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中國礦業(yè)大學2007屆本科生畢業(yè)設計 第 76 頁
1 緒論
1.1 液壓支架的用途
在采煤工作面的煤炭生產過程中，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作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是一高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能實現支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。實踐表明液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產量、提高勞動生產率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術上先進、經濟上合理、安全上可靠，是實現采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備。
1.2液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過程中，必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的幾個液壓缸來完成的。如圖1—1所示
1．升柱
當需要支架上升支護頂板時，高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回來，推動活塞上升，使與活塞桿想連接的頂梁緊緊接觸頂板。
2．降柱
當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。
3．支架和輸送機前移
支架和輸送機的前移，都是由于底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂的活塞桿腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當需要輸送機時，支架支撐頂板后，高壓液體進入推移千斤頂活塞腔，另一腔回液，以支架為支點，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。
圖1-1 液壓支架工作原理圖
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；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管
1.3 設計事項
1.3.1 設計目的
采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產量、提高經濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需求，必須大量生產綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需求量是很大的。
由于不同采煤工作面的頂板條件、煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質等的不同，對液壓支架的要求也不同。為了有效地支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸液壓支架。因此，液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也是大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
1.3.2 對液壓支架的基本要求
1．為了滿足采煤工藝及地質條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效的控制頂板，保證合理的下沉量。
2．液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為100kN左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100kN～150kN，中厚煤層一般為150kN至250kN，厚煤層一般為300kN～400kN。
3．防矸性能要好。
4．排矸性能要好。
5．要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
6．為了操作和生產的需要，要有足夠寬的人行道。
7．調高范圍要大，照明和通訊方便。
8．支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。
9．要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定的不均勻載荷。
10．在滿足強度條件下，盡可能減輕支架的重量。
11．要易于拆卸，結構簡單。
12．液壓元件要可靠。
1.3.3 設計液壓支架必需的基本參數
1．頂板條件
根據老頂和直接頂的分類，對支架進行選型。
2．最大和最小采高
根據最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。
3．瓦斯等級
根據瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風斷面。
4．底板巖性和小時涌水量
根據底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
5．工作面煤壁條件
