支撑掩护式液压支架设计【ZZ4000_17_35】【含8张PDF图纸+CAD制图+文档】
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ZZ4000_17_35
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河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师： 韩晓明 职称： 副教授 所在院（系）： 机械与动力工程学院 教研室（研究室）： 机械教研室 题 目ZZ4000/17/35支撑掩护式液压支架支架的设计学生姓名刘中原专业班级机设四班 学号0828030009一、选题质量：（主要从以下四个方面填写：1、选题是否符合专业培养目标，能否体现综合训练要求；2、题目难易程度；3、题目工作量；4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度）本次所选的题目为ZZ4000/17/35支撑掩护式液压支架支架的设计，内容涉及到对液压支架的总体布置和理论研究，还有一些机械零件和机械结构的设计计算与校核，与专业课程紧密相连，符合专业培养目标，在设计工作中。需要对所学知识加以综合的应用，并能够熟练应用有关参考资料。计算图表、手册。熟悉有关的国家标准和颁布标准。体现了综合训练的要求。工作量大。课题与当前现况紧密相连。选题质量较高。二、开题报告完成情况：1、已完成开题报告编写工作，前期所需文献资料也已查阅。2、已完成对所查阅的资料和课本知识进行分析和整合。三、阶段性成果：1、完成了资料文献的分析和处理工作。2、完成设计说明书大纲的拟定，且进行部分内容的编写。3、完成毕业论的资料搜集和部分资料的整合四、存在主要问题：、对机械制造技术基础的理解不够深，结合程度不够深。2、对现代机械加工新技术和机械制造技术基础不太了解，知识和能力进一步提高。3、对速度图的绘制还不是太熟，各轴的剖视图画的不太熟，画图能力和技巧需要进一步提高。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语指导教师： （签名） 年 月 日附录： 外文资料与中文翻译外文资料：Hydraulic support technology development directionAt present, modern design theory in the three main schools, including the European schools, the system design method, the United States of America s schools of design principle and Japanese schools of general design theory. On the modern design theories and methods concerned, modern design theory and method is still under development and perfect process. The current theory is more mature and widespread application of modern design method including mechanical and electrical product design, computer aided design, optimization design, computer aided engineering design CAE, tribological design and reliability design. Long wall fully mechanized coal mining technology in China is the leading direction of development, according to the different condition of mine, a coal mine hydraulic support development will make different demands. Conditions of large safety and high efficient mine, focus on the development of large resistance, high reliability, electro-hydraulic control system of hydraulic support, complex conditions of the mine development focuses on adaptation of difficult mining seam of various bracket, a large number of small and medium-sized mine will undertake technical reformation, promote the use of compact type hydraulic support.In 1， the design idea and design methodThe innovative design concept is the hydraulic support technology innovation is essential, through active international digestion and absorption of advanced technologies, changing the traditional design concept, the reliability as the primary goal. Using the method of modern optimization design, dynamic design of3D CAD,3D CAD parametric design system development, system reliability design. The further development of bracket structure analysis software system, perfect the structure finite element analysis software system and practical, perfect the design of hydraulic control system, to strengthen detail design.2, improve the standard systemStandard is the technical guarantee for the development, establish and improve the coal mine support equipment technical standard