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支撐掩護(hù)式液壓支架
中文摘要
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)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動，改善作業(yè)環(huán)境，是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。液壓支架是綜合機(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一。
液壓支架主要包括以下幾個基本部分組成：頂梁，掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)，側(cè)護(hù)板，底座，立柱，千斤頂。設(shè)計要遵從支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等原則。
在支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計過程中，四連桿機(jī)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)件的設(shè)計是重點(diǎn)。本論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu)，類型，工作原理，特點(diǎn)，目的及要求，對支撐掩護(hù)式液壓支架作了詳盡的分析和介紹，講述了這種支架的方案和用途。另外，對液壓支架的結(jié)構(gòu)性能、受力狀況和如何選型等進(jìn)行了分析，同時介紹了液壓支架的使用、維修和故障排除等問題。
關(guān)鍵詞：液壓支架 支護(hù) 四連桿機(jī)構(gòu) 底座
ABSTRACT
Hydraulic Support
The comprehensive mechanization of coal mining is a strategic measure to the acceleration coal industrial development of our country , raise labor productivity substantially , realize the modern of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining.
Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle.
In the design course that the type of supports cover type, the design of 4 linkage mechanism ，base ，structural member is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support. Furthermore, the structure of hydraulic structures performance, the power situation and how to choose models are analysed, at the same time it introduces the use of hydraulic Support, maintenance and fault resolution and other issues.
Keywords: hydraulic support shoring 4 linkage mechanisms base
支撐掩護(hù)式液壓支架
中文摘要
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)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動，改善作業(yè)環(huán)境，是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。液壓支架是綜合機(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一。
液壓支架主要包括以下幾個基本部分組成：頂梁，掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)，側(cè)護(hù)板，底座，立柱，千斤頂。設(shè)計要遵從支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等原則。
在支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計過程中，四連桿機(jī)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)件的設(shè)計是重點(diǎn)。本論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu)，類型，工作原理，特點(diǎn)，目的及要求，對支撐掩護(hù)式液壓支架作了詳盡的分析和介紹，講述了這種支架的方案和用途。另外，對液壓支架的結(jié)構(gòu)性能、受力狀況和如何選型等進(jìn)行了分析，同時介紹了液壓支架的使用、維修和故障排除等問題。
關(guān)鍵詞：液壓支架 支護(hù) 四連桿機(jī)構(gòu) 底座
ABSTRACT
Hydraulic Support
The comprehensive mechanization of coal mining is a strategic measure to the acceleration coal industrial development of our country , raise labor productivity substantially , realize the modern of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining.
Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle.
