【毕业设计】ZH16001624Z型液压支架设计

河北工程大学毕业设计PAGE1第一章绪论1.1液压支架概述1.1.1液压支架的组成和用途液压支架由顶梁、伸缩梁、立柱、推移装置、移架装置、操纵控制系统等主要部分组成。在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高液体作为动力，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。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，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，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.1.1.2液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。图1-1液压支架的工作原理1.升柱当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。2.降柱当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。3.支架和输送机前移运输机的前移由底部的推溜千斤顶来完成。支架的前移由安装在顶梁部位的移架千斤顶来完成。移架过程：采煤前伸梁伸出（超前支护） 推运输机 前伸梁缩回提柱移架首先采煤机采掉滚筒宽度的煤壁，支架前伸梁伸出对前面暴露出来的顶板进行及时支护；然后推溜千斤顶伸出将输送机前推；前伸梁缩回,之后液压支架提柱，此时安装在顶梁部位的移架千斤顶伸出将主顶梁前推顶梁再带动立柱一起前移再降柱实现移架过程。1.2煤矿支护技术现状与需求1.2.1液压支架现状与发展趋势综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志。世界主要产煤国家高产高效采煤迅速发展，特别是美国、澳大利亚、德国、英国和南非发展最快。综采工作面高产高效纪录不断刷新，综采装备新技术层出不穷。经过近几十年的发展和努力,我国液压系统设计也有了不断在提高,例如本次所设计的液压支架，与传统相比较我们也在走创新路线，我们在原有的经验基础上，特别是在缓倾斜中厚度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、完善阶段,在种类和质量方面与国际先进水平相比差距也越来越小。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具体国情和煤层基本条件下,开发一些新架型、新品种外,在创新和控制技术方面有待提高，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。近几年来,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。到目前为止,我国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的优点,但它存在严重缺点:①工人劳动条件差,安全性差;②移架速度慢,影响采煤机效率的发挥;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多少和技能高低有密切关系。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。1.2.2国外液压支架发展状况1954年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架。五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT型掩护式支架的基础上作了许多改进：60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。1.2.3我国目前中小煤矿支护技术现状小煤矿是指除国有重点和地方国有煤矿外的各类小煤矿。截至2005年底，25个省(区)市、新疆建设兵团已申请安全生产许可证年产30万t／a(含30万t／a)及以下的各类小煤矿共19828处。按井型分类，3万t／a以下的煤矿5423处，占总数的27.4%；3—6万t／a的煤矿8312处，占41.9%；6～15万t／a的煤矿5138处，占25.9%；15—30万t／a的煤矿955处，占4.8%。生产力水平落后。小煤矿过多、过散、过小，采掘机械化程度低，生产方式原始落后；绝大多数矿井防灾系统不健全不完善，安全技术装备落后，防灾抗灾能力差；从业人员文化水平低、安全技能和安全素质差，安全保护意识薄弱。生产安全问题突出2005年，全国小煤矿共发生死亡事故2575起，死亡4457人，事故起数和死亡人数分别占全国煤矿事故起数和死亡人数的77.9%、75.1%；死亡人数分别是国有重点煤矿的4.59倍和地方国有煤矿的8.0倍；小煤矿百万吨死亡率为5.505，分别是国有重点煤矿的5.75倍和地方国有煤矿的2.83倍。1.3设计目的采用综合机械化采煤机械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设备，迅速综合机械化采煤工作面（简称综合工作面）。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板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。为了有效地支护和控制顶板，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。