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河南理工大學(xué)本科萬(wàn)方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題目名稱
ZZ4000/17/35支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)
姓名
劉中原
專業(yè)班級(jí)
機(jī)設(shè)08-4
學(xué)號(hào)
0828030009
一、 選題的目的和意義
采煤綜合機(jī)械化，是加速我國(guó)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)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動(dòng)，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。
支撐掩護(hù)式液壓支架是日本在引進(jìn)英國(guó)垛式支架和蘇聯(lián)掩護(hù)式支架的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)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(shí)吸收了掩護(hù)式支架防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的長(zhǎng)處，采用堅(jiān)固的掩護(hù)梁以及側(cè)護(hù)板將支架于老塘完全隔開(kāi)，并用雙紐線連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護(hù)梁和支架底座。
與垛式支架和掩護(hù)式支架相比它具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：
1． 支架支撐力大，切頂性能好，工作空間寬敞；
2． 支架穩(wěn)定性、防護(hù)性好；
3． 在保證強(qiáng)度的條件下，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，尺寸更緊湊；
4． 具有良好的整體性能，安全可靠；
二、 國(guó)內(nèi)外研究綜述
我國(guó)目前液壓支架與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距：
1.生成能力上的差距 我國(guó)目前大部分支架的可靠性與國(guó)外差距比較大。進(jìn)口支架工作面開(kāi)機(jī)率達(dá)到90%以上，日產(chǎn)達(dá)到了30000t，年產(chǎn)達(dá)到10Mt，支架大修周期為產(chǎn)煤15Mt以上。而我國(guó)目前綜采工作面開(kāi)機(jī)率平均為50%左右。支架大修周期為產(chǎn)煤量在4～5Mt左右。
2.支護(hù)性能參數(shù)的差距 發(fā)達(dá)國(guó)家在設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想方面大多主張大馬拉小車，支架的工作阻力與支護(hù)強(qiáng)度普遍較大。工作阻力一般都在7000KN以上，最高達(dá)到10000KN，而我國(guó)目前支架的工作阻力與國(guó)外相比普遍偏低，平均在4000～5000KN，相差30%左右。
另外，國(guó)外支架中心距普遍采用1.75m，個(gè)別達(dá)到2m，我國(guó)支架中心距絕大多數(shù)為1.5m。
3. 結(jié)構(gòu)件材料的差距 目前國(guó)外σs＝700～800MPa的鋼材以廣泛應(yīng)用，而我國(guó)普遍使用的是σs＝450MPa以下的鋼板，相差30%～40%。
4.控制系統(tǒng)方面的差距 目前世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家支架的控制系統(tǒng)已廣泛采用電液控制系統(tǒng)，而我國(guó)目前很少采用電液控制，絕大部分為手動(dòng)。
液壓支架的發(fā)展趨勢(shì)：
1.提高支架的可靠性，另外加大支架的中心距也是必然趨勢(shì)；
2.二柱支架將是主導(dǎo)架型，目前我國(guó)的四柱支架要比二支柱支架數(shù)量多，相比較而言二柱支架具有明顯的優(yōu)勢(shì)；
3.采用大采高支架；
4.電液控制系統(tǒng)是液壓支架發(fā)展的方向；
5．放頂煤支架將是未來(lái)的主導(dǎo)架型；
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所用的方法
本次設(shè)計(jì)，是本人按照導(dǎo)師的要求，結(jié)合自己的興趣愛(ài)好，通過(guò)收集大量的理論資料，參加生產(chǎn)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，自主完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)。其中，在設(shè)計(jì)過(guò)程中底座、前后連桿和結(jié)構(gòu)件是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。另外，本論文還著重介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu)，類型，工作原理，特點(diǎn)，液壓支架的維護(hù)和管理，及其常見(jiàn)的故障及排除方法。目的是通過(guò)對(duì)支掩式液壓支架進(jìn)行深入細(xì)致的了解和研究，在一定的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)踐認(rèn)識(shí)，鞏固所學(xué)知識(shí)，完成自主實(shí)踐與創(chuàng)新。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題我們一般通過(guò)自己查閱資料和小組討論的方式解決，如確實(shí)有不能解決的問(wèn)題我們就通過(guò)請(qǐng)教廠方技術(shù)人員和指導(dǎo)老師，爭(zhēng)取解決在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中所有問(wèn)題。
四、主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況
參考文獻(xiàn)：
1．張家鑒 主編《液壓支架》煤炭工業(yè)出版社 1985
2．賈悅謙 主編《綜采技術(shù)手冊(cè)》（上、下）煤炭工業(yè)出版社2000
