放顶煤液压支架的设计

1、中文题目：放顶煤液压支架设计外文题目：THE DESIGN OF CAVING COAL HYDRAULIC SUPPORT毕业设计（论文）共77页（其中：外文文献及译文17页） 图纸共3张 完成日期 2015年6月 答辩日期 2015年6月 摘 要本文对国内外放顶煤开采技术发生历史及现状进行了综合阐述，对放顶煤液压支架进行了分类和对其各种形式研究；介绍了每种形式放顶煤液压支架各适应的煤层条件；并结合神东四盘区的现状，设计适用于煤层厚度5.35-9.86，平均采高8.9米满足顶板、地板条件的放顶煤液压支架.形成满足神东现状的放顶煤开采技术理论。 通过对现有放顶煤液压支架的分析，优势对比，设计出

2、适合的结构形式，最后对立柱、顶梁、掩护梁和底座进行了强度校核计算。关键字：放顶煤液压支架；立柱；顶梁；掩护梁；底座；放煤机构。 Abstract In this paper on the domestic and foreign technology of top coal caving mining occurred history and current situation has been discussed, on the roof caving coal hydraulic support the classification and research in its various

3、forms; introduced each kind of form of roof caving coal hydraulic support the adaptation conditions of coal seam; Shendong four disc area and combined with the status quo, designed for coal seam thickness 5.35-9.86, collect on average 8.9 meters high and meet the conditions of roof and floor of top

4、coal caving hydraulic support. Formed to meet the Shendong status of top coal caving mining technology in theory.Through the analysis of the existing roof caving coal hydraulic support, comparative advantages of design for the structural form, strength check and calculates the column, a top beam and

5、 a shield beam and a base at the end of paper.Keywords: Caving hydraulic support；Column; beam; shield; base; coal caving mechanism. 目 录1 绪论11.1 放顶煤综采法的优缺点11.2 放顶煤液压支架的发展历史11.3 放顶煤液压支架结构的基本特点21.4 放顶煤液压支架的分类21.5放顶煤液压支架使用条件和适用范围21.6设计任务32 支架的总体方案设计42.1 支架结构方案设计42.1.1 中反四连杆放顶煤液压支架42.1.2 中正四连杆低位放顶煤液压支架52

6、.1.3后四连杆低位放顶煤液压支架（摆动式放煤支架）63 液压支架的整体设计93.1液压支架的参数确定93.1.1 支架高度93.1.2 支架的伸缩比93.1.3 支架间距的确定103.1.4 底座长度的确定113.2顶梁长度的确定113.2.1 顶梁长度计算113.2.2 顶梁宽度123.2.3 顶梁覆盖率133.2.4支护强度和工作阻力133.3立柱位置的确定143.3.1 支架立柱数的确定143.3.2 支撑方式153.3.3 立柱间距153.3.4 立柱柱窝位置的确定154 液压支架的部件结构设计164.1 顶梁164.2 立柱174.3掩护梁184.4 四连杆机构194.4.1 四连

7、杆机构的作用194.4.2四连杆机构的几何特征194.4.3用几何作图法来设计四连杆机构194.5 底座244.6侧护板254.7 千斤顶264.7.1 推移千斤顶264.7.2 平衡千斤顶264.7.3 侧推千斤顶264.7.4.前梁千斤顶274.7.5护邦千斤顶274.7.6 后推移输送机千斤顶274.8 放煤机构设计305 液压支架参数的确定325.1液压支架基本技术参数的确定325.1.1支护强度325.1.2初撑力325.1.3 移架力和推溜力335.1.4 支柱及相关液压系统参数确定336 支架强度校核376.1强度条件376.2 液压支架立柱强度验算396.2.1已知参数396.

8、2.2油缸稳定性计算396.2.3活塞杆的强度计算406.2.4 缸体的强度计算436.2.5液压支架主要技术参数446.3顶梁强度校核456.4掩护梁的强度校核51总结56致 谢57参考文献58附录A60附录B651 绪论1.1 放顶煤综采法的优缺点优点：1 生产集中化程度高，大大减少了采区数目与工作面的巷道掘进量，以及相应的支护，维护等工作量与材料消耗。2 依靠矿压自动破煤，大大减少了设备的动力。缺点：1煤的采出率一般较分层开采时低2 易使顶板矸石与放落的顶煤相混合，使煤的含矸率增加。3 对防火，防尘，防瓦斯积聚的要求高。4 受顶板和煤层特性的限制，工作面推进速度也受一定的限制。1.2 放

