液压系统论文

　本科学生毕业设计

　液压系统论文

　 系部名称：

　 专业班级：

　 学生姓名：

　指导教师：

　职

　称：

　工

　程

　学

　院 二〇一一年六月

　The Graduation Thesis for college student

　Hydraulic system papers

　Specialty：

　Class：

　Supervisor：

　Institute of Technology 2011-06〃

　 摘要

　本课题主要论述了液压支架的主要设计过程。其中包括：液压支架的选型、总体设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。

　支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑，还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位臵时的高度要求。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。

　在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理的液压支架受力参数、运动参数和结构参数，以及选定液压支架最佳方案等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手，然后进行总体结构设计以及校核。

　关键词：液压支架；顶梁；底座；立柱；结构设计

　 A A BSTRACT

　 The article mianly elaborate the hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top-beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest position high request. The top-beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate welding. At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be

　subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits. K K eyword: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle；the column-type support；structure design

　目

　录

　 摘要

　................................ ................................ ................................ ................

　III

　ABSTRACT

　................................ ................................ ................................. ...

　IV

　第一章

　绪

　论

　................................ ................................ ..............................

　1 1

　1.1 国内外液压支架的研究现状及发展 ............................................................... 1

　1.2 本课题的研究目的和意义 ................................................................................. 4

　第二章

　液压支架基本理论分析

　................................ ..............................

　6 6

　2.1 液压支架的工作原理 ......................................................................................... 6

　2.2 液压支架的类型和结构 ..................................................................................... 9

　2.3 对液压支架的基本要求 ................................................................................... 11

　2.4 支架的选型设计 ................................................................................................. 12

　第三章

　液压支架的整体结构设计

　................................ ........................

　17

　3.1 支架高度、中心距的确定 .............................................................................. 17

　3.2 底座长度的确定 ................................................................................................. 18

　3.3 四连杆机构的设计 ............................................................................................. 19

　3.4 顶梁长度计算 ...................................................................................................... 27

　第四章

　支架主要部件的设计

　................................ ................................. .

　29

　4.1 支架主要部件的设计要求 ............................................................................... 29

　4.2 顶梁的设计 ........................................................................................................... 31

　4.3 底座的设计 ........................................................................................................... 32

　4.4 支架技术参数和立柱的设计 ........................................................................... 33

　4.5 立柱柱窝位臵和受力计算 ............................................................................... 40

　4.6 千斤顶技术参数的确定 ................................................................................... 42

　第五章

　支架受力分析与计算

　................................ ................................. .

　48

　5.1 支架工作状态 ...................................................................................................... 48

　5.2 受力计算 ............................................................................................................... 50

　5.3 顶梁载荷分布 ..................................................................................................... 53

　第六章

　液压支架的强度校核

　................................ ................................. .

　55

　6.1 强度条件 .............................................................................................................. 55

　6.2 主顶梁的校核 ...................................................................................................... 55

　6.3 掩护梁强度校核 ................................................................................................ 58

　6.4 底座强度校核 ..................................................................................................... 61

　6.5 立柱强度校核 ...................................................................................................... 65

　第七章液压系统设计

　................................ ................................ ................

　73

　7.1 液压支架的液压系统特点 ............................................................................... 73

　7.2 液压系统的设计方法 ....................................................................................... 74

　7.3 千斤顶系统 ......................................................................................................... 75

　7.4 乳化液泵站系统 ................................................................................................. 78

　第八章

　技术经济分析

　................................ ................................ ..............

　84

　第九章结论

　................................ ................................ ............................... ..

　85

　参

　考

　文

　献

　................................ ................................ ................................

　87

　致谢

　................................ ................................ ................................ ................

　88

　附录一（英文）

　................................ ................................ .........................

　90

　附录二（译文）

　................................ ................................ .......................

