的输送机运输。1982年，我国首次由煤炭科学研究总院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设计，郑州煤矿机械厂生产制造了FY400-14/128型放顶煤液压支架，如图4所示。在此后的几十年里，我国设计、研制了数十种放顶煤液压支架，从仿制东欧的高位放顶煤至支架，西欧的多种类型中位及低位放煤支架，到后来自己设计，如图5，图6所示。郑州煤矿机械厂在铺底网支架基础上，首创的新一代四柱、四连杆、双输送机、短尾梁、低位放煤支架使用的成功，标志着我国放顶煤支架研制工作走上了独立创新的道路。这种支架由于采用后四连杆短尾梁结构，因此支架的稳定性好，强度大，工作可靠。采用低位放煤明显的减少了工作面粉尘，减少了煤损，取得很好的效果。在此类放顶煤支架架型逐渐统一后，又陆续研究出了几种新的低位放煤支架，形成了我国具有自己特点的放顶煤支架系列。兖州矿物局东滩煤矿使用国产放顶煤液压支架，创造了年产550万吨的高产纪录，标志着我国放顶煤液压支架技术已处于世界先进水平。1.2 放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架放顶煤采煤方法，就是在开采煤层的底部，或在特厚煤层中部位置，布置采煤工作面，利用工作面矿山压力的作用或辅以爆破等方法，将顶煤破碎并促使其垮落，而后将垮落的顶煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放顶煤采煤方法在很早以前就用于开采厚煤层。如我国以前使用过的高落式采煤法就属于这种采煤方法。在当时，放顶煤开采是不正规的，完全手工式的，而且煤炭损失特别大，长期以来受到严格限制。还有仓储式采煤法、仓房式采煤法也都属于早期的放顶煤开采方法。随着煤炭开采技术的发展，特别是煤矿支护设备的发展，放顶煤采煤法已经发展成为一种正规的采煤方法。我国综采放顶煤开采开始于1982年，是由郑州煤矿机械厂、煤炭科学研究图 1.1 低位双运输机放顶煤综采示意图1放煤口；2前输送机；3后输送机总院北京开采所、沈阳煤研所共同研制的FY40014/28中位放顶煤支架在沈阳局蒲河矿安装试验；10多年来得到了迅速的发展，截止到1993年，已经在13个省的26个矿务局59个工作面使用，达到了日产万吨，月产31万吨，年产253万吨的生产水平，成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。实践证明，在特厚煤层开采中，采用放顶煤开采较分层开采等具有明显的优越性，主要有：（1）、煤层掘进量小，掘进费用低、缓和了采掘关系；（2）、减少了搬家倒面次数，节省了综采面设备搬迁、安装的工作量及费用；（3）、较分层开采减少了铺网工序、材料、工资及巷道维护费用等；（4）、对急斜厚煤层，较普通法开采的工作面产量提高13倍；（5）、提高了煤炭的块炭率，增加煤炭的售价；（6）、减少了设备的运行费，特别是采煤机，相对减少了吨媒设备折旧费或租赁费；（7）、有利于矿井的集中控制，实现减面、减人、提高工效的目的；（8)、提高劳动生产率，降低成本，比一般回采工效提高25倍，经济效益十分显著，吨媒成本一般降低820元/吨。基于上述原因，我国放顶媒液压支架从1984年至1992年上半年已发展到42套，32个品种，占世界总数的66。当然，放顶煤开采也有急待解决的问题，主要是：（1）、煤尘大，比分层开采高出13倍，甚至更高；（2）、回采率偏低，一般在80左右，造成一定的煤炭损失；（3）、自然发火的问题尚未得到很好的解决；（4）、对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大，有局部积聚的危险。因此，煤炭工业部提出要有试点地进行，稳步发展的方针。然而有于放顶煤开采的优点十分突出，并对存在的问题逐步得到解决的同时，使这一新的特厚煤层的开采工艺从东北、西北迅速扩展到华北，1992年初又推广到华东四个矿务局，并首先在兖州兴隆庄矿创出了月产11万吨的好成绩（1994年月产已达25万吨），可以预计，今后将会更快地发展。1.2.1 放顶煤液压支架的分类按与液压支架配套的输送机的台数，放顶煤液压支架可分类如下： 插底式 单输送机 不插底式 放顶煤液压支架 单铰接式 开天窗式 双输送机 四连杆式 前四连杆式 插板式 中四连杆式 后四连杆式按放煤口位置，放顶煤液压支架可分类如下： 高位（单输送机开天窗式） 放顶煤液压支架 中位（双输送机开天窗式） 低位（双输送机插板式）1.3 低位放顶煤的组成+序号部件功能例子1承载结构件承受并传递顶板载荷作用的结构件顶梁、掩护梁、底座、千斤顶2动力油缸用液体做介质可以主动产生作用力，实现各种动作的油缸 立柱、各类千斤顶3控制元部件操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压元部件操纵阀、单向阀、安全阀及管路、液压元件4辅助装置不直接承受顶板载荷，而实现支架某些动作或功能所必须的装置 推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置5工作液体传递能量的工作液压介质 乳化液1.3.1 低位位放顶煤液压支架的组成一、顶梁用途：1、用于支撑维护控顶区的顶板；2、承受顶板的压力；3、将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求：1、顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；2、顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；3、顶梁对顶板的覆盖率高；4、顶梁能适应顶板的起伏变化。二底座用途：1、为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础；2、与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构；3、将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：1、底座应有足够的强度和刚度；2、底座对底板的起伏变化适应性好；3、底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板；4、底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；5、底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。三立柱用途：1、支撑顶梁，承受载荷的作用；2、调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；3、立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。四掩护梁用途：1掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座；2掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩；3掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。五活动侧护板用途：1、消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；2、作为支架移架过程中的导向板；3、防止支架降落后倾倒；4、调整支架的间距。 六、放煤板 主要用于放下顶煤。七连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。其四连杆机构的作用：1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能；2、能承受较大的水平力。八操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；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的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动1.4 液压支架的工原理 放顶煤液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图1.4所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。图1.4 液压支架的基本工作原理1顶梁；2立柱；3输送机；4安全阀；5液控单向阀；6、7操纵阀；8乳化液泵；9推移液压缸；10底座；11后连杆；12前连杆；13掩护梁图1.4.1液压支架工作特性曲线一支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1、初撑操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。