9、顶煤液压支架的发展历史 20世纪80年代中期以来，综采技术特别是放顶煤开采技术已成为我国缓倾斜，倾斜厚煤层的重要采煤方法实现了厚煤层采煤方法的一次技术革新达到了高产、高效、低耗的目的，消除了分层开采和非正规采煤方法的主要缺陷，由粗放生产转变为高度集中化生产。但他们对矿井地质条件要求苛刻，实用性较差，而且所要的设备和设施投资巨大，对于地质构造复杂的井田大矿边角块段，矿井巷道保护煤柱倾角变化大的煤层以及赋存不稳定的煤层的开采。特别是那些经济实力较弱的中小型煤矿和乡镇煤矿不但收不到良好的效果，反而是煤矿造成巨大的投资和经济损失，也给国家造成不可挽回的资源浪费。 80年代以来放顶煤开采技术逐渐应用到普

10、采和炮采工作面采煤工艺中，同时也是对高落式采煤法的发展与完善，从而形成了一系列不同的支护方式的普通放顶煤开采技术，如悬移支架放顶煤、滑移支架放顶煤、网格式放顶煤，特别是单体支柱放顶煤他对于地质条件和经济实力上不适宜采用综采放顶煤开采的中小型煤矿是较为合理的采煤技术。如陕、鲁、黑、辽、晋、冀中小型煤矿都采用了该项采煤技术，实现了高产、高效、低耗、低投入、低成本的目标，取得了良好的技术效果和显著的经济效益。1.3 放顶煤液压支架结构的基本特点1 一般采用整体性，稳定性及掩护性好的支撑掩护式和掩护式液压支架。2 有较宽敞，便于控制的放煤口以及松动，破碎煤块的辅助装置。3 支架受上部顶板和顶煤放落时的

11、动载影响较大，因此要求支架纵向和侧向稳定性较高。1.4 放顶煤液压支架的分类放顶煤液压支架可分为以下两类：第一种为掩护尾梁插板式放顶煤液压支架，其结构形式为支撑掩护式，在掩护尾梁后部带插板，按四连杆机构可分为正和反两类。第二种为落煤窗口式放顶煤液压支架按结构形式可分为掩护式和支撑掩护式，按输送机的台数可分为单输送机和双输送机两类，按窗口的设置位置可分为水平窗口和倾斜窗口两类。1.5放顶煤液压支架使用条件和适用范围主要根据煤层条件和采煤工艺来选型。1、煤层地质条件采用放顶煤开采法应考虑如下条件：煤的自燃发火期要长，要在三个月以上，而且要有完善的预防发火的措施，要在煤自燃之前采完一个采面，并创造隔

12、绝封闭的条件使灾区不会波及邻区邻层。煤层节理要发育，易破碎冒落，便于放煤。对于有大面积悬顶和冒落时间过长的煤层不要选用放顶煤液压支架，否则会大面积损坏支架。顶板条件应为破碎顶板或中等稳定顶板。能随顶煤的冒落是顶板随之下沉破裂至冒落。沿倾斜方向推进时，煤层倾角应小于15避免仰采，因为仰采易造成架前抽空，工作面不易维修。急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采时阶段高一般为8-10米煤层厚度应大些过小易悬顶。因为工作面较短，最好采用正面切割的采煤机。放顶煤综采工作面的长度以80-100米为好对于软媒和易破碎的煤层，煤层厚度在8-12米时可选用掩护尾梁插板式放顶煤液压支架中的支撑掩护式。2、采煤方法对于厚度

13、在5-20米的不均匀煤层和易燃的煤层，采用沿倾斜后退时放顶煤开采法时比较理想的。1.6设计任务 根据已知采高5.359.86m、倾角5、顶板类二级，一级地板。煤层顶板岩性以砂岩为主，部分区域存在伪顶，底板以砂岩为主，部分区域存在较薄的泥岩层。设计放顶煤液压支架，使其更好的达到采煤的要求。本章介绍了放顶煤开采法的基本以及适用范围，并给出设计任务，设计一种满足条件的放顶煤液压支架。2 支架的总体方案设计2.1 支架结构方案设计放顶煤液压支架常见的支撑方式有四柱支撑掩护式和两柱掩护式。根据设计任务，查支护手册选用四柱支撑掩护式液压支架。 通过查阅相关资料，本次设计以支撑掩护式为设计条件下设计了三种不

