液压支架毕业设计 支撑掩护式液压支架设计虚拟现实建模语言 VR设计及仿真模拟

1、摘 要本课题的研究内容是支撑掩护式液压支架的总体设计及仿真模拟。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， 因此液压支架的设计是技术上先进、 经济上合理， 安全上可靠、 是实现采煤综合机械化和自动化的主要体现。液压系统作为液压支架的传动装置，由不同数量的千斤顶组成。通过对液压系统不同操纵阀的控制得以实现液压支架各种动作。其具有以下特点：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离传递大的能量；能承受较大的载荷；没有复杂的传动机构；在有爆炸危险和含尘的空气里保证工作安全；动作迅速；操作、调节简单；过载及损坏保护简单

2、。作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，可利用Pro/E对液压支架进行快速建模，然后利用VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言对支架进行三维真实模拟，对支架的升柱、降柱、推溜、移驾的过程进行动态仿真，通过机构的运动仿真，优化了产品设计，缩短了新产品的开发周期，提高了产品的可靠性。关键词：支撑掩护式支架；液压系统；Pro/E建模；动态仿真ABSTRACTMy paper mainly foused on

3、the problem which designs about a type of chock-shield support and dynamic simulation .The application of hydraulic support in coal mining face of increasing production and raise labor productivity, reduce costs, reduce manual workers and to ensure safety in production is indispensable for effective

4、 measures to, Therefore the design of hydraulic support is technically advanced and economically rational, safe and reliable is the main manifestation of the comprehensive mechanization and automation of mining.Hydraulic system as the transmission of hydraulic supports, from a different number of co

5、mponent jacks. Hydraulic systems through the control valve can be manipulated to achieve a variety of hydraulic support action. It has the following characteristics: the use of relatively simple structure, equipment, small size, can be a big long-distance transmission of energy; can bear larger load

6、; the transmission mechanism is not complicated; explosion hazard in the air and dust to ensure safety at work; rapid action; operation, simple conditioning; overload protection and a simple damage.As a working face of the support equipment, powered support the frame type, structure and related para

7、meters, with the working face to the top, bottom conditions and the coal seam adapted to the conditions in order to achieve good supporting effect. Underground mining conditions because of the complexity and diversity, therefore, can use Pro / E, fast hydraulic modeling, and then using VRML (Virtual

8、 Reality Modeling Language) is a virtual reality modeling language support for true three-dimensional simulation of the bracket ascending column, drop column, push slide, Forum Search of the process of dynamic simulation, through the agency of motion simulation to optimize the product design and sho

9、rten the development cycle of new products, improved product reliability.Key words:chock-shield hydraulic support; hydraulic system; model using Pro/Engineer;dy-namic simulation 目录 TOC o 1-3 u 绪论11 液压支架概述21.1液压支架的组成及工作原理21.1.1 液压支架的组成21.1.2 液压支架的工作原理41.2 液压支架的类型和结构61.2.1 支撑式支架61.2.2 掩护式支架71.2.3 支撑掩护

10、式支架81.2.4 特种支架91.3 液压支架的支护方式91.4液压支架的选型101.5液压支架的研究与发展趋势112 支撑掩护式液压支整体结构设计142.1 液压支架主要尺寸参数的确定142.1.1 支架高度和伸缩比142.1.2 支护强度和工作阻力142.1.3 支架中心距和宽度152.1.4 液压支架的初撑力162.1.5 液压支架的移架力和推溜力162.1.6 顶梁尺寸的确定162.1.7 立柱主要参数的确定172.1.8 掩护梁和四连杆长度的确定192.2 液压支架的受力分析192.2.1 四柱支撑掩护式支架受力分析202.3 支架的结构选择212.3.1 顶梁212.3.2 底座2

11、32.3.3 立柱232.3.4 推移装置252.3.5 侧护板的结构和形式273 液压支架液压系统设计283.1 液压支架液压系统的简介283.1.1 液压支架传动系统的基本要求283.1.2 液压支架液压传动特点283.2 液压支架的液压系统拟定293.2.1 立柱系统293.2.2 千斤顶系统313.3 支架的液压阀323.4 液压元件安装要求343.5 液压系统的验算353.5.1 验算泵到液压回路中的液压损失353.5.2 管路系统的总压力损失及压力效率364 实体建模和虚拟现实简介374.1 参数化设计软件Pro/ENGINEER374.2 VRML虚拟现实语言384.2.1 VR

