支撐掩護(hù)式液壓支架設(shè)計(jì)【ZY7200-24-48】【4A0】【含8張CAD圖紙+PDF圖】

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Modern longwall mining employs hydraulic powered supports at the face area. The supports not only holds up the roof, pushes the face chain conveyor, and advances itself, but also provides a safe environment for all associated mining activities. Therefore its successful selection and application are the prerequisite for successful longwall mining. Furthermore, due to the large number of units required, the capital invested for the power support usually accounts for more than half of the initial capital for a longwall face. Therefore both from technical and economic points of view, the powered support is a very important piece of equipment in a long wall face. The chock shield combines the features of the chocks and the shields. As such it possesses the advantages of both. The hydraulic support described is a part of the mining industry equipment in the mine, used for protection of working environment in the gallery. It works well or bad at work basing on its support mode, frame and some parameters. In the first step, the optimal values of some parameters of the leading four-bar mechanism are determined by using Visual Basic. Secondly, the base of mechanic model of support-surrounding, the mechanism and loads on the support is decided. The next work, with the condition of the design, the main mechanics of hydraulic support is analyzed and calculated by plane and spatial model. Finally, the under frame, top beam cave shield, wrists and hydraulic column are analyzed by calculation. And draw out all the process drawings. Key words: chock-shield hydraulic support;canopy; four-bar links; lemiscate;strength 目 錄 1支撐掩護(hù)式液壓支架概述 1 1.1 液壓支架的用途 1 1.2液壓支架的工作原理 1 1.2.1支架升降 1 1.2.2 支架移動(dòng)和推移輸送機(jī) 4 1.4 液壓支架的組成 5 1.4.1 頂梁 5 1.4.2 底座 5 1.4.3 立柱 6 1.4.4 掩護(hù)梁 6 1.4.5 活動(dòng)側(cè)護(hù)板 6 1.4.6 連桿 7 1.4.7操縱控制系統(tǒng) 7 1.5 液壓支架的設(shè)計(jì) 7 1.5.1 設(shè)計(jì)目的 7 1.5.2 對液壓支架的基本要求 8 1.5.3 設(shè)計(jì)液壓支架必需的基本參數(shù) 8 1.5.4堅(jiān)硬頂板的液壓支架設(shè)計(jì) 9 1.6 液壓支架的設(shè)計(jì)動(dòng)向 10 2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.1 液壓支架基本尺寸的確定 13 2.1.1 支架高度和伸縮比 13 2.1.2 支架中心距 14 2.1.3 支架的寬度 14 2.2 支架整體機(jī)構(gòu)尺寸確定 14 2.2.1底座長度 14 2.2.2確定四連桿機(jī)構(gòu)和掩護(hù)梁長度 14 2.2.2.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用 14 2.2.2.2四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征 15 2.2.2.3四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法 17 2.2.3確定頂梁的長度 22 2.2.4 液壓支架的性能參數(shù) 24 2.2.4.1液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度 24 2.2.4.2液壓支架的工作阻力 24 2.2.4.3液壓支架的初撐力 25 2.2.4.4液壓支架的移架力和推溜力 25 2.2.5 立柱布置 25 2.2.6 支架在工作面的通風(fēng)斷面積驗(yàn)算 26 2.2.7 確定立柱和千斤頂 28 2.2.7.1立柱的尺寸 28 2.2.7.2立柱的初撐力 30 2.2.7.3立柱的工作阻力 30 2.2.7.4移架千斤頂?shù)某叽?31 2.2.7.5移架千斤頂?shù)男谐?33 3液壓支架的受力分析及校核 34 3.1液壓支架的工作阻力 34 3.2壓支架前連桿的受力 35 3.3支架后連桿的受力 36 3.4頂梁強(qiáng)度計(jì)算 37 3.4.1頂梁受力情況 37 3.4.2 頂梁強(qiáng)度計(jì)算 39 3.5掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算 40 3.5.1 掩護(hù)梁受力情況 40 3.5.2掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算 42 3.6底座強(qiáng)度計(jì)算 43 3.6.1 底座受力情況 43 3.6.2 強(qiáng)度計(jì)算 46 3.6.3 底座接觸比壓計(jì)算 47 3.7立柱強(qiáng)度計(jì)算 49 3.7.1 立柱參數(shù) 49 3.7.2 計(jì)算重疊長度 49 3.7.3各種系數(shù)的計(jì)算 51 3.7.4上活柱的強(qiáng)度核算 52 3.7.5下活柱的強(qiáng)度核算 53 3.7.6缸體強(qiáng)度核算 54 3.7.7立柱的穩(wěn)定裕量驗(yàn)算 55 3.8銷軸的設(shè)計(jì) 55 4 液壓支架的液壓系統(tǒng) 58 4.1 立柱和千斤頂 58 4.2 支架液壓閥 60 4.2.1 液控單向閥 60 4.2.2 安全閥 61 4.2.3 操縱閥 61 4.4 液壓系統(tǒng)安裝、調(diào)試 63 4.4.1 安裝 63 4.4.1.1液壓管道的安裝要求 63 4.4.1.2液壓件安裝要求 66 4.4.2 調(diào)試： 68 5 液壓支架的操作和維護(hù) 69 5.1 液壓支架的操作維護(hù)要求 69 5.2 液壓支架的操作管理事項(xiàng) 69 5.3 液壓支架維護(hù)和管理的具體內(nèi)容 70 結(jié) 論 73 參考文獻(xiàn)： 74 附錄： 76 英文原文 87 中文譯文 94 致 謝 99 中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第99頁 1支撐掩護(hù)式液壓支架概述 1.1 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，必須對頂板進(jìn)行支護(hù)。