薄煤层液压支架的设计毕业设计论文

1、摘 要 随着煤炭资源的日益减少，如何更好的实现对薄煤层的开采成为了一个重要话题。 在我国西南部的很多矿区，薄煤层已经成为主采煤层。液压支架作为煤矿开采的重要支 护设备，在保证工人的人身安全的同时，还要提高煤矿的生产效率。因此，研制高质高 效的薄煤层液压支架具有重要的意义。 传统的液压支架使用两柱或四柱支撑，工作阻力小，而且四连杆机构设计起来十分 困难，最终只能用近似的双纽线实现顶梁端部的运动，顶梁仍然有倾向煤壁的趋势。本 文设计的液压支架采用八根立柱支撑，支护阻力大，取消了四连杆机构，用立柱的液压 力抵抗水平力，是液压支架设计方法的巨大进步。 本文设计的内容主要包括：顶梁、底座、前梁、立柱等关

2、键部件的结构设计，建立 液压支架的三维模型，实现运动仿真，最后进行有限元分析校核关键部件的强度。设计 的过程中参考了现有液压支架结构设计的优点，如顶梁的箱形结构、底座的底分式结构 等。 本设计的主要创新点在于：八根立柱对顶板实现密集支护，不仅提高了支护阻力， 而且可以通过更换不同缸径的悬浮式立柱，实现支架的模块化设计、 集成化装配和规模 化生产，大大缩短了生产和检测周期，加快了我国综采机械化生产进程。薄煤层液压支 架一般采用邻架控制，为了减少管路上的压力损失，方便人员的操作，设计了一种先导 控制的液压系统，对液压支架液压系统的设计具有一定的参考价值。 关键词：液压支架； 超静定结构； 运动仿真

3、； 有限元分析 abstract with the decrease of the coal resources, how to mine the thin coal seam better became an important topic. in the southwest of china, the thin coal seam has been the mainly mining area. hydraulic support as the important supporting equipment in coal mining, not only to ensure the saf

4、ety of workers, but also to improve production efficiency of coal mine. therefore, the development of the high quality and high efficient hydraulic support in thin coal seam has vital significance. the traditional hydraulic support using two or four hydraulic pillars support the roof of coal seam, t

5、he force of the support is small, and the design of four bar linkage is very difficult. because the movement of the top beam can only realize with approximate double new line, there are still a tendency of coal wall trend. this paper introduces the design of hydraulic support adopted eight hydraulic

6、 pillars, cancelled four bar linkage, using the hydraulic pressure resist level force. the design method of hydraulic support is a great progress. the main of this paper introduce: the structure of top beam, base beam, front beam and hydraulic pillars and other key parts of the hydraulic support, bu

7、ild hydraulic supports 3 d model to realize the movement simulation, use finite element analysis to analyse the structure strength of key parts. the design process of the hydraulic support reference the structure design of the existing hydraulic support, such as the box structure of the top beam. th

8、e main innovation of this design is: eight hydraulic pillars to realize intensive supporting, not only improve support resistance, but also can through replacing different diameter of the hydraulic pillars to realize the modular design , integrated assembly and large-scale production, which greatly

9、reduce the cycle of production and testing, and also speed up the mechanization of manufacturing process. thin coal seam hydraulic support general use of the neighboring support control, in order to reduce the pressure loss on the pipeline, the design of the hydraulic system introduce a method of pi

10、lot control , which has some reference value for the design of the hydraulic system. key words: hydraulic support； super static set structure； movement simulation； finite element analysis 目 录 1 绪论绪论1 1.1 薄煤层开采技术1 1.2 液压支架的用途及分类1 1.2.1 液压支架的作用 1 1.2.2 液压支架的工作过程1 1.2.3 液压支架的现场布置3 1.2.4 液压支架的分类 4 1.2.5