12、ML的概述384.2.2 VRML的工作原理404.2.3 VRML应用415 Pro/E实体建模435.1 基础实体特征工具435.1.1 拉伸435.1.2 旋转445.2 典型部件的实体建模455.2.1 立柱的实体建模455.3 液压支架各部件的实体建模485.3.1 顶梁的实体建模485.3.2 支架前后连杆的实体建模505.3.3 底座的实体建模525.4 液压支架的装配526 VRML机构仿真566.1 实体模型数据处理566.1.1 数据转换566.1.2 VRML模型文件整理566.2 VRML节点566.2.1 Shape节点566.2.2 群节点576.2.3 动态节点5

13、86.3 液压支架VRML仿真596.3.1 液压支架仿真规划596.3.2 液压支架仿真实现60参考文献62致谢63附录一（英文原文）64附录二（中文译文）73绪论 21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期，也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需要，就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控制系统。液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上

14、已经有70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口，我们要自己研制，否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。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求，必须大量生产机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。因此对液压支架的需求也是日益增加，而液压系统是驱动液压支架工作的心脏，是液压支架所不可缺少的重要组成。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

15、后成为一名出色的机械工程师打好基础。现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅；将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平 。第1章 液压支架概述液压支架由以下六个主要部分组成：顶梁、底座、立柱、掩护梁、活动侧护板、推移机构、操纵控制系统

16、图11 支架组成结构1、2互帮装置 3前梁 4顶梁 5、6立柱 7掩护梁8后连杆 9前连杆 10底座 11推移装置一、顶梁用途：1、用于支撑维护控顶区的顶板；2、承受顶板的压力；3、将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求：1、顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；2、顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；3、顶梁对顶板的覆盖率高；4、顶梁能适应顶板的起伏变化。二底座用途：1、为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础；2、与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构；3、将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：1、底座应有足够的强度和刚度；2、底座对底板

17、的起伏变化适应性好；3、底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板；4、底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；5、底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。三立柱用途：1、支撑顶梁，承受载荷的作用；2、调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；3、立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。四掩护梁用途：1掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座；2掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩；3掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。五活动侧护板用途：1、消除

18、相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；2、作为支架移架过程中的导向板；3、防止支架降落后倾倒；4、调整支架的间距。六连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。其四连杆机构的作用：1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能；2、能承受较大的水平力。七操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系

19、统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图12所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内

20、，前者为本架操作，后者为邻架操作。一支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1、初撑操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。2、承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀

21、5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。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。 3、卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。图12 液压支架工作原理1顶梁；2立柱；3输送机；4安全阀；5液控单向阀；6、7操纵阀；8乳化液泵；9推移液压缸；10底座；11后连杆；12前连杆；13掩护梁图13 液压支架工作特性曲线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13

22、，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段，这就是液压支架的阻力时间特性。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件。二、支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使

23、高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。液压支架的类型和结构1.2.1支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架（图1-4 a）和节式支架（图1-4 b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点

24、是：顶梁较长，其长度多在左右；立柱多，一般是根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。 垛式支架 节式支架图1-4支撑式支架结构形式1.2.2掩护式支架（如图1-5）其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、

25、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为左右。 掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩

26、护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。1.2.3支撑掩护式支架（如图1-6）其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。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，可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是：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。它的缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支

27、架的立柱均为两排，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，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 图1-5 掩护式液压支架结构 图1-6 支撑掩护式液压支架结构1.2.4特种支架特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。1.3 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，可形成液压支架的种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。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

28、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，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。1.即时支护图17 即时支护“三机”配套关系一般循环方式为：割煤移架推溜，工作面“三机”的配套关系如图17所示。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滞后支护一般循环方式为：割煤一推溜一移架。工作面“三机”的配套关系如图18所示。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。图18 滞后支护“三机”配套关系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

29、梁移架。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。1.4液压支架的选型液压支架的选型原则：液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面条件，投产后能做到高产，高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条进行选择。液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。当煤层厚度超过1.5m，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。当煤层厚度达到2.52.8m以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。煤层

