液压支架设计

1、摘要 矿井液压支架的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低陈本、减轻工人的体力劳动和保证生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架的设计师技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化的主要体现。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。液压支架主要由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。设计要遵从从支柱性能好、强度高、移架速度快安

2、全可靠等原则。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架升降过程中的顶梁前段前后移动的距离。立柱采用双伸缩液压缸，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。关键词：液压支架，四连杆机构，双伸缩，采煤综合机械化AbstractThe application of hydraulic support in coal mining face of increasing production and raise labor productivity reduce costs, reduce workers and to ensure safety in production is indispens

3、able for effective measures to, Therefore the design of hydraulic support is technically advanced and economically rational, safe and reliable is the main manifestation of the comprehensive of the comprehensive mechanization and automation of mining.The comprehensive mechanization of coal mining is

4、acceleration 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 equ

5、ipment in the mechanization method of coal mining.Hydraulic support major form 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 reliable etc. principl

6、e. The support uses four link motion gears, improve 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. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, sat

7、isfies the support to be lowest and time the highest positions high request.Keyword: Hydraulic pressure support; Four-bar linkage; Double telescopic; Mechanized mining第一章 绪论1.1液压支架设计的国内外现状及发展自 20 世纪 50 年代以来，液压支架已逐步成为采煤工作面核心设备1。20世纪50年代前,在国内外煤矿生产中,基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架,目前,以液压

8、支架为主体的地下综采设备,已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。我国是煤炭生产大国,在20世纪60年代也曾研制了几种液压支架,但未得到推广和应用。20世纪70年代我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架,经过使用、仿制和总结经验,到20世纪80年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展,相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等20多种不同规格的液压支架2。图1.1 TD系列液压支架 图1.2 ZY系列液压支架 图1.3 ZZ系列液压支架目前,在国内大、中型矿井中,条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。1980年起人们取得了对自移式液压支架的研制成功并逐步改进完善,

9、进而普遍推广应用,使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序全部实现综合机械化,煤矿取得了较大综合效益。到20世纪90年代初,人们寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法,采用了放顶煤技术。今天随着计算机技术和自动化技术的普及应用和提高,为煤矿生产自动化和高效生产提供了新的出路。煤矿综采液压支架电液控制系统的应用,大大地加快了工作面的移架、推进速度,改善了采煤工作面顶板的支护状况,使工作面产量成倍增加,直接功效大幅度提高,安全状况明显改善,吨煤成本大幅度下降,为煤矿生产的高效、安全和煤矿工人劳动环境及形象的改变提供了条件。综采使煤矿实现了由手工操作向机械化的变革,电液控制系统使井下采

10、煤实现由机械化向自动化的革命,也可称为采煤技术的第2次改朝换代的重大改革,是煤矿21世纪的高新技术3。20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制液压支架，澳大利亚的克里曼尔煤矿最先将电液控制液压支架用于长壁工作面，该设备由74架英国原道梯公司研制的四柱垛式液压支架组成，1981年该公司又为美国坎塞尔煤矿制造了微机控制液压支架。1995年该公司又研制出了全工作面集中电液控制系统，该系统的主控制台及电源布置在工作面运输巷内，可以使操作人员在运输巷内对工作面的支架进行控制。德国是20世纪80年代初开始大力发展支架电液控制系统的，并成功推广应用。德国威斯特伐亚公司于西门子公司于1978年至1

11、984年间合作研制的Panzermatic-E系统，是德国第一套达到实际应用并推广应用的支架电子控制装置。该系统主控制台采用西门子公司的本安型微机系统“Simdas sti”，能分组显示支架的相对位置和故障，显示系统的运行参数。如降柱时间、分组架数、采煤机相对位置及形成，并能用键盘输入某些运行参数。随着计算机技术的发展，1987年威斯特伐利亚公司研制出P-S5支架电控系统。该系统具有灵活的编程能力，采用专用的CPU处理机和性能较高、能耗较低的MCS-80C单片机，操作面板采用全塑密封，轻触按键，LCD参数，故障即可显示。1987年又研制PM2电控系统，其基本功能与P-S5系统类似。但采用了五行