In the design course that the type of supports cover type, the design of 4 linkage mechanism ，base ，structural member is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support. Furthermore, the structure of hydraulic structures performance, the power situation and how to choose models are analysed, at the same time it introduces the use of hydraulic Support, maintenance and fault resolution and other issues.
Keywords: hydraulic support shoring 4 linkage mechanisms base
目錄
前 言 3
一、緒 論 4
1.1 液壓支架的工作原理 4
1.2 液壓支架的工作過程 4
1.3 支架組成 6
1.4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用 6
1.4.1 頂梁 6
1.4.2 掩護(hù)梁 7
1.4.3 底座 7
1.4.4 前后連桿 8
1.4.5 推移機(jī)構(gòu) 11
1.5 液壓系統(tǒng)及其控制元件 11
1.6 支架的設(shè)計特點(diǎn) 12
1.7 液壓支架的架形 12
二、 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
2.1 液壓支架的選型 14
2.1.1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選 14
2.1.2 液壓支架的架形選擇原則 15
2.1.3 影響架形選擇的因素 16
2.2 主要設(shè)計參數(shù) 17
2.3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
2.3.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 17
2.3.2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 19
2.3.3 四連桿機(jī)構(gòu)的繪制 21
2.3.4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和形式的確定 23
2.3.5 液壓支架的總體布置 28
2.3.6 支架的主要結(jié)構(gòu) 29
2.3.7 主要參數(shù)的確定 33
2.4擬定液壓系統(tǒng) 37
三、 支架的強(qiáng)度計算 39
3.1 支架的工作狀態(tài) 39
3.2 支架載荷的確定 39
3.3 支架受力分析 40
3.3.1 各主要參數(shù)的影響 42
3.3.2 各主要部件的受力計算及主要部件強(qiáng)度校核 44
3.4 頂梁載荷分布 53
3.5 支護(hù)強(qiáng)度 54
3.6 底座接觸比壓 54
3.7 護(hù)效率 55
3.8 支架受力的影響因素 55
3.9 強(qiáng)度條件 56
4.1 液壓支架操作 58
4.2 液壓支架操作維護(hù)要求 60
4.3 液壓支架操作管理事項(xiàng) 61
4.4 維護(hù)和管理的具體內(nèi)容 62
4.5 維修與管理注意事項(xiàng) 63
4.6 支架的合理工作狀態(tài) 64
五、 液壓支架常見故障及其排除 67
5.1 結(jié)構(gòu)件和連接銷軸 67
5.2 液壓系統(tǒng)及液壓元件 67
5.3 支架在操作和支護(hù)過程中的故障 68
結(jié) 論 71
致 謝 72
參 考 書 目 73
15
前 言
本次畢業(yè)設(shè)計是我們大學(xué)四年的最后一次設(shè)計，同時也是對大學(xué)生四年來所學(xué)的知識系統(tǒng)總結(jié)和綜合應(yīng)用?，F(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)的最后階段，畢業(yè)設(shè)計作為本科學(xué)習(xí)最重要的組成部分之一，它能提高我們發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，綜合檢驗(yàn)和鞏固我們所學(xué)知識，同時又是對我們大學(xué)四年所學(xué)知識的全面復(fù)習(xí)，更是向我們以后即將從事的專業(yè)性工作的正常過渡。我們可以緊緊抓住這個機(jī)會認(rèn)真學(xué)習(xí)并搞好畢業(yè)設(shè)計，眾所周知，它對我們即將走上工作崗位或者更進(jìn)一步深造有非常重要的意義。它將把我們過去的理論學(xué)習(xí)引向一個更高、更深的層次，也就是參加工作，可以說我們在做一次過渡性的嘗試。
我的畢業(yè)設(shè)計是關(guān)于支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計。液壓支架是綜合機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備，對于提高采煤效率，降低成本，改善作業(yè)環(huán)境，減少笨重的體力勞動具有舉足輕重的作用。其中，支撐掩護(hù)式液壓支架是日本在引進(jìn)英國垛式支架和蘇聯(lián)掩護(hù)式支架的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國特點(diǎn)于1968年首先研制成功的。它保留了垛式支架支撐力大，切頂性能好，工作空間寬敞的優(yōu)點(diǎn)，采用雙排立柱支撐頂梁（或頂梁于掩護(hù)梁）的結(jié)構(gòu)；同時吸收了掩護(hù)式支架防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的長處，采用堅固的掩護(hù)梁以及側(cè)護(hù)板將支架于老塘完全隔開，并用雙紐線連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護(hù)梁和支架底座。因此，加深支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計和研究具有深遠(yuǎn)的意義。
整個畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，我們所忙碌的成果即將接受檢驗(yàn)。我相信，有耕耘，定有收獲；有付出，定會有回報。
