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完整版CAD图纸等，联系153893706前言综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我们60年代起支撑式液压支架，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式支架，这些系列化一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。至今，我国煤矿中使有的支架类型很多，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除工作面端头以外的采煤工作面上所的位置的支架。目前使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。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，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。本设计论文则设计层煤厚度在2.5米到2.9米，老顶级别为三级，直接顶类别为一类的支撑掩护式液压支架的设计。其架型特点支柱两排，每排1到2根。多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。安的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，这类支架适用于直接顶为中等稳定。老顶有明显或强烈周期来压。瓦斯含量较大的中厚或厚煤层中。因此本设计设计这类支撑掩护式液压支架。1.液压支架的概述1.1液压支架的组成和用途1.1.1液压支架的组成液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要部分组成。1.1.2液压支架的用途在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架是技术上先进、经济上合理，安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.2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完成的。1.2.1升柱当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。1.2.2降柱当需要降柱时，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。1.2.3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。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对活塞杆腔，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。支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-1所示。 图1-1 支架的工作特性曲线Fig .1-1 line of support work characteristict0初撑阶段； t1增阻阶段； t2恒阻阶段； p1初撑力； p2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。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，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑力阶段t0；支架初撑力后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至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t1；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，使顶板压力减少，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。1.3液压支架设计目的、要求和设计支架必要的基本参数1.3.1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，迅速综合机械化采煤工作面（简称综合工作面）。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。1.3.2液压支架的基本要求1)为了满足采煤工艺及地制条件的要求，液压支架是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。推溜力一般力为100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN150KN，中厚煤炭一般为150KN至250KN。厚煤层一般为300KN400KN。3)防止性能要好。4)排矸性能好。5)要求液压支架能保证采煤工作有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有害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值。9)要求支架有足够的刚度，能够承受一事实上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1.3.3设计液压支架必需的基本参数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，按保安规程规定，验算通风断面。4)底板岩性能及小时涌水量 根据底岩性和小时涌水量验算底板比压。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。