11、 液压支架的支护方式5 1.2.6 对液压支架的基本要求5 1.3 薄煤层液压支架的结构特点5 1.4 液压支架的国内外现状及发展趋势6 1.5 超静定结构的创新和优点9 2 液压支架整体结构设计液压支架整体结构设计10 2.1 液压支架的设计参数10 2.2 支架的高度和支架的伸缩比10 2.2.1 支架高度10 2.2.2 支架的伸缩比10 2.3 支架间距 11 2.4 底座长度的确定11 2.5 顶梁尺寸 11 2.5.1 支架工作方式对顶梁长度的影响 11 2.5.2 顶梁长度11 2.5.3 顶梁宽度12 2.5.4 顶板覆盖率13 2.6 立柱布置 13 2.6.1 立柱数13

12、2.6.2 支撑方式13 3 液压支架部件设计液压支架部件设计 14 3.1 顶梁 14 3.1.1 主要作用14 3.1.2 结构型式14 3.1.3 顶梁结构和断面形状15 3.2 侧护板的设计 17 3.2.1 侧护板的作用 17 3.2.2 侧护板的结构型式17 3.2.3 侧护板尺寸的确定18 3.3 底座的设计19 3.3.1 底座的作用 19 3.3.2 底座的结构形式19 3.4 推移装置的设计20 3.4.1 推移装置的用途 20 3.4.2 推移装置的要求 20 3.4.3 推移装置的结构 21 3.5 立柱的设计24 3.5.1 立柱的类型 24 3.5.2 悬浮式液压支

13、柱的优点24 3.6 辅助装置的设计25 3.6.1 护帮装置的设计 25 3.6.2 防倒装置的设计 26 3.7 液压支架的主要技术参数27 3.7.1 支护面积 27 3.7.2 支护强度 27 3.7.3 支护效率 27 3.8 千斤顶参数的设计28 3.8.1 推移千斤顶28 3.8.2 侧推千斤顶28 4 立柱结构设计和强度校核立柱结构设计和强度校核29 4.1 单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定29 4.1.1 单伸缩立柱缸径的确定29 4.1.2 泵站压力的确定 29 4.1.3 立柱初撑力的计算29 4.1.4 立柱工作阻力的计算30 4.1.5 立柱缸体壁厚的计算30 4.2

14、油缸稳定性验算和立柱强度校核31 4.2.1 油缸稳定性验算 31 4.2.2 活柱强度验算 31 4.2.3 缸体与缸底焊缝强度验算33 5 液压支架受力分析液压支架受力分析 34 5.1 概述 34 5.1.1 支架工作状态 34 5.1.2 计算载荷的确定34 5.2 液压支架的受力分析与计算35 5.2.1 前梁的受力分析与计算35 5.2.2 主顶梁的受力分析与计算36 5.2.3 底座的受力分析与计算37 5.3 顶梁的载荷分布37 5.4 底座接触比压38 6 液压支架强度计算液压支架强度计算 40 6.1 强度条件40 6.2 前梁强度校核41 6.3 顶梁强度校核44 6.4

15、 底座强度校核48 6.5 销轴及耳板的强度校核51 6.5.1 前梁与顶梁联结处销轴的强度校核 52 6.5.2 前梁与顶梁联结处耳板的强度校核 53 6.5.3 立柱与底座处销轴的强度校核53 6.5.4 立柱销轴支座的强度校核54 6.5.5 其他地方销轴和耳板的强度校核 55 7 液压支架的液压系统设计液压支架的液压系统设计56 7.1 液压支架的液压系统简介56 7.1.1 液压支架传动系统的基本要求56 7.1.2 液压支架的液压传动特点56 7.1.3 液压支架的控制方式56 7.2 液压支架的液压系统拟定57 8 液压支架的运动仿真和有限元分析液压支架的运动仿真和有限元分析59

16、 8.1 基于 pro/e 的三维实体建模 59 8.1.1 建模的目的与意义59 8.1.2 pro/e 中建模方法60 8.1.3 pro/e 中虚拟装配62 8.1.4 pro/e 中运动仿真63 8.1.5 pro/e 仿真结果分析66 8.2 基于 ansys workbench 12 的有限元分析68 8.2.1 虚拟压架实验69 8.2.2 ansys workbench 12 有限元分析69 9 结论结论78 10 参考文献参考文献 79 11 翻译翻译80 外文原文 80 中文译文 84 12 致谢致谢91 1 绪论 煤炭工业是国民经济重要的基础产业。我国的薄煤层资源丰富，全

