掩護(hù)式液壓支架設(shè)計

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內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）題 目：掩護(hù)式液壓支架學(xué)生姓名：、學(xué) 號：200540401126專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及自動化班 級：機(jī) 2005—1 班指導(dǎo)教師：李 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）1目 錄目 錄 .1第一章 液壓支架概況 .61.1 液壓支架現(xiàn)狀 61.2 液壓支架的工作情況介紹 81.3 液壓支架的組成 91.4 液壓支架的分類 91.4.1 支撐式支架 .101.4.2 掩護(hù)式支架 .111.4.3 支撐掩護(hù)式支架 .121.5 液壓支架的主要結(jié)構(gòu)件及其用途 121.5.1 頂梁 .121.5.2 底座 .131.5.3 掩護(hù)梁 .131.5.4 側(cè)護(hù)板 .141.5.5 連桿 .141.6 壓支架的工作原理 14第二章 液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸的確定 .162.1 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求和基本參數(shù) 162.1.1 設(shè)計目的 .162.1.2 對液壓支架的基本要求 .162.1.3 確定支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的原則 .17內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）22.1.4 設(shè)計液壓支架必需的基本參數(shù) .172.1.5 確定支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)容 .182.2 支架的高度和支架的伸縮比 182.2.1 支架高度 .182.2.2 支架的伸縮比 .192.3 支架間距和寬度的確定 202.4 底座長度的確定 212.5 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 212.5.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 .212.5.2 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征參數(shù) .222.5.3 作圖法設(shè)計四連桿機(jī)構(gòu) .232.6 頂梁參數(shù)的確定 272.6.1 支架工作方式對支架頂粱長度的影響 .272.6.2 配套尺寸對頂梁長度的影響 .282.6.3 頂梁長度的計算 .282.7 支護(hù)面積 292.8 支護(hù)強(qiáng)度 29第三章 液壓支架部件結(jié)構(gòu) .303.1 頂梁 303.1.1 結(jié)構(gòu)形式 .303.1.2 頂梁結(jié)構(gòu)和斷面形狀 .323.2 掩護(hù)梁 333.3 底座 34內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）33.3.1 底座結(jié)構(gòu)的選擇 .343.3.2 柱間距和筋扳配置 .373.3.3 推移裝置的形式選擇 .373.4 側(cè)護(hù)板 393.4.1 支架側(cè)護(hù)板形式的選擇 .403.5 前、后連桿 423.6 立柱的技術(shù)參數(shù) 423.7 立柱的初撐力與立柱工作阻力 433.7.1 立柱的初撐力 .433.7.2 立柱工作阻力的確定 .433.8 推移千斤頂 443.9 平衡千斤頂 443.9.1 平衡千斤頂?shù)耐评?.443.9.2 平衡千斤頂?shù)母讖?.47第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計 .484.1 立柱和千斤頂 494.2 支架液壓閥 504.2.1 液控單向閥 .504.2.2 安全閥 .504.2.3 操縱閥 .514.2.4 液壓支架液壓閥的密封技術(shù)分析 .514.3 液壓支架的控制方式 524.3.1 手動控制 .52內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）44.3.2 自動控制 .53第五章 液壓支架受力分析與計算 .545.1 液壓支架工作狀態(tài) 545.1.1 頂板狀態(tài) .545.1.2 液壓支架的工作狀態(tài) .545.1.3 支架受力 .545.2 計算載荷的確定 555.3 液壓支架的受力分析 555.3.1 取頂梁為分離體 .565.4 頂梁載荷分布 595.5 底座接觸比壓計算 605.5.1 底座載荷分布 .615.5.2 底座對底板的平均比壓 .615.5.3 底座接觸比壓 .615.6 支護(hù)效率 64第六章 液壓支架的強(qiáng)度設(shè)計 .656.1 液壓支架在強(qiáng)度設(shè)計時的強(qiáng)度條件 656.2 液壓支架各結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核 .676.2.1 頂梁強(qiáng)度校核 .676.2.2 立柱強(qiáng)度校核 .716.2.3 底座強(qiáng)度校核 .74第七章 液壓支架的操作和維護(hù) .787.1 液壓支架的操作維護(hù)要求 78內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）57.2 液壓支架的故障及排除 787.2.1 液壓支架液壓系統(tǒng)及元件的故障排除 .787.2.2 支架在操作過程中的故障排除 .80結(jié) 論 .82參考文獻(xiàn) .83致 謝 .84內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）6第一章 液壓支架概況1.1 液壓支架現(xiàn)狀從 1854 年英國研制成功了液壓支架發(fā)展到現(xiàn)在，液壓支架的設(shè)計、制造和使用都已基本成熟，它已經(jīng)形成了能適應(yīng)各種不同煤礦地質(zhì)條件的各類液壓支架。