1.4液压支架的选型1.4.1液压支架的支撑力与承载关系支撑掩护式支架是为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和承载能力。所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适用范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图1-2所示 图1-2支撑掩护式支架的受力状况Fig.1-2 bracingcaving shield pressure1.4.2液压支架架型的分类按照液压支架在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除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液压支架在分三类即：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。1) 支撑式支架支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图1-3，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座坚固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩三石则在顶梁后部切断垮落。 这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压力明显或强烈，底板较硬的煤层。a b图1-3 a垛式 b节式 Fig.1-3 acorduroy bdivisional2)掩护式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图1-4所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。a b c图1-4 a插腿式支架 b立柱支在掩护梁上非插腿式支架c立柱支在顶梁上非插腿式支架Fig.1-4 a support bleg pieceon support cleg piece on support3)支撑掩护式支架支撑掩护式支架架型主要用：四柱支在顶梁上（如图1-5a，b所示）；二柱支在顶梁（如图1-5，c所示）一柱或二柱支在掩护梁上。支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价贵，不便于运输。 这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中。 a b c图1-5 a四柱平行支在顶梁上支架，b四柱交叉支在顶梁两柱在掩护梁上支架c两柱在顶梁两柱支在掩护梁上支架1.4.3 液压支架选型原则液压支架的选型,其根本目的是使综采设备适矿井和工作面的条件,投产后能做到高产、高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条件进行选择。1)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直接选出架型。2)当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强支架一般不宜选用支撑式支架。3)当煤层厚度达到2.52.8mm以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式双伸缩立柱的支架。4)应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。5)煤层倾角10时，支架可不设倒滑装置1525度时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机调防滑装置。6)对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。7)当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般3.5m；硬煤时，支架最大采高5m8)在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。9)断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露58m,时间在20min以上时，暂不宜采用综采。10)特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。1.4.4 液压支架设计的原始条件煤层厚度（m） 2.52.9 老顶级别 直接顶类别 表1-1适应不同类级顶板的架型和支护强度Tab 1-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength老顶级别直接顶类别12312312344架型 掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑或支撑掩护式采高2.5m时用支撑式采高2.5m时用支撑掩护式支护强度KN/M支架采高m12941.32941.62942294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区2343（245）1.3343(245)1.634323433441(343)1.3441(343)1.644124414539(441)1.3539(441)1.65392539注：（1）表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。（2）1.3、1.6、2为增压系数。 2.