1.4本设计的主要任务设计题目：ZH1600/16/24Z型液压支架设计方案及参数：ZH1600/16/24Z煤层厚度（m）：1.9-2.1；老顶级别：Ⅱ；直接顶级别：2；底板允许比压（MPa）：≤3.0；移架步距（mm）：1000设计内容（1）了解国内外液压支架研究开发水平和国内中小煤矿生产需求，分析现有简易支架优点和缺点，论证架型选择依据；（2）确定总体设计参数，完成总装配图；（3）负责顶梁、伸缩粱、托粱等主体结构的设计和强度计算；（4）负责推移油缸设计和计算；（5）协助同组同学进行液压系统设计，完成液压系统原理图；（6）完成资料阅读、外文翻译、计算机辅助设计和撰写设计说明书等。设计要求在设计中要严格执行国家煤炭工业局。液压支架通用技术条件（MT312-2000）和放顶煤液压支架技术条件（MT/T815-1999）要求。 第2章液压支架结构型式的比选2.1液压支架类型一、按支架和围岩的相互作用，液压支架可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。（一）支撑式支架：是一种典型的支撑式支架，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交大的支撑能力和良好的切顶性能，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。（二）掩护式支架：是掩护式支架的典型结构之一，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。（三）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。二、按移动方式，液压支架可分为整体自移式和迈进式两类。（一）整体自移式：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。（二）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。1.交互前移式支架，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。2.提步前移式支架，是采取顶梁不大量下降，提腿跨步的方式。例如，苏2M-81SKIPIF1<0型支撑掩护式支架，移架时沿着支撑柱顶板的临架顶梁推移。还有一种是滑行顶梁式支架，移架时本架顶梁在内部滑移。三、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类。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，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。2.2液压支架选型准则液压支架的选型,其根本目的是使综采设备适矿井和工作面的条件,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、技术和设备条件进行选择。（1)液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。（2)当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强支架一般不宜选用支撑式支架。（3)当煤层厚度达到2.5～2.8mm以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式双伸缩立柱的支架。（4)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，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。（5)煤层倾角〈10时，支架可不设倒滑装置15～25度时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机调防滑装置。（6)对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。（7)当煤层为软煤时，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤时，支架最大采高＜5m。（8)在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。（9)断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露5～8㎡,时间在20min以上时，暂不宜采用综采。（10)特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。2.3架型比较2.3.1液压支架的工作特性及存在的问题（1）支撑式支架支撑式支架的支护性能是：支撑式支架是依靠强力支柱支护工作空间，并使采空区内的岩石切断跨落。支架的顶梁支撑着整个回采工作空间的顶板；支架靠采空区一侧，利用其挡矸装置来隔离采空区，防止矸石窜入；结构简单，重量轻，钢材用量少；支撑力较高，切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，液压系统简单，便于操作和维护；通风断面较大。存在的问题：支架稳定性差，易发生倒架事故；移架时空顶面积大，防矸效果差，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，护矸能力差，矸石易窜入工作空间；（2）掩护式支架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，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。支架以掩护采空区已冒落的矸石为主，对工作空间上方的顶板支撑为辅，可使工作空间与采空区和顶板完全隔离；挡矸和防矸效果好；支架适应能力强，调高范围大，容易实现擦顶带压移架。