17、国薄煤层的储量 占全部可采储量的 17.5，分布面广，煤质好。但由于薄煤层采煤生产效率低，经济效 益差，部分煤矿不重视薄煤层的开采，造成许多薄煤层煤炭资源严重浪费。随着厚煤层 及中厚煤层煤炭资源的逐渐减少，许多煤矿开始重视对薄煤层的开采工作。 液压支架是现代化煤矿进行高效综采和安全生产最为关键的设备之一。无论是采用 刮板输送机、滚筒采煤机和液压支架的综采技术，还是运行轨道、强力刨煤机和液压支 架的综采技术，液压支架都是作为煤矿井下支护关键设备，因此，研究高质高效的薄煤 层液压支架有着重要的意义。 1.1 薄煤层开采技术 五十年代以前，我国在薄煤层中主要使用炮采工艺，以后使用了截煤机掏槽爆破落

18、煤，并发展了薄煤层采煤机，六十年代开始采用刨煤机，并在技术上逐步得到完善。薄 煤层开采应有合适的配套设备，目前，从国内外发展来看，比较理想的是刨煤机或爬底 板式采煤机采煤，用液压支架进行支护，实现采煤机械化。 在现有技术条件下，1.0m 左右煤厚的煤层可用的采煤方法有： 1 传统的长壁炮采采煤法； 2 单体液压支柱高档普采采煤法； 3 薄煤层螺旋钻采煤法； 4 综合机械化采煤法。 以上四种可行的薄煤层采煤方法中，第一、二种采煤方法由于工人劳动强度大，作 业条件恶劣，生产效率低，同时不符合现代技术的发展方向，除个别开采条件过于复杂， 难以使用综采机组开采的区域以外，不应推荐其作为主要的采煤方法。

19、第三种采煤方法 具有劳动强度较小，作业环境良好的优点，但由于其生产效率太低，难以使作为保护层 开采的薄煤层开采和主采煤层的开采速度相配套，也难以作为薄煤层开采的主要采煤方 法。只有薄煤层综采开采既具有工人劳动强度小、作业环境较好的优点，也具有安全高 效的优势，满足了主采煤层高强度开采的需要，更代表了薄煤层采煤方法的技术发展方 向,因此，对于薄煤层的高产高效提出了更高的要求。 1.2 液压支架的用途及分类 1.2.1 液压支架的作用液压支架的作用 液压支架是综采工作面的主要设备之一，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全 作业空间，推移工作面采运设备。实践表明，液压支架具有支护性能好、强度高、移架

20、 速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤 设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力 劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合 理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。 1.2.2 液压支架的工作过程液压支架的工作过程 1 支架的升降和推移 图1.1 液压支架工作原理图 1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀； 7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管 当操纵阀 8 处于升柱位置时，从乳化液泵站来

21、的高压液体通过操纵阀 8、液控单向阀 6 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 8 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。 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀 7 和推移千斤顶 4 来进行的。移架时，先使 支架卸载下降，再把操纵阀 7 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 4 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，在把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀 7 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

22、煤壁。 2 支架的承载过程 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。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。 （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。

23、（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 力称为工作阻力，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。 支架的支撑力和时间的关系曲线，称为支架的工作特性曲线，如图 1.2 所示。 图1.2 支架的工作特性曲线 t0初撑阶段；t1增阻阶段；t

24、2恒阻阶段；p1初撑力；p2工作阻力 1.2.3 液压支架的现场布置液压支架的现场布置 图1.3 液压支架在工作面布置示意图 1采煤机 2液压支架 3传送带输送机 4转载机 5刮板输送机 6主进液管 7主回液管 8乳化液泵 9乳化液箱 10端头支架 11单体液压支柱 图 1.3 所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液 压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时 支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、 升柱和推溜四个主要动作过程。 a-a 截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞

25、杆处于伸出状态， 端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（b-b 截面），端面距最 大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又 达到最小（c-c 截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤 壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（d-d 截面），以便完成下 一个动作过程。 随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对 顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备 的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。 1.2.4 液压支架的分

