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前言
綜合機(jī)械化采煤是煤礦技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，是煤礦增加產(chǎn)量、提高勞動(dòng)效率、增加經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。實(shí)踐證明大力發(fā)展綜合機(jī)械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關(guān)鍵的。我們60年代起支撐式液壓支架，至今已能成批制造兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式支架，這些系列化一般用于緩傾斜中厚煤層及厚煤層分層開(kāi)采。
至今，我國(guó)煤礦中使有的支架類型很多，按照支架采煤工作面安裝位置來(lái)劃分有端頭支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡(jiǎn)稱端頭支架，專門(mén)安裝在每個(gè)采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所的位置的支架。
目前使用的液壓支架分為三類。即：支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架。從架型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，由于架型的不同，它的支撐力分布和作用也不同；從頂板條件來(lái)看，由于直接類別和老頂級(jí)別的不同，支架所承受的載荷也不同，所以為了在使用中合理地選擇架型，要對(duì)支架的支撐力承載力的關(guān)系進(jìn)行分析，使支架的支撐力能適應(yīng)頂板載荷的要求。
本設(shè)計(jì)論文則設(shè)計(jì)層煤厚度在3.60米到3.05米，老頂級(jí)別為三級(jí)，直接頂類別為一類的支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)。其架型特點(diǎn)支柱兩排，每排1到2根。多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)。安的支撐力大，切頂性能好，防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這類支架適用于直接頂為中等穩(wěn)定。老頂有明顯或強(qiáng)烈周期來(lái)壓。瓦斯含量較大的中厚或厚煤層中。因此本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)這類支撐掩護(hù)式液壓支架。
1.液壓支架的概述
1.1液壓支架的組成和用途
1.1.1液壓支架的組成
液壓支架由頂梁、底座、掩護(hù)梁、立柱、推移裝置、操縱控制系統(tǒng)等主要部分組成。
1.1.2液壓支架的用途
在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過(guò)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)頂板進(jìn)行支護(hù)。而液壓支架是以高液體作為動(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)。液壓支架與可彎曲輸送機(jī)和采煤機(jī)組合機(jī)械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對(duì)增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施，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。
1.2液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過(guò)程中，必須具備升、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乳化液通過(guò)工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來(lái)完成的。
1.2.1升柱
當(dāng)需要支架上升支護(hù)頂板時(shí)，高壓乳化液進(jìn)入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動(dòng)活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁緊緊接觸頂板。
1.2.2降柱
當(dāng)需要降柱時(shí)，高壓液進(jìn)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。
1.2.3支架和輸送機(jī)前移
支架和輸送機(jī)的前移，都是由底座上的推移千斤頂來(lái)完成。當(dāng)需要支架前移時(shí)，先降柱卸載，然后高壓液進(jìn)入推移千斤頂對(duì)活塞桿腔，另一腔回液，以輸送機(jī)為支點(diǎn)，缸體前移，把整個(gè)支架拉向煤壁；當(dāng)需要推輸送機(jī)時(shí)，支架支撐頂板后，高壓液進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊唬硪磺换匾?，以支架為支點(diǎn)，使活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。
支架的支撐力與時(shí)間的曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-1所示。
圖1-1 支架的工作特性曲線
Fig .1-1 line of support work characteristic
t0—初撐階段； t1—增阻階段； t2—恒阻階段；
p1—初撐力； p2—工作阻力
支架立柱工作時(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化過(guò)程可分為三個(gè)階段。支架在升柱時(shí)，高壓液進(jìn)入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到泵站工作壓力時(shí)，泵站自動(dòng)卸載，支架的液控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力達(dá)到初撐力，此階段為初撐力階段t0；支架初撐力后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直至增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達(dá)到工作阻力。此階段為增阻階段t1；隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過(guò)支架的安全閥壓力調(diào)正值時(shí)，安全閥打開(kāi)而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減少，立柱下腔壓力降低，當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整值后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限止下，壓力曲線隨時(shí)間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段t2。
1.3液壓支架設(shè)計(jì)目的、要求和設(shè)計(jì)支架必要的基本參數(shù)
1.3.1設(shè)計(jì)目的
采用綜合機(jī)械化采煤機(jī)械方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。為了滿足對(duì)煤炭日益增長(zhǎng)的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機(jī)械化設(shè)備，迅速綜合機(jī)械化采煤工作面（簡(jiǎn)稱綜合工作面）。而每個(gè)綜采工作面平均需要安裝150臺(tái)液壓支架，可見(jiàn)對(duì)液壓支架的需要量是很大的。
由于不同采煤工作面的頂板條件、煤層厚度、煤層傾角、煤層物理機(jī)械性質(zhì)等的不同，對(duì)不同液壓支架的需求也不同。為了有效地支護(hù)和控制頂板，必須設(shè)計(jì)出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。因此，液壓支架的設(shè)計(jì)工作是很重要的。由于液壓支架的類很多，因此其設(shè)計(jì)工作量也是很大的，由此可見(jiàn)，研制和開(kāi)發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
1.3.2液壓支架的基本要求
1)為了滿足采煤工藝及地制條件的要求，液壓支架是有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，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。推溜力一般力為100KN左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100KN～150KN，中厚煤炭一般為150KN至250KN。厚煤層一般為300KN～400KN。
3)防止性能要好。
4)排矸性能好。
5)要求液壓支架能保證采煤工作有足夠的通風(fēng)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(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?