2、承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。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。 3、卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。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。（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，立柱下腔的压力增加，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，立柱下腔的压力达到初撑力，此阶段称为初撑阶段 t。，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)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，立柱下腔的压力增加，直到增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔的压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段t0。（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，立柱下腔的压力降低，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t2。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。支撑式支架的工作阻力为 （2.1）式中 Pa -支架安全阀的调定压力 MPa；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 F支架的支护面积，m2。二、支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.5 液压支架的类型和结构 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（图1.5.1 a）和节式支架（图1.5 .1b）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。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。(a) (b) 图1.5.1支撑式支架结构形式 垛式支架 节式支架1.5.2 掩护式支架（如图1.5.2）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。图1.5.2 掩护式液压支架结构图1.5.3 支撑掩护式液压支架结构 1.5.3 支撑掩护式支架（如图1.5.3）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1.6 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，可形成液压支架的种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。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，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。1. 即时支护图1.6.1 即时支护“三机”配套关系一般循环方式为：割煤移架推溜，工作面“三机”的配套关系如图1.6.1所示。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。工作面“三机”的配套关系如图1.6.2所示。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。图1.6.2滞后支护“三机”配套关系3复合支护一般循环方式为：割煤支架伸出伸缩梁推溜收伸缩梁移架。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。1.7 采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数1.7.1 采煤工作面对液压支架的设计要求为了满足长壁工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求：1.能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2.保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3.应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4.能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。5.最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。第二章 放顶煤液压支架的选型2.1 液压支架设计的基本参数（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100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN-150KN，中厚煤层一般为150KN-250KN，厚煤层一般为300KN-400KN。（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，能够承受一定得不均匀载荷和冲击载荷。（10） 满足强度条件下，尽可能的减轻支架重量。（11） 要易于拆卸，结构要简单。（12） 液压元件要可靠。2.1.1 主要任务毕业设计名称：ZF6400/17/32放顶煤液压支架的设计参数如下：（1）要求工作阻力6400KN。（2）支架最大高度3.2m，支架最小高度1.7m。（3）煤层倾角20 , 瓦斯涌出量大。（4）老顶级别级，直接顶级别级。本次设计主要工作如下：液压支架的选型、整体结构的设计、结构件的设计、受力分析、强度计算、液压系统设计、装配和运动仿真分析。2.2 液压支架的设计2.2.1 液压支架的选型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应矿井和工作面条件，投产后能做到高产，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、技术和设备条进行选择。1 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。2 当煤层厚度超过1.5m，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。3 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。煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩立柱的支架。4 应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。5 煤层倾角10时，支架可不设防倒防滑装置；1525时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置；25时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。6 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。7 当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤时，支架最大采高一般3.5m；硬煤时，支架最大采高5m。8 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。9 断层十分发育，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在58m2，时间在20min以上时，暂不宜采用综采。本次设计的放顶煤液压支架为ZF6400/17/32低位插板式放顶煤液压支架。