矿用液压支架的顶梁设计说明书-大学毕业(设计)论文.doc

有大部分CAD图纸和部分三维模型出售价格便宜想要图的加QQ：550498247湘潭大学毕业设计说明书题 目： 矿用液压支架的顶梁设计 学 院： 机械工程学院 专 业： xxxx 学 号： xxxxx 姓 名： xx 指导教师： xx老师 完成日期： 5月26号 摘 要本次设计的题目是ZY3200型液压支架，主要包括顶梁、底座、掩护梁、前后连杆等主体的设计与顶梁强度的计算。液压支架在煤炭行业是一种非常重要的设备，它在采煤工作面中为了防止顶板冒顶，维持一定的空间，保证工人安全和各项工作的正常运行，对顶板进行支护。它是以高压液体作为动力，能够实现支撑、切顶、移动液压支架和推移输送机等一整套工序。关键词：液压支架、底座、顶梁、前后连杆AbstractThis design is entitled ZY3200 type hydraulic support, including roof beams, base, cover beams, front and rear connecting rod body design and top beam intensity calculations.Hydraulic supports is a very important device in the coal industry, it is in the coal face in order to prevent the roof cave, to maintain a certain space, to ensure the safety of workers and the work of the normal operation of the roof for support. It is based on high-pressure liquid as the driving force to achieve support, cut the top, mobile hydraulic support and a whole set of processes over conveyors.Keywords: Hydraulic support、Base、Top-beam、Front and rear linkage 目 录前言11液压支架的概述21.1 国内外液压支架的发展历程21.2 液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数31.2.1 设计目的31.2.2设计液压支架必须的基本参数41.3 液压支架技术的发展趋势41.4 液压支架的工作原理51.4.1 升柱和降柱61.4.2 支架和输送机前移61.5 液压支架工作状态及布置61.6液压支架的支护方式72工作面设备选型72.1 工作面设备选型配套原则82.2 液压支架的选型82.2.1 架型的确定92.2.2采高的确定92.2.3支架中心距的确定92.2.4工作阻力的确定92.3 刮板运输机选型102.4 采煤机选型103 液压支架整体结构尺寸设计113.1 液压支架基本参数的确定113.1.1 支架的高度和支架的伸缩比113.1.2 支架间距和宽度的确定113.1.3 梁端距的确定123.1.4 支架底座长度的确定123.2 液压支架四连杆机构的确定123.2.1 四连杆机构的作用133.2.2 四连杆机构尺寸设计133.3 顶梁长度的确定183.3.1 支架工作方式对顶梁长度的影响183.3.2顶梁长度计算183.4 立柱布置193.5液压支架的性能参数确定203.5.1液压支架的支护强度203.5.2液压支架的工作阻力203.5.3液压支架的初撑力213.5.4液压支架推溜力和移架力214液压支架主要部件设计224.1 支架主要部件的设计要求224.2 顶梁的设计224.2.1 顶梁结构形式224.2.2 顶梁断面形状234.3 底座的设计244.4掩护梁的设计254.5连杆的设计264.6顶梁侧护板的设计274.6.1 主要作用274.6.2 侧护板的种类与选择274.6.3 侧护板的结构型式284.7立柱的设计294.7.1立柱尺寸确定304.7.2.双伸缩立柱动作原理305液压支架顶梁受力分析及强度计算325.1液压支架顶梁受力分析325.1.1液压支架受力特点及分析假设325.1.2顶梁和掩护梁的受力335.2液压支架顶梁强度计算335.2.1 强度条件355.2.2 顶梁强度校核36结 论41参考文献42致谢43附录(一)三维模型44附录(二)专业翻译4761前言煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中，具有重要的战略地位。在未来新能源大规模利用之前，煤炭是支持我国能源供应的国内重要品种。据国际能源署预测，从2000 到2020 年，一次商品能源需求年增长2.97，2020 年我国煤炭需求量将超过25 亿t，煤炭工业将有一个很大的发展。根据我国社会发展的需求，要把我国建设为“资源节约型，环境友好型”的社会，煤炭工业面临着历史性的挑战与机遇，经历着关键性的转变。实现以信息技术和机电一体化技术为核心的综合自动化、以清洁生产和洁净煤技术为基础的洁净化、以大企业集团和多元化经营为特征的集约化，即实现高效、安全、洁净、结构优化，已成为新时期我国煤炭工业发展的方向。液压支架是以高压液体为动力，由若干个液压元件（油缸、阀件） 与一些金属构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，具有强度高、移动速度快、支护性能好、安全可靠等特性。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。我国煤矿中使用的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。普通机械化采煤工作面的配套设备，有采煤机、可弯曲刮板输送机和支护设备。因支护设备不同，其机械化程度也不一样。普通机械化采煤采用金属支架加铰接顶梁；高档普通机械化采用单位液压支架加铰接顶梁。液压支架是以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械化。因而大大的改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度、有效的增加了劳动安全性，使工作面的产量和效率得到了很大的提高，并为工作面的自动化创造了条件。综上所述，大力发展综采机械化采煤，研制和使用液压支架式十分关键的。此次设计是对大学所学的知识的综合应用，通过设计使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机的使用的熟练性。