而液壓支架是一高壓液體作為動(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)。液壓支架與可彎曲輸送機(jī)和采煤機(jī)組成綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對增加采煤工作面產(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 液壓支架的主要?jiǎng)幼饔猩?、降架、推移輸送機(jī)和移架。這些動(dòng)作是利用乳化液泵站提供的高壓液體，通過液壓控制不同功能的液壓缸來完成的。每架支架的液壓管路都與工作面主管路并聯(lián)，形成各自獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，如圖1－1所示，其中液控單向閥和安全閥設(shè)在架內(nèi)，操縱閥可設(shè)在本架或鄰架內(nèi)，前者為本架操作，后者為鄰架操作。 1.2.1支架升降 支架的升降依靠立柱2的伸縮來實(shí)現(xiàn)，其工作過程如下： 1、初撐 操縱閥8處于升柱位置，由泵站輸送來的高壓液體經(jīng)液控單向閥6進(jìn)入立柱的下腔，同時(shí)立柱的上腔排液，于是活柱和頂梁升起，支撐頂板。當(dāng)頂梁接觸頂板，立柱下腔的壓力達(dá)到泵站的工作壓力后，操縱閥置于中位，液控單向閥6關(guān)閉，從而立柱下腔液體被封閉，這就是支架的初撐階段。 2、承載 支架初撐后，進(jìn)入承載階段。隨著頂板的緩慢下沉，頂板對支架的壓力不斷增加，立柱下腔被封閉的液體壓力將隨之迅速升高，液壓支架受到彈性壓縮，并由于立柱缸壁的彈性變形而使缸徑產(chǎn)生彈性擴(kuò)張，這一過程就是支架的增阻過程。當(dāng)下腔液體的壓力超過安全閥5的動(dòng)作壓力時(shí)，高壓液體經(jīng)安全閥5瀉出，立柱下縮，直至立柱下腔的液體壓力小于安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉，停止泄液，從而使立柱工作阻力保持恒定，這就是恒阻過程。此時(shí)，支架對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。 3、卸載 當(dāng)操縱閥8處于降架位置時(shí)，高壓液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開液控單向閥6，立柱下腔排液，于是立柱卸載下降。 由以上分析可以看出，支架工作時(shí)的支撐力變化可分為三個(gè)階段，如圖1－2，即：開始升柱至單向閥關(guān)閉時(shí)的初撐增阻階段，初撐后至安全閥開啟前的增阻階段，以及安全閥出現(xiàn)脈動(dòng)卸載時(shí)的恒阻階段，這就是液壓支架的阻力－時(shí)間特性。它表明液壓支架在低于額定工作阻力下工作時(shí)，具有增阻性，以保證支架對頂板的有效支撐作用，在達(dá)到額定工作阻力時(shí)，具有恒阻性；為使支架恒定在此最大支撐力，又具有可縮性，即支架在保持恒定工作阻力下，能隨頂板下沉而下縮。增阻性主要取決于液控單向　立柱的密封性能，恒阻性與可縮性主要由安全閥來實(shí)現(xiàn)，因此安全閥、液控單向閥和立柱是保證支架性能的三個(gè)重要元件。 1.2.2 支架移動(dòng)和推移輸送機(jī) 支架和輸送機(jī)的前移，由底座3上的推移液壓缸4來完成。 需要移架時(shí)，先降柱卸載，然后通過操縱閥使高壓液體進(jìn)入推移液壓缸4的活塞桿腔，活塞腔回液，以輸送機(jī)為支點(diǎn)，缸體前移，把整個(gè)支架拉向煤壁。 需要推移輸送機(jī)時(shí)，支架支撐頂板，高壓液體進(jìn)入推移活塞缸4的活塞腔，活塞桿腔回液，以支架為支點(diǎn)，活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。 1.3 液壓支架的分類 液壓支架按結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)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(diǎn)是：立柱多，支撐力大，切頂性能好；頂梁長，通風(fēng)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(gè)框架組成，用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)互相聯(lián)系，交替前進(jìn)， （2）垛式 整個(gè)支架為一整體結(jié)構(gòu)，整體移動(dòng)，通常有4～6根立柱，可以支撐堅(jiān)硬與極堅(jiān)硬的頂板。 2、掩護(hù)式支架 掩護(hù)式支架利用立柱、短頂梁支撐頂板，利用掩護(hù)梁來防止巖石落入工作面。其特點(diǎn)是：立柱少，切頂能力弱；頂梁短，控頂距?。挥汕昂筮B桿和底座鉸接構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)使抗水平力的能力增強(qiáng)，立柱不受橫向力；而且使板前端的運(yùn)動(dòng)軌跡為近似平行于煤壁的雙紐線，梁端距變化??；架間通過側(cè)護(hù)板密封，掩護(hù)性能好；調(diào)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(hù)式支架 支撐掩護(hù)式支架具有支撐式的頂梁和掩護(hù)式的掩護(hù)梁，它兼有切頂性能和防護(hù)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(jù)使用條件，支撐掩護(hù)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。 1.4 液壓支架的組成 液壓支架由以下六個(gè)主要部分組成： 頂梁、底座、立柱、掩護(hù)梁、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、推移機(jī)構(gòu)、操縱控制系統(tǒng) 1.4.1 頂梁 用途： 1、用于支撐維護(hù)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(hù)梁、前后連桿經(jīng)底座傳到底板。 要求： 1、頂梁應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，即使在接觸應(yīng)力分布不均勻的情況下也不致被壓壞； 2、頂梁應(yīng)有足夠的剛度，以承受扭力； 3、頂梁對頂板的覆蓋率高； 4、頂梁能適應(yīng)頂板的起伏變化。 1.4.2 底座 用途： 1、為支架的其他結(jié)構(gòu)件和工作機(jī)構(gòu)提供安設(shè)的基礎(chǔ)； 2、與前后連桿和掩護(hù)梁一起組成四連桿機(jī)構(gòu)； 3、將立柱和前后連桿傳遞的頂板壓力傳遞給底板。 要求： 1、底座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度； 2、底座對底板的起伏變化適應(yīng)性好； 3、底座與底板的接觸面積大，以減小底座對底板的接觸比壓，避免支架陷入底板； 4、底座應(yīng)有足夠的地方來安設(shè)立柱、推移裝置以及液壓控制裝置； 5、底座要能把落入支架內(nèi)的碎矸排棄到老塘中。 1.4.3 立柱 用途： 1、支撐頂梁，承受載荷的作用； 2、調(diào)節(jié)支架的高度，使支架的高度滿足工作面的要求； 3、立柱設(shè)置有大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。 1.4.4 掩護(hù)梁 用途： 1．掩護(hù)梁承受頂梁部分載荷和掩護(hù)梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座； 2．掩護(hù)梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩； 3．掩護(hù)梁和頂梁（包括活動(dòng)側(cè)護(hù)板）一起 ，構(gòu)成了支架完善的支撐和掩護(hù)體，完善了支架的掩護(hù)和擋矸能力。 1.4.5 活動(dòng)側(cè)護(hù)板 用途： 1、消除相鄰支架掩護(hù)梁和頂梁之間的架間間隙，防止冒落的矸石進(jìn)入支護(hù)空間； 2、作為支架移架過程中的導(dǎo)向板； 3、防止支架降落后傾倒； 4、調(diào)整支架的間距。 