14、同形式的结构方案，分别为中反四连杆放顶煤液压支架中正四连杆放顶煤液压支架、后四连杆放顶煤液压支架。2.1.1 中反四连杆放顶煤液压支架1采用双前连杆和单后连杆结构的宽形反向四连杆机构，布置在前后立柱之间，提高支架的抗偏载能力和整体的稳定性。2大插板式尾梁放煤机构，其尾梁千斤顶可双位安装，既可支设在顶梁上，也可只设在底座上，一般状态是只设在顶梁上。后部放顶煤空间大，为顺利放煤创造了良好的作业环境，可充分发挥后部输送机的运输能力，操作维修方便。尾梁搬动有利于落煤，插板伸缩值大，放煤口调节灵活，对于大煤块的破碎能力强，可显著提高顶煤的采出率。3支架为四柱支撑掩护式支架，后排立柱支撑在顶梁与四连杆机构

15、铰接点的后端，可适应外载之中作用变化，切顶能力强。4顶梁相对较长，掩护空间较大，通风断面大，而且对顶板的反复支撑可使较稳定的顶煤在矿压作用下预先断裂破碎，利于放煤。 5反向四连杆机构经过总体参数优化设计，连杆力较小，是一般正向四连杆机构连杆力的50%70%，支架的结构可靠性高。6底座对底板比压分配合理，前端比压较小，能适应软底板条件，移架阻力小，有利于顺利移架。图2-1-1中四连杆低位放顶煤液压支架（反向）Fig 2-1-1 four link low caving coal hydraulic support (reverse)2.1.2 中正四连杆低位放顶煤液压支架在全国很多综放工作面生产

16、实践中证明，在实践中前排立柱受力大，后排立柱受力小，甚至出现后排立柱受拉的现象，四柱正向四连杆支撑掩护式放顶煤支架在与围岩的相互作用中前后排立柱受力不均衡，这种状况下，支架前端不能受太大的力，大幅度降低了液压支架的支护能力，有效支护强度也大幅度减小，甚至会影响工作面的安全。图2-1-2中四连杆低位放顶煤液压支架（正向）Fig 2-1-2 four link low caving coal hydraulic support (positive)通过比较，在放煤机构相同的情况下，因为工作底板较软，因此反向四连杆低位放顶煤液压支架比正向四连杆低位放顶煤液压支架更为适合所给的条件。因此这里选择反向四

17、连杆低位放顶煤液压支架机构。2.1.3后四连杆低位放顶煤液压支架（摆动式放煤支架）1.低位放顶煤液压支架的特点 低位放顶煤支架是一种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁，摆动幅度在45左右，用以松动顶煤并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。其主要特点如下： (1)由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高； (2)和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎较为充分，对放煤极为有利； (3)后输送机沿底

18、板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤使放煤口不易堵塞； (4)低位放煤使煤尘减少； (5)前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差，支架的稳定性较差； (6)尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差； 这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种支架在缓斜长壁工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索：(1)把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架。(2)大幅度加强前四连杆本身以及

19、它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达20t以上。但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力。 (3)增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如ZFPS5200/17/32型支架尾梁端部向上摆动力可达到500kN使用效果良好。(4)后四连杆前连杆设计为Y型，后连杆设计为I型，增大了支架的前、后人行道的宽度并加大了后部的人员工作与维护空间。(5)把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯曲并防止输送机和支架下滑。 2.低位放顶煤液压支架的适应性

20、 前四连杆式支架在急斜水平分段放顶煤综采中取得成功，如对四连杆及有关联接件再进一步增加强度，成为定型设备，可以不考虑在急斜条件下使用后四连杆式支架。 缓斜中硬难放煤层在选型时考虑到低位放顶煤液压支架的强度低，又无成功的实例，往往选用中位放顶煤液压支架，但受到放煤口的限制，实际上也未能很好解决其放煤问题。仔细研究各类放煤支架，就会发现只有前四连杆式支架具备大幅度摆动掩护梁破煤的条件。有的低位放顶煤液压支架采取强化四连杆及联接销轴，把摆动掩护梁的千斤顶一端布置在底座上，而不是布置在顶梁上。尽管这种架型尚无满意的效果。但这种探索无疑是很有意义的。 后四连杆式支架在煤层硬度系数f=2左右，层节理比较发