12、十列的寄存器组和16位字符显示器来进行支架运行参数的显示和辅助功能的置入，并可通过操作面板的4个功能键随意显示支架参数或调用辅助功能，其辅助功能可通过面板上的另外两个功能键任意置入或删除。1987年威斯特伐利亚公司与Marco公司合作研制出PM2型电液控制系统，1990年又研制出更为先进的PM3型支架电液控制系统，技术上已相当可靠，获得了广泛的推广应用。 美国发展电液控制液压支架起步比较晚。1984年在西弗罗里达洲拉夫里吉矿使用原道梯公司制造的装有电液控制系统的液压支架，装配了第一个高产高效工作面并取得成功，除此之外，德国EEP公司、德国TIEFEN-BACH公司、德国BOSHA公司、波兰 E

13、MAG公司、法国、俄罗斯等国家也都先后研制成功电液之家控制系统，并推广使用4。虽然我国在液压支架技术方面取得了可喜的成绩，但与世界发达国家相比，还存在一些不足，主要表现在：首先，我国综采比例低，落后的生产技术与世界产煤大国的地位极不相称。世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井工生产的比例。第二，我国液压支架制造技术水平相对落后。我国在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。第三，液压支架控制系统的研究处于落后状态，严重制约支架移架速度的提高和综采经济效益的发挥。从 20 世纪 80 年代开始，大力着手电液先导程序控制的研究和使用，因此，现在美、德、英、日等基本

14、全是可编程电液控制。而我国液压支架还普遍采用手动操纵。近年来，我国采煤综合机械化的水平有所提高，随着综合机械化采煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机的出现，要求支架与之相配套，但若支架的控制系统不作相应的改进，是满足不了这一要求的5。1.2 液压支架设计的主要关键技术液压支架是综采设备的主要设备之一，近十年来主要发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，合理的四杆机构的设计，设计参数向搞工作阻力、大中心距（1.75m、2m）发展，结构件材料越来越多的采用高强度钢材；液压支架另一关键技术是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁（或微电机）控制的先导阀，先进可靠地压力和位移传感器，

15、灵活自由的微处理技术，红外遥感技术等现代科技成果，式液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到8s以内6。还可以配合采煤机的煤岩识别系统先进技术，可实现工作面自动控制。1.3本课题研究的意义液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，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。液压支架是机械化采煤方法中最重要的设备之一。随着综采技术的发展，对液压支架设计的要求越来越高，既要

16、保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能地减轻重量。我国的矿山机械行业常常由于新产品开发周期长，成本高，质量不稳定，导致一些产品严重老化，缺乏市场竞争力，从而处于一种不景气的局面。基于虚拟样机技术的液压支架设计及仿真分析研究将对我国煤矿机械行业的进步及提高煤矿机械产品在国际市场的竞争力有着重要的意义7。1.4本课题研究的主要内容及手段 1.4.1 课题研究内容液压支架主要由底座、立柱、顶梁、掩护梁、前后连杆、前探梁、护帮板组成立柱是二级伸缩油缸,其上端的活柱与顶梁中部球面连接,下端缸体与底座中部球面连接；顶梁后端与掩护梁上端通过销轴连接；掩护梁中部和下部端分别与前、后连杆的上端通过销轴连接；前、

17、后连杆的下端通过销轴与底座后部连接；顶梁的前部与前探梁后部通过滑移副连接；前探梁的前部与护帮板通过销轴连接。立柱油缸提供升降运动及支撑动力,顶梁和掩护梁的作用是支、护顶部和后部的煤岩,顶梁承受顶部工作压力,掩护梁和连杆承受偏载扭矩，底座是整台机器的基础。主要研究内容包括:(l)在Solidworks软件中建立起液压支架零部件的三维实体模型；(2)在系统中建立液压支架的多体系统动力学模型；(3)完成液压支架机构的特性分析；(4)完成关键零部件的校核。1.4.2 研究手段(l) 采用Solidworks建立液压支架各功能部件及整机的三维数模。(2) 建立四连杆机构的运动学模型，并对该四连杆机构进行

18、运动学仿真分析。(3) 以运动学仿真分析结果为指导，对该四连杆机构的进行优化，然后对其力学特性进行校核，确保该四连杆机构优化方案可行。(4) 根据液压支架的特点，建立整台液压支架的多体系统动力学模型。依据有关国家试验标准，利用ADAMS软件进行有关特性的虚拟试验仿真。第二章 虚拟样机技术介绍2.1 虚拟样机的起源与发展虚拟样机(Virtual Prototyping, VP)技术又称系统动态仿真技术,是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程设计技术。作为一项新型工程技术,虚拟样机日益显示出强大的生命力,正越来越多地被应用于机械、电子、航空和国防等领域8。通常,虚