存在的问题：横向稳定性好，但纵向稳定性差；支架支撑能力小，通风断面小，工作空间小，行人也不方便。（3）支撑掩护式支架工作特性：是以支撑为主，同时兼有掩护作用的支架。支架支撑能力大，顶梁受力状态好，切顶性能强；具有掩护梁，能有效地将工作空间和采空区隔开，防止矸石窜入；支架稳定性较好，有较大的工作空间，便于通风和行人。防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。存在的问题：结构比较复杂，钢材用量多，造价高。2.3.2调高范围根据国内现有支架的统计，垛式支架最高调高范围为1.8-1，节式支架最大调高范围为2.08-1，掩护式支架最大调高范围为1-3.6.由此可见，支撑式支架调高范围相对小一些，但是能够满足中小煤矿支护要求。综合考虑在满足中小煤矿需求情况下，在同时可选用两种或多种型式支架的煤层，应当选择价格比较便宜的架型。如果可采用支撑式支架，就应当选用支撑式支架，不选用支撑掩护式支架，因为支撑式支架相对来说，重量轻，价格便宜。第3章液压支架总体参数的确定3.1液压支架设计的基本要求（1）为了满足采煤工艺及地制条件的要求，液压支架是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。推溜力一般力为100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN～150KN，中厚煤炭一般为150KN至250KN。厚煤层一般为300KN～400KN。（3）防止性能要好。（4）排矸性能好。（5）要求液压支架能保证采煤工作有足够的通风断面，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）要求支架有足够的刚度，能够承受一事实上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3.2设计液压支架必需的基本参数（1）顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。（2）最大和最小采高根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。（3）底板岩性能及小时涌水量根据底岩性和小时涌水量验算底板比压。（4）煤层倾角根据煤层倾角，决定是否选用防滑装置（5）井向罐笼尺寸根据井向罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。（6）配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。3.3液压支架整体结构尺寸的设计3.3.1支架高度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：SKIPIF1<0SKIPIF1<0取SKIPIF1<0SKIPIF1<0；SKIPIF1<0式中SKIPIF1<0——支架最大高度；SKIPIF1<0——支架最小高度；SKIPIF1<0——煤层最大厚度（最大采高）；SKIPIF1<0——煤层最小厚度（最小采高）；SKIPIF1<0——考虑伪顶、煤皮冒顶落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，取300mm；SKIPIF1<0——顶板最大下沉量，取200mm；SKIPIF1<0——移架时支架的最小可靠量，一般取50mm；δ——浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm.3.3.2支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。用Bc表示。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，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板运输机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m，本设计取Bc=1.0m。3.3.3支护强度本次设计中支撑式支架的支护强度SKIPIF1<0可用插入法求得，按下式计算：SKIPIF1<0（3.3）式中：SKIPIF1<0—支架名义支护强度。（KN/m2）SKIPIF1<0SKIPIF1<0—采高SKIPIF1<0所对应的支护强度，见表1—1SKIPIF1<0—采高SKIPIF1<0所对应的支护强度，见表1—1SKIPIF1<0—SKIPIF1<0对应的采高(m),见表1—1SKIPIF1<0—SKIPIF1<0对应的采高(m),见表1—1SKIPIF1<0—支架的结构高度，在SKIPIF1<0，SKIPIF1<0之间。对应最大结构高度SKIPIF1<0=2.4m时SKIPIF1<0=2mSKIPIF1<0=1.3×343(245)KN/m2SKIPIF1<0=3mSKIPIF1<0=1.3×441(343)KN/m2将各数据代入式（3.3）得采高最大时支架支护强度SKIPIF1<0=611.52KN/m2表1-1适应不同类级顶板的架型和支护强度老顶级别ⅠⅡⅢⅣ直接顶类别12312312344架型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑或支撑掩护式采高＜2.5m时用支撑式采高＞2.5m时用支撑掩护式支护强度KN/MSKIPIF1<0支架采高m12941.3×2941.6×294＞2×294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区2343（245）1.3×343(245)1.6×343＞2×3433441(343)1.3×441(343)1.6×441＞2×4414539(441)1.3×539(441)1.6×539＞2×539注：（1）表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。