液压支架的整体结构尺寸设计2.1液压支架基本技术参数的确定2.1.1支护高度支架高度确定原则，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： S1 (mm) (2-1) （mm） (2-2)式中： -支架最大高度，mm-支架最小高度， mm-煤层最大高度， =2900 mm-煤层最小高度， =2500 mmS1-考虑伪项煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200-300mm，S1取200 mm，S2-顶板最大下沉量是，一般取100200 mm，S2取150 mm，a- 移架时支架的最小可缩量，一般取50 mm，-浮矸石、俘煤厚度，一般取50 mm，由式21可得2900200=3100 mm由式22可得25001505050=2250mm所以取：=3100mm=2250mm2.1.2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为1.5米，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5米，本设计取bc=1.5 m。2.1.3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。本次设计底座为2.4m。2.1.4支护强度本次设计中支撑掩护式支架的支护强度可用插入法求得，按下式计算： （2-3）式中：支架名义支护强度。（KN/m2）采高所对应的支护强度，见表11采高所对应的支护强度，见表11对应的采高(m),见表11对应的采高(m),见表11支架的结构高度，在，之间。对应最大结构高度=3.1m时=3m =705.6KN/m2=4m =862.4KN/m2将各数据代入式（23）得采高最大时支架支护强度=705.6(862.4-705.6)=721.28KN/m22.2液压支架四连杆机构的确定2.2.1四连杆机构的作用四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要的部件之一。其作用概括起来主要有两个：一是支架由高到低变化时，借助四连杆机构的顶梁前端的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端点于煤壁间距离的变化大大减少，提高了管理顶板的性能；二是使支架能承受较大的水平力。下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些几何特征是四连杆机构动作过程的必然结果。1）支架高度在最大和最小范围内变化时，如图21所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好在30mm以下。2）支架在最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图2-1所示,应满足如下要求: 支架在最高位置时,P=520620,Q=750850;支架在最底位置时,为有利矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知,要求tgPW,如果纲和矸石的摩擦系数W=0.3,则P=16.70.而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一顶距离,防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般去Q=250300，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下绞点的高度。3）从图2-1可知掩护梁与顶梁绞点e和瞬时中心O之间的连线与水平的夹角Q。设计时，要使Q角满足tgQ的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。 图2-1四连杆机构几何特征Fig.2-1fore rods geometry featureline4）顶梁前端点晕运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最佳工作段，如图2-1所示的h段。其原因是顶板来压时，立柱让下缩，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少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁外负载。 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使e值减少。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，如图2-2所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构）图2-2掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 Fig .2-2 caving lock pieceand rod mechanism2.2.2四连杆机构的几何作图法四连杆机构设计的几何作图法按如下步骤进行。1）确定掩护梁上绞点至顶梁面之距和后连杆下绞点至底座底面之距。 一般按同类型支架用类比来确定，关于这两个尺寸的大小对支架受力的影响，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2-3所示。图2-3 掩护梁和后连杆计算图Fig .2-3 caving lock pieceand after rod map设： G-掩护梁长度（mm）A 后连杆长度（mm）L2-e点垂直线到后连杆下铰点之距，（mm）H1支架最大计算高度，由下式求得H1=H大220150=3100220150=2730（mm）其中： 220（mm）是后连杆下铰点与底平面之距；150（mm）是掩护梁上铰点与顶梁上平面之距支架最小计算高度。由下式求得=-220160=2250220150=1880（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）从几何关系可以列出如下两式：G.COSP1-A.COSQ1=L (2-4)G.COSP2-A.COSQ2=L (2-5)将以上两式联立可得： (2-6)说明：支架计算高度为支架高度减去掩护梁上绞点至顶梁顶面之距和后连杆下绞点至底座底面之距。