26、类液压支架的分类 1 按架型结构及与围岩关系分 （1）掩护式 1）支掩掩护式支架分插底式和不插底式； 2）支顶掩护式分为支架平衡千斤顶设在顶梁与掩护梁之间和支架平衡千斤顶设在 底座与掩护梁之间。 （2）支撑掩护式 1）支顶支撑掩护式支架； 2）支顶支掩支撑掩护式，其中一排立柱支撑在掩护梁上。 （3）支撑式支架 1）节式支架分两框架式、三框架及四框架组合式两类； 2）垛式支架。 2 按适用煤层倾角分 （1）一般工作面支架； （2）大倾角支架。 3 按适用采高分 （1）薄煤层支架； （2）中厚煤层支架； （3）大采高支架。 4 按适用采煤方法 （1）一次采全高支架； （2）放顶煤支架； （3）铺网

27、支架； （4）充填支架。 5 按在工作面中的位置分 （1）工作面支架； （2）过渡支架（排头支架）； （3）端头支架。 6 按稳定机构分 （1）四连杆机构支架； （2）单铰点机构支架； （3）反四连杆机构支架； （4）单摆杆式支架； （5）机械限位支架（橡胶限位、弹簧钢板限位、千斤顶限位）。 7 按组合方式 （1）单架式支架； （2）组合式支架。 8 按控制方式分 （1）本架控制方式； （2）邻架控制方式； （3）成组控制方式。 9 按控制原理分 （1）液压直接控制支架； （2）液压先导控制支架； （3）电液控制支架。 1.2.5 液压支架的支护方式液压支架的支护方式 综采工作面的主要生产工序

28、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 3 种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。 1 即时支护 一般循环方式为：割煤移架推溜。 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 滞后方式 一般循环方式为：割煤推溜移架。 滞后支护的特点是：支护滞后时间较长，梁端距大，支护顶梁较短。适用于稳定、 完整的顶板。 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，但增加的反复支撑的次数。可用于各种顶板 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

29、少。 1.2.6 对液压支架的基本要求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 100kn 左右；移架力按煤层 厚度而定，对中厚煤层一般为 150250kn。 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

30、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。 1.3 薄煤层液压支架的结构特点 根据煤层厚度划分，薄煤层截高一般小于 1.3m。我国不少矿区薄煤层是主采煤层。 薄煤层支架的结构特点是： 1 伸缩比大 立柱大多采用双伸缩立柱，薄煤层支架高度低，操作不太方便，立柱很少采用带机 械加长段结构。为满足大伸缩比的要求，特别是掩护式液压支架，立柱倾角较大，在低 位状态工作时，支护效率较低。 2 人行通道困难 对于薄煤层支架，如何设置人行通道是十分重要的。在瓦斯含量大、对通风有特殊 要求的综采工作面，大多

31、设计成双人行通道。支撑掩护式支架的前立柱前留有人行通道， 在前、后柱间再设计一个人行通道，二柱掩护式支架立柱前后各设一通道这样有利于通 风，便于行人。对于通风没有特殊要求的综采工作面，大多设计成二柱掩护式液压支架， 在柱前设置人行通道。 3 梁体薄 薄煤层支架由于其伸缩比大，且最低高度很低，所以结构件设计既要满足强度要求， 又要截面高度尺寸尽可能小。为此，结构件大多采用高强度钢板、箱形结构，顶梁前部 有的设计成板式结构，甚至是几层弹簧钢板叠加。 4 结构交叉布置 薄煤层支架由于其最低位置的高度十分低，结构件除了尽量薄之外，结构件间尽量 采用空间交错布置，所以，前连杆大多设计成单连杆，后连杆设计

32、成双连杆，在最低位 置时，前、后连杆可以侧投影重叠而不干涉，底座设计成分底座、活连接，左右底座中 间为推移机构布置的空间；对于两柱掩护式支架，平衡千斤顶和推移液压缸采取交错布 置，以满足最大重合度。由于柱前大多为人行通道，所以薄煤层支架推杆前部大多设计 成板式，厚度为 5070mm。人行通道最小要求宽 0.6m，净高 0.4m。 5 简化结构 薄煤层支架结构要尽量简单，以减少事故，顶梁可设计成整梁，适当加宽顶梁宽度， 一般可不设置活动侧护板。 6 提高控制系统自动化 薄煤层工作面行人困难，所以操作系统最好实现成组控制、自动控制或邻架控制， 以减轻工人体力劳动和提高安全程度、工作效率及产量。 1

