支撑掩护式液压支架的设计.pdf

刖 s本次毕业设计是我们大学四年的最后一次设计，同时也是对大学生四年来所学的 知识系统总结和综合应用。现在我们已经进入大学学习的最后阶段，毕业设计作为本 科学习最重要的组成部分之一，它能提高我们发现、分析、解决问题的能力，综合检 验和巩固我们所学知识，同时又是对我们大学四年所学知识的全面复习，更是向我们 以后即将从事的专业性工作的正常过渡。我们可以紧紧抓住这个机会认真学习并搞好 毕业设计，众所周知，它对我们即将走上工作岗位或者更进一步深造有非常重要的意 义。它将把我们过去的理论学习引向一个更高、更深的层次，也就是参加工作，可以 说我们在做一次过渡性的尝试。我的毕业设计是关于支撑掩护式液压支架的设计。液压支架是综合机械化采煤的 关键设备，对于提高采煤效率，降低成本，改善作业环境，减少笨重的体力劳动具有 举足轻重的作用。其中，支撑掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护 式支架的基础上，结合我国特点于1968年首先研制成功的。它保留了垛式支架支撑 力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用双排立柱支撑顶梁（或顶梁于掩护梁）的结构；同时吸收了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以 及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座。因此,加深支撑掩护式液压支架的设计和研究具有深远的意义。整个毕业设计已接近尾声，我们所忙碌的成果即将接受检验。我相信，有耕耘，定有收获；有付出，定会有回报。四年的时间如流水般匆匆流过，在这四年里，老师们用汗水和心血滋润我干枯的 心田，用知识的乳汁将我哺育，在我即将离开母校的时候，我向我最尊敬的老师们表 达我最真诚的谢意，谢谢你们四年来对我们的亲切关怀。在今后的日子里，我将努力 奋斗，把您在学校里传授给我们的知识运用到实际工作中去，为我国的机械行业做出 我们应有的贡献。最后，感谢各位评阅老师在百忙之中评阅本文。由于时间仓促，本人水平有限，难免有错误和不足之处，敬请各位老师指正与赐教。一、绪论液压支架作为煤矿长壁综采工作面的关键设备，近年来得了迅速地发展，它与综 采系统中的“三机”（刮板输送机、转载机、带式输送机）配合使用，是煤矿开采技 术现代化的重要标志。液压支架是综采工作面主要设备之一，近10年来主要的发展 趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，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（1.75m、2m）发展，结构件材料越来越多地采用 高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高。在综合机械化采煤过程中，液压支架担当着极其重要的角色，其主要功能不仅用 于支撑管理顶板，隔离采空区，维护采煤作业空间，并能自行前移，推进采煤工作面 输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。另外，合理的选用采煤设备并结合先进的采煤工艺，可解决采煤工作面的采煤支护运 输等生产环节之间的矛盾，可有效地提高工效增加成本减少损耗保护生产人员和设备 的安全，以及减轻笨重的体力劳动，可为煤矿获得很高的经济效益。1.1 液压支架的工作原理液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液（这里采用水包油型乳化液）作为动力，由液压操作系统，控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高压乳化液，经 主进液管送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀 配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流的低压乳化液通过组合操 纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循环使用。支架的承载原理是：液压支架支撑在综采工作面的顶底板之间支撑顶板。顶板 压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将压力传递底板。为保证支架结构件的 强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板压力超过立柱安全阀限定 压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板压力下降到立柱工作阻力 时，安全阀关闭进行保压承载。