按四连杆机构的几何特征要求，选定P1,Q1,P2,Q2代入（2-6）式，可以求得A/G的比值，由于支架型式不同，一般A/G的比值按以下范围来取。对于支撑掩护式支支架，A/G值应满足如下范围：A/G=0.610.82支架在最高位置时有： （2-7）因此掩护梁长度为： （2-8）后连杆长度为：A=G(A/G) （2-9）根据A/G的比值和（2-7）式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P1,Q1,P2,Q2的角度，这几个参数就确定了。具体结果见表21 2.2.3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2-4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200250mm（或类比同类型支架确定）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,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点为半径作弧交些斜线一点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HH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（0.220.3）G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)过O点作与HH线夹角为Q2的斜线。9)在此斜线上截取线段. 的长度等于A，a点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。10)过a点作与HH线有交角P2的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交些斜线一点e，此点为支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。11)以a为圆心以（0.220.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为支架在最低位置时前连杆上铰点的位置。12)取线之间一点e为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。13)以O为圆心，为半径圆弧。14)以e点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点a，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。15)以连线，并以a点为圆心，ab长为半径作弧，交上一点b点。则b， b,b三点为液压支架在三个位置时 ，前连杆上铰点。16)由b， b,b三点确定的圆心C，为前连杆下铰点位置。17)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。18)按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e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2-4 液压支架四连杆机构的几何作图法Fig .2-4 hydropost fore rod is geometrymap method按以上作图步骤，作四组不同的连杆机构几何分析图分别求出相关的参数和尺寸。在设计实践中，可以把硬纸按1：10或1;5的比例剪成掩护梁和前、后连杆三个板块，再根据前连杆下铰点C点的位置，前、后连杆长度，曲线最大宽度，曲线的形状以及角的要求，不断调整三个板快的位置，一直找到合适的几何尺寸为止。下面是四组四连杆机构的尺寸图（2-5a、b、c、d）以及各个尺寸及参数（见表2-1所示）。图a图b图c图d图2-5四连杆机构尺寸图 Fig .2-5fore rod geometrymap表2-1 tab 2-1项目 组数支架在最高位置时P1600610610620Q1820830830810支架在最低位置时P2260270260250Q23103003303700.6270.6290.6300.629（mm）1865185018571857前后连杆在掩护梁上铰点之距（mm）610555567608瞬心角120110150170前后连杆在底座上铰点水平之距(mm)670680710724前后连杆下铰点到底座平面之距(mm)521538610546前连杆长(mm)1213121513201322A=G(A/G) (mm)1143116311631168前后连杆长比值1.061.041.131.21支架顶梁前端运动双纽线最大宽度e（mm）38304542注：根据四连杆机构的几何特性和约束条件进行选择，从中选出一组。通过比较，本设计选取方案2.2.4四连杆机构的优选设计法掩护式与支撑掩护式液压支架四连杆机构尺寸，直接影响着液压支架的工作性能和受力状况。为此，如何优选设计四连杆机构尺寸的意义重大。1）目标函数的确定根据附加力对支架受力影响的分析，为减少附加力，必须使tg有较小值。同时，为有效地支控顶板，要求支架由高到低变化时，顶梁前端点与煤壁距离的变化要小。而支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高度到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函为输，这两项要求都能满足。2）约束条件是根据tg值的要求和支架的结构尺寸关系定出来的a)前后连杆的比值范围。