30、厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩立柱的支架。应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。煤层倾角10时，支架可不设防倒防滑装置；1525时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置；25时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤时，支架最大采高一般3.5m；硬煤时，支架最大采高5m。在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支

31、架。断层十分发育，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在58m2，时间在20min以上时，暂不宜采用综采。1.5液压支架的研究与发展趋势21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期，也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需要，就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控制系统。液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上已经有70 多个电液自动化控制工作面。

32、工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口，我们要自己研制，否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。我国液压支架经过20 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几， 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，所用钢材一般为16Mn ，最好的屈服极限才700MPa ， 液压系统压力在35MPa 以下，流量在200L / min 以内，供液管2532m

33、m ，回液管2550mm ， 最快移架速度1012s/ 架(井下实际应用有时在20s 以上) ， 工作阻力更是相对较低。今后10 年， 我国的液压支架将朝技术含量大、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， 缸径将增至360mm ，

34、端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。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，还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何

35、更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下方面：(1) 设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。(2) 完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限元模型，开发出SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性，广泛应用于液压支架

36、设计研究，达到国际先进水平， 为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。(3) 技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。(4) 计算机辅助设计(CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库，并正在逐步实现支架设计CAD化。(5) 液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的20 30s/架，提高到912s/8架。(6) 新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。

37、新型高可靠性支架，反向四连杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。基于以上进展，液压支架的研究与发展方向是：(1) 在己有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计方法和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。(2) 研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。(3) 研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。(4) 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。第2章 液压支架的整体结构设计2.1 液压支架主要尺寸参数的确定2.1.1 支架

38、高度和伸缩比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，其最大和最小高度为： 式中支架最大高度，；支架最小高度，； 煤层最大高度，mm； 煤层最小高度，mm；考虑伪顶，煤皮冒落后，仍有可靠初撑力所需要的支撑力高度，一般最200300，S1取250 mm；顶板最大下沉量，一般100200，S2取135 mm；a移架时支架的最大可缩量，一般取50 mm；浮矸石，浮煤厚度；取：支架的最大高度=3500mm支架最小高度=2200mm支架伸缩比2.1.2 支护强度和工作阻力支护有效工作阻力与支护面积之比定义为支护强度。顶板所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层厚度。我国

39、已制订了不同顶板等级的支护强度标准，支护强度除可按规定选用外，还可按经验公式结算。 MPa式中：K作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般取58，取6；M截割高度，取m；岩石密度，一般取kg/。=800 MPa支架支撑顶板的有效工作阻力为 KN式中：F支架的支护面积，。F=(L+C)(B+K) 式中：L支架顶梁长度，m；C梁端距，2m；B支架顶梁宽度，m；K支架中心距，m。F=(L+C)(B+K)=(3.6402)(1.4+1.5)=11.4R=qF KN 2.1.3 支架中心间距和宽度一支架中心间距支架间距就是指相邻支架中心线间的距离，按下式计算式中 支架间距（支架中心距）每架支架顶梁总宽度相邻

40、支架（或框架）顶梁之间的间隙每架所包含的组架或框架数 m二支架宽度支架的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，支架顶梁上装有活动侧护板，侧护板的行程一般为170200，取200.支架的最小宽度，一般为14001430，取1400；支架的最大宽度，一般为15701600，取1600。0.8）倍的工作阻力。取初撑力为 ：=0.7R=3850移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关。一般厚煤层支架的为移架力300400 ，取移架力为 300 ；推溜力一般为100150 ，取推溜力为100 。的确定（1）顶梁长度：各几何关系列于下图21中b值由下式计算，式中

41、： 底座前柱窝中心的到底座前端的距离，由机构而定，取530； 铲煤板到煤壁间距离，一般为50100，这里取50； 输送机宽，包括连接千斤顶装置，取1330； 采煤机滚筒截深，查得600； 顶梁前端到煤壁的距离，一般为250350，取250。从而得：b = 2260 顶梁全长：式中:n取850u取530得：L=3640图21 定量计算示意图（2）顶梁宽度：顶梁宽度根据支架间距和架型来定，架间间隙为0.2 m左右。其中宽面顶梁一般为1.21.5 m。这里取宽度为：1.41)立柱缸体内径和外径立柱采用单伸缩液压缸立柱的缸体内径：式中：F支架承受的理论总载荷力，F4600；n每架支架立柱数，n=4；P