system is the important task of technical development. After many years of efforts, China has formed a relatively complete MT coal mine support equipment technology industry standard system. However, with the progress of technology and the WTO international economic integration, these standards are mostly has not adapted to the current development of technology, it is urgent to establish a new national standard, for the establishment of national standards system of hydraulic support.3, the development of improved frame typeWith the continuous development of safe and high efficient mine construction of long wall fully mechanized mining equipment, production capacity and reliability have become increasingly demanding, support to large working resistance, high reliability, direction of development. Full-seam mining general support to continue toward two columns cover type development, and will further expand the scope of application, large angle bracket, thin coal layer bracket,6 7m thick coal seam full-seam mining bracket, three soft difficult mining seam support will continue to develop new frame type structure. Caving support in the continued development of type at the same time, the two pillar caving support will gradually become the dominant type of frame. End support of forepoling and other special bracket will get extensive attention and development.4, materials upgradingWith the stent to large working resistance and high reliability, support weight also increases ceaselessly, to the transportation, handling and installation and other aspects of how to bring very great difficulty, under the premise of ensuring the strength, reduce the weight of support design of bracket is an urgent need to solve the problem, the use of high-strength steel is the most effective way to.5, column and jack sealing structure and sealing ringAt present, domestic hydraulic support column, jack sealing performance is one of the most outstanding weak links, most were still in with a rubber sealing ring, a portion of the stent used homebred polyurethane sealing ring sealing structure, but its old, homebred polyurethane sealing ring and poor quality stability, in order to completely solve the support column and jack sealing structure and sealing ring exists problems, Beijing mining has been carried out for more than two years of research and experiments, obtained three patents. Still need from the sealing structure, sealing mechanism, sealing material, sealing ring structure, sealing ring molding technology and many other aspects of in-depth research, development of high reliability polyurethane sealing ring. Realization of column and jack sealing structure and sealing ring replacement is support technology development trend.6, electro-hydraulic control systemElectrohydraulic control is an important direction of the development of hydraulic support technology. Coal mine hydraulic support electrohydraulic control system for fully mechanized coal face automation control system s core, which is based on network technology, realize the shearer position detection and