根据现有支架调查统计，前后连杆的比值C/A=0.91.2范围b)前连杆机构高度不宜过大，一般应使DH1/5c)前后连杆下铰点的水平距离E的长度，一般应使EH1/4.5d)对掩护式支架应tg0.22.3液压支架配套设备和顶梁参数的确定2.3.1采煤机和运输机型号的确定根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为： 采煤机：MLS3PH-170型 运输机：SGWD-180PB型 1）配套尺寸.配套图的确定配套尺寸的确定，由图2-6可知配套尺寸 E=650377730352=2109（mm）2)液压支架配套关系图,如图2-6所示。图2-6 液压支架配套关系图Fig.2-6 hydraulic pressuremap2.3.2顶梁的确定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。1)顶梁的作用及用途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。用途：a.用于支撑维护控顶区的顶板。b.承受顶板的压力。c.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。2)顶梁的结构型式的确定 支撑掩护式支架的顶梁较长 ，为了改善顶梁的接顶状况，增大梁端支撑力，这类支架采用分段组合式顶梁，它有以下几种组合型式：a)铰接前梁的刚性顶梁 铰接前梁的刚性顶梁，如图27 a所示，该结构顶梁分前后梁并铰接，在铰接前梁设有前梁千斤顶，支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以调整前梁的上下摆角，以适应顶板不平的变化。b)伸缩前探梁的刚性顶梁伸缩前探梁的刚性顶梁，如图27 b所示，该结构前梁有伸缩千斤顶使它伸缩，因此及时伸出支护刚暴露的顶板，从而可使顶梁长度减小，也可使用前梁千斤顶和伸缩千斤顶，使前梁即可伸缩又可以上下摆动。a b图27 支撑掩护式顶梁的结构形式Fig.2-7 bracing caving shield construction1前梁 2后梁 3前梁千斤顶 4前梁伸缩千斤顶 以上二种顶梁型式比较，本设计选用铰接前梁的刚性顶梁的结构型式。2.3.3对顶梁长度的影响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为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135150mm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，在此来计算顶梁长度。2.3.4顶梁主要尺寸的确定1)顶梁长度Lg 顶梁长度=配套尺寸底座长度AcosQ1GcosP1300e (2-10)式中：配套尺寸为 2109 mm，底座长度为 2400 mm，P1=610Q1=830代入公式（2-10）中得Lg=210924001163 cos8301850cos610300=3454.3mm取整为3454mm2)顶梁面积AA=LgB (2-11)式中： Lg顶梁长度mm,B-顶梁宽度mm,在本次设计中顶梁宽度为1500mm,代入公式（2-11）得A=34541500=5.18 m23)支护面积FcFc = Bc(Lg)m2 (2-12)式中：Fc支护面积 m2 ， 移架后顶梁前端点到煤壁的距离 m,一般=0.3Bc支架间距（支架中心距），一般为1.5m代入公式(2-12)得：Fc = 1500(345430)=5.22 m24)支架的理论支护阻力F1F1=Fcq （213）式中: F1支架的理论支护阻力，KN Fc支护面积 m2q支护强度 KN/M2支架在最高处的理论支护阻力为：F1=5.22721.28=3765.08（KN）5)顶板覆盖率=A/Fc100% (2-14)式中： 顶板覆盖率A 顶梁面积 m2Fc支护面积 m2代入式（214）得=5.18/5.22100%=99.23%6)顶梁其它有关尺寸的确定确定立柱上绞点，前梁千斤顶绞点、前后梁绞点、掩护梁与顶梁绞点位置（包括水平方向和垂直方向）各尺寸如图2-8所示图2-8 支架结构尺寸总图Fig.2-8 hydropostgeometry map2.4掩护梁的结构及参数的确定2.4.1掩护梁的作用和用途掩护梁是支架的掩护构件，它有承受冒落矸石的载荷和顶板通过顶梁传递的水平载荷引起的弯矩，掩护梁的用途，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。掩护梁承受对支架的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矸性能。2.4.2掩护梁的结构型式掩护梁的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。有的支架在掩护梁上焊有立柱柱窝。活动侧护板装在掩护梁的两侧。从侧面看掩护梁，其形状有直线型、折线型。如图2-9所示。图2-9 掩护梁结构型式Fig.2-9 caving lock piece mechanism method1顶梁；2掩护梁；3立柱；4前连杆；5后连杆；6底座；7限位千斤顶梁的结构型式折线型相对直线型支架端面大，结构强度高，但工艺性差。所以很少采用，从掩护梁的宽度方向来分，可分为整体式和对分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度差。所以本次设计采用的是整体式、直线型。2.4.3掩护梁的参数确定1）掩护梁的长度G 掩护梁就是两铰点的距离，由前面的四连杆机构可得知，掩护梁长度为1850mm。2）掩护梁宽度By本设计掩护梁宽度与顶梁宽度相同，所以掩护梁宽度为1500mm。3）掩护梁上前后连杆铰点位置通过比较，可确定前后连杆铰点位置（水平和垂直方向）具体尺寸可以通过图28中掩护梁部分所知。2.5立柱及主要参数的确定立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力状态，它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、抗弯强度、良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。