19、拟样机应该包括如下三个主要模块。(1)3D立体模块 :具备完善的物理模型描述能力。(2)人际交互模块 :虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础,实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互。(3)测试评估模块 :产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心,主要包括产品可制造性分析和产品性能评价,例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、可加工性分析、可装配性分析、可维护性分析等等9。虚拟样机是 VPT 的核心，是实际产品在计算机内部的一种表示，这种表示能全面、准确反映产品在功能、性能、外观等各个方面的特征和特性。即虚拟样机是物理样机在计算机内的一种映射，这种映射能够保证基于虚拟样机的仿真结果和基

20、于物理样机的测试结果在一定精度范围内等同，从而可用仿真替代测试。虚拟样机是产品数字模型的一种拓展。后者是产品信息在计算机内的一种数字化表示，其特征是数字量与模拟量的区别。它侧重于产品几何信息的描述，并能完成一些基于几何信息的仿真（如装配、切削过程模拟），现有 CAD 模型均属于数字模型10。而虚拟样机不仅包括产品的几何信息，同时还包括各种物理仿真的规则数据，以支持不同领域、不同学科的基于物理原理的数值计算11。1995年FanDai等人将虚拟样机定义为一种快速评价不同物理产品设计的方法，即通过将虚拟现实技术和计算机仿真技术以及CAD技术相结合，建立起一个物理造型的数字原型。目前，虚拟样机系统已

21、经广泛应用于汽车制造业和飞机制造业，美国海军研究所利用虚拟样机技术设计新型的海军军舰12，大众汽车公司13的工程师们利用该技术提高车辆设计速度。schulz等人采用虚拟样机技术研究了金属板变形过程，以便预测残余应力和厚度的分布情况，BowZyerlvl开发了一种桌面型虚拟样机钻床操作系统。虚拟样机技术的不断成熟为解决物理样机存在的问题提供了强有力的工具和手段。通过虚拟样机技术，一方面可以节约新产品开发时间和资金，降低新产品开发成本，避免不必要的浪费;另一方面可以完善产品性能，提高产品质量，从而增强产品市场竞争力。2.2相关的国内外研究发展状况及成果2.2.1虚拟样机的实际应用近年来,计算机辅助

22、设计、分析技术及虚拟制造技术的快速发展,使设计技术上了一个新台阶。人们依靠计算机技术、软件技术和虚拟现实技术,通过在计算机上构造数字化产品模型即虚拟样机(virtualprototype)并在各种虚拟环境中真实的模拟各种载荷作用,预示未来产品的应用性能。在产品投入生产制造之前,可通过多种设计方案的筛选、比较,最终获得产品级的优化设计方案,从而极大的提高了设计水平,降低了产品的开发成本和缩短了开发周期13。随着CAX/DFX技术的发展,在产品开发过程中把分析作为设计的驱动,提出Design Driven by Analysis的概念已逐步从概念走向参数化建模虚拟样机技术的研究和应用,实现了产品开

23、发全过程的电子化,改变了传统的设计观念,产品开发过程也随之发生了变化,从设计-样机制造-试验走向了设计-仿真,把物理样机制造放在最后,量化生产,真正实现了产品设计的数字化时代14。作为一项先进设计、制造技术,虚拟样机技术在工业中广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、国防工业以及通用机械制造业等诸多领域。在国外,虚拟样机技术的应用非常广泛,特别是成本高、系统复杂的飞机制造业对虚拟样机的需求特别强烈。1994年oeing777在世界上首次借助虚拟样机技术成功取代大型物理模型,保证了机翼和机身的一次接合成功,缩短了数千小时的研发周期,开创了虚拟样机技术研究应用的先河。1997年美国克莱斯勒汽车公司

24、开发了“克莱斯勒数据可视化”仿真软件平台,在对新产品“98”型汽车进行检查时,发现了1500处零部件的干涉情况,制作第一个实物模型前改进了大量的设计错误,大大地缩短了产品设计周期6。通用动力公司1997年建成了第一个全数字化机车虚拟样机,并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司,利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。以前Caterpillar公司制造一台大型设备的物理样机需要数月时间,并耗资数百万美元,所以,为了提高竞争力,必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpillar公司采用了虚拟样机技术,从根本上改进了设计和试验