從液壓支架的形式來看，有支撐式液壓支架發(fā)展到掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架；從支架的質(zhì)量來看，有輕型液壓支架、中型液壓支架和重型液壓支架；從支撐高度來看，又薄煤層液壓支架、中厚煤層液壓支架和厚煤層液壓支架，其中厚煤層液壓支架又分厚煤層一次采全高液壓支架、厚煤層分層開采液壓支架和放頂煤液壓支架；從用途來看，有端頭液壓支架和中間液壓支架。所以從液壓支架的現(xiàn)狀來看，液壓支架已經(jīng)發(fā)展到一個完整的液壓支架體系。從液壓支架的設(shè)計來看，由過去的手工設(shè)計發(fā)展到全部計算機(jī)程序設(shè)計?？傊S著時代的發(fā)展和進(jìn)步，液壓支架設(shè)計、制造和使用，將越來越完善、安全、可靠。美國是世界上最先進(jìn)的采煤國家，早在 1990 年就已采用額定壓力 50MPa、額定流量 478L/min 的乳化液泵站，以實現(xiàn)支架快速推進(jìn)、移架速度達(dá) 6～8s/架。美國的高產(chǎn)高效工作面采用兩柱掩護(hù)式液壓支架，使用壽命 8～10 年，可用率高達(dá) 95%～98%。支架平均工作阻力 6470kN，支架寬度普遍增大，中心距大到 1.75m，并向 2m 發(fā)展增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時間、增加有效工作時間和提高單產(chǎn)。如洛斯公司 20 英里礦在 250×5280m 長壁綜采工作面用工作阻力為 2×8565kN 電液控制兩柱掩護(hù)式液壓支架，1997 年 6 月產(chǎn)商品煤 90.43 萬 t，成為世界上首次月產(chǎn)商品煤進(jìn)百萬噸的工作面。1995 年 9 月，麋鹿礦用工作阻力為 8900kN 電流控制的兩柱掩護(hù)式液壓支架，月產(chǎn)煤達(dá)到 60.11 萬 t。美國綜采工作面最高日產(chǎn)超 7 萬 t，最高工效 1336t/工。澳大利亞也基本采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)，使用兩柱掩護(hù)式液壓支架，支內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）7架的平均工作阻力為 7640kN。如尤蘭礦用電流控制的兩柱掩護(hù)式液壓支架，在 1995年 8 月 8 日創(chuàng)下澳大利亞有史以來日產(chǎn) 3.41 萬 t 的最高紀(jì)錄，班產(chǎn)一直保持在5000～6000t。英國也在大力發(fā)展兩柱掩護(hù)式液壓支架，工作阻力有了很大提高，達(dá)到6000～8000kN。我國液壓支架經(jīng)過 30 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，所用鋼材的耐壓能力一般為 16MPa，最好的屈服極限才700MPa，液壓系統(tǒng)壓力在 35MPa 一下，流量在 200L/min 以內(nèi)，供液管直徑 25～32mm，回液管直徑 25～50mm，最快移架速度為 10～12s/架，工作阻力更是相對較低。今后，我國的液壓支架的設(shè)計將朝技術(shù)含量大、鋼板強(qiáng)度高、移架速度快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里力，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40MPa、額定流量為 400L/min 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。兩柱掩護(hù)式支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至 360mm，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。1.2 液壓支架的工作情況介紹圖 1－1 綜采工作面內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）8圖 1－1 所示為液壓支架在工作面的布置示意圖。每個工作面一般由采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、乳化液壓站和油管等主要設(shè)備組成。為了實現(xiàn)頂板即時支護(hù)，采用即時支護(hù)的方式。采煤機(jī)每切割一刀，液壓支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四個主要動作過程。隨著采煤機(jī)割煤的繼續(xù)，工作面液壓支架不斷重復(fù)上述四個主要動作過程。從而對頂板進(jìn)行即時支護(hù)，防止頂板冒落，保持一定的作業(yè)空間，確保綜采工作面人員和設(shè)備的安全，實現(xiàn)頂板管理及采煤作業(yè)過程機(jī)械化，提高采煤工作效率。