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中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 76 頁
第一章 概 述
采煤綜合機(jī)械化，是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展，大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施。綜合機(jī)械化采煤不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕繁重的體力勞動(dòng)，改善工人的作業(yè)環(huán)境，保護(hù)工人的生命安全，是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。我國綜采技術(shù)日趨成熟，不但生產(chǎn)水平，而且工藝水平已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備之一，其重量約為綜采設(shè)備總重量的80%-90%，其費(fèi)用約占綜采設(shè)備總費(fèi)用的60%-70%。因此，為了降低成本，提高采煤的經(jīng)濟(jì)效益，世界各產(chǎn)煤大國都一直在積極地開展液壓支架的研究。
1.1支護(hù)設(shè)備的發(fā)展歷史
煤礦支護(hù)設(shè)備是保證回采工作面正常生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，也是煤礦工作面使用規(guī)模最大、耗費(fèi)資金最多的煤機(jī)產(chǎn)品。目前世界各國使用的煤礦支護(hù)設(shè)備主要是回采工作面單體支柱和回采工作面液壓支架。
1.1.1 單體支柱的發(fā)展歷史
20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了木支柱，它是一種古老而又簡陋的支護(hù)材料，沒有初撐力，也沒有恒增阻降距，支撐力也無法保證，而且也浪費(fèi)了大量的木材。
20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了單體金屬摩擦支柱，與木支柱相比可節(jié)省大量木材，而且也可復(fù)用。但是它不能保證恒增阻降距。
20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了DZ型單體液壓支柱，與前兩種單體支柱相比可保證恒增阻降距，支撐力也能得到控制，但是由于這種支柱存在內(nèi)泄露，因此存在嚴(yán)重的安全隱患。
1.1.2 液壓支架的發(fā)展歷史
液壓支架的發(fā)展從20世紀(jì)50年代開始。
1954年，英國研制出剁式支架。從此，開創(chuàng)了煤炭工業(yè)的新時(shí)代。1958年法國試驗(yàn)成功了節(jié)式支架。
五十年代末，為開采煤層厚超過2m的松散和破碎頂板條件下的褐煤，前蘇聯(lián)開始研制掩護(hù)式液壓支架，并與1961年在阿樂斯-科拖舉辦的貿(mào)易展覽會(huì)上展出了OMKT型掩護(hù)式支架。比起剁式和節(jié)式支架，掩護(hù)式支架能有效的控制頂板，防止開采過程中矸石滲入工作面，工作能力很好。
60年代末和70年代初，隨著液壓支架在歐洲使用經(jīng)驗(yàn)的日益增加，支架結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化。長頂梁、二柱、四柱以及多柱四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架相繼問世。并且，為適應(yīng)底板不平，底座采用分離鉸接式結(jié)構(gòu)；對(duì)于松軟底板，為減小底板比壓，采用接觸面積較大的底座；為防止碎矸竄入采區(qū)，采用了各種防竄矸的掩護(hù)裝置。
進(jìn)入70和80年代，液壓支架又有了新的發(fā)展。頂梁不僅實(shí)現(xiàn)了“立即前移支護(hù)”，而且整個(gè)支架安裝了電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制與操作。1981年杜賽爾多夫采礦展覽會(huì)上，展出了液壓連桿式液壓支架和具有液壓調(diào)高機(jī)構(gòu)的掩護(hù)式支架，并研制出采高為6m的大采高支架及放頂煤支架；對(duì)于堅(jiān)硬巖層設(shè)計(jì)了強(qiáng)力液壓支架等。
1.2我國液壓支架的發(fā)展
1959年10月，原北京礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)了三種液壓支架。1961年設(shè)計(jì)了“本溪-Ⅱ型”支架，并制造出樣機(jī)進(jìn)行井下試驗(yàn)。1965年北京煤炭科學(xué)院和鄭州煤礦機(jī)械廠協(xié)作制造出仿英支架。1973年，北京煤礦機(jī)械機(jī)械廠生產(chǎn)出第一套BZZ垛式支架，在陽泉礦務(wù)局使用。它是發(fā)展我國液壓支架的起點(diǎn)。從70年代至今，光煤炭科學(xué)研究總院北京開采所共研制出30余種不同結(jié)構(gòu)型式的液壓支架。架型包括：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式，還有特殊采煤工藝用液壓支架，如放頂煤支架，水砂填充支架及端頭支架等。
總之，我國液壓支架是從50年代末開始著手研制，經(jīng)歷可研制試驗(yàn)、引進(jìn)、仿制和改進(jìn)創(chuàng)新等階段，直到現(xiàn)在的獨(dú)立設(shè)計(jì)階段。目前，除液壓支架電液控制和支架計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與繪圖方面落后于國外，其他方面均以達(dá)到國外同期水平。
1.3 液壓支架的用途、分類和結(jié)構(gòu)
1.3.1 液壓支架的用途
在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項(xiàng)作業(yè)正常進(jìn)行，必須對(duì)頂板支護(hù)。而液壓支架是以高壓液體作為動(dòng)力，由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的支護(hù)和控制頂板的設(shè)備，它能實(shí)現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機(jī)等一整套工序。實(shí)踐表明液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高，移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，液壓支架是技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、安全上可靠、是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的主要設(shè)備。
1.3.2 液壓支架工作狀態(tài)及布置
圖1-1所示為液壓支架在工作面的布置示意圖。每個(gè)工作面一般由滾筒、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、裝載機(jī)、乳化液壓站和油管等主要設(shè)備組成。
A-A截面是采煤機(jī)割煤前支架的工作狀態(tài)。此時(shí)，推溜千斤頂活塞桿處于伸出狀態(tài)，端間距為零，輸送機(jī)緊靠煤壁。采煤機(jī)割煤后，支架尚未前移時(shí)（B-B截面），端面距最大（等于采煤機(jī)截深）；當(dāng)支架降柱卸載前移，然后升柱支護(hù)新裸露頂板時(shí)，端面距又達(dá)到最?。–-C截面）。支架支撐頂板后，以其為支點(diǎn)操作推溜千斤頂。將輸送機(jī)推向煤壁，實(shí)現(xiàn)推溜。此時(shí)，推溜千斤頂?shù)幕钊麠U又處于伸出狀態(tài)（D-D截面），以便完成下一個(gè)動(dòng)作過程。
隨著采煤機(jī)割煤的繼續(xù)，工作面液壓支架不斷重復(fù)上述四個(gè)主要?jiǎng)幼鬟^程。
圖1-1 液壓支架在工作面布置示意圖
1－采煤機(jī) 2－液壓支架 3－傳送帶輸送機(jī) 4－轉(zhuǎn)載機(jī) 5－刮板輸送機(jī) 6－主進(jìn)液管
7－主回液管 8－乳化液泵 9－乳化液箱 10－端頭支架 11－單體液壓支柱
1.3.3 液壓支架的分類