根據工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
6．煤層傾角
根據煤層傾角，決定是夠選用防滑防倒裝置。
7．井筒罐籠尺寸
根據井筒罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。
8．配套尺寸
根據配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度。
1.4 液壓支架的分類
液壓支架按結構形式劃分，可分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三類。
1．支撐式支架支撐式支架利用立柱與頂梁直接支撐和控制工作面的頂板。其特點是：立柱多，支撐力大，切頂性能好；頂梁長，通風斷面大，適用于中等穩(wěn)定以上的頂板。
支撐式支架有垛式和節(jié)式之分。
（1）節(jié)式
節(jié)式支架由2～4個框架組成，用導向機構互相聯系，交替前進，
（2）垛式
整個支架為一整體結構，整體移動，通常有4～6根立柱，可以支撐堅硬與極堅硬的頂板。
2．掩護式支架
掩護式支架利用立柱、短頂梁支撐頂板，利用掩護梁來防止巖石落入工作面。其特點是：立柱少，切頂能力弱；頂梁短，控頂距??；由前后連桿和底座鉸接構成的四連桿機構使抗水平力的能力增強，立柱不受橫向力；而且使板前端的運動軌跡為近似平行于煤壁的雙紐線，梁端距變化?。患荛g通過側護板密封，掩護性能好；調高范圍大，適用于松散破碎的不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的頂板。
3．支撐掩護式支架
支撐掩護式支架具有支撐式的頂梁和掩護式的掩護梁，它兼有切頂性能和防護作用，適于壓力較大、易于冒落的中等穩(wěn)定或穩(wěn)定的頂板。
根據使用條件，支撐掩護式支架的前、后排立柱可前傾或后傾，傾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架適用于薄煤層。
1.5 液壓支架的組成
液壓支架由以下六個主要部分組成：
1． 頂梁
2． 立柱
3． 掩護梁和擋矸簾
4． 底座
5． 推移機構
6． 操縱控制系統
1.6 液壓支架的主要結構件及其用途
1.6.1 頂梁
用途：
1．用于支撐維護控頂區(qū)的頂板。
2．承受頂板的壓力。
3．將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經底座傳到底板。
1.6.2 底座
用途：
1．為支架的其他結構件和工作機構提供安設的基礎。
2．與前后連桿和掩護梁一起組成四連桿機構。
3．將立柱和前后連桿傳遞的頂板壓力傳遞給底板。
1.6.3 掩護梁
用途：
1．掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座。
2．掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩。
3．掩護梁和頂梁（包括活動側護板）一起 ，構成了支架完善的支撐和掩護體，完善了支架的掩護和擋矸能力。
1.6.4 活動側護板
用途：
1．與鄰架的頂梁、掩護梁和后連桿的固定側護板相貼，構成了指甲的擋矸屏障。
2．支架移架時起導向作用。
3．利用側推千斤頂可調整支架的橫向位置或防倒扶正支架。
1.6.5 連桿
前后連桿是四連桿機構中重要的運動和承載部件，與掩護梁和底座的一部分共同組成四連桿機構，使支架能承受圍巖載荷、水平作用力和保持穩(wěn)定。
1.7 液壓支架的液壓系統
液壓支架由不同數量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實現升柱、降柱、移架、推溜等動作。雖然支架的液壓缸（立柱和千斤頂）種類、數量很多，但其液壓系統都是采用多執(zhí)行元件的并聯系統。
1.7.1 液壓支架傳動系統的基本要求
對于液壓支架的傳動裝置，應具有以下基本要求：采用結構比較簡單，設備外形尺寸小，能遠距離的傳送大的能量；能承受較大載荷；沒有復雜的傳動機構；在爆炸危險和含塵的空氣里保證安全工作；動作迅速；操作調節(jié)簡單；過載及損壞保護簡單。
容積式液壓傳動可最大限度的滿足這些要求，因此，所有液壓支架均采用這種傳動。
1.7.2 液壓支架的液壓傳動特點
液壓支架的液壓傳動，與其他機械的容積式液壓傳動有很大的區(qū)別，其特點如下：
工作液的壓力高（管路內的壓力達20～40MPa，立柱內的壓力達30～70MPa），流量大（30～150l/min）；
在液壓系統中，采用粘度低和容量大的液體為工作介質；
液壓缸、操縱閥，其他調節(jié)和控制裝置等總的數量大（高壓泵1～6臺，液壓缸300～1500個，安全閥150～300個，還有同樣數量的液控單向閥）；
很長的液壓管路（200～300m剛性管，500～3000m高壓軟管）;
泵——液壓缸傳動系統的換算彈性模數較低；
根據支架的數目改變液流的參數；
所有支架在結構上都有著相同的液壓缸、液壓裝置以及他們之間都有相同的連接方式（相同的液壓系統）；
每節(jié)支架都重復著相同的工序，這些工序的總和構成液壓支架的基本工序；
為了保證系統具有較高的容積效率，實現無故障作業(yè)以及工作人員的安全，液壓系統的元件和部件要有好的密封性和可靠性。
這些基本特點決定了液壓傳動元件以及整個系統在結構上的特點，即：
液壓支架是以單節(jié)支架為單元的，這就決定了液壓系統的構成，即工作面支架和端頭支架的液壓系統成為液壓支架的基本組成部分。此外，可以把泵站、中心控制臺和支架的液壓管路等部分作為支架的公用液壓系統。其中每個部分都具有其獨立的功能，在改善液壓傳動或者制定新的方案時，一般都可以單獨的加以研究。
1.8 液壓支架的選型
液壓支架的選型原則：