25、步骤,实现了快速虚拟试验多种设计方案,从而使其产品成本低,性能却更加优越。同样,John Deere公司为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题,利用虚拟样机技术,不仅找到了原因,而且提出了改进方案,并且在虚拟样机上得到了验证,从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。美国海军的NAVAIRAPL项目8利用虚拟样机技术,实现多领域多学科的设计并行和协同,形成了协同虚拟样机技术(collaborative virtual prototyping),他们研究发现,协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时间缩短,还使得产品的成本减小了至少20%15。在我国,虚拟样机技术的应用

26、尚处于起步阶段,但是正在逐步引起重视,并将得到应用和推广。许多科研人员已在航天、航空、汽车、铁路机车等行业,针对一些复杂产品开发,开展了虚拟样机技术的应用研究工作。典型例子如航天部上海航天局第805研究所 ,在 1996年 3月利用虚拟样机分析软件ADAMS,完成了外翻式对接机构虚拟样机的开发工作,利用三维动画形象地演示对接过程,预测了空间站外翻式对接机构的性能和设计合理性,实现了“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863项目“月球表面探测机器人方案研究”则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境,并对涉及到的多项关键技术进行了

27、深入研究,取得了很好的成果。在我国的农业机械领域,虚拟样机技术也有应用14。有人利用虚拟样机技术来设计甘蔗收获机,实现了产品和产品设计方法的创新,取得了良好的效果。一般的,甘蔗收获的工序主要包括:扶蔗、根部收割(砍)、打顶(断尾)、剥叶和捆扎几个环节。在甘蔗收获机械中,扶、砍、断尾和剥叶部分是整机设计中的重点和难点,所设计的产品性能主要由这些部件决定,这些关键点有了突破,其他问题就能迎刃而解(如图2.13) 13.2.2.2虚拟样机相关理论的研究现状传统的设计思想和方法是一个串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前到后的顺序进行。上游的活动对下游考虑很少，往往是把注意力过分集中在细节上面而忽

28、略了整机性能，从而导致产品存在许多未曾估计到的问题，最终必将导致很长的产品开发周期和很高的开发成本;基于虚拟样机的产品开发过程是一种并行工程16设计过程，能展示产品的各种方案，评估用户的需求，提前对产品的用户满意度作检查，提高了产品设计的自由度，能够快速方便地将工程师的想法展示给用户，在产品开发的早期测试产品的功能，可以及时发现产品在设计、制造、使用过程中可能出现的各种缺陷，进而采取措施加以弥补或修正，从而大大提高产品品质，提升客户满意度，降低了出现重大设计错误的可能性，可以避免重复建立物理样机造成的资源浪费，对于提高产品开发成功率和市场竞争力具有重要的战略意义和广泛的应用前景17。2.3虚拟

29、样机液压支架的发展现状作为一项新型工程技术,虚拟样机日益显示出强大的生命力,正越来越多地被应用于机械、电子、航空和国防等领域。但就液压支架而言,各方面研究才刚刚展开10。液压支架是机械化采煤方法中最重要的设备之一。随着综采技术的发展，对液压支架设计的要求越来越高，既要保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能地减轻重量18。综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，液压支架是机械化采煤方法最重要的设备之一19。在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的作业空间，保证工人安全和各项作业的正常进行，必须对顶板进行支护。液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属结构件组成的支护和控制

30、顶板的设备，它实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。随着综采技术的发展，对液压支架设计提出更高的要求，既要保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能的减轻重量。对于综采设备液压支架的研究，目前英国、澳大利亚和德国等采矿行业发达的国家进行得较多，尤其是德国在这一领域的研究比较突出。德国DBT公司生产的液压支架在国际市场具有竞争力，支架设计通过运动学仿真和有限元分析，对其四连杆机构进行优化完善，推出一定使用高度支架的成熟架型。这类架型的使用高度在只适合某一范围内，有很大的局限性，而在设计中，注重液压支架的电液控制技术和高强度板材的使用。由于我国采矿业起步较晚，我国煤矿地质条件的复杂性，煤层厚度

31、变化范围大，有急倾斜煤层、薄煤层和特厚煤层等不同类型的可采煤层，注定了液压支架的生产具有小批量、多品种的特点。这都要求针对各个井田的特殊情况，设计出不同高度和不同类型的架型的支架来满足用户的需要。随着计算机辅助设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用，现液压支架的设计方法主要还是集中在二维设计上，而对于三维支架，当前的研究主要集中在支架的三维建模、静强度有限元分析阶段20。因此迫切需要针对液压支架的特点，建立液压支架虚拟样机系统。随着虚拟样机技术逐渐成熟，工程技术人员可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化系统的设计，在设