1.3 液壓支架的組成液壓支架是以高壓液體作動力，并有液壓元件（液壓缸和液壓閥）與金屬構(gòu)件組成的一種用來支撐和管理頂板的設(shè)備。是一種綜采工作面對支護(hù)設(shè)備，它的主要作用是支護(hù)采場頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。液壓支架主要有五部分組成，分別為：承載部件、動力油缸、控制元件、輔助裝置、工作液體。各部分在液壓支架中都起著不同的作用，承載部件主要有底梁、頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿，它們起著承受并傳遞頂板載荷作用。動力油缸主要有立柱、推移千斤頂平衡千斤頂?shù)?，它們的主要作用是通過乳化液做介質(zhì)可以主動產(chǎn)生作用力，從而實現(xiàn)液壓支架的各種動作?？刂圃饕歉鞣N操縱閥和管路，它們主要用來操縱、控制支架各個動力油缸動作及保證所需工作特性的液壓(電氣)元部件。輔助裝置是用來實現(xiàn)支架某些動作或功能所必須的裝置，如護(hù)幫、擋矸、防滑防倒等作用。主要有推移裝置、護(hù)幫裝置、活動側(cè)護(hù)板、防倒、防滑裝置。工作液體是乳化液，是用來傳遞能量和除塵的工作介質(zhì)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）91.4 液壓支架的分類目前采煤工作面使用液壓支架有許多類型。按液壓支架在采煤工作面的安裝位置來劃分，液壓支架分端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端，中間液壓支架是安裝在除工作面兩端以外的采煤工作面上所有位置的支架。按移架方式可分為整體自移式和邁步前移式兩類；工作面支架按煤層厚度和開采方法不同可分為鋪聯(lián)網(wǎng)支架和放頂煤液壓支架。中間液壓支架按其結(jié)構(gòu)形式與頂板相互作用的原理來劃分，可分為三種基本類型，即:支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式液壓支架。支撐式液壓支架又有垛式和節(jié)式之分。掩護(hù)式液壓支架又有插腿式和非插腿式之分。支撐掩護(hù)式液壓支架又有四柱支在頂梁上和兩柱支在頂梁上，一柱或兩柱支在掩護(hù)量上之分。1.4.1 支撐式支架支撐式支架的立柱支撐在頂梁上，沒有掩護(hù)梁，他主要由頂梁、底座、立柱、推移千斤頂及擋矸裝置組成。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(fēng)斷面大，適用于中等穩(wěn)定以上的頂板。（1） 垛式整個支架為一整體結(jié)構(gòu)，整體移動，通常有 4～6 根立柱，如圖 1-1。它的支撐力大，切頂性能好，穩(wěn)定性較好，工作空間比較大，容易滿足通風(fēng)的要求。同時垛式支架由于頂梁較寬且長，移架時頂板暴露的面積較大，在直接頂比較破碎的頂板條件下使用很困難。所以垛式支架盡適用于頂板較堅硬和穩(wěn)定的煤層。1-1 垛式液壓支架內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）10（2）節(jié)式節(jié)式支架由 2～4 個框架組成，如圖 1-2。其支撐力完全用于支撐頂板，它與垛式支架相比，結(jié)構(gòu)比較靈巧，質(zhì)量較輕，移架時頂板暴露的面積較小，對頂?shù)装宓倪m應(yīng)性較好，但是它的穩(wěn)定性很差（容易倒架） 。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）111-2 式液壓支架1.4.2 掩護(hù)式支架掩護(hù)式支架沒有支撐部件即頂梁，只有掩護(hù)部件。它利用立柱、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(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(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。其結(jié)構(gòu)如圖 1-3。1-3 掩護(hù)式液壓支架內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）121.4.3 支撐掩護(hù)式支架支撐掩護(hù)式支架它的頂梁很長（與垛式相似） ，掩護(hù)梁很短，四根立柱組成垛式結(jié)構(gòu)。這類支架對頂板的控制主要是立柱通過頂梁來支撐頂板，掩護(hù)梁只隔絕支架后面冒落的矸石。故它具有支撐式的頂梁和掩護(hù)式的掩護(hù)梁，而且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。支撐掩護(hù)式支架的結(jié)構(gòu)如圖 1-4。1-4 支撐掩護(hù)式液壓支架1.5 液壓支架的主要結(jié)構(gòu)件及其用途1.5.1 頂梁頂梁又稱主梁，是支護(hù)頂板的直接承載部件，并為立柱、掩護(hù)梁及護(hù)頂 裝置提供聯(lián)結(jié)點。它不但要求具有一定的強(qiáng)度和剛度，而且接觸面積要大，并能適應(yīng)頂板壓力的變化。頂梁與頂板盡可能均勻接觸，避免因局部接頂而造成頂梁集中受載，損壞支架其他構(gòu)件。頂梁均設(shè)計成多腔室薄壁箱型結(jié)構(gòu)，由上下蓋板等鋼板焊接而成。為了增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的剛度，上下蓋板之間設(shè)有加強(qiáng)筋板；頂梁前端呈滑撬狀，以較少頂梁與頂板間的移動阻力。