薄煤层液压支架设计--论文

1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1目录1 绪论1.1 国内外液压支架的发展及现状 . .11.2 液压支架的工作原理 . .21.3 液压支架的组成. .41.4 本课题的研究目的和意义 . .52 液压支架的总体设计方案2.1 支架的选型设计. . 62.1.1 设计目的.62.1.2 影响架型选择的因素 .62.1.3 支架架型的确定. .72.2 支架参数的确定. .92.2.1 支架的高度和支架的伸缩比. .92.2.2 支架间距和宽度的确定.102.2.3 初撑力.102.2.4 移架力与推溜力. . 112.3 底座长度的确定. .11薄煤层液压支架设计22.4 顶梁长度的确定.1

2、1241 支架工作方式对支架顶梁长度的影响 .11242 顶梁长度的计算.112.5 四连杆机构的确定.122.5.1四连杆机构的作用. 122.5.2 四连杆机构设计的要求 . 122.5.3四连杆机构的设计. 132.6 液压支架支护技术参数的确定 .172.6.1支护面积的确定 . 172.6.2 液压支架的支护强度. 172.6.3立柱的技术参数确定 . 182.6.4 推移千斤顶参数的确定 . 202.6.5液压支架的主要技术参数表 . 223 液压支架部件设计3.1 支架主要部件的设计要求. 233.2 顶梁.233.3 顶梁侧护板.243.4 底座.253.5 推移装置. 25辽

3、宁工程技术大学毕业设计（论文）33.6 连杆.27薄煤层液压支架设计43.7 立柱千斤顶.284 液压支架的受力分析4.1 支架的工作状态. . 294.2 支架的受力分析与计算 . .29421 支架整体受力分析.294.2.2 顶梁受力分析与计算.304.2.3 底座受力分析与计算 .334.3 顶梁和底座的载何分布. .344.3.1顶梁的载何分布. .344.3.2底座接触压计算 . .354.4 支护效率. 394.5 支架受力的影响因素. .395 液压支架的强度计算5.1 强度计算条件. .425.2 强度校核. .435.2.1顶梁强度校核 .435.2.2底座强度校核 .46

4、5.2.3 掩护梁强度校核 .50辽宁工程技术大学毕业设计（论文）55.2.4 平衡千斤顶耳板与销轴强度校核.53薄煤层液压支架设计66 液压系统设计6.1 液压系统的设计方法. .556.2 立柱液压系统的设计 . .556.3 千斤顶系统. .566.4 活动侧护板控制方式. .586.5 整体液压图. .59结论.60致谢.61参考文献.62附录 A 译文.63附录 B 外文文献.66辽宁工程技术大学毕业设计（论文）71 绪论采煤综合机械化，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。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重 的体力劳

5、动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。 煤矿开采中的顶板安全问题是煤矿重要安全问题之一，如何管理好顶板、避免顶板事故的发生是煤矿安全生产中一项长期而又艰巨的任务。由于一些原因，顶板事故错综复杂，避 免顶板事故的主要工作就是搞好顶板支护。液压支架作为目前支护顶板的主要设备，随着采深和顶板压力的增大，液压支架的使用和顶板的安全问题越来越引起人们的高度重视。1.1 国内外液压支架的发展及现状我国于1964年开始研制液压支架，最早于1970年先后对MZ1928型、TZI型、BZZB型、WKM-400型、DM-400型、YZ型、ZYZ型多种液压支架在开滦、大同、阳泉、鹤壁

6、、徐州 淮北等煤矿进行了试验与使用，取得了良好的效果；1974年和1982年两次分别从德国、英国、波兰、原苏联、日本等国引进了许多不同类型的液压支架。通过学习国外新技术，我 国液压支架的研制工作发展迅速，从基本上依靠进口，发展到自主设计、自主制造，而且 品类繁多、功能齐全、质量可靠。除了中厚煤层液压支架外，我国还设计和生产了支撑高 度为0.61.5m的薄煤层工作面液压支架和最大支撑高度为6m的厚煤层工作面液压支架，既 有适用于“三软”（软顶板、软底板、软煤层）地质条件的液压支架， 也有适应“三硬” （顶 板硬、 底板硬、 煤层硬） 、 工作阻力高达10000kN的强力液压支架，以及各种放顶煤液