液壓支架分類方式很多，主要按照支架使用條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分類。
1、 按使用條件分類
表1-1詳細(xì)表示了支架按使用條件分類情況。
表1-1 按使用條件分類表
分類標(biāo)準(zhǔn)
具體分為
使用高度
厚煤層一次采全高支架（≥3.5m）
中厚煤層支架（1.3m＜h＜3.5m）
薄煤層支架（≤1.3m）
使用傾角
緩傾斜工作面支架（≤25°）
傾斜工作面支架（25°＜α＜45°）
傾斜工作面支架（≥45°）
采煤工藝
放頂煤支架
機(jī)械鋪（連）網(wǎng)支架
充填支架
使用地點(diǎn)
排頭支架
端頭支架
工作面支架
順槽超前支架
2、按主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（表1-2）
表1-2 按主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類
分類標(biāo)準(zhǔn)
具體分為
分類標(biāo)準(zhǔn)
具體分為
調(diào)高機(jī)構(gòu)
四連桿式
控制方式
本架控制
單鉸點(diǎn)式
鄰架控制
擺桿式
成組控制和順槽控制
配套方式
插腿式
組合方式
單架式
不插腿式
組合式
1.3.4 液壓支架結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)
根據(jù)用途和在采煤工作面的安裝位置，液壓支架分為兩大類，即端頭支架和中間支架。
端頭支架安裝在采煤工作面兩端與順槽連接處。一般來說，它的頂梁較長，支護(hù)空間較大，具有較大的支撐力，并兼有支撐和錨固作用，其整體性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均較高。
中間支架安裝在除端頭支架以外的采煤工作面的全部作業(yè)位置。其作業(yè)是確保采煤工作面人員與設(shè)備的安全，并實(shí)現(xiàn)頂板管理與支護(hù)以及采煤作業(yè)過程機(jī)械化。液壓支架的分類主要是對(duì)中間支架進(jìn)行分類。
中間支架按其結(jié)構(gòu)及與圍巖相互作用方式可分為:支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式三大類，如圖1-2。后兩類又統(tǒng)稱為掩護(hù)型液壓支架。
1.支撐式液壓支架 支撐式液壓支架是利用立柱與頂梁直接支撐和控制采煤工作面頂板的，沒有掩護(hù)梁。其頂梁較長，立柱較多，一般呈垂直布置，聯(lián)結(jié)著頂梁和底座，無法承受水平作用力，這是此種支架的最大弱點(diǎn)；靠立柱支撐頂梁來維持一定的工作空間；頂板巖石則在頂梁后部垮落。這類支架的特點(diǎn)是：具有較大的工作阻力和良好的切頂性能，通風(fēng)面積大；采區(qū)防矸不嚴(yán)密；由于頂梁較長，對(duì)頂板重復(fù)支撐次數(shù)多；適用于老頂來壓強(qiáng)烈的或直接頂穩(wěn)定和堅(jiān)硬的頂板。
2.掩護(hù)式液壓 掩護(hù)式液壓支架是利用立柱、頂梁、及掩護(hù)梁來支撐頂板和防止頂板巖石涌入工作面。其頂梁較短，立柱較少，一般呈傾斜布置，聯(lián)結(jié)著頂梁和底座或掩護(hù)梁和底座；掩護(hù)梁直接與冒落的矸石接觸，靠其掩護(hù)作用來維持一定工作空間；頂板巖石則在掩護(hù)梁后部垮落。掩護(hù)式液壓支架的特點(diǎn)是：調(diào)高范圍大，適應(yīng)煤層厚度變化的能力強(qiáng)，
由于掩護(hù)式液壓支架的這些優(yōu)點(diǎn)，目前它已經(jīng)成為世界各主要產(chǎn)煤大國研制和使用的重點(diǎn)架型。
圖1-2 液壓支架結(jié)構(gòu)型式
a) 支撐式 b) 掩護(hù)式 c) 支撐掩護(hù)式
1－前探梁 2－頂梁及其側(cè)護(hù)板 3－掩護(hù)梁及其側(cè)護(hù)板 4－前連桿 5－后連桿 6－底座
7－立柱 8－推移千斤頂 9－平衡千斤頂 10－操縱閥與控制閥 11－護(hù)幫機(jī)構(gòu) 12－護(hù)幫千斤頂 13－前梁千斤頂 14－擋矸簾
3.支撐掩護(hù)式液壓支架 它利用支撐和掩護(hù)的雙重作用來維持一定的工作空間。這類支架的特點(diǎn)式：立柱較多，垂直支撐或立柱傾角較小，工作阻力大，切頂性能較好；采用掩護(hù)梁，架間密封，擋矸掩護(hù)性能好；采用四連桿機(jī)構(gòu)，能承受側(cè)向力；適用范圍較寬。
1.4 液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護(hù)一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進(jìn)，進(jìn)行移架和推移輸送機(jī)。因此，支架要實(shí)現(xiàn)升、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓液體，通過工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來完成的，如圖1-3所示。
圖1-3 液壓支架工作原理
1-頂梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤頂；5-安全閥；
6-液控單向閥；7、8-操縱閥；9-輸送機(jī)；10-乳化液泵；
11-主供液管；12-主回液管
1.4.1 支架升降和推移
當(dāng)操縱閥8處于升柱位置時(shí)，從乳化液泵站來的高壓液體通過操縱閥8、液控單向閥6進(jìn)入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥8處于降柱位置時(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。
支架的前移和推移輸送機(jī)是通過操縱閥7和推移千斤頂4來進(jìn)行的。移架時(shí)，先使支架卸載下降，再把操縱閥7置于移架位置，從乳化液泵站來的高壓液體進(jìn)入推移千斤頂4的前腔即活塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時(shí)，支架以輸送機(jī)為支點(diǎn)前移。移架結(jié)束后，再把支架升起，使支架撐緊頂板。
1.4.2 支架的承載過程
支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過程。它包括初撐、承載增阻和恒阻三個(gè)階段。
初撐階段
在升架過程中，當(dāng)支架的頂梁接觸頂板，直到立柱下腔的液體壓力逐漸上升到泵站工作壓力時(shí)，停止供液，液控單向閥6立即關(guān)閉，這一過程為支架的初撐階段。初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。
承載增阻階段
支架初撐結(jié)束后，隨著頂板的下沉，立柱下腔的液體壓力逐漸升高，支架對(duì)頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過程為支架的承載增阻階段。
恒阻階段
隨著頂板壓力的進(jìn)一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高。當(dāng)升高到安全閥5的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥打開溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復(fù)這一過程。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這是支架的恒阻階段。此時(shí)，支架對(duì)頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。
1.5 液壓支架的組成
液壓支架是綜采工作面支護(hù)設(shè)備，它的主要作用是支護(hù)采場頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。
1.5.1 支架的組成
液壓支架按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和與圍巖的作用關(guān)系一般分為三大類，即支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式。根據(jù)支架各部件的功能和作用，其組成可分為4個(gè)部分：
1、承載結(jié)構(gòu)件，如頂梁、掩護(hù)梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。