四年的時間如流水般匆匆流過，在這四年里，老師們用汗水和心血滋潤我干枯的心田，用知識的乳汁將我哺育，在我即將離開母校的時候，我向我最尊敬的老師們表達(dá)我最真誠的謝意，謝謝你們四年來對我們的親切關(guān)懷。在今后的日子里，我將努力奮斗，把您在學(xué)校里傳授給我們的知識運(yùn)用到實(shí)際工作中去，為我國的機(jī)械行業(yè)做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
最后，感謝各位評閱老師在百忙之中評閱本文。由于時間倉促，本人水平有限，難免有錯誤和不足之處，敬請各位老師指正與賜教。
一、緒 論
液壓支架作為煤礦長壁綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，近年來得了迅速地發(fā)展，它與綜采系統(tǒng)中的“三機(jī)”（ 刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)）配合使用，是煤礦開采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。液壓支架是綜采工作面主要設(shè)備之一，近10年來主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，設(shè)計方法更先進(jìn)，參數(shù)向高工作阻力、大中心距(1．75m、2m)發(fā)展，結(jié)構(gòu)件材料越來越多地采用高強(qiáng)度鋼材，支架的壽命和可靠性大大提高。
在綜合機(jī)械化采煤過程中，液壓支架擔(dān)當(dāng)著極其重要的角色，其主要功能不僅用于支撐管理頂板，隔離采空區(qū)，維護(hù)采煤作業(yè)空間，并能自行前移，推進(jìn)采煤工作面輸送機(jī)和采煤機(jī)。因此，液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關(guān)鍵因素之一。另外，合理的選用采煤設(shè)備并結(jié)合先進(jìn)的采煤工藝，可解決采煤工作面的采煤支護(hù)運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)之間的矛盾，可有效地提高工效增加成本減少損耗保護(hù)生產(chǎn)人員和設(shè)備的安全，以及減輕笨重的體力勞動，可為煤礦獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益。
1.1 液壓支架的工作原理
液壓支架是由乳化液泵站提供高壓乳化液（這里采用水包油型乳化液）作為動力，由液壓操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，液壓油缸和金屬構(gòu)件組成。來自泵站的高壓乳化液，經(jīng)主進(jìn)液管送到工作面，并與每架支架的進(jìn)液截止閥相連導(dǎo)入支架，再經(jīng)過組合操縱閥配液到各液壓缸，以完成支架所需的各項(xiàng)動作。從支架回流的低壓乳化液通過組合操縱閥與回液截止閥由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循環(huán)使用。
支架的承載原理是：液壓支架支撐在綜采工作面的頂?shù)装逯g支撐頂板。頂板壓力作用在頂梁上，并通過頂梁和底座間立柱將壓力傳遞底板。為保證支架結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及撐在支架頂安全，在立柱的下腔裝有安全閥。當(dāng)頂板壓力超過立柱安全閥限定壓力時，安全閥開啟釋放出立柱中的液體進(jìn)行讓壓，當(dāng)頂板壓力下降到立柱工作阻力時，安全閥關(guān)閉進(jìn)行保壓承載。
1.2 液壓支架的工作過程
液壓支架對頂?shù)淖饔眠^程主要取決于流體靜力學(xué)原理工作的立柱工作過程?，F(xiàn)以圖1-1所示的典型立柱控制系統(tǒng)來說明支架的工作過程。
支架操作的基本功作過程為：急增阻階段，緩增阻階段，恒阻階段，無作用階段四個階段。
圖?。保薄 ×⒅刂葡到y(tǒng)
１－立柱；２－安全閥；３－液控單向閥；４－操縱閥；
P－高壓管路；O－回液管
（1）泵壓撐頂，支架對頂板急增阻階段
操縱閥手把置于A位，從泵站來的壓力液經(jīng)高壓管路P，打開液控單向閥3進(jìn)入立柱下腔，立柱上腔與回液管O連通，因而活柱伸出使支架升起接頂，對頂板產(chǎn)生支撐力。支架接頂后，泵壓使下腔內(nèi)的液體壓強(qiáng)迅速上升，支架對頂頂板支撐力急劇增加。這就是支架對頂板的急增阻階段。
（2）閉鎖承載，支架對頂板緩增阻階段
操縱閥手把放回零位后，立柱下腔內(nèi)的壓力液被液控單向閥閉鎖，不能流出，從而使支架保持對頂板的支撐狀態(tài)。隨著頂板逐漸下沉，立柱下腔內(nèi)的液體受到進(jìn)一步壓縮，壓強(qiáng)逐漸增高，使直接對頂板產(chǎn)生更大的支撐力，力圖阻止或延緩頂板下沉，一般情況下，頂板下沉比較緩慢，支架對頂板的支撐力增長也就相應(yīng)緩慢，所以這個階段被稱為支架對頂板緩增阻階段。
（3）溢流承載，支架對頂恒阻階段
頂板繼續(xù)下沉，立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)繼續(xù)升高，當(dāng)達(dá)到立柱安全閥的調(diào)定值時，安全閥便開啟溢流，使立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持定植，從而支架對頂板的支撐力不變，即支架處于對頂板恒阻階段。
（4）解鎖降柱，支架與頂板無作用階段
采煤機(jī)截煤后，欲將支架移到新的位置，首先把操縱閥手把置于B讓從泵站來的壓力液進(jìn)入立柱上腔，同時作用于液控單向閥的頂桿活塞，迫使液控單向閥開啟，解除對立柱下腔液體的閉鎖，允許其回到回液管。這時，活柱縮回，支架降落離開頂板，支架對頂板無壓力。在這一階段如要保證頂梁平行下降需協(xié)調(diào)操縱平衡千斤頂操縱閥。
需要說明，目前為了防止破碎頂板漏頂，掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架可以采用擦頂帶移架方式，即支架頂梁實(shí)際并不脫離頂板，在移架過程中仍保持約每柱五噸左右的支撐力。因而，對于擦頂帶壓移架方式，此階段應(yīng)是解鎖卸載，支架對頂板仍有輕微作用力。
1.3 支架組成
液壓支架主要由金屬結(jié)構(gòu)件、油缸和液壓控制元件三大部分組成。
（1）金屬結(jié)構(gòu)件主要有頂梁、掩護(hù)梁、前梁、前連桿、后連桿、底座、側(cè)護(hù)板、護(hù)幫板等。
（2）油缸主要有雙作用單伸縮立柱、推移千斤頂、（平衡千斤頂）、側(cè)護(hù)千斤頂、前梁千斤頂?shù)取?
