ZY2000-14-31掩护式液压支架设计毕业设计说明书.doc

华北科技学院毕业设计（论文）ZY2000/14/31掩护式液压支架设计摘要本次毕业设计是为了实现综合机械采煤工作面液压支架选型设计及主要部件设计。具体设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计、主要零部件的校核和液压系统的设计。由于该煤层厚度介于，厚度适中，选用掩护式液压支架。之间，支架采用正四连杆机构，以改善支架受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。为了提高移架速度，确保对顶板的及时支护，采用锥阀液压系统。关键词：液压支架；四连杆机构；支架选型ZY2000/14/31Cover hydraulic designAbstractThe article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design.Because this coal bed thickness is situated between between the 1.82.8 rice moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system.Key words: The hydraulic pressure support；four-link mechanism； support shaping push forwards the conveyer绪论1.国外液压支架的发展煤炭是我国的主要能源之一，在已经探明的化石能资源中煤炭约占94%，为国民经济和社会发展不可或缺的物质基础。2004年全国煤炭产量为19.56亿吨，约占能源生产总量的71%，占能源消费总量的65%；2006年全国煤炭产量为23.25亿吨；2011年全国煤炭产量达到了32亿吨。以此推测，2020年至2030年间，中国将会出现煤炭产量的高峰期，这个峰值出现后，在节能减排、科技进步以及可再生能源规模化成为支柱型能源的前提下，中国煤炭产量将有可能接近40亿吨的水平。20世纪50年代前，在内外煤矿生产中，基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。在1954年，英国首次研制出液压支架，经过不断对液压支架的逐步改进、完善，进而普遍推广应用，使得采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护等工序全部实现了放顶煤技术。液压支架电液控制系统的使用，大大加快了工作面的移架、推溜速度，同时，也改善了采煤工作面顶板的支护状况，产生的结果：工作面产量加倍增加，安全状况大幅度改善，吨煤成本大大下降，为煤矿生产的高效、安全和煤矿工人劳动环境的改变提供了条件。20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制液压支架。最先将电液控液压支架用于长壁工作面的是澳大利亚的科里曼尔煤矿。1983年英国道梯公司为美国坎赛尔煤矿制造了微机控制液压支架，1984年开始投产。1995年，英国道梯公司研制出了全工作面集中电液控制系统。德国是20世纪80年代初开始发展支架电液控制系统的，研制的Panzermatic-E系统，是德国第一套达到实用并广泛推广应用的支架电子控制装置。随后，研制出了P-S5支架电控系统，它具有灵活的编程能力。美国发展电液控制液压支架起步较晚。1984年，在西弗吉尼亚州拉弗里吉煤矿使用道梯公司制造的装有电液控制系统的液压支架，装备了第一个高产高效的工作面，并取得了很大的成绩。当前国际上，主流的液压支架电液控制系统有德国的DBT公司的PM4型，德国Marco公司的PM31型，JOY公司的RS20型三种。它们占液压支架生产总数的90%以上。2. 国内液压支架的发展中国的煤业是从20世纪60年代末开始研究和工作的。到20世纪80年代我国液压支架的研制和应用获得了迅速发展，相继研制出来了TD系列，ZY系列和ZZ系列等20多种不同的规格。目前，在国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。放顶煤技术在煤矿中的应用，继郑州煤矿机械厂、北京煤矿机械厂和煤炭科学研究总院北京开采研究所、太原分院和其他科研单位后，共同研发了ZFS，ZFD系列放顶液压支架。为适应厚煤层分层开采的实际需要，研制和开发了ZZP,ZYP等系列铺网支架等。目前，液压支架的科研和制造企业能够根据中国煤矿企业的需要，设计和生产出支撑高度0.66.5m、工作阻力为120010000kN、工作面倾角在45以下、移架速度在每架1216s范围内的各种掩护式、支撑掩护式、放顶煤和铺网液压支架，而且已向印度、俄罗斯、土耳其等国出口了掩护式、支撑掩护式以及端头高位放顶煤支架等。3. 液压支架的发展趋势科学技术的不断发展，使得新技术、新方法、新材料也在不断应用，微电子和计算机技术的普及，也为液压支架的发展提供了有利条件，表现为以下几个方面。支护强度和工作阻力加大。液压支架的结构形式继续向简化结构、提高可靠性的方向发展。液压支架的供液系统向高压、大流量方向发展。液压支架的宽度已由1.5m增加到1.75m，而且已有2m的架型。液压支架的结构设计更加合理，钢材选用趋向于多用高强度钢材。液压支架的设计，将综合应用有限元法、CAD和CAM现代技术，能够在很短的时间内提供最佳设计方案。液压支架的控制系统向扩大电液控制系统的应用功能，提高电液控制系统的可靠性，以及延长电液控制系统使用寿命的方向发展。第一章 液压支架设计的总体介绍1.1液压支架的设计目的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求量是很大的。由于不同采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求出不同。为了有效地支护和控制顶板，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。1.2液压支架的组成液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系“般分为三大类，即支撑式、掩护式(图1.1)和支撑掩护式(图1.2) 根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为4个部分：(1) 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。(2) 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。 (3) 控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。 