3．主編《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版 化學(xué)工業(yè)出版社1999．
4．戴紹誠(chéng) 主編《高效高產(chǎn)綜采機(jī)械化采煤技術(shù)與裝備》煤炭工業(yè)出版社1997
5．煤炭部煤炭科學(xué)研究院編綜采《設(shè)備配套圖冊(cè)》1983
6. 中國(guó)物產(chǎn)集團(tuán)公司支護(hù)裝備部 編《煤礦支護(hù)使用手冊(cè)》煤炭工業(yè)出版社2004
五、指導(dǎo)教師審批意見(jiàn)
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
中文摘要
采煤綜合機(jī)械化，是加速我國(guó)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)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動(dòng)，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(gè)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(jì)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(jì)過(guò)程中，四連桿機(jī)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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。
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
緒論………………………………………………………………………-1-
一、液壓支架的概述..........................................-2-
1.1 液壓支架的工作原理 - 2-
1.2 液壓支架的工作過(guò)程…………………………………………- 3-
1.3液壓支架架型的分類 - 4 -
1.4支架的設(shè)計(jì)特點(diǎn)………………………………………………- 5-
二、液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................- 7 -
2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù) - 7-
2.2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 7 -
2.2.1 四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 - 7 -
2.2.2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 - 9 -
2.2.3 四連桿機(jī)構(gòu)的繪制 - 12 -
2.2.4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和形式的確定 - 14 -
2.2.5 液壓支架的總體布置 - 20 -
2.2.6 支架的主要結(jié)構(gòu)及作用 - 22 -
三、支架的強(qiáng)度計(jì)算........................................- 32 -
3.1 支架的工作狀態(tài) - 32 -
3.2 支架載荷的確定 - 33 -
3.3 支架受力分析 - 34 -
3.3.1 各主要參數(shù)的影響 - 36 -
3.3.2 各主要部件的受力計(jì)算及主要部件強(qiáng)度校核 - 39 -
3.4 頂梁載荷分布 - 48 -
3.5 支護(hù)強(qiáng)度 - 49 -
3.6 底座接觸比壓 - 50 -
3.7 護(hù)效率 - 50 -
3.8 支架受力的影響因素 - 51 -
3.9 強(qiáng)度條件………………………………………………………………- 53 -
結(jié) 論 ..................................................- 55-
致謝………………………………………………………………………-56-
參考書(shū)目.................................................- 57 -
緒 論
液壓支架作為煤礦長(zhǎng)壁綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，近年來(lái)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(kāi)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(lái)主要的發(fā)展趨勢(shì)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(jì)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(lái)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(guò)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(dòng)，可為煤礦獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益。
一、液壓支架的概述
1.1 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)作時(shí)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。
圖1-1 液壓支架的工作原理
Fig .1-1 Hydraulic pressure support principle of work
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。
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。
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)完成的。當(dāng)需要支架前移時(shí)，先將柱卸載，然后高壓液進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊麠U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?，另一腔回液，以支架為支點(diǎn)，使活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。