通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高独立为完成工作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。1 液压支架的概述1.1 国内外液压支架的发展历程作为煤矿井下综采工作面支护关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。20 世纪50 年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；60 年代前苏联研制并改进的OMKT 型掩护式支架（具有四连杆机构），解决了支架梁端距变化大的问题，开辟了液压支架设计的新时代；70 年代主要是“立即支护”方式；80 年代以来，为提高生产率和降低生产成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高，如美国、澳大利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测。90以上的美国长壁综采工作面使用了电液控制两柱掩护支架，其额定工作阻力最高可达9 800 kN，初撑比为0.70.85，移架循环时间大多小于10 s。我国液压支架的发展历程经历了下列几个阶段。从1958 年开始设计掩护式支架，1964 年开始由专门研究室全面开展架型及阀类的攻关，20 世纪70 年代初开始液压支架的研制工作，先后研制出垛式、节式及掩护式支架。1970 年在山西大同首次全工作面装备了TZ140 型垛式液压支架。70 年代中期，研制了QY型掩护支架和ZY35 型支撑掩护支架。20 世纪70 年代末80 年代初我国分三次大规模引进国外支架，尤其是第三批引进了当时西方国家较为先进的综采设备共100 套，其中液压支架主要以二柱掩护式和四柱掩护式为主，支架的参数和性能比以往支架有了明显的提高。通过消化吸收国外先进技术，我国科研人员自主研发了多种用途的液压支架，最具代表性的有QY 系列和YZ 系列支架。20 世纪80 年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大吨位TZ720 型支架，分层开采自动铺联网支架、放顶煤液压支架及大流量安全阀和操纵阀等。从20 世纪90 年代中期开始，我国液压支架进入了快速发展阶段，全国综掘综采工作面数量大幅度提高，液压支架的性能、参数、可靠性有了明显的提高，支架的架型不断丰富，如大采高支架、薄煤层支架、大倾角液压支架、铺网液压支架和端头支架等。到目前为止，适于我国高产高效的国产液压支架有20 余种架型，其中用于缓倾斜中厚煤层和缓倾斜厚煤层的各占一半。适用于缓倾斜厚煤层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支架、一次采全高支架和放顶煤支架三大类。1.2液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数1.2.1设计目的采用综合机械化采煤机械方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化设备，机械化采煤工作面。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。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，因此其设计的工作量也是很大的，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。1.2.2设计液压支架必须的基本参数1顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。2最大和最小采高根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3瓦斯等级根据瓦斯等级，按煤矿安全规程规定，验算通风断面。4底板岩性及小时涌水量根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。5工作面煤壁条件根据工作面煤壁条件决定是否用护帮装置。6煤层倾角根据煤层倾角决定是否选用防滑装置。7井向罐笼尺寸根据井向罐笼尺寸考虑支架的运输外形尺寸。8配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.3 液压支架技术的发展趋势液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在国外的普通综采工作面液压支架已实现了微机红外线电液自动控制，可成组、成排地向前移架，额定供液压力达到40MPa，流量300 L/min450 L/min，供液管径100 mm120 mm，移架速度超过了10 组/min。而国产液压支架还是中低压小管径供液，人工手动操作。现场实际统计，前移一组支架大约需1 min。最大的支架供液压力不超过32 MPa，供液管径25 mm30 mm，流量在150 L/min200 L/min。二柱掩护式液压支架的工作阻力780 t，架宽1.5 m，采用PM4 型红外线电液控制系统，由采煤机微电脑远距离控制，支架立柱直径超过400 mm，移架速度10 组/min。20 世纪80 年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力，他们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超400 mm。为减少割煤时间，一般采用0.8 m1m 的截深。支架还采用屈服强度800 MPa1 000 MPa 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为10 MPa 50 MPa，额定流量100 L/min 500 L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，达到6 s/架8 s/架。美国是世界上最先进的采煤国家，早在1990 年就已采用额定压力50 MPa、额定流量478 L/min 的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达6 s/架 8 s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命810 年，可用率高达9598。支架平均工作阻力6 470 kN（最大为9 800 kN，支架宽度普遍增大，中心距达到1.75 m，并向2 m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20 英里矿在长壁综采面用工作阻力为电液控制两柱掩护式支架，1997 年6 月产商品煤90.43 万t，成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面；1995 年9 月，糜鹿矿用工作阻力为8 900 kN 电流控制的两柱掩护式支架，月产煤达到60.11 万t。