（2）1.3、1.6、2为增压系数3.3.4支架伸缩比支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即：m=SKIPIF1<0 （2.1）代入数据，m=SKIPIF1<0=1.53.4液压支架配套设备和顶梁参数的确定3.4.1采煤机和运输机型号的确定根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为：采煤机：MG-200型运输机：SGD-630型3.4.2顶梁的确定根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。（1）支架工作方式对支架顶梁长度的影响本次设计的支撑式液压支架加有前伸梁对顶板进行超前支护。所以顶梁的总长度是前伸梁伸出的长度与主顶梁长度之和。其尺寸的基本确定如图2—1（2）配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm，这个距离叫空顶距。另外在输送机产煤板前也留有一定距离。一般为135～150mm左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，以此来计算顶梁长度。顶梁长度的基本确定由采煤机的宽a，采煤机与前边立柱的距离b，立柱间距c，顶梁末端到后立柱距离d来确定。立柱的初选尺寸为∮175mm。选用运输机型号为SGD—630，与之相适应的采煤机为MG—200。（采高1.4～3.0米；截深630mm）顶梁长度=a+b+c+d+∮175mm=3455mm（2.2）立柱立柱前伸梁顶梁托梁当矸板图2—1支撑式液压支架3.4.3顶梁主要尺寸的确定(1)顶梁长度Lg顶梁长度=3455(2)顶梁面积AA=Lg×B(3.5)式中：Lg—顶梁长度mm,B顶梁宽度mm,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。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170～200mm。其中宽面顶梁一般为1200mm～1500mm，节式支架一般为400mm～600mm。本次设计支撑式液压支架不加侧护板，取支架顶梁的宽度为960mm。代入公式（3.5）得A=3455×960=3.32m2(3)支护面积FcFc=Bc(Lg＋Δ)m2(3.6)式中：Fc—支护面积m2，Δ—移架后顶梁前端点到煤壁的距离m,一般Δ=0.3Bc—支架间距（支架中心距），一般为1.0m代入公式(3.6)得：Fc=1000(3455＋300)=3.755m2(4)支架的理论支护阻力F1F1=Fc×qSKIPIF1<0（3.7）式中:F1—支架的理论支护阻力，KNFc—支护面积m2qSKIPIF1<0—支护强度KN/M2支架在最高处的理论支护阻力为：F1=3.755×611.52=2296.26（KN）(5)顶板覆盖率δδ=A/Fc×100%(3.8)式中：δ—顶板覆盖率A-顶梁面积m2Fc—支护面积m2代入式（3.8）得δ=3.32/3.755×100%=88.4%3.5立柱及主要参数的确定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。3.5.1立柱布置1.立柱数目前国内支撑式支架立柱数为2～6根，常用为4根；掩护式支架为2柱；支撑掩护式支架为4柱。本设计立柱数为4根。2.支撑方式支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于300（支架在最低位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。同时由于顶梁较短，立柱倾角加大可以使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增大。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱轴线与顶梁垂线夹角小于100（支架在最高位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较大。本设计支架立柱为垂直布置。3.立柱类型立柱按动作方式，分为单作用和双作用；按结构分类，分为活塞式和活柱式；按伸缩方式分为单身缩和双伸缩，如图3-3所示abcdef单作用活塞式；b—单作用柱塞式；c—双作用活塞式；d、e、f—双伸式图3-3立柱类型4.立柱间距立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为1～1.5m。本设计立柱间距为1m。3.5.2立柱主要参数确定(1)立柱缸体内径和活塞外径a.立柱缸体内径的确定SKIPIF1<0（3.9）式中：D—立柱缸体内径mmF1—支架承受的理论支护阻力KNnd—每架支架立柱数Pa—安全阀的正压力，pa=40MPaαm—立柱最大倾角（度）代入公式（3.9）得SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=13.52cm查标准表取SKIPIF1<0查表得：活柱外径105SKIPIF1<0工作阻力SKIPIF1<0785KN额定工作压力51MPa泵站压力34.3MPab.立柱缸体外径的确定立柱缸体壁厚：SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0—缸筒内最高工作压力，MpaSKIPIF1<0—缸筒材料许用应力，SKIPIF1<0=355Mpa代入数据计算得：SKIPIF1<0≥7.3mm，取SKIPIF1<0=17.5mm缸体外径：SKIPIF1<0，即：SKIPIF1<0mm(2)立柱初撑力立柱初撑力按下式进行计算SKIPIF1<0(KN)（3.10）代入公式（3.10）得:SKIPIF1<0(KN)式中:Pb’——泵站额定工作压力Pb[Mpa]减去从泵站到支架沿城压力损失后的值。