7、压 支架、铺网液压支架、水砂充填液压支架等。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/min的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达6-8s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命8-10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2$565kN电液控制两柱掩护式支架，薄煤层液压支架设计81997年6月产商品

8、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，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7640kN。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6000-8000kN。我们液压支架制造技术水平比较落后。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。目前，国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式，虽然具有控

9、制系统简单、制造容易、造 价较低和对煤层地质条件变化适应性较强等优点，但它存在严重漏洞：1） 工人劳动条件差，安全性差；2） 移架速度慢，影响采煤机工作效率；3） 通风条件差，支架故障率高；4） 支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验和技能有密切关系。总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅 助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.2 液压支架的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

10、。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，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如 图1-1所示。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）91-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-孚 L 化液泵；11-主供液管；12-主回液管图 1-1 液压支架工作原理Fig. 1-1 work ing prin ciple of hydraulic support1）支架升降和推移当操纵阀8处于升柱位置时，从乳化液泵站来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。

11、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，再把 支架升起，使支架撑紧顶板。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。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

12、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。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110薄煤层液压支架设计10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。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

13、全阀的调定压力决定的。由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图1-2,即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1，以及安 全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2，这就是液压支架的阻力一时间特性。它表明液压支架 在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到 额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在 保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封 性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架 性能的三个重要元

14、件。1.3 液压支架的组成液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系一般分为三大类，即支撑式、掩护式和支图 1-2 液压支架工作特性曲线Fig. 1-2 work ing characteristic curve of hydraulic support辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11撑掩护式。根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为4个部分：1） 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递 顶板和垮落岩石的载荷。2） 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液 压动力。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

15、路、液压、 电控元件。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特性。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、喷雾装置等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所 必需的装置。1.4 本课题的研究目的和意义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

16、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。小结：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、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

17、。薄煤层液压支架设计122 液压支架的总体设计方案2.1 支架的选型设计2.1.1 设计目的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。为了满足对煤炭日益增长的需要，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。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很 大的。由于不同采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的 不同，对液压的要求也不用。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

18、此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环 节。2.1.2 影响架型选择的因素1）煤层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、下滑象。当煤层倾 角大于10 15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

19、比压，其值要小于底板的允许比压（对于砂岩底板，允许比压为1.962.16MPa，软底板为0.98MPa左右）。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）134）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。5）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58m2和20min以下时，暂不宜采用液压支架。6）设备成本在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。2.1.3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

20、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板载荷的要求，如表2-1。薄煤层液压支架设计14表 2-1 适应不同类级顶板的架型和支护强度Tab.2-1 Adaptive diffe nt cap of roof and model hold ing stre ngth老顶级别In出IV直接顶类别12312312344掩掩支掩掩护支支支支撑支撑架护护撑护式或撑撑撑或支或支采咼v2.5m 时式式式式支撑式掩掩撑掩撑掩用支撑式掩护护护护式护式采咼2.5m 时型式式式用支撑掩护式支支12941.3X2941.6X2942应结护架X合深强采294孔度高 m2343

21、(245)1.3X343(245)1.6X3432爆破，KN/M2X软化343顶板3441(343)1.3X441(343)1.6X4412等措X施441处理4539(441)1.3X539(441)1.6X539X采空539区注：计算液压支架支护强度时的支护面积为：支架中心距x（顶梁长度+移架后的梁端到煤壁之间的距离）。2表中括号内的数字是掩护支架顶梁上的支护强度，表中所列的支护强度根据各矿实际情况可允 许 5%的波动范围。3表中支护强度栏内的 1.3、1.6 和 2 为老顶分级的增压系数，即I、川、W级来压强度与I级来 压强度的增压比值，系根据同类型顶板统计分析所得。级由于地质条件变化比较

22、大，故只能给出最 低值 2,各局矿可以根据实际情况确定其适宜值。4表中采高系数指的是最大采高，具体采高的支护强度可以根据表内的值用插值法确定。5表中所列的架型、支护强度和顶板管理方法适用于缓倾斜煤层。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）15根据工作面的煤层厚度及顶底板情况，初步选取掩护式液压支架比较合适。薄煤层液压支架设计162.2 支架参数的确定221 支架的高度和支架的伸缩比一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。煤层厚度在0.91.2m之间，所以按薄煤层高度的确定原则来确定该液压支架的高度(2-1)Hmin= Mmin- S2（2-2）式中：Si考虑伪顶、煤皮冒落后有可靠初撑