液壓支架的選型，其根本目的是使綜采設備適應礦井和工作面條件，投產后能做到高產，高效、安全，并為礦井的集中生產、優(yōu)化管理和最佳經濟效益提供條件，因此必須根據礦井的煤層、地質、技術和設備條進行選擇。
1． 液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。
2． 當煤層厚度超過1.5m，頂板有側向推力或水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。
3． 當煤層厚度達到2.5～2.8m以上時，需要選擇有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。煤層厚度變化大時，應選擇調高范圍較大的掩護式或雙伸縮立柱的支架。
4． 應使支架對底板的比壓不超過底板允許的抗壓強度。在底板較軟條件下，應選用有抬底裝置的支架或插腿掩護式支架。
5． 煤層傾角＜10°時，支架可不設防倒防滑裝置；15°～25°時，排頭支架應設防滑裝置，工作面中部輸送機設防滑裝置；＞25°時，排頭支架應設防倒防滑裝置，工作面中部支架設底調千斤頂，工作面中部輸送機設防滑裝置。
6． 對瓦斯涌出量大的工作面，應符合保安規(guī)程的要求，并優(yōu)先選用通風斷面大的支撐式或支撐掩護式支架。
7． 當煤層為軟煤時，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤時，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤時，支架最大采高＜5m。
8． 在同時允許選用幾種架型時，應優(yōu)先選用價格便宜的支架。
9． 斷層十分發(fā)育，煤層變化大，頂板的允許暴露面積在5～8m2，時間在20min以上時，暫不宜采用綜采。
2 液壓支架的結構設計
2.1 液壓支架的主要尺寸的確定
2.1.1 支架高度和伸縮比
由題目已知:
支架的最大高度
Hm=5m
支架最小高度
Hn=2.5m
支架伸縮比
2.1.2 支架間距
支架間距就是指相鄰支架中心線間的距離，按下式計算
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
—每架所包含的組架或框架數
取=1650mm，=150mm,=2則
=1650+150×2=1950mm
2.1.3 底座長度
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)定支架的作用。在設計支架底座的長度時，應考慮如下方面：支架對底板的接觸比壓要??；支架內部應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。
因此，取底座長度為2700 mm。如圖：
圖2-1 底座示意圖
2.1.4 頂梁長度的確定
支架在工作面的相對位置關系如圖2-2所示。
圖2-2 整體示意圖
掩護式支架頂梁長度計算
頂梁長度=[配套尺寸+底座長度+ ]-[+300+]+掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之距（mm） (2-1)
式中
配套尺寸—參考原煤炭部煤炭科學研究院編制的綜采設備配套圖冊確定；
底座長度—底座前端至后連桿下鉸點之距
e —支架由高到低頂梁前端點最大變化距離；
、—支架在最高位置時，分別為后連桿和掩護梁與水平面的夾角。
經計算得頂梁長度為4390mm。
2.1.5 立柱布置
本支架采用雙伸縮立柱。
國內掩護式支架立柱數常用為2根。故選立柱數目為2。
2.1.6 通風斷面的計算
采煤工作面的過風量有一定要求。在過風量一定時，采煤工作面的通風斷面積不應過小。但在工作面中安裝液壓支架后，通風斷面積明顯減小。因此必須驗算通風斷面積。一般按工作面允許風速進行驗算。根據保安規(guī)程規(guī)定，工作面風速應小于5m/s。
采煤工作面風速計算按下式進行。
m/s
式中 —工作面風速（m/s）
—支架在采煤工作面的通風斷面積（m2）
—采煤工作面所需風量（m3/min）
(m3/min)
—通風不均系數，一般取=1.5
—保安規(guī)程允許的朝氣含量，一般取=1%
—日產量（T）
—一分鐘產生一噸煤沼氣涌出量，一般取=14(m3/min)
計算：=3.2m2, =400Th
則有: (m3/min)
（m3/min）
(m/s)
＜5m/s，合乎安全規(guī)程規(guī)定。
2.2 各部件結構選擇
液壓支架各個部件的結構形式與工作面的頂底板條件和支架結構形式有關，選擇時根據支架的結構和工作面頂底板條件，對各個部件的結構進行分析，最后擇優(yōu)選擇。
2.2.1 頂梁
頂梁是與頂板直接接觸的構件，除滿足一定的剛度和強度要求外，還要保證支護頂板的需要，如：有足夠的頂板覆蓋率；同時要求適應頂板的不平衡性，避免因局部應力而引起損壞。
圖2-3 頂梁的結構型式
1——護幫；2——后梁；3——尾梁；
4——護幫千斤頂；5——前梁伸縮千斤頂
本支架采用剛性頂梁帶鉸接式護幫，如上圖2-3e所示，頂梁由前、后梁鉸接。在鉸接護幫安裝有護幫千斤頂4，用來支撐靠近煤壁處的頂板，同時還可以使護幫上、下擺角，適應頂板起伏變化和增加頂梁前端的支撐能力。
各類頂梁都為箱式結構，一般有鋼板焊接而成。為加強結構的剛度，在上下蓋板之間焊有加強筋板，構成封閉式棋盤形。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，作為掛擋矸簾之用。在頂梁下焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側有孔，用鋼絲繩或銷軸把立柱和頂梁連接起來。
頂梁端面形狀和頂梁如2-4、2-5示
圖2-4 頂梁斷面
圖2-5 頂梁外形
2.2.2 底座
