液圧支架的设计_大学学士学位论文

摘要本课题主要论述了液压支架的主要设计过程。其中包括液压支架的选型、总体设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑，还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理的液压支架受力参数、运动参数和结构参数，以及选定液压支架最佳方案等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手，然后进行总体结构设计以及校核。关键词液压支架；顶梁；底座；立柱ABSTRACTTHEARTICLEMIANLYELABORATETHEHYDRAULICSUPPORTDESIGNFORTOPCAVINGINCLUDESTHESELECTIONOFHYDRAULICPRESSURESUPPORTFORM,SYSTEMDESIGN,MAINSPARPARTDESIGNANDEXAMINATIONOFHYDRAULICSYSTEMDESIGNTHESUPPORTELIMINATESMUSTREALIZEEFFECTIVELYCARRIESONTHESTRUTTOTHEROOF,BUTALSOMUSTREALIZE,TOFALL,TOPUSH,MOVEFOURSTEPSTHESUPPORTUSESFOURLINKMOTIONGEARS,IMPROVESTHESUPPORTTHESTRESSCONDITION,REDUCESTHESUPPORTTORISEANDFULLTHEDISTANCEWHICHINTHEPROCESSFORTENDTHETOPBEAMAROUNDMOVESTHECOLUMNUSESTHELISTEXPANSIONANDCONTRACTIONHYDRAULICCYLINDER,FRONTENDHASLEGTHENSTHEPOLE,SATISFIESTHESUPPORTTOBELOWESTANDTIMETHEHIGHESTPOSITIONHIGHREQUESTTHETOPBEAM,SHIELDSLIANG,THEFOUNDATIONALLMAKESTHEPACKEDINABOXBODYSTRUCTURE,BECOMESWITHTHESTEELPLATEWELDINGATRESEARCHTOPRESSESTHESUPPORT,NEEDTOCARRYONPRODUCETOEXPERIMENTANDANALYZETHERESEARCH,MAKESUREREASONABLEOFLIQUIDPRESSESTHESUPPORTTOBESUBJECTEDTOTHEDINTPARAMETER,THESPORTPARAMETERANDTHESTRUCTUREPARAMETERS,ANDMAKESELECTIONTHELIQUIDTOPRESSTHESYNTHETICSCIENCETECHNIQUEPROBLEMOFASPECTOFETCOFTHEBESTPROJECTOFSUPPORTTHISDESIGNMAINLYTHISHANDFROMTHEWORKPRINCIPLEOFTHESUPPORT,THENCARRYONTHETOTALSTRUCTUREDESIGNANDSCHOOLPITSKEYWORDHYDRAULICSUPPORT；TOPBEAM；CRADLE；COLUMN目录摘要IABSTRACTII1绪论111国外液压支架现状112我国液压支架的技术现状213本课题的研究目的和意义62概述821液压支架的工作原理822对液压支架的基本要求1123支架的选型设计113液压支架的整体结构设计1531支架高度、中心距和底座长度的确定1532四连杆机构的设计174顶梁的设计2141顶梁形式的选择2142顶梁的设计225支架主要技术参数确定2851支护面积2852支护强度2853确定立柱的技术参数2954千斤顶技术参数的确定336支架受力分析与计算3861受力计算3862顶梁载荷分布4263支架其他计算447液压支架的强度校核4671强度条件4672前梁强度校核4673主顶梁的校核5074掩护梁强度校核5575底座强度校核588液压系统设计6281液压系统的作用及特点6282液压系统的设计方法6383千斤顶系统639技术经济分析6810结论69参考文献70致谢71附录721绪论我国的煤层储量多,分布范围广,赋存条件复杂,分布在13M35M、倾角在25度以下,处于中稳及中稳以下顶板条件下的煤层,其产量约占总产量的86。我国的综采工作面绝大部分分布在缓倾斜中稳及中稳以上顶板的中厚煤层,而其它条件下的煤层,现有的液压支架适应性差,使用效果不理想。就全国来说,由于地质条件复杂和资金不足等原因,虽然经过十几年的努力,综采程度仍只有21,而国外发达国家综采程度一般已达7080。从我国近几年的支护改革来看,投资巨大的综采发展十分缓慢,而单体液压支柱工作面却有了大发展,少数矿区已基本上实现了单体液压支柱化。我国综采液压支架的推广使用,目前还存在许多亟待解决的问题。11国外液压支架现状80年代以来,世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力,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研制。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,采煤机装有红外线传感装置,立柱缸径超过400MM。为减少割煤时间,一般采用081M的截深。支架还采用屈服强度8001000MPA的钢板,既有较高的强度、硬度和韧性,又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加,为适应快速移架的需要,国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站,其额定压力为4050MPA,额定流量400500L/MIN,可实现工作面成组或成排快速移架,达到68M/S。