1.2 液压支架的工作过程液压支架对顶的作用过程主要取决于流体静力学原理工作的立柱工作过程。现 以图1-1所示的典型立柱控制系统来说明支架的工作过程。支架操作的基本功作过程为：急增阻阶段，缓增阻阶段，恒阻阶段，无作用阶 段四个阶段。图11 立柱控制系统1 一立柱；2安全阀；3液控单向阀；4一操纵阀；P 高压管路；o一同液管(1)泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段操纵阀手把置于A位，从泵站来的压力液经高压管路P,打开液控单向阀3进入 立柱下腔，立柱上腔与回液管。连通，因而活柱伸出使支架升起接顶，对顶板产生支 撑力。支架接顶后，泵压使下腔内的液体压强迅速上升，支架对顶顶板支撑力急剧增 加。这就是支架对顶板的急增阻阶段。(2)闭锁承载，支架对顶板缓增阻阶段操纵阀手把放回零位后，立柱下腔内的压力液被液控单向阀闭锁，不能流出，从 而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板逐渐下沉，立柱下腔内的液体受到进一步 压缩，压强逐渐增高，使直接对顶板产生更大的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉，一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架对顶板的支撑力增长也就相应缓慢，所以这个 阶段被称为支架对顶板缓增阻阶段。(3)溢流承载，支架对顶恒阻阶段顶板继续下沉，立柱下腔内的压强继续升高，当达到立柱安全阀的调定值时，安 全阀便开启溢流，使立柱下腔内的压强保持定植，从而支架对顶板的支撑力不变，即 支架处于对顶板恒阻阶段。(4)解锁降柱，支架与顶板无作用阶段采煤机截煤后，欲将支架移到新的位置，首先把操纵阀手把置于B让从泵站来的 压力液进入立柱上腔，同时作用于液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解 除对立柱下腔液体的闭锁，允许其回到回液管。这时，活柱缩同，支架降落离开顶板,支架对顶板无压力。在这一阶段如要保证顶梁平行下降需协调操纵平衡千斤顶操纵 阀。需要说明，目前为了防止破碎顶板漏顶，掩护式和支撑掩护式支架可以采用擦顶 带移架方式，即支架顶梁实际并不脱离顶板，在移架过程中仍保持约每柱五吨左右的 支撑力。因而，对于擦顶带压移架方式，此阶段应是解锁卸载，支架对顶板仍有轻微 作用力。1.3 支架组成液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。（1）金属结构件主要有顶梁、掩护梁、前梁、前连杆、后连杆、底座、侧护板、护帮板等。（2）油缸主要有双作用单伸缩立柱、推移千斤顶、（平衡千斤顶）、侧护千斤顶、前梁千斤顶等。（3）液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀等及 液压辅助元件等。1.4 液压支架主要结构件及其作用1.4.1 顶梁顶梁采用整体顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部件之一,由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度要求。结构如图1-2所示：1右侧护板；2一主顶梁；3一侧推千斤顶；4一前梁千斤顶耳座;图1一2 主顶梁其主要作用是：（1）承接顶板岩石及煤的载荷；（2）反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用;(3)隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。本支架采用分段组合式顶梁结构(刚性顶梁+校接式前梁)，强度高，对顶板维 护较好；另外，在顶梁前部还布置有起吊耳，可方便吊挂较小的机件。1.4.2掩护梁L_X81护帮板耳座；2一侧推千斤顶座；3一侧护板；4一侧推千斤顶；5 一前连杆耳座；6 一后连杆耳座；7一护帮千斤顶耳座；8一弹簧筒；图1-3 掩护梁掩护梁分别与顶梁和前、后连杆连接，其主要作用有：承受上部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；(2)掩护梁与前后连杆、底座形成四连杆机构，保证支架的稳定性；(3)阻挡后部落煤，维护工作空间。1.4.3底座底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。该支架 设计为整体刚性底座，底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。该型底座的缺点 是在推移机构外易积存浮煤碎肝，要求及时清理。