1.4.6 連桿 前后連桿是四連桿機(jī)構(gòu)中重要的運(yùn)動(dòng)和承載部件，與掩護(hù)梁和底座的一部分共同組成四連桿機(jī)構(gòu)，使支架能承受圍巖載荷、水平作用力和保持穩(wěn)定。其四連桿機(jī)構(gòu)的作用： 1、通過四連桿機(jī)構(gòu)，使支架頂梁端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，從而使用使支架前端頭離煤距離大大減小，提高了管理頂板性能； 2、能承受較大的水平力。 1.4.7操縱控制系統(tǒng) 液壓支架由不同數(shù)量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實(shí)現(xiàn)升柱、降柱、移架、推溜等動(dòng)作。雖然支架的液壓缸（立柱和千斤頂）種類、數(shù)量很多，但其液壓系統(tǒng)都是采用多執(zhí)行元件的并聯(lián)系統(tǒng)。 對于液壓支架的操縱控制系統(tǒng)傳動(dòng)裝置，應(yīng)具有以下基本要求：采用結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)備外形尺寸小，能遠(yuǎn)距離的傳送大的能量；能承受較大載荷；沒有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；在爆炸危險(xiǎn)和含塵的空氣里保證安全工作；動(dòng)作迅速；操作調(diào)節(jié)簡單；過載及損壞保護(hù)簡單。 容積式液壓傳動(dòng)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(dòng)。 1.5 液壓支架的設(shè)計(jì) 1.5.1 設(shè)計(jì)目的 采用綜合機(jī)械化采煤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。為了滿足對煤炭日益增長的需求，必須大量生產(chǎn)綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機(jī)械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。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(jī)械性質(zhì)等的不同，對液壓支架的要求也不同。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。由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)。 1.5.2 對液壓支架的基本要求 1．為了滿足采煤工藝及地質(zhì)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100左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100～150，中厚煤層一般為150～250，厚煤層一般為300～400。 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(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，能夠承受一定的不均勻載荷。 10．在滿足強(qiáng)度條件下，盡可能減輕支架的重量。 11．要易于拆卸，結(jié)構(gòu)簡單。 12．液壓元件要可靠。 1.5.3 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)姆诸悾瑢χЪ苓M(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．底板巖性和小時(shí)涌水量 根據(jù)底板巖性和小時(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，決定是夠選用防滑防倒裝置。 7．井筒罐籠尺寸 根據(jù)井筒罐籠尺寸，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)方式來計(jì)算頂梁長度。 1.5.4堅(jiān)硬頂板的液壓支架設(shè)計(jì) 堅(jiān)硬頂板工作面頂板不易冒落，直接頂或基本頂懸頂時(shí)間長。一但冒落，瞬間頂板壓力顯著增大，支架立柱安全閥來不及釋放，立柱可能遭破壞。因此，對堅(jiān)硬頂板液壓支架設(shè)計(jì)的要求是： 1、根據(jù)直接頂和基本頂?shù)膸r性、分類級(jí)別、截高及配套設(shè)備，確定支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力，支架要有足夠切頂能力。 2、應(yīng)盡量減小掩護(hù)梁長度，增大掩護(hù)梁與水平夾角，減小掩護(hù)梁在水平線上的投影長度。如有的支架在低位狀態(tài)時(shí)，掩護(hù)梁與垂線夾角仍有30左右，相當(dāng)于一般支架在高位狀態(tài)時(shí)的掩護(hù)梁夾角。如果在工作高度時(shí)，掩護(hù)梁大部分都能被頂梁所遮蓋是較為理想的。另外，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除保證必要的強(qiáng)度和剛度之外，還要具有抗沖擊能力。 3、支架掩護(hù)梁間的密封可嚴(yán)些，頂梁架間密封要求不十分嚴(yán)格，因?yàn)轫斄洪g漏矸的可能性較小。 4、支架立柱應(yīng)設(shè)置大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。為此，安全閥流量的選擇應(yīng)考慮立柱缸徑、沖擊載荷來壓程度。對于有沖擊載荷的頂板，如不采取頂板處理措施，立柱應(yīng)安設(shè)置一大一小兩個(gè)安全閥以確保支架的安全 5、考慮沖擊載荷影響，支架結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)應(yīng)提高，至少應(yīng)比通常支架安全系數(shù)提高20%。 6、應(yīng)考慮支架可能承受的水平方向沖擊力。支架結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，摩擦系數(shù)取值應(yīng)考慮f=0.3時(shí)水平力對支架強(qiáng)度的影響。 1.6 液壓支架的設(shè)計(jì)動(dòng)向 21 世紀(jì)是以網(wǎng)絡(luò)信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時(shí)期，也是是煤礦以高效集約化生產(chǎn)為特征的新時(shí)期，為了滿足高產(chǎn)綜采工作面生產(chǎn)發(fā)展的需要，就煤炭綜采而言，國外主要產(chǎn)煤國家從未停止過依靠更大的技術(shù)投入取得采煤更高經(jīng)濟(jì)效益的努力。我們也必須抓緊研制和推廣電液控制系統(tǒng)。液壓支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后，就可有效地克服上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對支架的電液控制，而且有多種控制方式可供選擇，人員可在較安全的地方集中對整個(gè)工作面的支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或程序控制。現(xiàn)在世界上已經(jīng)有70 多個(gè)電液自動(dòng)化控制工作面。工作面的技術(shù)設(shè)備又正在以迅猛之勢向前發(fā)展。我們不能依賴?yán)蠈?shí)進(jìn)口，我們要自己研制，否則和我國產(chǎn)煤大國的地位也是極不相稱的。 我國液壓支架經(jīng)過20 多年的發(fā)展， 盡管取得了顯著成績， 在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn)過日產(chǎn)萬噸、甚至班產(chǎn)超萬噸的記錄， 但總體水平與世界先進(jìn)采煤國家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾， 有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強(qiáng)力支架、端頭支架還有獨(dú)到之處， 但國產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏低， 電液控制閥可靠性差，所用鋼材一般為16Mn ，最好的屈服極限才700 ， 液壓系統(tǒng)壓力在35 以下，流量在200 以內(nèi)，供液管Φ25～Φ32 ，回液管Φ25～Φ50 ， 最快移架速度10～12 (井下實(shí)際應(yīng)用有時(shí)在20 以上) ， 工作阻力更是相對較低。 