液圧支架的设计大学学士学位论文1

1、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

2、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abstractthe article mianly elaborate the hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system designthe support eliminates must real

3、ize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top-beam around moves. t

4、he column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest position high request. the top-beam, shields liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate

5、 welding.at research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthet

6、ic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. this design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits.keyword: hydraulic support ；top beam；cradle；column目 录摘要iabstractii1 绪论11.1国外液压支架现状11.2我国液压支架的技术

7、现状21.3本课题的研究目的和意义62 概述82.1 液压支架的工作原理82.2对液压支架的基本要求112.3 支架的选型设计113 液压支架的整体结构设计153.1 支架高度、中心距和底座长度的确定153.2四连杆机构的设计174 顶梁的设计214.1顶梁形式的选择214.2顶梁的设计225支架主要技术参数确定285.1支护面积285.2 支护强度285.3 确定立柱的技术参数295.4千斤顶技术参数的确定336 支架受力分析与计算386.1受力计算386.2 顶梁载荷分布426.3 支架其他计算447 液压支架的强度校核467.1 强度条件467.2前梁强度校核467.3主顶梁的校核507

8、.4 掩护梁强度校核557.5 底座强度校核588 液压系统设计628.1 液压系统的作用及特点628.2 液压系统的设计方法638.3 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1.3m3.5m、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

9、国家综采程度一般已达70%80%。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。 1.1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0.81m的截深。支架还采用屈服强

10、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95%98%。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1.

11、75m,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90.43万吨,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60.11万吨。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

12、史以来日产3.41万吨的最高记录,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。1.2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15.72万吨/

13、月,原煤生产人员效率达9.16吨/工,综采机械化水平达49.32%,达到了世界先进水平。(1)我国液压支架的基本架型1) zz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0.94.7m,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。2) zy系列掩护式支

14、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0.753.8m。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

15、,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25 45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

16、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1.53.5m,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

17、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

18、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1.53m。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

19、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1.43.5m。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

20、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f=0.84.5的煤层中广泛使用低位放顶煤支架,采煤截深多为0.6m,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0.50.58mpa,支架高度1.62.4m,重量5.78.25t,中心距1.251.5m。其结构特点为:掩护梁和顶梁为一整体,带挑梁或内伸

21、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

22、架操作。1.3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

23、、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2.1 液压支架的

24、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2-1所示。图2-1 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；2.1.1 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。2.1.2支架推

25、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。2.1.3 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

26、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

27、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2-2 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2-2 所示，曲线上的、分别表示支架的初撑、增阻、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

28、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 式中 支架的支护面积，2.2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；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100kn150kn，中厚煤层一般为150kn 250kn，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

29、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。2.3 支架的选型设计2.3.1设计的原始条件支架的支撑高度：1.4m-3.4m，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1.8m-3.2m。工作面配套设备：采煤机：mxa-

30、300/3.5，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。2.3.2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

31、、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一般取0.150.3。(7)按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。 2.3.3 影响架型选择的因素(1) 煤层

32、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2.52.8m（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

33、1.962.16mpa，软底板为0.98mpa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。(7) 设备成本在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。2.3.4 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

34、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1.43.4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2-1初步选定为掩护式两柱液压支架。老顶级别直接顶类别12312312344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式采高小于2.5m时支撑掩护式采高大于2.5m时支架支护强度mpa采高m10.2941.30.2941.60.29420.249应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区20.343（0.245）1.30.343（0.245）1.60.34320.34330.441（

35、0.343）1.30.441（0.343）1.60.44120.44140.539（0.441）1.30.539（0.441）1.60.53920.539表2-1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，可根据本矿情况允许有%的波动范围。表中1.3、1.6、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3.1 支架高度、中心距和底座长度的确定3.1.1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等因素来确定，其最大与最小高度为： （式3.1） （式3.2

36、）煤层最大采高，煤层最小采高伪顶冒落的最大厚度，一般取0.20.3m顶板最大下沉量，一般取100200mm移架时支架的最小可缩量，一般取50mm矸、浮煤厚度，一般取50mm本设计采高1.83.2m,取支架高度为1.43.4m 3.1.2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3.3）代入数据得m=2.33。3.1.3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3.4）式中： 支架间距（支架中心距）；每架支架顶梁总长度；相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；n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

37、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1.5m,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1.5m。本次设计取支架的中心距为1.5m。3.1.4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3.5倍的移架步距(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右；

38、支撑掩护式支架的底座长度取4倍移架步距，即2.4m左右。本次设计取底座长2.1m。3.1.5 底座宽度支架底座宽度一般为1.11.2m。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1.3m左右，放顶煤支架为1.31.4m。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。3.2四连杆机构的设计3.2.1四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