4底座结构如图1-3所示AL goL 1Z450 825.0 3251过桥；2一推移千斤顶耳座；3一立柱销孔；4 一前连杆销孔；5 一后连杆销孔；6一侧板；图14 底座其主要作用是：(1)将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提供安装空间；(2)给工作人员创造良好的工作环境；(3)保证支架的稳定性。1.4.4前后连杆前、后连杆分别与掩护梁和底座较接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件,铸件中不得有气孔、砂眼、夹杂等，以免降低强度，嫌少使用寿命。铸后要进行淬火 和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落肝石的 载荷，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度，这里采用整体式。前后 连杆的结构如图15,图1 6。2-0160图1一5 前连杆.寸O 30626o 00 0800+150J1046+1图16 后连杆其主要作用是：（1）使支架在调高范围内，顶板平稳地升降，并使顶梁前端与煤壁的距离（梁端 距）变化尽可能小，更好地支护顶板。（2）承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。本支架采用正四连杆机构，为使冒落肝石不从连杆处涌入支架内，后连杆为整体 式，前连杆为分体式。均为钢板焊接的箱形结构，这种结构有较强的抗拉、抗压和抗 扭性能。1.4.5推移机构5 4图17 推移框架支架的推移机构包括推杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送 机和拉移支架。推移连杆的一端通过连接头与输送机相连，另一端通过推移千斤顶与 底座相连，推移连杆除承受推拉力外，还承受一定的侧向力防止底座的下滑1.5液压系统及其控制元件支架液压系统由乳化液泵站、主进、主网液胶管、各种液压元件、立柱及各种千 斤顶等组成。支架操纵方式采用邻架操作控制，使用快速接头拆装方便，性能可靠。由乳化液泵站输出的高压乳化液经主进液管 支架进液截止阀过滤器 操纵阀立柱或各千斤顶 架液截止阀 主回液胶管 乳化液泵站。1.6支架的设计特点结合首采工作面及矿区此类地质构造条件下，使用ZY2400/17/30二柱掩护式支 架的成功经验，本架型应有如下特点：（1）支架型式为：带机械加长的四柱支撑掩护式厚煤层液压支架；（2）对支架总体结构参数优化，梁端距变化应小；顶梁前部较薄强度、刚度应充 分保证；（3）支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其它构件 形成刚性好、强度高、稳定性好的整体结构；（4）整体顶梁和掩护梁带单侧活动长侧护板，能实现对护顶的严密调整；（5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度；（6）架的整体构造应有“人机学”的观点，结构应紧凑，操作方便，制造成本降 低；（7）采用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座，以增加支撑力，增强支架的稳 定性。1.7液压支架的架形支撑掩护式液压支架的架形如下图1 8所示:0010工。上1一后连杆；2一前连杆；3掩护梁；4一后立柱；5销；6销；7一主顶梁；8前 立柱；9 一前梁千斤顶；10销；H销；12销；13销；14前梁；15护帮板千 斤顶；图18 支撑掩护式液压支架河南理工大学毕业设计说明书 第12页 共83页H：液压支架的结构设计2.1 液压支架的选型2.1.1 液压支架结构类型的优选根据以往液压支架设计的经验总结，考虑到不同架型 和机构的支架一一围岩力 学相互作用、支撑力矩、底板比压等特点，可以对掩护式与支撑掩护式结构进行比较。（1）液压支架的力学特征综述（见表2-12）表2-1不同结构液压支架的力学特征比较支架型式结构特征主要力学特性掩护式支掩式.二支柱掩护式支架承载力较小，底板比压均匀，主动水平力较大支顶式 一二柱支顶掩护 式支架承载力大，稳定性好，底座尖端比压较大，对顶板的主动水平力较大，前端支撑力大支撑掩护式支顶支掩四柱（或三柱）稳定性好，抗水平力强，比压均匀，但支柱能力利 用率低支顶式四柱X型顶梁合力调节范围大，伸缩比大，承载力高四柱支撑掩护 式承载力大，切顶能力强，比压较均匀（2）支架选型要素及简要评价。液压支架结构选型必须考虑的要素及对各类型支架的评价（见表2-2）表2 2支架类型评价（见下页）12河南理工大学毕业设计说明书第13页共83页要素支架类型支撑掩护 式支撑式插底掩护 式一般掩护 式垛式节式支架围岩适应性直接顶冒落倾向优良良差差基本顶周期来压差良优优良底板压入倾向良差优优优防煤壁片帮优良优差差通风断面差良良差差顶梁前端支撑力优良良差差顶梁后段切顶性差良优优优对顶板遮盖率优优优差差隔绝采空区能力优优优差差横向稳定性良优优差差对采高适应性良优优差差支撑效率差良优优优支护强度良良优优优对倾角适应性良优良良差2.1.2 液压支架的架形选择原则在选择液压支架时既要保证对工作面顶板实现可靠的支撑，又要避免过大的设备 投资，导致不必要的浪费。