32、计早期确定关键的设计参数、缩短开发周期，降低成本、提高产品质量18。第三章 液压支架组成分析3.1 液压支架的组成液压支架是综采工作面的支护设备，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。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围围岩的作用关系“般分为三大类”即支撑式、掩护式和支撑掩护式根据支架各部件的功能和作用其组成可分承载结构件、动力油缸、控制操纵元件、辅助装置和工作液体五部分。（1） 承载结构件如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。 （2） 液压油缸包括立柱和各类千斤顶。 （3） 控制元部件包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀以及管路

33、、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作性能 。 （4） 辅助装置如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。 （5）工作液体这是传递泵站能量使液压支架能有效工作的工作介质。液压支架的工作液体是乳化液3.2液压支架主要结构件及其作用3.2.1 顶梁 顶梁采用整体结构，顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部件之一，由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度要求。 其主要作用是：1、 承接顶板岩石及煤的载荷； 2、 反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作

34、用； 3、 隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。 3.2.2 掩护梁 掩护梁分别与底座和顶梁相连接。其主要作用有：1、 承受下部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能； 2、 掩护梁与掩护梁千斤顶，保证液压支架的稳定性；3、 阻挡后部落煤，维护工作空间。3.2.3 底座 底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。该支架设计为整体刚性底座，底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。其主要作用是： 1、 将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提供安装空间2、 给工作人员创造良好的工作环境；3、 保证支架的稳定性。3.2.4四连杆机构 前、后连杆分别与

35、掩护梁和底座铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件，铸件中不得有气孔、砂眼、夹杂物。铸后要进行淬火和高温回火，以降低硬度增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度。 其主要作用是： 1 、使支架在调高范围内，顶板平稳地升降，并使顶梁前端与煤壁的距离(梁端距)变化尽可能小，更好地支护顶板； 2 、承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。3.2.5 立柱立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，它直接影响到支架的工作性能，同时还处于高压受力状态，因此，立柱除了具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须由足够的抗压和抗弯强度，密封良好

36、、结构简单并能适应支架的工作要求。 立柱一般由活塞、活塞杆、缸体三部分组成。由于支架工作时，立柱承受的载荷较大，降柱力较小，故活塞杆直径较大，常采用空心结构，以保证有足够的刚度。活塞一般采用Y型密封圈，铜环导向，缸体底部焊接，缸体与缸盖之间用钢丝、螺纹或卡环连接。3.3液压支架的分类3.3.1 按支架和围岩的相互作用分类此时液压支架可分为三类：（1） 支撑式支架：它有较长的顶梁，较多的支柱，并呈垂直布置，支架的稳定性由支柱的复位机构来保，证因此有坚固的箱式底座。它靠支柱与顶梁的支撑作用，控制工作面的顶板维护工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断跨落。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性

37、能。因此适应于顶板坚硬完整周期压力明显或强烈底板也较硬的煤层中。（2） 掩护式支架：它的顶梁较短，支柱一排，一般仅1、2根。多呈倾斜布置与掩护梁连接或直接与顶梁相连接。它靠支柱和顶梁支撑顶板，而掩护梁只与冒落矸石相接触，防止矸石涌入工作面，以维护一定的工作空间。这种类型的支架有良好的防矸掩护性能，主要适用于顶板中等稳定和破碎，底板也较软的煤层中。（3） 支撑掩护式支架：支撑掩护式支架是介于支撑式和掩护式之间的一种架型。它的特点是，支柱两排，每排1、2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。这类支架靠支撑和掩护作用来维护工作空间，兼有支撑式和掩护式支架的优点，适用于顶板稳定和中等

38、稳定、有较明显的周期压力，底板中等稳定的煤层中。支撑式、掩护式和支撑掩护式等三类支架中，对照采煤工艺对支架的要求来看，掩护式支架具有很多特点和较广的适用范围。虽然掩护式支架单位工作面长度上的支撑能力不如其余两种，但由于控顶距小单位面积上的支撑力较大，能对顶板进行有效的支撑，还有有效的挡矸装置，能更好的适应破碎顶板的支护需要支架本身为一定的运动机构，抗水平力性能好，且便于支架前移；支架的结构和液压系数简单，操作简便，管理维修容易；支架调高范围较大，对煤层厚度变化的适应性强。所以，掩护式支架在使用中已取的良好的经济效果，使用范围正在扩大。3.3.2 按其移动方式分类液压支架可分为两类 （1） 整体