　104

　 第一章

　绪

　论

　 1 1. .1 1 国内外液压支架的研究现状及发展

　地下开采的煤产量主要是利用由液压支架配套的综采设备产出的。综采设备的研制和广泛的运用，对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作用，而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高，是强有力的促进因素。

　加速现代化进程，必须加速煤炭工业企业的建设、改造和革新技术装备的进程，增加地下开采和露天开采的煤产量。地下开采方法是最复杂和闲难的方法，但是，这种方法在工业发达国家和以煤作为—次能源的地区，仍然普遍应用。而且，开采优质煤，包括炼焦煤，都是采用地下开采方法。

　综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命，从根本上改变了煤炭工业的面貌，综合机械化采煤是 20 世纪人类科技发展的重要成果。

　综合机械化采煤技术在我国的研究试验、使用、发展，彻底改变了我国煤炭工业的面貌，降低了工人的劳动强度，提高了产量、劳动生产率和企业效益，满足了国民经济建设对煤炭的需求，合理的集中生产简化了生产系统，提高了生产安全性。我国综采技术发展的 30 多年，使我国的煤炭生产技术水平跨进了世界先进行列，综放技术跃居世界领先地位。

　工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。以液压支架为主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大革命。不仅从根本上改善了劳动和安全条件，也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了基础。但是综采设备初期投资高，特别是液压支架占综采设备总投资约 60%，因此液压支架的合理选用特显重要。

　30 多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机 CAD进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准11 项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。

　为适应我国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。配套设备的

　生产能力达到 1500~2 500 t/h， 在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产 300 万吨以上。

　新型矿用单体支护设备，采用悬浮式液压技术原理，生产矿用单体支护设备，技术水平达到了国际领先水平，填补了国际空白。DWX 型液压支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无内泄漏、无圆弧焊缝等技术和安全特点，具有独创性。新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术，结束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史，开创了中国人发明的第三代单体支护技术设备的历史，并将会长期使用下去。该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面，是煤矿的重要支护设备。

　近 10 年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距发展。液压支架另一重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外线遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到 6~8s。

　我国自 1973 年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历

　了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，掩护式液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。

　2 1.2 本课题的研究目的和意义 采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭增长的日益需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。

　通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩固和理解。同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。

　通过自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析

　问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。

　现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅；将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平 。

　 第二章

　液压支架基本理论分析

　2.1 液压支架的工作原理

　液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图 2.1 所示。

　图 2.1 液压支架工作原理 1—顶梁；2—立柱；3—推移千斤顶；4—安全阀；5—单向筏； 6、7—操纵阀；

　2.1.1 支架升降 当操作阀处于升柱位臵时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀 5 进入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位臵时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。

　2 2.1.2 支架推移 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶 3 来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀臵于移架位臵，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀臵于推溜位臵，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。

　2.1.3 支架承载过程

　 支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。

　(1) 初撑阶段 在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀 6 立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。

　(2) 承载增阻阶段 支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。

　(3) 恒阻阶段

　随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀 5 的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。

　图 2.2 支架的工作特性曲线 由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图 所示，曲线上的0t 、1t 、3t 分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。

　上述工作过程表明：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效的支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性决定于立柱、

　液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件 通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，通常单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即

　FPq 310  

　MPa

　 (式 2.1) 式中

　 F —支架的支护面积，2m

　2.2 液压支架的类型和结构

　液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。

　2.2.1 支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机联接并互为支点整体前移。节式支架由 2~3 个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用与支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。

　支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在 4 m 左右；而且立

　柱多，一般 4~6 根，且垂直支撑；支架后部设复位装臵和挡矸装臵。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。

　由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。

　2.2.2 掩护式支架 掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布臵，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为 3.0mm 左右。

　掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布臵，故作业空间和通风断面小。

　由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。

　2.2.3 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适用于各种顶底板条件。

　支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。

　支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布臵和交叉布臵。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。

　2.2.4 特种液压支架 特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，在结构型式仍属于上述某种基本架型。

　2.3 对液压支架的基本要求

　1. 为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以便有效地控制顶板，保证合理的下沉量。

　2. 液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为 100 kN 左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为 100kN~150kN，中厚煤层一般为150kN ~250kN，厚煤层一般为 250kN~ 400kN。

　3. 防矸性能要好。

　4. 排矸性能要好。

　5. 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有毒气体等安全方面的要求。

　6. 为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。

　7. 调高范围要大，照明和通讯方便。

　8. 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定植。

　9. 要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。

　10. 在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。

　11. 要易于拆卸，结构要简单。

　12. 液压元件要可靠。

　4 2.4 支架的选型设计 1 2.4.1 设计的原始条件 煤层厚度：H＝1.8~3.2 米；顶设条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板平整，无影响支架通过的断层。工作面配套设备：采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ－730/320。煤层倾斜角小于 15 度，支护强度、底板抗