1.2 液壓支架的工作過(guò)程
液壓支架對(duì)頂?shù)淖饔眠^(guò)程主要取決于流體靜力學(xué)原理工作的立柱工作過(guò)程。現(xiàn)以圖1-1所示的典型立柱控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明支架的工作過(guò)程。
支架操作的基本功作過(guò)程為：急增阻階段，緩增阻階段，恒阻階段，無(wú)作用階段四個(gè)階段。
圖?。保? 立柱控制系統(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(duì)頂板急增阻階段
操縱閥手把置于A位，從泵站來(lái)的壓力液經(jīng)高壓管路P，打開(kāi)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(duì)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(duì)頂頂板支撐力急劇增加。這就是支架對(duì)頂板的急增阻階段。
（2）閉鎖承載，支架對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)頂板的支撐力增長(zhǎng)也就相應(yīng)緩慢，所以這個(gè)階段被稱為支架對(duì)頂板緩增阻階段。
（3）溢流承載，支架對(duì)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(shí)，安全閥便開(kāi)啟溢流，使立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持定植，從而支架對(duì)頂板的支撐力不變，即支架處于對(duì)頂板恒阻階段。
（4）解鎖降柱，支架與頂板無(wú)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(lái)的壓力液進(jìn)入立柱上腔，同時(shí)作用于液控單向閥的頂桿活塞，迫使液控單向閥開(kāi)啟，解除對(duì)立柱下腔液體的閉鎖，允許其回到回液管。這時(shí)，活柱縮回，支架降落離開(kāi)頂板，支架對(duì)頂板無(wú)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(shuō)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(guò)程中仍保持約每柱五噸左右的支撐力。因而，對(duì)于擦頂帶壓移架方式，此階段應(yīng)是解鎖卸載，支架對(duì)頂板仍有輕微作用力。
1.3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。
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1-2，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，適用于頂板堅(jiān)硬完整，周期壓力明顯或強(qiáng)烈，底板較硬的煤層。
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1-3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。
支撐掩護(hù)式支架
支撐掩護(hù)式支架是在吸收了支撐式和掩護(hù)式兩種支架優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護(hù)式支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，可適用于各種頂板條件。
支撐掩護(hù)式支架的頂梁由前梁玉主梁構(gòu)成，四根立柱支撐頂梁和立柱之間，掩護(hù)梁的上端與頂梁鉸接，下端用連桿與底座相連。這種支架的優(yōu)點(diǎn)是：支撐力大，切頂性能強(qiáng)，防護(hù)性能好，通風(fēng)斷面大，穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣。
支撐掩護(hù)式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾和后傾，也可倒八字形布置和交叉布置。通常兩排立柱都直接支撐在頂梁上，個(gè)別情況下，也有后排立柱支撐在掩護(hù)梁上而前排立柱支撐在頂梁上
1.4支架的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
本架型有如下特點(diǎn)：
（1）支架型式為：帶機(jī)械加長(zhǎng)的四柱支撐掩護(hù)式厚煤層液壓支架；
（2）對(duì)支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，梁端距變化應(yīng)?。豁斄呵安枯^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(jì)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(dòng)長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，能實(shí)現(xiàn)對(duì)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。
：
二、液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)
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(duì)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(shí)長(zhǎng)5m左右。支架高度為1.7～3.5m，滿足其采高要求?？紤]運(yùn)輸機(jī)的拉架強(qiáng)度，支架總量約為10.5t。
2.2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1 四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