图1.1 掩护式液压支架结构 图1.2 支撑掩护式液压支架结构(4) 辅助装置，如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。1.3液压支架的支护方式1.3.1 .即时支护般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。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。1.3.2 .滞后支护一般循环方式为：割煤一推溜一移架。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。1.3.3 .复合支护般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。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。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高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来实现完成的。如图1.3示图1.3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支架的升降和推移当操纵阀8处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6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8处于降柱位置时，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。支架的前移和推移输送机是通过操纵阀7和推移千斤顶4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶4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，在把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀7置于推溜位置，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。1.4.2支架的承载过程支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1.4所示：图1.4 支架的工作特性曲线-初撑阶段； -增阻阶段； -恒阻阶段；-初撑力；-工作阻力支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段:（1）初撑阶段支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段，此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为 (1.1) 式中 -支架立柱的缸径，；-泵站的工作压力，；-支架立柱的数量。由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。（2）承载增阻阶段支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段。（3）恒阻阶段随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。此时支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。支撑式支架的工作组力为 (1.2)式中 -支架安全阀的调定压力；支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。对于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。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，常用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 (1.3) 式中 支架的支护面积，。1.5液压支架的类型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类型。如图1.5所示支撑式支架出现的最早，主要有垛式和节式，其顶梁较长，其长度多在4m左右，立柱多，一般根，且垂直支撑，支架后部设复位装置和拦矸装置，以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内，其支撑力大，且作用点在支架中后部，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，抗水平载荷能力差，护矸能力差，但支架的工作空间和通风断面大，适于直接顶稳定，老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的工作场合。掩护式支架立柱较少，支撑力小，切顶性能差，但顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度大，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，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小，适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期压力不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。支撑掩护式支架兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适应各种顶底板条件，但其结构复杂，价格较贵。 图1.5 液压支架类型a-支撑式 b-掩护式 c-支撑掩护式1.6采煤工作面对液压支架的设计要求和设计参数1.6.1采煤工作面对液压支架的设计要求为了满足长臂工作面的生产要求对液压支架提出了以下几点要求：1.能有效的控制顶板，能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2.保证安全和宽敞的工作空间，能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3.应该适应煤层变化，要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4.能够保证正常的生产循环，也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬移方便；便于维修。