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）13其主要用途有：（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。1.5.2 底座底座是鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)， 底座是將頂板載荷傳遞到底板及固定立柱和前后連桿的承載部件，也是組成支架四連桿機(jī)構(gòu)的桿件之一，它與底板直接接觸，將立柱傳來的頂板壓力傳遞給底板。底座的后部與前后連桿鉸接，前端焊接有安裝推移千斤頂?shù)穆?lián)結(jié)耳，推移千斤頂?shù)牧硪欢伺c工作面運(yùn)輸機(jī)連接，通過推移千斤頂?shù)纳炜s，實現(xiàn)推溜和移架行走動作。其用途主要有：（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。1.5.3 掩護(hù)梁掩護(hù)梁是組成液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的桿件之一。因此，掩護(hù)梁要求具有較高的強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度，其焊縫要求高標(biāo)準(zhǔn)，以免開焊。掩護(hù)梁是由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，它聯(lián)結(jié)著頂梁、前后連桿以及底座，承載才空區(qū)矸石的作用載荷以及因頂梁受偏載作用而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷，起著穩(wěn)定支架重心并防止采空區(qū)矸石進(jìn)入工作面的作用，既能保證支架前梁頂端與煤壁的間距基本恒定，又承擔(dān)了支架在工作過程中的水平分力，以保證支架的工作穩(wěn)定性，一般掩護(hù)梁也設(shè)計成箱型結(jié)構(gòu).總結(jié)其用途有：（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。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）14（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。1.5.4 側(cè)護(hù)板活動測護(hù)板是用來防止采煤過程中因相鄰液壓支架的間隙而導(dǎo)致矸石冒落。活動側(cè)護(hù)板是通過彈簧筒和側(cè)推千斤頂與梁體連接，以保證活動側(cè)護(hù)板與鄰架的固定側(cè)護(hù)板靠緊。其布置一般為沿傾斜方向的上方為固定側(cè)護(hù)板，下方為活動側(cè)護(hù)板。側(cè)護(hù)板的結(jié)構(gòu)型式通常有兩種。一種是側(cè)護(hù)板在頂梁的外側(cè)。這種類型的側(cè)護(hù)板又有三種型式，頂梁上無頂板，側(cè)護(hù)板已被冒落矸石壓住，影響側(cè)護(hù)板的伸縮；在頂梁上加設(shè)頂板，克服了以上的缺點，但支架承受偏載時，側(cè)護(hù)板裝置受力很大。另一種是鉸接式側(cè)護(hù)板。它克服了以上兩種側(cè)護(hù)板的缺點，但由于架間，側(cè)護(hù)板造成三角帶容易填入碎矸，影響了架間密封效果。其用途總結(jié)如下：（1） ．與鄰架的頂梁、掩護(hù)梁和后連桿的固定側(cè)護(hù)板相貼，構(gòu)成了指甲的擋矸屏障。（2） ．支架移架時起導(dǎo)向作用。（3） ．利用側(cè)推千斤頂可調(diào)整支架的橫向位置或防倒扶正支架。1.5.5 連桿前后連桿是四連桿機(jī)構(gòu)中重要的運(yùn)動和承載部件，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。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）151.6 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(zhì)不同的幾個液壓缸來完成的。如圖 1－5 所示。123456高 壓 液 體 低 壓 液 體升降 推 移圖 1-5 液壓支架工作原理圖1－輸送機(jī)；2－推移千斤頂；3－立柱；4－安全閥；5－液控單向閥；6－操縱閥；（1） ．升柱當(dāng)需要支架上升支護(hù)頂板時，高壓乳化液進(jìn)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(dāng)需要降柱時，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，都是由于底座上的推移千斤頂來完成的。當(dāng)需要支架前移時，先降柱卸載，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，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當(dāng)需要輸送機(jī)時，支架支撐頂板后，高壓液體進(jìn)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(jī)推內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）17向煤壁。