美国是世界上最先进的采煤国家,早在1990年就已采用额定压力50MPA、额定流量478L/MIN的乳化液泵站,以实现支架快速推进,移架速度达68S/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架,使用寿命810年,可用率高达9598。支架平均工作阻力6470KN最大为9800KN,支架宽度普遍增大,中心距达到175M,并向2M发展,增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20英里矿在2505280M长壁综采面用工作阻力为28565KN电液控制两柱掩护式支架,1997年6月产商品煤9043万吨,成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面；1995年9月,糜鹿矿用工作阻力为8900KN电流控制的两柱掩护式支架,月产煤达到6011万吨。美国综采工作面最高日产超7万吨,最高工效1336吨/工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产,使用两柱掩护式支架,支架的平均工作阻力为7640KN。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架,在1995年8月8日创下澳大利亚有史以来日产341万吨的最高记录,班产一直保持在50006000T。英国也在大力发展两柱掩护式支架,工作阻力有了很大提高，达到60008000KN。12我国液压支架的技术现状我国在1964年由太原分院和郑州煤机厂设计70型迈步式自移支架,从此开始了液压支架的国产化道路。1984年,北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验,继而研制了多种低位、中位和高位放顶煤支架,成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。1990年后,国产液压支架得到了全面的发展,到1998年止,全国已建成88处高产高效矿井,其中14处矿单个工作面的单产达1572万吨/月,原煤生产人员效率达916吨/工,综采机械化水平达4932,达到了世界先进水平。1我国液压支架的基本架型1ZZ系列支撑式支架该系列支架切顶能力强,稳定性好,支护强度大,易于操作。支架的工作阻力为200010000KN,支架高度0947M,一般在工作面倾斜15以上时配防倒防滑装置。支架的结构特点为立柱呈X、V型布置,两柱支顶、两柱支掩或四柱支顶顶梁为整体、楔型或铰接型,有前伸缩梁或挑梁有长短两种掩护梁底座有整体分体、半钢性分离底座,可设抬底座机构单侧活和双侧活侧护板或不设侧护板,侧护板有全封闭或半封闭两种,型式为直推式或合页式本架或邻架操作。2ZY系列掩护式支架该系列支架采高范围大,支架长度短,相对成本低,操作灵活。支架的工作阻力为18006000KN,支架高度07538M。其结构特点为两立柱支顶,个别有另一柱支撑掩护梁代替平衡千斤顶整体和铰接或楔型顶梁,有前挑梁或伸缩梁；整体分体、半钢性分离底座,设抬底座机构；本架或邻架操作。2不同采煤方法中使用的国产液压支架1缓倾斜厚煤层一次采全高支架大采高支架总共10余种,大多为ZY型掩护式支架,少数为ZZ型支撑式支架,支架高度25M,工作阻力320010000KN。支架结构特点各铰接孔间隙小、制造精度高、支架稳定性好,支架侧推力大,充分考虑防倒防滑,有调架机构,有很好的护帮机构,一般有伸缩梁,能即时支护和防片帮,多为本架操作。2缓倾斜薄煤层液压支架由于薄煤层支架对其空间有严格要求,所以整体顶梁尽可能薄且较长推杆中长；立柱可以X型布置支架前部有宽度不少于500MM的空间,从而保证行人安全；邻架操作。3大倾角煤层一次采全高液压支架对倾角为2545的煤层来说,液压支架应有较大初撑力和工作阻力,各铰接孔间隙要小,制造精度要高,以保证支架的稳定。支架应有可靠的防倒防滑和调架装置,活动侧护板应有较大行程和推力,支架与采煤机道之间需设防砸安全挡板,底座应设脚踏板或扶手。这种支架多为ZY掩护式,邻架操作。4厚、特厚倾斜煤层分层铺网支架架型为ZZ支撑式、ZY掩护式和垛式,有铺顶网和铺底网之分,可采用架前铺联网或架后铺联网方式,机械或手工操作,其中手工联网又分横联和竖联两种方法。这种支架的特点是工作阻力稍大、掩护梁和底座中有充足的空间,便于使用。多为本架操作。5特厚煤层放顶煤液压支架A高位放顶煤支架放顶煤支架按放煤位置可分高位、中位和低位三种。高位放顶煤支架高度1535M,工作阻力20005600KN,为邻架操作,也可用于缓倾斜和倾斜特厚煤层水平分层开采。支架结构特点顶梁较小,为小托梁,有伸缩梁或小挑梁掩护梁较长,开天窗,上面有放煤槽,放煤角度大于35前立柱为两柱或单柱,后立柱为单柱、三柱或两柱,均支撑在掩护梁上,为便于增大放煤角度和放煤窗口,另可设置一根立梁；托梁侧护板多为双侧活动式,若是硬煤则需设钻机钻孔位置。高位放顶煤支架为单运输机式,有单铰接和四连杆两种,底座可插底或不插底。缺点是煤尖大,放煤点高,支架底座前端比压大,放煤时工作面行人受阻,安全出口减少。B中位放顶煤支架该类支架为双运输机式,可用于缓倾斜和急倾斜特厚煤层水平分层采煤。掩护梁开天窗,天窗有插板和回转式两种。四立柱可全部支在顶梁上,或将其中两柱支在顶梁、另两柱支在掩护梁上。连杆型式有单铰接和四连杆两种。邻架操作或部分邻架部分本架操作。该种支架若被用于三软煤层时应采用侧护板全封闭式结构,为了降低对底板比压,底座面积需尽量加大,可采用全封闭或半封闭结构。顶梁分整体和铰接两种,少数带挑梁,一般有伸缩梁,便于立即支护。