液压支架放顶煤液压支架的设计.doc

摘要采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁，四连杆机构，侧护板，底座，立柱和千斤顶等。设计要遵循支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。在这次放顶煤液压支架的设计过程中，主要以底座、主顶梁、尾梁和立柱等结构件的机械部分设计为重点，用普通设计步骤设计总体结构尺寸，再用Solidworks初绘总体架型检查配合尺寸，然后转化为CAD并修改细节，最后对主要构件进行强度校核，并用有限元分析部分构件。关键词：放顶煤液压支架；顶梁；四连杆机构；有限元AbstractThe comprehensive mechanization of coal mining is the acceleration coal industrial development of our country, raises labor productivity substantially , realizes the modern a strategic measure 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 and base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle. In this design process of caving hydraulic support, mainly in support of the base, the top beam, the beam and the column structure of the end of the mechanical part of the design focus, with the general design procedure to design the overall body size. The overall structure of the initial drawing with Solidworks to check with the size, and then transformed into and modify the details of the part of the CAD, at last major component of the strength check, and some elements of the FEM analysis.Keyword：caving hydraulic support；Crest beam；4 linkage mechanisms；FEM目录第1章 放顶煤液压支架概论.1 1.1放顶煤液压支架发展历史.11.2液压支架的应用和意义.31.3低位放顶煤液压支架的组成.41.4液压支架的工作原理.71.5小结.12第2章 液压支架整体结构设计.132.1支架主要尺寸的确定.132.2支架四连杆机构的确定.152.3四连杆机构的设计.172.4顶梁结构设计.212.5掩护梁结构的设计.272.6底座结构设计.282.7立柱的确定.302.8千斤顶的选择.332.9小结.35第3章 液压支架的受力分析.363.1顶梁受力分析.363.2掩护梁受力分析.403.3底座受力分析.423.4小结.43第4章 液压支架强度校核.444.1材料的选择.444.2 顶梁的强度校核.464.3 底座的强度校核.504.4前后连杆的校核.524.5小结.53第5章 液压支架液压系统分析.545.1 液压支架的液压系统的简介.545.2 液压支架的液压系统拟定.565.3 小结.60第6章 结论.61参考文献.62致谢.63附录.64- 91 -第1章 放顶煤液压支架概论支架的作用不仅是支护顶板、保证安全，而且要有效的控制顶板、提高效率。综放工作面的产量不仅取决于煤层、采运设备、综放支架，而且还取决于知己控制顶板、顶煤的能力和效果。放顶煤液压支架是综合机械化放顶煤开采最重要的机械设备。它的发明和应用，使放顶煤开采技术从高落式进入一个全面机械化的新的发展阶段。放顶煤工作面由液压支架实现可靠、快速地支护和放煤，采用采煤机采煤，使厚煤层全厚开采在安全、可靠的工作条件下进行，保证了工作面实现高产高效。1.1放顶煤液压支架发展历史前苏联研制的KTY型掩护式放顶煤液压支架是世界上最早的放顶煤液压支架之一1。此后，法国研制出尾梁呈“香蕉”形的用于放顶煤开采的支撑掩护式放顶煤液压支架，如图1.1所示。自20世纪70年代开始，法国、前联邦德国、英国等国家陆续研制成功了开“天窗”的支撑掩护式或带插板的支撑式放顶煤液压支架，如图1所示。英国研制开“天窗”式放顶煤支架如图1.2所示，该支架在掩护梁上开了放顶煤“天窗，由液压千斤顶控制开关，“天窗”附近装有搅动杆，以便于对顶煤进行二次破碎。掩护梁上还钻有眼孔，在煤硬不落时钻空爆破。20世纪80年代初，匈牙利研制成功放顶煤掩护式支架，结构如图1.3所示，采、放顶煤均用单一的输送机运输。1982年，我国首次由煤炭科学研究总院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设计，郑州煤矿机械厂生产制造了FY400-14/128型放顶煤液压支架，如图1.4所示。在此后的几十年里，我国设计、研制了数十种放顶煤液压支架，从仿制东欧的高位放顶煤至支架，西欧的多种类型中位及低位放煤支架，到后来自己设计，如图1.5所示。郑州煤矿机械厂在铺底网支架基础上，首创的新一代四柱、四连杆、双输送机、短尾梁、低位放煤支架使用的成功，标志着我国放顶煤支架研制工作走上了独立创新的道路。这种支架由于采用后四连杆短尾梁结构，因此支架的稳定性好，强度大，工作可靠。采用低位放煤明显的减少了工作面粉尘，减少了煤损，取得很好的效果。在此类放顶煤支架架型逐渐统一后，又陆续研究出了几种新的低位放煤支架，形成了我国具有自己特点的放顶煤支架系列。兖州矿物局东滩煤矿使用国产放顶煤液压支架，创造了年产550万吨的高产纪录，标志着我国放顶煤液压支架技术已处于世界先进水平。图1.1 “香蕉”形放顶煤支架 图1.2 英国“天窗”式放顶煤支架 图1.3 匈牙利“天窗”式放顶煤支架 图1.4 FY40014/28型放顶煤支架图1.5 低位小插板放顶煤支架1.2液压支架的应用和意义随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需要量的日益增加，煤矿开采，特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大的变化。