21、育的缓斜厚煤层中使用取得很大成功，如在潞安矿务局五阳煤矿、王庄煤矿和兖州矿务局兴隆庄煤矿、鲍店煤矿。这种架型与设计先进的过渡支架配合使用，创出了新水平，被广泛推广使用。如石炭井矿务局乌兰矿将这种支架与过渡支架、端头支架配套使用，在倾角为24的工作面上取得了成功。在放煤摆动板内装有可伸缩的小插板，小插板前端设有用于插煤的齿条，齿条下部有耳坐，与插板千斤顶联接。在插板千斤顶作用下，插板伸出或收回，用于启闭局部窗口。图2-1-3摆动式放煤机构Fig 2-1-3 swing coal mechanism图2-1-4后四连杆低位放顶煤液压支架Fig 2-1-4 after four link low c

22、aving coal hydraulic support前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大且重量也轻。 中四连杆低位放顶煤液压支架，其工作原理式掩护梁由铰接在顶梁的平衡千斤顶或铰接在底座上的千斤顶支撑。掩护梁下部有可伸缩插板，放煤时收回插板，利用千斤顶的伸缩调整放煤口进行放煤，放煤后伸出插板挡住矸石流入后输送机内。这种结构能够满足放煤工艺，放煤口及工作空间的要求。从支架整体设计看，其横向稳定性差，极易将千斤顶及其支座损坏。后四连杆低位放顶煤液压支架，支架后部由掩护梁，前后连杆，底座，尾梁行成工作空间，用以放煤和布置后输送机。由尾梁及其千斤顶组

23、成放煤机构，操纵铰接在掩护梁上的尾梁千斤顶，可使尾梁向上转动，以松动顶煤或挡矸。向下转动尾梁时收回插板进行放煤，可视情况反复多次进行放煤。这种架型稳定性好，有利于放煤，放煤口大，操作方便。所以，综合以上各种支架的原理及适用条件，通过对各种方案的分析，本次设计低位放顶煤液压支架。3 液压支架的整体设计3.1液压支架的参数确定3.1.1 支架高度支架高度的确定原则，一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，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，然后确定支架高度,对于大采高支架，按下式确定计算高度，即： （3-1） 式中 支架最大高度,mm； 支架最小高度, mm； 煤层最大采高,

24、3700 mm； 煤层最小采高, 3300mm； 考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能初撑力所需要的支撑高度，一般取200-300mm； 顶板最大下沉量，一般取100-200mm； 移架时支架的最小可缩量，一般50mm； 浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm。本次设计给定支架最大高度大于3950mm，最小高度小于3050mm。 3.1.2 支架的伸缩比支架的伸缩比是指支架的最大与最小高度值之比，即： 支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大的调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。由于液压支架的使用寿命要求较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具

25、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。但考虑尽量减轻重量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般根据单位缸长行程来确定，当范围内可采用单伸缩。由公式（3-2）得 式中 单位缸长行程； 活塞全部伸出时立柱的总长度，mm； 活塞全部缩回时立柱的总长度，mm； 活塞行程，mm。由支架的最大、最小高度，可得活塞的行程为 2000mm；而活塞全部缩回时立柱的总长，暂用支架的最小高度 2000mm。由（3-3）得：支柱应采用双伸缩立柱，但考虑其制造成本及放顶煤液压支架工作条件，选择

26、单伸缩机械加长立柱。3.1.3 支架间距的确定支架中心距一般等于工作面刮板输送机一节溜槽的长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用1.5m和1.75m。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。而一般支架间距，按下式计算： （3-4）式中 支架间距(支架中心距)，mm； 每架支架顶梁宽度，1200-1500mm； 相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙，170 mm； 每架所包含的组架的组数或框架数；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

27、千斤顶联结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m、1.75m,千斤顶联结块位置在溜槽长度的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m或1.75m。本文取1. 5m。3.1.4 底座长度的确定底座起将顶板压力传递到底板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，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；保证支架保持稳定性。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，支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本文设计支架

28、为支撑掩护式，估取底座长度为2400mm。在结构设计中根据结构要求修改为2800mm。3.2顶梁长度的确定3.2.1 顶梁长度计算支架顶梁的长度与配套尺寸有直接关系。同时为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，又考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一个平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm，这个距离叫空顶距。另外，在输送机铲煤板前也留有一定的距离。一般为135150mm，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此以外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护下工作，以此来计算顶梁长度.顶梁全长： （3-5） （3-6）式中：铲煤板铲