根据MT5531996缓倾斜煤层采煤工作面底板分类标准和MT5541996缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类标准可知，该支架应设计为强力支撑掩护式液压支架。表2.3.0适应不同类级顶板的架型和支护强度老顶级别直接顶类别12312312344架型 掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑掩护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采高2.5m时用支撑式采高2.5m时用支撑掩护式支护强度KN/M支架采高m12941.32941.62942294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区2343（245）1.3343(245)1.634323433441(343)1.3441(343)1.644124414539(441)1.3539(441)1.65392539注：（1）表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。（2）1.3、1.6、2为增压系数 第三章 液压支架的整体结构尺寸设计3.1 液压支架高度的设计1）支架的高度和伸缩比 3200 支架最大高度（mm） 1700 支架最小高度（mm） 调高范围为1500mm2）伸缩比为：m m=1.883.2 支架中心距，宽度和底座长度的确定1）所谓支架中心距，就是相邻两支架中心线间的距离。式中 支架中心距每架支架顶梁总宽度相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙每架所包含的组架或框架数支架间距一般为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。本次设计取支架的中心距为1.5m。2）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。支架顶梁上装有活动侧护板，侧护板的行程一般为170200，取200.当支架中心距为1.5m时支架的最小宽度，一般为14001430，取1400；支架的最大宽度，一般为15701600，取1600。3）底座是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑以下几个方面：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，支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本次设计底座为2600mm3.3 支架四连杆机构的确定四连杆机构是支撑掩护式支架的最重要部件之一。其作用主要是，第一，当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使得支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使得支架顶梁前端点和煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能。第二，使支架的受力条件更好。四连杆机构设计要求:1.支架高度在最大和最小范围内变化时，如图3.3.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于70mm，最好为30mm以下。2.支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与底平面的夹角，如图3.3.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，5262，7585；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，如果钢和矸石的摩擦系数=0.3，则=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使25为宜。而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。一般取2530，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。3.从图3.3.1中可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为。设计时，要使角满足的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。4.应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2.1所示的段。其原因为当顶板来压时，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，又可以使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，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。从以上分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以了，如图3.3.2 。图3.3.1 四连机构几何关系图3.3.2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构四连杆机构的设计：四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计鉴于各种方法的优缺点，采用了计算机求解的方式来求解。1.目标函数的确定为了减少附加力，必须使得有较小值。同时，为有效的控制顶板，要求支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。2.四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征，如图3.3.3所示。（1）支架在最高位置时，5262度，即：0.911.08弧度；7585度即1.311.48弧度；支架在最低位置时，保证。（2）后连杆与掩护梁的比值，支撑掩护式为I = 0.610.82。（3）前后连杆上绞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mm以下。（5）支架在最高位置时的应小于0.35，在优化设计中，支撑掩护式支架应小于0.2。3.四连杆机构各部尺寸的计算四连杆机构各部参数如图3.3.3所示，图中的为支架在最高位置时的计算高度。 图3.3.3 四连杆机构参数图(1)后连杆与掩护梁长度的确定如图3.3.3所示 ，掩护梁长度G为： （1）后连杆长度为： （2）取I1=0.25，前后连杆上绞点之距为： （3）前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为： （4）从式（1）至式（4），可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对变量规定相应的步长如下：的步长为0.034弧度；的步长为0.034弧度；的步长为0.02；的步长，支撑掩护式为0.042。 （2）后连杆下绞点至坐标原点之距为，如图3.3.4所示图3.3.4 四连杆机构几何关系（3）前连杆长度及角度的确定 当支架高度变化时，掩护梁上绞点的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽度和角尽量小，可把点的轨迹视为理想直线，当然实际上并非如此。但是，我们可以做到支架高度变化时，有三点在一条直线上，如图3.3.4所示，即：支架在最高和最低以及中间某一位置的三点。当支架的最高和最低位置确定后，在直线上的最高和最低点就确定了。根据设计经验，当点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连杆与掩护梁的夹角由大于90到小于90变化，在夹角变化过程中，一定有一位置使后连杆与掩护梁呈垂直状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位置的点。1）点坐标当支架在最高位置时的计算高度为时点的坐标为： （5） （6）2）点坐标支架在最低位置时的计算高度为，此时的坐标为： （7） （8）根据四连杆机构的几何特征要求，支架降到最低位置时，取，即0.436弧度。根据几何关系为： （9）E1=G*COS(P1)-A*COS(Q1)3）点坐标当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，点坐标为： （10） （11）式中P由下式进行计算：