2.5.1立柱布置1)立柱数目前过内支撑式支架立柱数为26根，常用为4根；掩护式支架为2柱；支撑掩护式支架为4柱。2)支撑方式支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于300（支架在最低位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。同时由于顶梁较短，立柱倾角加大可以使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增大。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱轴线与顶梁垂线夹角小于100（支架在最高位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较大。3)立柱间距立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5m。4)立柱类型立柱按动作方式，分为单作用和双作用；按结构分类，分为活塞式和活柱式；按伸缩方式分为单身缩和双伸缩，如图2-10所示a b c d e f图2-10 立柱类型Fig.2-10 coal sortinga 单作用活塞式；b单作用柱塞式；c双作用活塞式；d、e、f双伸式2.5.2立柱主要参数确定1)立柱缸体内径和活塞外径a.立柱缸体内径的确定D= （2-15）式中： D立柱缸体内径mm F1支架承受的理论支护阻力KN n每架支架立柱数Pa安全阀的正压力，pa=40mpam 立柱最大倾角（度）代入公式（2-15）得Dd=189mm查表取整为200mm。2).立柱初撑力和工作阻力a.初撑力=/4.Da2.P （2-16）式中： 立柱初撑力 KN Pe 泵钻压力 P=35(Mpa)代入公式（2-16）得 =3.14/4200035=1099.0（KN）b.立柱工作阻力=/4.Da2.Pa （2-17）式中： 立柱工作阻力， KNPa 安全阀调整压力，取Pa=40Mpa，代入公式（2-17）得=3.14/200240=1256(KN)2.6千斤顶的技术参数确定框架连接方式推移千斤顶，动作原理如图2-11所示, 由于掩护式和支撑掩护式支架重量较大,为了提高移架力,就要增加缸径或提高供液压力。如果采用直接推移方式，在提高移架力的同时，推溜力也将增加，这样有可能把溜槽推坏，为了解决这个问题，就要设计成移架力大于推溜力的结构形式，框架连接方式就是其中一种。2.6.1框架连接方式推移千斤顶的动作原理 当缸体后腔进液，前腔回液，活塞杆伸出而移架；当缸体前腔进液，后腔回液，缸体前移通过框架而推溜，由于缸体后腔面积大，所以，框架连接可以使移架力大于推溜力。 图2-11框架连接方式动作原理Fig.2-11 principleof bar method1推移千斤顶；2活塞杆与支架连接处；3输送机；2.6.2 框架连接方式推移千斤顶1)框架连接方式推移千斤顶的缸体内径按下两式联立求得 D= (218)d= (219)式中： D推移千斤顶缸体内径 mmdt推移千斤顶活塞杆直径 mm 推移千斤顶移架力，KN，一般取=150250 KN，本次选为200KN 推移千斤顶推溜力，KN 一般取=100KNP推移千斤顶处泵站来压 P=32.6mpa，取为32mpa将代入2-19公式得d= =63.09mm将代入2-18公式得 D= =109.22mm式中 D、d取整标准值为D= 110mm.d=63mm.2)推移千斤顶的推溜力和移架力a)推溜力 =/4.d =3.14/463232=99.70 KN b)移架力 =/4(D=3.14/4(1102632)32=204.25 KN2.7侧护板2.7.1 侧护板的种类 1）顶梁和掩护梁的侧护板有两种一种是一侧固定另一侧活动的侧护板。由于固定侧护板与梁体焊接在一起，可节省原梁体的侧板，既节省材料又可加固梁体。在设计时，根据左右工作面来确定左侧或右侧为或活动侧护板。一般沿倾斜方向的上方为固定侧护板，下方为活动侧护板。活动侧护板通过弹簧筒和侧推千斤顶与梁体连接，以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当改换工作面开采方向时，活动侧护板便位于倾斜方向的上方，对调架、防倒等带来不便，所以很少采用。另一种是两侧皆为活动侧护板。这种侧护板可以适应工作面开采方向变化的要求，有利于防倒和调架。2.7.2侧护装置的作用1)消除相邻支架掩护梁和顶梁间的间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；2)作为支架移架的倾倒；3)防止支架的倾倒；4)调整支架间距2.7.3侧护板的结构和型式侧护板的结构型式如图2-12所示。通常采用两种类型。一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板又有三种型式，图2-12a，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；图2-12b、c，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另一种是铰接式侧护板，如图2-12d、所示。它克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成三角带容易填入碎矸，影响架间密封效果。图2-12 侧护板结构的形式Fig.2-12 mining sorting mechanismmethod2.7.4侧护板尺寸的确定1)顶梁侧护板侧向宽度顶梁测护板的侧向宽度以，按支架升降高度和推移步距来确定。即：考虑到当前一架升起，另一架降柱时，要保证相邻两架间侧护板不能脱离接触，同时考虑到支架降柱后要前移，为防止顶梁后部侧护板脱离接触，顶梁侧护板后部要加宽，加宽长度一般为从顶梁后部起大于一个移架步距。2)掩护梁侧护板侧向宽度 掩护梁侧护板的侧面宽度，主要考虑移架步距，一般比一个步距大100mm，当一个架固定，另一架前移时，两架之间能封闭，同时又考虑到降架前移时，原不动的掩护梁侧护板下部不至脱开，所掩护梁下部要加宽。