29、板到铲壁的距离取150mm；F铲煤板宽度取250mm；G中部槽宽，查特征表取1250；J导向槽宽度，无链牵引时尚有齿轨部分宽度，取 350mm；V电缆槽宽。参数查不到时可估算V=350450mm；超前移架时取截深，取800mm；H采高，3.5m；立柱倾角,20；梁端距，取450mm；由结构而定，考虑支架稳定性和减少底 座前端的比压。 300mm取450mm； 通常=0.91.2m，在中厚煤层中可设 置为人行道取1.1m；由结构而定，一般情况为300500 mm； 取500mm。计算得顶梁全长:L=b1+b2+b3=150+250+1250+350+400+800+450-3.5tan20-45

30、0+1100+500=4798.7mm。本次设计选用的配套采煤机为 MG400/985-WD由于采煤机所采最大高度为3.7m。3.2.2 顶梁宽度由于取中心距为1.5m，有活动侧护板顶梁宽度取值范围为1.41.6m，本次设计取支架顶梁的最小宽度为1430mm,最大宽度为1600mm,选取双侧活动侧护板，亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。顶梁宽度根据支架间距和架型来定，架间间隙为0.2m左右。其中宽面顶梁一般为1.21.5m。这里取顶梁宽度为： 1380mm（不包括活动侧护板）。3.2.3 顶梁覆盖率顶板覆盖率按下式计算： （3-7）式中： 顶梁覆盖率； 顶梁宽度（包括侧护板伸出宽度）

31、，mm； 顶梁总长度，mm； 梁端距，mm； 相邻顶梁间间隙。对于稳定顶板覆盖率值要求为6070%，对于中等稳定顶板覆盖率值要求为7585%，对于破碎顶板，覆盖率指应达到8595%。此设计的顶梁覆盖率： 3.2.4支护强度和工作阻力支架有效工作阻力与支护面积之比定义为支护强度。顶梁所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层的厚度。我国已制定了不同顶板等级的支护强度标准，支护强度除可按规定选用外，还可按经验公式计算。 （3-8）式中：K作用于支架上的顶板岩石密度系数，一般取5-8，取8； M采高，3.7m； 岩石密度，一般取代入（3-8）得支架支撑顶板的有效工作阻力为 （3-9） （3-10）式中，F

32、支护面积，； L支护顶梁长度，m； C梁端距，m； B支架顶梁宽度，m； K架间距，m。代入公式得： 有效工作阻力与支架立柱工作阻力之和的比值，称为支架的支撑效率。支撑掩护式支架由于顶梁和掩护梁交接，立柱斜撑，初选支架时可取80左右。所以本次所选的放顶煤液压支架的型号为ZF7000/20/40。3.3立柱位置的确定3.3.1 支架立柱数的确定立柱是支架的承压构件，他长期处于高压受力状态，它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外还必须有足够的抗压、护弯强度良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。目前国内支撑式液压支架立柱数为26根，常用为4根；掩护式液压支架为2根；支撑掩护式液压支

33、架为4根。本次设计考虑设计任务书给定的条件查支护手册，选定支护方式为支撑掩护式，故立柱数目为43.3.2 支撑方式本设计为支撑掩护式液压支架，立柱根据结构的要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱与顶梁垂线的夹角小于,夹角越小,有效支撑能力就越大。所以本次设计前排立柱取,后排立柱垂直布置。3.3.3 立柱间距立柱间距指对支撑式和支撑掩护式支架而言前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为：有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式支架和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5m。本支架立柱间距选1.1m。3.3.4 立柱柱窝位置的确定(1)对于支撑掩护式液压支架的柱窝位置确定，根据支撑力分布与顶板载荷相一致的原则，通过

34、受力分析计算，确定柱窝合力作用点位置。(2)根据前后连杆间行人的要求，对支撑掩护式液压支架还要考虑立柱倾角的要求，分配前，后柱窝位置。本章对放顶煤液压支架的顶梁、掩护梁、底座的长度宽度，立柱位置及其间距进行了确定。4 液压支架的部件结构设计4.1 顶梁顶梁是工作面顶板直接接触的部件，除要满足一定的刚度和强度要求外，还要保证支护顶板的需要，如：足够的顶板覆盖率；同时要适应顶板的不平整性，避免因局部应力而引起损坏。顶梁在支护过程中所起到的作用：(1)支撑、维护和覆盖顶板，为采煤工作面提供安全足够的工作空间；(2)将立柱的支撑力传至顶板，并合理地进行分布，对接近采空区的支架后部的顶板起切顶作用，对无