42、a安全阀调整压力，Pa=50 ； = =1表2-1内径尺寸系列（GB2348-80）81012162025324050638090100110125140160180200220250320400500630参照上表，故最终选取=200mm。2).立柱初撑力和工作阻力a.初撑力 式中： P1立柱初撑力 KN Pb 泵站压力 Pb=32(MPa)代入公式得 P1=32=1004.8（KN）b.立柱的工作阻力：式中：缸内径，=200；安全阀调整压力Pa=50。= =0.64在0.350.9之间满足要求。2.1.8 掩护梁和四连杆长度的确定 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图22所示。Q1GP

43、2P1HHA图22掩护梁和后连杆计算图设G为掩护梁长度；A为后连杆的长度；L2为点引垂线到后连杆下铰点之距；H1为支架最高位置时的计算高度；H2为支架最低位置时的计算高度；从几何关系可以列出如下两式：GcosP1-AcosQ1=L2; GcosP2-AcosQ2=L2;联立上述两式可得： 当支架撑牢在顶底板之间时，取其整体或某一部件为分离体，皆处于平衡状态，据此，把支架简化成平面杆系进行受力分析和计算。四柱支撑掩护式支架受力分析 四柱支撑掩护式支架平面受力如图2-3所示。 图2-3四柱支撑掩护式支架平面受力取顶梁和掩护梁为分隔体，对点取力矩平衡方程为 （2-1） 水平和垂直轴方向的力平衡方程为

44、 （2-2） （2-3） 取顶梁为分离体，对0点取力矩平衡方程为 （2-4）由方程（6-1）（6-4）解得： （2-5） （2-6） （2-7） 立柱倾角和，向前为“+”值，向后为“-”值。代入数据得： （与假设方向相反） （与假设方向相反） 由上可知：顶梁上最大载荷为3294KN；前连杆上最大载荷为8090.53KN；后连杆上最大载荷为6393.11KN。2.3 支架的结构选择液压支架各个部件的结构型式与工作面的顶底板条件和支架结构型式有关，选择时根据支架的结构型式和工作面顶底板条件，对各个部件的结构进行分析，最后择优选取。2.3.1 顶梁顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度要

45、求外，还要保证支护顶板的需要，如：有足够的顶板覆盖率；同时要求适应顶板的不平衡性，避免因局部应力而引起损坏。本支架采用刚性顶梁带铰接式护帮，如下图24所示，顶梁由前、后梁铰接。在铰接护帮安装有护帮千斤顶4，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使护帮上、下摆角，适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。各类顶梁都为箱式结构，一般有钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘形。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂挡矸帘之用。在顶梁下焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来。图24顶梁的结构型式1护帮；2后梁

46、；3尾梁；4护帮千斤顶；5前梁伸缩千斤顶顶梁端面形状和顶梁如图：25、26所示图25 顶梁断图26顶梁外形2.3.2 底座底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此，底座除了满足一定的刚度和强度外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板接触比压小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置，要便于人员行走；能起一定的挡矸排矸作用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性。支撑掩护式支架底座结构选用底分式刚性底座，如图27。图27底分式底座底座前端制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部重量大于前部，避免移架时啃底。底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以避免因立柱

47、偏斜受偏载，并用限位板和销轴限位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间去掉一块钢板，减少底座后部与底板的接触面积，增加底座后部的比压，同时有利于排矸2.3.3立柱立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力状态，它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。立柱的结构由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。如28图示缸体是立柱的承压部件。一般用27SiMn无缝钢管制成。缸体内表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。活塞是立柱的关键元件，对它的主要要求是保证密封性能良好，运动表面能承受外力的冲击。1缸筒；2活塞；3导向

48、环；4距离套；5导向套；6缸盖；7活塞杆图28 立柱结构活塞可以套在活柱上，或直接焊接在活柱上。用钢制作活塞时，可在活塞上安装导向环与缸体内径配合。导向环多用塑料制品，也有用铜合金制成。在不承受横向力或横向力很小的情况下，可以用保护密封圈的尼龙挡圈兼做导向环。活塞靠密封圈密封，密封圈有O型、Y型、U型、V型、鼓型、蕾型等。鼓型密封圈是两个夹布U型橡胶圈压制而成的整体实心密封圈，它和两个L型防挤圈一起使用，适用于工作压力19.658.8MPa，在压力小于24.5MPa时，可以不加挡圈。它可用于各种活塞上的双向密封。蕾型密封圈是一个U型夹布橡胶圈和唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈。它适用于装入各