，對(duì)液壓支架的研究常常離不開(kāi)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的研究和認(rèn)識(shí)。下面通過(guò)對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)頂梁的運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)分析，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般為一條雙紐線，如圖2－1所示。合理設(shè)計(jì)四連桿參數(shù)，即可控制E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)軌跡
支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈3種形式：雙向擺動(dòng)(ABCD段)、單向向后擺動(dòng)(BC段)和單向向前擺動(dòng)(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(shí)，受到頂板載荷的作用，有下縮趨勢(shì)。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于AB段時(shí)，頂梁相對(duì)于頂板有向煤壁移動(dòng)的趨勢(shì)，頂板對(duì)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(shí)，頂梁相對(duì)于頂板有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)頂板對(duì)頂梁的摩擦力指向煤壁。當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)超過(guò)支架運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。
從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動(dòng)比頂梁向來(lái)空區(qū)方向移動(dòng)有利。前者對(duì)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(jì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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。
2.2.2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性來(lái)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(shí)，如下圖所示頂梁端點(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(zhǎng)度L=2150mm和底座長(zhǎng)L=2380mm，然后確定頂梁與掩護(hù)梁鉸點(diǎn)相對(duì)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(duì)中厚煤層支架取Y＝250～450；對(duì)大采高支架取Y＝450～600mm。
(3) 支架最大和最小高度時(shí)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(duì)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(gè)指向煤壁的水平推力，當(dāng)支架處于支護(hù)工況時(shí)，有阻止頂板巖體向來(lái)空區(qū)移動(dòng)的作用，而當(dāng)處于移架工況時(shí)，有利于克服架體各方面的摩擦力，增強(qiáng)架體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。掩護(hù)梁水平投影過(guò)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(guò)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(shí)，掩護(hù)梁傾角應(yīng)保證移架過(guò)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(jì)中一般可取A＝12~18。
(4) 掩護(hù)梁與后連桿長(zhǎng)度比的確定
在用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，桿長(zhǎng)比主要根據(jù)設(shè)計(jì)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(dòng)。根據(jù)近百種支架的統(tǒng)計(jì)，掩護(hù)梁與后連桿的長(zhǎng)度比（L＋L）/L ，對(duì)兩柱掩護(hù)式支架一般為1.4～2.1，對(duì)四柱支撐掩護(hù)式支架一般為1.2～1.8。經(jīng)計(jì)算，此處掩護(hù)梁與后連桿的長(zhǎng)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(lái)壓時(shí)，立柱讓壓而下縮。使頂梁有前移的趨勢(shì)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動(dòng)。使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，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(lái)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(jì)四連機(jī)構(gòu)時(shí)曲線運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度已知后，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(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行作圖就可以了。
2.2.3 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(zhǎng)桿b之和小于其余兩桿長(zhǎng)度之和，而最短桿為上連桿（掩護(hù)梁），最短桿的對(duì)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(zhǎng)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(huà)一弧ab。以I為圓心，以HC的長(zhǎng)度為半徑畫(huà)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(shí)的極限位置。