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。因此，底座除了滿足一定的剛度和強度外，還要求對底板起伏不平的適應性要強，對底板接觸比壓小，要有足夠的空間能安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置，要便于人員行走；能起一定的擋矸排矸作用；要有一定的重量，以保證支架的穩(wěn)定性。
ZY8600支架底座結構選用底分式剛性底座，如圖2-6。
底座前端制成滑撬形，以減小支架的移架阻力。同時底座后部重量大于前部，避免移架時啃底。
底座與立柱之間連接處用鑄鋼球面柱窩接觸，以避免因立柱偏斜受偏載，并用限位板和銷軸限位，防止立柱脫出柱窩。在整體式底座后部中間去掉一塊鋼板，減少底座后部與底板的接觸面積，增加底座后部的比壓，同時有利于排矸。
圖2-6 底分式底座
2.2.3 立柱
立柱是支架的承壓構件，它長期處于高壓受力狀態(tài)，它除應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、抗彎強度，良好的密封性能，結構要簡單，并能適應支架的工作要求。
立柱的結構由缸體、活塞、缸口和活塞桿等組成。如2-7圖示
圖2-7 立柱結構
缸體是立柱的承壓部件。一般用27SiMn無縫鋼管制成。缸體內表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。
活塞是立柱的關鍵元件，對它的主要要求是保證密封性能良好，運動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，可在活塞上安裝導向環(huán)與缸體內徑配合。導向環(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，可以用保護密封圈的尼龍擋圈兼做導向環(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。鼓型密封圈是兩個夾布U型橡膠圈壓制而成的整體實心密封圈，它和兩個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，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U型夾布橡膠圈和唇內夾橡膠壓制而成的單向實心密封圈。它適用于裝入各種液壓活塞頭和導向套上，為單向密封。工作壓力小于58.8MPa時，可以不加擋圈。
以上兩種密封圈的使用，簡化了活塞結構，裝配方便，但密封圈本身加工較復雜。
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，防止外部硬傷。
缸口用鋼絲擋圈固定，是在導向套外側裝有鋼絲擋圈，內側裝有密封圈和防塵圈。這種結構簡單，裝卸方便，但要求活塞桿外徑與缸體內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。當密封液體壓力較高時，可采用半圓環(huán)結構連接方式。
2.2.4 推移裝置
液壓支架推移裝置是保證支架正常推溜和拉架，實現工作面正常循環(huán)作業(yè)的重要裝置。
在設計支架時，應根據支架結構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工作面條件和配套的適應性。
推移裝置的型式如表3-1所示
表3-1 推移裝置千斤頂的型式
型 式
特 點
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，應用較廣
2、外供液式結構簡單，應用廣泛
差動式
千斤頂結構仍為普通型式，利用交替閥的油路系統，使其減小托輸送機力
用于直接拉架的方式，目前應用較少
浮動活塞式
千斤頂活塞可在活塞桿上滑動，使環(huán)腔供液時拉力與普通千斤頂相同；但在活塞腔供液時，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，與短推桿等導向件一起使用
2、 動作時間有一定滯后，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，及時支護頂板
3、 框架或推桿與底座導向通道共同作為支架、輸送機移動時的導向，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或輸送機底托架上。此時移架和推輸送機都用一個推移千斤頂
2、 移步橫梁間接連接
在推移裝置與輸送機之間加一個移步橫梁、千斤頂僅與移步橫梁連接。這種方式減少了支架與輸送機之間的約束和影響、比較機動，但結構復雜
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，多數分別與兩者的底座相連，稱為下移架機構。少數為頂梁之間相連，稱為上移架機構。移架與推溜各用不同的千斤頂。推輸送機千斤頂兩端分別同支架與輸送機相連，但數量可以減少，如5~6m布置一個
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。
ZY8600型液壓支架所采用的推移裝置為：倒拉式長推移桿。如圖3-7所示，結構簡單可靠，重量輕，被廣泛采用。
支架推輸送機的力應不大于輸送機的設計推力，拉架力一般應為支架重量的2-5～3倍。支架移架速度應與采煤機截割牽引速度相適應。
圖2-8 短推移桿
2.2.5 護幫千斤頂
護幫千斤頂的缸體用圓柱銷固定在護幫下端的耳座上，活塞桿與主梁與主梁相連接。護幫千斤頂的活塞腔液路上，裝有液控單向閥和安全閥，以保證護幫的初撐力和工作阻力。
圖2-9 護幫千斤頂
2.3 四連桿結構
2.3.1 四連桿機構的作用