49、种液压活塞头和导向套上，为单向密封。工作压力小于58.8MPa时，可以不加挡圈。以上两种密封圈的使用，简化了活塞结构，装配方便，但密封圈本身加工较复杂。活塞的轴向固定方式由三种：用螺帽加防松螺钉固定；用压盘和螺钉固定；用半圆环加弹性挡圈固定。活柱和活塞杆是立柱传递机械力的重要零件，它要能承受压力和弯曲等载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用27SiMn或45号钢制成。为防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，表面要镀铬，并要注意保护，防止外部硬伤。缸口用钢丝挡圈固定，是在导向套外侧装有钢丝挡圈，内侧装有密封圈和防尘圈。这种结构简单，装卸方便，但要求活塞杆外径与缸体内径之间有比较大的空间，这种固定方式使用较多

50、。固定钢丝和钢丝挡圈的连接方式，不能耐高压。当密封液体压力较高时，可采用半圆环结构连接方式。2.3.4推移装置液压支架推移装置是保证支架正常推溜和拉架，实现工作面正常循环作业的重要装置。在设计支架时，应根据支架结构和配套要求合理选择推移装置的形式，并充分保证支架推移装置对工作面条件和配套的适应性。推移装置的型式如表22所示表22 推移装置千斤顶的型式型 式特 点适用条件普通式普通活塞式双作用千斤顶可为外供液式，也可为内供液式1、目前已很少直接用作推移装置，而多与反拉框架一起使用，应用较广2、外供液式结构简单，应用广泛差动式千斤顶结构仍为普通型式，利用交替阀的油路系统，使其减小托输送机力用于直接

51、拉架的方式，目前应用较少浮动活塞式千斤顶活塞可在活塞杆上滑动，使环腔供液时拉力与普通千斤顶相同；但在活塞腔供液时，使压力的作用面积仅为活塞杆断面积，从而减小了推输送力广泛用于直接拉架方式，与短推杆等导向件一起使用动作时间有一定滞后，但一般不影响使用推移装置一般由推移千斤顶、推杆或框架等导向传力杆件以及连接头等部件组成，其功能、连接型式见表23。表23 推移装置的功能与主要连接型式功 能将输送机推向煤壁，保证作业循环将液压支架拉向煤壁方向，及时支护顶板框架或推杆与底座导向通道共同作为支架、输送机移动时的导向，起一定的防滑作用连接型式直接连接一端固定在支架底座（一般位于支架纵轴线上），另一端固定在

52、输送机或输送机底托架上。此时移架和推输送机都用一个推移千斤顶移步横梁间接连接在推移装置与输送机之间加一个移步横梁、千斤顶仅与移步横梁连接。这种方式减少了支架与输送机之间的约束和影响、比较机动，但结构复杂相邻支架或支架节连接这种方式一般用于节式或各种类型的组合迈步支架。移架千斤顶位于主副架之间，多数分别与两者的底座相连。少数为顶梁之间相连，称为上移架机构。移架与推溜各用不同的千斤顶。推输送机千斤顶两端分别同支架与输送机相连，但数量可以减少，如56m布置一个推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆两种。此液压支架所采用的推移装置为：倒拉式长推移杆。如图28所示，结构简单可靠，重量轻，被广泛

53、采用。支架推输送机的力应不大于输送机的设计推力，拉架力一般应为支架重量的2.53倍。支架移架速度应与采煤机截割牵引速度相适应。图28 短推移杆侧护板的结构型式如图2-9所示。通常采用两种类型。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2-10a，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；图2-10b、c，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种是铰接式侧护板，如图2-9d、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。图2-9 侧护板结构的形式本次设计采用b方案。第3章 液压支架