hydraulic support with automatic control, and can realize hydraulic support and supporting facilities of the inspection and monitoring management, implementation of the ground communication and remote control. At present, the developed countries have generally adopted hydraulic support electro-hydraulic control system, China, Yanzhou, Jincheng, Shendong mining area and some new large-scale mine but also by a large number of electro-hydraulic control system. Hydraulic support electrohydraulic control is achieved by working surface automation precondition of safe and high efficient mine, is the inevitable choice from coal mines in our country at present technical and economic conditions and benefit, electro hydraulic control hydraulic support is mainly used for an annual output of 4000000 tons of a mining full height face, more than 6000000 tons of coal caving face and thin coal seam efficient mining of working face.Foreign electro-hydraulic control system development has reached a stage of maturity. Chinas hydraulic support electrohydraulic control system is still in the development stage of research and development, also not related to the electronic control system products. Domestic electric hydraulic control system of the main problems is the key component of electro-hydraulic control system for coal mine fully mechanized mining working face production environment of poor adaptation, electro-hydraulic control system components between the parameters matching and performance matching is not quite reasonable, electro-hydraulic control system reliability index is still relatively low problem. Under the present conditions, electro-hydraulic control system is mainly used for foreign products or supporting the core components of the foreign mature products. At the same time, we should develop the high reliability of manual flow fast moving system, large flow safety valve and a variety of large flow hydraulic components, improving the reliability of control system of supporting frame. 中文翻译： 液压支架技术的发展方向目前，现代设计理论的三大主要流派，包括，欧洲流派的系统设计方法、美国的流派的设计原理和日本流派的一般设计学。就现代设计理论和方法的范畴而言，现代设计理论和方法还在不断地发展和完善过程中。目前理论较为成熟和应用广泛的现代设计方法包括机电产品造型设计、计算机辅助设计、优化设计、计算机辅助工程设计CAE、摩擦学设计和可靠性 设计等。长壁综采是我国煤炭开采技术的主导发展方向，根据矿井条件的不同，对煤矿液压支架的发展将提出不同要求。条件好的大型安全高效矿井，重点发展大工作阻力、高可靠性、电液控制液压支架，条件复杂的矿井重点发展适应难采煤层的各种支架，大批中小矿井将进行技术 改造，推广使用以紧凑型为主的液压支架。1、更新设计理念和设计方法设计理念的创新是液压支架技术创新的根本，通过积极消化吸收国际先进技术， 改变传 统的设计理念，把可靠性作为首要目标。采用现代优化设计方法，三维CAD动态设计，开发三维CAD参数化设计系统、系统可靠性设计。进一步开发支架结构分析计算软件系统，完善结构有限元分析软件系统及实用化，完善液压控制系统的设计，加强细节设计。2、完善标准体系标准是技术发展的保障，建立完善的煤矿支护设备技术标准体系是技术发展的重要任务。 经过多年的努力，我国已形成了较完整的MT煤矿支护设备技术行业标准体系。但是，随着技术的进步和WTO国际经济一体化，这些标准大多已不适应当前技术发展要求，急需制定新的国家标准，进行建立液压支架国家标准体系的研究。3、架型改进发展随着安全高效矿井建设的不断发展，对长壁综采设备生产能力和可靠性的要求越来越高，支架向大工作阻力、高可靠性方向发展。一次采全高普通支架继续向着两柱掩护式发展，并将进一步扩大适用范围，大倾角支架、薄煤层支架、67m特厚煤层一次采全高支架、三软难采煤层支架等将不断发展新架型结构。放顶煤支架在继续发展四柱式的同时，两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和顺槽超前支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。4、材料的升级换代随着支架向大工作阻力和高可靠性要求的提高，支架重量也不断增加，给运输、搬运和 安装等环节带来了很大困难，如何在保证强度的前提下，减轻支架重量是支架设计中迫切需 要解决的问题，采用高强度钢材是最有效的途径。