23、力所需的支持高度一般取200-300 mm；（薄煤层取100 mm）S2-顶板最大下沉量，一般取100-200 mm；Hmax-支架最大高度（mm）;Hmin支架最小高度（mm）;Mmax- 最大采高（mm）；Mmin-最小采高（mm）。本设计最大采高Mmax=1200 mm,取支架最大高度：Hmax1200+1001300 mm本设计最小采高 Mmin900 mm,取支架最小高度:Hmin900200=700 mm支架最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。支架的伸缩比指其最大高度与最小高度之比值。即:HminmHmax2-3)m a x=Mm a辽宁工程技术大学毕业设计（论文）17代入有关

24、数据，得谓“86222 支架间距和宽度的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算：bc= Bmn C3（2-4）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- 每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架n =1;整体迈步式支架n =2；节式迈步支架，n二支架节数。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，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

25、架外，支架间距一般为1.5m。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。本次设计取支架的中心距为1.5m。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架的最小宽度，一般为14001430mm,支架的最大宽度，一般为15701600mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1360mm,最大宽度为1450mm。2.2.3 初撑力初撑力的大小是相对与支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。较大的初撑力可以使支架较快地达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。对于不稳定和 中等稳定顶板，为

26、了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%;对薄煤层液压支架设计18于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60%，对于周期来压强烈的顶板,为了避免大面积的垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75%。224 移架力与推溜力移架力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关。一般薄煤层支架的移架力为100-150KN;中等厚度煤层为150-300KN;厚煤层为300-400KN;推溜 力一般为100-150KN。2.3 底座长度的确定底座是将顶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

27、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，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。在这里取底座长度为2.124m。2.4 顶梁长度的确定2.4.1 支架工作方式对支架顶梁长度的影响支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（又称及时支护方式） 要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（又称滞后支护方式）要求顶梁长度较小。这是 因为采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机

28、过后，支 架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护。因此，先移架后推溜时顶梁长度要比 先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600 mm。这里，采用及时支护方式。2.4.2 顶梁长度的计算掩护式支架顶梁长度计算L 二配套尺寸底座长度A cos Qj- G cos P1300掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距式中配套尺寸一参考煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定; 底座长度一底座前端至后连杆下铰点之距；e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；(2-5)辽宁工程技术大学毕业设计（论文）19Q1、R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。L 2366 2124 379 cos

29、74 - 842 cos52 300 400193 = 3570mm经计算支架顶梁长度为3570mm。2.5 四连杆机构的确定2.5.1 四连杆机构的作用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

30、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，因此对支架的工作性能将产生不良影响。2.5.2 四连杆机构设计的要求1） 支架高度在最大和最小范围

31、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，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，如图2-1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，52 62，Q乞75；85； 支架薄煤层液压支架设计20在最低位置时， 为有利于矸石下滑， 防止矸石停留在掩护梁上， 根据物理学摩擦理论 可知， 要求tanPW,如果钢和矸石的摩擦系数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Q_25 30

32、，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。3） 从图2-2中可知，掩护梁与顶梁铰点e和瞬时中心0之间的连线与水平线夹角为-o设计时，要使二角满足tan荻0.35的范围，其原因是B角直接影响支架承受附加力的数值 大小。4） 应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2-1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

33、力也相应减小，所以减轻了掩护梁 的外负荷。从以上分析可知，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，取双扭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曲柄滑块机构，运用 作图法就可以了，如图2-2o2.5.3 四连杆机构的设计四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计鉴于 各种方法的优缺点，采用了几何作图法的方式来求解。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。取掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为135m m,取

34、后连杆下铰点至底座底面之距为135mm。2）掩护梁和后连杆长度的确定辽宁工程技术大学毕业设计(论文)21用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。如图2-3所示图 2-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构图 2-3 掩护梁和后连杆计算图Fig. 2-2 the shield beam and the rear conn ect ing rod Fig.2-3 calculati on diagram of shield and rear link其中：G 一掩护梁长度，A后连杆长度，L2e点引垂线到后连杆下铰点之距，H1一支架最咼位置时的计算咼度，H2一支架最低位置时的计算高度。从几何关系可以列出如下