5.最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。1.6.2液压支架的设计参数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.煤层倾角根据煤层倾角，决定是否选用防倒防滑装置。4.配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.7本文要做的主要工作原始参数：1.老顶级别级，直接顶级别2级；2.煤层厚度：。设计要求：1. 支架的整体结构分析及选择；2. 对支架的整体结构建立力学模型，进行受力分析计算；3. 主题设计:液压系统设计。第二章 液压支架的选用2.1 架型的选择正确选择液压支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素。在具体选择架型时，首先要考虑煤层的顶板条件。表2-1是根据国内外液压支架的使用经验，提出了各种顶板条件下适用的架型，它是选择支架的主要依据.由于给定参数中顶底板性质：老顶级、直接顶2级，底板平整，无影响支架通过的断层，煤层厚度1.82.8M，初步选择为掩护式支架。2.1.1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(软煤层下限，硬煤层上限)时，应选用抗水平推力强且带护帮装置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。因此本次设计应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。2.1.2 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等现象。当煤层倾角大于时，应设防滑和调架装置，当倾角超过时，应同时具有防滑防倒装置。由于给定参数中无煤层倾角，故不用设置防滑和调架装置。2.1.3底板性质底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，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，其值要小于底板允许比压（对于砂岩底板，允许比压为,软底板为左右）。表2-1 适用不同等级顶板的架型和支护强度老顶级别直接顶级别1231231234支架架型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护或支掩式支撑式 支撑掩护式支撑或支掩式支撑或支掩式支撑式和支撑掩护式支架支护强度(Mpa)1m0.2941.30.2941.60.29420.2492m0.343(0.245)1.30.343(0.245)1.60.34320.3433m0.441(0.343)1.30.441(0.343)1.60.44120.4414m0.539(0.441)1.30.539(0.441)1.60.53920.539注：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。表中1.3、1.6、2分别为II、III、IV级老顶的分级增压系数；IV级老顶只给出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。2.2液压支架参数的确定2.2.1 支护强度和工作阻力支护强度取决于顶板性质和煤层厚度，根据表2-1可以确定支护强度的大小。除此，支护强度也可根据下列公式估算： （2.1）式中K作用与支架上的顶板岩石系数，一般取。顶板条件好、周期来压不明显时取下限，否则取上限；H采高，；顶板岩石密度，一般为；由表2-1得 由支护强度q查矿山机械（中国矿业大学出版社）表2-1，我选择ZY2000/14/31型支架。支架工作阻力P应满足顶板支护强度的要求，即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定。 （2.2）式中 F支架的支护面积，可按下式计算 (2.3)式中 支架顶梁长度2.54；梁端距0.3；支架顶梁宽度,；架间距, ；支架中心距1.5；对于支撑式支架，支架立柱的总工作阻力等于支架工作阻力。对于掩护式和支撑掩护式支架，由于受到立柱倾角的影响，支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支架立柱的总工作阻力的比值，称为支架的支撑效率，所以支架立柱的总工作阻力为 （2.4）支撑式支架的、支撑掩护式和掩护式支架取左右。2.2.2 初撑力初撑力的大小是相对与支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。较大的初撑力可以使支架较快地达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积的垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75%。2.2.3 移架力与推溜力移架力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关。一般薄煤层支架的一架力为；中等厚度煤层支架为；厚煤层为。推溜力一般为。2.2.4 支架调高范围支架最大结构高度 (2.5)支架最小结构高度 (2.6)式中 煤层最大、最小采高；伪顶冒落的最大厚度，一般取顶板周期来压时的最大下沉量、移架使支架的下降量和顶梁上、底座下的浮矸、煤层厚度之和，一般取确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度。支架的伸缩比 （2.7）值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚度变化的能力越强，采用单伸缩立柱，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，其值一般为2.5左右。薄煤层厚度可达。由于又考虑到煤层厚度，初选双伸缩立柱。2.2.5 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.大采高支架为提高稳定性中心距可采用，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。因此设计中预取。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。当支架中心距为时，最小宽度一般取,最大宽度一般取。当支架中心距为时，最小宽度一般取，最大宽度一般取。当支架中心距为时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度一般取，最大宽度一般取，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取。