（3）液壓控制元件主要有液壓控制閥、操縱閥、雙向鎖、安全閥、截止閥等及液壓輔助元件等。
1.4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用
1.4.1 頂梁
頂梁采用整體頂梁直接與頂板接觸，支撐頂板負(fù)荷，是支架的主要承載部件之一，由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，以滿足強(qiáng)度和剛度要求。結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：
1－右側(cè)護(hù)板；2－主頂梁；3－側(cè)推千斤頂；4－前梁千斤頂耳座；
圖 1－2 主頂梁
其主要作用是：
（l）承接頂板巖石及煤的載荷；
（2）反復(fù)支撐頂煤，可對比較堅硬的頂煤起破碎作用；
（3）隔離頂板，為回采工作面提供足夠的安全空間。
本支架采用分段組合式頂梁結(jié)構(gòu)（剛性頂梁＋鉸接式前梁），強(qiáng)度高，對頂板維護(hù)較好；另外，在頂梁前部還布置有起吊耳，可方便吊掛較小的機(jī)件。
1.4.2 掩護(hù)梁
1－護(hù)幫板耳座；2－側(cè)推千斤頂座；3－側(cè)護(hù)板；4－側(cè)推千斤頂；
5－前連桿耳座；6－后連桿耳座；7－護(hù)幫千斤頂耳座；8－彈簧筒；
圖 1－3 掩護(hù)梁
掩護(hù)梁分別與頂梁和前、后連桿連接，其主要作用有：
(1) 承受上部頂板傳給的水平分力和側(cè)向力，增強(qiáng)支架的抗扭性能；
(2) 掩護(hù)梁與前后連桿、底座形成四連桿機(jī)構(gòu)，保證支架的穩(wěn)定性；
(3) 阻擋后部落煤，維護(hù)工作空間。
1.4.3 底座
底座是將頂板承受的壓力通過立柱傳遞到底板并穩(wěn)定支架的主要結(jié)構(gòu)件。該支架設(shè)計為整體剛性底座，底座接底面積大，有利于減小對底板的比壓。該型底座的缺點(diǎn)是在推移機(jī)構(gòu)外易積存浮煤碎矸，要求及時清理。
底座結(jié)構(gòu)如圖1-3所示
1－過橋；2－推移千斤頂耳座；3－立柱銷孔；4－前連桿銷孔；
5－后連桿銷孔；6－側(cè)板；
圖 1－4 底座
其主要作用是：
(1) 將上方載荷傳遞給底板，為立柱、推移裝置及其他輔助裝置提供安裝空間；
(2) 給工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；
(3) 保證支架的穩(wěn)定性。
1.4.4 前后連桿
前、后連桿分別與掩護(hù)梁和底座鉸接，共同形成四連桿機(jī)構(gòu)，前連桿采用鑄鋼件，鑄件中不得有氣孔、砂眼、夾雜等，以免降低強(qiáng)度，嫌少使用壽命。鑄后要進(jìn)行淬火和高溫回火，以降低硬度，增加強(qiáng)度和韌性。對于后連桿，由于不僅受到冒落矸石的載荷，還要承受頂板的水平推力，所以要求它有較大的強(qiáng)度，這里采用整體式。前后連桿的結(jié)構(gòu)如圖1－5，圖1－6。
圖 1－5 前連桿
圖 1－6 后連桿
其主要作用是：
（l） 使支架在調(diào)高范圍內(nèi)，頂板平穩(wěn)地升降，并使頂梁前端與煤壁的距離(梁端距)變化盡可能小，更好地支護(hù)頂板。
（2） 承受頂板的水平分力和側(cè)向力，使立柱不受側(cè)向力。
本支架采用正四連桿機(jī)構(gòu)，為使冒落矸石不從連桿處涌入支架內(nèi)，后連桿為整體式，前連桿為分體式。均為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗拉、抗壓和抗扭性能。
1.4.5 推移機(jī)構(gòu)
圖 1－7 推移框架
支架的推移機(jī)構(gòu)包括推桿、連接頭、推移千斤頂和銷軸等，主要作用是推移輸送機(jī)和拉移支架。推移連桿的一端通過連接頭與輸送機(jī)相連，另一端通過推移千斤頂與底座相連，推移連桿除承受推拉力外，還承受一定的側(cè)向力防止底座的下滑
1.5 液壓系統(tǒng)及其控制元件
支架液壓系統(tǒng)由乳化液泵站、主進(jìn)、主回液膠管、各種液壓元件、立柱及各種千斤頂?shù)冉M成。支架操縱方式采用鄰架操作控制，使用快速接頭拆裝方便，性能可靠。
由乳化液泵站輸出的高壓乳化液經(jīng)主進(jìn)液管 支架進(jìn)液截止閥過濾器操縱閥立柱或各千斤頂架液截止閥 主回液膠管乳化液泵站。
1.6 支架的設(shè)計特點(diǎn)
結(jié)合首采工作面及礦區(qū)此類地質(zhì)構(gòu)造條件下，使用ZY2400/17/30二柱掩護(hù)式支架的成功經(jīng)驗(yàn)，本架型應(yīng)有如下特點(diǎn)：
（1）支架型式為：帶機(jī)械加長的四柱支撐掩護(hù)式厚煤層液壓支架；
（2）對支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，梁端距變化應(yīng)??；頂梁前部較薄強(qiáng)度、剛度應(yīng)充分保證；
（3）支架的四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計要從考慮梁端距變化量控制著手，并能與其它構(gòu)件形成剛性好、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的整體結(jié)構(gòu)；