5、立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈目前，国产液压支架立柱、千斤顶的密封性能是最突出的薄弱环节，大多数仍在用橡胶密封圈，部分支架采用了国产聚氨酯密封圈，但其密封结构陈旧，国产聚氨酯密封圈质量稳定性差，为了彻底解决支架立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈存在的问题，北京开采所已进行了两年多的研究和实验，取得三项专利。尚需从密封结构、密封机理、密封材料、密封 圈结构形式、密封圈成型工艺等诸多方面进行深入的研究，研制出高可靠性聚氨酯密封圈。 实现立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈的更新换代是支架技术发展的必然趋势。6、电液控制系统电液控制是液压支架技术发展的重要方向。 煤矿液压支架电液控制系统是煤矿综采工作面自动化系统控制的核心，其是以网络技术为基础，实现采煤机位置检测和液压支架的跟机 自动控制，并且可实现液压支架及其配套设施的检测监控综合管理，实现地面通讯和远程控 制 。目前，发达国家的液压支架已普遍采用电液控制系统，我国神东、兖州、晋城等矿区和一些新建大型矿井也大量采用电液控制系统。液压支架电液控制是实现工作面自动化的前 提条件，是安全高效矿井的必然选择从目前我国煤矿技术经济条件和效益出发，电液控制 液压支架主要用于年产400万吨以上一次采全高长壁工作面、600万吨以上放顶煤工作面和薄 煤层高效开采工作面。国外电液控制系统的发展已经达到成熟阶段。我国液压支架电液控制系统的发展还处于 研究开发阶段，还没有相关的电控系统产品。国产电液控制系统存在的主要问题是电液控制系统关键元部件对煤矿井下综采工作面生产环境的适应能力较差，电液控制系统元部件之间的参数匹配和性能匹配还不太合理，电液控制系统整体可靠性指标还比较低等问题。在目前条件下，电液控制系统主要采用国外产品配套或核心部件采用国外成熟产品。与此同时，应 大力发展高可靠性手动大流量快速移架系统、大流量安全阀和各种大流量液压元件， 提高支架控制系统的可靠性。河南理工大学本科万方科技学院毕业设计（论文）开题报告题目名称ZZ4000/17/35支撑掩护式液压支架的设计姓名刘中原专业班级机设08-4学号0828030009一、 选题的目的和意义采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。支撑掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合我国特点于1968年首先研制成功的。它保留了垛式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用双排立柱支撑顶梁（或顶梁于掩护梁）的结构；同时吸收了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座。与垛式支架和掩护式支架相比它具有不可比拟的优点：1 支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞；2 支架稳定性、防护性好；3 在保证强度的条件下，结构更简单，尺寸更紧凑；4 具有良好的整体性能，安全可靠；二、 国内外研究综述我国目前液压支架与发达国家的差距：1.生成能力上的差距 我国目前大部分支架的可靠性与国外差距比较大。进口支架工作面开机率达到90%以上，日产达到了30000t，年产达到10Mt，支架大修周期为产煤15Mt以上。而我国目前综采工作面开机率平均为50%左右。支架大修周期为产煤量在45Mt左右。 2.支护性能参数的差距 发达国家在设计指导思想方面大多主张大马拉小车，支架的工作阻力与支护强度普遍较大。工作阻力一般都在7000KN以上，最高达到10000KN，而我国目前支架的工作阻力与国外相比普遍偏低，平均在40005000KN，相差30%左右。另外，国外支架中心距普遍采用1.75m，个别达到2m，我国支架中心距绝大多数为1.5m。3. 结构件材料的差距 目前国外s700800MPa的钢材以广泛应用，而我国普遍使用的是s450MPa以下的钢板，相差30%40%。4.控制系统方面的差距 目前世界上一些发达国家支架的控制系统已广泛采用电液控制系统，而我国目前很少采用电液控制，绝大部分为手动。液压支架的发展趋势：1.提高支架的可靠性，另外加大支架的中心距也是必然趋势；2.二柱支架将是主导架型，目前我国的四柱支架要比二支柱支架数量多，相比较而言二柱支架具有明显的优势；3.采用大采高支架；4.电液控制系统是液压支架发展的方向；5放顶煤支架将是未来的主导架型； 三、毕业设计（论文）所用的方法本次设计，是本人按照导师的要求，结合自己的兴趣爱好，通过收集大量的理论资料，参加生产实习的基础上，自主完成的毕业设计。其中，在设计过程中底座、前后连杆和结构件是设计的重点。另外，本论文还着重介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，液压支架的维护和管理，及其常见的故障及排除方法。目的是通过对支掩式液压支架进行深入细致的了解和研究，在一定的理论基础上，结合实践认识，巩固所学知识，完成自主实践与创新。在设计过程中遇到的问题我们一般通过自己查阅资料和小组讨论的方式解决，如确实有不能解决的问题我们就通过请教厂方技术人员和指导老师，争取解决在毕业设计过程中所有问题。四、主要参考文献与资料获得情况参考文献：1张家鉴 主编液压支架煤炭工业出版社 19852贾悦谦 主编综采技术手册（上、下）煤炭工业出版社20003主编机械设计手册第三版 化学工业出版社1999 4戴绍诚 主编高效高产综采机械化采煤技术与装备煤炭工业出版社19975煤炭部煤炭科学研究院编综采设备配套图册19836. 中国物产集团公司支护装备部 编煤矿支护使用手册煤炭工业出版社2004五、指导教师审批意见指导教师： （签名）年 月 日 中文摘要采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。液压支架主要包括以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。设计要遵从支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。在支撑掩护式液压支架的设计过程中，四连杆机构和底座结构件的设计是重点。本论文介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，目的及要求，对支撑掩护式液压支架作了详尽的分析和介绍，讲述了这种支架的方案和用途。另外，对液压支架的结构性能、受力状况和如何选型等进行了分析。关键词：液压支架 支护 四连杆机构底座Abstract Hydraulic SupportThe comprehensive mechanization of coal mining is a strategic measure to the acceleration coal industrial development of our country , raise labor productivity substantially , realize the modern of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining. Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle. In the design course that the type of supports cover type, the design of 4 linkage mechanism ，base ，structural member is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support. Furthermore, the structure of hydraulic structures performance, the power situation and how to choose models are analysed, at the same time it introduces the use of hydraulic Support, maintenance and fault resolution and other issues. Keywords: hydraulic support shoring 4 linkage mechanisms base 目 录绪论-1-一、液压支架的概述.-2-1.1 液压支架的工作原理- 2-1.2 液压支架的工作过程- 3-1.3液压支架架型的分类- 4 -1.4支架的设计特点- 5-二、液压支架的结构设计.- 7 -2.1 主要设计参数- 7-2.2 液压支架的结构设计- 7 -2.2.1 四连杆机构的运动分析- 7 -2.2.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定- 9 -2.2.3 四连杆机构的绘制- 12 -2.2.4 液压支架主要结构参数和形式的确定- 14 -2.2.5 液压支架的总体布置- 20 -2.2.6支架的主要结构及作用- 22 -三、支架的强度计算.- 32 -3.1 支架的工作状态- 32 -3.2 支架载荷的确定- 33 -3.3 支架受力分析- 34 -3.3.1各主要参数的影响- 36 -3.3.2各主要部件的受力计算及主要部件强度校核- 39 -3.4 顶梁载荷分布- 48 -3.5 支护强度- 49 -3.6 底座接触比压- 50 -3.7 护效率- 50 -3.8 支架受力的影响因素- 51 -3.9 强度条件- 53 -结 论.- 55-致谢-56-参考书目.- 57 -绪 论液压支架作为煤矿长壁综采工作面的关键设备，近年来得了迅速地发展，它与综采系统中的“三机”（ 刮板输送机、转载机、带式输送机）配合使用，是煤矿开采技术现代化的重要标志。液压支架是综采工作面主要设备之一，近10年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距(175m、2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高。在综合机械化采煤过程中，液压支架担当着极其重要的角色，其主要功能不仅用于支撑管理顶板，隔离采空区，维护采煤作业空间，并能自行前移，推进采煤工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。另外，合理的选用采煤设备并结合先进的采煤工艺，可解决采煤工作面的采煤支护运输等生产环节之间的矛盾，可有效地提高工效增加成本减少损耗保护生产人员和设备的安全，以及减轻笨重的体力劳动，可为煤矿获得很高的经济效益。一、液压支架的概述1.1 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作时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的。 图1-1 液压支架的工作原理Fig .1-1 Hydraulic pressure support principle of work1) 升柱 当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与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，先将柱卸载，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；当需要推输送机时，支架支撑顶板后高压液进入推移千斤顶的活塞腔，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。1.2 液压支架的工作过程 液压支架对顶的作用过程主要取决于流体静力学原理工作的立柱工作过程。现以图1-1所示的典型立柱控制系统来说明支架的工作过程。支架操作的基本功作过程为：急增阻阶段，缓增阻阶段，恒阻阶段，无作用阶段四个阶段。图2立柱控制系统立柱；安全阀；液控单向阀；操纵阀；P高压管路；O回液管（1）泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段操纵阀手把置于A位，从泵站来的压力液经高压管路P，打开液控单向阀3进入立柱下腔，立柱上腔与回液管O连通，因而活柱伸出使支架升起接顶，对顶板产生支撑力。支架接顶后，泵压使下腔内的液体压强迅速上升，支架对顶顶板支撑力急剧增加。这就是支架对顶板的急增阻阶段。（2）闭锁承载，支架对顶板缓增阻阶段操纵阀手把放回零位后，立柱下腔内的压力液被液控单向阀闭锁，不能流出，从而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板逐渐下沉，立柱下腔内的液体受到进一步压缩，压强逐渐增高，使直接对顶板产生更大的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉，一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架对顶板的支撑力增长也就相应缓慢，所以这个阶段被称为支架对顶板缓增阻阶段。（3）溢流承载，支架对顶恒阻阶段顶板继续下沉，立柱下腔内的压强继续升高，当达到立柱安全阀的调定值时，安全阀便开启溢流，使立柱下腔内的压强保持定植，从而支架对顶板的支撑力不变，即支架处于对顶板恒阻阶段。（4）解锁降柱，支架与顶板无作用阶段采煤机截煤后，欲将支架移到新的位置，首先把操纵阀手把置于B让从泵站来的压力液进入立柱上腔，同时作用于液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解除对立柱下腔液体的闭锁，允许其回到回液管。这时，活柱缩回，支架降落离开顶板，支架对顶板无压力。在这一阶段如要保证顶梁平行下降需协调操纵平衡千斤顶操纵阀。需要说明，目前为了防止破碎顶板漏顶，掩护式和支撑掩护式支架可以采用擦顶带移架方式，即支架顶梁实际并不脱离顶板，在移架过程中仍保持约每柱五吨左右的支撑力。因而，对于擦顶带压移架方式，此阶段应是解锁卸载，支架对顶板仍有轻微作用力。