支架工作阻力为30006000KN,支架高度153M。中位放顶煤支架受力状态好,抗扭能力强,不易倒架,煤尘少。缺点是放煤点高,底座长,调架困难,后运输机置于底座上,位置高,人工清浮煤劳动强度大,且由于掩护梁开天窗,放大块煤时窗口很容易被堵塞。C低位放顶煤支架低位放顶煤支架的放煤口位于掩护梁下方,后部运输机直接放在底板或底座后部的拖板上。由于放煤口三面敞开,不丢脊背煤,回收率相对较高煤尘小,放煤口大,不易堵塞根据要求,可在每组支架放煤口的下风侧和靠工作面一侧各装4个喷头,支架放煤或移架时,本架支架或者相邻支架的喷雾自动打开灭尘。支架顶梁长,反复支撑,放煤效果好,便于维修和操作。该类支架工作阻力为25007200KN,支架高度1435M。其结构特点为整体顶梁或铰接顶梁,有内外伸缩前梁或带前挑梁掩护梁有整体大插板放煤形式摆动或不摆动和带回转小尾梁小插板放煤形式,后者的稳定性和综合性能较好正四连杆和反四连杆,有正常位置和前移两种四立柱大多支撑在顶梁上,少数支撑在掩护梁上整体底座,分不封底、半封底和全封底三种形式,底板软、浮煤多时可考虑用抬底座装置半封闭或全封闭侧护板,顶煤破碎时多用全封闭式煤层倾角大时需设调架和防倒防滑装置。根据各工作面的条件不同,采煤工艺也不尽相同,多数采用两刀一放分段多轮顺序均匀采煤,两刀一放单轮顺序折返补放,以及单轮顺序放煤、单间隔放煤、多轮放煤等,少数工作面采用一刀一放分段双轮顺序放煤工艺。低位放顶煤支架基本上适用于综采各种地质条件的特厚煤层,目前国内已在倾角为037、仰俯采角12左右且煤硬度F0845的煤层中广泛使用低位放顶煤支架,采煤截深多为06M,工作面回收率一般可达90、甚至97,采区回收率86。D轻放支架这种双运输机轻放支架可用于特厚煤层中工作面长度不太规则的断层边角带和残余煤柱的开采,工作阻力为18002500KN,支护强度05058MPA,支架高度1624M,重量57825T,中心距12515M。其结构特点为掩护梁和顶梁为一整体,带挑梁或内伸缩前梁,仰俯采角一般为15连杆为单摆杆整体大侧护板或小侧护板。由于该类支架同时具备放顶煤支架、铺网支架和普通ZZ型支架的使用功能,且重量轻,便于安装、增减和运输,所以使用效果良好。6难采煤层液压支架A三软煤层液压支架该类液压支架要求底座面积尽量大并具备抬底座功能,采用底座半封底或全封底以降低底板比压。顶梁要具备立即支护功能,带伸缩梁或伸缩梁加挑梁,其侧护板应使支架处于全封闭状态,多为邻架操作。B两硬煤层液压支架该类支架多为ZZ型,要求工作阻力大,切顶力大,顶梁为整体、楔型和铰接前梁带挑梁式,掩护梁需尽量短,与水平夹角大,底座为半钢性分体式,安全阀应有足够的流量以抵抗顶板冲击。邻架或本架操作。13本课题的研究目的和意义根据现在国内外发展形势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。为了满足对煤炭增长的日益需要，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。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，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。通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩固和理解。同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。通过自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。2概述21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21所示。123456上升推移7PO图21液压支架工作原理1顶梁；2立柱；3推移千斤顶；4安全阀；5单向筏；6、7操纵阀；211支架升降当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀5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。212支架推移支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶3来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，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。213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。图22支架的工作特性曲线由上可知，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22所示，曲线上的、分别表示支架的初撑、增0T13T阻、和恒阻阶段的时间。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FPQ310MA式中支架的支护面积，F2M22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；KN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，厚煤层一般为250KN400KN。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。23支架的选型设计231设计的原始条件支架的支撑高度14M34M，煤层厚度H3M，煤层倾角最高至15度。老顶级别II级、直接顶II级，支架的工作阻力3200KN，煤层采高18M32M。工作面配套设备采煤机MXA300/35，刮板输送机SGZ730/320。