（4）整體頂梁和掩護(hù)梁帶單側(cè)活動長側(cè)護(hù)板，能實(shí)現(xiàn)對護(hù)頂?shù)膰?yán)密調(diào)整；
（5）封底底座，減小底座比壓、增大底座剛度、強(qiáng)度；
（6）架的整體構(gòu)造應(yīng)有“人機(jī)學(xué)”的觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，操作方便，制造成本降低；
（7）采用雙紐線連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護(hù)梁和支架底座，以增加支撐力，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性。
1.7 液壓支架的架形
支撐掩護(hù)式液壓支架的架形如下圖1－8所示：
1－后連桿；2－前連桿；3－掩護(hù)梁；4－后立柱；5－銷；6－銷；7－主頂梁；8－前立柱；9－前梁千斤頂；10－銷；11－銷；12－銷；13－銷；14－前梁；15－護(hù)幫板千斤頂；
圖 1－8 支撐掩護(hù)式液壓支架
二、 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 液壓支架的選型
2.1.1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選
根據(jù)以往液壓支架設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，考慮到不同架型 和機(jī)構(gòu)的支架――圍巖力學(xué)相互作用、支撐力矩、底板比壓等特點(diǎn)，可以對掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。
（1）液壓支架的力學(xué)特征綜述（見表2-12）
表2－1不同結(jié)構(gòu)液壓支架的力學(xué)特征比較
支架型式
結(jié)構(gòu)特征
主要力學(xué)特性
掩護(hù)式
支掩式
二支柱掩護(hù)式
支架承載力較小，底板比壓均勻，主動水平力較大
支頂式
二柱支頂掩護(hù)式
支架承載力大，穩(wěn)定性好，底座尖端比壓較大，對頂板的主動水平力較大，前端支撐力大
支撐掩護(hù)式
支頂支掩
四柱（或三柱）
穩(wěn)定性好，抗水平力強(qiáng)，比壓均勻，但支柱能力利用率低
支頂式
四柱X型
頂梁合力調(diào)節(jié)范圍大，伸縮比大，承載力高
四柱支撐掩護(hù)式
承載力大，切頂能力強(qiáng)，比壓較均勻
（2）支架選型要素及簡要評價。
液壓支架結(jié)構(gòu)選型必須考慮的要素及對各類型支架的評價（見表2－2）
表2－2支架類型評價（見下頁）
要素
支架類型
支撐掩護(hù)式
支撐式
插底掩護(hù)式
一般掩護(hù)式
垛式
節(jié)式
支架圍巖適應(yīng)性
直接頂冒落傾向
優(yōu)
良
良
差
差
基本頂周期來壓
差
良
優(yōu)
優(yōu)
良
底板壓入傾向
良
差
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
防煤壁片幫
優(yōu)
良
優(yōu)
差
差
通風(fēng)斷面
差
良
良
差
差
頂梁前端支撐力
優(yōu)
良
良
差
差
頂梁后段切頂性
差
良
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
對頂板遮蓋率
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
差
差
隔絕采空區(qū)能力
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
差
差
橫向穩(wěn)定性
良
優(yōu)
優(yōu)
差
差
對采高適應(yīng)性
良
優(yōu)
優(yōu)
差
差
支撐效率
差
良
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
支護(hù)強(qiáng)度
良
良
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
對傾角適應(yīng)性
良
優(yōu)
良
良
差
2.1.2 液壓支架的架形選擇原則
在選擇液壓支架時既要保證對工作面頂板實(shí)現(xiàn)可靠的支撐，又要避免過大的設(shè)備投資，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)。因此，液壓支架的正確選型對于工作面經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系重大。
液壓支架架形的選擇，主要取決于液壓支架的力學(xué)性能是否適用礦井的頂?shù)装鍡l件和其它地質(zhì)條件。在同時允許選用幾種架形時，應(yīng)優(yōu)先選用價格便宜的支架，支承式支架最便宜，其次為掩護(hù)式。支承式支架適合于穩(wěn)定頂板。掩護(hù)式支架適合于中等穩(wěn)定和一般破碎的頂板。支承掩護(hù)式支架適合于周期來壓強(qiáng)烈，中等穩(wěn)定和穩(wěn)定頂板。
在綜采工作面支架選型時，還應(yīng)注意下述四點(diǎn)原則：