1.3液压支架架型的分类按照液压支架在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除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液压支架在分三类即：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。 支撑式支架支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图1-2，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座坚固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，底板较硬的煤层。掩护式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图1-3所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。支撑掩护式支架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，可适用于各种顶板条件。支撑掩护式支架的顶梁由前梁玉主梁构成，四根立柱支撑顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：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。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾，也可倒八字形布置和交叉布置。通常两排立柱都直接支撑在顶梁上，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1.4支架的设计特点本架型有如下特点：（1）支架型式为：带机械加长的四柱支撑掩护式厚煤层液压支架；（2）对支架总体结构参数优化，梁端距变化应小；顶梁前部较薄强度、刚度应充分保证；（3）支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其它构件形成刚性好、强度高、稳定性好的整体结构；（4）整体顶梁和掩护梁带单侧活动长侧护板，能实现对护顶的严密调整；（5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度；（6）架的整体构造应有“人机学”的观点，结构应紧凑，操作方便，制造成本降低；（7）采用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座，以增加支撑力，增强支架的稳定性。：二、液压支架的结构设计2.1 主要设计参数 工作阻力：4000kN 支架高度：1.73.5m 支架宽度：1.421.59m初撑力：1884KN 支护强度：730KN/m（在使用范围内）采用ZZ4000/17/35型支撑掩护式液压支架，其工作阻力为4000kN，初撑力1884kN，支护强度大于730KN/m，对底板的比压为10.5MPa，能够满足地质条件及矿区的要求。支架宽度为14201590mm，中心距为1.5m，支架最低时长5m左右。支架高度为1.73.5m，满足其采高要求。考虑运输机的拉架强度，支架总量约为10.5t。2.2 液压支架的结构设计2.2.1 四连杆机构的运动分析，对液压支架的研究常常离不开对四连杆机构的研究和认识。下面通过对液压支架的运动过程进一步分析四连杆机构的特性和作用。支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁交点E的轨迹所决定。根据机构运动学分析，E点的运动轨迹一般为一条双纽线，如图21所示。合理设计四连杆参数，即可控制E点的运动轨迹，改善支架支护性能，减少连杆受力。图21支架四连杆机构的运动轨迹支架在最大高度和最小高度范围内运动时，E点的运动轨迹呈3种形式：双向摆动(ABCD段)、单向向后摆动(BC段)和单向向前摆动(AB段和CD段)。选择不同的四连杆参数可以使E点轨迹处于上述3种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当E点轨迹处于AB段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当E点轨迹处于BC段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向来空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数使支架工作段内，E点轨迹处于AB段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使E点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度3080mm。液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件，不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。2.2.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特性来确定。其四连杆机构的几何特性如下：(1) 支架从最高高度降到最低高度时，如下图所示顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm,最好为30mm以下。图22四连杆机构几何特征图(2) 掩护梁上铰点到顶梁顶面之距离H和后连杆下铰点至底座底面之距Y如图22所示，当支架高度确定后，要用作图法确定四连杆机构，首先要根据配套尺寸L(此处L2088mm)。初步确定顶梁长度L=2150mm和底座长L=2380mm，然后确定顶梁与掩护梁铰点相对于后连杆下铰点的水平距离，该铰点至顶梁顶面距H和后连杆下铰点的高度Y。H一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，在根据结构的合理性确定，一般支架距H150200mm，重型支架可取H210260mm。Y一般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取Y150250mm ，对中厚煤层支架取Y250450；对大采高支架取Y450600mm。(3) 支架最大和最小高度时掩护梁与水平夹角A和A掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离采空区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四连杆机构，这对保持支架围岩力学状态的稳定有着显著的作用。其主要表现是：掩护梁载荷参与顶梁的力矩平衡，提高了梁端承载能力；支架受到一个指向煤壁的水平推力，当支架处于支护工况时，有阻止顶板岩体向来空区移动的作用，而当处于移架工况时，有利于克服架体各方面的摩擦力，增强架体运动的稳定性。