自1954年英国装备了世界上第一个液压支架工作面开始，采煤技术实现了综合机械化。综合机械化。就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都是现机械化。也就是说，采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤；工作面重型可弯曲运输机，以及与之适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤；自移式液压支架支护和管理顶板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备4。液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸和阀件）与一些金属结构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，能实现支撑、降落移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进，经济上合理，安全上可靠，当前世界各国都在不断地提高采煤工作面的综合机械化水平。我国于1964年开始研制液压支架，到目前已经取得可较好的效果。1974年以来，从西德、英国、苏联和波兰等国引进了许多不同类型的液压支架。实践证明，液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点，能使采煤工作面达到高产量、高回采率和高工效，能大大减轻劳动强度，降低成本和掘进率，实现安全生产。1.3低位放顶煤液压支架的组成低位放顶煤液压支架的组成如图1.6所示图1.6低位放顶煤液压支架组成示意图1-立柱；2-底座；3-顶梁；4-掩护梁；5-伸缩放煤板；6-尾梁7-前四连杆；8-后四连杆；9-尾梁千斤顶；10-放煤板千斤顶一、顶梁用途：1、用于支撑维护控顶区的顶板；2、承受顶板的压力；3、将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求：1、顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；2、顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；3、顶梁对顶板的覆盖率高；4、顶梁能适应顶板的起伏变化。二底座用途：1、为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础；2、与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构；3、将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：1、底座应有足够的强度和刚度；2、底座对底板的起伏变化适应性好；3、底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板；4、底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；5、底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。三立柱用途：1、支撑顶梁，承受载荷的作用；2、调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；3、立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。四掩护梁用途：1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；2掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩；3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矸能力。五活动侧护板用途：1、消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；2、作为支架移架过程中的导向板；3、防止支架降落后倾倒；4、调整支架的间距。 六、放煤板 主要用于放下顶煤。七连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定5。其四连杆机构的作用：1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能；2、能承受较大的水平力。八操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动1.4液压支架的工作原理（1）液压支架自动移设的原理：液压支架以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，使支架完成升起、降落、行走和推移运输机等各种动作，以便支架随工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作过程分别加以叙述。1.降柱：当旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管，进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主回液管，支柱卸载下降。2.移架：液压支架卸载后，操纵阀转到移架位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管进入到推压千斤顶的活塞杆腔，同时也进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶收缩，以运输机为支点，拉架前移。运输机靠相邻的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单项阀紧锁。3升柱:液压支架移到新的位置后，应及时升柱，以支撑新暴露的顶板。操纵阀转到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主进液管进入，经操纵阀到液控单向阀，进入到推移千斤顶的活塞杆腔，支柱活塞矸腔的油液，同时也进入液控油路，经油管和操纵阀流回主回液管，活塞和顶梁升起，支撑顶板。4.