国内生产的SKIPIF1<0型乳化液泵站的额定工作压力为20Mpa和35Mpa两种，一般选用35Mpa作为泵站额定工作压力。SKIPIF1<0=24Mpa(3)安全阀压力与立柱工作阻力a.安全阀压力计算安全阀的调整压力，按选定后的立柱刚体内径De和支架承受的理论支护阻力F1m来确定。即：SKIPIF1<0（MPa）式中的Fz按下式计算：SKIPIF1<0(KN)(3.11)代入公式（3.11）得SKIPIF1<0(KN)式中:SKIPIF1<0--支架在最高位置时立柱倾角。SKIPIF1<0MPa求出后，再选定一种动作压力与Pa相近的标准安全阀，此安全阀的动作压力即为支架安全阀的调整压力Pa。Pa=40MPab.立柱工作阻力计算SKIPIF1<0(KN)(3.12)当泵站和安全阀都选定后，立柱的初撑力和工作阻力便已确定，液压支架的设计和使用经验表明，初撑力与工作阻力间应满足一定关系，即：P1=(0.35-0.7)P2。P1过小，不能有效地支撑顶板，P1过大，易压碎顶板。两个力之间满足该关系。3.5.3千斤顶的技术参数确定(1)推移千斤顶推移千斤顶的缸径与推移方式有关。直接推移方式千斤顶的缸体内径：SKIPIF1<0(3.13)式中SKIPIF1<0推移千斤顶的推力，kN，一般取SKIPIF1<0=150kN框架推移方式千斤顶的缸体内径：SKIPIF1<0(3.14) SKIPIF1<0—推移千斤顶的推力，KN，取SKIPIF1<0=150KN计算得：SKIPIF1<089.23mm取SKIPIF1<0=100mmSKIPIF1<0—移架千斤顶的拉力，KN，取SKIPIF1<0=250KN计算得：SKIPIF1<0=11.52mm取SKIPIF1<0=125mm1)移架油缸设计 移架油缸安装在顶梁部位，其移架力大于推溜力。在薄煤层中SKIPIF1<0=100～150KN；中厚煤层中SKIPIF1<0=150～250KN；后煤层中SKIPIF1<0=300～400KN。本设计中取SKIPIF1<0=250KNa.移架油缸内径：SKIPIF1<0=11.52cm按标准取D2＇=125mmb.移架油缸外径：缸筒壁厚SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0—缸筒内最高工作压力，MpaSKIPIF1<0—缸筒材料许用应力，SKIPIF1<0=355Mpa代入数据计算得：SKIPIF1<0≥7.18mm，取SKIPIF1<0=10mm缸体外径：SKIPIF1<0，SKIPIF1<0mm2)推溜油缸设计a.推溜油缸内径：SKIPIF1<0=89.23mm按标准取D3＇=100mmb.推溜油缸外径：缸筒壁厚SKIPIF1<0式中：SKIPIF1<0—缸筒内最高工作压力，MpaSKIPIF1<0—缸筒材料许用应力，SKIPIF1<0=355Mpa代入数据计算得：SKIPIF1<0≥5.74mm，取SKIPIF1<0=10.5mm缸体外径：SKIPIF1<0，即：SKIPIF1<0mm查标准确定其他尺寸如表3-1表3-1千斤顶的技术参数代号缸径/杆径mm额定承载能力连接尺寸适用范围推力（KN）拉力（KN）工作压强（MPa）杆头孔径mm缸底耳孔径mm用于液压支架推拉千斤顶、平衡千斤顶、伸缩梁前千斤顶等。Q63/45W63/4562109109305219.643.343.32121Q80/45W80/45981731736711811819.643.343.33232Q100/60W100/6015425225210217317319.643.343.319.63232第4章液压支架主要零部件的结构设计与强度计算4.1材料的选择在液压支架的研制，试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。由于液压支架的结构特点，外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及失效形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应的调整。我国液压支架强度计算中的强度条件：(1)强度校核均以材料的屈服极限SKIPIF1<0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。各构件通常采用16Mn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SKIPIF1<0＝355MPa4.2主要零部件的结构设计4.2.1前伸梁的结构设计前伸梁安装在顶梁的前端，穿插在主顶梁之内。对采煤之后前伸梁伸出对暴露的顶板进行及时支护。如图4—3所示，为前伸梁伸出后的状态。前伸梁伸出的长度约为前伸梁总长度的三分之二。前伸梁伸出的长度根据采煤机滚筒的宽度即截深来定。本设计中选用的采煤机型号为MG—200（截深630mm）SKIPIF1<0mm前伸梁前伸梁前伸梁油缸缸图4—3前伸梁4.2.2托梁的结构设计托梁将工作面所有支架连为整体，使支架不倾倒、不歪扭、移架过程中，托梁系统整体移动。前后托梁间加一连杆叫做横梁连接,托梁之间由套筒连接.如图4—4所示。a前后托梁连杆连接a前后托梁连杆连接后托梁前托梁横梁图4图4—4托梁托梁b托梁间套筒连接b托梁间套筒连接在移架提柱过程中，支架顶板下沉，此时托梁支撑所有重量。顶梁内设有滑道，托梁的前移通过滚子在滑道中的滑移前行。托梁的长由顶梁的宽来定，一个托梁长为1279mm，宽为120mm.4.3主要零部件的强度计算4.3.1支护强度计算支架的结构设计结束，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。