1．梁端護頂 鑒于四連桿機構可使托梁鉸接點呈雙紐線運動，故可選定雙紐線的近似直線部分作為托梁鉸接點適應采高的變化范圍。這樣可使托梁鉸接點運動時與煤壁接近于保持等距，當梁端距處于允許值范圍之內時，借此可以保證梁端頂板維護良好。
2．擋矸 鑒于組成四連桿機構的掩護梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內破碎巖石所賦予的載荷，掩護梁一般做成整體箱形結構，具有一定強度。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，這個水平推力由液壓支架的四連桿機構承受，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 鑒于四連桿機構將液壓支架連成一個重量較大的整體，在支架承載階段，其穩(wěn)定程度較高。
四連桿機構在具有以上諸作用的同時，也有一些缺點。首先，支架在工作過程當中，四連桿機構必須承受很大的內力，從而導致支架結構尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機構對頂板產生一個水平力（又稱水平支撐力），因此對支架的工作性能將產生不良影響。
2.3.2 四連桿機構設計的要求
1.支架高度在最大和最小范圍內變化時，如圖2-1所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬度應小于或等于70mm，最好為30mm以下。
2.支架在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，如圖2-1所示，應滿足如下要求：支架在最高位置時，≤52°～62°，≤75°～85°；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據物理學摩擦理論可知，要求，如果鋼和矸石的摩擦系數=0.3，則=16.7°。為了安全可靠，最低工作位置應使≥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，可提高后連桿下鉸點的高度。
3.從圖2-1中可知，掩護梁與頂梁鉸點和瞬時中心O之間的連線與水平線夾角為。設計時，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值大小。
4.應取頂梁前端點運動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。其原因為當頂板來壓時，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，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板阻止底座向后移，使整個支架產生順時針轉動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，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減小，所以減輕了掩護梁的外負荷。
從以上分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設計四連桿機構的運動軌跡時，應盡量使值減小，取雙扭線向前凸的一段為支架工作段。所以，當已知掩護梁和后連桿的長度后，從這個觀點出發(fā)，在設計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構，運用作圖法就可以了，如圖2-2。
2.3.3 四連桿機構的設計
四連桿機構的設計的主要方法有：直接求解法、解析法、幾何作圖法等。本設計鑒于各種方法的優(yōu)缺點，采用了計算機求解的方式來求解。
1.目標函數的確定
為了減少附加力，必須使得有較小值。同時，為有效的控制頂板，要求支架在某一高度時的角，恰好是頂梁前端點的雙紐線軌跡上的切線與頂梁垂線間的夾角。所以，只要令支架由高到低變化時，頂梁前端點運動軌跡近似成直線為目標函數，這兩項要求都能滿足。
2.四連桿機構的幾何特征
四連桿機構的幾何特征，如圖2.3所示。
（1）支架在最高位置時，≤，即：弧度；≤即1.311.48弧度；支架在最低位置時，保證。
（2）后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為I =0.450.61;支撐掩護式為I = 0.610.82。
（3）前后連桿上絞點之距與掩護梁的比值為0.220.3。
（4）點的運動軌跡呈近似雙紐線，支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度mm以下。
（5）支架在最高位置時的應小于0.35，在優(yōu)化設計中，對支撐掩護式支架最好應小于0.2。
3.四連桿機構各部尺寸的計算
四連桿機構各部參數如圖2.3所示，圖中的為支架在最高位置時的計算高度。令：=; =; =; =; =; =; =; =; =;; ;==
圖2.3 四連桿機構參數圖
(1)后連桿與掩護梁長度的確定
如圖2.3所示 ，當支架在最高位置時的H值確定后，掩護梁長度G為：
（2.5）
后連桿長度為：
（2.6）
前后連桿上絞點之距為：
（2.7）
前連桿上絞點至掩護梁上絞點之距為：
（2.8）
從式（2.5）至式（2.8），可求出多組后連桿和掩護梁的尺寸。為了簡化計算，對變量規(guī)定相應的步長如下：的步長為0.34弧度；的步長為0.34弧度；的步長為0.02；的步長，支撐掩護式為0.042。若上述四個變量各向前邁出五步，經排列組合變得到625組數據。此處，步長也可根據精度自行確定不必遵循此規(guī)定。
（2）后連桿下絞點至坐標原點之距為，如圖2.4所示
圖2.4 四連桿機構幾何關系