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）18第二章 液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸的確定2.1 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求和基本參數(shù)2.1.1 設(shè)計目的采用綜合機(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(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)計工作是很重要的。由于液壓支架的設(shè)計工作量大的，因此，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。2.1.2 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 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(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?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）19（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。2.1.3 確定支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的原則（1） ．要滿足配套設(shè)備(采煤機(jī)、輸送機(jī))的相關(guān)要求；（2） ．與支架的工作方式(即時支護(hù)或滯后支護(hù))相適應(yīng)；（3） ．結(jié)構(gòu)緊湊，行人操作方便；（4） ．支架的工作穩(wěn)定性好。2.1.4 設(shè)計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?，對支架進(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） ．瓦斯等級根據(jù)瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風(fēng)斷面。（4） ．底板巖性和小時涌水量根據(jù)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(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護(hù)幫裝置。（6） ．煤層傾角內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）20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)方式來計算頂梁長度。2.1.5 確定支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)容（1） ．確定正常工作條件下，支架與相應(yīng)設(shè)備的位置關(guān)系；（2） ．確定支架總體與主要部件的布置與尺寸。2.2 支架的高度和支架的伸縮比2.2.1 支架高度支架高度的確定原則，一般應(yīng)首先確定支架適用煤層的平均采高，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，然后確定支架高度對于大采高支架，按下式確定支架高度，即：(2－1)1mHhS??(2－2)an???2式中： －支架最大高度(mm)；mH－支架最小高度(mm)；n－煤層最大厚度(mm)；mh－煤層最小厚度(mm)；n－考慮偽頂、煤皮冒落后仍有可能初撐力所需要的支撐高度，一般取1S200～300mm；－頂板最大下沉量，一般取 100～200mm；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）21－移架時支架的最小可縮量，一般取 50mm；a－浮矸石、浮煤厚度，一般取 50mm。?此次設(shè)計中，依據(jù)神東煤礦煤層參數(shù)，選取采高為 2.8m～5m，故由上式可知：=5m; =2.8m; =50mm; =250mm; =150mm; mhna?1S2S≥5.25m; ≤2.55mmHn2.2.2 支架的伸縮比支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值即：(2－3)minaxH?支架的最大高度與最小高度之差為支架的調(diào)高范圍。調(diào)高范圍越大，支架適用范圍越廣，但過大的調(diào)高范圍給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計造成困難，可靠性降低。由于液壓支架的使用壽命較長，并可能被安裝在不同的采煤工作面，所以，支架應(yīng)具有較大的伸縮比。盡量采用單伸縮油缸或帶機(jī)械加長桿來增加調(diào)高范圍。一般支架最大高度和最小高度的比值的范圍是 1.5 至 2.5。經(jīng)計算，該支架的伸縮比 ,符合要求。2.065minax??H由于液壓支架的使用壽命較長，并可能被安裝在不同采高的采煤工作面，所以支架應(yīng)具有較大的伸縮比。在采用雙伸縮立柱時，垛式液壓支架的伸縮比為 1.9；支撐掩護(hù)式支架為 2.5；掩護(hù)式支架為 3.0。一般范圍是 1.5~2.5，煤層較薄時選最大值?？紤]盡量減輕支架重量，降低造價，可搞系列化，加強(qiáng)支架對頂?shù)装宓倪m應(yīng)性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或機(jī)械加長桿來增加調(diào)高范圍(2－4)小 小大 LK??式中： －單位缸長行程；K－活塞全部伸出時立柱總長度；大L內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）22－活塞全部縮回時立柱總長度；小L－ －活塞行程。