2.2.6底座宽度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倍的移架步距一个移架步距为，即左右；支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即左右。 第三章 掩护式液压支架的主要结构设计3.1四连杆机构设计四连杆结构是由底座、前后连杆和掩护梁组成。四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一。其作用概括起来主要有两个：其一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使支架能承受较大的水平力。 用几何作图法设计四连杆机构，步骤如下： (1)确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离相后连杆下铰点至底座底面的距离。一般同类型支架用类比法来确定，关于这两个尺寸的大小和对支架受力的影响，后面进行专门研究。(2)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3-1所示。设G-掩护梁长度；A-后连杆长度；-点引垂线到后连杆下铰点的距离；-支架最高位置时的计算高度；-支架最低位置时的计算高度。从几何关系出发可以列出如下两式： (3-1) (3-2)将式(56)和式(57)联立可得 (3-3)1) 支架在最高位置时，即：弧度；即弧度；支架在最低位置时，保证不小于。2) 前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为。3) 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以下。以上关系式说明支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离。按四连杆机构几何特征要求，选定代人式(3-3)，可以求得的比值。由于支架型式不同，一般的比值按以下范围来取。掩护式液压支架：=支架最高位置时的计算高度为 (3-4)根据的比值和式(3-4)可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A，经过取整后，再重新算出的角度，这几个参数就确定了。(3)几何作图法作图处程。用几何作图法确定四连杆机构的各部分尺寸，具体作法如图3-2所示：图3-1 掩护梁和后连杆长度的确定 图3-2 液压支架四连杆机构的几何作图法作图步骤如下：1) 确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座底面略高200250mm(或类比同类型支架确定)。2) 过O点作与底座底面平行的水平线H-H线。3) 过O点作与H-H线的夹角为的斜线。4) 在此斜线上截取线段oa，oa长度等于A，a点即为后连杆与掩护梁的铰点。5) 过a点作与H-H线有交角的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交此斜线于一点，此点为掩护梁与顶梁的铰点。6) 过点作HH线的平行线F-F，则H-H线与F-F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，以()G长度为半径作弧，在掩护梁上交于一点b，为前连杆上铰点的位置。8) 过点作F-F线的垂线(认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动)。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。10) 取线中间某一点，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点(液压支架由高到低变化时顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状、变化宽度等)。11) 以O点为圆心,Oa为半径作圆弧。12) 以点为圆心掩护梁长a为半径作弧,交最前面圆弧上一点，此点为液压支架降到中间某位置时，掩护梁与后连杆的铰点。13) 以点为圆心，掩护梁长a为半径作弧,交最前面圆弧上一点，此点为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ab长为半径作弧，交上于点；以点为圆心,ab长为半径作弧，交上一点。则三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。15) 连接O、O，为液压支架降到中间某一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其交点c即为前连杆下铰点，bc为前连杆长度。17) 过c点向H-H线作垂线交于点d，则线段Oa,ab,bc,cd和dO为液压支架四连杆机构。18) 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便可画出液压支架掩护梁与顶梁铰点的运动曲线。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来，再按液压支架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来。四连杆机构中各部分尺寸：顶梁为2540mm; 掩护梁上后连杆铰接点与顶梁铰接点间距为1750mm；前连杆铰点间距为1320mm；后连杆铰点间距为1180mm；底座为1997mm。3.2顶梁的设计顶梁后面与掩护梁铰接，下面由立柱支撑，上与顶板直接接触，做成箱体结构，不但要满足一定的刚度和强度的要求，还要适应顶板的不平整性，避免局部应力过大而损坏。顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。一般前、后柱窝断面为最危险断面，断面安全系数，它可多次反复支撑顶煤，以利于放煤。顶梁装有侧护板，一侧装有侧推千斤顶和弹簧，防止架间漏煤、矸石及调节支架间距。如图3-3所示：图3-3 顶梁结构：采用箱式结构，有钢板焊接而成。主要有四根主立筋，为加强构件的刚度，在上下盖板之间焊有加强肋，构成封闭式棋盘型。在顶梁下焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用销轴把立柱和顶梁连接起来；顶梁前端有销孔，通过销轴与前梁上的销孔连接起来；顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔连接。顶梁腹部前端还焊有耳座用来安装前梁千斤顶。