39、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

40、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3.2.2 四连杆几何特征（1）支架在最高位置时，=5262，即：0.911.08弧度；=7585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，掩护式支架为i =0.450.61;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，对支撑掩护式支架最好

41、应小于0.16。3.2.3.四连杆机构各部尺寸的计算图3-1四连杆机构参数图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3-2四连杆机构1)在上图中，先画基线ab向上取，在顶端向下取一定距离（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。2)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，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。

42、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cddgcjjg. 于是g点成为前连杆和底座的铰接轴。7)之间的轨迹的校核。在弧内平均取几点，例如1、2、3点，依次的以1、2、3为圆心，以为半径画弧，与以点为圆心为半径的弧交于点，连接、2、，并都给于延长得、点，使1=2=3ch。这样，i 所形成的曲线要接近直线。如果差别太大，要改变四连杆的尺寸或角度，以上述的过程画出ih间的轨迹，使近似于直线。除要求水平偏移量不超过规定值外

43、，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。注意，cdh上的d点，可以不在ch连线上。确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距按同类型支架用类比法来确定得：掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为160mm；后连杆下铰点至底座底面之距为400mm。 h1=3.4-0.56=2.84(m)h2=1.4-0.56=0.84(m)经过计算所的结果为：取整后得：u= 0.25 q1= 78度 q2= 18 度 p1=53度 p2=15度a= 858.6 b=500 c=1585 d=400 e= 970 g=2300 s

44、=611 l=1661 4 顶梁的设计4.1顶梁形式的选择 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。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。4.1.1整体顶梁整体顶梁图4-1的特点是:结构简单，可靠性好;顶梁对顶板载荷的平衡能力较强;前端支撑力较大;可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏砰。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端(8001000)一般上翘图4-1 整体顶梁4.1.2铰接式顶梁铰接式顶梁如图4-2所示。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

45、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研的可能性。图4-2铰接式顶梁4.2顶梁的设计 4.2.1顶粱的长度的确定 定量长度=配套尺寸+底座长度+acos()-gcos()+300+e+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点至距 （式3.5）式中：底座长度底座前端至后连杆下铰点之距；支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；、 支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。采煤机：mxa-300/3.5，刮板输送机：sgz-730/320。查综采设备手册得三机配套尺寸为：配套尺寸=671+1553=2224mm 代入相关数据

46、得： 顶梁长度=2224+2100+1131cos(78)-2300cos( 53)300+65+100=2910mm4.2.2顶梁的宽度的确定顶梁不仅必须满足支架的工作阻力的要求，还要使顶梁覆盖住顶板，以减少矸石的冒落。顶梁的覆盖率为顶梁面积与控制顶板面积比值的百分数，即 式中 b顶梁宽度； l顶梁长度； j架间距； c顶梁前端到煤壁的距离； 对于破碎顶板； 中等稳定顶板 ；稳定顶板 ；一般j取100200mm。如果给定和j值，可以求出b值，即取， =79% 、 j=200mm。顶梁宽度的决定，除用上式计算外，还要考虑到整体支架与一节溜槽长度相匹配的问题。 故顶梁宽取1.4m。4.3.2侧护

47、板的结构的型式侧护板的结构型式如图4-3 所示。通常采用两种类型 图4-3 侧护板的结构型式 一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板又有三种型式，图 a ，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石的阻挡伸缩；图b 在顶梁上架设顶板，克服了以上的缺点，但支架受偏载时，侧护板装置受力很大。 另种是铰接式侧护板，如图 d 所示。它克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成三角带容易填入碎矸，影响架间密封效果。4.3.3侧护板尺寸确定顶梁侧护板的侧向宽度，按支架升降高度和推移步距来确定。即：考虑到当一架升起，另一架降柱时，要保证相邻两家间侧护板不脱离接触。同时考虑到支架降柱后要前移，为防止顶梁后部侧护

48、板脱离接触，顶梁侧护板后部要加宽，加宽的长度一般为从顶梁后部起大于一个步距，即大于600mm。掩护梁侧护板的侧面宽度，主要考虑移架步距，一般一个步距大于100mm，即相当700mm。当一架固定，另一架前移时，两架之间能密封，同时又考虑到降架前移时，原不动的掩护梁侧护板的下部不致脱开。所以，掩护梁侧护板下部要加宽。顶梁和掩护梁侧护板的顶面宽度，与活动侧护板的行程有关。由两台相邻支架的架间距离确定。顶梁和掩护梁侧护板的连接，在考虑动作灵活可靠的情况下，应尽量减少间隙，加强密封性。侧护板结构如图4-4所示图4-4侧护板结构4.3.4活动侧护板功能1）挡矸。可改变顶梁与掩护梁的弧顶、防矸性能，隔离控顶