掩护梁水平投影过大，将增大掩护梁载荷，并承受顶板岩块的冲击载荷，而掩护梁载荷过大将减小顶板支护强度，造成移架困难。一般掩护式支架取A5862；支撑掩护式支架取A6070。在支架最小支护高度时，掩护梁倾角应保证移架过程中掩护梁背负的矸石能沿梁体下滑，即满足tan A，其中为岩石与钢的静摩擦因数，一般为0.150.3。若取0.3，则A17，设计中一般可取A1218。(4) 掩护梁与后连杆长度比的确定在用作图法确定四连杆机构时，杆长比主要根据设计经验确定，一般应保证A5，使后连杆在第一象限内摆动。根据近百种支架的统计，掩护梁与后连杆的长度比（LL）/L，对两柱掩护式支架一般为1.42.1，对四柱支撑掩护式支架一般为1.21.8。经计算，此处掩护梁与后连杆的长度比2175/13841.57。 掩护梁与前后连杆铰点间的距离可根据支架高度及连杆销子直径确定，一般取300500mm，前后连杆间夹角越大，连杆力越小。5支架工作段要取曲线向前突的一端，如上图所示的H段。其原因是当顶板来压时，立柱让压而下缩。使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，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动。使整个支架产生顺时针方向转动的趋势，从而增加了前梁断部的支护力，防止顶梁前断顶部冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应的减小，由于支架所承受的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁受力。从以上的分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连机构时曲线运动轨迹应尽量使支架的工作段要取曲线向前突的一段，所以当掩护梁和后连杆长度已知后，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，进行作图就可以了。2.2.3 四连杆机构的绘制(1) 掩护式和支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构形成的条件是：最短杆c和最长杆b之和小于其余两杆长度之和，而最短杆为上连杆（掩护梁），最短杆的对边a为固定杆（底座），即： cb15。在J点作角，再取JC一定长度与HC交与C点，C点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。以J为圆心，JC为半径画一弧ab。以I为圆心，以HC的长度为半径画弧与弧ab交于E点，C点和E点就是后连杆在支架为最低高度和最低高度时的极限位置。在CH上取一长度CD，必须CDDC，这样CD就是最短杆。而且要使CD+DGCJ+JG。于是G点成为前连杆和底座的铰接轴。 IH之间的轨迹的校核。在CE弧内平均取几点，例如1、2、3点，依次地以1、2、3为圆心，以CD长为半径画弧，与以G点为圆心GD为半径的FD弧交于1、2、3点，连接11、22、33，并都给于延长得1”，2”，3”点，使11”22”33”CH。这样，I3” 2” 1”所形成得曲线要接近直线，即e75mm。如果差别太大，要改变四连杆得尺寸或角度，以上述的过程重新画出IH间得轨迹，使近似与直线。 要求水平偏离量不超过规定值以外，对角的变化要求均匀。特别要注意在最大高度时，不要发生突变。角是连杆瞬时中心与掩护梁铰接轴的连线和顶梁延长线之间的夹角。CDH上的D点可以不在CH的连线上。 如图24：按上述方法作图，得到前连杆的长度为1450mm，与底座的高度为580mm；后连杆的长度为1430mm，与底座的高度为240mm；其余具体尺寸如图。测得e43.5mm 立柱缸体内径按下式进行 D= （cm） 式中 D：立柱刚体内径 （cm） P: 立柱的工作阻力 （kN） ：泵站工作压力 （MPa）K：一般在0.520.78之间，对于不稳定顶板向上取限，稳定顶板向下取限。这里取K为0.65。P=4000KN=14.7 MPaK=0.65求得D165 mm根据1984年我国正式发布的矿用液压立柱、千斤顶、柱径系列MT9484煤矿工业部标准。鉴于所计算数据取D=200 mm 查表得柱径为d185mm初撑力 （kN）式中 D：缸体内径 （m） ：单位换算值工作阻力 P （kN）式中为安全阀的调定压力，也是缸体内的压力。因为p=4000kN选用安全阀开启压力为=31.8MPa 2 千斤顶的计算和立柱相同。千斤顶的推力和拉力计算固定活塞式千斤顶的推力按下式计算：(kN)固定活塞式千斤顶的拉力按下式计算：（kN）式中 D：千斤顶缸体内径 （m）d：千斤顶活塞杆的外径 （m） ：泵站压力 （MPa）由于Dd，所以固定活塞式千斤顶的推力大于拉力。5. 泵站压力的确定 泵站压力的确定按照立柱和千斤顶的工作压力需要确定为： P = 14.7MPa计算得ZZ4000/17/35 支撑掩护式液压支架技术参数如下：支架形式支撑掩护式操作方式邻架操作高度1.73.5m宽度1.421.59m初撑力1884kN工作阻力4000kN支护宽度1.5m支护强度730kPa底座面积2.6底座比压10.7MPa重量10500Kg泵站工作压力14.7MPa立柱(4根)缸径200mm活柱直径185mm行程900mm初撑力462kN降拉力121kN工作阻力1000kN短柱（前梁千斤顶）（1根）缸径140mm活塞杆直径105mm行程140mm初撑力226kN拉力99kN工作阻力588.6kN前梁端部最大支撑力127.5kN前梁向上摆角15前梁向下摆角19推移千斤顶（1根）缸径140mm活塞杆直径85mm行程700mm推力145.7kN拉力231kN护帮千斤顶（1根）、侧推千斤顶（4根）缸径80mm活塞杆直径45mm推力75kN拉力51.5kN行程相应为250mm 三、支架的强度计算3.1 支架的工作状态 (1) 顶板状态在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于上部岩从压力，出现离从和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就越大，而顶板冒落时有一定过程的，一般分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，次时顶板较完整，而且没有下沉，通常称为老顶来压，次时顶板并不破裂，且这种下沉带有一定的周期，所以称为老顶周期来压状态，如不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。(2) 支架工作状态开始支架以初承力支承顶板，此时为无压状态，当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增加，当增加到大于安全阀调定正压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称压死状态，这是在设计和使用中，必须要注意避免的现象。 (3) 支架受力支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板压力，其中顶板合力的垂直分力，由支架工作阻力来克服，所以我们在计算支架的工作载荷F时按支架的工作阻力来确定。3.2 支架载荷的确定液压支架实际受载荷情况很复杂，顶梁和底座上的载荷即非集中载荷又非均布载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算作如下规定。(1) 把支架化简成一个平面杆系结构，同时为防于安全，按集中载荷进行计算。(2) 金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。(3) 顶梁，底座与顶底板认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律，沿支架宽度方向为均布。(4) 通过分析和计算可知，掩护梁上煤块的作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在计算强度时不计。(5) 立柱和短柱按最大工作阻力来计算。(6) 作用在顶梁上水平力的产生有二种情况：一种是支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双扭线，所以顶梁与顶板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘积，其方向与顶梁产生位移方向趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平力，最大水平力值与上相同。顶梁与顶板的静摩擦系数f，目前国内一般取0.20.3。 (7) 支架各部分受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。(8) 各种结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险端面外，还要按液压支架形式试验技术规范的各种加载方法，以支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10的超载试验，将由安全系数来保证强度。3.3 支架受力分析支架的受力分析与计算，是按理论力学中一个物体受几个力的作用下处于平滑状态时，所受力和力矩之和为零的原理来进行分析和计算的。即以当支架支承后在处于平衡状态时，取整体或某一个部分为分离体也处于平衡状态，其合力和合力矩为零。即满足静力平衡的充分必要条件为各力在x上的投影之和为零，各力在 y上的投影之和为零;各力对某点取矩之和为零。下面就根据这一理论对支架简化成平面杆系进行受力分析和计算。直接撑顶的支撑掩护式支架各支撑点受力计算：假设顶梁受以集中载荷,水平分力为。掩护梁上载荷的合力分量各为和。前排立柱工作阻力为,后排立柱工作阻力为。受力状态如图31所示。图31直接撑顶支撑掩护式支架受力情况取顶梁和掩护梁为隔离体，=0,即：（31）=0,即： （32），即： （33）取顶梁为隔离体，,即：由上式得：（34）把(34)式代入（31）式，解得： (35)由（34）式和（31）解得： （36） （37）3.3.1各主要参数的影响支撑掩护式支架在工作过程中，各主要部件的受力是变化的，其影响因素有诸多方面。(1) 立柱倾角对承载能力的影响由于掩护式和支撑掩护式支架的立柱大部分是倾斜布置的，倾角又随着支架的高度变化，所以支架的承载能力的大小也随着支架的高度而变化。现在对承载能力的影响。立柱支撑在顶梁，当立柱的工作阻力为，倾角为时，显然支架的承载能力与COS有直接的关系。因为COS1，因此立柱倾斜布置将使支架的承载能力降低。角和COS之间的关系表示在右图中。由图看到，当0.95，支架的承载能力降低值不等大于。当26时，COS1.1由于安全系数6远远大于所给定安全系数，所以支架底座绝对安全。F.推移千斤顶计算及强度校核推移千斤顶计算推溜力为：145.7KN；拉架力为231KN；故所受最大力为拉架力。（1）千斤顶稳定性验算活塞杆柔度计算：式中 长度折算系数，在两端铰接时，1；活塞杆的计算长度；活塞杆横断面的回转半径，。解得：26.25 35.355，且式中 ,；其中：E钢材的弹性模量，E2.088；经计算得,;0.68；0.574；5.6；活塞杆的合成应力：式中 A活塞杆的横截面积；A=86.59mmW活塞杆的端面模数；w113.7；=140.5MPa安全系数计算如下： 活塞杆采用45号钢450550MPa=3.2式中许用安全系数，一般最小为1.4。（3）千斤顶缸体强度验算缸体壁厚验算：当时按中等壁厚缸体公式计算，此处25。式中 缸体实际承受的最大应力，MPa。安全系数为：式中 缸体材料为27SiMn无缝钢管，980 MPa；许用安全系数，一般取3.54。经计算：201 MPa ；故经校核计算推移千斤顶符合要求。3.4 顶梁载荷分布 把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。有戏顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分布。 设顶梁长度为Lg，顶板的集中载荷为F1，其作用点距顶梁一端为x。则当xLg/3时，载荷分布为三角形。如图37所示图37载荷分布图顶梁前端比压为0，顶梁后端比压为：（MPa）当Lg/2xLg/3时，载荷呈梯形分布，如上图36所示。顶梁前端比压为：（MPa）顶梁后端比压为：（MPa）3.5 支护强度支护强度为单位面积得支护阻力按下式进行计算 (t/)式中 s:顶梁前端至煤壁的距离 B1：支架支护强度（支架间距）不同高度求得支护强度q3.6 底座接触比压 由于底板条件的变化，底座的接箸比压很不均匀，为计算方便起见，假设底座与底板均匀接箸且为线性载荷分部。底座对底板的比压值应小于底板的抗压强度，否则底座会陷入底板，造成移架困难，顶底板移动量增大，支架失稳及支承力降低等现象。支架技术特征中给出的底座与底板的平均比压值为： = (MPa)式中 ：平均比压（MPa） R：底座对底板的合力 （N） :底座长度 （m）：底座当量宽度（m）求得 10.5MPa3.7 支护效率 支护效率按下式进行计算 = F/PF:支护阻力P:支护工作阻力3.8 支架受力的影响因素（1） 对支架受力的影响掩护式支架，由于支护高度的变化，使平衡千斤顶的角度，立柱的支承角度，掩护梁及四连杆机构的角度等的不同，支架受力也不同。接近支护高度最高处，顶梁受力最大，支护效率最高，其支护效率为顶梁合力与工作阻力之比。（2）系数对支架受力的影响 液压支架在实际工作中的摩擦系数是一个不定值，一般钢对岩石的摩擦系数为0.20.3，根据计算表明，摩擦系数增大，对支架受力有利，使底座的底比压分布较好。（3）千斤顶的推拉力对对支架的受力影响 平衡千斤顶为拉力时，顶梁后端比压增大，可增强切顶能力，底座比压分布状态较好，连杆受力较小；平衡千斤顶为推力时，合力作用点前移，可增加前端支护能力，此时底座前端比压增大，连杆力增。（4）作用力对支架受力的影响 煤块作用力增加，使支护强度，支护效率和切顶能力减小，同时连杆力减小，底座比压分布改善和增
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