3.3掩护梁设计掩护梁是掩护式支架的特征部件之一，它直接承受冒落矸石的载荷和顶板通过顶梁传递的水平载荷，通常由钢板焊接而成箱型结构，上端与顶梁铰接，下端通过前、后连杆与底座铰接成四连杆机构， 起着稳定支架重心和防止采空区岩石涌入工作面的作用， 既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距基本恒定,又承担了支架在工作过程中的水平分力，保证了支架的工作稳定性，还有活动侧护板在其两侧，内部留有安装侧推千斤顶和弹筒的空间。图3-4 掩护梁本次设计采用图3-4所示的掩护梁结构。其结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。掩护梁有直线型、折线型两种。这里选择直线型掩护梁，结构强度高，其工艺性较好。3.4前后连杆设计支架的前后连杆是维持支架稳定运动的重要部件，也是支架承载的关键受力部件，所有连杆均为箱式结构件，用以克服顶板指向采空区的水平力，增加支架稳定性；但承受横向力和纽力的性能较差，在设计时对其铰接孔的强度、挤压寿命应增强重视。如图3-5所示： 图3-5 1-前连杆 2-后连杆3.5底座设计底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件，因此，底座除了满足一定的刚度和强度外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板的比压要小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置，要便于人员操作行走，能起一定的挡矸、排矸作用，并且要具有相当的重量，以保证支架的稳定性。其结构通常是在钢板焊接的箱型结构上设有两个柱窝并与两根立柱铰接，底座的后部与前后连杆铰接， 前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳， 推移千斤顶的另一端与工作面运输机连接， 通过推移千斤顶的伸缩， 实现推溜和移架行走动作。图3-6 底座本次设计采用图3-6示的底座结构。底座为整体式刚性底座，四连杆机构铰接在底座前部，有两个球面柱窝与立柱缸底相连，底座中间布置有推移装置，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。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。底座宽度一般为，为提高横向稳定性和减少对底板比压，厚煤层支架可加大到左右。底座中间安装推移装置的槽子宽度，与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为。3.6立柱设计在液压支架上，把支撑在顶梁和底座之间能承受顶板载荷的液压缸叫做立柱，其余的液压缸都叫做千斤顶，立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，它直接影响支架的工作性能，因此，立柱除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压和抗弯强度、密封性好、结构简单，并能适合支架的工作要求。现在广泛用于支架的力柱有两类，即双作用单伸缩立柱和双作用双伸缩立柱，本次设计采用双作用单伸缩立柱，其结构如图3-7所示：图3-7 立柱立柱一般由活塞、活塞杆、刚体三部分组成。由于支架工作时，立柱载荷大，而降柱力较小，故活塞杆直径均较大，常采用空心结构，以保证足够的刚度。活塞一般用Y型密封圈，铜环导向，缸体底部焊接。缸体与缸盖之间用钢丝螺纹或卡环连接，立柱头部均为球形，与顶梁或底座之间的连接采用销轴或压块固定，以使立柱在工作时有一定的适应性。第四章 支架的受力分析4.1顶梁的受力分析与计算首先应确定液压支架上柱窝的位置，为简化计算，假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化，沿支架宽度方向均布。把支架的空间杆系结构，简化成平面杆系结构。同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁的长度方向向后越来越大呈三角形分布，支架支撑力分布也为三角形，并按集中载荷计算。由图4-1可知：支架顶梁承受集中载荷在顶梁1/3处图4-1 顶梁三角形载荷分布取顶梁为分离体进行受力分析，如图4-2所示：图4-2 顶梁受力分析对A点取矩： （4.1） （4.2）=0.65m式中 L立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点的距离 m；支架支护阻力，1900KN；顶梁长度，2.54m；立柱总工作阻力，1962KN；顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距，0.19m；立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距，0.17m；立柱在最高位置时的倾角，；顶板与顶梁之间的摩擦系数，0.3；用同样的方法也可以求出掩护梁千斤顶距离A点的位置为0.2m。取顶梁为分离体，如图4-3所示:为顶梁与顶板的摩擦力；为立柱的工作阻力；为掩护梁对顶梁的水平和垂直方向的力；为掩护梁千斤顶对顶梁的作用力；为顶板对顶梁的集中载荷力；为集中载荷力作用点距顶梁右端的距离，其他各参数意义同上。由，得： （4.3）由，得： （4.4）由，得： （4.5）图4-3 顶梁的受力分析由式（4.3），得： （4.6）由式（4.4），得： （4.7）由式（4.5），得： （4.8）主顶梁分离体中有4个未知数，而3个方程不可解，所以要结合掩护梁受力分析列的方程联立求解。4.2掩护梁的受力分析与计算取掩护梁为分离体，受力如图4-4所示：图4-4 掩护梁受力分析图由，得： （4.9）由，得： （4.10）由，得： （4.11）联立式（4.9）、式（4.10）可得： （4.12） （4.13）由图4.4还可知道： （4.14）通过联立以上这些方程，可求得 第五章 液压支架的液压系统设计液压支架不仅需要有良好的结构以适应所工作的煤层地质条件，而且还应配备完善而可靠的液压系统来实现支架的优良工作性能。液压支架的液压系统属于液压传动中的泵-缸开式系统。动力源是乳化液泵，执行元件是各种液压缸。乳化液泵从乳化液箱内吸入乳化液并增压，经各种控制元件供给各个液压缸，支架各液压缸回液流入乳化液箱。乳化液泵、液箱、控制元件及辅助元件组成乳化液泵站，通常安装在工作面下顺槽，可随工作面一起向前推进。泵站通过沿工作面全长敷设的主供液管和主回液管，向各架支架供给高压乳化液，接收低压回液。工作面中每架支架的液压控制回路多数完全相同，通过截止阀连接于主管路，相对独立。其中任何一架支架发生故障进行检修时，可关闭该架支架与主管路连接的截止阀，不会影响其它支架工作5.1 液压支架传动装置的基