于是可求出支架实际支护强度如下式：SKIPIF1<0（4.1）式中：Lg—顶梁长度，mmBSKIPIF1<0—顶梁宽度，mmΔ—顶梁前端至煤壁的距离，mm代入公式（4.1）得:SKIPIF1<0=0.637MPa4.3.2顶梁的强度计算及校核顶梁受力分析分两种情况：（1）顶梁两端加集中载荷时画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图。如图4-3。总受力为2000KN，分在四根立柱上，平均每根立柱受力为500KN。分体顶梁单独受力为1000KN，则SKIPIF1<0KNSKIPIF1<0SKIPIF1<010002002255SKIPIF1<0SKIPIF1<0CDBAA 图4-3顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图①F3=F4=500KNL1=3455mmL2=2255mmL3=1000mmL4=200mm根据对A点的矩平衡：SKIPIF1<0=0即:F3×L2+F4×(L2+L3)-F2×L1=0代入数据：500×2.255+500×（2.255+1）-F2×3.455=0计算得：SKIPIF1<0KN根据对D点的矩平衡：SKIPIF1<0=0即:F1×L1+F3×(L4+L3)-F4×L4=0代入数据：F1×3.429+500×（0.2+1）-F4×0.2=0计算得：F1=202.6KN②从左向右取矩A点：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=0B点:SKIPIF1<0-202.6×2255=-456.86KN·mSKIPIF1<0500×1000-797.4×1200=-456.88KN·mC点：SKIPIF1<0SKIPIF1<0=500×1000-202.6×3255=-159.46KN·mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0-797.4×200=-159.48KN·mD点：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0（2）按弯曲应力进行强度校核为保证安全，在A-A截面（如下图）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面得距离y。其中L1=300mm,L2=545mm,L3=90mm.厚度SKIPIF1<0=16mmSKIPIF1<0=16mmSKIPIF1<0=16mmSKIPIF1<0SKIPIF1<0图4—4顶梁截面图SKIPIF1<0=L1×SKIPIF1<0×4=300×16×4=19200SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0=16+SKIPIF1<0=166mmSKIPIF1<0=L2×SKIPIF1<0=545×16=8720SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=8mmSKIPIF1<0=4L3×SKIPIF1<0=4×90×16=5760SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0+L1=16+16+200=232mmSKIPIF1<0=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=170.758mm=0.171m每个零件中心到截面形心的距离:SKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.171-0.166=0.005mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.171-0.008=0.163mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.171-0.232=-0.061m计算截面中心主惯性矩SKIPIF1<0：形截面的惯性矩为：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0式中b—截面宽度；h—截面高度；计算每个零件对截面形心的惯性矩SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0=5.1×SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0=.SKIPIF1<02.3×SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=1.4×SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0+SKIPIF1<0=8.8×SKIPIF1<0计算弯曲应力和安全系数：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0（L1-y）=SKIPIF1<0(0.2-0.171)=179MpaSKIPIF1<0=1.9查安全系数表得顶梁安全系数为[n]=1.1满足SKIPIF1<0≥[n]所以危险截面是安全的。2顶梁上立柱中间位置加集中载荷时（1）画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图4—6所示SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<01000ACD图4-5集中载荷在支柱中间