(1) 對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，應(yīng)優(yōu)先選用二柱掩護(hù)式支架。但在底板極松軟條件下，必須嚴(yán)格驗(yàn)算并限制支架底座尖端比壓，不得超過底板容許比壓即極限載荷強(qiáng)度。在此條件下，通常應(yīng)避免使用重型支架。
(2) 對于非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來壓強(qiáng)烈和十分強(qiáng)烈的頂板，應(yīng)優(yōu)先考慮選取四柱支撐掩護(hù)式支架。
(3) 眾所周知，三點(diǎn)決定一個平面，由于頂板不平，四柱式支架中總有一根支柱對頂板的實(shí)際支撐力很低，因而二柱式掩護(hù)支架支撐能力利用率高于四柱式。即二柱式支架對頂板的實(shí)際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架，特別是對機(jī)道上方頂板的支護(hù)強(qiáng)度。
（4）在不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架應(yīng)注意對機(jī)道上方的頂板控制，包括增加前任阻力及可伸縮前梁等。
2.1.3 影響架形選擇的因素
液壓支架的選型受到礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設(shè)備條件的限制，因此，以上因素都會影響到支架的選型。
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)頂板的級別，由表3-1-5 見《綜采技術(shù)手冊》（上冊）中直接選出架型。
（1）煤層厚度
① 當(dāng)煤層厚度超過1.5m，頂板有側(cè)向推力和水平推力時，應(yīng)選用抗扭能力強(qiáng)的支架，一般不用支承式支架。
② 當(dāng)煤層厚度達(dá)到2.5m～2.8m以上時，需選擇帶有護(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支承掩護(hù)式支架。
③ 煤層厚度變化大時，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護(hù)式，帶有機(jī)械加長桿或雙伸縮立柱的支架。
④ 假頂分層開采，應(yīng)選用掩護(hù)式支架。
（2）煤層傾角
① 煤層傾角<10時，支架可不設(shè)防倒滑裝置。
② 傾角在10°～25°以上時，應(yīng)選用帶有防滑裝置的支架。
③ 傾角>25°時，排頭支架設(shè)防倒滑裝置，工作面中部支架設(shè)底調(diào)千斤頂，工作面中部輸送機(jī)設(shè)置防倒滑裝置。
（3）底板強(qiáng)度
① 驗(yàn)算比壓，應(yīng)使支架底座對底板的比壓不超過底板允許比壓。
② 為使移架容易，設(shè)計時要使支架底座前部比后部的比壓小。
(4) 瓦斯含量
對瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合保安規(guī)程的要求，并選用通風(fēng)端面較大的支承式或支承掩護(hù)式支架。
(5) 煤層硬度
當(dāng)煤層為軟煤層時，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤層時，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤層時，支架最大采高<5m。
(6) 地質(zhì)構(gòu)造
斷層十分發(fā)育，煤層變化過大，頂板的允許暴露面積在5～8㎡以下時，時間在20min以上時，暫不宜使用綜采。
(7) 設(shè)備成本
綜合各條件，宜選用支撐掩護(hù)式支架的架形，即本人畢業(yè)設(shè)計所選擇架型。
2.2 主要設(shè)計參數(shù)
ZZ4000/17/35型支撐掩護(hù)式液壓支架
工作阻力：4000kN
支架高度：1.7～3.5m
支架寬度：1.42～1.59m
初撐力：1884KN
支護(hù)強(qiáng)度：730KN/m（在使用范圍內(nèi)）
采用ZZ4000/17/35型支撐掩護(hù)式液壓支架，其工作阻力為4000kN，初撐力1884kN，支護(hù)強(qiáng)度大于730KN/m，對底板的比壓為10.5MPa，能夠滿足地質(zhì)條件及礦區(qū)的要求。支架寬度為1420～1590mm，中心距為1.5m，支架最低時長5m左右。支架高度為1.7～3.5m，滿足其采高要求。考慮運(yùn)輸機(jī)的拉架強(qiáng)度，支架總量約為10.5t。
2.3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.3.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用
具有四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架從問世以來，經(jīng)過長期的實(shí)踐考驗(yàn)，顯示出巨大優(yōu)越性，并從根本上克服了支撐式支架穩(wěn)定性和力學(xué)持性的缺陷，成為液壓支架技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。