今后10 年， 我國的液壓支架將朝技術(shù)含量大、鋼板強(qiáng)度高、移架速度快(6～8) 和電液控制閥的方向發(fā)展， 對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力， 盡量采用整體可靠推桿和抬底座機(jī)構(gòu)，并減少千斤頂?shù)臄?shù)量。另外，將普遍采用額定壓力為40 、額定流量為400 的高壓大流量乳化液泵站， 以適應(yīng)快速移架的需要； 系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液， 保證支架有足夠的壓力達(dá)到初撐力，保證支架接頂位置準(zhǔn)確。ZY 兩柱掩護(hù)式支架的比重將大大增加， 缸徑將增至Φ360 ， 端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。所以，今后除應(yīng)繼續(xù)針對我國國情和煤層具體條件，開發(fā)一些新架型、新品種外，還應(yīng)在改進(jìn)支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫。 作為一種回采工作面的支護(hù)設(shè)備，液壓支架的架型、結(jié)構(gòu)與相關(guān)參數(shù)，必須與回采工作面的頂、底板條件和煤層條件相適應(yīng)，才能取得良好的支護(hù)效果。由于地下開采條件的復(fù)雜性和多樣性，因此，盡管國內(nèi)外對液壓支架己經(jīng)過了近半個(gè)世紀(jì)的研究和應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)十種不同的結(jié)構(gòu)架型，但至今為止，也僅能在緩傾斜中厚以下煤層中獲得了較為成功的應(yīng)用，對于傾斜、急傾斜或厚煤層中的液壓支架尚處在研究和試驗(yàn)階段。即使對于緩傾斜中厚煤層的液壓支架，其結(jié)構(gòu)、性能與控制方式如何更適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件，仍需不斷的改進(jìn)和研究。目前，液壓支架設(shè)計(jì)研究取得重要進(jìn)展，主要在以下方面： 1、 設(shè)計(jì)理論和方法有了突破。煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所對支架力學(xué)持性進(jìn)行了深入的研究，提出了液壓支架三維力學(xué)模型的計(jì)算方法，克服了傳統(tǒng)平面力系計(jì)算方法的缺陷，提出了液壓支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出液壓支架設(shè)計(jì)計(jì)算通用軟件系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用，使我國液壓支架設(shè)計(jì)計(jì)算提高到一個(gè)新水平。 2、 完成液壓支架計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的研究。把有限元方法成功地用于液壓支架的研究，建立了液壓支架整體有限元模型，開發(fā)出SSTS液壓支架模擬試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真軟件系統(tǒng)，大大提高了液壓支架設(shè)計(jì)的可靠性，廣泛應(yīng)用于液壓支架設(shè)計(jì)研究，達(dá)到國際先進(jìn)水平， 為我國液壓支架打入國際市場發(fā)揮了重要作用。 3、 技術(shù)規(guī)范和標(biāo)淮化建設(shè)取得重要進(jìn)展。我們已先后制定液壓支架系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)17項(xiàng)，成為國際上液壓支架標(biāo)準(zhǔn)較完善的國家之一，促進(jìn)了液壓支架技術(shù)的發(fā)展。 4、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)有了較大發(fā)展。開發(fā)了CAD工作站和微機(jī)CAD系統(tǒng)，建成了較完整的液壓支架數(shù)據(jù)庫和通用件國庫，并正在逐步實(shí)現(xiàn)支架設(shè)計(jì)CAD化。 5、液壓支架控制系統(tǒng)有了重大進(jìn)步。根據(jù)我國國情研制的全液壓手動(dòng)控制快速移架系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由過去的20～ 30，提高到9～12。 6、 新架型研制成績顯著，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善。新型高可靠性支架，反向四連桿高產(chǎn)高效低位放頂煤支架，適應(yīng)中小煤礦的單一煤層開采用輕型支架和輕型單擺桿放頂煤支架均取得成功。 基于以上進(jìn)展，液壓支架的研究與發(fā)展方向是： 1、 在己有支架設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究支架的智能化設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高支架設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可靠性和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化性。 2、 研究特殊煤層使用的液壓支架，以適應(yīng)不同的開采條件。 3、 研究新型元件與材質(zhì)，以減輕支架重量，提高支架的性能和使用壽命。 4、 研究支架的遙控、程序控制和性能自動(dòng)監(jiān)測，為回采工作面的半自動(dòng)化與自動(dòng)化創(chuàng)造條件。 2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 液壓支架基本尺寸的確定 2.1.1 支架高度和伸縮比 支架高度的確定原則，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確定，其最大和最小高度為： 　　 式中 —支架最大高度，　??； —支架最小高度　??； —煤層最大高度，?。? —煤層最小高度，　； —考慮偽頂，煤皮冒落后，仍有可靠初撐力所需要的支撐力高度，一般最200～300，取??； —頂板最大下沉量，一般100～200mm，??； a—移架時(shí)支架的最大可縮量，一般??； δ—浮矸石，浮煤厚度，一般??； 　 　 　 支架伸縮比 一般范圍內(nèi)采用單伸縮立柱， 所以應(yīng)采用雙伸縮立柱。 2.1.2 支架中心距 考慮液壓支架配套使用SGB-764/264型刮板輸送機(jī)，該刮板運(yùn)輸機(jī)溜槽每節(jié)長度為1.5，因此，取中心距為1.5。 2.1.3 支架的寬度 支架的寬度應(yīng)考慮支架的運(yùn)輸，安裝和調(diào)架要求，支架頂梁上裝有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板的行程一般為170～200，取200. 支架的最小寬度，一般為1400～1430，取1400； 支架的最大寬度，一般為1570～1600，取1600。 2.2 支架整體機(jī)構(gòu)尺寸確定 2.2.1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(shè)計(jì)支架底座的長度時(shí)，應(yīng)考慮如下方面：支架對底板的接觸比壓要??；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。 因此，取底座長度為2900 。 2.2.2確定四連桿機(jī)構(gòu)和掩護(hù)梁長度 2.2.2.