3)顶梁与掩护梁的侧护板上部宽度与活动侧护板的行程有关，由两台相邻支架的间距离确定。本次设计取顶梁和掩护梁测扩板的上部宽度为200mm。4)顶梁和掩护梁的连接部位及侧护板在此处的连接部位考虑可靠性的情况下，尽量减小间隙，加强密封性。5)本次设计侧护板活动方式为两侧活动。3液压支架的受力分析3.1液压支架的支护性能与外载荷在采煤工作面液压支架支护顶板。如图3-1所示，当煤层被采动后，顶板有压力显现。作用在支架上的载荷大体可分为两部分：其一是直接顶形式的压力Q1；其二是老顶形成的压力Q2。如果直接顶比较完整，在工作面煤壁上方的直接顶呈悬臂状态，则Q1由工作面煤壁和支架共同承受。若直接顶很破碎，在工作面煤壁上方的直接顶已经断裂，则Q1由支架单独承受。位于直接顶上方的老顶通常不与直接顶一起冒落。当直接顶在支架顶梁之后冒落时，老顶呈悬臂梁状态。由老顶形式的悬壁一端顶支承在直接顶垮落后的碎矸上，另一端则支承在支架和煤壁上方直接顶上，并形成载荷Q2，随着煤壁的推进，老顶悬露部分加长。Q2在增加，当老顶悬露达到一定长度后，其自重使其断裂，于是老顶悬露长度变短，Q2立刻降到最小值，在采煤工作面连续开采过程中，工作面不断前移，Q2由小到大，再由大到小，这样周而复始的变化。Q2每次递增直至老顶短裂，称为老顶周期来压。图3-1支撑式支架在中硬以上稳定顶板条件下的受力情况Fig.3-1 bracing caving shield on tough rock pressure 液压支架的结构和支架液压系统必须保证液压支架具有完全适应顶板变化的性能。采煤机采过一个截深之后，支架前移一个步距，支护新暴露出来的顶板。此时，顶板尚无下沉现象，支架以“初撑力”支撑顶板。此后，顶板开始破碎和下沉或断裂，支架承载加大，直至力柱下腔压力达到安全阀整定值，安全阀释放，立柱下缩。称此现象为液压支架的“让压”现象。这时立柱以“工作阻力”支护顶板。随着顶板压力不断加大。立柱就要不断“让压”下缩。为避免立柱完全缩回，支架出现“压死”现象，采煤工作面的生产循环应保证在“压死”前就前移。由上述液压支架的工作状态可知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架顶梁与顶板有相对滑动现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力 ，还受平行顶梁的力。 为了设计方便，要对支架的载荷和支架本身进行简化，现概述如下：1)把支架简化成一个平面杆系结构，为了偏于安全，计算时把外载荷视为集中载荷。2)金属结构件按直梁理论计算。3)顶梁、底座与顶板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向接线规律分布，沿宽度方向均匀分布。4)通过分析和计算可知，掩护梁顶矸石的作用为只能使支架实际支护阻力降底，所以在受力计算时不计使掩护梁偏于安全。5)立柱和短柱按最大工作阻力计算。6)产生作用在顶梁水平力的情况有两种：一种是由于支架让压回缩，顶梁前端运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板在产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受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0.150.3。7)按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。8)各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按原煤炭部标准MT86-84液压支架型式试验技术规范的各种加载方式，以支架的额定工作阻力逐一核，超过额定工作阻力10%的超载试验，将由安全系数来保证强度。3.2液压支架的受力分析与计算当支架撑牢在顶底板之间时，取其整体或某一部件为分离体，皆处于平衡状态，据此，把支架简化成平面杆系进行受力分析和计算。3.2.1支撑掩护式支架 支架整体受力如图3-2所示图3-2支撑掩护式整体受力Fig .3-2aving shield pressure1)取前梁为分离体进行受力分析，如图3-3所示。图3-3前梁分离体受力Fig.3-3 lock pieceliberationpressure求a点的内力 ,Y和Fm为 ：= （3-1）式中： Xa前梁a梁点所受水平力，KN待求 Pk前梁千斤推力。P=314.16KN 前梁千斤顶水平倾角， =00代入公式（3-1）得 =314.16cos=314.16 KN （3-2）式中： h前梁千斤顶铰接点距顶梁距离 取330mm前后梁铰点距顶梁距离 取95mm前梁长度 取900mm代入公式（3-2）得314.160314.16（33095）/900=84.71KN （3-3）式中： Y前梁点受垂直力 KN Fm前梁千斤顶所受集中力 KN前梁千斤顶水平倾角 =00代入公式（3-3）得 Y=314.16084.71=84.71KN2)取后梁为分离体进行受力分析，如图3-4所示图3-4后梁分离体受力Fig.3-4 after lock pieceliberationpressure （3-4） （3-5）式中：后梁所受集中力 KN后梁所集中力 KN顶梁千斤顶板摩擦系数 ， =0.3前排立柱的合力 =2057.4（KN）P后排立柱的合力，P=2057.4（KN） 的反作用力。 的反作用力。后梁b 点所受垂直力，KN由式(3-4)和(3-5)联立，求Fn=tg=整理得 （3-6）式中： 瞬心角（度）代入公式（3-6）得Fn=314.16-2057.4(sin6.0+sin2.6)-314.16tg11-84.712057.4(cos6.0+cos2.6) =2923.35(KN)由式（3-4）得x=2923.350.3-2057.4(sin6.0+sin2.6)-314.
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