35、立柱空间的顶板起到支撑作用；(3)为护帮、防倒防滑装置等提供依托；(4)将顶板载荷通过立柱和底座传至底板。 支架常用顶梁形式有3种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。本次设计选用较接式顶梁，铰接式顶梁在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般要留有100150mm间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。本次设计的液压支架为了适应复杂的顶板情况，所以采用铰接式顶梁。图4-1-1(a)掩护式支架整体顶梁 图4-1-1(b)支撑掩护式刚性整体顶梁Fig

36、 4-1-1 (a) type of shield support Fig 4-1-1 (b) screeningtype rigid type 图4-1-1（c）铰接式顶梁结构Fig 4-1-1 (c) articulated beam structure4.2 立柱立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力状态，它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。立柱按动作方式，可分为单作用和双作用；按支架种类，可分为活塞式和活柱式；按伸缩方式，可分为单伸缩和双伸缩。本次设计采用单伸缩机械加长立柱。图4-2单伸缩式机械

37、加长立柱Fig 4-2 The column of single telescopic mechanical extension 立柱结构由缸体、缸口、活塞和活塞杆等几部件组成。立柱的承压部件是缸体。一般选用27SiMn的无缝钢管制造。缸体内表面要求很高的加工精度，充当活塞的密封表面。立柱传递机械力的重要零件是活柱和活塞杆，必须耐磨和耐腐蚀，要能承受压力和弯曲等载荷作用，可用45号钢或27SiMn制成。表面要镀铬，并要注意保护，防止外部硬伤以防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，。缸口在导向套外侧装有钢丝挡圈，内侧装有密封圈和防尘圈用以固定。这种结构简单，装卸方便，这种固定方式使用较多。但要求活塞杆

38、外径与缸体内径之间有比较大的空间。用来固定钢丝和钢丝挡圈的连接方式，不能耐高压。在密封液体压力较高时，采用半圆环结构连接方式。立柱工作原理：当高压液进入中缸的下腔，上腔回液，使中缸伸出。中缸全部伸出后，中缸下腔的压力增大，当超过底阀弹簧调整压力值时，底阀打开，然后高压液进入上柱的下腔，上柱液经中缸的上部小孔排出，使上柱伸起，这为伸柱过程；当降柱时，高压液进入中缸的上腔，下腔回液，中缸下降，中缸下降到底时，底阀被缸底顶开，并且中缸上孔正对上立柱上部的进液孔，立柱上部的进液孔经中缸小孔进入上腔的上部，下腔液通过底阀从立柱的下部回液孔回液，上柱下降。4.3掩护梁掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的掩护构

39、件，除防止采空区冒落矸石涌入工作面外，并承受冒落矸石的压力和顶梁分解的水平力。掩护梁采用整体箱形钢板焊接结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前后连杆铰接的耳座。充分考虑了大采高支架复杂的三维空间受力，以及垮落顶板对梁体可能造成的冲击破坏，安全系数大，强度高。配置单向活动侧护板，减少架间漏矸和防止大采高支架横向倾倒。掩护梁上端与顶梁铰接，下部与前、后连杆或直接与底座铰接。活动侧护板装在掩护梁的一侧。低位放顶煤液压支架的掩护梁还要连接支架的尾梁与插板，安装尾梁千斤顶。 4.4 四连杆机构4.4.1 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曲线，从而使支架顶梁前端的端

40、头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。2 能承受较大的水平力。4.4.2四连杆机构的几何特征1 支架从最高高度降到最低高度时，顶梁端点运动轨迹的最大宽度最好为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P和后连杆与底平面的夹角Q，应满足以下要求：支架在最高位置时，；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，,如果按钢和矸石的摩擦系数为,即：,求得；为了安全可靠在最低工作位置时，应使为宜，而Q角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能降下来，一般取，在特殊情况下需要角度较小时，可提高