7)調(diào)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，能夠承受一事實(shí)上不均勻載荷和沖擊載荷。
10)在滿足強(qiáng)度條件下，盡可能減輕支架重量。
11)要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。
12)液壓元件要可靠
1.3.3設(shè)計(jì)液壓支架必需的基本參數(shù)
1)頂板條件
根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，?duì)支架進(jìn)行選型。
2)最大和最小采高
根據(jù)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(hù)強(qiáng)度。
3)瓦斯等級(jí)
根據(jù)瓦斯等級(jí)，按保安規(guī)程規(guī)定，驗(yàn)算通風(fēng)斷面。
4)底板巖性能及小時(shí)涌水量
根據(jù)底巖性和小時(shí)涌水量驗(yàn)算底板比壓。
5)工作面煤壁條件
根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護(hù)幫裝置。
6)煤層傾角
根據(jù)煤層傾角，決定是否選用防滑裝置
7)井向罐籠尺寸
根據(jù)井向罐籠尺寸，考慮支架的運(yùn)輸外形尺寸。
8)配套尺寸
根據(jù)配套尺寸及支護(hù)方式來(lái)計(jì)算頂梁長(zhǎng)度。
1.4液壓支架的選型
1.4.1液壓支架的支撐力與承載關(guān)系
支撐掩護(hù)式支架是為了改善上述兩類支架的性能和對(duì)頂板的適應(yīng)性而設(shè)計(jì)的。主體部分接近垛式，支架后部有四連桿機(jī)構(gòu)和掩護(hù)梁，增強(qiáng)了支架的穩(wěn)定性和防護(hù)性，提高了支架的支護(hù)和承載能力。所以，此種支架介于以上兩種支架的中間狀態(tài)，提高了適用范圍，適用于頂板較堅(jiān)硬，頂板壓力較大或頂板破碎的各種煤層，其受力狀況如圖1-2所示
圖1-2支撐掩護(hù)式支架的受力狀況
Fig.1-2 bracing?caving shield pressure
1.4.2液壓支架架型的分類
按照液壓支架在采煤工作面安裝位置來(lái)劃分 有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡(jiǎn)稱端頭支架，專門(mén)安裝在每個(gè)采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所有位置的支架。
目前使用的液壓支架在分三類即：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架。
1) 支撐式支架：支撐式支架的架型有垛式支架和節(jié)式支架兩種型式。如圖1-3，前梁較長(zhǎng)，支柱較多并呈垂直分布，支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位裝置來(lái)保證。因此底座堅(jiān)固定，它靠支柱和頂梁的支撐作用控制工作面的頂板，維護(hù)工作空間。頂板巖三石則在頂梁后部切斷垮落。這類支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能，適用于頂板緊硬完整，周期壓力明顯或強(qiáng)烈，底板較硬的煤層。
a b
圖1-3 a—垛式 b—節(jié)式
Fig.1-3 a—corduroy? b—divisional
2)掩護(hù)式支架：掩護(hù)式支架有插腿式和非插腿式兩種型式。如圖1-4所示頂梁較短，對(duì)頂板的作用力均勻；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抵抗直接頂水平運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng)；防護(hù)性能好調(diào)高范圍大，對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)；但整架工作阻力小，通風(fēng)阻力大，工作空間小。這類支架適用于直接頂不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的煤層。
a b c
圖1-4 a—插腿式支架 b—立柱支在掩護(hù)梁上非插腿式支架
c—立柱支在頂梁上非插腿式支架
Fig.1-4 a－ support b－?leg piece?on support? c－leg piece? on support
3)支撐掩護(hù)式支架：支撐掩護(hù)式支架架型主要用：四柱支在頂梁上（如圖1-5a，b所示）；二柱支在頂梁（如圖1-5，c所示）一柱或二柱支在掩護(hù)梁上。支柱兩排，每排1-2根，多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)。它的支撐力大，切頂性能好，防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，價(jià)貴，不便于運(yùn)輸。這類支架適用于直接頂為中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，老頂有明顯或強(qiáng)烈的周期來(lái)壓，瓦斯儲(chǔ)量較大的中厚或厚煤層中。
a b c