　压强度、泵站压力、安全阀调定压力 40MPa。

　2 2.4.2 支架的支护性能与外载荷 由液压支架的工作状态知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力，还受有平行于顶梁的摩擦力。垂直于顶梁的力由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板反作用力。

　为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，概述如下：

　把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布；通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力计算；产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，—是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数 W， 一般取 0.15~0.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。

　 2.4.3 影响架型选择的因素

　 (1) 煤层厚度 煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层厚度大于 2.5~2.8m（软煤取下限，硬煤取上限）时，应选用抗水平推力强且带护帮装臵的掩护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。

　(2) 煤层倾角 煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑象。当煤层倾角大于 10~15时，应设防滑和调架装臵，当倾角超过 18时，应同时具有防滑防倒装臵。

　(3) 底板性质 底板承受支架的全部载荷，对支架的底板影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压(对于砂岩底板，允许比压为 1.96~2.16MPa，软底板为 0.98MPa 左右)。

　(4) 瓦斯涌出量 对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。

　(5) 地质构造 地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间

　分别在 5~82m 和 20min 以下时，暂不宜采用液压支架。

　(6) 设备成本 在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。

　2.4.4 支架架型的确定 从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力、采煤高度与承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。

　根据煤层厚度 1.8~3.2 米，属于中厚煤层。支架的适应高度为 1.5~3.5米煤质条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板平整，无影响支架通过的断层，根据表 2.1 初步选定为掩护式两柱液压支架。

　表 2.1 支架架型的选择

　注：①括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，可根据本矿情况允许有 5  %的波动范围。

　②表中 1.3、1.6、2 分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级老顶的分级增压系数；Ⅳ级老顶给出最低值 2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。

　 老顶级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架类型 掩护式 掩护式 支撑式 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 支 撑 式 支撑掩护式 支撑掩护式 掩护或支撑掩护式 掩护或支撑掩护式 支撑式 采高小于 2.5m时 支撑掩 护式 采高大于 2.5m时 支架支护强度 MPa

　采高m 1 0.294 1.3  0.294 1.6  0.294 >2  0.249 应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区 2 0.343（0.245）

　1.3  0.343（0.245）

　1.6  0.343 >2  0.343 3 0.441（0.343）

　1.3  0.441（0.343）

　1.6  0.441 >2  0.441 4 0.539（0.441）

　1.3  0.539（0.441）

　1.6  0.539 >2  0.539

　第三章

　液压支架的整体结构设计

　3.1 支架高度、中心距的确定

　1 3.1.1 支架高度的确定

　 支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为：

　1S h Hm m 

　 （式 3.1）

　      2S h Hn n

　 （式 3.2）

　h m —煤层最大采高， h n —煤层最小采高 S 1 —伪顶冒落的最大厚度，一般取 0.2~0.3m 2S—顶板最大下沉量，一般取 100~200mm a —移架时支架的最小可缩量，一般取 50mm  a —矸、浮煤厚度，一般取 50mm 本设计采高 1.8~3.2m,取支架高度为 1.5~3.5m

　 2 3.1.2 支架伸缩比 支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为：

　nmHHm 

　（式 3.3）

　代入数据得 m=2.33。

　3 3.1.3 支架间距

　 所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算：

　3 c mb B n C   

　（式 3.4）

　式中：

　cb —支架间距（支架中心距）； mB —每架支架顶梁总长度； 3C —相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙； n—每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架。

　支架间距cb 要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位臵来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连结块位臵在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为 1.5m。

　本次设计取支架的中心距为 1.5m。

　2 3.2 底座长度的确定 1 3.2.1 底座长度 底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱，液压控制控制装臵、推移装臵和其他辅助装臵；使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长

　度职 3.5 倍的移架步距(一个移架步距为 0.6m)，即 2.1m 左右；支撑掩护式支架的底座长度取 4 倍移架步距，即 2.4m 左右。本次设计取底座长 2.18m。