因此，液压支架的正确选型对于工作面经济效益关系重大。液压支架架形的选择，主要取决于液压支架的力学性能是否适用矿井的顶底板条 件和其它地质条件。在同时允许选用几种架形时，应优先选用价格便宜的支架，支承 式支架最便宜，其次为掩护式。支承式支架适合于稳定顶板。掩护式支架适合于中等 稳定和一般破碎的顶板。支承掩护式支架适合于周期来压强烈，中等稳定和稳定顶板。在综采工作面支架选型时，还应注意下述四点原则：(1)对于不稳定和中等稳定顶板，应优先选用二柱掩护式支架。但在底板极松软 条件下，必须严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷 13河南理工大学毕业设计说明书 第14页 共83页强度。在此条件下，通常应避免使用重型支架。（2）对于非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，应优 先考虑选取四柱支撑掩护式支架。（3）众所周知，三点决定一个平面，由于顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱 对顶板的实际支撑力很低，因而二柱式掩护支架支撑能力利用率高于四柱式。即二柱 式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架，特别是对机道上方 顶板的支护强度。（4）在不稳定顶板条件下使用四柱式支架应注意对机道上方的顶板控制，包括 增加前任阻力及可伸缩前梁等。2.1.3 影响架形选择的因素液压支架的选型受到矿井的煤层、地质、技术和设备条件的限制，因此，以上因 素都会影响到支架的选型。液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。一般情况下可根据顶板的级别，由 表3-1-5见综采技术手册（上册）中直接选出架型。（1）煤层厚度 当煤层厚度超过L5m,顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的 支架，一般不用支承式支架。当煤层厚度达到2.5m2.8m以上时，需选择带有护帮装置的掩护式或支承掩 护式支架。煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或双伸 缩立柱的支架。假顶分层开采，应选用掩护式支架。（2）煤层倾角 煤层倾角10。时，支架可不设防倒滑装置。倾角在1025。以上时，应选用带有防滑装置的支架。倾角25。时，排头支架设防倒滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作 面中部输送机设置防倒滑装置。（3）底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许比压。为使移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。14河南理工大学毕业设计说明书第15页共83页(4)瓦斯含量对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风端面较大的支承 式或支承掩护式支架。(5)煤层硬度当煤层为软煤层时，支架最大采高一般W2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般W 3.5m；硬煤层时，支架最大采高5m。(6)地质构造断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露面积在58皿以下时，时间在 20min以上时，暂不宜使用综采。(7)设备成本综合各条件，宜选用支撑掩护式支架的架形，即本人毕业设计所选择架型。2.2主要设计参数ZZ4000/17/35型支撑掩护式液压支架工作阻力：4000kN支架高度：1.73.5m支架宽度：1.421.59m初撑力：1884KN支护强度：730KN/m2(在使用范围内)采用ZZ4000/17/35型支撑掩护式液压支架，其工作阻力为4000kN,初撑力 1884kN,支护强度大于730KN/m2,对底板的比压为10.5MPa,能够满足地质条件及 矿区的要求。支架宽度为14201590mm,中心距为1.5m,支架最低时长5m左右。支架高度为1.73.5m,满足其采高要求。考虑运输机的拉架强度,支架总量约为10.5t。2.3液压支架的结构设计2.3.1 四连杆机构的作用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。15河南理工大学毕业设计说明书第16页共83页四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横 向稳定性；承受和传递外载；保持支架的整体刚度。