2、液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作，產(chǎn)生液壓動(dòng)力。
3、控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動(dòng)作及保證所需的工作特性。
4、輔助裝置，如推移裝置、護(hù)幫（或挑梁）裝置、伸縮梁（或插板）裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、防倒防滑裝置、連接件、噴霧裝置等。這些裝置是為實(shí)現(xiàn)支架的某些動(dòng)作或功能所必需的裝置。
1.5.2 液壓支架的支護(hù)方式
綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。3個(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機(jī)”的不同配套關(guān)系。
1、即時(shí)支護(hù)
一般循環(huán)方式為：割煤—移架—推溜。即時(shí)支護(hù)的特點(diǎn)是，頂板暴露時(shí)間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護(hù)方式。
2、滯后支護(hù)
一般循環(huán)方式為：割煤—推溜—移架。滯后支護(hù)的特點(diǎn)是，支護(hù)滯后時(shí)間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。
3、復(fù)合支護(hù)
一般循環(huán)方式為：割煤—支架伸出伸縮梁—推溜—收伸縮梁—移架。復(fù)合支護(hù)的特點(diǎn)是，支護(hù)滯后時(shí)間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)。可適用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應(yīng)高產(chǎn)高效要求，目前應(yīng)用較少。
1.6 采煤工作面液壓支架設(shè)計(jì)要求
為了滿足長臂工作面的生產(chǎn)要求對(duì)液壓支架提出了以下要求：
1.能有效的控制頂板。具體有這些要求：能適應(yīng)頂板下沉、來壓及冒落的特性；能防支架前方與上方冒頂；不應(yīng)出現(xiàn)陷底而影響性能與移架。
2.保證安全的工作空間。具體要求如下：有寬敞的工作空間；能很好的防矸、排矸；能良好的通風(fēng)、照明、通訊、防塵、防火。
3.應(yīng)該適應(yīng)煤層地址條件變化。要求支架有足夠的調(diào)高范圍；適應(yīng)不平頂?shù)装?、臺(tái)階和斷層等條件；適應(yīng)煤層傾角變化。
4.能夠保證正常的生產(chǎn)循環(huán)。也就是說應(yīng)保證正常移架、推溜；能與采煤、運(yùn)輸?shù)裙に嚋?zhǔn)確配合；運(yùn)輸，安裝，搬家方便；還得便于維修。
5.最后對(duì)于投資者來說，應(yīng)該保證初期投資低、維修費(fèi)用低。
1.7 本文所做的主要工作
畢業(yè)設(shè)計(jì)名稱：掩護(hù)式液壓支架設(shè)計(jì)
參數(shù)如下：
（1）要求工作阻力350t；
（2）最小采高2.5m；
（3）最大采高4.7m。
本次設(shè)計(jì)主要工作如下：四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、各個(gè)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各結(jié)構(gòu)件的受力分析及強(qiáng)度校核及支架發(fā)展趨勢。
第二章 液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
2.1支架高度和支架間距的確定
2.1.1 支架的高度和支架的伸縮比
一般應(yīng)首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度。
由于我國急斜煤層煤層厚度都比較大，煤層厚度在20～80m之間，所以按厚煤層高度的確定原則來確定該放頂煤液壓支架的高度。
＋（200～300） （2-1）
－（300～400） （2-2）
式中：——支架最大高度（mm）；
——支架最小高度（mm）；
——最大采高（mm）；
——最小采高（mm）。
本設(shè)計(jì)最大采高＝4500mm,取支架最大高度
＝4500＋200＝4700mm
本設(shè)計(jì)最小采高＝2800mm,取支架最小高度
＝2800－300＝2500mm
支架最大高度與最小高度之差為支架的調(diào)高范圍。
支架的伸縮比指其最大高度與最小高度之比值。即：
(2-3)
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得
m==1.88
2.1.2 支架間距和寬度的確定
所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。按下式計(jì)算：
（2-4）
式中： ——支架間距（支架中心距）；
——每架支架頂梁總長度；
——相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙；
n——每架所包含的組架的組數(shù)或框架數(shù)，整體自移式支架
n =1；整體邁步式支架n =2；節(jié)式邁步支架，n =支架節(jié)數(shù)。
支架間距要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂連結(jié)塊的位置來確定，我國刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長度為1.5m,千斤頂連結(jié)塊位置在溜槽中長的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5m。
大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用1.75m,輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。
本次設(shè)計(jì)取支架的中心距為1.5m。
支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應(yīng)考慮支架的運(yùn)輸、安裝和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板行程一般為170mm～200mm。本次設(shè)計(jì)取支架頂梁的最小寬度為1400mm,最大寬度為1570mm,亦即頂梁側(cè)護(hù)板側(cè)推千斤頂?shù)男谐倘?70mm。
2.2 底座長度的確定
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性等。通常掩護(hù)式支架的底座長度取3.5倍的移架步距（一個(gè)移架步距為0.6m），即2.1m左右，支撐掩護(hù)式支架的底座長度取4倍的移架步距，即2.4m左右。在這里取底座長度為2.5m。
2.3 頂梁長度的確定
根據(jù)支架工作方式和設(shè)備配套尺寸來確定頂梁長度。
2.3.1 支架工作方式對(duì)支架頂梁長度的影響
支架工作方式對(duì)支架頂梁長度有很大影響。先移架后推溜方式（又稱及時(shí)支護(hù)方式）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式（又稱滯后支護(hù)方式）要求頂梁長度較小。這是因?yàn)椴捎孟纫萍芎笸屏锏墓ぷ鞣绞綍r(shí)，支架要超前輸送機(jī)一個(gè)步距，以便采煤機(jī)過后，支架能及時(shí)前移，支控新暴露的頂板，做到及時(shí)支護(hù)，因此，先移架后推溜時(shí)頂梁長度要比先推溜后移架時(shí)的頂梁長度要長一個(gè)步距，一般為600 mm 。這里，采用滯后支護(hù)方式。
2.3.2 頂梁長度計(jì)算
掩護(hù)式支架頂梁長度計(jì)算
頂梁長度=[配套尺寸+底座長度+ ]-[+300+]+掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)至頂梁后端點(diǎn)之距（mm） (2-5)
式中
配套尺寸—參考原煤炭部煤炭科學(xué)研究院編制的綜采設(shè)備配套圖冊(cè)確定；
底座長度—底座前端至后連桿下鉸點(diǎn)之距
e —支架由高到低頂梁前端點(diǎn)最大變化距離；
、—支架在最高位置時(shí)，分別為后連桿和掩護(hù)梁與水平面的夾角。
經(jīng)計(jì)算的支架頂梁長度為3000mm.