圖1-5 a—四柱平行支在頂梁上支架，b—四柱交叉支在頂梁兩柱在掩護(hù)梁上支架
c—兩柱在頂梁兩柱支在掩護(hù)梁上支架
1.4.3 液壓支架選型原則
液壓支架的選型,其根本目的是使綜采設(shè)備適礦井和工作面的條件,投產(chǎn)后能做到高產(chǎn)、高效、安全，并為礦井的集中生產(chǎn)、優(yōu)化管理和最佳經(jīng)濟(jì)效益提供條件，因此必須根據(jù)礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設(shè)備條件進(jìn)行選擇。
1)液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。一般情況下可根據(jù)頂板的級(jí)別直接選出架型。
2)當(dāng)煤層厚度超過(guò)2.5m時(shí)，頂板有側(cè)向推力和水平推力時(shí)，應(yīng)選用抗扭能力強(qiáng)支架一般不宜選用支撐式支架。
3)當(dāng)煤層厚度達(dá)到2.5～2.8mm以上時(shí)，需要選擇有護(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架，煤層厚度變化大時(shí)，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護(hù)式雙伸縮立柱的支架。
4)應(yīng)使支架對(duì)底板的比壓不超過(guò)底板允許的抗壓強(qiáng)度。在底板較軟條件下，應(yīng)選用抬底裝置的支架或插腿掩護(hù)式支架。
5)煤層傾角〈10時(shí)，支架可不設(shè)倒滑裝置15～25度時(shí)，排頭支架應(yīng)設(shè)防倒防滑裝置，工作面中部輸送機(jī)設(shè)防滑裝置，工作面中部支架設(shè)底調(diào)千斤頂，工作面中部輸送機(jī)調(diào)防滑裝置。
6)對(duì)瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合保安規(guī)程的要求，并優(yōu)先選用通風(fēng)面積大的支撐式或支撐掩護(hù)式支架。
7)當(dāng)煤層為軟煤時(shí)，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤層時(shí)，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤時(shí)，支架最大采高＜5m
8)在同時(shí)允許選用幾種架型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜的支架。
9)斷層十分發(fā)育，煤層變化過(guò)大，頂板的允許暴露5～8m,時(shí)間在20min以上時(shí)，暫不宜采用綜采。
10)特殊架型的選擇可根據(jù)特殊架型中各節(jié)的適用條件進(jìn)行選擇。
1.4.4 液壓支架設(shè)計(jì)的原始條件
1）老頂級(jí)別 Ⅲ（強(qiáng)烈）
0.3
50 N≤0.3 Lp=25～50
2）直接頂類別 Ⅱ（穩(wěn)定頂板）
強(qiáng)度指數(shù) D1 7.1～12
直接頂初次垮落步距L1(m)=19—25
表中按下式計(jì)算：D1=σ*c1*c2（Mpa）
σ—巖石單向抗壓強(qiáng)度（Mpa）；
C1—節(jié)理裂隙影響系數(shù)；
C2—分層厚度影響系數(shù)；
C1取0.41；c2取0.32
采高3.5m，液壓支架支護(hù)強(qiáng)度 1.6*441 kN/㎡（支架工作阻力），煤層厚度（m） 3.60~3.05 老頂級(jí)別 Ⅲ 直接頂類別 Ⅰ
表1-1適應(yīng)不同類級(jí)頂板的架型和支護(hù)強(qiáng)度
Tab 1-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength
老頂級(jí)別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接頂類別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
架
型
掩護(hù)式
掩護(hù)式
支撐式
掩護(hù)式
掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式
支撐式
支撐掩護(hù)式
支撐掩護(hù)式
支撐或支撐掩護(hù)式
支撐或支撐掩護(hù)式
采高＜2.5m時(shí)用支撐式
采高＞2.5m時(shí)用支撐掩護(hù)式
支
護(hù)
強(qiáng)
度KN/M
支架采高m
1
294
1.3×294
1.6×294
＞2×294
應(yīng)結(jié)合深孔
爆破，軟化
頂板等措施
處理采空區(qū)
2
343（245）
1.3×343(245)
1.6×343
＞2×343
3
441(343)
1.3×441(343)
1.6×441
＞2×441
4
539(441)
1.3×539(441)
1.6×539
＞2×539
注：（1）表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)掩護(hù)式支架頂梁上的支護(hù)強(qiáng)度。
（2）1.3、1.6、2為增壓系數(shù)。
2.液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