因此，对液压支架的研究常常离 不开对四连杆机构的研究和认识。下面通过对液压支架的运动过程进一步分析四连杆 机构的特性和作用。支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与 掩护梁交点E的轨迹所决定。根据机构运动学分析，E点的运动轨迹一般为一条双纽 线，如图21所示。合理设计四连杆参数，即可控制E点的运动轨迹，改善支架支 护性能，减少连杆受力。A图2-1 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来空区方向移动有利。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 16河南理工大学毕业设计说明书第17页共83页支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度AW3080mm。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。2.3.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特性来确定。其四连杆机构的几何特 性如下：(1)支架从最高高度降到最低高度时，如下图所示顶梁端点运动轨迹的最大宽度图2-2 四连杆机构几何特征图(2)掩护梁上钱点到顶梁顶面之距离H和后连杆下钱点至底座底面之距Y0如图22所示，当支架高度确定后，要用作图法确定四连杆机构,首先要根据配套尺寸L,(此 处Lq=2088mm)。初步确定顶梁长度L,=2150mm和底座长L2380mm,然后确定 顶梁与掩护梁较点相对于后连杆下皎点的水平距离，该皎点至顶梁顶面距H和后连杆 下钱点的高度Yo。17河南理工大学毕业设计说明书第18页共83页H2 一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，在根据结构的合理性确定，一般支架距H2=150200mm,重型支架可取H?=210260mm。Yo 一般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取Yo=l50250mm,对中厚煤层支架取Yo=25O450；对大采高支架取Yo=45O600mm。(3)支架最大和最小高度时掩护梁与水平夹角Amax和Amin掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离采空区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而 是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四连杆机构，这对保持支架一围岩力学状 态的稳定有着显著的作用。其主要表现是：掩护梁载荷参与顶梁的力矩平衡，提高 了梁端承载能力；支架受到一个指向煤壁的水平推力，当支架处于支护工况时，有 阻止顶板岩体向来空区移动的作用，而当处于移架工况时，有利于克服架体各方面的 摩擦力，增强架体运动的稳定性。掩护梁水平投影过大，将增大掩护梁载荷，并承受 顶板岩块的冲击载荷，而掩护梁载荷过大将减小顶板支护强度，造成移架困难。一般 掩护式支架取A max58 62 ；支撑掩护式支架取A max 60 70。在支架最小支护高度时，掩护梁倾角应保证移架过程中掩护梁背负的肝石能沿梁 体下滑，即满足tanAmm2/，其中/为岩石与钢的静摩擦因数，一般为0.150.3。若取了=0.3,则Amin=17,设计中一般可取Amin=1218。(4)掩护梁与后连杆长度比的确定在用作图法确定四连杆机构时，杆长比主要根据设计经验确定，一般应保证5,使后连杆在第一象限内摆动。根据近百种支架的统计，掩护梁与后连杆的长度比(L0+LQ/Ld,对两柱掩护式支架一般为1.42.1,对四柱支撑掩护式支架一般 为1.21.8。经计算，此处掩护梁与后连杆的长度比=2175/1384=1.57。掩护梁与前后连杆皎点间的距离可根据支架高度及连杆销子直径确定，一般取 300500mm,前后连杆间夹角越大，连杆力越小。18河南理工大学毕业设计说明书第19页共83页5.支架工作段要取曲线向前突的一端，如上图所示的明段。其原因是当顶板来压时，立柱让压而下缩。使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，又可以使作用在顶 梁上的摩擦力指向采空区，同时底板阻止底座向后移动。使整个支架产生顺时针方向 转动的趋势，从而增加了前梁断部的支护力，防止顶梁前断顶部冒落又可以使底座前 端比压减小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应的减小，由于支架所承受 的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁受力。