美国综采工作面最高日产超7 万t，最高工效1 336 t/工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式支架，支架的平均工作阻力为7 640 kN。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在1995 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3.41 万t 的最高纪录，班产一直保持在5 000 t6 000 t。英国也在大力发展两柱掩护式支架，工作阻力有了很大提高，达到5 000N6 000 N。1.4液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。如图1.1所示。 图1.1 液压支架工作原理1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀；7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管1.4.1 升柱和降柱当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液及进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使于活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。图1.2液压支架工作特性曲线由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图1.2，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2，这就是液压支架的阻力时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。1.4.2 支架和输送机前移支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.5 液压支架工作状态及布置图1.3所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、乳化液泵站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。A-A截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（B-B截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（C-C截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（D-D截面），以便完成下一个动作过程。随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。1.6 液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的3种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。1、即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。2、滞后支护一般循环方式为：割煤推溜移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板。3、复合支护一般循环方式为：割煤支架伸出伸缩梁推溜收伸缩梁移架。复合支护的特点是，支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。图1.3 液压支架在工作面布置示意图1采煤机 ；2液压支架 ；3传送带输送机 ；4转载机； 5刮板输送机； 6主进液管7主回液管； 8乳化液泵； 9乳化液箱； 10端头支架； 11单体液压支柱；2 工作面设备选型2.1 工作面设备选型配套原则生产能力配套 工作面生产能力取决于采煤机落煤能力，而刮板输送机、液压支架及运输巷运输设备的运输能力要高于采煤机生产能力的20以上，要保证工作面高产，工作面运输设备的运输能力要大于采煤机的落煤能力，液压支架的移架速度一定要满足采煤机高产快速运行的要求。1、采煤机生产能力选择，采煤机的生产能力的决定是依据工作面的年产量及每小时生产能力而确定的。采煤机生产能力(th)=60(minh)采高(m)截深(m)采煤机牵引速度(minm) 煤的密度 (tm3 )系数2、刮板输送机生产能力要高于采煤机的生产能力。 3、液压支架生产能力的确定，为了保证工作面采煤机连续截煤，整个工作面支架的移机速度应大干采煤机连续截煤的平均截煤牵引速度。 2.2 液压支架的选型液压支架选型原则： 1、支护强度应与工作面矿压相适应。支架的初撑力和工作阻力要适应直接顶和基本顶岩层移动产生的压力，将空顶区的顶板移近量控制到最小程度；2、支架结构应与煤层赋存条件相适应；3、支护断面应与通风要求相适应，保证足够风量，且风速不能超过规定值；4、液压支架应与采煤机、刮板输送机等设备相匹配。支架的宽度应与刮板输送机中部槽长度相一致，推移千斤顶的行程应比采煤机截深大100200mm，支架沿工作面的移架速度应能跟上采煤机的工作牵引速度并能满足生产指标。 2.2.1 架型的确定选用二柱支顶掩护式液压支架。如图2.1所示：图2.1二柱支顶掩护式支架2.2.2采高的确定支架最大高度选3.2m，根据双伸缩立柱的伸缩比，支架的最低高度为1.4m。2.2.3支架中心距的确定支架的中心距，目前国内外有1.25m、1.50m、1.75m、2.0m四种。根据采高的确定，中心距选1.5m。2.2.4工作阻力的确定目前，国内外确定支架支护强度和工作阻力，通常采用岩重倍数法和经验类此法来估算。初步确定工作阻力为3600KN，支护强度为0.95MPa。通过对国内外架型分析、研究，结合该工作面开采技术条件，最终选定支护强度为0.95Mpa的ZY3200型支架作为该工作面支架，能够保证工作面支护强度。为防止煤壁片帮，液压支架增设二级护帮板，以增强对煤壁支护效果。2.3 刮板运输机选型刮板输送机选型原则： 1、刮板输送机应能保证工作面落煤生产能力需要，选择刮板输送机应以工作面最大生产能力乘以1.2的不均衡系数为基础；2、结构形式一般与采煤机相配套，输送机槽的结构应与工作外面底板条相适应，并应考虑与采煤机底板托架和行走机构尺寸相匹配；3、输送机铺设长度可根据刮板输送机技术特征、输送量、链速和工作面倾角等因素确定。