，支护强度、底板抗压强度、泵站压力、安全阀调定压力40MPA。232支架的支护性能与外载荷由液压支架的工作状态可知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力，还受有平行于顶梁的摩擦力。设垂直于顶梁的力为F1，F1由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板的反作用力。为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，概述如下1把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在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、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布。4通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全。5立柱和短柱按最大工作阻力计算。6产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，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，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数W一般取01503。7按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。233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2528M（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。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196216MPA，软底板为098MPA左右。5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。6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20MIN以下时，暂不宜采用液压支架。2M7设备成本在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。234支架架型的确定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，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、采煤高度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。根据煤层厚度3米，属于中厚煤层。支架的适应高度为1434米煤质条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层，根据表21初步选定为掩护式两柱液压支架。表21支架架型的选择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，可根据老顶级别直接顶类别12312312344支撑式采高小于25M时支架类型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式掩护或支撑掩护式掩护或支撑掩护式支撑掩护式采高大于25M时102941302941602942024920343（0245）130343（0245）1603432034330441（0343）130441（0343）16044120441支架支护强度MPA采高M40539（0441）130539（0441）16053920539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区本矿情况允许有的波动范围。5表中13、16、2分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶给出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。3液压支架的整体结构设计31支架高度、中心距和底座长度的确定311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等因素来确定，其最大与最小高度为（式31）1SHHM（式32）2NHM煤层最大采高，N煤层最小采高S1伪顶冒落的最大厚度，一般取0203M顶板最大下沉量，一般取100200MM2移架时支架的最小可缩量，一般取50MMA矸、浮煤厚度，一般取50MM本设计采高1832M,取支架高度为1434M312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（式NMH33）代入数据得M233。313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（式34）3CMBBNC式中支架间距（支架中心距）；CB每架支架顶梁总长度；MB相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；3CN每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架。