2.4 四連桿機(jī)構(gòu)的確定
2.4.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用
1．梁端護(hù)頂 鑒于四連桿機(jī)構(gòu)可使托梁鉸接點(diǎn)呈雙紐線運(yùn)動(dòng)，故可選定雙紐線的近似直線部分作為托梁鉸接點(diǎn)適應(yīng)采高的變化范圍。這樣可使托梁鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)與煤壁接近于保持等距，當(dāng)梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時(shí)，借此可以保證梁端頂板維護(hù)良好。
2．擋矸 鑒于組成四連桿機(jī)構(gòu)的掩護(hù)梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內(nèi)破碎巖石所賦予的載荷，掩護(hù)梁一般做成整體箱形結(jié)構(gòu)，具有一定強(qiáng)度。由于它處在隔離采空區(qū)的位置，故可以起到良好的擋矸作用。
3．抵抗水平力 觀測表明：綜采面給予支架的外載，不但有垂直于煤層頂板的分力，而且還有沿巖層層面指向采空區(qū)方向（或指向煤壁方向）的分力，這個(gè)水平推力由液壓支架的四連桿機(jī)構(gòu)承受，從而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱彎曲變形。
4．提高支架穩(wěn)定性 鑒于四連桿機(jī)構(gòu)將液壓支架連成一個(gè)重量較大的整體，在支架承載階段，其穩(wěn)定程度較高。
四連桿機(jī)構(gòu)在具有以上諸作用的同時(shí)，也有一些缺點(diǎn)。首先，支架在工作過程當(dāng)中，四連桿機(jī)構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)頂板產(chǎn)生一個(gè)水平力（又稱水平支撐力），因此對(duì)支架的工作性能將產(chǎn)生不良影響。
2.4.2 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求
1.支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時(shí)，如圖2-1所示，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度應(yīng)小于或等于70mm，最好為30mm以下。
2.支架在最高位置時(shí)和最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，如圖2-1所示，應(yīng)滿足如下要求：支架在最高位置時(shí)，≤52°～62°，≤75°～85°；支架在最低位置時(shí)，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護(hù)梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù)=0.3，則=16.7°。為了安全可靠，最低工作位置應(yīng)使≥25°為宜。而角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取≥25°～30°，在特殊情況下需要角度較小時(shí)，可提高后連桿下鉸點(diǎn)的高度。
3.從圖2-1中可知，掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)和瞬時(shí)中心O之間的連線與水平線夾角為。設(shè)計(jì)時(shí)，要使角滿足的范圍，其原因是角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。
4.應(yīng)取頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡雙扭線向前凸的一段為支架工作段，如圖2-1所示的段。其原因?yàn)楫?dāng)頂板來壓時(shí)，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時(shí)底板阻止底座向后移，使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護(hù)力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應(yīng)減小，所以減輕了掩護(hù)梁的外負(fù)荷。
從以上分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)盡量使值減小，取雙扭線向前凸的一段為支架工作段。所以，當(dāng)已知掩護(hù)梁和后連桿的長度后，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)只要把掩護(hù)梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)用作圖法就可以了，如圖2-2。
2.4.2 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的主要方法有：直接求解法、解析法、幾何作圖法等。本設(shè)計(jì)鑒于各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了幾何作圖法的方式來求解。
1.確定掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)至頂梁頂面之距和后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面之距。
一般按同類型支架用類比法來確定。取掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)至頂梁頂面之距為200mm，取后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面之距為240mm。
2.掩護(hù)梁和后連桿長度的確定
用解析法來確定掩護(hù)梁和后連桿的長度。如圖2-3所示
圖2-1 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征圖
圖2-2 掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖2-3 掩護(hù)梁和后連桿計(jì)算圖
其中： Ｇ一掩護(hù)梁長度，
Ａ－后連桿長度，
—點(diǎn)引垂線到后連桿下鉸點(diǎn)之距，
一支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度，
一支架最低位置時(shí)的計(jì)算高度。
從幾何關(guān)系可以列出如下兩式:
(2-6)
(2-7)
(2-6)式和(2-7)式聯(lián)立可得：
（2-8）
說明：
支架計(jì)算高度為支架高度減去掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)至頂梁頂面之距和后連稈下鉸點(diǎn)至底座底面之距。
按四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征要求，選定Pl、P2、Ql、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的比值按以下范圍來取。
掩護(hù)式支架：A/G＝0.45-0.61
支撐掩護(hù)式支架：A/G＝0.61-0.82
支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度為：
（2-9）
根據(jù)A/G的比值和(2-9)式可以求得掩護(hù)梁的長度G和后連桿長度A，經(jīng)過取整后,重新算出P1、P2、Q1、Q2的角度，這幾個(gè)參數(shù)就確定了。
3．幾何作圖法作圖過程
用幾何作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)的各部尺寸，具體作法如圖2-4所示。
圖2-4 四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法
作圖步驟如下，
(1)確定后連桿下鉸點(diǎn)O點(diǎn)的位置，使它大體比底座底面略高200—250mm。
(2)過O點(diǎn)作與底座底面平行的水平線H—H線。
(3)過O點(diǎn)作與H—H線的夾角為Q1的斜線。
(4)在此斜線上截取線段，長度等于A，a點(diǎn)即為后連桿與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)。
(5)過a點(diǎn)與H-H線的平行線有交角的斜線，以a點(diǎn)為圓心，以G為半徑作弧交此斜線一點(diǎn)，此點(diǎn)為掩護(hù)梁與頂梁的鉸點(diǎn)。
(6) 過點(diǎn)作與H-H線的平行的F—F線，則H—H線與F—F線的距商為H，為液壓支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度。
(7)以a點(diǎn)為圓心，以(0.22-0.3)G長度為半徑作弧，在掩護(hù)梁上交一點(diǎn)b，為前連桿上鉸點(diǎn)的位置。
(8)過點(diǎn)作F—F線的垂線(認(rèn)為液壓支架由高到低變化時(shí)，點(diǎn)在此直線上滑動(dòng))。
(9)在垂線上作液壓支架在最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)。