（3）前連桿長度及角度的確定
當支架高度變化時，掩護梁上絞點的運動軌跡為近似雙紐線，為使雙紐線最大寬度和角盡量小，可把點的軌跡視為理想直線，當然實際上并非如此。但是，我們可以做到支架高度變化時，有三點在一條直線上，如圖2.4所示，即：支架在最高和最低以及中間某一位置的三點。當支架的最高和最低位置確定后，在直線上的最高和最低點就確定了。根據設計經驗，當點沿理想垂線由最高向最低運動時，后連桿與掩護梁的夾角由大于90到小于90變化，在夾角變化過程中，一定有一位置使后連桿與掩護梁呈垂直狀態(tài)，以這一特殊狀態(tài)為所求的中間某一位置，來確定直線上中間某一位置的點。
1）點坐標
當支架在最高位置時的計算高度為，此時點的坐標為：
（2.9）
（2.10）
2）點坐標
支架在最低位置時的計算高度為，此時的坐標為：
（2.11）
（2.12）
根據四連桿機構的幾何特征要求，支架降到最低位置時，為計算方便，即0.436弧度。
根據幾何關系為：
（2.13）
3）點坐標
當支架的掩護梁與后連桿成垂直位置時，根據幾何關系，點坐標為： （2.14）
（2.15）
式中P由下式進行計算：
（2.16）
（2.17）
4）c點坐標
根據圖2.4所示，支架在三個位置時四連桿機構幾何關系確定后，c點就是以、、這三點為圓的圓心。所以，為前連桿的長度。因此，可以用圓的方程求得前連桿長度。即：
（2.18）
上式中、為c點坐標，可以按下列方程聯立求得:
（2.19）
（2.20）
由式（2.19）和式（2.20）得：
（2.21）
（2.22）
令: （2.23）
（2.24）
T （2.25）
把式（2.23）到式（2.25）帶入式(2.22)式得：
（2.26）
（2.27）
c點坐標求出后，前連桿的長度和角度就可以確定了。
（4）前連桿下絞點的高度D和四連桿機構的底座長度E。
當前連桿c點坐標確定后，D和E的長度為：
（2.28）
（2.29）
4.四連桿機構的優(yōu)選
按上述方法可求出很多組四連桿機構，并非所有的值都可以用，故要優(yōu)選。優(yōu)選的方法是給定約束條件，對所計算出的各組值進行篩選，最終選出一組最優(yōu)的值來。
其約束條件是根據四連桿機構的幾何體特征要求，以及支架的結構關系，通過對國內外現有支架的調查統計，得出的約束條件如下：
（1）前后連桿的比值范圍
根據現有資料的調查統計，前后連桿的比值＝0.91.2范圍。
（2）前連桿的高度不宜過大，一般應使。
（3）E的長度，一般應使E.
（4）對掩護式支架應使的值U ；對支撐掩護式支架
的值按下面的方法進行計算。
如圖2.5所示，為支架在最高位置時的幾何關系。
（1）a點坐標
= （2.30）
（2.31）
（2）點坐標為
（3）直線的斜率：
（2.32）
（4）直線的斜率：
（2.33）
由于c 、b、o在同一條直線上，因此，和 直線的斜率相同，所以直線的斜率為：
（2.34）
同理直線的斜率為
（2.35）聯立（2.34）、（2.35）得：
（2.36）
（2.37）
令： （2.38）
（2.39）
則： （2.40）
5.近似雙紐線軌跡的繪制
為了能計算和看出優(yōu)選的一組值的e值，以及雙紐線的凸弧段長度，要求打印出頂梁前端的坐標值畫出雙紐線軌跡來。
（1）四連桿機構的方程
從圖2.6可知，在任一個角位置時，d點的x坐標值應滿足下列方程
（2.41）
B點的y坐標值應滿足下列方程
（2.42）
圖2.5 順心位置圖
圖2.6 四連桿機構方程圖
由式（2.42）得：
（2.43）
將式（2.43）代入式（2.41）得：
（2.44）
將式（2.44）整理得：
(2.45)
令： ;
(2.46)
(2.47)
(2.48)
將式(2.46)式（2.48）代入式（2.45）可得：
(2.49)
則式（2.49）可變成以Z為變量之方程，得：
(2.50)
不合題意之根已舍去。
當時，式（2.50）才有意義。
在圖2.6中點任一位置時之坐標x,y可寫成：
(2.51)
(2.52)
其中，
則
式（2.51）和式（2.52）就是液壓支架四連桿機構的曲線方程。
根據四連桿機構的幾何特征要求，支架由高到低，=,即：
1.48rad0.436rad。所以在變化范圍內可以畫出一條近似雙紐線的軌跡來。如果在這個變化范圍內按間隔0.087rad,可以算出x,y值表，y的變化相當于支架計算高度的變化，則x的變化相當于頂梁前端距煤壁之距變化，所以e值為支架高度變化范圍內，相應的，凸弧段的長度為支架的結構高度有高到低時，x值漸增所對應的y值相減，即：
凸弧段長度
式中，
——支架最大高度所對應的y值；
——支架由高到低，x值漸增，增加到極限位置所對應的y值。
6．電算程序編制
本程序的編制采用VISUAL BASIC 6.0編程，程序清單見附錄。
2.4液壓支架的主要技術參數
表2-1 液壓支架主要技術參數表
設備（部件）
名稱
項目
單位
技術參數
支架整體性能
支架高度
m
2.5～5.0
支架寬度
m
1.65~1.85
支架中心距
m
1.75
支護強度
MPa
1.08
對底板比壓
MPa
2.41
初撐力
kN
6410
工作阻力
8600
操作方式
電液控制
泵站壓力
MPa
31.5
立柱
型式
雙伸縮
根數
根
2
缸徑/中缸徑
mm
360/340
中缸徑/缸徑
mm
250/230
初撐力
kN
3205
工作阻力（）
kN
4300
行程
mm
2457
推移千斤頂
型式
普通
根數
根
1
缸徑
mm
160
柱徑
mm
105
推力/拉力
kN
633/360.4
行程
mm
960
側推千斤頂
型式
普通
根數
根
4
缸徑
mm
63
桿徑
mm
45
推力/拉力
kN
98/48
行程
mm
200
平衡千斤頂
型式
普通
根數
根
1
缸徑/桿徑
mm
160/105
行程
mm
540
推力
kN
1308
拉力