推移运输机:当液压支架前移并重新支撑后，操纵阀转到推移位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入到推压千斤顶的活塞杆腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，以液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。在实际生产中，对于具体支架的动作，根据该支架的结构和需要来确定。（2）液压支架的支撑承载能力：液压支架的支撑承载能力是指液压支架与顶板之间相互力学原理，它包括初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。1. 初撑增阻阶段：在升柱过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站的工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭，阀球封闭了支柱活塞腔的油液，这就是支架的初撑阶段。此时支柱和支架对顶板产生的支撑力称为初撑力。支柱初撑力 式（1.1） 支架初撑力 式（1.2）式中：泵站的工作压力（公斤/l厘米2）D支柱缸体径经（厘米）n每架支架的支柱数支撑效率（垜式支架1）支架初撑力的大小，取决于泵站的工作压力，支架支柱数和支柱缸体的内径以及架型等。实际上支柱初撑后，活塞腔的油液压力由于阻力损失、操作情况和阀的灵敏度等原因，往往低于泵站工作压力。2. 承载增阻阶段：支架初撑后，随顶板的下沉，支柱活塞腔被封闭的油液受到压缩，油液压力继续升高，呈现承载增阻状态。这时由于支柱缸径增大，油液被压缩而体积缩小，即使乳化液没有任何漏损，安全阀并未动作卸载，支柱总长度也降缩短。这个缩短量可用下式计算 式（1.3）式中：支柱由初撑力起到达工作阻力时，支柱内压力得增值（公斤/l厘米2）乳化液的体积压缩系数，近似取水的压缩系数0.0000475支柱内壁压缩液柱的高度（厘米）钢材的弹性系数（公斤/l厘米2）刚才的泊松比 0.28D支柱缸体外径（厘米）d支柱缸体内径（厘米）这个缩短量是有弹性的，如果作用在支柱上的载荷，反过来从工作阻力减小到初撑力时，支柱仍会恢复到原来的长度。因此，这个支柱长度上的缩短量，称为支柱的弹性可缩量。根据开滦局井下实测，在各种不同的初撑力、工作阻力高的情况下，MZ-1928型支柱的弹性可缩量在610mm范围内。这个弹性可缩量会使支柱工作还未达到工作阻力之前，就造成顶板的下沉，有可能使岩石离层，对顶板管理是不利的。经试验证明，减小支柱的弹性可缩量，对改善顶板管理起着重要的作用。具体措施是，使用高压乳化液泵，提高支柱初撑力；改善单向阀的质量，要能及时关闭也路；注意操作方法，使支柱下腔尽可能达到泵站的工作压力。 3. 恒阻阶段：支架承载后，如果完全支撑住顶板，不允许顶板下沉，需要有强大的支撑力。在实际生产中，由于顶板压力有时相当巨大，想设计出能抗住巨大顶板压力，而一点也不让压的支架是及困难的，实际上也没有这种必要。 都使支架能随顶板下沉时，有一定的可缩量，但又保持一定的支撑力不敢于使顶板任意下沉而造成破坏冒落。要求支架即具有一定的支撑力，又具有可缩性。液压支架的这种特性，是由支柱的安全阀来控制的。在顶板压力增大时，支柱活塞腔被封闭的油液压力就迅速升高，当压力值超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泄出，支柱降缩，支柱活塞腔的液体压力减小，这就是支架的“让压” 特性；当压力小于安全阀的动作压力时，安全阀又关闭，停止卸液，支柱活塞腔的液体又被封闭，支架恢复正常工作。由于安全阀动作压力的限制，支柱呈现出恒阻特性，此时支柱和支架承受的最大载荷称为工作阻力。支柱工作阻力 式（1.4）支架工作阻力 式（1.5）式中：安全阀的动作压力（公斤/厘米2）支架的工作阻力取决于安全阀的动作压力、支架支柱数、支柱缸体内径和架型等。安全阀使支柱具有恒定的设计工作阻力，同时又使支柱在承受大于设计工作阻力的顶板压力时，可随顶板的下沉而下缩，这就是液压支架的恒阻性和可缩性。未防止安全阀频繁动作而失效，应使支架的工作阻力大于正常的顶板压力，也就是说，在工作生产过程中，支架还没有达到设计工作阻力之前，就已前移到新的支撑位置。工作阻力是液压支架的一个基本参数，用来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，并不能完全反应支架对顶板的支撑力，因此常采用表示单位面积顶板上所受支架工作阻力值大小的支护强度参数，来比较支架的支护性能。支架支护强度 式（1.6）式中：A支架的支护面积（米2）由上可知，支柱或支架工作时，其支撑力随时间的变化是，支架升起，顶梁开始接触顶板至液控单向阀关闭时的初撑增阻阶段to，初撑结束至安全阀卸载前的承载增阻阶段t1和安全阀出现重复卸载时的恒定阶段t2。这种变化过程反应了支架的支撑力和时间之间的关系。上述工作过程表明：液压支架在额定工作阻力值以下工作时，具有增阻性，以保证支架顶板的有效支撑作用；当支架支撑力超过额定工作阻力值时，支架随顶板下沉而下缩，使支架保持恒定的工作阻力，即具有可缩性和恒阻性。支架本身的增阻性取决于液控单向阀和支柱的密封性能，可缩性和恒阻性则由安全阀的溢流性能决定。因此，液控安全阀、单向阀、支柱这三个部件，是保证支架性能的关键元件。通过上述，对液压支架的工结构和工作原理的分析，可初步确定液压支架。1.5 小结本章对放顶煤液压支架的历史进行了概述，并由此引出液压支架对整个煤矿行业的重要意义，使现代采煤工业更加安全，高效。并对液压支架的组成及工作原理进行了较为详细的描述，其中液压支架工作原理的叙述是本章的重点。第2章 液压支架整体结构设计液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁，四连杆机构，侧护板，底座，立柱和千斤顶等。设计要遵循支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。在这次放顶煤液压支架的设计过程中，主要以底座、主顶梁、尾梁和立柱等结构件的机械部分设计为重点。2.1支架主要尺寸的确定2.1.1支架的高度一般首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。支架的最大高度与最小高度的之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架的适用范围越广，但过大的调高范围会给支架结构设计造成困难，可靠性降低。 式（2.1） 式（2.2）式中：支架最大高度（mm）； 支架最小高度（mm）； 最大采高（mm）； 最小采高（mm）；S1考虑伪顶冒落的最大厚度。