39、自移式： 支架成整体结构，因而整体移动。掩护式和部分支撑式支架均采用这种移架方式。 （2） 迈进式：迈进式支架又可分为交互前移式和提步前移式两种。 互前移式支架：是利用主副架护为着力点交互推拉前移的方式架间安装推移千斤顶和导向装置。一般节式支架常用这种移架方式。 提步前移式支架：是采取顶梁不大量下降，提腿跨步的方式。还有一种是滑行顶梁式支架，移架时本架顶梁在内部滑移。 （3） 根据使用地点的不同，液压支架又可分为工作面支架和端头支架两上述各类支架均为工作面支架，用来支护工作面的顶板。端头支架，则用在工作面两端与顺槽的连接处，由于此处的机械设备较多、需要占有的工作空间大，同时又是人员的安全出口，

40、要求端头支架能很好的和各设备相配合，达到有效的支护悬露面积较大的顶板。因此，端头支架在结构上具有特殊性。3.4 液压支架工作原理（1）液压支架自动移设的原理：液压支架以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，使支架完成升起、降落、行走和推移运输机等各种动作，以便支架工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。图是一个简单的液压支架的工作系统示意图，下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作过程分别加以叙述。降柱：当旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经过操纵阀和油管，进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主

41、回液管，支柱卸载下降。移架：液压支架卸载后，操纵阀转到移架位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管进入到推压千斤顶的活塞杆腔，同时也进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀流回主回液管，退役千斤顶收缩，以运输机位置点，拉架前移。运输机靠相邻的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单向阀紧锁。升柱：液压支架移到星的位置后，应及时升柱，以支撑暴露的顶板。操纵阀转到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主进液管进入，经操纵阀到液控单向阀，进入到推移千斤顶的活塞杆腔，支柱活塞杆腔的油液，同时也进图液控油路，经由管和操纵阀流回主回液管，活塞和顶梁升起，支撑顶板。推移运输机：当

42、液压支架前移并重新支撑后，操纵阀转到推移位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入到推压千斤顶的活塞杆腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，以液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。在实际工作中，对于具体支架的动作，根据该支架的结构和需要来确定。（2）液压支架的支撑承载能力： 液压支架的支撑承载能力是指液压支架与顶板之间相互力学原理，它包括：初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。初撑增阻阶段： 在升柱的过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站的工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭，阀球封闭支柱活塞腔的油液，这

43、就是支架初撑阶段。此时支柱和支架对顶板产生的支撑力称为初撑力。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为： Pc=4D2Pbn×103 KN式中 D-支架立柱的缸径， m； Pb-泵站的工作压力， MPa ； n-支架立柱的数量。由上式可知，支架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。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过。承载增阻阶段支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调整压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为

44、增阻阶段t。恒阻阶段随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调整值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段2t。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。支撑式支架的工作阻力为p=4D2Pan×103 KN式中 Pa-支架安全阀的调定压力 MPa;支架的工作作阻力标志着支架的最大承载能力。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。 支架的工作阻力是支架的一个重要

45、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，常用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q=PF×10-3 MPa式中 F-支架的支护面积， m2。3.5液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、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 般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。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、

46、 滞后支护 一般循环方式为：割煤一推溜一移架。滞后支护的特点是：支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。3、 复合支护般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。 复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。3.6液压支架选型的基本参数3.6.1 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，以便有效的控制顶板，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

47、，薄煤层一般为100KN-150KN，中厚煤层一般为150KN-250KN，厚煤层一般为300KN-400KN。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求，要有足够宽的人行横道。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.要求支架有足够的刚度，底座最大比压要小于规定值。10.满足强度条件下，尽可能的减轻支架重量。11.要易于拆卸，机构要简单。12.液压元件要可靠。3.5.2设计液压支架必须的基本参数1.最大和最小采高根据最大和最小采高，确