33、.4 液压支架的国内外现状及发展趋势 液压支架的设计、制造和使用，从 1854 年英国研制成功发展到现在，已经基本成熟， 形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。 从液压支架的形式来看，有掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。从支架的质量 来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架。从支撑高度来看，有薄煤层液 压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架。厚煤层液压支架又分厚煤层一次采全高 液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架。从用途来看，有端头液压支架 和中间液压支架。所以从液压支架的现状来看，已经发展到一个完整的液压支架体系。 从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展

34、到全部计算机程序设计。总之，随着时 代的发展和进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。 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器装置，立柱缸径超过 400mpa。为减少割煤时间，一般 采用 0.81m 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 68s/架。

35、美国是世界上最先进的采煤国家，早在 1990 年就己采用额定压力 50mpa，额定流量 478l/ mi n 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 1.75m，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

36、.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，工效为 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 3.41 万吨的最高记录，班产一直保持在 50006000 吨。 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。 液压支架的发展

37、不断完善，未来的发展趋势主要有以下几种： 1 前连杆加油缸的液压支架 在掩护式和支撑掩护式液压支架中的四连杆机构，克服了顶板作用在支架上的水平 力，但当水平力过大时，不能让压，为了安全起见，所以掩护梁和前、后连杆的强度计 算中安全系数比其他构件增加 20%，为了解决此问题，目前国外正在设计一种前连杆带 油缸的液压支架。 油缸为双作用单伸缩，上下腔都带安全阀，当顶板水平力大于额定值时，油缸让压， 使液压支架达到新的平衡，从而在设计时可降低安全系数，减轻了液压支架的质量。 2 沿顶板移架的液压支架 为适应破碎顶板下使用液压支架，设计了一种不在底板上移架的液压支架，利用提 起底座擦顶移架的液压支架，

38、底座与节式液压支架类似，为底靴式，质量较轻，架与架 之间用液压千斤顶连接起来。 3 适用特种条件下的液压支架 （1）特厚煤层一次采全高液压支架 目前北京煤矿机械厂生产的 bc520-25/47 型液压支架，支架高度为 2.54.7m，还可 根据需要设计支架高度为 6m 的液压支架，立柱可采用三伸缩柱的液压支架。 （2）新型放顶煤液压支架 可设计一种回收率高、夹矸少的放顶煤液压支架。 （3）水采液压支架 为适应水采工作面的支护，可设计一种水采工作面液压支架。 （4）重型液压支架 为适应顶板压力特大的需要，还可依据将工作阻力设计适当的液压支架。 （5）新型端头液压支架 为了加快综采速度和无人采煤工

39、作面的需要，设计一种能适应井上操作，既安全又 可靠的新型端头支架。 （6）大倾角工作面液压支架 为适应煤层倾角小于或等于 45的工作面，设计一种新型的大倾角工作面液压支架。 4 液压支架结构设计方向 （1）轻型化 对液压支架各部分进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度条件和配套 的条件下，底座及顶梁尽量短些，使液压支架轻型化。 （2）标准化 为了减轻支架质量、降低成本，提高对煤层厚度变化和顶板条件的适应性，使液压 支架的范围变小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。 （3）材质强化 提高结构件钢材的强度，采用优质钢材，减轻液压支架的质量，设计时可进行技术 经济分析比较，选用

40、合理的材质。 （4）高压化 各种阀类的压力等级加高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架 的质量减轻。 5 操作自动化 能适应无人采煤工作面的需要，设计自动化操作的新型全自动液压支架。 我国液压支架经过 30 多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过 日产万吨甚至班产超万吨的记录。但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在 支架架型功能上我国与国外相差无儿，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网 支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低， 电液控制阀可靠性差，所用钢材的耐压能力一般为 260mpa，最好的屈服极限才 700mp