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用 1、通過四連桿機(jī)構(gòu)，使支架頂梁端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙曲線，從而使支架頂梁前端的端頭離煤壁距離大大減小，提高了管理頂板的性能。 2、能承受較大的水平力。 2.2.2.2四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征 1、支架從最高高度降到最低高度時(shí)，如圖2－1所示，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度，最好為30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P和后連桿與底平面的夾角Q，如圖2－1所示，應(yīng)滿足以下要求： 支架在最高位置時(shí)，P≤ ～，Q≤ ～；支架在最低位置時(shí)，考慮矸石便于下滑，以防矸石停留在掩護(hù)梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，,如果按鋼和矸石的摩擦系數(shù)為,即：,求得；為了安全可靠在最低工作位置時(shí)，應(yīng)使為宜，而Q角主要考慮掩護(hù)梁底部距底板要有一定的距離，防止支架后部冒落的巖石卡住后連桿，使支架不能降下來，一般取。 3、由圖2-1可知，掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)E’和瞬時(shí)中心O之間的連線與水平線的夾角為Q，設(shè)計(jì)時(shí)，要使范圍內(nèi)，主要原因是Q角直接影響附加力Qy的數(shù)值大小。 4、支架工作段要求曲線向前凸的一段，如圖2－1所示的h段，其原因?yàn)楫?dāng)頂板來壓時(shí)，立柱讓壓而下縮，使頂梁有前移的趨勢防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向老塘，同時(shí)底板陰止底座向后移；使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，從而增加了前梁端部的支護(hù)力，防止頂梁前端頂板冒落又可以使底座前端比壓減小，可防止啃底，有利移架，再則減少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩護(hù)梁來地克服，所以減輕了掩護(hù)梁的受力。 從以上分析得知，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)的曲線運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前凸的一段，所以當(dāng)已知掩護(hù)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)，進(jìn)行作圖計(jì)算就可以了，其掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖2－2所示。 從圖2－2可以看出，當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿已知，只要找到前連桿的長度和位置就可以了，其具體作法是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)后連桿，使支架最高位置時(shí)的E’點(diǎn)向下作近似直線運(yùn)動(dòng)，在掩護(hù)梁上定有一點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中有一段近似圓弧軌跡。只要找到這個(gè)圓弧軌跡的曲率半徑和曲率中心，就可以找到前連桿的位置和長度了。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩護(hù)梁上前連桿上鉸點(diǎn)所作的運(yùn)動(dòng)軌跡上，任找?guī)c(diǎn)，把掩護(hù)梁上前連桿上鉸點(diǎn)連線的垂直平分線所交的點(diǎn)為前連桿的下鉸點(diǎn)，這樣四連桿機(jī)構(gòu)就可以確定了 2.2.2.3四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法 首先用解析法確定掩護(hù)梁和后連桿的長度，如圖2－3所示。 L—掩護(hù)梁長度； —后連桿長度； —E’點(diǎn)垂直線到后連桿下鉸點(diǎn)之距； —支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度； 　 —支架最低位置時(shí)的計(jì)算高度； 　 從幾何關(guān)系可以列出: 將以上兩式聯(lián)立解得： 按四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征所要求的角度， 選定：； ； ； 。 支架在最高位置時(shí)的值為： 因此掩護(hù)梁的長度為： 　　 ?。骸　? 后連桿長度為： 　　 ?。骸　? 前后連桿上鉸點(diǎn)之間的距離L’為： 一般， 　　 具體作圖步驟如下： 1、確定后連桿下鉸點(diǎn)O點(diǎn)的位置，使它大體比底座略高，一般為200～250，考慮太低國安裝銷子困難，太高底座又笨重。 2、過O點(diǎn)作水平線H－H線與底座相平行。 3、過O點(diǎn)作一條直線與水平線H－H線相交其交角為。 4、以O(shè)點(diǎn)為圓心，以為半徑作圓，與該直線相交于A點(diǎn)，即為后連桿與掩護(hù)梁的上鉸點(diǎn)。 5、過A點(diǎn)作一條直線與水平線H－H線相交其交角為。 6、以A點(diǎn)為圓心，以L為半徑作圓，與該直線相交于E’點(diǎn)，即為掩護(hù)梁、與頂梁的鉸點(diǎn)。 7、過E’點(diǎn)作一條直線與水平線H－H平行的F－F直線，則H－H線與F－F線的距離為h，即為液壓支架最高位置的計(jì)算高度。 8、以A點(diǎn)為圓心，以0.25倍的L為半徑作圓，，即為前連桿的上鉸點(diǎn)。 9、過E’點(diǎn)作F－F線的垂線。假設(shè)在液壓支架升降過程中，E’點(diǎn)近似在此直線上滑動(dòng)。 10、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)為E’’’。 11、取E’E’’’中點(diǎn)為E’’點(diǎn)，為液壓支架在降到中間位置時(shí)，掩護(hù)梁與頂梁的鉸點(diǎn)。 12、以O(shè)點(diǎn)為圓心，以為半徑作圓弧。 13、以E’’點(diǎn)為圓心，以掩護(hù)梁長L為半徑作圓，與圓弧相交于A’點(diǎn)，此點(diǎn)為液壓支架在降到中間位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。 14、以E’’’點(diǎn)為圓心，以掩護(hù)梁長L為半徑作圓，與圓弧相交于A’’點(diǎn)，此點(diǎn)為液壓支架在最高位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。 15、。并以A’點(diǎn)為圓心，以0.25倍的L為半徑作圓，與E’’A’相交于B’點(diǎn)。以A’’點(diǎn)為圓心，以0.25倍的L為半徑作圓，與E’’’A’’相交于B’’點(diǎn)。即B、B’、 B’’三個(gè)點(diǎn)為液壓支架在三個(gè)位置時(shí)的前連桿的上鉸點(diǎn)。 16、連接A’O、A’’O，為液壓支架降到中間位置和最低位置時(shí)，后連桿的位置。 17、分別作BB’和B’B’’的垂直平分線交于C點(diǎn)，即為前連桿的下鉸點(diǎn)，BC為前連桿的長度。 16、過點(diǎn)C向H－H線作垂線，交于D點(diǎn)。則AO、AB、BC、CD為液壓支架的四連桿機(jī)構(gòu)。 按以上步驟作圖，結(jié)果如圖2-5所示。 2.2.2.4四連桿機(jī)構(gòu)的VB程序優(yōu)化 使用VB程序模擬頂梁的雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡。使用不同的參數(shù)，得到相應(yīng)的e，取最優(yōu)的解。 模擬程序見附錄。 2.2.3確定頂梁的長度 頂梁長度： 式中： B—液壓支架的配套尺寸； 液壓支架的配套設(shè)備有：MG－300型采煤機(jī)，SGB764/264型刮板輸送機(jī)。其配套尺寸如圖2－6所示。 A—后連桿長度，?。? G—掩護(hù)梁長度，??； e—支架由高到低頂梁前端最大位移量，??