在CH上取一長(zhǎng)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(duì)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。
P=4000KN
=14.7 MPa
K=0.65
求得D＝165 mm
根據(jù)1984年我國(guó)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(jì)算數(shù)據(jù)取D=200 mm
查表得柱徑為d＝φ185mm
初撐力 ＝ （kN）
式中 D：缸體內(nèi)徑 （m）
：?jiǎn)挝粨Q算值
工作阻力 P＝ （kN）
式中為安全閥的調(diào)定壓力，也是缸體內(nèi)的壓力。
因?yàn)閜=4000kN
選用安全閥開(kāi)啟壓力為=31.8MPa
2> 千斤頂?shù)挠?jì)算和立柱相同。
千斤頂?shù)耐屏屠τ?jì)算
固定活塞式千斤頂?shù)耐屏Π聪率接?jì)算：
(kN)
固定活塞式千斤頂?shù)睦Π聪率接?jì)算：
（kN）
式中 D：千斤頂缸體內(nèi)徑 （m）
d：千斤頂活塞桿的外徑 （m）
：泵站壓力 （MPa）
由于D>d，所以固定活塞式千斤頂?shù)耐屏Υ笥诶Α?
5. 泵站壓力的確定
泵站壓力的確定按照立柱和千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫π枰_定為：
P = 14.7MPa
計(jì)算得ZZ4000/17/35 支撐掩護(hù)式液壓支架技術(shù)參數(shù)如下：
支架
形式
支撐掩護(hù)式
操作方式
鄰架操作
高度
1.7～3.5
m
寬度
1.42～1.59
m
初撐力
1884
kN
工作阻力
4000
kN
支護(hù)寬度
1.5
m
支護(hù)強(qiáng)度
730
kPa
底座面積
2.6
底座比壓
10.7
MPa
重量
10500
Kg
泵站工作壓力
14.7
MPa
立柱(4根)
缸徑
200
mm
活柱直徑
185
mm
行程
900
mm
初撐力
462
kN
降拉力
121
kN
工作阻力
1000
kN
短柱（前梁千斤頂）（1根）
缸徑
140
mm
活塞桿直徑
105
mm
行程
140
mm
初撐力
226
kN
拉力
99
kN
工作阻力
588.6
kN
前梁端部最大支撐力
127.5
kN
前梁向上擺角
15°
前梁向下擺角
19°
推移千斤頂（1根）
缸徑
140
mm
活塞桿直徑
85
mm
行程
700
mm
推力
145.7
kN
拉力
231
kN
護(hù)幫千斤頂（1根）、側(cè)推千斤頂（4根）
缸徑
80
mm
活塞桿直徑
45
mm
推力
75
kN
拉力
51.5
kN
行程相應(yīng)為
250
mm
三、支架的強(qiáng)度計(jì)算
3.1 支架的工作狀態(tài)
(1) 頂板狀態(tài)
在采煤工作面中，當(dāng)煤被采出后，就會(huì)出現(xiàn)一定的空間，由于上部巖從壓力，出現(xiàn)離從和裂隙，如果不及時(shí)支護(hù)，頂板就要冒落，不支護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)，危險(xiǎn)就越大，而頂板冒落時(shí)有一定過(guò)程的，一般分為三個(gè)階段，開(kāi)始頂板處于無(wú)壓狀態(tài)，次時(shí)頂板較完整，而且沒(méi)有下沉，通常稱為老頂來(lái)壓，次時(shí)頂板并不破裂，且這種下沉帶有一定的周期，所以稱為老頂周期來(lái)壓狀態(tài)，如不及時(shí)支護(hù)，頂板就會(huì)破裂而冒落，此時(shí)叫冒落狀態(tài)。
(2) 支架工作狀態(tài)
開(kāi)始支架以初承力支承頂板，此時(shí)為無(wú)壓狀態(tài)，當(dāng)周期來(lái)壓時(shí)，頂板下沉，使立柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到大于安全閥調(diào)定正壓力時(shí)，安全閥被打開(kāi)，使立柱下腔壓力下降，稱立柱讓壓狀態(tài)，使支架以工作阻力支護(hù)頂板；如繼續(xù)來(lái)壓，就要不斷讓壓，所以立柱要有一定的向下行程，如沒(méi)有向下行程，稱壓死狀態(tài)，這是在設(shè)計(jì)和使用中，必須要注意避免的現(xiàn)象。
(3) 支架受力
支架在工作面受力是由于頂板下沉，同時(shí)又有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，使頂梁受合力和底座受底板壓力，其中頂板合力的垂直分力，由支架工作阻力來(lái)克服，所以我們?cè)谟?jì)算支架的工作載荷F時(shí)按支架的工作阻力來(lái)確定。
3.2 支架載荷的確定
液壓支架實(shí)際受載荷情況很復(fù)雜，頂梁和底座上的載荷即非集中載荷又非均布載荷，分布規(guī)律隨著支架與頂?shù)装宓慕佑|情況而變化，為簡(jiǎn)化計(jì)算作如下規(guī)定。
(1) 把支架化簡(jiǎn)成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)，同時(shí)為防于安全，按集中載荷進(jìn)行計(jì)算。
(2) 金屬結(jié)構(gòu)件按材料力學(xué)上的直梁理論來(lái)計(jì)算。
(3) 頂梁，底座與頂?shù)装逭J(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長(zhǎng)度方向按線性規(guī)律，沿支架寬度方向?yàn)榫肌?
(4) 通過(guò)分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上煤塊的作用力，只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降低，所以在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)不計(jì)。
(5) 立柱和短柱按最大工作阻力來(lái)計(jì)算。
(6) 作用在頂梁上水平力的產(chǎn)生有二種情況：一種是支架在承載讓壓時(shí)，由于頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡為雙扭線，所以頂梁與頂板有產(chǎn)生位移的趨勢(shì)，水平力為頂梁合力與靜摩擦系數(shù)的乘積，其方向與頂梁產(chǎn)生位移方向趨勢(shì)相反；另一種是由于頂板向采空區(qū)方向移動(dòng)，使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平力，最大水平力值與上相同。頂梁與頂板的靜摩擦系數(shù)f?，目前國(guó)內(nèi)一般取0.2～0.3。