41、a，液压系统压力在 35mpa 以下，流量在 200l/min 以内，供液管直径 2532rnrn， 回液管直径 2550mrn， 最快移架速度为 1012s/架(井下实际应用有时在 20s 以上)，工作阻力更是相对较低。 我国科学工作者经过 30 多年的发展和努力，液压支架的设计、制造水平在不断提高， 特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型已基本趋于成熟、 完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比，差距越来越小。但在控制元件和控制系 统方面，与先进国家的产品相比还有较大差距。所以.今后除应继续针对我国国情和煤层 具体条件，开发一些新架型、新品种外，还应将设计重点放在支

42、架控制系统和提高支架 的工作可靠性方面。 今后，我国的液压支架的设计将向着技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68s/架) 和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用 整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为 40mpa，额定流量为 400l/min 的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需要，系统 采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。zy 两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸的直径将增至 360mm，端头支架、轻放多用途支 架将被广泛使用。 1.5 超静定结构的创新和优点 1 顶梁和底座通

43、过 8 根悬浮式液压立柱铰接连接,，立柱均为二力杆， 所以支架顶梁 无论承受哪个方向上的压力都不会对底座产生附加弯曲应力。 2 顶梁所受的水平力均转化为立柱的内压力，因此只要立柱能够承受足够的压力,， 则支架就能承受与之相应的水平载荷。 3 立柱布置成正三角形，不但使支架的水平内力互相抵消，减少了顶梁和底座的内 力，也使支架具有很高的稳定性。 4 八根立柱密集支撑顶梁，在相同的泵站压力下，可以用较小的缸径实现较大的支 撑力。同时，顶梁成为具有多点支撑的柔性顶梁，受力合理，可靠性高。 5 可以通过只更换缸径相同、行程不同的立柱的方法，装配成采高不同而工作阻力 相同的一系列液压支架，从而实现支架的

44、模块化设计、 集成化装配和规模化生产，大大 缩短了生产和检测周期，加快了我国综采机械化生产进程。 6 由于没有四连杆机构，顶梁的运动轨迹为垂直直线而不是近似的双扭线，克服了 传统四连杆机构给支架设计带来的缺陷和不足。 7 支架前梁可以上摆 3，下摆 42，用 2 个缸径相同的悬浮式液压千斤顶支撑， 不仅支撑力大，而且对不平整顶板的适应性强。 8 立柱采用悬浮式技术原理，悬浮力达到工作阻力的 4/5，立柱的受力仅为 1/5，大 大提高了立柱的稳定性和安全性，从而提高了支架的承载能力和抗偏载能力。 9 悬浮式液压立柱各密封点采用密封补偿和密封胀紧技术，而且内部无圆弧焊缝， 无内泄漏。立柱一旦泄漏，

45、肉眼便可发现。如果支架中有 1 一 3 根立柱损坏，可以在现 场直接进行更换与维修，而不影响整个支架的超静定结构和工作状况，大大减小了工人 的劳动强度，缩短了维修设备的时间。 10 在设计过程中，对支架各部件进行了详细的受力分析和强度校核，并对各结构件 的焊缝进行了强度校核，而且充分考虑了冲击载荷的影响，其安全系数满足设计要求。 2 液压支架整体结构设计 2.1 液压支架的设计参数 设计参数数值 支架的立柱数8 支架的工作阻力（kn）5000 支架的中心距（mm）1500 支架的最大高度（mm）1300 立柱伸缩形式单伸缩 煤层倾角3.2 时，按中等壁厚缸体公式计算： d （4-5） () 2

46、.3() p dc c c计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般取 c=2mm。 p油缸内工作压力，p=52mpa； 代入公式得：=266.09mpa。 安全系数 3.7 b n 一般安全系数可在 3.5-5 范围内选取，计算可知，此立柱满足要求。 2 2 cos 4 10 a d pp 0.4 1 2 1.3 dp p 4.2 油缸稳定性验算和立柱强度校核 4.2.1 油缸稳定性验算油缸稳定性验算 验算活柱全部伸出并受最大同心纵向载荷的稳定性，立柱的稳定性条件按下式进行 验算： （4-6） 式中：立柱的稳定极限力； k p 立柱的最大工作阻力； p 活柱断面惯性矩； 1 j 44 4 10 1