(10)取線中間某一點(diǎn)，為液壓支架降到此高度時(shí)掩護(hù)梁與頂梁的鉸點(diǎn)(液壓支架由高到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為近似雙紐線，中間這一點(diǎn)的位置直接影響頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀、變化寬度等)。
(11)以o點(diǎn)為圓心，半徑作圓弧。
(12)以點(diǎn)為圓心，掩護(hù)梁長半徑作弧，交前圓弧上一點(diǎn)，此點(diǎn)為液壓支架降到中間某一位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。
(13)以點(diǎn)為圓心，掩護(hù)梁長為半徑作弧，交最前面圓弧上一點(diǎn)，此點(diǎn)為支架降到最低位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。
(14)連接、，并以點(diǎn)為圓心，為半徑作弧，交上一點(diǎn)點(diǎn)；以點(diǎn)為圓心，長為半徑作弧，交上一點(diǎn)點(diǎn)。則b、、三點(diǎn)為液壓支架在三個(gè)位置時(shí)，前連桿的上鉸點(diǎn)。
(15)連接、為液壓支架降到中間某一位置和最低位置時(shí)后連桿的位置。
(16)分別作和的垂直平分線，其交點(diǎn)c即為前連桿下鉸點(diǎn)，為前連桿長度。
(17)過c點(diǎn)向H-H線作垂線，交點(diǎn)d,線段、、、、為液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)。
第三章 液壓支架部件設(shè)計(jì)
液壓支架各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)根據(jù)工作面的頂?shù)装鍡l件和支架架型進(jìn)行選擇。結(jié)構(gòu)件的端面尺寸，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，滿足要求才能投入生產(chǎn)使用。
3.1 頂梁
3.1.1 頂梁的主要作用
（1）用于支撐、維護(hù)和覆蓋頂板，為工作面創(chuàng)造安全的工作空間；
（2）將立柱的支撐力傳遞至頂板，并給予合理地分布；對(duì)支架后部接近采空區(qū)的頂板起切頂作用；對(duì)無立柱空間的頂板起支撐作用；
（3）為護(hù)幫、防倒裝置等提供依托；
（4）將頂板載荷通過立柱經(jīng)底座傳到底板。
圖3-1 頂梁的結(jié)構(gòu)型式
1——前梁；2——后梁；3——尾梁；
4——前梁千斤頂；5——前梁伸縮千斤頂
3.1.2 結(jié)構(gòu)型式
H 型組合支架的頂梁在設(shè)計(jì)過程中，參考了支撐式支架頂梁的結(jié)構(gòu)型式。其結(jié)構(gòu)型式如圖3-1所示。
圖3-1 a為整體剛性頂梁，頂梁為一整體，剛性大，承載能力較好。但對(duì)頂板的適應(yīng)性差。圖3-1 b為鉸接式頂梁，由前梁和后梁鉸接而成，分別由前、后排立柱支撐。其中圖3-1 b為全鉸接式，它能適應(yīng)頂梁上方前、后頂板的變化，但當(dāng)頂板出現(xiàn)凹坑時(shí)，頂梁易成人字形，影響支撐效果和切頂性能。半鉸接式頂梁如圖3-1 c所示，它克服了全鉸接式的缺點(diǎn)，當(dāng)頂梁中部頂板出現(xiàn)凸起時(shí)，使前、后梁向上翹；當(dāng)頂板出現(xiàn)凹坑時(shí)，由于交接點(diǎn)下部有平整碰頭阻止，支架頂梁仍保持平整位置。
圖3-1 d為剛性頂梁帶鉸接式前梁，頂梁由前、后梁鉸接。在鉸接前梁2安裝有前梁千斤頂4，用來支撐靠近煤壁處的頂板，同時(shí)還可以使前梁上、下擺角，適應(yīng)頂板起伏變化和增加頂梁前端的支撐能力。
為了使冒落的頂板矸石滑向采空區(qū)，保護(hù)擋矸簾，還可以增加尾梁3，如圖3-1 e所示。
圖3-1 f為帶伸縮前梁的剛性頂梁，伸縮千斤頂5使前梁1伸縮。由于前梁可以及時(shí)伸出支護(hù)剛暴露的頂板，從而允許固定頂梁減少長度。也可以用前梁千斤頂和伸縮千斤頂配合使用，使前梁既可以伸縮，也可以上下擺動(dòng)。
為了使支架結(jié)構(gòu)簡單，而且具有更好的支護(hù)能力。本支架采用圖3-1 f所示的結(jié)構(gòu)。
3.1.3 頂梁結(jié)構(gòu)和斷面形狀
各類頂梁都為箱式結(jié)構(gòu)，一般由鋼板焊接而成。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，在上下蓋板之間焊有加強(qiáng)筋板，構(gòu)成封閉式棋盤型。頂梁前端呈滑撬式或圓弧形，以減少移架阻力。支撐式支架后端焊有掛簾板，作為掛矸簾之用。在頂梁下面焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側(cè)有孔，用鋼絲繩或銷軸把立柱和頂梁連接起來，掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架在頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護(hù)梁上的銷孔相連。
按頂梁的斷面形狀，還可以把頂梁分成如下結(jié)構(gòu)形式：
（1） 閉式頂梁
閉式頂梁為頂梁上、下蓋板與筋板焊接成封閉型，如圖3-2所示。
一種為立筋凸出型，如圖3-2 a所示，增加了焊接強(qiáng)度；另一種為立筋凹下，焊接后使頂梁平整，但焊接強(qiáng)度如前一種，如圖3-2 b 。
（2） 開式頂梁
開式頂梁結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。
圖3-2 頂梁閉式立筋型式
圖3-3 頂梁開式立筋型式
開式頂梁的特點(diǎn)，可減輕頂梁重量，增強(qiáng)頂梁的抗彎強(qiáng)度。
對(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，為便于側(cè)護(hù)板能自由伸縮，要在頂梁頂面上加焊一塊比側(cè)護(hù)板稍厚的鋼板，稱為頂板，如圖3-4中a，同時(shí)也增強(qiáng)了頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
圖3-4 頂梁斷面
本設(shè)計(jì)中的支架頂梁的型式如圖3-5所示。
圖3-5 支架的頂梁
1——護(hù)幫；2——鉸接軸；3——伸縮梁千斤頂； 4——頂梁
3.2 頂梁側(cè)護(hù)板
支架側(cè)護(hù)板裝置一般由側(cè)護(hù)板、彈簧筒、側(cè)推千斤頂、導(dǎo)向桿和連接銷軸等組成。
3.2.1 側(cè)護(hù)板的主要作用
（1）擋矸?？筛纳祈斄号c掩護(hù)梁的護(hù)頂、防矸性能，隔離控頂區(qū)與采空區(qū)、防止冒落矸石竄入工作面，減少冒矸形成的粉塵；
（2）導(dǎo)向。在支架移架時(shí)起導(dǎo)向作用；
（3）防倒、調(diào)架。活動(dòng)側(cè)護(hù)板增強(qiáng)了支架側(cè)向穩(wěn)定性，其上設(shè)置的彈簧與千斤頂都起防倒與調(diào)架作用。
3.2.2 側(cè)護(hù)板的種類與選擇
頂梁和掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板有兩種：
一種是一側(cè)固定另一側(cè)活動(dòng)的側(cè)護(hù)板。由于固定側(cè)護(hù)板與梁體焊接在一起，可節(jié)省原梁體的側(cè)板，既節(jié)省材料又可加固梁體。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)左右工作面來確定左側(cè)或右側(cè)為活動(dòng)側(cè)護(hù)板。一般沿傾斜方向的上方為固定側(cè)護(hù)板，下方為活動(dòng)側(cè)護(hù)板。活動(dòng)側(cè)護(hù)板通過彈簧筒和側(cè)推千斤頂與梁體連接，以保證活動(dòng)側(cè)護(hù)板與鄰架的固定側(cè)護(hù)板靠緊。
另一種是兩側(cè)皆為活動(dòng)側(cè)護(hù)板。這種側(cè)護(hù)板可以適應(yīng)工作面開采方向變化的要求，有利于防倒和調(diào)架。
ZY3500/25/47型液壓支架采用的是第一種形式的側(cè)護(hù)板。
3.3 底座
3.3.1 底座的主要作用
（1）承受由立柱與連桿等傳遞的頂板載荷，并傳遞給底版；
（2）是整個(gè)支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體性的基礎(chǔ)；
（3）為支架輔助件，例如推移裝置、防倒防滑、操縱閥架等提供依托與根基；
（4）有一定的擋矸與排矸能力；
（5）便于人員操作與行走；
（6）與工作面輸送機(jī)等組成交替前移的支撐點(diǎn)，防止支架與輸送機(jī)下滑。
3.3.2 底座的結(jié)構(gòu)型式、特點(diǎn)與選擇
支架底座結(jié)構(gòu)型式通常有三種類型，即整體剛性底座、底分式剛性底座和鉸接分體底座。
此處選擇底分式剛性底座，如圖3-6所示。底分式剛性底座能在一定范圍內(nèi)適應(yīng)底板不平度的變化，通常把底座制成左右對(duì)分式，用過橋連接。
圖3-8 底分式剛性底座
1—過橋；2—柱窩；3—前連桿位置；4—后連桿位置
3.4推移裝置
液壓支架推移裝置是保證支架正常推溜和拉架，實(shí)現(xiàn)工作面正常循環(huán)作業(yè)的重要裝置。
在設(shè)計(jì)支架時(shí)，應(yīng)根據(jù)支架結(jié)構(gòu)和配套要求合理選擇推移裝置的形式，并充分保證支架推移裝置對(duì)工作面條件和配套的適應(yīng)性。
推移裝置的型式如表3-1所示
表3-1 推移裝置千斤頂?shù)男褪?