四連桿機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架的主要穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，其主要作用是保證支架的縱向和橫向穩(wěn)定性；承受和傳遞外載；保持支架的整體剛度。因此，對液壓支架的研究常常離不開對四連桿機(jī)構(gòu)的研究和認(rèn)識。下面通過對液壓支架的運(yùn)動過程進(jìn)一步分析四連桿機(jī)構(gòu)的特性和作用。支架升降時頂梁的運(yùn)動軌跡是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，即由頂梁與掩護(hù)梁交點(diǎn)E的軌跡所決定。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析，E點(diǎn)的運(yùn)動軌跡一般為一條雙紐線，如圖2－1所示。合理設(shè)計四連桿參數(shù)，即可控制E點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，改善支架支
護(hù)性能，減少連桿受力。
圖 2－1 支架四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡
支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運(yùn)動時，E點(diǎn)的運(yùn)動軌跡呈3種形式：雙向擺動(ABCD段)、單向向后擺動(BC段)和單向向前擺動(AB段和CD段)。選擇不同的四連桿參數(shù)．可以使E點(diǎn)軌跡處于上述3種曲線段。支架工作時，受到頂板載荷的作用，有下縮趨勢。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于AB段時，頂梁相對于頂板有向煤壁移動的趨勢，頂板對頂粱的摩擦力指向采空區(qū)側(cè)。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于BC段時，頂梁相對于頂板有向采空區(qū)移動的趨勢，此時頂板對頂梁的摩擦力指向煤壁。當(dāng)頂板運(yùn)動趨勢超過支架運(yùn)動趨勢時，頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運(yùn)動趨勢。
從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動比頂梁向來空區(qū)方向移動有利。前者對于保持粱端頂板處于擠壓狀態(tài)有利，而后者容易導(dǎo)致頂板產(chǎn)生離層或斷裂，造成頂板斷裂線前移或梁端冒頂。因此，合理設(shè)計四連桿參數(shù)．使支架工作段內(nèi)，E點(diǎn)軌跡處于AB段比較理想，但對于調(diào)高范圍大的支架，要達(dá)到要求是困難的。然而，由于四連桿銷孔間隙的作用，使E點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動軌跡與上述理論軌跡不完全相同。為了保持支架梁端距的穩(wěn)定，一般應(yīng)控制梁端擺動幅度Δ≤30~80mm。液壓支架的縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，而不取決于立柱的多少。
液壓支架實(shí)際受力狀態(tài)十分復(fù)雜，經(jīng)常受到非對稱載荷和橫向載荷的作用，保持支架橫向穩(wěn)定性和整體剛性十分重要。如圖示支架立柱為二力構(gòu)件，不具有承受較大橫向載荷的能力。支架的橫向載荷只能靠四連桿機(jī)構(gòu)承受。
2.3.2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定
在設(shè)計四連桿機(jī)構(gòu)時，要根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性來確定。其四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性如下：
(1) 支架從最高高度降到最低高度時，如下圖所示頂梁端點(diǎn)運(yùn)動軌跡的最大寬度e應(yīng)小于或等于70mm,最好為30mm以下。
圖 2－2 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征圖
(2) 掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)到頂梁頂面之距離H和后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面之距Y如圖2－2所示，當(dāng)支架高度確定后，要用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)，首先要根據(jù)配套尺寸L(此處L＝2088mm)。初步確定頂梁長度L=2150mm和底座長L=2380mm，然后確定頂梁與掩護(hù)梁鉸點(diǎn)相對于后連桿下鉸點(diǎn)的水平距離，該鉸點(diǎn)至頂梁頂面距H和后連桿下鉸點(diǎn)的高度Y。
H一般根據(jù)支架工作阻力初步確定頂梁梁體的高度后，在根據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性確定，一般支架距H＝150～200mm，重型支架可取H＝210~260mm。