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CB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帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为15M,千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为15M。本次设计取支架的中心距为15M。314底座长度底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。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，液压控制控制装置、推移装置和其他辅助装置；使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度取35倍的移架步距一个移架步距为06M，即21M左右；支撑掩护式支架的底座长度取4倍移架步距，即24M左右。本次设计取底座长21M。315底座宽度支架底座宽度一般为1112M。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13M左右，放顶煤支架为1314M。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300380MM。32四连杆机构的设计321四连杆机构的作用与缺点1梁端护顶鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内时，借此可以保证梁端顶板维护良好。2挡矸鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作用。3抵抗水平力观测表明综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向）的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。4提高支架稳定性鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响322四连杆几何特征（1）支架在最高位置时，5262，即091108弧度；1P7585即131148弧度；支架在最低位置时，保证。QP125（2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I045061支撑掩护式为I061082。（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为02203。I1（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E最大宽度MM以下。70（5）支架在最高位置时的应小于035，在优化设计中，对支撑掩TAN护式支架最好应小于016。323四连杆机构各部尺寸的计算EA图31四连杆机构参数图2作图方法已知条件是支架的最大高度和支架的最低高度。要求在这范围XHMAMINH内掩护梁上下运动时轨迹是一条直线或近似直线。水平偏移量不允许超过75MM。图32四连杆机构1在上图中，先画基线AB向上取，在顶端向下取一定距离XHMAXA（顶梁顶面之掩护梁的铰接轴中线的距离），得到I点。由I点向下取（）的长度得到H点。MINAXH2以AB作为底座的底线，在AB上取一定的长度得B点，由B点向上一定距离得J点，J点作为后连杆和底座的铰接轴。3由H作一斜线HC与水平线成角，必须使。在J点作角，015再取JC一定长度与HC交于C点，C点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。4以J为圆心，JC为半径画一圆弧。以I为圆心，以HC的长度为AB半径画圆弧与AB弧交于E点。C点和E点就是后连杆在支架为最小高度和最大高度时的极限位置。5在CH上取一长度CD，必须使CDDC,这样CD就是最短杆。而且要使CDDG时，载荷呈梯形分布，如图48所示。2LGX顶梁前端比压为MPA（式49）3212106MBLGXFQ顶梁后端比压为MPA（式410）32131064MGXQ由于X077小于所以载荷分布为三角形。L将3242KN，14M，077M代入公式410得顶梁后端比压1FMBX为3QMPA120741323Q63支架其他计算631支护强度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MPA（式411）310CBLGFQ将2084KN，033M，15M代入公式得支架实际支护强度为1FMPA620153091243Q误差为小于误差范围7586/5632底座接触比压计算顶板对支架的巨大载荷有整台支架传到底板，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。（式BLPQAJ412）则平均接触比压为（式6198320JQ413）式中平均接触比压；JQ支架工作阻力；APB底座与底板的接触宽度；L底座与底板的接触长度。结论该底座比压在允许范围内。633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（式414）TPF1将3242，3200代入公式428得支护效率为1FKNTK103204一般要求在支架工作段内，掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90以上。7液压支架的强度校核71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。