48、定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。给定参数：液压支架采高：1.5m-3m。2.底板岩性及小时涌水量根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。5.工作面煤壁条件根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。6.煤层倾角根据煤层倾角，决定是否选用防倒防滑装置。给定条件：适应倾角15。7.井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。8.配套尺寸 剧配套尺寸及支护方式来计算定量长度。第四章 液压支架的总体设计41确定液压支架结构参数的原则与内容4.1.1确定支架结构参数的原则 1、要满足配套设备(采煤机、输送机)的相关要求； 2、与支架的工作方式(即时支护或滞后支护)相适应； 3、结构紧凑，

49、行人操作方便； 4、支架的工作稳定性好。 4.1.2 确定支架结构参数的内容 1、确定正常工作条件下，支架与相应设备的位置关系； 2、确定支架总体与主要部件的布置与尺。4.2支架主要尺寸的确定4.2.1 支架高度 支架最小高度为： Hm=1.5m 支架最大高度为： Hn=3m 4.2.2 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：m=HmHn （式4.1）代入数据得m=2。4.2.3 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：bc=Bm+nC3 （式4.2）式中： bc支架间距（支架中心距）； Bm每架支架顶梁总长度； C3相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙； n

50、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bc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帮槽上千斤顶连结块的位置来确定。 本次设计取支架的中心距为1m。4.3四连杆机构建模4.3.1 四连杆机构的作用1、 支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2-1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm好为30mm。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，如图一所示，应满足如下要求。支架在最高位置时，P52°62°，Q75°85

51、6;，支架在最低位置时为有利于石头下滑，防止石头停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求TGP>W，如果钢和石头的摩擦系数W=0.3，则P=16.7°。为了安全可靠，最低工作位置应使P25°为宜。而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取Q25°30°在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。图4-1 四连杆机构几何特征3、 从图4-1可知，掩护梁和顶梁铰点e和瞬时中心O之间的连线与水平夹角为时，要使满足tg0.35的范围，其原因是角直接影响支架承受附力。4、 应取顶梁前端点运

52、动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段，如图4-1所示的h段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，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，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落。并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁的外负荷。5、 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使e值减小，取双纽线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成

53、曲柄滑块机构，运用作图法就可以。图4-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构图4-3 掩护梁和后连杆计算图4.3.2四连杆机构的几何作图法 四连杆机构设计的作图法按如下步骤进行。 1.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。 一般按同类型支架用类比法来确定，关于这两个尺寸的大小对支架受力的影响，后面进行专门研究。 2.掩护梁和后连杆长度的确定。 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。如图43所示。 设：G掩护梁长度， A后连杆长度， L2e点引垂线到后连杆下铰点之距， H1支架最高位置时的计算高度， H2支架最低位置时的计算高度，从几何关系可以列出如下2式：GcosP1AcosQ

54、1=L2 (44)GcosP2AcosQ2=L2 (45)将(36)和(37)式联立可得：A/G=(cosP2cosPI)/（cosQ2cosQ1） (46)说明：支架计算高度为支架高度减去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。按四连杆机构的几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q1、代入(36)式，可以求得A/G的比值。由于支架型式不同，一般A/G的比值按以下范围来取。 掩护式支架：A/G=0.450.61 支撑式掩护式支架：A/G=0.610.82 支架最高位置时的计算高度为： H1=GsinP1+AsinQ1 (47)根据A/G的比值和(47)可以求得掩护梁的长度G和后连

55、杆长度A,经过取整后，再重新计算出P1、P2、Q1、Q2的角度，这几个参数就确定了。3.几何作图法的作图过程用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸，具体作法如图44所示。作图步骤如下图4-4 液压支架四连杆机构的几何作图法（1） 确定后连杆下铰点O点的位置，使他大体比底座底面高200mm250mm（或类比同类型支架确定）。（2）过O点作与底面平行的水平线HH线。（3）过O点作与HH线的夹角为Q1的斜线。（4）在此斜线上截取线段，长度等于A, 点为后连杆与掩护梁的铰点。（5）过A点作与HH线有交角1的斜线，以A点为圆心，以G为半径作弧交此斜线一点，此点为掩护梁与顶梁的交点。（6）过点作HH线的平行

56、线FF线，则HH线与FF线的距离为H1，为液压支架最高位置时的计算高度。（7）以点为圆心，以（0.20.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为前连杆上铰点的位置。（8）过点作FF线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动）。（9）在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的交点。（10）取线中间某点，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状、变化宽度等）。（11）以o点为圆心，为半径作圆弧。（12）以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点，此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。（13）以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前圆弧上一点，此点为支架降到最低点位置时，掩护梁与后连杆的铰