型 式
特 點(diǎn)
適用條件
普通式
普通活塞式雙作用千斤頂可為外供液式，也可為內(nèi)供液式
1、目前已很少直接用作推移裝置，而多與反拉框架一起使用，應(yīng)用較廣
2、外供液式結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛
差動(dòng)式
千斤頂結(jié)構(gòu)仍為普通型式，利用交替閥的油路系統(tǒng)，使其減小托輸送機(jī)力
用于直接拉架的方式，目前應(yīng)用較少
浮動(dòng)活塞式
千斤頂活塞可在活塞桿上滑動(dòng)，使環(huán)腔供液時(shí)拉力與普通千斤頂相同；但在活塞腔供液時(shí)，使壓力的作用面積僅為活塞桿斷面積，從而減小了推輸送力
1、 廣泛用于直接拉架方式，與短推桿等導(dǎo)向件一起使用
2、 動(dòng)作時(shí)間有一定滯后，但一般不影響使用
推移裝置一般由推移千斤頂、推桿或框架等導(dǎo)向傳力桿件以及連接頭等部件組成，其功能、連接型式見表3-2。
表3-2 推移裝置的功能與主要連接型式
功 能
1、 將輸送機(jī)推向煤壁，保證作業(yè)循環(huán)
2、 將液壓支架拉向煤壁方向，及時(shí)支護(hù)頂板
3、 框架或推桿與底座導(dǎo)向通道共同作為支架、輸送機(jī)移動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向，起一定的防滑作用
連接型式
1、 直接連接
一端固定在支架底座（一般位于支架縱軸線上），另一端固定在輸送機(jī)或輸送機(jī)底托架上。此時(shí)移架和推輸送機(jī)都用一個(gè)推移千斤頂
2、 移步橫梁間接連接
在推移裝置與輸送機(jī)之間加一個(gè)移步橫梁、千斤頂僅與移步橫梁連接。這種方式減少了支架與輸送機(jī)之間的約束和影響、比較機(jī)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜
3、 相鄰支架或支架節(jié)連接
這種方式一般用于節(jié)式或各種類型的組合邁步支架。移架千斤頂位于主副架之間，多數(shù)分別與兩者的底座相連，稱為下移架機(jī)構(gòu)。少數(shù)為頂梁之間相連，稱為上移架機(jī)構(gòu)。移架與推溜各用不同的千斤頂。推輸送機(jī)千斤頂兩端分別同支架與輸送機(jī)相連，但數(shù)量可以減少，如5~6m布置一個(gè)
推移桿的常用形式有正拉式短推移桿和倒拉式長推移桿兩種。短推移桿式推移裝置一般采用浮動(dòng)活塞式千斤頂或采用雙作用千斤頂差動(dòng)連接。這種推移裝置結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊。
ZY3500/25/47型液壓支架所采用的推移裝置為：浮動(dòng)活塞式千斤頂加短推桿；連接方式為：直接連接。這里采用的短推移桿，如圖3-7所示，結(jié)構(gòu)簡單可靠，重量輕，被廣泛采用。
支架推輸送機(jī)的力應(yīng)不大于輸送機(jī)的設(shè)計(jì)推力，拉架力一般應(yīng)為支架重量的2-5～3倍。支架移架速度應(yīng)與采煤機(jī)截割牽引速度相適應(yīng)。
圖3-9 短推移桿
1—連接頭；2—短推桿；3—推移千斤頂
3.5立柱的設(shè)計(jì)
本支架主要對(duì)立柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的說明，其余的千斤頂如推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、前梁千斤頂?shù)榷疾捎孟嚓P(guān)手冊(cè)上的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)和尺寸，故不再詳細(xì)敘述。
立柱是支架的承壓構(gòu)件，它長期處于高壓受力狀態(tài)，它除應(yīng)具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，還必須有足夠的抗壓、抗彎強(qiáng)度，良好的密封性能，結(jié)構(gòu)要簡單，并能適應(yīng)支架的工作要求。
3.5.1 立柱的類型
立柱的種類很多，按不同的分類方法有不同的類型。詳細(xì)分類見表3-3。
表3-3 立柱的分類
分類方法
類型
按動(dòng)作方式分
單作用和雙作用
按結(jié)構(gòu)種類分
活塞式和活柱式
按伸縮方式分
單伸縮和雙伸縮
3.5.2 立柱的結(jié)構(gòu)
立柱的結(jié)構(gòu)由缸體、活塞、缸口和活塞桿等組成。
缸體是立柱的承壓部件。一般用27SiMn無縫鋼管制成。缸體內(nèi)表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。
活塞是立柱的關(guān)鍵元件，對(duì)它的主要要求是保證密封性能良好，運(yùn)動(dòng)表面能承受外力的沖擊。
活塞可以套在活柱上，或直接焊接在活柱上。用鋼制作活塞時(shí)，可在活塞上安裝導(dǎo)向環(huán)與缸體內(nèi)徑配合。導(dǎo)向環(huán)多用塑料制品，也有用銅合金制成。在不承受橫向力或橫向力很小的情況下，可以用保護(hù)密封圈的尼龍擋圈兼做導(dǎo)向環(huán)。
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。鼓型密封圈是兩個(gè)夾布U型橡膠圈壓制而成的整體實(shí)心密封圈，它和兩個(gè)L型防擠圈一起使用，適用于工作壓力19.6～58.8MPa，在壓力小于24.5MPa時(shí)，可以不加擋圈。它可用于各種活塞上的雙向密封。
蕾型密封圈是一個(gè)U型夾布橡膠圈和唇內(nèi)夾橡膠壓制而成的單向?qū)嵭拿芊馊?。它適用于裝入各種液壓活塞頭和導(dǎo)向套上，為單向密封。工作壓力小于58.8MPa時(shí)，可以不加擋圈。
以上兩種密封圈的使用，簡化了活塞結(jié)構(gòu)，裝配方便，但密封圈本身加工較復(fù)雜。
活塞的軸向固定方式由三種：用螺帽加防松螺釘固定；用壓盤和螺釘固定；用半圓環(huán)加彈性擋圈固定。
活柱和活塞桿是立柱傳遞機(jī)械力的重要零件，它要能承受壓力和彎曲等載荷作用，必須耐磨和耐腐蝕，可用27SiMn或45號(hào)鋼制成。為防止在礦井條件下表面生銹和腐蝕，表面要鍍鉻，并要注意保護(hù)，防止外部硬傷。