41、后连杆下铰点的高度。4.4.3用几何作图法来设计四连杆机构设计步骤：1.确定掩护梁上绞点与顶梁顶面之距和后连杆下铰点与底座底面之距掩护梁上绞点与顶梁顶面之距根据支架最大高度确定,一般支架取150200mm，重型支架取210260mm。本文取250mm。后连杆下铰点与底座底面之距根据支架最小高度确定，薄煤层支架取150250mm，中厚煤层支架取250450mm、大采高支架取450600mm。本文取450mm。2.掩护梁和后连杆长度确定首先用解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图4-1所示。图中： 掩护梁长度； 后连杆长度； 过E1点的垂直线到后连杆下铰点之距； 支架最高位置时的计算高度；4000-

42、700=3300mm 支架最低位置时的计算高度；2000-700=1300mm从几何关系可以列出: (4-1) (4-2)Y由（4-1）、（4-2）联立解得： (4-3)按四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定：图4-1 掩护梁和后连杆计算示意图Fig. 4-1 diagram of the shield beam and the rear connecting rod将数据代入（4-3）得： 支架在最高位置时的值为： (4-4)因此掩护梁的长度为：取：L= mm后连杆长度为：一般， 故取：mm根据掩护梁长度和后连杆长度重新计算出：图4-2 液压支架四连杆机构几何关系图Fig 4-2 hydr

43、aulic bracket four link mechanism geometry diagram3.几何作图法作图过程作图步骤如下： (1) 确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座略高，一般为200250mm，考虑太低安装销子困难，太高底座又笨重。根据支架结构取450mm。 (2) 过O点作水平线HH线与底座相平行。 (3) 过O点作一条直线与水平线HH线相交其交角为。 (4) 以O点为圆心，以L1为半径作圆，与该直线相交于点，即为后连杆与掩护梁的上铰点。 (5) 过点作一条直线与水平线HH线相交其交角为。 (6) 以点为圆心，以L为半径作圆，与该直线相交于点，即为掩护梁、与顶梁的铰点

44、。 (7) 过点作一条直线与水平线HH平行的FF直线，则HH线与FF线的距离为h1，即为液压支架最高位置的计算高度。 (8) 以点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，即为前连杆的上铰点。 (9) 过点作FF线的垂线。假设在液压支架升降过程中，点近似在此直线上滑动。 (10) 在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点为。 (11) 取中点为点，为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与顶梁的铰点。 (12) 以O点为圆心，以为半径作圆弧。 (13) 以点为圆心，以掩护梁长L为半径作圆，与圆弧相交于点，此点为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 (14) 以点为圆心，以掩护梁长L为

45、半径作圆，与圆弧相交于A2点，此点为液压支架在最高位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 (15) 以点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，与相交于点。以点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，与相交于B2点。即、三个点为液压支架在三个位置时的前连杆的上铰点。 (16) 连接O、O，为液压支架降到中间位置和最低位置时，后连杆的位置。 (17) 分别作和的垂直平分线交于C点，即为前连杆的下铰点，C为前连杆的长度。 (18) 过点C向HH线作垂线，交于D点。则O、C、CD为液支架的的四连杆机构。最终确定四连杆机构的各项尺寸为：O =1289mm =586mmC =1345mm CD =600mm4.5 底座

46、 液压支架的底座常用形势有3种，即整体式刚性底座、低分式刚性底座和铰接式分体底座。通过比较和对本次设计任务的环境适应性分析，最终决定本次设计采用整体式刚性底座，它的整体性刚度和强度好，底座接触面积大，有利于减小对底板的比压。（1）整体刚性底座整体刚性底座如图4-5-1所示，中挡前部一般有一高度50100mm小箱形结构，中挡的后部上方为箱形结构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座的整体刚度和强度好。整体刚性底座立柱柱窝的一般要设计一过桥以提高底座的抗扭能力和整体刚性。底座的接底面积大，有利于减小对底板的比压，但中挡推移机构处易积存浮碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支面支架。

47、图4-5-1 整体刚性底座Fig 4-5-1 overall rigid base4.6侧护板顶梁侧护板装置一般由侧护板、弹簧套筒、侧护板千斤顶、导向套和连接销轴等组成。支架常用的活动侧护板形式有3种，即直角式单侧活动侧护板、直角式双侧活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。结合本次设计的需求，选择直角式双侧活动侧护板。侧护板有以下功能：1、 挡矸。可改善顶梁与掩护梁的防矸、护顶性能，隔离与采空区控顶区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘。2、 导向。起导向作用在支架移架时。3、 防倒、调架。其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用，活动侧护板增强了支架侧向稳定性。 支架常用的活动侧护板形式