47、() 798 64 dd jcm 缸体断面惯性矩，。 2 j 4 cm 44 1 4 2 2214 64 dd jcm 上述各式中: 活柱外径，12.5 1 d cm 活柱内径，9.5 0 d cm 缸体外径，17 1 d cm 缸体内径，14 dcm 根据 =1.7 及 =1.225 2 1 l l 查极限阻力计算图得： =64.3 式中： 活塞杆端部销孔至最大挠度处距离，40cm； 1 l 缸底销孔至最大挠度处的距离，49cm。 2 l 立柱稳定性的极限力为： =32.3mn k p 立柱的最大工作阻力 p=800knl(活塞杆头部距最大挠度处的距离) k p 1 22802277 j x

48、l p 从以上计算可知，油缸稳定性满足条件。 4.2.2 活柱强度验算活柱强度验算 （1）在承受同心最大轴向载荷时，立柱的初始挠度为： 2 1 1 k k p pjp j 2 1 j j 1 k p j (4-7) 式中: 活柱与导向套处得最大配合间隙， =0.016cm；11 活柱和缸体的最大配合间隙， =0.013cm， 2 2 活柱头部至最大挠度处的距离， =40cm；l1l1 缸体尾部至最大挠度处的距离， =70cm； 2 l 2 l 活柱全部外伸时，导向套前端至活柱末段间距，=9cm。aa 活柱全部伸出时立柱的长度， =110cm。ll 立柱总重，估取为 260kg。g 油缸轴线与水

49、平面的夹角，=84。 通过上式求得：=0.0453cm。 1 (2)立柱的最大挠度： 1212 5,5 l lljj d 当 时， (4-8) 式中： 1 1 p k ej 2 2 p k ej 11 1 tan 57.3tk l 22 2 tan 57.3tk l 钢材弹性模量，: e 5 2.1 10 mpae 通过上式求得：=0.046cm。 (3)活塞杆的合成应力为： (4-9) 式中：活柱 a 的断面积， 22 10 () 4 add 活柱的断面模数，当活塞杆为空心时，其断面模数为 w 3 4 (1) 32 d w 121 2 1 2 1 cos 22 l lgl l alpl 1

50、12 1 2 12 l kk l l tt pp aw 所以，活柱的合成合力=157.3mpa。合 安全系数计算如下： s nn 式中：许用安全系数，一般最小为 1.4。 n 本设计中活柱材料为 27simn， =835mpa。安全系数 n=5.3，满足要求。 s 4.2.3 缸体与缸底焊缝强度验算缸体与缸底焊缝强度验算 (4-10) 式中：立柱最大工作阻力，800kn;p 环形焊缝内径，17cm； 0 d 环形焊缝外径（缸底外径）,19.6； 0 dcm 焊接效率，取=0.7。 1 1 代入相关数据，得：，焊缝抗拉强度一般取 539mpa： 153mpa 安全系数为： 许用安全系数n=3.3

51、-4,由计算结果可知，焊缝强度满足条件。 22 001 4 p dd 3.52 b n 5 液压支架受力分析 5.1 概述 5.1.1 支架工作状态支架工作状态 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，由于受上部岩层压力，出 现离层和裂隙，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 顶板冒落是有一定过程的，一般可分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，此时顶板较 完整，而且没有下沉，称为无压状态；但经一定时间后，顶板就会下沉，通常称为老顶 来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉带有一定的周期性，所以称为老顶周期来压状 态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落

52、，此时叫冒落状态。 2 支架工作状态 支架在这三种状态下是这样工作的：开始支架以初撑力支撑顶板，此时为无压状态； 当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增大，当增大到大于安全阀调正压力时，安 全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称为立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板； 如果继续来压，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，称为 压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现象；当支架前移后，此时顶板处于无 支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架在工作过程中的三种状态。 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 和底座受底板反力，其中

53、顶板合力的垂直分力,由支架工作阻力来克服，所以在计算支 f 架的工作载荷时按支架的工作阻力来确定。 f 5.1.2 计算载荷的确定计算载荷的确定 液压支架实际受载荷很复杂，顶梁和底座上的载荷既非集中载荷，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，作如下假设： 1 把支架简化成一个平面杆系结构，同时为偏于安全，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，