35、两式：G cos R - AcosQ1= L2(2-6)G cosP2- AcosQ2= L2(2-7)Fig.2-1 four bar lin kage geometry薄煤层液压支架设计22(2-6)式和(2-7)式联立可得:A c o P2- c o Pi(2-8)Gc o Q2-c o Qj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秆下铰点至底座 底面之距。按四连杆机构的几何特征要求，选定R、F2、Qi、Q2代入(2-8)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。R = 52 P2= 25 Q486Q(0.669_0p147A2

36、563KNL(0.234si n31 +0.167cos31 )(4-2)图 4-3 顶梁和掩护梁分离体二 1m薄煤层液压支架设计42从以上计算可知:当Pk为“+” （平衡千斤顶为推力）且W= 0时，F力有最小值。当Pk为“-”（平衡千斤顶为拉力）且W= 0.3时，F力有最大值。所以，在验算顶梁强度时，按平衡千斤顶受拉且W二0.3时进行计算。若这个条件强度计算能满足，其他条件都能满足。由图43写出x方向和y方向的力系平衡方程，再由此解出顶梁与掩护梁铰点的内力Xa和y:xa=Psin：Pkcos：2_FW（4-3）ya= P cos篤- PKsin：2- F（4-4）已知 P = 3300KN1

37、= 23，& 二 P 推二 486KN/31,F = 2563KNW=0.3代入式（43）和（44）得：xa=3300 sin23486 cos3-2 5 6 30.3 = 937 kNya=3300 cos23 486 sin31 -2 5 6 3=725 kN从式（43）和（44）可以看出，当pk取“+”值，即平衡千斤顶为推力时，Xa、ya有最大值，掩护梁受力最大，同时前、后连杆受力也最大。所以，在验算掩护梁和前、后连杆强度时，应按此种情况进行。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）43图 4 - 4 掩护梁分离体受力薄煤层液压支架设计44Fig . 4-5 in tegral supp

38、ort forceFig .4 - 4 shield beam separati on force再取掩护梁为分离体，如图4-4所示。写出力系的x方向和y方向平衡方程，解出R、R2为:PKc o s2s i n3s i n2c o s3- xas in3- yac o：s3cos4-sin4cos3(4-5)XapkC O2+ R2C O$4R1 =(4-6)已知：pl =486KN,x；=937KN,y；= 725KN37 , :3=46,：4= 74 代入式(4-5)和（4-6）得：R2=1775KN,R=1494KN4.2.3 底座受力分析与计算底板对底座的支反力 F与F大小相等。F作用

39、点的位置可以由整体支架为分离体 （如图4-5）求出对 a点取矩，整理后有x二F x X1- F W hF(4-7)图 4-5 整体支架分离体受力辽宁工程技术大学毕业设计（论文）452R3 BmLg10(4-9)当xLg时，载荷分布呈梯形分布，如图47所示。顶梁前端比压为:q2F(6x -2Lg)Lg2已(4-10)X = X X1-Wh= 1000 416-0.3 1300= 1 0 2 6(mm)由式(4-2)可知：当平衡千斤顶为拉力时，即Pk为“一”且 W =0.3 时，只力有最大值，F1也有最大值，所以在验算底板强度时，按此条件进行4.3 顶梁和底座的载荷分布4.3.1 顶梁的载荷分布在

40、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Lg，顶板的集中载荷为 F1，其作用点距顶梁一端为x。则当x乞土时，载3荷分布为三角形。如图46所示。Fig . 4 - 6 beam triangle load distribution顶梁前端比压 q2为0,顶梁后端比压 q3为:(4-8)q3图 4-6 顶梁三角形载荷分布薄煤层液压支架设计46顶梁后端比压为:q3二斤斤（4号号X）Q顶梁前端比压，kg / cm2;cfe顶梁后端比压，kg/cm2; l顶梁长

41、度，cm2;F顶梁所承受最大载荷，kg; x合力Q作用点位置，cm;B-顶梁宽度，cm=图 4-7 顶梁梯形载荷分布Fig . 4 - 7 beam trapezoidal load distributi on由前面计算可知，x=1000mmg3，属于第一种情况。代入数据计算，得：q02 3090Aqa10 =0.4MPa（4-12）3 疋 1.45 父 3.57支撑式液压支架随支架支撑高度不同，其支护面积和工作阻力不变，故其支护强度不 变。而掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架，由于支架的工作阻力因支架支撑高度不同 而异，故支护强度也因支架支撑高度变化而变化 （为简化计算， 不考虑支护面积在支