大 小綜合考慮本設(shè)計采用雙伸縮立柱。2.3 支架間距和寬度的確定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)中部槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)中部槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定。國內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用 1.50m。大采高支架為促高穩(wěn)定性中心距可采用 1.75m，輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用 1.25m。支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應(yīng)考慮支架的運(yùn)輸、安裝和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板行程一般為 170～200mm。當(dāng)支架中心距為 1.50m 時，最小寬度一般取 1400～1430mm ，最大寬度一般取 1570～1600mm。當(dāng)支架中心距為 1.75m 時，最小寬度一般取 1650～ 1680mm，最大寬度一般取1850～1880mm。當(dāng)支架中心距為 1.25m 時，如果頂梁帶有活動側(cè)護(hù)板，則最小寬度取1150～l 180mm．最大寬度取 1120～1150mm：如果頂梁不帶活動側(cè)護(hù)板，則寬度一般取 1150～l 200mm。而一般支架間距，按下式計算：(2－5)ncBbmc??式中： －支架間距(支架中心距)(mm) ；cb－每架支架頂梁寬度(mm)；mB－相鄰支架(或框架)頂梁之間的間隙，取 c = 70mm；c－每架所包含的組架的組數(shù)或框架數(shù)，整體自移式支架 ＝1；整體邁步式n n支架 ＝2；節(jié)式邁步支架 ＝2 支架節(jié)數(shù)。n支架間距 要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸cb內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）23送機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂聯(lián)結(jié)塊的位置來確定，我國刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長度為 1.50m，千斤頂聯(lián)結(jié)塊位置在溜槽中長的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為 1.50m.此次設(shè)計中，因采高為 2.8m～5m 范圍，屬于大采高液壓支架，故支架的中心間距定為 1.75m，則支架寬度為 1.65～1.88mm.2.4 底座長度的確定底座是將頂板壓力傳遞到底版和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計支架的底座長度時，應(yīng)考慮如下方面：支架對底版的接觸比壓要??；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；用于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護(hù)式液壓支架的底座長度取移架步距的 3.5 倍，即 2.1m 左右；支撐掩護(hù)式液壓支架的底座長度取移架步距的 4 倍，即 2.4m 左右。此次設(shè)計中配套設(shè)備中截深為 0.85m,故該支架底座長為 2975mm 左右,參考鄭州液壓支架取底座長度為 3240mm.2.5 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計2.5.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用四連桿機(jī)構(gòu)是掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架的最重要部件之一.其作用概括起來主要有兩個：其一是當(dāng)支架由高到低變化時，借助四連桿機(jī)構(gòu)使支架頂梁前端點的運(yùn)動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間的距離大大減少，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。同時，液壓支架采用四連桿機(jī)構(gòu)還有如下一些優(yōu)點：（1）．擋矸 組成四連桿機(jī)構(gòu)的掩護(hù)梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內(nèi)破碎巖石所賦予的載荷，掩護(hù)梁一般做成整體箱形結(jié)構(gòu)，具有一定強(qiáng)度。而且，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）24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。（2）．梁端護(hù)頂 鑒于四連桿機(jī)構(gòu)可使托梁鉸接點呈雙紐線運(yùn)動，故可選定雙紐線的近似直線部分作為托梁鉸接點適應(yīng)采高的變化范圍。這樣可使托梁鉸接點運(yùn)動時與煤壁接近于保持等距，當(dāng)梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時，借此可以保證梁端頂板維護(hù)良好。