从以上的分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连机构时曲线运动 轨迹应尽量使支架的工作段要取曲线向前突的一段，所以当掩护梁和后连杆长度已知 后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，进行作 图就可以了。2.3.3四连杆机构的绘制(1)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b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+bDC,这样CD就是最短杆。而且 要使CD+DGCJ+JGo于是G点成为前连杆和底座的皎接轴。IH之间的轨迹的校核。在CE弧内平均取几点，例如1、2、3点，依次地以1、2、3为圆心，以CD长为半径画弧，与以G点为圆心GD为半径的FD弧交于1二2 39 点，连接H，、22 33%并都给于延长得1”，2”,3点,使H”=22=33=CH。这 样，13“2“1”所形成得曲线要接近直线，即e75mm。如果差别太大，要改变四连杆得 尺寸或角度，以上述的过程重新画出IH间得轨迹，使近似与直线。要求水平偏离量不超过规定值以外，对Y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。7角是连杆瞬时中心与掩护梁较接轴的连线和顶梁延长线之 间的夹角。CDH上的D点可以不在CH的连线上。如图24：按上述方法作图，得到前连杆的长度为1450mm,与底座的高度为580mm；后连 杆的长度为1430mm,与底座的高度为240mm；其余具体尺寸如图。测得e=43.5mm75mm,符合要求。20河南理工大学毕业设计说明书第21页共83页2.3.4液压支架主要结构参数和形式的确定(1)高度的确定及其伸缩比一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。对于大采高支架，按下式确定支架高度，即Hmax=M max 十(200400)mmH min=M min-(500400)mmHmaxHmin一支架最大高度(mm)；支架最小高度(mm)；21河南理工大学毕业设计说明书第22页共83页Mmax-最大采高(mm)；M min-最小采高(mm)Mmax=KS1MCMmin=KS2 Mc式中-煤层平均厚度；Li、Ks2-煤层厚度上、下波动系数，一般取Ksi=L 11.3,Ks2=0.80.90o对于中厚煤层支架，按下式确定支架高度，即：Hmax=Mmax+(200 300)Hmin=Mmin (300 400)对于薄煤层支架，则按下式确定支架高度，即Hmax=Mmax+(100 200)Hmin=Mmin (150 250)支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范 围越广调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。支架最大高度和最小高度取 值应符合表2 3支架高度系列单位(m)表2-3支撑掩护式液压支架高度系列表HmaxHminHmaxHmin1.00.53.11.61.10.553.21.71.20.63.31.81.30.653.51.91.40.73.82.01.50.754.02.11.60.84.22.21.70.94.52.322河南理工大学毕业设计说明书第23页共83页综合以上分析我们在设计过程中取Hmax=3500mm,Hmin=1700mmo 支架的伸缩比指其最大与最小高度之比1.81.04.72.42.01.15.02.52.21.25.32.62.51.35.52.72.81.46.02.83.01.5M=Hmax/Hmin=2.059(2)中心距和宽度的确定支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。目前国内外液压支架中心距大部分采 用1.5m。大采高支架为促高稳定性中心距可采用1.75m,轻型支架为适应中小煤矿 工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输安装和调高 要求。支架顶梁一般装有活动侧护板一般形成170200mm。当支架中心距为1.5m时，最小宽度一般1400-1430mm,最大宽度一般15701600mm。当支架中心距为1.75m 时，最小宽度一般1650-1680mm,最大宽度一般18501880mm。当支架中心距为1.25 m时，如果带有活动侧护板，最小宽度一般11501180mm,最大宽度一般1320 1350mm；如果不带活动侧护板，则宽度一般取11501200mm。