54、液压系统设计3.1液压支架的液压系统的简介液压支架不仅需要有良好的结构以适应所工作的煤层地质条件，而且还要配备完善而可靠的液压系统及液压元件来实现支架的优良工作性能。液压支架的液压系统属于泵缸开式系统。动力源是乳化液泵，执行元件是各种液压缸。系统回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增压，经各种控制元件供给各个液压缸，。乳化液泵站通常安装在工作面下顺槽，可随工作面一起向前推进。泵站通过沿工作面全长敷设的主供液管和主回液管，向各个支架供给高压乳化液，接收低压回液。工作面中每个支架的液压控制回路多数完全相同，通过截止阀连接与主管路，相对独立。其中任一支架发生故障进行检修时，可关闭该架与主管路连接的截止阀

55、，不会影响其他支架工作。液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。3.1.1 液压支架传动系统的基本要求对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：1、采用结构比较简单，设备外形尺寸比较小，能远距离的传递大的能量2、能承受较大的载荷；没有复杂的传动机构；3、再有爆炸危险和含尘的空气里保证工作安全；4、动作迅速；5、操作、调节简单；6、过载及损坏保护简单；容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此液压支架均采用这种传动。3.1.2 液压支架的液压传动特点液压支

56、架的液压传动，与其它机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下： 工作液的压力高（管路内的压力达，立柱内的压力达），流量大（）;在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体作为工作介质；液压缸、操纵阀，其它调节和控制装置等的数量大（高压泵16台、液压缸3001500个、安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀）； 很长的液压管路（200300刚性管，5003000高压软管）； 泵-液压缸传动系统的换算弹性模数较低； 根据支架的数量改变液流的参数； 所有支架的结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及它们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支

57、架的基本工序； 为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业和工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。 这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即：液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独地加以研究。3.2液压支架的液压系统拟定根据液压支架的架型和结构设计，确定立柱和千斤顶数目，并拟订液压系统。3.2.1立柱系统的拟定1. 单柱控

58、制回路单柱控制回路如图4-1 a、b、c、d、e所示，其中图a为单作用单柱，图b、c为双作用单柱，图d、e为双伸缩单柱。 图a 图b 图c 图d 图e图3-12.多柱控制回路多柱控制回路如图4-2 a、b所示，图中为两根立柱并联组成，同时动作。图4-2 a为共用一个控制阀回路，图为各用一个控制阀回路，采用双液控单向阀或用于双伸缩立柱。 a-共用一个控制阀回路；b-各用一个控制阀回路图3-2 多柱控制回路3.带压移架回路带压移架回路如图4-3所示。在立柱控制阀前面装设一个由移架液路控制的支撑保持阀和一个与立柱活塞杆腔液路相通的节流阀，可使支架带压移架，设计时应考虑在移架时，支架对顶板的支撑力应大

59、于10KN/m24.端头锚固支架的闭锁回路图3-3带压移架回路端头锚固支架的闭锁回路，各柱升柱时，相互没有关系。而当桩柱升柱时，锚固柱必须处于升柱撑紧状态；反之，当锚固柱降柱时，桩柱的液路压力要达到一定植，否则液压打不开限压阀，不能进入桩柱或锚固柱的活塞杆腔，桩柱或锚固柱就降不下来，从而可以起到相互闭锁的作用。5.提高立柱支撑力的回路提高立柱支撑力的回路采用两条压力液管路，一条为中压大流量供液管，另一条是高压小流量供液管。在立柱的初撑阶段，先由两条压力液管路共同供液，待顶梁支撑顶板，立柱活塞腔的液压力大于中压液管的压力，单向阀关闭，由高压小流量管路继续供液，直至达到预定的初撑力。本设计采用:多

60、柱控制回路 b 如图：4-2 b 各用一个控制阀回路3千斤顶系统千斤顶系统包括前梁、平衡、侧推、推移、护帮、防倒、防滑和调架千斤顶。这类千斤顶控制系统一般由油缸上加一些必要的液压阀构成。常用的千斤顶控制回路有如下形式：（1） 侧推、调架、防倒系统 侧推、调架、放倒系统如图4-4为单作用式，图4-5为双作用式。 图3-4单作用式 图3-5双作用式本设计选用：双作用式（2） 推移千斤顶系统推移千斤顶系统如下图所示。a为单向锁紧回路，b为差动回路，c为千斤顶定压回路，用于辅助移架千斤顶的推力限制在一定范围，在该千斤顶的活塞腔一侧液路上增设一个定压开关阀。当操纵操纵阀时，压力液经分流阀后分成两路：一路