； C—梁端距， 考慮由于工作面頂板起伏不平造成輸送機(jī)和采煤機(jī)的傾斜，以及采煤機(jī)割煤時(shí)垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距。中厚煤層液壓支架梁端距在280～340，取　； —液壓支架在最高位置時(shí)，后連桿與水平面的夾角。 由前面知， —液壓支架在最高位置時(shí)，掩護(hù)梁與水平面的夾角。 由前面知， 　 　　 取　　 2.2.4 液壓支架的性能參數(shù) 2.2.4.1液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度 支護(hù)強(qiáng)度： 式中： K—作用于支架上的頂板巖石厚度系數(shù)，一般為5～8。 取　 M—截割高度，m。取最大截割高度，　 ρ—巖石密度，一般取　 　 2.2.4.2液壓支架的工作阻力 支架支撐頂板的有效工作阻力為： 　 式中： Fc—支架的支護(hù)面積， 　 式中： L—支架頂梁長度，　??； C—梁端距，　?。? B—支架頂梁寬度，　?。? K—架間距，　　。 　 　 　　 2.2.4.3液壓支架的初撐力 初撐力的大小對支架的支護(hù)性能和成本都有很大影響。較大的初撐力能使支架較快達(dá)到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為（0.6～0.8）倍的工作阻力。 取　初撐力為 ： 　 2.2.4.4液壓支架的移架力和推溜力 移架力與支架結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、煤層厚度、頂板性質(zhì)等有關(guān)。一般中厚煤層支架的為移架力150～300 ，取移架力為 250 ； 推溜力一般為100～150 ，取推溜力為150 。 2.2.5 立柱布置 該液壓支架采用雙伸縮立柱，立柱數(shù)目為4。 立柱間距指支撐式和支撐掩護(hù)式支架而言即前、后柱的間距。立柱間距的選擇原則為：有利于操作、行人和部件合理布置。支撐式支架和支撐掩護(hù)式支架的立柱間距為1～1.5。本支架立柱間距選1。 對于支撐掩護(hù)式支架，前柱窩一般近似在頂梁后部三分之二處，而下柱窩的位置根據(jù)立柱的角度來確定，一般立柱與底座垂線的夾角а角要小于，其具體位置如圖2-7所示。 2.2.6 支架在工作面的通風(fēng)斷面積驗(yàn)算 采煤工作面的過風(fēng)量與采煤工作面的通風(fēng)斷面積相關(guān)，采煤工作面的通風(fēng)斷面積不應(yīng)過小。但在工作面中安裝液壓支架后，通風(fēng)斷面積明顯減小。因此必須驗(yàn)算通風(fēng)斷面積。一般按工作面允許風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)保安規(guī)程規(guī)定，工作面風(fēng)速應(yīng)小于5。 采煤工作面風(fēng)速： 　　　 式中： 　V—工作面風(fēng)速，； —支架在采煤工作面的通風(fēng)斷面積，； Q—采煤工作面所需風(fēng)量，。 　 式中： —通風(fēng)不均系數(shù)，一般取=1.5； —保安規(guī)程允許的朝氣含量，一般??； —沼氣涌出量所需要的風(fēng)量，； 式中： 　 —日產(chǎn)量，=3000 T； q—每分鐘產(chǎn)生一噸煤沼氣涌出量，一般取=10， 。 則有: ＜5，這樣支架在工作面的通風(fēng)斷面積滿足要求。 2.2.7 確定立柱和千斤頂 2.2.7.1立柱的尺寸 立柱采用雙伸縮液壓缸 立柱的缸體內(nèi)徑： 　 式中： F—支架承受的理論總載荷力，F(xiàn)＝5611.5　； n—每架支架立柱數(shù)，n=4； Pa—安全閥調(diào)整壓力，Pa=40 ； α—立柱最大傾角，（支架降到最低位置時(shí)α角最大），α=。 參考表2－1 取　一級(jí)　缸/柱徑：230/220??； 二級(jí)　缸/柱徑：180/160 ； 公稱承載力：1800 表2-1　雙伸縮立柱缸、柱徑匹配關(guān)系 序號(hào) 一級(jí)　缸/柱徑 () 二級(jí)　缸/柱徑 () 公稱承載力 ?。ǎ? 1　 250/240 200/185 2200 2 230/220 180/160 1800 3 200/190 160/130 1400 4 180/170 140/120 1100 5 160/150 120/105 800 6 140/130 105/85 500 缸筒內(nèi)壓力為： 式中： F—支架承受的理論總載荷力，F(xiàn)＝5611.5?。? n—每架支架立柱數(shù)，n=4； D—一級(jí)缸內(nèi)徑，D＝230　。 　 　　　 　 缸筒材料采用27SiMn無縫鋼管 屈服極限：　； 安全系數(shù)：取??； 允用應(yīng)力： 　 缸筒內(nèi)壁厚度： 考慮到在液壓缸中處需要安裝導(dǎo)向套，選取缸筒內(nèi)壁厚度為 　 2.2.7.2立柱的初撐力 立柱的初撐力： 　 式中： —一級(jí)缸內(nèi)徑，　； —泵站壓力，?！　? 　 　　 2.2.7.3立柱的工作阻力 立柱的工作阻力： 　 式中： —一級(jí)缸內(nèi)徑，　； —安全閥額定工作壓力， ?！　? 　 　　 在0.35～0.7之間滿足要求。 2.2.7.4移架千斤頂?shù)某叽? 移架千斤頂采用單伸縮液壓缸 移架千斤頂?shù)母左w內(nèi)徑： 　 式中： F—移架力，F(xiàn)＝250　； —泵站壓力，； 參考表2－2 表2-2　千斤頂缸、桿徑匹配關(guān)系 序號(hào) 缸　徑 () 柱　徑 () 推　力 （） 拉　力 （） 1　 140 85 485 306 2 125 75 386 265 3 100 60 247 158 4 80 45 158 108 5 63 45 98 48 取　缸徑：125??； 柱徑：75 ； 推力：386?。? 　 拉力：265　。 缸筒內(nèi)壓力為： 式中： F—移架力，F(xiàn)＝250?。? D—缸筒內(nèi)徑，D＝125　。 　 　　　 　 缸筒材料采用27SiMn無縫鋼管 屈服極限：??； 安全系數(shù)：取??； 允用應(yīng)力： 　 缸筒內(nèi)壁厚度： 　 　 考慮到在液壓缸中處需要安裝導(dǎo)向套，選取缸筒內(nèi)壁厚度為 2.2.7.5移架千斤頂?shù)男谐? 移架千斤頂?shù)男谐膛c推移步距的關(guān)，推移步距為600，所以移架千斤頂?shù)男谐桃话銥?00～750。 取　行程為750。 3液壓支架的受力分析及校核 3.1液壓支架的工作阻力 假設(shè)掩護(hù)梁上沒有負(fù)載，其摩擦系數(shù)為。 液壓支架在最高位置時(shí)，每根立柱的工作阻力為： 取頂梁和掩護(hù)梁為隔離體，忽略頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)到頂梁之間的距離，并作出瞬時(shí)中心O，求得在第四象限中，如圖3-1所示。 液壓支架的工作阻力為： 式中： —摩擦系數(shù)，； 、—兩根立柱的工用阻力，； 　 θ—直線OE與不平線的交角，； —前立柱與豎直線的交角，； —后立柱與豎直線的交角，。 　　 　 的作用位置為： 　 式中： —前立柱上柱窩到頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)的距離，??； —后立柱上柱窩到頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)的距離，??； 3.2壓支架前連桿的受力 前連桿的受力為： 　　 式中： —前連桿與水平線的交角，； —后連桿與水平線的交角，。 　 　 結(jié)果中的“－”號(hào)，表示前連桿的受力方向與圖中的方向相反，即前連桿受拉力作用。 3.3支架后連桿的受力 后連桿的受力為： 　　 式中： —前連桿與水平線的交角，； —后連桿與水平線的交角，。 　 　 結(jié)果中的“－”號(hào)，表示前連桿的受力方向與圖中的方向相反，即前連桿受壓力作用。 3.4頂梁強(qiáng)度計(jì)算 3.4.1頂梁受力情況 頂梁承受一集中載荷，其受力圖如圖3－2所示。因上面已求出為6400，距離鉸結(jié)點(diǎn)832.6。最大彎矩為： 圖3－2 頂梁受力圖 頂梁做成等斷面箱式機(jī)構(gòu)，再最大彎矩處的斷面如圖3－3所示。 圖3－3 最大彎矩處的斷面圖 3.4.2 頂梁強(qiáng)度計(jì)算 a．形心位置 各板件的計(jì)算數(shù)據(jù)列于表3－1中。 表3－1 件 號(hào) 1 2 3 4 5 數(shù) 量 1 1 4 2 1 31200 25200 12500 11500 6600 510 535 250 28.5 8.5 機(jī)構(gòu)件的形心位置為： b．