(3)支架间距所谓支架间距，就是相邻两架中心间的距离，按如下公式计算：b=B+nC式中b:支架间距B:每架支架顶梁总宽度C:向邻支架顶梁间的间隙n:每架所包含的组架或框架数，总体自移式支架n=l,整体逐步式支架n=2,节式组合迈步支架n=支架节数。支架间距b主要根据支架形式，但目前主要根 据刮板运输机油槽节长度及槽帮上千斤顶连接的位置来确定，目前我国刮板运输机油 槽每节长度为L5m,千斤顶连接位置在刮板槽中间，所以除节式和迈步式支架外，支 架间距一般为1.5m,此处恰取1500mm。23河南理工大学毕业设计说明书第24页共83页（4）顶梁尺寸顶梁长度顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深（滚筒宽度）、刮板输送机尺寸、配套关系 及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素的制约。减小顶梁长度，有利于减小拧顶面积，增大支护强度。减少顶板反复支护次数，保持支架结构紧凑，减轻重量。掩护式支架，由于一般用于破碎顶板，应将顶板长加以控制，使空顶区范围内的重复支承次数不超过45次，顶梁长度为1.52.5m,最大3m。可用公式如下：顶梁长度=配套尺寸+底座尺寸+A-COS0J-EG-cos+300+e式中：配套尺寸=656+394+764+274=2088mmA:后连杆长度（mm）G:掩护梁长度（mm）e：支架由高到低顶梁前端最大位移量（mm）%、支架在最高位置时，分别为后连杆与水平面及掩护梁与水平面的夹角。1=75.7。，Px=62.7按条件取底座长度大约为2.38m顶梁长度 L=2088mm+2380mm+1040mm X cos75.7 2175mm X cos62.7 +284mm+445mm+284=3635.73mm取整得L=3636mm顶梁宽度顶梁宽度根据支架间距和架形来定，架间间隙为0.2m左右。其中宽面顶梁一般 为1.41.59m,节式支架一般为0.4-0.6m,此处取1590mm。顶板覆盖率CBIC=-X100%（/+）式中24河南理工大学毕业设计说明书 第25页 共83页B:顶梁的宽度(由)1：支架顶梁长度(m)J:支架间距(m)对破碎机顶板：覆盖率s值应达到85%95%,故掩护式支架装可移动侧护 板，以维护架间的间隙，中等稳定顶板覆盖率C值为75%85%,稳定侧护板覆盖率 为60%70%。支架控顶距L为支架顶梁长度加顶梁前端与煤壁间距。次处 Q=(3636 X 1590)/(3636+284)X(1590+200)=82.4%(5)立柱布置立柱数此支撑掩护式支架为四柱支承方式此处掩护式支架采用倾斜布置，这样可以克服一部分水平力，并能提高范围。一 般立柱与顶梁夹角小于30,前排立柱与竖直平面的夹角小于7。，后排立柱与垂直 平面的夹角小于-3。o立柱间距立柱间距的选择原则为有利于工作部件合理布置的情况下，采用较小的柱间距，立柱间距小，可减小控顶距，但工人行走不便。其余主要尺寸入下图所示：1361 800 1050 300 856支架主要尺寸图2525河南理工大学毕业设计说明书第26页共83页2.3.5液压支架的总体布置(1)设计要求 满足采煤工艺及地质条件的要求，要有足够的初承力和工作阻力，以便有效的 控制顶板，保证其合理的下沉量。推溜力一般为10吨左右,移架力按煤层厚度而定,薄煤层一般为1015吨,中 厚煤层一般为1525吨,厚煤层一般为3040吨。防煤性能要好。排煤性能要好。要求有足够的通风端面。从安全性考虑，要有足够宽的人行道。调节范围要大，照明，通讯方便。支架要求有足够的刚度,能够承受一定的不均衡载荷和冲击载荷。支架稳定性好，底座最大比压小于规定值，要易于拆卸，结构简单。在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量，液压元件要可靠。(2)支架整体机构尺寸的确定按照以前的支架设计经验,确定支架底座长度l=2380mmo按确定四连杆机构尺寸的方法，确定四连杆及掩护梁。根据工作方式及设备配套尺寸确定顶梁长度l=3636mm。确定立柱布置确定立柱布置可以用类比法,其确定原则考虑支架的稳定性及支架的合力作用位 置综合进行考虑,我们知道，作用位置超前易产生啃底现象,所以一般尽量使合力位置 向后移。支架顶梁只支承两柱时,上柱窝位置在顶梁后部,一般顶梁前端与后端之比为 2.22.4:1此处取2.3:1,而下柱窝的位置根据立柱的角度来定。一般掩护式支架的 立柱与底座垂线的夹角为q,小于30。(3)侧护板尺寸的确定 顶梁侧护板侧向宽度，按支升降高度和移架步距来定。即考虑到一架升起，另 一架降柱时,要保证两侧护板不离开，同时考虑到支架降柱后要前移,为防止顶梁后部 侧护板离开,所以顶梁侧护板要加宽,加宽的宽度为顶梁后部起大于一个步距，即大于 600 mm026河南理工大学毕业设计说明书第27页共83页 掩护梁侧护板的侧向宽度，主要考虑移架步距，一般比一个步距大100mm,即侧 护板宽度大于700mm,当一架固定另一架前移时，两架支架之间能封闭.