(7) 支架各部分受力，按不同支護(hù)高度時(shí)受力最大值進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(8) 各種結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核，除按理論支護(hù)阻力校核危險(xiǎn)端面外，還要按《液壓支架形式試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的各種加載方法，以支架的額定工作阻力逐一校核，超過(guò)額定工作阻力10％的超載試驗(yàn)，將由安全系數(shù)來(lái)保證強(qiáng)度。
3.3 支架受力分析
支架的受力分析與計(jì)算，是按理論力學(xué)中一個(gè)物體受幾個(gè)力的作用下處于平滑狀態(tài)時(shí)，所受力和力矩之和為零的原理來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算的。即以當(dāng)支架支承后在處于平衡狀態(tài)時(shí)，取整體或某一個(gè)部分為分離體也處于平衡狀態(tài)，其合力和合力矩為零。即滿足靜力平衡的充分必要條件為各力在x上的投影之和為零，各力在 y上的投影之和為零;各力對(duì)某點(diǎn)取矩之和為零。下面就根據(jù)這一理論對(duì)支架簡(jiǎn)化成平面桿系進(jìn)行受力分析和計(jì)算。
直接撐頂?shù)闹窝谧o(hù)式支架各支撐點(diǎn)受力計(jì)算：
假設(shè)頂梁受以集中載荷,水平分力為。掩護(hù)梁上載荷的合力分量各為和。前排立柱工作阻力為,后排立柱工作阻力為。受力狀態(tài)如圖3－1所示。
圖 3－1 直接撐頂支撐掩護(hù)式支架受力情況
取頂梁和掩護(hù)梁為隔離體，=0, 即：
（3－1）
=0,即：
（3－2）
，即：
（3－3）
取頂梁為隔離體，,即：
由上式得：
（3－4）
把(3－4)式代入（3－1）式，解得：
(3－5)
由（3－4）式和（3－1）解得：
（3－6）
（3－7）
3.3.1 各主要參數(shù)的影響
支撐掩護(hù)式支架在工作過(guò)程中，各主要部件的受力是變化的，其影響因素有諸多方面。
(1) 立柱傾角對(duì)承載能力的影響
由于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的立柱大部分是傾斜布置的，傾角又隨著支架的高度變化，所以支架的承載能力的大小也隨著支架的高度而變化。現(xiàn)在對(duì)承載能力的影響。
立柱支撐在頂梁，當(dāng)立柱的工作阻力為，傾角為時(shí)，顯然支架的承載能力與COS有直接的關(guān)系。因?yàn)镃OS≤1，因此立柱傾斜布置將使支架的承載能力降低。角和COS之間的關(guān)系表示在右圖中。由圖看到，當(dāng)<18時(shí)，COS>0.95，支架的承載能力降低值不等大于５％。當(dāng)>26時(shí)，COS<0.90，所以支架承載能力將顯著的減小。因此叢支架承載能力的角度看，立柱傾角不要大于18。但是，有些支架為了使高度變化的范圍增大，角往往大于30。
(2) tgθ值對(duì)支架承載能力的影響
在以上各式中有多項(xiàng)公式包含tgθ，分析如下：
O點(diǎn)是瞬時(shí)中心，隨著支架高度的變化，O點(diǎn) 的位置也發(fā)生變化，tgθ也跟著發(fā)生變化。當(dāng)O點(diǎn)在頂梁上方時(shí)，tgθ取正值。當(dāng)O點(diǎn)在頂梁下方時(shí)tgθ取負(fù)值。
tgθ值增加，附加力增加。當(dāng)摩擦系數(shù)W＝0.3，tgθ=0.1時(shí)，附加力可達(dá)支架名義工作阻力的30％。所以tgθ值過(guò)大對(duì)支架受力不利。在支架的工作高度范圍內(nèi)，一般把tgθ值控制在0.35以下，從而把附加力控制在支架名義工作阻力的10％范圍內(nèi)。（詳細(xì)分析間《液壓支架》課本張家鑒 主編此處不再贅述）
最后，必須指出，tgθ不僅對(duì)承載能力有影響，而且對(duì)各受力部件有影響，并相當(dāng)復(fù)雜，因此tgθ是大是小，由具體情況而定。
(3) 支架承載能力隨高度的變化
由支架載荷的計(jì)算式直到，其中、、是隨高度而變化的，因此支架的支撐力也就隨著高度而變化。在調(diào)高范圍內(nèi)，支架的承載能力在兩側(cè)的高度內(nèi)比較小。一般情況下，掩護(hù)式支架常用加大立柱的傾角來(lái)擴(kuò)大支架的調(diào)高范圍。而角越大，支架的承載能力越小。所以支架的調(diào)高范圍越大，承載力變化越大。但是支架在設(shè)計(jì)中一般都要按可能的最大承載力來(lái)設(shè)計(jì)，顯然這就使支架不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，在很大的一段承載范圍內(nèi)就要大材小用。所以設(shè)計(jì)掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架時(shí)，應(yīng)特別注意使支架承載力在整范圍內(nèi)的變化盡量小。
另外指出，支撐式支架的支護(hù)高度對(duì)支架受力沒(méi)有影響，而掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，由于支護(hù)高度的變化，使立柱的支撐角度、平衡千斤頂?shù)慕嵌取⒀谧o(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)的角度等的不同，使受力也不同。
在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，要以頂梁承受最大負(fù)荷時(shí)的支護(hù)高度為依據(jù)，按此時(shí)的工況進(jìn)行受力分析。
(4) 摩擦系數(shù)的影響
① 對(duì)支架承載能力的影響 摩擦系數(shù)對(duì)支架承載能力的影響表現(xiàn)在項(xiàng)中。產(chǎn)生水平載荷的原因很多，所以它的大小和方向也是根據(jù)具體情況而變化。但是，它的極限值卻可以用頂梁和頂板支間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的極限摩擦力求得。即壁系數(shù)斷裂極限值等于頂梁和頂板的摩擦系數(shù)。所以此值的大小在0～范圍內(nèi)變化。
水平載荷的方向可以只考慮向后作用，也就是從煤壁向老塘的方向作用。加入頂梁上受向前的水平載荷，很容易使支架向前傾倒，這種趨勢(shì)使頂梁對(duì)于頂板向前滑動(dòng)，則水平載荷又