2.1液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定
2.1.1支護(hù)高度
支架高度確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來(lái)確定，其最大與最小高度為：
＋S1 (mm) (2-1)
（mm） (2-2)
式中：
---支架最大高度，mm
---支架最小高度， mm
---煤層最大高度， =3.60 m
---煤層最小高度， =3.05m
S1---考慮偽項(xiàng)煤冒落時(shí)，仍有可靠支撐力所需要的支撐高度，一般采取200-300mm，S1取250 mm，
S2---頂板最大下沉量是，一般取100～200 mm，S2取100 mm，
a--- 移架時(shí)支架的最小可縮量，一般取50 mm，
δ---浮矸石、俘煤厚度，一般取50 mm，
由式2—1可得
3600＋250=3850 mm
由式2—2可得
3050－100－50－50=2850mm
所以?。?
=3850mm
=2850mm
2.1.2支架間距
所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心之間的距離。用bc表示。支架間距bc要根據(jù)支架型式來(lái)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)刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來(lái)確定，我國(guó)刮板運(yùn)輸機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度為1.5 m，千斤頂連接位置在刮板槽槽幫中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5米，本設(shè)計(jì)取bc=1.5 m。
2.1.3底座長(zhǎng)度
所謂底座，就是將頂板壓力傳遞到底板的穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要小；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(zhǎng)度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撐掩護(hù)式支架對(duì)底座長(zhǎng)度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本次設(shè)計(jì)底座為2.4m。
2.1.4支護(hù)強(qiáng)度
本次設(shè)計(jì)中支撐掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度可用插入法求得，按下式計(jì)算：
（2-3）
式中：
—支架名義支護(hù)強(qiáng)度。（KN/m2）
—采高所對(duì)應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度，見(jiàn)表1—1
—采高所對(duì)應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度，見(jiàn)表1—1
—對(duì)應(yīng)的采高(m),見(jiàn)表1—1
—對(duì)應(yīng)的采高(m),見(jiàn)表1—1
—支架的結(jié)構(gòu)高度，在，之間。
對(duì)應(yīng)最大結(jié)構(gòu)高度=3.85m時(shí)
=3m =705.6KN/m2
=4m =862.4KN/m2
將各數(shù)據(jù)代入式（2—3）得采高最大時(shí)支架支護(hù)強(qiáng)度
=705.6＋(862.4-705.6)=838.88KN/m2
2.2液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的確定
2.2.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用
四連桿機(jī)構(gòu)是掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架的最重要的部件之一。其作用概括起來(lái)主要有兩個(gè)：一是支架由高到低變化時(shí)，借助四連桿機(jī)構(gòu)的頂梁前端的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點(diǎn)于煤壁間距離的變化大大減少，提高了管理頂板的性能；二是使支架能承受較大的水平力。
下面通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程的幾何特征進(jìn)一步闡述其作用。這些幾何特征是四連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程的必然結(jié)果。
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e應(yīng)小于或等于70mm，最好在30mm以下。
2）支架在最高位置和最低位置時(shí),頂梁與掩護(hù)梁的夾角P后連桿與底平面的夾角Q，如圖2-1所示,應(yīng)滿足如下要求:
支架在最高位置時(shí),P=520～620,Q=750～850;支架在最底位置時(shí),為有利矸石下滑,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tgP＞W(wǎng),如果綱和矸石的摩擦系數(shù)W=0.3,則P=16.70.而Q角主要考慮后連桿底部距底板要有一頂距離,防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降，一般去Q=250～300，在特殊情況下需要角度較小時(shí)，可提高后連桿下絞點(diǎn)的高度。
3）從圖2-1可知掩護(hù)梁與頂梁絞點(diǎn)e’和瞬時(shí)中心O之間的連線與水平的夾角Q。設(shè)計(jì)時(shí)，要使Q角滿足tgQ的范圍，其原因是Ｑ角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。
圖2-1四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征
Fig.2-1fore rods geometry feature?line
4）頂梁前端點(diǎn)暈運(yùn)動(dòng)軌跡雙鈕線向前凸的一段為支架最佳工作段，如圖2-1所示的h段。其原因是頂板來(lái)壓時(shí)，立柱讓下縮，使頂梁有向前移的趨勢(shì)，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(shì)，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少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應(yīng)減少，所以減輕了掩護(hù)梁外負(fù)載。
2.2.2優(yōu)化過(guò)程
目標(biāo)函數(shù)的確定
根據(jù)附加力對(duì)液壓支架受力影響的分析，為減少附加力，必須使U=TAN(THETA)有較小值。同時(shí)，為有效地支控頂板，要求支架由高到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)與煤壁距離的變化要小。而支架在某一高度時(shí)的THETA角，恰好是頂梁前端點(diǎn)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(shí)，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡似成直線為目標(biāo)函數(shù)，這兩項(xiàng)要求都能滿足。
四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征
四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征如下圖所示。
1)支架在最高位置時(shí)：P1=0.91- 1.08弧度；
Q1=1.31- 1.48弧度。
（2）后連桿與掩護(hù)梁的比值，支撐掩護(hù)式支架為I=0.61- 0.82.
（3）前后連桿上鉸點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為I1=0.22-0.3.
（4）e`點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，支架由高到低雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度e<70mm最好在30mm以下。
（5）支架在最高位置時(shí)的TAN(THETA)的值應(yīng)小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)支撐掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.2。
2.2.3四連桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的計(jì)算
1）后連桿與掩護(hù)梁長(zhǎng)度的確定
當(dāng)支架在最高位置時(shí)的H1值確定后，掩護(hù)梁長(zhǎng)度G為：
G=H1/（SIN（P1）+I*SIN（Q1））；
后連桿長(zhǎng)度為：A=I*G；
前,后連桿上鉸點(diǎn)之距為:B=I1*G;
前連桿上鉸點(diǎn)至掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之矩為:F=G-B;
對(duì)各變量規(guī)定相應(yīng)的步長(zhǎng):
P1的步長(zhǎng)為0.034弧度;
Q1的步長(zhǎng)為0.034弧度;
I1的步長(zhǎng)為0.02弧度;
I的步長(zhǎng)為0.042弧度;
2）后連桿下鉸點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)之距
E1=G*COS(P1)-A*COS(Q1);
3）前連桿長(zhǎng)度及角度的確定
為使頂梁上鉸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡最大寬度和THETA角盡量小,我們將支架在最高和最低點(diǎn)以及后連桿與掩護(hù)梁成90度角時(shí)頂梁上鉸點(diǎn)的坐標(biāo)定在一條垂直的直線上。（下面B1，B2，B3分別為此3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的前連桿與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)，C為前連桿下鉸點(diǎn)）