大采高支架取200400 mm，中厚煤层支架取200300mm，薄煤层支架取100200mm；S2考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和。薄煤层支架取150250mm，中厚煤层支架取300400mm。按照已给课程设计的要求，液压支架型号为ZF5600/22/45综放液压支架，故为3200mm；为1700mm。2.1.2支架的伸缩比支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即 式（2.3）Ks反映支架对煤层厚度的适应能力，采用单伸缩立柱Ks值一般为1.6左右；若进一步提高伸缩比，需采用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱，Ks值一般为2.5左右。2.1.3支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。用bc表示。支架间距bc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，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板运输机溜槽每节长度通常为1.5 m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，支架间距一般为1.5米，本设计取bc=1.5 m2.1.4支架宽度 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、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。其中宽面顶梁一般为1200mm1500mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1378mm,最大宽度为1450mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。2.1.5底座长度所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑以下几个方面：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、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作和行走；保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。考虑本支架用四立柱，本次设计底座长度为为2675mm。2.2支架四连杆机构的确定2.2.1四连杆机构的作用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施加的载荷，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置，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，而且还会产生沿岩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。2.2.2四连杆机构设计的要求1.支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于70mm，最好为30mm以下。2.支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与底平面的夹角，如图2.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，5262，7585；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，如果钢和矸石的摩擦系数=0.3，则=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使25为宜。而角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取2530，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。3.从图2.1中可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为。设计时，要使角满足的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。4.应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2.1所示的h段。其原因为当顶板来压时，立柱随之下降，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，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，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。图2.1 四连杆机构几何特征图从以上分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以了，如图2.2所示。图2.2 掩护梁和后梁杆构成曲柄滑块机构2.3四连杆机构的设计四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计根据液压支架尺寸关系采用几何作图法进行计算，如图2.3所示。图2.3 液压支架尺寸关系2.3.1掩护梁和后连杆长度的确定 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图2.4所示。图2.4 掩护梁和后连杆计算图设： G掩护梁长度（mm）;A后连杆长度（mm）;其中：P1支架最高位置时，掩护梁与顶梁夹角(度);P2支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角(度);Q1支架最高位置时，后连杆与底平面夹角（度）;Q2支架最低位置时，后连杆与底平面夹角（度）;按四连杆机构的几何特征要求，选定，由于支架型式不同，对于掩护式支架,一般A/G的比值按以下范围来取：A/G=0.450.61,取A/G=0.58。