慣性矩 c．彎曲應(yīng)力 d. 安全系數(shù) 3.5掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算 3.5.1 掩護(hù)梁受力情況 由前面已經(jīng)求出掩護(hù)梁上前后連桿的銷軸處受力為-5731和-5954，其受力圖表示于圖3－4。最大彎矩處發(fā)生在前連桿處，其值為： 圖3－4 頂梁受力圖 最大彎矩處的斷面表示于圖3－5中 圖3－5 前連桿處斷面 3.5.2掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算 a．形心位置 各板件的計(jì)算數(shù)據(jù)列于表3－2中。 機(jī)構(gòu)件的形心位置為： 表3－2 件 號(hào) 1 2 3 4 數(shù) 量 4 4 1 1 7900 3950 10500 47100 207.5 207.5 373 15 b．慣性矩 c．彎曲應(yīng)力 d．安全系數(shù) 3.6底座強(qiáng)度計(jì)算 頂板對支架的巨大載荷經(jīng)由整臺(tái)支架傳到底板，在支架底座與底板接觸處將具有一定的比壓。由于底板巖性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗壓強(qiáng)度。則在設(shè)計(jì)支架時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算底板的比壓。 底板與底座的接觸面積： 式中 —底座的長度； —底座的寬度 底座對底板的平均比壓： 代入數(shù)據(jù)求得平均比壓： 3.6.1 底座受力情況 假設(shè)底座兩端支撐，各點(diǎn)的力都已經(jīng)求出，其受力圖表示于圖4－6。現(xiàn)在求支點(diǎn)A的反力。 ，即： 圖3－6　底座受力圖 式中 由式可以求出支反力 圖3－7 后柱窩處斷面 各點(diǎn)的彎矩： 　 在C處彎矩雖然大，但是側(cè)板較高。所以校核后柱窩處的斷面強(qiáng)度，其斷面（柱窩簡化）表示于圖3－7。 3.6.2 強(qiáng)度計(jì)算 a．形心位置 各板件的計(jì)算數(shù)據(jù)列于表3－3中。 表3－3 件 號(hào) 1 2 3 4 5 數(shù) 量 4 2 4 1 2 37200 9400 16000 9250 12000 710 850 1130 567.5 10 機(jī)構(gòu)件的形心位置為： b．慣性矩 c．彎曲應(yīng)力 d．安全系數(shù) 3.6.3 底座接觸比壓計(jì)算 頂板對支架的巨大載荷經(jīng)由整臺(tái)支架傳到底板，在支架底座與底板接觸處將具有一定的比壓。由于底板巖性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗壓強(qiáng)度，則在設(shè)計(jì)支架時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算底板的比壓。 驗(yàn)算底板比壓時(shí)，首先計(jì)算底板與底座的接觸面積。本支架使用帶有過橋的整體剛性底座。該底座的特點(diǎn)有：底座分左右對稱的兩部分，上部用過橋或箱形結(jié)構(gòu)固定連接，以提高整體剛性和抗扭能力。整體剛性底座的整體剛度和強(qiáng)度好，底座接底面積大，有利于減小對底版的比壓，但推移機(jī)構(gòu)處易積存浮煤碎矸，清理較困難，用于軟底板條件下工作面支架。 表3-1 幾種較軟巖石底板允許比壓 底板巖性 Rc() [P] () V<2 V=2.5 V>5 粘質(zhì)可塑頁巖 1 0.5 0.5～0.3 0.3～0.15 可塑頁巖 灰質(zhì)頁巖 2 1.5～2.0 1.0～0.5 0.5～0.3 沙質(zhì) 灰質(zhì) 泥漿頁巖 4 3.0～2.0 2.0～1.0 1.0～0.3 注：Rc—底板抗壓入強(qiáng)度 () V—礦井小時(shí)涌水量，()。涌水量大，巖石變軟，降低了允許比壓 [P]—允許比壓 () 幾種軟巖底板的允許比壓如表3-1所示，使用該液壓支架的底板為3.7的砂質(zhì)頁巖，涌水量V<2.5。 因此： ?。? 計(jì)算底板比壓時(shí)，首先計(jì)算底板與底座的接觸面積。底板與支架底座的接觸面結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。 則其與底板的接觸面積為： 然后計(jì)算底座對底板的平均比壓如下： 安全系數(shù)： 圖3—8 底座面積 3.7立柱強(qiáng)度計(jì)算 3.7.1 立柱參數(shù) 采用乳化液泵的壓力為33.8。選取初撐力與阻力比值＝0.69。已知立柱內(nèi)徑為＝211.8，材料為2SiMn無縫鋼管，。阻力為1287.3，初撐力為1868.7。安全系數(shù)選取1.5，許用應(yīng)力為。缸壁厚度 　。 3.7.2 計(jì)算重疊長度 最小導(dǎo)向長度用式4－35來計(jì)算，即： 式中 ——液壓行程，根據(jù)立柱實(shí)際長度的需求，液壓行程定為2500。 考慮了活塞厚度和導(dǎo)向套厚度，取重疊長度為365。 圖3－8 立柱計(jì)算尺寸圖 表3-4 為了使立柱結(jié)構(gòu)簡單一些，立柱采用雙伸縮的結(jié)構(gòu)。立柱結(jié)構(gòu)尺寸表示于圖3－8。計(jì)算數(shù)據(jù)列于表3－4。 3.7.3各種系數(shù)的計(jì)算 假設(shè)立柱受一軸向力P,沒有橫向力，不偏載，既。為了清晰明了，先計(jì)算各有關(guān)數(shù)值。 3.7.4上活柱的強(qiáng)度核算 最大彎矩所在位置為： 由上式可知，最大彎矩發(fā)生在處。最大彎矩為： 上活柱內(nèi)的應(yīng)力為由于軸向力形成的壓應(yīng)力和彎曲形成的彎曲應(yīng)力，即： 　 　上活柱材料選用27SiMn無縫鋼管，。 　安全系數(shù) 　 3.7.5下活柱的強(qiáng)度核算 　最大彎矩所在位置為： 　由上式可知，下活柱的最大彎矩發(fā)生在處，即上活柱于下活柱發(fā)生初折曲的地方?；钪淖畲髲澗貫椋? 　　 活柱內(nèi)的應(yīng)力為由于軸向力形成的壓應(yīng)力和彎曲形成的彎曲應(yīng)力， 即： 　　　 　　 　　下活柱材料選用27SiMn無縫鋼管，。 　　安全系數(shù) 3.7.6缸體強(qiáng)度核算 　　最大彎矩所在位置為： 　 　　由上式可知，缸體的最大彎矩發(fā)生在處，即缸體與活柱發(fā)生初折曲的地方。缸體的最大彎矩為： 　　 　　缸體內(nèi)壁有三個(gè)應(yīng)力，即： 　　 　　 　　 　　按第四強(qiáng)度理論進(jìn)行驗(yàn)算 　　 　　缸體材料選用27SiMn無縫鋼管，。 　　安全系數(shù) 　 3.7.7立柱的穩(wěn)定裕量驗(yàn)算 為了簡化計(jì)算，把上下活柱作為一部分，這樣就相當(dāng)于單伸縮立柱，因此。 又。臨界載荷為 穩(wěn)定裕量為 3.8銷軸的設(shè)計(jì) 為了滿足通用性要求，頂梁與掩護(hù)梁、掩護(hù)梁與前后連桿和前后連桿與底座的連接銷軸，都采用相同的軸徑。后連桿的受力最大，因而用該力來計(jì)算銷軸的最小軸徑?！。? 后連桿銷軸每個(gè)橫截面上的受力為Q＝p/4=1488.5 ，材料為40Cr。 屈服極限： 安全系數(shù)： 許用應(yīng)力： 許用剪應(yīng)力： ?。? 銷軸的校核，其受力情況如圖3－9所示。 慣性矩： 彎曲應(yīng)力： 安全系數(shù)： 擠壓許用應(yīng)力： 圖3－9　銷軸受力情況 擠壓應(yīng)力： 該銷軸通過安全校核。 4 液壓支架的液壓系統(tǒng) 液壓支架不僅需要有良好的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)所工作的煤層地質(zhì)條件，而且還要配備完善而可靠的液壓系統(tǒng)及液壓元件來實(shí)現(xiàn)支架的優(yōu)良工作性能。液壓支架的液壓系統(tǒng)屬于泵缸開式系統(tǒng)。動(dòng)力源是乳化液泵，執(zhí)行元件是各種液壓缸。系統(tǒng)回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增壓，經(jīng)各種控制元件供給各個(gè)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(jìn)。泵站通過沿工作面全長敷設(shè)的主供液管和主回液管，向各個(gè)支架供給高壓乳化液，接收低壓回液。