54、使掩护梁偏于安全。 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两种情况：一种是由于支架在承载让压时，由于顶 梁前端运动轨迹为双纽线，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的趋势相反；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老塘的水平力，最大水平力与上相同。顶梁与顶板的静 摩擦系数，目前国内一般取。f0.2-0.3 7 支架各部件受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。 8 各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按液压支架型式 试验技术规范的各种加载方式，以支架的额定工作阻力逐

55、一校核，超过额定工作阻力 10的超载试验，将由安全系数保证强度。 5.2 液压支架的受力分析与计算 支架的受力分析与计算，是按理论力学中一物体受几个力作用下处于平衡状态时， 所受力和力矩之和为零的原理来进行分析和计算的。所以当支架支撑后在处于平衡状态 时，取整体或某一部件为分离体也处于平衡状态。其合力与合力矩为零。即：满足静力 平衡的充分必要条件为： ； （5-1） 0 x f 0 y f 0 x m 支架受力如下图所示： 图5.1 支架受力图 5.2.1 前梁的受力分析与计算前梁的受力分析与计算 图5.2 前梁受力图 上图中，为前梁千斤顶支撑力，为前梁端部的集中载荷力， 、由支架 k p m

56、 f 1 l 1 h 2 h 的结构确定，由平衡条件得： 由 得： （52） 0 ak xp 由 得： 0 am yf （53） 由 得： （54） 112 0 mk f lp hh 由式（52），得： ak xp 0 x 0 y 0 a m 由式（53），得： am yf 由式（54），得： 12 1 k m p hh f l （） 由普通千斤顶的技术特征和适用范围，选取前梁千斤顶的规格为 100/60，代号为 q100/60w，在工作压力为 31.5mpa 时，推力为 245kn，拉力为 158kn，因支架适用两个 前梁千斤顶，故单个千斤顶推力的两倍。 k p 代入数据得： 245 2=4

57、90kn ak xp 12 1 490105 99.2kn 899 k am p hh yf l （）（285） 5.2.2 主顶梁的受力分析与计算主顶梁的受力分析与计算 图5.3 主顶梁受力图 取顶梁为分离体，f 为立柱的工作阻力，为前梁在顶梁与前梁铰接处对顶梁在, aa xy 水平和垂直方向的力，为前梁千斤顶对顶梁的作用力，为顶板对顶梁的集中载荷力。 k p n f 由 得： 0 ak xp （55） 由 得： 8cos0 na fyfa （56） 由 得：0 b m （57） 1123456 12342 () 2cos(432)0 nka a fxp hyllllll fllllxh 由

58、式（5 -6）得： 6265.7 n fkn 由式（57）得： 12342 1234561 2cos(432) / () a n ak fllllxh xf yllllllp h 代入数据得： 0 a x 0 a y 1241.6mmx 5.2.3 底座的受力分析与计算底座的受力分析与计算 图5.4 底座受力图 取底座为分离体，受力如图 5-4 所示，为立柱的工作阻力，为地板对支架的支撑fp 力。 由，得：0y （58） 8cos0pfa 由，得：0 c m （59） 123 2cos(32)0pxflll 由式（5-8）得： =8cos6365pfakn 1110mmx 5.3 顶梁的载荷分

59、布 在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。 由于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。 设顶梁长为，顶板的集中载荷为，其作用点距顶梁一端为。 g l 1 fx （1）当时，载荷分布为三角形。如图 5.5 所示。 3 g l x q3 f1 lg q2 图5.5 顶梁三角形载荷分布 顶梁前端比压为 0，顶梁后端比压为： 2 q 3 q 1 3 2 3 m f q b （2）当时，载荷分布呈梯形分布，如图 5.6 所示。 lg x 3 顶梁前端比压为： 13 2 2 (62) 10 mpa g gm f

60、xl q l b 顶梁后端比压为: 13 3 2 (46 ) 10 mpa g gm flx q l b 图5.6 顶梁梯形载荷分布 式中： 由前面计算可知，属于第二种情况。代入数据计算得：2 1.6m3xll 3 2 2 6265.76 1.242 3.2 100.489mpa 3.21.3 q 3 3 2 6265.74 3.26 1.24 102.52mpa 3.21.3 q 5.4 底座接触比压 顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，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。 底板与底