强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数（如表71所示）表71支架安全系数安全系数前梁底座顶梁掩护梁前连杆N1111111313安全系数后连杆主要轴缸体焊缝活塞杆N13133343341472前梁强度校核721前梁的弯矩计算前梁为由16MN钢板焊接而成的箱体结构，前面连接护帮板，后面与主顶梁铰接，下部焊有耳座连接前梁千斤顶，可上下摆动。前梁前后销孔中心之间的距离为1200MM，宽度为1400MM，厚度为180MM，与前梁千斤顶铰接的耳座孔孔径为70MM，前部也焊有与护帮板千斤顶铰接的耳座。主筋为30MM的钢板，加强板为20MM的钢板。结构如下图71所示假定前梁千斤顶缸体内径先按表72取为125。M表72缸径标准506380100110125140160200210220230250则前梁千斤顶的支撑力为3864APDF24321050KN前梁前端受一集中载荷，其受力图如图71所示P图71前梁受力简图前端集中载荷为19031025COS4386PKN做前梁的受力及力矩图如图72所示图72前梁力矩图由图72可知，在AA断面处的力矩最大，为最危险截面，对AA断面受力校核如下在断面AA处的弯矩为M190310121345MKN前梁做成变断面箱形结构，AA断面如图73所示图73前梁最大弯矩处箱体结构图722前梁强度计算1形心位置各板件的计算数据如表73所示结构件的形心位置为NCFY487213621389515950251CM表73前梁弯矩数据表件号12345数量面积形心位置惯性矩11380511621693401122175102741954220448910242惯性矩2CNNYFJ25196340251038615397451710287904CM3弯曲应力8014/JYMC853790211N2CM4安全系数钢板材料选取16MN，34335N/S2CSN480135N73主顶梁的校核731主顶梁的弯矩计算假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力如图74所示由上面求出F为3242KN，距离铰接点770MM。做主顶梁的受力及力矩图图74顶梁的受力图75顶梁的弯矩由图75可知3200SIN150263200COS1500330807N/MMAXM主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图76所示图76最大弯矩断面图732主顶梁的强度计算1形心位置各板件计算数据如表74所示表74顶梁弯矩数据表件号123456789数量122422221NF2CM1392736278522268403235226256NY082415815815292292292191J4CM2971572133748122110748656564968结构件的形心位置为NCFY815248152746732801391956232934029340215862879314235654CM2惯性矩2CNNYFJ67312348021397314285542495068221253186319224CM（3）弯曲应力KN/98624125380768MAXAX）ZCJYM2CM733安全系数钢板材料选取16MN，S34335KN/2CM满足强度要求。5986243MAXNNS734侧护板抗弯强度设计如图77所示，侧护板从顶梁伸出量为L一般取值为170MM，中间由导向杆和弹簧筒相连支架在井下工作时，常常有作用力作用在伸出的侧护板上，从而对导向杆和弹簧筒产生一个弯矩。图77导向杆和弹簧筒受力如果导向杆、弹簧筒的强度不足，则会出现弯曲损坏。理论上认为P为支架工作阻力对于如此大的作用力，在结构2/PQC设计上很难实现。这样究竞取多少只有通过对现有支架调研来确定通C过对长期使用的侧护板无损坏的支架进行研究发现，在支架侧护板伸出的情况下，当导向杆和弹簧筒的总支撑载荷大于支架工作阻力的1/41/3乃时，导向杆和弹簧筒都没有出现弯曲。因此，当P3200KN时，取,P/5。CQCQ设导向杆的直径为，则导向杆所能抵抗的弯矩为ID3I0982IIM1III1,2,3,N设弹簧筒的外径为。内径为，则弹簧筒所能抵抗的弯矩为JDJDIJJJ42098（J1,2,3,N）为60MM，为130MM为100MMIDJJD因此098214213NJJINIICDDQ式中1导向杆材料许用弯曲应力2弹簧筒材料许用弯曲应力导向杆均采用45号钢，取屈服极限3672MPA。S缸体材料采用27SIMN无缝钢管，取561MPAS将代入上式得CQPKKPDDLNJJINII098214213公式中系数K可按下述方法选取当P3200KN时取K025当P3200KN时取K02,另外也可根据设计者设计思想来确定。如通过计算上式不能成立，则应调整、和的值。IJJD468320167305614023674109843故符合强度要求735前梁与主梁连接处销轴的强度校核前梁与主顶梁用的销轴来连接，个数为两个，材料为M6020CRMO，；前梁与主顶梁的尺寸相同。85SMPA由前面受力分析以得出此处销轴受拉力作用，其拉力为63105COS6222AAYXRKN17463KN21953DW3M前梁与主顶梁的耳座采用相同的尺寸，宽度为278，厚度B为30M,材料为16MN,。则M34SMPA57290651BRMCN13297WNA7506152EFRMP162439314322N合PA安全系数865NS合故销轴符合强度条件74掩护梁强度校核741掩护梁受力情况掩护梁的受力分析如图78所示处理后的力学模型由受力图可以看出掩护梁的危险截面在前连杆与掩护梁铰接处，故需校核此危险截面的弯曲强度。