42、撑过 程中的变化） 。 计算结果要与2.6.2计算结果相比较，误差应在一5%之间。4.3.2 底座接触压计算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(4-11)中辽宁工程技术大学毕业设计（论文）47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。薄煤层液压支架设计48Fig . 4-8 the con tact area betwee n the base and the base plate底板与底座的接触面积：2Adbd(m )式中Ld底座的长度，mbd底座的宽度，m底座对底板的平均比压：q = 1

43、1 o MPaAd代入数据求得：Ad=2.124 1.26-(0.18 0.38 0.3 8 0 0.8 1卩=2.3m2q 二309010 =1.34M Pa2.3图 4-8 底座与底板接触面积(4-13)(4-14)辽宁工程技术大学毕业设计（论文）49由于底板凹凸不平或底座下垫有碎矸，底座对底板的比压很不均匀。为简化计算又不失其有效性，假设底座对底板均匀接触且载荷为线性分布。设外载荷呈三角形分布，如图410所示，底座前端有最大比压q4，后端比压 q5为0。为求q4，应先求出底座的集中载荷 Fi的作用点的位置 nd，由图（510）所示可得nd为% 二Ld_xFig . 4-10 distri

44、bution of triangular load on the base当 nd时，底座前端比压q4为:32F1q47 ( MPa)3ndbFig . 9 - 4 overall ste nt separati on(4-15)图 4-10 底座三角形载荷分布薄煤层液压支架设计50号时，底座载荷呈梯形分布，如图5-11所示。此时底座前端的比压为:求出底座的最大比压之后，要与底板允许比压进行比较。Fig . 4-11 the distribution of the pressure on the base of the base所以，底座呈梯形比压分布30904 2.124-6 1.09821

45、0=1.038MPa2.1241.260Fj6nd2Ld ) 3090 6 0.0982 汉 2.124 )q522Ldb2.124 =1.260最大比压应小于底板的允许比压，否则应重新设计底座乃至整个支架。几种软岩底板的允许比压见表4-1所示:表 4-1 软岩底板的允许比压Table. 4-1 allowable specific pressure of soft rock bottom plate底板岩性Rc(MPa)P (MPa)V5粘质可塑页岩10.50.5 0.30.3 0.15可塑页岩灰质页岩21.5 2.01.0 0.50.5 0.3F14Ld2；6nd10-(MPa)L：bq5

46、竝10(MPa)Ldb(4-16)(4-17)对于本次设计的支架，nd=1098mm 3Ld2124708mm3qyd= 1.27MPa图 4-11 底座梯形比压分布q5辽宁工程技术大学毕业设计（论文）51沙质灰质泥浆页岩43.0 2.02.0 1.01.0 0.3薄煤层液压支架设计52注：Rc 底板抗压入强度（MPa）3V 矿井小时涌水量，（m /h）。涌水量大，岩石变软，降低了允许比压P允许比压（MPa）查综采技术手册中的综合地质条件， 可知液压支架的底座尖端对底板岩层的比压，小于工作面底板的允许比压 qc，因此，底板适用。4.4 支护效率整台支架的工作阻力是由立柱工作阻力产生的。用支护效

47、率来评价立柱工作阻力的有效程度，支护效率 按下式计算：二旦（4-18）P值与支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，值过大或过小都不好。由于支架的工作阻力Fi由立柱工作阻力之和的垂直分力及掩护梁和前、后连杆来承 担，而立柱的工作阻力之和不变，当值过大，说明掩护梁和前、后连杆承载增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当值过小，说明立柱的工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段内，掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90%以上。已知Fi=3090kN，R=3300kN代入式（418）得计算结果表明立柱的阻力可以充分发挥，而又不过小，支护效率合适。4.5 支架受力的影响因素掩护式和支撑掩护式支架在工作过程中

48、，各主要部件的受力是变化的，其影响因素有 诸多方面。本节仅指出几种支架受力又显著影响的因素，同时说明这些因素的影响规律。 在进行支架设计时，要充分注意到这些因素及其规律，找出各主要部件受力最大的状态。1）支护高度对支架受力的影响支撑式支架的支护高度对支架受力没有影响，而掩护式和支撑掩护式支架，由于支护高度的变化，使立柱的支撑角度、平衡千斤顶的角度、掩护梁和四连杆机构的角度等的不 同，使支架309033000.94辽宁工程技术大学毕业设计（论文）53受力也不同。在进行强度计算时，要以顶梁承受最大负荷时的支护高度为依据，按此时的工况进行 计算。2）摩擦系数对支架受力的影响液压支架在工作过程中，顶梁