kN
823
工作阻力
kN
1755/1104
護邦千斤頂
型式
普通
根數
根
1
缸徑/桿徑
mm
160/105
行程
mm
487
推力
kN
633
工作阻力
kN
849
抬底千斤頂
型式
普通
根數
根
1
缸徑/桿徑
mm
125/90
行程
mm
240
工作阻力
kN
386
配套設備
采煤機
MG800/2040WD
刮板輸送機
SGZ1000/2x700
轉載機
SZZ1000/400
3 液壓系統
液壓支架不僅需要有良好的結構以適應所工作的煤層地質條件，而且還要配備完善而可靠的液壓系統及液壓元件來實現支架的優(yōu)良工作性能。液壓支架的液壓系統屬于泵缸開式系統。動力源是乳化液泵，執(zhí)行元件是各種液壓缸。系統回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增壓，經各種控制元件供給各個液壓缸，。乳化液泵站通常安裝在工作面下順槽，可隨工作面一起向前推進。泵站通過沿工作面全長敷設的主供液管和主回液管，向各個支架供給高壓乳化液，接收低壓回液。工作面中每個支架的液壓控制回路多數完全相同，通過截止閥連接與主管路，相對獨立。其中任一支架發(fā)生故障進行檢修時，可關閉該架與主管路連接的截止閥，不會影響其他支架工作。
3.1 立柱和千斤頂
在液壓支架中，用于承受頂板載荷，調節(jié)支護高度的液壓缸稱為立柱。液壓支架的立柱多數是單伸縮雙作用單活塞桿式液壓缸。除立柱外，支架中其余的液壓缸稱為千斤頂，依其功能分別叫做前梁千斤頂、推移千斤頂、側推千斤頂、平衡千斤頂、護幫千斤頂和復位千斤頂等等。由于前梁千斤頂也承受由鉸接前梁傳遞的部分頂板載荷，結構與立柱基本相同，只是長度和形成較短，所以也有人叫它前梁短柱。通常支架中各類千斤頂是單伸縮雙作用作用液壓缸，只有復位千斤頂和伸縮前探梁的千斤頂是單作用液壓缸。
懸浮式立柱控制回路如圖5-1：
圖5-1 懸浮式立柱控制回路
千斤頂控制回路如圖5-2：
圖5-2 千斤頂控制回路
3.2 支架液壓閥
液壓支架的液壓控制系統中所使用的控制元件有兩大類：壓力控制閥和方向控制閥。壓力控制閥主要有安全閥，方向控制閥主要有液控單向閥、操縱閥和液控分配換向閥等。
3.2.1 液控單向閥
夜控單向閥在支架液壓系統中主要用來閉鎖液壓缸中的液體，使之承載。它是大多數支架立柱必不可少的控制元件之一。
對液控單向閥的要求：
密封可靠，特別是鎖緊立柱下腔液路的液控單向閥，需長時間保持絕對密封；
動作靈敏，尤其要求關閉及時，保證剛剛鎖緊的液壓缸中的壓強等于泵站供液壓強；
流動阻力小；
工作壽命長，能保證工作面推進800～1000米不需要更換；
結構簡單。
支架常用的液控單向閥按其密封副形勢可分為平面密封型、錐面密封型和球面密封型。
3.2.2 安全閥
安全閥是支架液壓控制系統中必不可少的限定壓強的元件。立柱安全閥可以防止支架的主要承載結構件過負荷，確保頂板巖層在不高于規(guī)定的工作阻力作用下沉降。
對立柱安全閥的要求：
關閉時必須完全封閉；
能夠穩(wěn)定溢流的溢流量范圍大，在頂板緩慢下沉時的微小流量(30~40mL/min以下) 工況下，啟閉壓強差不大于整定壓強的5～10%，以保證支架的恒阻性。在頂板急劇下沉的大流量(30~50mL/min)工況下，被封閉的液體壓強升高值不大于整定壓強的25%。
3.2.3 操縱閥
在支架液壓控制系統中用來使液壓缸換向，實現支架各個動作的手動換向閥，習慣上稱為操縱閥。按壓力液通過操縱閥后的用途不同，可分為全流量操縱閥和先導液壓操縱閥。
3.2.4 液壓支架液壓閥的密封技術分析
液壓支架是采煤機械中的支護設備，經過大修在井下一般可使用五年，但是液壓支架中各種液壓閥的使用壽命卻很低，長的3個月，短的只有幾個星期，國外解決的途徑和辦法是增加系統的過濾精度和提高乳化液的質量，但收效不大。以英國某液壓閥為例，雖然加工精度及整個液壓系統的過濾精度都比較高，但因使用壽命低，已在我國面臨淘汰。
1. 影響液壓閥密封性能的主要因素
密封元件損壞的主要因素是工作液中的雜質。這些雜質在密封元件間研磨，使閥產生泄漏。因此，國外曾提出相應等級的液壓元件，應采用相應精度的過濾器。他們認為5μM的油泵密封元件，如果采用過濾精度為3／μM的過濾器，壽命可比采用10μM的提高10倍。但液壓支架用閥，工作環(huán)境十分惡劣。在采煤工作面，油管總長1000多米，接頭插口多達4000多個，液箱無特殊的防塵設施。乳化液中有大量的漂浮雜質，在立柱缸底和閥腔，留有較多的煤粉、巖粒和鐵屑。進液閥芯和閥座，由于開啟關閉比較頻繁，液體流速高，密封很快就會失效。實踐證明減少支架液壓系統液體的污染雜質，是十分困難的，有人曾經設想在乳化液泵站采用高壓過濾器，同時在每臺支架進口處增加小型過濾器。但在工作中很快被堵塞，形成斷流。
另一方面，隨著液壓支架技術的發(fā)展。對閥的使用性能和閥的使用壽命提出了更高的要求。目前，在裝有120目時的過濾器和磁過濾裝置的條件下，用通過被測試閥的乳化液的總流量和閥的啟閉次數，來計量閥的壽命。但實際上室內型式試驗與井下實際工作結果相差很大?，F在許多國家的形式實驗，增加了抗污染要求，有的是在乳化液中摻入適當的煤粉，有的是加入機械雜質。
為此，需要使用新型的、抗污染能力強的、適合于井下工作條件的密封副。
2 .液壓閥密封材料的歷史及現狀
閥芯和閥座接觸面的泄漏，是工作液體分子擠入的結果。影響密封效果的主要原因是閥芯和閥座的接觸比壓、不平度及壓差。當閥芯與閥座的接合面以P力壓緊，工作液體分子以F力擠入，密封材料會產生彈性變形。如果密封副總抗力大于分子斥力，則密封有效，否則就會形成泄漏。
早期的液壓支架，運動副之間沒有其他密封措施，是金屬直接接觸密封，即要求密封副接觸平面吻合，具有較高的加工精度，否則必須加大密封副的結合力，使接觸表面產生塑性變形，堵塞泄漏通道。
3.3 液壓支架液壓原理圖