（a）B1點(diǎn)坐標(biāo)：X1=F * COS（P1）
Y1=H1-F*SIN（P1）
（b）B2點(diǎn)坐標(biāo)：X2=F*COS（P2）
Y2=B*SIN（P2）+A*SIN（Q2）
其中， Q2=0.436
P2由幾何關(guān)系求出。
（c）B3點(diǎn)坐標(biāo)：X3=F*COS（P3）
Y3=B*SIN（P3）+A*SIN（Q3）
其中
P3=
Q3=
（d）C點(diǎn)坐標(biāo)：Xc=（M*（Y2-Y3）-N*（Y3-Y1））/T
Yc=（N*（X3-X1）-M*（X2-X3））/T
其中，M=X32-X12+Y32-Y12
N=X22-X32+Y22-Y32
T=2[（X3-X1）（Y2-Y3）-(Y3-Y1)(X2-X3)]
4）前連桿下鉸點(diǎn)的高度D和前、后連桿下鉸點(diǎn)在底座上的投影距離：
D=Yc
E=E1-Xc
2.2.4四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)選
1）前，后連桿的比值范圍：C/A=0.9-1.2。
2）前連桿的高度： D
#include
main()
{
Double h1,h2,p1,q1,i,i1,g,a,b,f,e1,x1,y1,q2,p2,x2,y2,p3,q3,
x3,y3,m,n,t,xc,yc,c,o,d,e,x4,y4,x5,y5,k1,c1,k2,x6,y6,l,s,u,xx,xi,q4,k,j,r,ex,z,p4,x,y;
scanf("%lf,%lf",&h1,&h2); /*輸入h1,h2*/
for(p1=0.91;p1<=1.08;p1=p1+0.034) /*設(shè)p1,q1,i,i1*/
for(q1=1.31;q1<=1.48;q1=q1+0.034)
for(i=0.61;i<=0.82;i=i+0.042)
for(i1=0.22;i1<0.3;i1=i1+0.02)
{g=h1/(sin(p1)+i*sin(q1)); /*計(jì)算g,a,b,f*/
a=i*g;
b=i1*g;
f=g-b;
e1=g*cos(p1)-a*cos(q1); /*計(jì)算b1,b2,b3,c點(diǎn)坐標(biāo)*/
x1=f*cos(p1);
y1=h1-f*sin(p1);
q2=0.436;
p2=atan(sqrt(fabs(g*g-(e1+a*cos(q2))*(e1+a*cos(q2))))/
(e1+a*cos(q2)));
x2=f*cos(p2);
y2=b*sin(p2)+a*sin(q2);
p3=3.14/2-atan(a/g)-atan(e1/sqrt(g*g+a*a-e1*e1));
q3=3.14/2-p3;
x3=f*cos(p3);
y3=b*sin(p3)+a*sin(q3);
m=x3*x3-x1*x1+y3*y3-y1*y1;
n=x2*x2-x3*x3+y2*y2-y3*y3;
t=2*((x3-x1)*(y2-y3)-(y3-y1)*(x2-x3));
xc=(m*(y2-y3)-n*(y3-y1))/t;
yc=(n*(x3-x1)-m*(x2-x3))/t;
c=sqrt((x1-xc)*(x1-xc)+(y1-yc)*(y1-yc)); /*計(jì)算c,d,e*/
o=c/a;
if(o<0.9||o>1.2)
continue;
d=yc;
e=e1-xc;
x4=e1+a*cos(q1); /*計(jì)算a1,q2,q1點(diǎn)坐標(biāo)*/
y4=a*sin(q1);
x5=e1;
y5=0;
k1=(y1-yc)/(x1-xc);
c1=atan(k1);
k2=(y4-y5)/(x4-x5);
x6=(k1*x1-y1-k2*x4+y4)/(k1-k2);
y6=k1*(x6-x1)+y1;
l=x6; /*計(jì)算l,s*/
s=h1-y6;
u=s/l;
if(u>0.2||u<0||d>0.2*h1||e>h1/4.5)
continue;
printf("u=%f,q1=%f,a=%f,b=%f,c=%f,d=%f,e=%f,f=%f\n,g=%f,p1=%f,c1=%f,l=%f,s=%f\n",u,q1,a,b,c,d,e,f,g,p1,c1,l,s);
xx=0;
xi=3;
for(q4=1.48;q4>=0.436;q4=q4-0.0348)
{x1=a*cos(q4);
k=2*e*b+2*a*b*cos(q4);
j=2*a*b*sin(q4)-2*b*d;
r=a*a+b*b+d*d-c*c+e*e+2*a*e*cos(q4)-2*a*d*sin(q4);
if(k*k*r*r-(k*k+j*j)*(r*r-j*j)<0)
{ex=xx-xi;
printf("ex=%f\n",ex);
continue;
}
z=(k*r+sqrt(k*k*r*r-(k*k+j*j)*(r*r-j*j)))/(k*k+j*j);
p4=atan(sqrt(fabs(1-z*z))/z);
x=-a*cos(q4)+g*cos(p4);
y=a*sin(q4)+g*sin(p4);
if(y>=h1||y<=h2)
continue;
printf("x=%f,y=%f,x1=%f\n",x,y,x1);
if(x>xx)
xx=x;
if(x
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