　3.2.2 底座宽度 支架底座宽度一般为 1.1~1.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架可加大到 1.3m 左右，放顶煤支架为 1.3~1.4m。底座中间安装推移装臵的槽子宽度与推移装臵的结构和千斤顶缸径有关，一般为300~380mm。宽度取 1350mm。

　3 3.3 四连杆机构的设计

　1 3.3.1 四连杆机构的作用与缺点 1．梁端护顶

　鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内时，借此可以保证梁端顶板维护良好。

　2．挡矸

　鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位臵，故可以起到良好的挡矸作用。

　3．抵抗水平力

　观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向）

　的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。

　4．提高支架稳定性

　鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。

　四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响。

　3.3.2

　四连杆几何特征 （1）支架在最高位臵时，1P =52°~62°，即：0.91~1.08弧度； 1Q =75°~85°即1.31~1.48弧度；支架在最低位臵时，保证 P 125 。

　（2）后 1 连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为 I =0.45~0.61;支撑掩护式为 I = 0.61~0.82。

　（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为 I 10.22~0.3。

　（4）"e 点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度 70 e  mm以下。

　（5）支架在最高位臵时的 tan  应小于0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于0.16。

　3.3.. 3. 四连杆机构各部尺寸的 确定

　四连杆机构各部参数如图 3.1 所示，图中的1H 为支架在最高位臵时的计算高度。令：

　o a2= A ; ab = B ;

　ab = C ; cd = D ; 2o d = E ; "ae = G ; "eb = F ;

　1Jo = S ;"Je = L ;AIG ; "abIae1 ; tan  =SL= U

　ea 图 3.1 四连杆机构参数图 1、四连杆的作用 四连杆机构是现代液压支架主要的稳定机构，其主要作用是保证支架纵向和横向的稳定性；承受和传递载荷以及保持液压支架的整体刚度等。对于四连杆的选择形式，大多数都是采用前整体后单的形式，这样可以增加尾部的空间。

　具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践考验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了支撑式支架稳定性和力学持性的缺陷，

　成为液压支架技术发展史上的一个重要里程碑。

　现代掩护式和支撑掩护式支架都用前后连杆把掩护梁和底座连结在一起，这样组成的双摇杆四连杆机构可使支架升降时保持比较稳定的梁端距，即要求掩护梁和顶梁的铰接点的运动轨迹近似为一条直线，故称底座、前连杆、后连杆和掩护梁组成的机构为近似直线机构，从而得到一个近似相等的端面距，以提高管理顶板性能，使支架能承受较大的水平力。

　液压支架升降时，顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，既有顶梁与掩护梁的铰点 E 的轨迹所决定，其轨迹如图 3.2 所示：

　图 3.2 升降柱运动轨迹 2、支架四连杆机构的运动轨迹 支架在最大高度和最小高度范围内运动时，E 点的运动轨迹呈 3 种形式：双向摆动(ABCD 段)、单向向后摆动(BC 段)和单向向前摆动(AB 段和CD 段)。选择不同的四连杆参数．可以使 E 点轨迹处于上述 3 种曲线段。

　支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当 E 点轨迹处于 AB段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当 E 点轨迹处于 BC 段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。

　从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数．使支架工作段内，E 点轨迹处于 AB 段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使E 点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度Δ ≤30~80mm。液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。

　液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件，不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。

　3、四杆机构之间的关系 掩护式和支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构

　形成的条件是：最短杆 C 和最长杆之和小于其余两杆长度之和，而最短杆为上连杆（掩护梁），最短杆的对边 a 为固定杆（底座），即：

　C＋b<a＋d 各杆之间的关系如图 3.3 所示：

　图 3.3 各杆之间的关系 4、作图方法 已知条件是支架的最大高度xh ma 和支架的最低高度minh 。要求在这范围内掩护梁上下运动时轨迹是一条直线或近似直线。水平偏移量不允许超过 75mm。

　 图 3.4 作图轨迹及对应参数 1)在图 3.4 中，先画基线 AB 向上取xh ma ，在xh ma 顶端向下取一定距离（顶梁顶面之掩护梁的铰接轴中线的距离），得到 I 点。由 I 点向下取（min maxh ~ h ）的长度得到 H 点。