Y一般根據(jù)支架最小高度確定，薄煤層支架取Y＝150～250mm ，對中厚煤層支架取Y＝250～450；對大采高支架取Y＝450～600mm。
(3) 支架最大和最小高度時掩護(hù)梁與水平夾角A和A
掩護(hù)梁是掩護(hù)采面工作空間密封隔離采空區(qū)的重要梁體，它不直接支撐頂板，而是作為重要的傳力構(gòu)件，把頂梁載荷傳遞到四連桿機(jī)構(gòu)，這對保持支架—圍巖力學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定有著顯著的作用。其主要表現(xiàn)是：①掩護(hù)梁載荷參與頂梁的力矩平衡，提高了梁端承載能力；②支架受到一個指向煤壁的水平推力，當(dāng)支架處于支護(hù)工況時，有阻止頂板巖體向來空區(qū)移動的作用，而當(dāng)處于移架工況時，有利于克服架體各方面的摩擦力，增強(qiáng)架體運(yùn)動的穩(wěn)定性。掩護(hù)梁水平投影過大，將增大掩護(hù)梁載荷，并承受頂板巖塊的沖擊載荷，而掩護(hù)梁載荷過大將減小頂板支護(hù)強(qiáng)度，造成移架困難。一般掩護(hù)式支架取A<58~62；支撐掩護(hù)式支架取A<60~70。
在支架最小支護(hù)高度時，掩護(hù)梁傾角應(yīng)保證移架過程中掩護(hù)梁背負(fù)的矸石能沿梁體下滑，即滿足tan A≥，其中／為巖石與鋼的靜摩擦因數(shù)，一般為0.15～0.3。若?。?.3，則A＝17，設(shè)計中一般可取A＝12~18。
(4) 掩護(hù)梁與后連桿長度比的確定
在用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)時，桿長比主要根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)確定，一般應(yīng)保證A≥5，使后連桿在第一象限內(nèi)擺動。根據(jù)近百種支架的統(tǒng)計，掩護(hù)梁與后連桿的長度比（L＋L）/L ，對兩柱掩護(hù)式支架一般為1.4～2.1，對四柱支撐掩護(hù)式支架一般為1.2～1.8。經(jīng)計算，此處掩護(hù)梁與后連桿的長度比＝2175/1384＝1.57。
掩護(hù)梁與前后連桿鉸點(diǎn)間的距離可根據(jù)支架高度及連桿銷子直徑確定，一般取300～500mm，前后連桿間夾角越大，連桿力越小。
5．支架工作段要取曲線向前突的一端，如上圖所示的H段。其原因是當(dāng)頂板來壓時，立柱讓壓而下縮。使頂梁有前移的趨勢防止巖石向后移動，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動。使整個支架產(chǎn)生順時針方向轉(zhuǎn)動的趨勢，從而增加了前梁斷部的支護(hù)力，防止頂梁前斷頂部冒落又可以使底座前端比壓減小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相應(yīng)的減小，由于支架所承受的水平力由掩護(hù)梁來克服，所以減輕了掩護(hù)梁受力。
從以上的分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計四連機(jī)構(gòu)時曲線運(yùn)動軌跡應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前突的一段，所以當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿長度已知后，從這個觀點(diǎn)出發(fā)，在設(shè)計時只要把掩護(hù)梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行作圖就可以了。
2.3.3 四連桿機(jī)構(gòu)的繪制
(1) 掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的四連桿機(jī)構(gòu)都是雙搖桿機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)形成的條件是：最短桿c和最長桿b之和小于其余兩桿長度之和，而最短桿為上連桿（掩護(hù)梁），最短桿的對邊a為固定桿（底座），即： c＋b
15°。在J點(diǎn)作α角，再取JC一定長度與HC交與C點(diǎn)，C點(diǎn)作為后連桿和掩護(hù)梁的鉸接軸。
以J為圓心，JC為半徑畫一弧ab。以I為圓心，以HC的長度為半徑畫弧與弧ab交于E點(diǎn)，C點(diǎn)和E點(diǎn)就是后連桿在支架為最低高度和最低高度時的極限位置。
在CH上取一長度CD，必須CDDC，這樣CD就是最短桿。而且要使CD+DG 立柱缸體內(nèi)徑按下式進(jìn)行
D= （cm）
式中 D：立柱剛體內(nèi)徑 （cm）
P: 立柱的工作阻力 （kN）
：泵站工作壓力 （MPa）
K：一般在0.52～0.78之間，對于不穩(wěn)定頂板向上取限，穩(wěn)定頂板向下取限。這里取K為0.65。
根據(jù)1984年我國正式發(fā)布的《礦用液壓立柱、千斤頂、柱徑系列》MT94－84煤礦工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)。鑒于所計算數(shù)據(jù)取D=200 mm
查表得柱徑為d＝φ185mm
初撐力 ＝ （kN）
式中