49、区与采空区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘。2）防到、调架。活动侧护板增强了支架侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用。4.3.5侧推千斤顶的侧推力1)弹簧总推力，一般取14kn。过大会影响降架速度，增大移架阻力。2)千斤顶总推力，一般取200500kn，大倾角或厚煤层支架时取上限。由于上伏式嵌入式等直角活动侧护板可能承受顶板或冒矸的载荷，必须有承载用的导向杆。为了提高可靠性，建议不用弹簧套筒兼作导向杆。侧推千斤顶的技术参数通常为：行程：170；缸体内径：100；活塞杆直径：60。4.3.6侧推千斤顶的位置1）千斤顶置于梁体外部，结构简单，装拆方便。但由于与导向杆不在

50、同一平面上，受力条件不好。2)千斤顶置于梁体内部，梁体封闭，强度高，侧护板受力好，但装拆检修不方便，在千斤顶密封件不十分可靠的情况下，可采用局部下敞式梁体，以利装拆检修。二孔式采用两个侧推千斤顶，在侧推千斤顶处同时布置弹簧筒，靠弹簧实现架间密封。三孔式中间孔按装侧推千斤顶，两侧对称安装弹簧筒。四孔式中间两孔安装侧推千斤顶，侧面两孔布置弹簧筒。4.3.7护帮(挑梁装置)煤壁片帮和梁端冒顶是影响综采效率和工人安全的主要因素，特别是在破碎顶板、松软中厚及厚煤层条件下问题更为严重。在矿山压力作用下，煤壁片帮和梁端顶板冒落互相诱发，构成恶性循环。护帮板是提高液压支架适应性的一种常用装置，其作用是:护帮，

51、即通过挑梁(护帮板)贴紧煤壁，向煤壁施加一个支撑力，防止片帮。一旦片帮，也可挡住片帮煤不进人人行道，并防止片帮继续扩大;作临时前梁。在支架能及时支护的情况下，采煤机过后挑起挑梁可实现超前支护。当煤壁出现片帮时，挑梁可伸人煤壁线以内，临时维护顶板，避免引发冒顶。在支架滞后支护的情况下，利用挑梁可实现及时支护;在厚煤层分层开采时，采上分层可利用挑梁挂网卷，采下分层可利用挑梁挑网兜。1.护帮(挑梁)装置的类型和特点 护帮(挑梁)装置的主要类型有两类，一类是简单铰接式，如图4-5所示;另一类是四连杆式，如图4-6所示。 图4-5 简单铰接式 图 4-6四连杆式挑梁简单铰接式:简单铰接式护帮板铰接在整体

52、顶梁或铰接式顶梁前梁的前端(有伸缩梁时铰接在伸缩梁头上)，千斤顶直接与护帮板相连接。这种形式的护帮板结构简单，但挑起力矩小，且当顶梁或前梁带伸缩梁时，厚度较大，难以实现挑起当相作护帮使用时翻转角度大于即可2护帮装置的设计1)对煤壁推力；护帮板对煤壁的垂直方向推力应不低于10kn50kn2)护帮板的高度：视煤壁片落特性而定，一般作用高度在距顶板1/41/3高处。护帮千斤顶的参数：缸径：63 杆径：40 行程：284mm5支架主要技术参数确定5.1支护面积支架的支护面积按下式计算：mm （式3.6）式中 支护面积，mm； 移架后顶梁前端点到煤壁的距离()，一般=0.3+将各数值代入公式(4.1)得

53、支架的支护面积为：4.86m5.2 支护强度支护强度的计算可借助表2-1，首先按表2-1根据老顶级别和直接顶类别确定支架架型，再根据老顶级别和采高确定支护强度。由于实际最大采高不一定正好和表2-1所列采高相同，所以要用插值法重新计算。 kn/ （式3.7）式中：当支架最大采高为时，支架应有的支护强度，kn/；在架型选样表2-1中与低于但与之相邻的采高相对应的支护强度；kn/； 在架型选择表2-1中与高于但与之相邻的采高相对应的支护强度，kn/；所对应的采高，m；所对应的采高，m。根据表2.1将各数值代入公式得支护强度为：kn/支架理论支护阻力为：= （式3.8）代入数值得=2910kn5.3 确定立柱的技术参数5.3.1立柱缸径的确定立柱缸径按下式进行计算： cm （式3.9）式中 立柱缸体内径，cm；支架承受的理论支护阻力，k