同时又考虑到 降架前移时，原不动支架的掩护梁的侧护板不至于离开,所以掩护梁侧护板下部要加 宽。顶梁与掩护梁侧护板的上部宽度,与活动侧护板行程有关.顶梁和掩护梁的连接部位及侧护板在次的连接部位,在考虑动作可靠的情况下,尽量减小间隙，加强密封性。2.3.6支架的主要结构(1)前梁前梁为一钢板焊接件，它可以向上摆动18。，向下摆动15。，从而改善了前梁 与顶板的接触状况。采高大于2.5m的支架，为了防止煤壁片帮和房子煤壁向人行道一侧片落，保护 人的安全，一般要采用护帮装置。本支架采用四连杆回转式护帮装置，该装置由长杆、短杆、护帮板和前梁组成四连杆机构，能使护帮板回转180,支护顶板时的支撑力 能达到1020kN。其缺点是结构比较复杂。(2)主顶梁顶梁用于支撑维护控顶区的顶板，承受顶板压力，将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。图2-6 顶梁筋板焊接方式这里采用前后较接式顶梁。整个顶梁分前梁和主顶梁两部分。前梁由前梁千斤顶 支撑，对顶板的适应性较好。皎接前梁端部的支撑力决定于前梁千斤顶的支撑力矩。一般梁的支撑力，未伸出前为200400kN。主顶梁为焊接箱式结构。中间以两根主骨架为主体，在主骨中焊接四个柱窝。在 顶梁两侧装有侧护板，根据工作面方向不同可使一侧固定，另一侧活动。要使侧护板 固定，只要把弹簧套筒收回，用销子销在销孔中。为了防止销子脱出，用挡板固定。27河南理工大学毕业设计说明书第28页共83页如果销不住，侧护板就在弹簧作用下伸出。顶板采用的钢板厚度为25mm,筋板厚度 为 40mm o(3)掩护梁掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。还承受 对支架水平作用力及偏载扭矩。掩护梁和顶梁(包括活动侧护板)一起，构成了支架 完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡肝性能。掩护梁为款面板式箱形结构件。焊接方式与顶梁相似，掩护梁上皎接座与顶梁铉 接，下端通过前、后连杆与底座较接。掩护梁上的侧护板的装配方式与顶梁相同。(4)底座底座为支架的其它结构件和工作机构提供安设的基础，与前、后连杆和掩护梁一 起组成四连杆机构，将立柱和前、后连杆传递的顶板压力传给底板。本底座是由钢板焊接成的箱形整体结构。在底座前端中间焊接有过桥它可以起到 对底座的加强作用，另外还要用于固定推移千斤顶，将其一端固定在底座上。除了满 足一定的刚度和强度外，对底板不平的适应性要强，对底板的接触比压要小；有足够 的空间安装立柱液压控制装置，推移装置和其它辅助装置；便于人员操作行走，起一 定的挡煤作用，考虑排煤能力，有一定的重量，以保证支架的稳定性能等。采用整体 式底座：这种底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定性好，强度高，不易 变形，与底板接触面积大，比压小，底座的前端做成滑靴形，以减小支架的移动阻力，同时底座后部重量大于前部避免移架时底座啃底，底座与立柱之间连接处用铸刚球面 柱窝接触，以免因立柱偏斜受偏载，并用限位板和销柱限位，防止立柱脱出柱窝。在 整体式底座后部中间底板去掉一块，增加底座后部比压，同时有利排煤。(5)立柱该立柱为一单伸缩双作用油缸，为了适应顶底板的变化和改善其受力状况，立柱 两端均采用球面结构，以便更好地承受顶板压力。为了补充立柱液压行程的不足，加设有机械加长段。在煤层厚度变化不大的工作 面，可在安装时一次将加长杆调节到所需要的高度，在回采工作中可不再调节加长杆 的长度。加长杆的调节长度为900mm,分3挡，每挡300mm。加长杆的拉出办法：根据采高的要求首先确定加长杆所需伸出的长度，然后把操纵阀打到升柱位 置，伸出长度稍大于所需长度；用单体支柱或圆木撑住顶梁；拆卸开口销、销轴、挡套和卡环；把操纵阀打到降柱的位置，使立柱下降，加长杆即可伸出，直到所需要的高 度；28河南理工大学毕业设计说明书第29页共83页 装上卡环、挡套和销轴及开口销。缩短加长杆的方法：决定了缩短加长杆的数值以后，调节活柱高度，使加长杆的销轴中心高于导 向套顶端的距离；用单体支柱或圆木撑住梁顶；拆除开口销、销轴、挡套和卡环、伸出活柱，使加长杆缩进活柱套管，直到所需的高度；装上卡环、挡套、销轴和开口销。图2-7带机械加长的双作用单伸缩立柱1一机械加长段；2卡环；3挡套；4开口销；5 活柱；6缸体；7 一活塞;图2-7(a)立柱的缸口结构1橡胶防尘圈；2导向环；3 挡圈；4蕾型圈；5、6 0型圈和挡圈；7 一方形钢 丝29河南理工大学毕业设计说明书第30页共83页图 2-7(b)立柱活塞部分结构1 活柱；2限位套；3活塞头；4导向环；5 鼓形密封圈；6内卡键；7外卡键；8 一卡箍；(6)千斤顶在ZZ4000/17/35型液压支架上有推移千斤顶、护帮千斤顶、侧推千斤顶、前梁 千斤顶等。都是采用外供液固定活塞式千斤顶。图2-8 推移千斤顶结构图1 一活塞杆；2防尘圈；3钢