　 2)以 AB 作为底座的底线，在 AB 上取一定的长度得 B 点，由 B 点向上一定距离得 J 点，J 点作为后连杆和底座的铰接轴。

　 3)由 H 作一斜线 HC 与水平线成  角，必须使  >o15 。在 J 点作  角，再取 JC 一定长度与 HC 交于 C 点，C 点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。

　 4)以 J 为圆心，JC 为半径画一圆弧 ab 。以 I 为圆心，以 HC 的长度为半径画圆弧与 ab 弧交于 E 点。C 点和 E 点就是后连杆在支架为最小高度和最大高度时的极限位臵。

　5)在 CH 上取一长度 CD，必须使 CD<CJ。D 点作为前连杆与掩护梁的铰接轴。

　6)在 IE 上，由 E 点取 EF，使 EF＝CD。作 D 和 F 连线的垂直二等分线，在垂直二等分线上取 G 点，必须使 DG 成为最长杆，又使 GJ>DC,这样 CD 就是最短杆。而且要使 CD＋DG<CJ＋JG. 于是 G 点成为前连杆和底座的铰接轴。

　7) IH 之间的轨迹的校核。在 CE 弧内平均取几点，例如 1、2、3 点，依次的以 1、2、3 为圆心，以 CD 为半径画弧，与以 G 点为圆心 GD 为半径的 FD 弧交于" " "3 2 1 、 、 点，连接"11 、"22 、"33 ，并都给予延长得 " " 1 、 " " 2 、" " 3 点，使 1 " " 1 =2 " " 2 =3 " " 3 ＝CH。这样，I、"3 、 " " 2 、 " " 1 所形成的曲线要接近直线。如果差别太大，要改变四连杆的尺寸或角度，以上述的过程画出 I~H 间的轨迹，使近似于直线。

　除要求水平偏移量不超过规定值外，对  角的变化要求均匀。特别要注意在最大高度时，不要发生突变。

　 角是连杆瞬时中心与掩护梁铰接轴的连线和顶梁延长线之间的夹角。

　注意，CDH 上的 D 点，可以不在 CH 连线上。

　确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距按同类型支架用类比法来确定得：掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为160mm；后连杆下铰点至底座底面之距为 400mm。

　H1=3.5-0.56=2.94(m) H2=1.5-0.56=0.94(m) 所的结果取整后得：

　U= 0.36

　Q1= 78 度

　Q2= 18 度

　 P1=53 度

　P2=15 度 A= 858.6

　 B=500

　 C=1585

　 D=400

　 E= 970

　G=2300

　 S=611

　 L=1661 4 3.4 顶梁长度计算

　根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。

　3 3. .4 41 .1 支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（及时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小。这是因为采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护，因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为 600 mm 。本次设计采用及时支护方式。

　3 3. .4 42 .2 顶梁长度计算

　顶梁长度=[配套尺寸+底座长度+A〃cos(1Q )]-[G〃cos(1P )+300+e]+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距

　（式 3.5）

　式中：

　底座长度—底座前端至后连杆下铰点之距； e —支架由高到低顶梁前端点最大变化距离； 1Q 、1P —支架在最高位臵时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。

　采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ-730/320。查综采设备手册得三机配套尺寸为：配套尺寸=671+1553=2224mm

　代入相关数据得：

　 顶梁长度=[2224+2100+1131cos(78°)]-[2300cos( 53°)＋300+65]+100=2910mm 顶梁的宽度: :

　顶梁不仅必须满足支架的工作阻力的要求，还要使顶梁覆盖住顶板，以减少矸石的冒落。顶梁的覆盖率为顶梁面积与控制顶板面积比值的百分数，即

　 % 100j B c lBl）

　）（ （   

　 （式 3.6）

　 式中

　B—顶梁宽度； l—顶梁长度； j—架间距； c—顶梁前端到煤壁的距离；

　中等稳定顶板

　% 85 ~ 75  ； 一般 j 取 100~200mm。

　如果给定  和 j 值，可以求出 B 值，即

　）

　（）

　（c l lj c lB 

　 （式 3.7）

　取，ε =79% 、 j=200mm。

　顶梁宽度的决定，除用上式计算外，还要考虑到整体支架与一节溜槽长度相匹配的问题。

　故顶梁宽取 1.4m。

　第四章

　支架主要部件的设计 1 4.1 支架主要部件的设计要求 各部件设计要求要满足总体配套的要求，就是应满足采煤机、双输送机和支架配套的空间要求。各部件设计的基本要求：