根据工作面生产能力的要求以及采煤机、液压支架和运输机的配套关系，参照国内外工作面输送机的技术参数以及该矿区近几年综采 “三机”配套成熟的经验，最终选定SGZ764/264型运输机。2.4 采煤机选型采煤机的选型直接关系到安全高效能否实现。在选择采煤机时着重考虑以下功率、牵引速度和技术先进性与可靠性等因素，最终选定徐州中机矿山设备有限公司生产的MG180/420-WDK型采煤机。3 液压支架整体结构尺寸设计3.1 液压支架基本参数的确定3.1.1 支架的高度和支架的伸缩比（一）支架高度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： （3-1） （3-2）式中， 支架最大高度（mm）；支架最小高度（mm）；煤层最大厚度（mm）；煤层最小厚度（mm）；考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能靠初撑力所需要的支撑高度，一般取200300mm；顶板最大下沉量，一般取100200mm；移架时支架的最小可缩量，一般取50mm；浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm。取，由得，得，（二）支架的伸缩比液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。一般范围是1.52.5，煤层较薄时选大值。但是考虑尽量减轻支架重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。该支架的伸缩比： （3-3）3.1.2 支架间距和宽度的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离，按如下公式计算： （3-4）式中， 支架间距（支架中心距）；每架支架顶梁总宽度；相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；每架所包含的组架或框架数整体自移式支架；整体迈步式支架；节式组合迈步支架支架节数。支架间距主要根据支架形式确定，但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的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m，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。取 ，则3.1.3 梁端距的确定梁端距即移架后梁端到煤壁的距离，通常指不考虑煤壁片帮、煤壁歪斜或移架不足等因素影响的理论值。生产实践证明：决定支护效果的是顶梁前端到煤壁的距离，即梁端距越小，即使冒顶洞穴也不多。对于破碎顶板，梁端距不应超过100mm，但实际上很难实现。我国综采实践认为：梁端距的大小对支架前顶板的冒落情况有很大影响，尤其是破碎顶板，梁端距过大，会使顶板难以控制。但是，梁端距过小则易产生采煤机滚筒割顶梁事故。因为在输送机向采空区方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或运输机推移量不足时，采煤机的上滚筒和顶梁之间的距离就会减少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250300mm，最大不超过400mm， 我选择300mm。3.1.4 支架底座长度的确定底座是将顶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，一个移架步距为0.6m，即2.1m左右。 底座长度的确定：我的移步距取800mm，那么得到底座长是2800mm。3.2 液压支架四连杆机构的确定3.2.1 四连杆机构的作用（一）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；（二）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置，故可以起到良好的挡矸作用；（三）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；（四）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。 3.2.2 四连杆机构尺寸设计在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特征来确定。其四连杆机构的几何特征如下：（1）支架从最高高度降到最低高度时，如图3.1所示顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于70，最好为30以下；图3.1四连杆机构几何特征图（2）支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，为图3.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，P5262，Q7585；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，则要求，如果按钢和矸石的摩擦系数f=0.3，可求得，则P=16.7，为了安全可靠最低工作位置应使P25为宜，而角主要考虑掩护梁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，使支架不能降下来，一般取Q2530；还有书上的说法：是 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歼石能沿梁体下滑，即满足P18。（3）图3.1可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心之间的连线与水平线夹角为，设计时，要使0.35以下，主要原因是角直接影响附加力的数值大小；（4）支架的工作段要取曲线向前凸的那一段，如图4.1的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有前移的趋势防止岩石向右移动，又可以使作用在顶梁的摩擦力指向采空区，同时底板阻止底座向右移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了前梁端部的支护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架；再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力有掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁的受力。