49、与顶板、底座之间以及掩护梁与其上的矸石之间均存在 着相对运动，于是在相对运动两者之间产生摩擦力。这摩擦力的大小与摩擦系数W 有关，且直接影响支架受力、支护效率等。在液压支架实际工作中，摩擦系数并非常数，而是与岩石种类、水分含量等许多因素 有关。根据液压支架架型实验规范规定，按摩擦系数 W 为0；0.15;0.3进行设计计算。在进行强度计算时，要取前、后连杆、顶梁等主要部件有最大负荷时的工况。3）平衡千斤顶的推、拉力对支架受力的影响支架在实际工作中，平衡千斤顶的推力和拉力是变化的。按支架在如下工况时进行计 算：支护高度为顶梁承受最大合力时的高度值，矸石作用力P3=0,摩擦系数W=0.3,并且按平

50、衡千斤顶产生推力和拉力两种情况分别进行支架的受力计算。分析结构表明，平衡千斤顶产生拉力时，顶梁后端比压增大，可增加切顶能力，底座 比压分布状态较好，连杆受力较小；平衡千斤顶产生推力时，顶梁合力作用点前移，可增 加顶梁前端支撑能力，底座前端比压增大，连杆受力增加。4）矸石作用力对支架受力的影响假定支架支护高度为一定值，平衡千斤顶的推、拉力R=0,摩擦系数W=0。矸石作用在掩护梁的负荷，为在05倍采高的岩石重量范围内，取若干个值。计算结果表明，矸石作用力增加，使支护强度、支护效率和切顶能力减小，同时连杆 受力也减小，底座分布改善，增加了支架的纵向稳定性。所以，在支架受力计算和强度分 析时，为偏于安

51、全，一般对矸石作用力忽略不计。薄煤层液压支架设计545）tan二值对支架受力的影响tan二值对支架受力的影响：tan值增加，附加力也增加。当摩擦系数W=0.3，ta-1时，附加力可高达支架名义工作阻力的30%。所以，tan二值过大对支架受力不利。在支 架的工作高度范围内，一般把tan二值控制在0.35以下，从而把附加力控制在支架名义工 作阻力的10%范围内。6）摩擦力方向对支架受力的影响由于掩护式和支撑掩护式液压支架由四连杆机构，所以当支架高度变化时，顶梁前端的运动轨迹近似为双纽线，则顶梁和顶板之间出现相对运动，因此摩擦力的产生是必然的。计 算表明，当顶板对顶梁的摩擦力方向指向采空区时，顶梁和

52、底座均有较大载荷。在试验台 上进行压架试验时，也是检查顶梁和底座的强度。因此，通常按顶板对顶梁的摩擦力指向 支架后方的工况来校核支架主要部件的强度。辽宁工程技术大学毕业设计(论文)555 液压支架的强度计算液压支架的前梁、顶梁、底座等部件都属于箱体式焊接结构件，它们的强度都取决于液压支架工作阻力和钢板及焊接的许用应力。为了保证它们具有足够的强度，就必须根据 力学原理进行强度校核。5.1 强度计算条件在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度计算是必要的。我国液压支架强度计算中的强度条件如下：1）强度校核均以材料的屈服极限:s计算安全系数。2）结构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件：（1）各结

53、构件通常采用15Mn等普通低合金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而 成，取；二=459MPa。（2）主要销轴均采用40Cr等合金结构钢，调质处理，取屈服极限j=800MPa，剪 切应力s=06s=480MPa。（3）活塞杆均采用45号钢，调质处理，取屈服极限j=360MPa。（4）结构件、销轴和活塞杆的强度条件为：CFcn = - n（5-1）- max式中-ma危险断面计算出的最大应力，MPa；n许用安全系数。3）缸体材料采用27SiMn无缝钢管，取抗拉强度匚1020MPa，二850MPa，缸体许1020用应力刁二=340MPan 34）安全系数薄煤层液压支架设计56由于支架的结构件梁体为