（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(jī)構(gòu)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。經(jīng)過長期研究使用表明，四連桿機(jī)構(gòu)雖然具有很多優(yōu)點但其一些缺點也是不容忽視的。首先，支架在工作過程當(dāng)中，四連桿機(jī)構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機(jī)構(gòu)對頂板產(chǎn)生一個水平力（又稱水平支撐力），因此對支架的工作性能將會產(chǎn)生不良影響。故設(shè)計時應(yīng)多應(yīng)盡量減輕支架重量，同時在強(qiáng)度校核時考慮應(yīng)四連桿機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生的水平推力。 |¨O圖 2-1 四連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）252.5.2 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征參數(shù)（1）支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時，如圖 2-1 所示，頂梁端點運(yùn)動軌跡的最大寬度 e 應(yīng)小于或等于 70mm，最好為 30mm 一下。（2）支架在最高位置時和最低位置時，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)滿足如下要求：支架在最高位置時，P≤52°～62°，Q≤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(hù)梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求 tanP＞W(wǎng)，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù) W=0.3，則 P=16.7°,為了安全可靠，最低工作為重應(yīng)使tanP＞25°。而 Q 角主要考慮后連桿底部距低板要有一定的距離，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 Q≥25° ～30°，在特殊情況下需要較小角度時，可提高后連桿下鉸點的高度。（3）.掩護(hù)梁與頂梁鉸點 e′和瞬時中心點 O 之間的連線與水平線夾角為 θ。設(shè)計時，要使 θ 角滿足 tanθ≤0.35 的范圍，其原因是 θ 角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。（4） ．雙紐線軌跡影響連桿、掩護(hù)梁等連接部位的受力情況。通常認(rèn)為軌跡曲線應(yīng)向前偏擺，即支架由高位置降下時，軌跡曲線逐漸靠近煤壁。（5） ．掩護(hù)梁長度與掩護(hù)梁上前、后連桿鉸接點間距應(yīng)保持一定的比例(4:1～16：1)，這不僅對支架受力，而且對調(diào)高范圍也有影響，一般憑經(jīng)驗選取。2.5.3 作圖法設(shè)計四連桿機(jī)構(gòu)（1）掩護(hù)梁和后連桿長度的確定。由解析法確定掩護(hù)梁和后連桿的長度，如圖2-3 所示。設(shè)G ——掩護(hù)梁長度 A ——后連桿長的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）262L—— e′點引垂線到后連桿下鉸點的距離 —— 支架最高位置時的計算高度 H—— 支架最低位置時的計算高度1圖 2-3 掩護(hù)梁和后連桿長度的確定則有幾何關(guān)系可得： Gcos —Acos = (2－6)1P1Q2LGcos —Acos = (2－7)2聯(lián)立式(2 －6)和式(2－7)可得 ：= (2－8) GA12cos- ?由于支架型式不同，一般 的比值按以下范圍來取。掩護(hù)式液壓支架： =0.45～0.61支撐掩護(hù)式液壓支架： =0.61～0.82GA類比鄭州液壓支架，選取掩護(hù)梁上鉸點至頂梁頂面的距離為 245mm，后連桿下鉸點至底座底面的距離為 343mm，且綜合考慮影響支架四連桿幾何特征因素，初步選取內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）27個角度如下：=59°； =74°； =32°； =30°；1P21Q2則有： = = =0.58 GAp12coss—7430590cos 故由上式可知，個角度選擇符合要求。又知支架最高位置時的計算高度為= Gsin + Asin (2－9) 1H1P1Q則由式(2 －8)和式(2－9)解得： A=1.87m; G=3.5m;圓整后得: A=2m ; G=3.5m.作圖法重新驗算各角度得:=61°； =74.5°； =32°； =28°；1P21Q2各尺寸均在誤差范圍內(nèi)，所以初步確定支架各參數(shù)如下：A=2m ; ；G=3.5m ； =61°； =74.5°； =32°； =28°；12P12Q（2）幾何作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)各部分尺寸 FFFodce3a21b1QH1圖 2-4 四連桿機(jī)構(gòu)作圖法示意圖內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）28作圖步驟：1) 確定連桿下鉸點Ｏ點的位置，使它大體比底座地面高出 200～300mm（本次設(shè)計類比同類型支架選用 200mm） 。