缸口用鋼絲擋圈固定，是在導(dǎo)向套外側(cè)裝有鋼絲擋圈，內(nèi)側(cè)裝有密封圈和防塵圈。這種結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，但要求活塞桿外徑與缸體內(nèi)徑之間有比較大的空間，這種固定方式使用較多。
固定鋼絲和鋼絲擋圈的連接方式，不能耐高壓。當(dāng)密封液體壓力較高時(shí)，可采用半圓環(huán)結(jié)構(gòu)連接方式。
圖3-10 雙伸縮活塞式立柱結(jié)構(gòu)
1—底座；2—進(jìn)出油口；3—缸體；
4—二級(jí)缸；5—活柱； 6—密封件；7—活塞
3.5.3 立柱的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
1、 確定立柱的技術(shù)參數(shù)
立柱的缸體內(nèi)徑按下式進(jìn)行計(jì)算：
（3-1）
圓整為：
式中 ——立柱缸體內(nèi)徑，cm
——立柱理論支護(hù)阻力，kN
——安全閥調(diào)定壓力，
2、 立柱初撐力與泵站的額定工作壓力
立柱初撐力按下式進(jìn)行計(jì)算：
（3-2）
式中 ——泵站的額定工作壓力 []減去從泵站到支架沿程壓力損失后的值，（泵站額定工作壓力即泵站產(chǎn)品目錄中給定的值。）這里取。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的型乳化液泵站的額定工作壓力為和兩種，這里按照液壓支柱選取作為泵站額定工作壓力。
因此，
3、 安全閥與立柱工作阻力的確定
安全閥的調(diào)整壓力，按選定后的立柱缸體內(nèi)徑和支架承受的理論支護(hù)阻力來確定。即：
（3-3）
選取與值相近的安全閥，這里選40。
4、 立柱缸體壁厚的確定
缸體材料選用27SiMn無縫鋼管，其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度。取抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，則
（3-4）
式中 ——許用應(yīng)力，
——安全系數(shù)，取 =3
（1）缸筒壁厚：
當(dāng)時(shí)，可用下面的實(shí)用公式計(jì)算：
（3-5）
式中 ——最大工作壓力，
——材料的許用應(yīng)力，
D——缸體內(nèi)徑，mm
——缸筒壁厚，mm
取壁厚為，則缸筒外徑為。
（2）缸筒壁厚應(yīng)作四個(gè)方面的驗(yàn)算：
1、額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全
（3-6）
2、同時(shí)額定工作壓力也應(yīng)與安全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑性變形的發(fā)生
（3-7）
式中 ——缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力，
（3-8）
因此，
3、缸筒的爆裂壓力
（3-9）
4、驗(yàn)算缸筒徑向變形應(yīng)處在允許的范圍內(nèi)
（3-10）
式中 ——缸筒材料泊松比，鋼材取
——缸筒材料彈性模數(shù)，鋼材取
變形量不應(yīng)超過密封圈允許范圍。
為了加強(qiáng)兩端耳部聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中加大了千斤頂缸底耳座和活塞桿端銷孔直徑，以及缸底耳座和活塞桿頭部銷孔處的厚度及寬度，增加聯(lián)結(jié)部位的強(qiáng)度。
3.5.4 活塞桿及強(qiáng)度校核
1、活塞桿采用45號(hào)鋼空心桿，端部接球頭端蓋，活塞桿外徑，其抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度。取抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，活塞桿的安全系數(shù)取1.5，
則空心直徑為：
（3-11）
式中 ——活塞桿直徑，m
——缸的推力，N
——材料的許用應(yīng)力，
則壁厚為：
此處取活塞桿壁厚為。
則活塞桿內(nèi)部空心直徑。
2、活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算
活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似地用直桿承受拉壓載荷的簡單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
（3-12）
式中 ——活塞桿的作用力，N；
——活塞桿外徑，m；
——活塞桿內(nèi)徑，m；
——材料的許用應(yīng)力，MPa；
——安全系數(shù)，即可，此處取；
把數(shù)據(jù)代入式（3-12）得：
如果液壓缸工作時(shí)，活塞桿所承受的彎曲應(yīng)力矩不可忽略時(shí)（如偏心載荷等），則可以按下式計(jì)算活塞桿的應(yīng)力：
（3-13）
式中 ——活塞桿斷面積，；
——活塞桿斷面模數(shù)，；
——活塞所承受的彎曲力矩，，如果活塞桿僅受軸向偏心載荷時(shí)，則，式中為作用線至活塞桿軸心線最大撓度處的垂直距離mm。
這里求得：
則代入式（3-13）得：
3、活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算
當(dāng)液壓缸支撐長度時(shí)，需驗(yàn)算活塞桿彎曲穩(wěn)定性。
（1） 若受力完全在軸線上，主要按下式驗(yàn)證：
（3-14）
（3-15）
式中 ——活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力，；
——安全系數(shù)，活塞桿即可，此處??；
——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，兩端鉸接；
——實(shí)際彈性模數(shù)；
——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般??；
——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般?。?