支架在最高位置时有 式（2.4）H1=3200mm因此掩护梁长度为1885.279mm 式（2.5）后连杆长度为A=G(A/G) = 1162.202 mm取整得 G=1885mm A=1162mm2.3.2几何作图法作图过程用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸，具体作法如图2.5所示。具体作图步骤如下：1. 确定后连杆下铰点O点的位置，使它比底座面略高900mm。2. 过O点作与底座面平行的水平线HH线。3. 过O点作与HH线的夹角为Q1的斜线。4. 在此斜线截取线段，长度等于A=1936mm,a点为支架在最高位置时后连杆与掩护梁的铰点。5. 过a点作与HH线有交角P1的斜线，以a点为圆心，以G点为半径作弧交斜线一点E,此点为掩护梁与顶梁的铰点。6. 过E点作HH线的平行线，则H-H线与FF线的距离为H1，为液压支架的最高位置时的计算高度。7. 以a点为圆心，以0.22G=734.36mm圆整为734mm长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b,为前连杆上铰点的位置。8. 作点E2距E点1500mm,此为支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。9. 以E2点为圆心，掩护梁长为半径，以o为圆心，作为半径圆弧.相交于a2 点，oa2的长度等于A，a2点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。10. 以a2为圆心以0.22G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b2，为支架在最低位置时前连杆上铰点的位置。11. 取2线之间一点e1为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。12. 以O为圆心，为半径圆弧。13)以e1点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点a1，以点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。14. 以1连线，并以a1点为圆心，以0.22G长度为半径作弧，交1上一点b1点。则b， b1,b2三点为液压支架在三个位置时 ，前连杆上铰点。15. 由b， b1,b2三点确定的圆心C，为前连杆下铰点位置。16. 过C点HH线作垂线，交点d，则线段,和为液压支架四连杆机构。17. 按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e1的运动轨迹，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线，再按四连杆机构的几何特征进行校核，最终选出较优的四连杆机构尺寸。图2.5 液压支架四连杆机构的几何作图法结论：后连杆长度A=1162mm 掩护梁长度G=1885mm 前连杆长度C=1348mm 前后连杆下铰点底座投影距离E=692mm 前后连杆下铰点垂直距离D=452mm2.4顶梁结构设计2.4.1基本概念顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度要求以外，还要保证支护顶板的需要。顶梁作用是支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的连接点。2.4.2顶梁分类支架常用顶梁形式有三种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段称为主梁，一般简称顶梁。图2.7 铰接顶梁1. 前梁；2. 前梁千斤顶；3. 顶梁图2.6 整体顶梁整体顶梁整体顶梁，如图2.6所示的特点是：结构简单、可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可以设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端（8001000mm）, 一般上翘1。铰接式顶梁 铰接式顶梁如图2.7所示。在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性较强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减少运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力的联接强度。前梁上不宜设置侧护板。为了顺利移架，前梁间一般要留有100500mm间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。楔形顶梁图2.8 楔形结构梁1-楔形梁；2-楔块；3-楔形梁千斤顶；4-后梁楔形结构梁如图2.8所示。楔形梁1和后梁4通过销轴铰接，而千斤顶铰接于顶梁上。楔形结构梁利用构件间摩擦自锁原理，通过楔块2与楔形梁1和顶梁4之间的摩擦作用，使楔形梁1、楔块2和后梁4在受载时保持为一个 整体，如同整体刚性顶梁，这样，该梁宜具有整体刚性顶梁前端支护力大的优点。由于楔形梁1与后梁4为铰接结构，当操作楔形梁千斤顶伸出或缩回时带动楔形块前后移动，从而使楔形梁1绕铰轴上下摆动，其摆动范围取决于楔形块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰接顶梁小，因而该梁不具有铰接顶梁的灵活性。此外，在运输时楔形梁1可以放到下垂位置，缩短了运输尺寸，从而方便运输和安装。现根据常用液压支架顶梁形式各自特点，本设计采用整体顶梁。2.4.3顶梁长度的影响因素1)支架工作方式对支架顶梁长度的影响支架工作方式对支架顶梁长度的影响很大，从液压支架的工作原理可以看出，先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（又称滞后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推溜的工作方式，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600mm。2)配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离（梁端距）为T=300mm，这个距离叫空顶距。另外在输送机铲煤板前也留有一定距离。一般为E=100150mm左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，在此来