图4—6顶梁受力图=1\*GB3①、顶梁剪力计算：对于A点SKIPIF1<0SKIPIF1<0计算得：SKIPIF1<0KN=2\*GB3②、顶梁弯矩计算，由左向右A点：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=0C点：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0500SKIPIF1<0500=250KN·mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0500SKIPIF1<0500=250KN·mB点：SKIPIF1<0=0SKIPIF1<0=250×0.5=125KN·m2）按弯曲应力计算进行强度校核计算截面面积F及截面形心至a－a面的距离y全部厚度为δ＝16mm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一个号，然后计算截面面积SKIPIF1<0之后再计算截面形心距SKIPIF1<0即：SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<02SKIPIF1<0SKIPIF1<0=0.171m每个零件中心到截面形心的距离：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.171-0.166=0.005mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.171-0.008=0.163mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.171-0.232=-0.061m矩形截面的惯性矩为SKIPIF1<0式中b－截面宽度h－截面高度计算每个零件的对截面形心的惯性矩SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0=5.1×SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0=.SKIPIF1<02.3×SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=1.4×SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0+SKIPIF1<0+SKIPIF1<0=8.8×SKIPIF1<0计算弯曲应力和安全系数：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0SKIPIF1<0=SKIPIF1<0（L1-y）=SKIPIF1<0190MPaSKIPIF1<0查安全系数表得顶梁安全系数为[n]=1.1满足SKIPIF1<0≥[n] 所以危险截面是安全的。4.3.3前伸梁的强度计算及校核因为伸缩梁是在顶梁外面的，活动自由受到很大限制，因此我们可以把伸缩梁建立一个简支梁的模型，同样的，我们也可以把伸缩梁的集中载荷分布在其端点，如果这样就能合格的话，那么不管集中载荷在伸缩梁的任何位置，还是均布载荷，其强度都能达到要求。取前伸梁为分离体进行受力分析及强度校核(1)前伸梁前端加集中载荷时1）画出前伸梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图。如图4-6。SKIPIF1<0图4-6前伸梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图=1\*GB3①、剪力计算L1=945×SKIPIF1<0=630mmF=SKIPIF1<0×L1=661.52×0.63=416.76KN=2\*GB3②、弯矩计算，从左向右取矩1点：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=02点：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=-F×L1=-297.6×0.6=178.56KN（3）按弯曲应力进行强度校核为保证安全，在A-A截面（如下图）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面得距离y。其中厚度δ=16mm,L1=152mm,L2=154mm首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的编为同一个号，再计算截面积SKIPIF1<0，最后计算截面形心矩SKIPIF1<0。SKIPIF1<0=2L1×δ=2×152×16=9.7×SKIPIF1<0㎡SKIPIF1<0=δ+SKIPIF1<0=16+SKIPIF1<0=0.075mSKIPIF1<0=L2×δ=154×16=2.464×SKIPIF1<0㎡SKIPIF1<0=SKIPIF1<0==0.008mSKIPIF1<0=4L3×δ=4×85×16=4.230×SKIPIF1<0㎡SKIPIF1<0=2δ+L1=2×16+152=0.184mSKIPIF1<0=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=0.17每个另件中心到截面形心的距离SKIPIF1<0计算截面中心主惯性矩SKIPIF1<0：形截面的惯性矩为：SKIPIF1<0=SKIPIF1<0式中b—截面宽度；h—截面高度；SKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.17-0.075=0.095SKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.17-0.008=0.162SKIPIF1<0=SKIPIF1<0_SKIPIF1<0=0.17-0.184=-0.007计算每个另件对截面形心的惯性矩SKIPIF1<0SKIPIF