48、有3种，即直角式单侧活动侧护板、直角式双侧活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。图4-6-1直角式双侧可调的活动侧护板Fig 4-6-1 active side guard plate with right angle type4.7 千斤顶 根据放顶煤液压支架的液压系统图来选择各个千斤顶内/外径4.7.1 推移千斤顶 推移千斤顶按连接方式分有直接连接方式、浮动活塞式和框架连接方式。（1）直接连接式推移千斤顶的特点：千斤顶结构简单，但移架力小于推移力，一般用于支撑式液压支架。（2）浮动活塞式推移千斤顶的特点；移架力大于推溜力；多采用浮动活塞千斤顶，减小推溜力；用推杆作导向装置，导向性能好、抗弯强度

49、高；通过推杆，千斤顶分别与支架、输送机相连；千斤顶与推杆位于同一轴线，受力较好，但装置的总长度加大。（3）框架连接式推移千斤顶的特点：移架力大于推溜力，可用于掩护式及支撑掩护式。根据千斤顶的适用性选取框架式推移千斤顶作为本次设计的推移千斤顶。4.7.2 平衡千斤顶平衡千斤顶为双作用缸。平衡千斤顶铰结在掩护梁和顶梁之间使掩护式支架构成稳定结构；调节顶梁成所需要的角度或水平状态，使相邻支架保持良好的密封状态，利用双向控制阀，使平衡千斤顶呈拉力或推力，适应顶板载荷的变化。4.7.3 侧推千斤顶侧推千斤顶的活塞杆固定于活动侧护板上，缸体固定于固定侧护板上。侧推千斤顶的安装位置有如下几种：（1）一侧为活

50、动侧护板，另一侧为固定侧护板时，在固定侧护板一侧的圆筒内装有固定筒，千斤顶装在筒内，其它不变，也可免去另开窗口，保证掩护梁和顶梁的强度，但不利于安装和检修。安装在掩护梁和顶梁结构的下面，避免在掩护梁和顶梁上开窗口，加强了掩护梁和顶梁的强度，但影响支架的有效空间。 在掩护梁和顶梁下面另开窗口，把侧推千斤顶装在窗口内，便于检修和安装。为使活动侧护板与活塞杆相连，改换工作面的时侯，侧推千斤顶需要调转180。该支架设计时选用了（1）中的侧头千斤顶安装方式侧推千斤顶的技术参数如下：行程：200mm；缸体内径：63mm；活动杆直径：45mm。侧推千斤顶其它参数见计算部分，具体安装位置见图纸。4.7.4.前

51、梁千斤顶 前梁千斤顶的缸体使用圆销固定在主梁耳座上，活塞杆与前梁相连。前梁千斤顶活塞腔液路上，装有安全阀和液控单向阀，保证前梁的工作阻力与初撑力。前梁有挑梁式和升缩前梁两种，挑梁能使前梁上下摆动，加大前梁端部的支撑力；升缩前梁可及时支护。4.7.5护邦千斤顶 护邦千斤顶的缸体使用销轴固定在前梁上，活塞杆固定在护邦板。千斤顶伸出时，护邦板支撑于煤壁。在千斤顶的活塞腔液路上用液腔单向阀锁紧，加安全阀进行保护。千斤顶缩回时，由于千斤顶活塞杆腔没有液控单向阀锁紧，于是在前梁上加加一个弹簧机械锁。4.7.6 后推移输送机千斤顶后推移千斤顶主要用于放顶煤开采后输送机的调整，跟推移千斤顶类似，只是不需要较大

52、的拉架力。表4-7-1推移千斤顶参数Table 4-7-1 Jack parameters型式反拉框架式缸径/柱径160/105mm推力/拉力386/265kN行程700mm表4-7-2侧推千斤顶参数Table 4-7-2 push jack parameters型式双侧直角式活动侧护板缸径/柱径63/45mm推力/拉力98/48kN行程170mm表4-7-3护帮千斤顶参数Table 4-7-3 parameters for protecting the jack型式双作用单伸缩缸径/柱径100/70mm推力/拉力158/108kN行程400mm表4-7-4尾梁摆动千斤顶参数Table 4-7-4 parameters of the swing jack of the tail beam型式双作用单伸缩缸径/柱径160/105mm推力/拉力245/158kN行程400mm表4-7-5插板千