54、焊接的箱形结构，计算中假定焊缝强度不低于母材的强度或 者焊缝强度与母体强度相当。为计算简便起见，计算中忽略了焊缝对截面形状的影响，这 样从安全角度考虑一般是偏于保守的，是可行的。在必要的时候，也可以用适当的修正系 数对计算结果加以修正。安全系数如表5-1所示。表 5-1 安全系数表Table . 5-1 safety factor table安全系数前梁顶梁底座掩护梁前连杆后连杆n1.11.11.11.31.31.3安全系数主要轴缸体焊缝活塞杆n1.33.343.341.45.2 强度校核5.2.1 顶梁强度校核顶梁的强度校核步骤如下：1)画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图5-1所

55、示。2)计算剪力和弯矩已知：p=3300KN, Pk = -334KN,xa=937KN,ya=725KN1 1Fa-Phcos：pkh 3300 0.943 cos23 -334 0.274 =777KN(5-2)(b+lj3.57Fb二F - Fa二3090 - 777 = 2313KN(5-3)Fa-顶梁前后端集中承载时，前端的最大支撑力,KNFb-顶梁前后端集中承载时，后端的最大支撑力，KNFa7*77qn兔辽宁工程技术大学毕业设计(论文)57DCB A图 5-1 顶梁受力平面图和剪力弯矩图Fig . 5-1 beam stress pla ne and shear bending m

56、ome nt diagrampx=1289.4KN , Py=3037.7KN , p =266.7KN , pky=201KN已知:l2=0.709m,l3=0.234m,h2= 0.302m,h| = 0.125m,h3= 0.135ml2= 2.627m剪力计算如下：QA_B= yaFb=725 2313 =3038KNmQBq =yaPky=725 201 =926KNmQC_D QB Q- py= 926 - 3037.7 -2111.7 KNm弯矩计算如下：MA左= xah3= 937 0.135 =126KNmMB右二MA左-yaFBl3=126- 725 2321 0.234

57、= -586KNmMB左=MB右PkA二-586 267 0.302 = -506KNmMe右=MA左一 Pkyl2Pxkh2yaFbS3= 126 -201 0.709 267 0.302 - 725 23210.709 0.234=2 9 7K0N mMe左-Fal -777 2.627 - -2041KNm3）按弯曲应力进行强度校核由计算得知，按弯压联合作用计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为安全计，在薄煤层液压支架设计58A-A截面（如图5-2）采用最大弯曲应力进行校核。计算截面积 F 及截面形心至a-a面的距离 y。首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号，再

58、计算截面积Ft，最后计算截面形心距YtFig . A-A 5-2 sectio nFn=1.1所以顶梁弯曲强度校核满足设计要求。522 底座强度校核底板的强度校核步骤如下：1）画出底板结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图5-3所示。计算截面中心主惯性矩JziJzcbh312(5-5)式中:b 截面宽度;h 截面咼度。计算每个零件对截面形心的惯性矩Jzi:JZ133七+齐1450;25+1106“06mm4JZ2二 6a2F2二12161 3017.6228980 =11 106mm4233L22484 25264Ua；F375.4212100 =69 106mm412 12JZ二JZ1JZ2

59、JZ3二46 11 69 10=126 106mm4计算弯曲应力:二max =MmaXymax二JzMmax(h2-y)(MPa)Jz(5-6)max=32970 10126 10$0.211 -0.123 =33M P a对比安全系数表5-1n亠-max穿OS(5-7)薄煤层液压支架设计60DC B A图 5-3 底板受力平面图和剪力弯矩图Fig . 5-3 floor stress pla n and shear bending mome nt diagram2)计算剪力和弯矩已知：p=3300KN,R1=1494KN,R2= 1775KN ,：1= 23_：i2=46，鳥3- 74 ,

60、h = 0.16m, h2= 0.267m, h3= 0.135ml = 2.124m, l2= 0.932m, l3= 0.463mMA=0Fah l2pcos：、h psin-l3R1sin：2 dR cos：2hsR2cos：3=0代入数据解得：Fa=1570KN Y =0Fa- pcos： - R sin：2&sin：3Fb= 0代入以上数据得：Fb= 2542 KNFa-底板前后端集中承载时，前端的最大支撑力，kNFb-底板前后端集中承载时，后端的最大支撑力,kN剪力计算如下：(5-8)(5-9)辽宁工程技术大学毕业设计（论文）61QA电=-R2sin：3一Fb= T775 sin 74 -