2）過 O 點作與底座底面平行的水平線 H-H 線。3）過 O 點作與 H-H 線的夾角為 的斜線。1Q4）在次斜線上截取線段 oa，oa 的長度為 A（A 為后連桿的長度） ，a 點為后連桿與掩護(hù)梁的鉸點。5）過 a 點作與 H-H 線夾角 a1 的斜線，以 a 點為圓心，以 G 為半徑作圓弧交此斜線于一點 e1，此點為掩護(hù)梁與頂梁的鉸點。6）過 e1 點作 H-H 線的平行線 F-F 線，則 H-H 線與 F-F 線的距離為 ，為液壓支1H架最高位置時的計算高度.7)以 a 點為圓心，以（0.22～0.3）G 長度為半徑作弧，在掩護(hù)粱上交于一點 b，為前連桿上的位置。8）過 e1 點作 F-F 線的垂線。9）在次垂線上作液壓支架在最低位置時，頂粱與掩護(hù)粱地鉸點 e3。10）取 e1 e3 線中間一點 e2，為液壓支架降到此高度時掩護(hù)粱與頂粱的鉸點。11）以 O 點為圓心， Oa 為半徑作圓弧。12）以 e2 為圓心，掩護(hù)粱長 ae1 為半徑作弧，交最前面的弧上一點 a1,此點為液壓支架降到中間某一位置時，掩護(hù)粱與后連桿的鉸點。13）以 e3 為圓心，掩護(hù)粱長 ae1 為半徑作弧，交最前面的弧上一點 a2,此點為液壓支架降到中間某一位置時，掩護(hù)粱與后連桿的鉸點。14）連接 e2a1,e3a2,并以 a1 為圓心，ab 為半徑作弧，交 a1e2 上與 b1;以 15a2 點為圓心，ab 為半徑作弧，交 a2e3 上。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）2915）分別做 bb1 和 b1b2 的垂直平分線，其交點 c 為前連桿下的交點，bc 為前連桿的長度。16）過 c 點做垂線，交于 d，則線段 Oa、ab、 bc、cd、dO 為液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)。17）只要逐步變化四連桿的幾何尺寸，便可以畫出不同曲線，再按液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征進(jìn)行校核，最終選出較優(yōu)的四連桿機(jī)構(gòu)尺寸。則由幾何作圖法可得液壓支架四連桿各部分尺寸分別為:掩護(hù)梁長:3.5m ； 后連桿長 :2m ； 前連桿長:2m ； 前連桿下鉸點與 后連桿下鉸點水平距離:1.1m ； 豎直距離:1m 。作圖模仿頂梁前端實際運(yùn)動軌跡，知為 S 形，其最大運(yùn)動寬度為：27.45mm，符合要求。2.6 頂梁參數(shù)的確定2.6.1 支架工作方式對支架頂粱長度的影響 支架工作方式對支架頂粱長度的影響很大，如圖 2－3 所示。從圖 2－3 中可以看出，先移架后推溜方式(又稱即時支護(hù)方式)要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式(又稱滯后支護(hù)方式)要求頂梁長度較短。這是因為采用先移架后推淄的工作方式時，支架要超前輸送機(jī)一個步距，以便采煤機(jī)過后，支架能即時前移，支護(hù)新暴露的頂板，做到即時支護(hù)。因此，先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為 600mm。圖 2－5 支架工作方式比較當(dāng)采用即時支護(hù)方式時．一般大采高支架梁端距應(yīng)取 350～480mm，中厚煤層支架梁端距應(yīng)取 280－340mm．薄煤層支架梁端距應(yīng)取 200－300mm。 頂梁長度受支架內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）30型式、配套采煤機(jī)截深(滾筒寬度)、刮板輸送機(jī)尺寸、配套關(guān)系及立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護(hù)方式等因素的制約。 根據(jù)支作方式和設(shè)備配套尺寸（圖 2－5）來確定頂梁長度。減小頂梁長度，有利于減小控頂面積，增大支護(hù)強(qiáng)度，減少頂板反復(fù)支護(hù)次數(shù)，保持支架結(jié)構(gòu)緊湊，減輕重量。2.6.2 配套尺寸對頂梁長度的影響設(shè)備配套尺寸與支架頂架長度有直接關(guān)系。為了防止當(dāng)采煤機(jī)向支架內(nèi)傾斜時，采煤機(jī)滾筒不截割頂梁，又考慮到采煤機(jī)截割時，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在設(shè)計時，要求頂梁前端距煤壁最小距離為 300mm，這個距項叫空頂距。另外，在輸送機(jī)鏟煤板前也留有一定距離。一般為 135～150mm 左右，也是為了防止采煤機(jī)截割煤壁不齊，給推移輸送機(jī)留有一定的距離。除此而外，所有配套設(shè)備包括采煤機(jī)和輸送機(jī)，均要在頂梁掩護(hù)之下工作，以此來計算頂梁長度。2.6.3 頂梁長度的計算掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式液壓支架頂梁長度按下式計算：(2－10)????ePGQA???? 30)cos()cs(11底 座 長 度配 套 尺 寸頂 梁 長 度式中 配套尺寸= （mm）256076485392??－支架由高到低頂梁前端最大位移量(mm)；e－后連桿長度(mm)；A－掩護(hù)梁長度(mm)；G， －支架在最高位置時，分別為后連桿與水平面及掩護(hù)梁與水平面的夾角。1QP選取采煤機(jī)型號：6LS－03 ，刮板輸送機(jī)型號：LX(2A) －2000/1000 型。經(jīng)計算可得頂梁長為 4294mm。