——材料的彈性模數(shù)，鋼材??；
——活塞桿橫截面慣性矩，；
——活塞桿截面面積，；
——受力偏心量，；
——活塞桿材料屈服極限，。
式中
圓環(huán)截面：
又
代入式（3-15）得：
則由式（3-14）得：
（2）若受力偏心時(shí)，當(dāng)推力與支承的反作用力不完全處在軸線上，可用下式驗(yàn)證：
（3-16）
式中 ，一端固定，一端球鉸接
（3-17）
把以上值代入上式（3-17）可求得
則
由式（3-16）和式（3-14）求得：
活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸的有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。外側(cè)裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時(shí)把雜質(zhì)、灰塵及水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。
3.6 擬訂液壓系統(tǒng)
支架的液壓系統(tǒng)一般分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩類。
手動(dòng)控制系統(tǒng)要求操作者沿工作面跟隨采煤機(jī)依次操作支架。目前國產(chǎn)支架絕大部分都是這種控制系統(tǒng)。這種支架可以本架操作，也可以鄰架操作。本架操作比較簡單，管路較少，但不利于操作者觀察頂板和支架的動(dòng)作情況。鄰架操作便于操作者觀察頂板和支架的動(dòng)作情況，可提高移架速度和安全性。
本支架操作方式采用本架操作控制，使用快速接頭拆裝方便，性能可靠。ZY3500/25/47型液壓支架的液壓系統(tǒng)的基本原理如圖3-11所示，從泵站來的高壓液體，經(jīng)過工作面上的主供液管送往各支架。各支架再經(jīng)操縱閥把液體送往支架的各立柱和千斤頂，以控制支架的升降推移等動(dòng)作?；匾簳r(shí)，各立柱和千斤頂?shù)蛪呵坏囊后w通過操縱閥和工作面總回液管返回泵站。
圖3-11 液壓系統(tǒng)的基本原理圖
1— 立柱；2—推移千斤頂；3—護(hù)幫千斤頂；
4—伸縮梁千斤頂；5—平衡千斤頂；6—側(cè)護(hù)千斤頂；
7—抬底千斤頂；8—操縱閥；9—安全閥；10—單向閥
該支架液壓系統(tǒng)所使用的乳化液，是由乳化油和水配制而成的，乳化油的配比濃度為5％，使用乳化液應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1、定期檢查濃度。濃度過高增加成本，濃度太低，可能造成液壓元件銹蝕，影響液壓元件的密封和使用壽命
2、防止污染。定期清理乳化液箱和支架過濾器
3、防凍。乳化液的凝固點(diǎn)為零下三度左右，與水一樣也具有凍結(jié)膨脹性，乳化液受凍后，不但體積膨脹，穩(wěn)定性也受影響，乳化液地面配制和冬季運(yùn)輸時(shí)要注意防凍。
3.7 液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)
液壓支架主要技術(shù)參數(shù)如表3-4：
表3-4 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)表
設(shè)備（部件）
名稱
項(xiàng)目
單位
技術(shù)參數(shù)
支架整體性能
支架高度
m
2-5～4.7
支架寬度
m
1.4~1.6
支架中心距
m
1.5
支護(hù)強(qiáng)度
kN/㎡
680
對(duì)底板比壓
MPa
1.8
初撐力
kN
2604
工作阻力
3430
操作方法
本架操作
泵站壓力
MPa
34
立柱
型式
雙伸縮
根數(shù)
根
2
缸徑
mm
230/180
柱徑
mm
210/160
初撐力
kN
1302
工作阻力（）
kN
1715
行程
mm
2175
推移千斤頂
型式
浮動(dòng)活塞式
根數(shù)
根
1
缸徑
mm
140
柱徑
mm
70
推力/拉力
kN
1200/361
行程
mm
700
側(cè)推千斤頂
型式
雙作用單伸縮
根數(shù)
根
4
缸徑
mm
63
桿徑
mm
40
推力/拉力
kN
98/58
行程
mm
170
平衡千斤頂
型式
雙作用單伸縮
根數(shù)
根
2
缸徑
mm
140
桿徑
mm
85
推力/拉力
kN
483/367
行程
mm
350
前梁千斤頂
型式
雙作用單伸縮
根數(shù)
根
1
缸徑
mm
160
桿徑
mm
130
初撐力
kN
175
工作阻力（P=40MP）
214
行程
mm
210
伸縮梁千斤頂
型式
雙作用單伸縮
根數(shù)
根
2
缸徑
mm
80
桿徑
mm
45
初撐力
kN
107
工作阻力（P=40MP）
158
行程
mm
600
配套設(shè)備
采煤機(jī)
MXA-300/4.5型
刮板輸送機(jī)
SGB730/320
第四章 液壓支架的受力分析
在過去的半個(gè)多世紀(jì)鐘，煤礦井下開采支護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用發(fā)生了巨大的變化。其中，最引人注目的是世界范圍內(nèi)廣泛采用液壓支架作為長壁開采支護(hù)的主設(shè)備。從采煤設(shè)備的發(fā)展過程來看，采用液壓支架管理頂板是當(dāng)代采煤技術(shù)史上的一次重要的變革，也是煤礦現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備之一，其重量的約占綜合采煤設(shè)備總重量的80%-90%，其費(fèi)用約占綜合采煤設(shè)備總費(fèi)用的60%-70%。因此，為了降低成本，提高采煤的經(jīng)濟(jì)效益，世界各產(chǎn)煤大國都一直在積極地開展液壓支架的研究。在研究的過程中，支架的良好的受力狀況是每位設(shè)計(jì)人員必須考慮的。位于直接上方的老頂通常不與直接頂一起冒落。當(dāng)直接頂在支架頂梁之后冒落時(shí)，老頂呈懸臂狀態(tài)。由老頂形成的懸臂梁的一端支撐在直接頂跨落后的碎矸上，另一端則支撐在支架和煤壁上方的直接頂上，并形成載荷Q2。隨著煤壁的推進(jìn)，老頂懸露長度變短，Q2在增加。當(dāng)老頂懸露部分達(dá)到一定長度，起自重使其斷裂，于是老頂懸露長度變短，Q2立刻降到最小值，在采煤工作面連續(xù)開采過程中，工作面不斷前移，Q2由小到大，再由大到小，這樣周而復(fù)始的變化。Q2每次遞增直至老頂斷裂，稱為老頂周期來壓。液壓支架的結(jié)構(gòu)和支架液壓系統(tǒng)必須保證液壓支架具有完全適應(yīng)頂板變化的性能。采煤機(jī)采過一個(gè)截深之后，支架前移一個(gè)步距，支護(hù)新暴露出來的頂板。此時(shí)，頂板尚無下沉現(xiàn)象，支架以“初撐力”支撐頂板。此后，頂板開始破碎和下沉或斷裂，支架承載加大，直至立柱下腔壓力達(dá)到安全閥調(diào)整定值，安全閥釋放，立柱下縮。稱此現(xiàn)象為液壓支架的“讓壓”現(xiàn)象。這時(shí)立柱以“工作阻力”支護(hù)頂板。隨著頂板壓力不斷加大，立柱就要不斷“讓壓”下縮。為避免立柱完全縮回，支架出現(xiàn)“壓死”現(xiàn)象，采煤工作面的生產(chǎn)循環(huán)應(yīng)保證在“壓死”前就前移。
由上述液壓支架的工作狀態(tài)可知，支架承受的外載荷是頂板下沉形成的。在頂板下沉過程中，支架的頂梁與頂板有相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，支架不僅受有垂直與頂梁的力，還受有平行于頂梁的摩擦力。設(shè)垂直于頂梁的力為F1，F(xiàn)1由支架的工作阻力來平衡。在支架承載過程中，支架