　（1）四连杆机构应进行优化设计，使支架梁端距变化小，支架受力状态最佳，结构上既满足工作空间要求，又能承受足够的纵向、横向力及扭矩。

　（2）前梁由前梁千斤顶控制，可上下摆动 15°，与顶板保持良好的接触，维护机道上方顶板。挑梁是和前梁铰接的可翻转支护板，由防片帮千斤顶控制，可及时支护，并超过水平线上挑 3°~5°，拉架时收回，还

　可在移架后支护煤壁，以防止片帮。

　（3）顶梁

　顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。它可多次反复支撑顶煤，以利于放煤。顶梁装有侧护板，活动侧装有千斤顶和弹簧，防止架间漏煤、矸及调节支架间距。

　（4）掩护梁受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。

　（5）底座

　底座是将支架承受的顶板压力和侧向力传至底板。它既要有足够的强度和刚度，又应满足底板比压不超限。保证支架整体稳定性的关键是在底座上铰接四连杆机构，在底座中间设臵有推移装臵，侧面设臵拉后输送机的千斤顶和推移杆。

　（6）推移装臵

　此机构关系到支架能否正常推移，由千斤顶和推移杆组成。推移杆结构有长推杆或是由两部分短推移杆组成。

　（7）液压控制系统及立柱、千斤顶

　液压系统由各液压件、管路系统组成，它应保证立柱、千斤顶完成支架要求的各种性能，并达到设计技术参数。

　4 4 . . 2 2 顶梁的 设计

　图 4.1 支架的顶梁 顶梁前、后分别与前梁和掩护梁铰接，球面柱窝与立柱的活柱头相连。顶梁有铰接耳座与四连杆机构的上连杆联接，此外还设有所需千斤顶的耳座，如前梁、掩护梁千斤顶耳座。顶梁体箱式结构件的设计可根据总体受力分析，按不同支护高度时各部件最大受力值计算其强度。一般柱窝断面为最危险断面，断面安全系数 n 应大于 1.1，同时要充分考虑各个铰接孔的挤压强度，以免孔受塑变拉长而损坏，特别是与上连杆铰接的耳座，一定要加大强度。

　侧护板与导杆连接的结构以长方形拉板为好，可以保证导杆与侧护板的连接强度。

　其机构与一般掩护式支架相同，梁体由钢板焊成箱式结构件，设计强度要求同上，安全系数 n 大于 1.1，侧护板设计要考虑降架式不与邻架侧

　护板脱离接触。侧护板采用长方形拉板与导杆连接，支架工作阻力 400吨以上时，侧推千斤顶采用内供液式，有利于保证梁体的焊接强度。

　本设计采用铰接式的顶梁，具体结构见图纸。

　3 4.3 底座的设计

　 4 4. .3 3. .1 1 液压支架的底座

　图 4.2 四连杆机构的底座 底座为整体式刚性底座，四连杆机构铰接在底座前部(有的铰接在中部或后部)，有两个球面柱窝与立柱缸底相连，底座中间布臵有推移装臵，侧面有拉后输送机千斤顶固定耳座。该底座整体性强，稳定性好，与底板接触面积大，比压小。由于四连杆机构在中部连接，使底座受力状态不好。上连杆与底座的铰接座为两突出的内主筋形成的箱体结构，应合理设计，使突变过渡处强度足够，呈圆弧状过渡，以免损坏。

　本设计采用整体式刚性的底座，具体结构见图纸。

　4 4.4 支架技术参数和立柱的设计

　4.4.1

　支护面积 支架的支护面积按下式计算：

　) (    Lg b Fc cmm

　（式 4.1）

　式中 cF —支护面积，mm；

　 —移架后顶梁前端点到煤壁的距离( m )，一般  =0.3+ e

　将各数值代入公式(4.1)得支架的支护面积为：

　) 33 . 0 91 . 2 ( 5 . 1  cF ＝4.86m 4.4.2 ...