以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取双纽线向前凸的那一段，所以当已知掩护梁和后连杆的长度后，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，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图3.2所示。从图3.2可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了。 图3.2 掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构其具体做法是顺时针转动后连杆使支架最高位置时的点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹，只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁的上铰点所作的运动轨迹上，任找几点（为作图方便起见，可找出支架上高、中、低三个位置时上铰点运动轨迹上的三点），把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的一点为前连杆的下铰点。这样四连杆机构就可以确定了。（一）几何作图来设计四连杆机构1、 掩护梁上铰点至顶梁顶面之距一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，再根据结构的合理性确定，一般支架取=150200mm，重型支架可取210260mm。后连杆下铰点至底座底面之距,般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取=150250vmm，对中厚煤层支架取250450mm，对大采高支架取450600mm。确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距（预确定为160mm），和后连杆下铰点至底座底面之距（预确定为250mm）。这个尺寸的选取最好进行同类支架的选取，在设计中我发现若是这两个尺寸选取不当会导致后续的麻烦。比如 ，立柱柱窝的位置确定跟同类支架相差很大等等问题。 已知条件是支架的最大高度3200mm和支架的最低高度1400mm，要求在这范围内掩护梁上的铰点上下运动时的轨迹是一条直线或近似直线，水平偏移量不许超过70mm。最好不要超过30 mm。2、用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图3.3所示：设：G掩护梁长度；A后连杆长度；点垂直线到后连杆铰点之距；支架最高位置时的计算高度；支架最低位置时的计算高度。 GA图3.3掩护梁和后连杆计算图从几何关系可以列出如下两式 （3-5） （3-6）将（35）式和（36）式联立可得： （3-7）将四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定、 代入（3-7）式，可求得的比值。已知=3.2m，=1.4m ，最大计算高度和最小计算高度的确定。取=50、=14、=70、=25、=2790mm、=990mm代入（3-7）得：=0.58符合掩护式支架的0.450.61而支架在最高位置时的值为： （3-8）因此掩护梁的长度为： （3-9）= 2128mm后连杆长度为：=21280.58=1234mm （3-10）掩护梁长度和后连杆长度求出后取整数。用几何作图法确定四连杆机构的各部分尺寸具体做法如图3.4所示。3.4液压支架四连杆机构的几何作图作图步骤如下：1、确定后连杆下铰点O的位置，使它大体比底座略高,一般为200250mm（或类比同类），太低安装销子困难，太高底座笨重；2、过O点作与底座底面平行的水平线HH线；3、过O点作与HH线相交为角的线；4、以O点为圆心，A为半径，与上线交一点a，即为后连杆与掩护梁的上铰点；5、过a点作与HH线相交为角的斜线，以a点为圆心,G为半径交一点，此点为掩护梁与顶梁的铰点；6、 过点作与HH线的平行线FF线，则HH线与FF线的距离为，为液压支架最高位置时的计算高度；7、以a点为圆心，掩护梁G的0.220.3（我取0.25）长为半径，在掩护梁上交一点b，为前连杆上铰点的位置；8、过点作FF线的垂线(认为液压支架在升降时，点近似在此直线上滑动)；9、在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点为；10、取中点为点，为液压支架降到中间位置时掩护梁与顶梁的铰点；11、以O点为圆心，为半径作圆弧；12、以为圆心，掩护梁长为半径，交圆弧上一点，此点为液压支架降到中间位置时，掩护梁与后连杆的铰点；13、以为圆心，掩护梁长为半径，交圆弧上一点， 此点为液压支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点；14、连接、。并以点为圆心，为半径，交上一点点；以为圆心，为半径，交上一点点，该、三点为液压支架在三个位置时前连杆的上铰点；15、连接、为液压支架降到中间位置和最低位置时后连杆的位置；16、分别作和的垂直平分线交一点，即为前连杆下铰点，为前连杆长度；17、过点向HH线作垂线，交一点，则，和为液压支架的四连杆机构。 通过此作图方法，求得的前连杆的长度是1568mm。最终液压支架四连杆机构的几何作图得到的最终结果，如图3.5图3.5四连杆机构的的最终结果3.3 顶梁长度的确定3.3.1 支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对顶梁长度的影响很大，如图3.7所示。 先移架后推溜(又称及时支护方式)要求顶梁长度较长，先推溜后移架(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，先移架后推溜时的顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度大一个步距，我取800mm。图3.7 支架工作方式比较图 先推溜后移架工作方式（活塞杆处于收缩状态） 先移架后推溜工作方式（活塞杆处于伸出状态）3.3.2顶梁长度计算支架在工作面的相对位置关系如图3.8所示。图3.8支架配套设备在工作面的相对位置关系掩护式支架顶梁长度计算顶梁长度=配套尺寸+底座长度+ -+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm） (4-11)配套尺寸 参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定；底座长度 底座前端至后连杆下