工作面中每個(gè)支架的液壓控制回路多數(shù)完全相同，通過截止閥連接與主管路，相對獨(dú)立。其中任一支架發(fā)生故障進(jìn)行檢修時(shí)，可關(guān)閉該架與主管路連接的截止閥，不會(huì)影響其他支架工作。 液壓支架的液壓系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)： 1．工作壓力高，泵站工作壓強(qiáng)一般為19.6 ~ 34.3。立柱承載時(shí)，被封閉的下腔液壓更高，一般為39.2 ~ 58.9。因此要求液壓元件包括有足夠的耐高壓強(qiáng)度。 2．工作介質(zhì)是水包油乳化液，水占95%左右。這種乳化液粘度低，潤滑性能和防銹性能都不如礦物液壓油。因而支架液壓元件一般不采用間隙密封方式，對液壓元件的材料、加工精度和防銹處理也有較高的要求。 3．泵站集中供液，工作介質(zhì)輸送路程長，損失較大，要求主管路由足夠的過流斷面。 4．工作環(huán)境惡劣：潮濕，粉塵多，空間有限，采場條件經(jīng)常變化。檢修不方便，要求液壓元件可靠工作時(shí)間長。 4.1 立柱和千斤頂 在液壓支架中，用于承受頂板載荷，調(diào)節(jié)支護(hù)高度的液壓缸稱為立柱。液壓支架的立柱是雙伸縮作用式液壓缸。除立柱外，支架中其余的液壓缸稱為千斤頂，依其功能分別叫做推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、護(hù)幫千斤頂和抬底千斤頂?shù)鹊?。通常支架中各類千斤頂是單伸縮雙作用作用液壓缸。 立柱控制回路如圖4-1： 圖4-1立柱控制回路 護(hù)幫千斤頂控制回路如圖4-2： 圖4-2護(hù)幫千斤頂控制回路 推移千斤頂控制回路如圖4-3： 圖4-3推移千斤頂控制回路 4.2 支架液壓閥 液壓支架的液壓控制系統(tǒng)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。 4.2.1 液控單向閥 夜控單向閥在支架液壓系統(tǒng)中主要用來閉鎖液壓缸中的液體，使之承載。它是大多數(shù)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(shí)間保持絕對密封； 動(dòng)作靈敏，尤其要求關(guān)閉及時(shí)，保證剛剛鎖緊的液壓缸中的壓強(qiáng)等于泵站供液壓強(qiáng)； 流動(dòng)阻力小； 工作壽命長，能保證工作面推進(jìn)800～1000米不需要更換； 結(jié)構(gòu)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。 4.2.2 安全閥 安全閥是支架液壓控制系統(tǒng)中必不可少的限定壓強(qiáng)的元件。立柱安全閥可以防止支架的主要承載結(jié)構(gòu)件過負(fù)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(guān)閉時(shí)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?xí)r的微小流量(30~40以下) 工況下，啟閉壓強(qiáng)差不大于整定壓強(qiáng)的5～10%，以保證支架的恒阻性。在頂板急劇下沉的大流量(30~50)工況下，被封閉的液體壓強(qiáng)升高值不大于整定壓強(qiáng)的25%。 4.2.3 操縱閥 在支架液壓控制系統(tǒng)中用來使液壓缸換向，實(shí)現(xiàn)支架各個(gè)動(dòng)作的手動(dòng)換向閥，習(xí)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(dǎo)液壓操縱閥。 支架液壓原理圖如圖4-4所示： 1.前排立柱 2.后排立柱 3.頂梁側(cè)推千斤頂4.掩護(hù)梁側(cè)推千斤頂5.推移千斤頂6.護(hù)幫千斤頂7.抬底千斤頂8.操縱閥9.液控單向閥與安全閥 圖4-4液壓支架液壓原理圖 4.3 液壓支架的控制方式 采用自動(dòng)控制的控制方式，由于手動(dòng)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(fèi)在從一個(gè)支架行走到另一個(gè)支架的時(shí)間較長，體力消耗也很大。因此，手動(dòng)控制液壓支架使高效采煤機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)是液壓支架進(jìn)一步發(fā)展的方向之一。 因?yàn)榈叵鹿ぷ鳁l件復(fù)雜多變，在工作條件的監(jiān)控方面，在人機(jī)之間和采煤機(jī)與支架之間的完善聯(lián)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(dǎo)液壓控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入電腦指令系統(tǒng)。 4.4 液壓系統(tǒng)安裝、調(diào)試 4.4.1 安裝 液壓系統(tǒng)的安裝是液壓系統(tǒng)能否正?？梢赃\(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 4.4.1.1液壓管道的安裝要求 液壓管道安裝是液壓設(shè)備安裝的一項(xiàng)主要工程。管道安裝質(zhì)量的好壞是關(guān)系到液壓系統(tǒng)工作性能是否正常的關(guān)鍵之一。 1、布管設(shè)計(jì)和配管時(shí)都應(yīng)先根據(jù)液壓原理圖，對所需連接的組件、液壓元件、管接頭、法蘭作一個(gè)通盤的考慮。 2、管道的敷設(shè)排列和走向應(yīng)整齊一致，層次分明。盡量采用水平或垂直布管，水平管道的不平行度應(yīng)≤2/1000；垂直管道的不垂直度應(yīng)≤2/400。用水平儀檢測。 3、平行或交叉的管系之間，應(yīng)有10以上的空隙。 4、管道的配置必須使管道、液壓閥和其它元件裝卸、維修方便。系統(tǒng)中任何一段管道或元件應(yīng)盡量能自由拆裝而不影響其它元件。 5、配管時(shí)必須使管道有一定的剛性和抗振動(dòng)能力。應(yīng)適當(dāng)配置管道支架和管夾。彎曲的管子應(yīng)在起彎點(diǎn)附近設(shè)支架或管夾。管道不得與支架或管夾直接焊接。 6、管道的重量不應(yīng)由閥、泵及其它液壓元件和輔件承受；也不應(yīng)由管道支承較重的元件重量。 7、較長的管道必須考慮有效措施以防止溫度變化使管子伸縮而引起的應(yīng)力。 8、使用的管道材質(zhì)必須有明確的原始依據(jù)材料，對于材質(zhì)不明的管子不允許使用。 9、液壓系統(tǒng)管子直徑在50以下的可用砂輪切割機(jī)切割。直徑50以上的管子一般應(yīng)采用機(jī)械加工方法切割。如用氣割，則必須用機(jī)械加工方法車去因氣割形成的組織變化部分，同時(shí)可車出焊接坡口。除回油管外，壓力由管道不允許用滾輪式擠壓切割器切割。管子切割表面必須平整，去除毛刺、氧化皮、熔渣等。切口表面與管子軸線應(yīng)垂直。 10、一條管路由多段管段與配套件組成時(shí)應(yīng)依次逐段接管，完成一段，組裝后，再配置其后一段，以避免一次焊完產(chǎn)生累積誤差。 11、為了減少局部壓力損失，管道各段應(yīng)避免斷面的局部急劇擴(kuò)大或縮小以及急劇彎曲。 12、與管接頭或法蘭連接的管子必須是一段直管，即這段管子的軸心線應(yīng)與管接頭、法蘭的軸心是平行、重合。此直線段長度要大于或等于2倍管徑。 13、外徑小于30的管子可采用冷彎法。管子外徑在30～50時(shí)可采用冷彎或熱彎法。管子外徑大于50時(shí)，一般采用熱彎法。 14、焊接液壓管道的焊工應(yīng)持有有效的高壓管道焊接合格證。 15、焊接工藝的選擇：乙炔氣焊主要用于一般碳鋼管壁厚度小于等于2的管子。電弧焊主要用于碳鋼管壁厚大于2的管子。管子的焊接最好用氬弧焊。對壁厚大于5的管子應(yīng)采用氬弧焊打底，電弧焊填充。必要的場合應(yīng)采用管孔內(nèi)充保護(hù)氣體方法焊接。 16、焊條、焊劑應(yīng)與所焊管材相匹配，其牌號(hào)必須有明確的依據(jù)資料，有產(chǎn)品合格證，且在有效使用期內(nèi)。焊條、焊劑在使用前應(yīng)按其產(chǎn)品說明書規(guī)定烘干，并在使用過程中保持干燥，在當(dāng)天使用。焊條藥皮應(yīng)無脫落和顯著裂紋。 17、液壓管道焊接都應(yīng)采用對接焊。焊接前應(yīng)將坡口及其附近寬10～20處表面臟物、油跡、水份和銹斑等清