支架液壓原理圖如圖5-3所示：
圖5-3液壓支架液壓原理圖
3.4 液壓支架的控制方式
3.4.1 手動控制
目前液壓支架多采用手動鄰架控制。操作人員隨采煤機前進，依次站在被移支架傾斜上方的支架里進行操作，使被移支架完成各個必要的動作。
1．全流量控制
全流量控制目前是支架的基本控制方式。它使用全流量操縱閥，根據操作人員的要求，直接向液壓缸工作腔輸入壓力液，實現支架的各個動作。在采取鄰架控制時的全流量控制系統，過架管路除了主管路外，還有許多控制管路因而行人不便，系統可靠性不高，維護工作量大。
2．先導液壓控制
先導液壓控制近年來在支架液壓控制系統中發(fā)展很快。它是通過先導液壓操縱閥將操作人員的命令變成液壓指令，再由液控分配閥完成向液壓缸工作腔供給壓力的任務。因為先導控制需要傳輸的不是流量而是液壓，所以先導控制管可以做的很細小，于是必須過架的許多先導控制管可以用一根直徑不大的多芯管來代替，并且簡化了支架在井下工作面的安裝，系統可靠性增加。
3.4.2 自動控制
手動控制的操作速度受到人員在工作面行走速度限制。特別是在薄煤層工作中，操作人員花費在從一個支架行走到另一個支架的時間較長，體力消耗也很大。因此，手動控制液壓支架使高效采煤機械的工作能力不能充分發(fā)揮出來。所以，研制和開發(fā)自動控制系統是液壓支架進一步發(fā)展的方向之一。
目前，液壓支架的自動控制大部分都處于試驗階段。這是因為地下工作條件復雜多變，在工作條件的監(jiān)控方面，在人機之間和采煤機與支架之間的完善聯系還有大量工作要做?？偟内厔菔遣捎脦в须娔X控制的電液先導液壓控制系統。分配閥多采用安全火花型電液控制分配閥，監(jiān)控裝置多轉換成電信號輸入電腦指令系統。
3.5 液壓系統安裝、調試、保養(yǎng)
3.5.1 安裝：
液壓系統的安裝是液壓系統能否正?？?運行的一個重要環(huán)節(jié)。
一、安裝人員
液壓傳動系統雖然與機械傳動系統有大量相似之處，但是液壓傳動系統確實有它的特性。經過專業(yè)培訓，并有一定安裝經驗的人員才能從事液壓系統的安裝。
二、審查液壓系統
主要是審查該項設計能否達到預期的工作目標，能否實現機器的動作和達到各項性能指標。安裝工藝有無實現的可能。全面了解設計總體各部分的組成，深入地了解各部分所起的作用。審查的主要內容包含以下幾點：
1、 審查液壓系統的設計
2、 鑒定液壓系統原理圖的合理性
3、 評價系統的制造工藝水平
4、 檢查并確認液壓系統的凈化程度
5、 液壓系統零部件的確認
三、安裝前的技術準備工作
液壓系統在安裝前，應按照有關技術資料做好各項準備工作。
1、 技術資料的準備與熟悉
液壓系統原理圖、電氣原理圖、管道布置圖、液壓元件、輔件、管件清單和有關元件樣本等，這些資料都應準備齊全，以便工程技術人員對具體內容和技術要求逐項熟悉和研究。
2、 物資準備
按照液壓系統圖和液壓件清單，核對液壓件的數量，確認所有液壓元件的質量狀況。尤其要嚴格檢查壓力表的質量，查明壓力表交驗日期，對檢驗時間過長的壓力表要重新進行校驗，確保準確可靠。
3、 質量檢查
液壓元件在運輸或庫存過程中極易被污染和銹蝕，庫存時間過長會使液壓元件中的密封件老化而喪失密封性，有些液壓元件由于加工及裝配質量不良使性能不可*，所以必須對元件進行嚴格的質量檢查。
A) 液壓元件質量檢查
1、各類液壓元件型號必須與元件清單一致
2、要查明液壓元件保管時間是否過長，或保管環(huán)境不合要求，應注意液壓元件內部密封件老化程度，必要時要進行拆洗、更換、并進行性能測試。
3、每個液壓元件上的調整螺釘、調節(jié)手輪、鎖緊螺母等都要完整無損。
4、液壓元件所附帶的密封件表面質量應符合要求、否則應予更換。
5、板式連接元件連接平面不準有缺陷。安裝密封件的溝槽尺寸加工精度要符合有關標準。
6、管式連接元件的連接螺紋口不準有破損和活扣現象。
7、板式閥安裝底板的連接平面不準有凹凸不平缺陷，連接螺紋不準有破損和活扣現象。
8、將通油口堵塞取下，檢查元件內部是否清潔。
9、檢查電磁閥中的電磁鐵芯及外表質量，若有異常不準使用。
10、各液壓元件上的附件必須齊全。
B) 液壓輔件質量檢查
1、油箱要達到規(guī)定的質量要求。油箱上附件必須齊全。箱內部不準有銹蝕，裝油前油箱內部一定要清洗干凈。
2、所領用的濾油器型號規(guī)格與設計要求必須一致，確認濾芯精度等級，濾芯不得有缺陷，連接螺口不準有破損，所帶附件必須齊全。
3、各種密封件外觀質量要符合要求，并查明所領密封件保管期限。有異常或保管期限過長的密封件不準使用。
4、蓄能器質量要符合要求，所帶附件要齊全。查明保管期限，對存放過長的蓄能器要嚴格檢查質量，不符合技術指標和使用要求的蓄能器不準使用。
5、空氣濾清器用于過濾空氣中的粉塵，通氣阻力不能太大，保證箱內壓力為大氣壓。所以空氣濾清器要有足夠大的通過空氣的能力。
C) 管子和接頭質量檢查
a) 管子的材料、通徑、壁厚和接頭的型號規(guī)格及加工質量都要符合設計要求。
b) 所用管子不準有缺陷。有下列異常，不準使用：
1、管子內、外壁表面已腐蝕或有顯著變色。
2、管子表面?zhèn)诹押凵疃葹楣茏颖诤竦?0%以上。
3、管子壁內有小孔。
4、管子表面凹入程度達到管子直徑的10%以上。
c) 使用彎曲的管子時，有下列異常不準使用：
1、管子彎曲部位內、外壁表面曲線不規(guī)則或有鋸齒形。
2、管子彎曲部位其橢圓度大于10%以上。
3、扁平彎曲部位的最小外徑為原管子外徑的70%以下。
d) 所用接頭不準有缺陷。若有下列異常，不準使用：
1、接頭體或螺母的螺紋有傷痕、毛刺或斷扣等現象。
2、接頭體各結合面加工精度未達到技術要求。
3、接頭體與螺母配合不良，有松動或卡澀現象。
4、安裝密封圈的溝槽尺寸和加工精度未達到規(guī)定的技術要求。
e) 軟管和接頭有下列缺陷的不準使用：
1、軟管表面有傷皮或老化現象。
2、接頭體有銹蝕現象。