此处截面的弯曲强度为9201435SIN8SIN6MAXGFM2MKN78掩护梁受力分析图主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图79所示3241604875201205145061479最大弯矩断面图742掩护梁强度计算1形心位置各板件计算数据如表74所示表74掩护梁板件数据件号1234567数量1242122面积CM2151290887966882154040形心位置CM0682146153153286276结构件的形心位置为FYNC代入数据得133CMCY（2）惯性矩2FJCNN123ABJN4CM将数据代入公式，算得总惯性矩为3819365783697108540NZ582103CM（3）弯曲应力KN/482358210679637MAXAXZCJYM2CM743安全系数钢板材料选取16MN，S34335KN/2C满足强度要求。924835MAXNNS75底座强度校核751底座受力情况、强度校核底座通过立柱，前后连杆支撑支架的顶梁及掩护梁，是支架的主要承压部件，主要对其压力强度进行校核，基本不受弯矩影响。底座受力如图710所示图710底座受力情况图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出，由得0M0COSSINSINSINCOS321DCCBBAPHPPLPHPLR由上式求得前端的支反力为1）最高位置时的情况COSSINSINSINCOS321DCCBBBBAPPLPLROOO5SIN397015SIN32015CS3219878C4IN604159042MKNBABPHLRMSI21174845CBBBAPHLLCCOSSINCOS3231OO53960491735C9014590140482MKN487OS58COSDDPHMMKN在最低位置时的情况OOOAR13SIN9702SIN3102S319828C54IN604129646MKN831912BM58OOCM13CS960483152CS0321462953MKN7COSDDPHK表75底座数据弯矩位置MBKNMMCKNM最高位置1748514048最低位置159912397由表75中可知，最大弯距发生在立柱的柱窝处。但是柱窝处专门焊接了柱窝，断面加强。危险断面在离柱窝中心250MM处，如图711所示。该处弯距为9812459015ARMMKN最大弯矩处截面如图711图711底座最大弯矩箱体结构图表76形心位置计算数据列于件号123件数411FN2CM80268268JN31056060YN2C09292结构的形心位置为结构的对称轴线。其惯性距为2NYFJ310542296812040517367CM弯曲应力225/345/83290417982CMNCNJMYSC8液压系统设计81液压系统的作用及特点液压支架由不同数量的立柱合千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等功作。虽然支架的液压缸立柱和千斤顶种类、数量很多，但其液压系统都采用多执行元件的并联系统。液压支架的液压传动，与其它机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点加下工作液的压力高管路内的压力达2040MPA，立柱内的压力达3070MPA，流量大350140L/MIN；在液压系统种，采用粘度低和容量大的液体作为工作介质；液压缸、操纵阀，其它调节和控制装置等总的数量大高压泵16台、液压缸3001500个、安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀；泵液压缸传动系统的换算弹性模数较低；根据支架的数目改变液流的参数；所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及它们之间都有相同的连接方式相同的液压系统；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序；为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。这些特点体现了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独地加以研究。82液压系统的设计方法根据液压系统的架型和结构设计，确定立柱和千斤顶数目，并拟定液压系统。带压移架回路如图81所示。在立柱控制阀前面装设一个由移架液路控制的支撑保持阀和一个与立柱活塞杆腔液路相通的截流阀，可时支架带压移架，设计时应考虑在移架时，支架对顶板的支撑力应大于10KN/M。2图81带压移架回路1输送机；2支架；3推移千斤顶；4立柱；5安全阀；6液控单向阀；7制成保持阀；8节流阀83千斤顶系统千斤顶系统包括前梁、平衡、侧推、推移、护帮、防倒、防滑和调架千斤顶。这类千斤顶控制系统一般由油缸上加一些必要的液压阀构成。常用的千斤顶控制回路有如下形式831侧推、调架、防倒系统图82为单作用式，图83为双作用式。图82单作用式图83双作用式832推移千斤顶系统推移千斤顶系统如下图所示。A为单向锁紧回路，B为差动回路，C为千斤顶定压回路，用于辅助移架千斤顶的推力限制在一定范围，在该千斤顶的活塞腔一侧液路上增设一个定压开关阀。当操纵操纵阀时，压力液经分流阀后分成两路一路去推移千斤顶，另一路经定压开关阀去辅助移架千斤顶。当液压力超过定压关闭阀的调整压力时，该阀关闭，切断液路，保证辅助移架千斤顶的推力不超过调定值。833平衡千斤顶系统平衡千斤顶系统一般用双向锁紧限压回路图84所示。图84双向锁紧限压回路834活动侧护板控制方式（1）弹簧机构式。其优点式结构简单，不需要液压元件，但功能较差，不具备调架性能，适应煤层倾角很小的工作面。（2）弹簧与液压无闭锁混合系统。这种方式除弹簧机构外，需装备34个千斤顶及其操纵系统。与第一种方式相比，增加了设备费用，在功能方面并未获得显著的改善。但目前我国煤矿大量的支架式采用这种控制方式的活动侧护板。（3）弹簧与液压闭锁系统混合式。与第二种无闭锁系统比较，只是控制阀的功能不同，并增加了23个安全阀，使设备费用并不会显著增加，却获得了较好的防倒、防矸和调架的性能。（4）全液压