掩护式液压支架总体及推移千斤顶设计

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1.9米到2.6米，老顶级别为二级，直接顶类别为一类的掩护式液压支架的设计。其架型特点支柱一排，每排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不稳定。老顶有明显或强烈周期来压。瓦斯含量较大的中厚煤层中。1 液压支架的概述1.1 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，保证工作人员安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体作为动力，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、移动和推移输送机等一套工序。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成综合机械化采煤设备，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，这些动作时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) 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。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。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的。当需要支架前移时，先将柱卸载，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。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 curve support the work oft0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 液压支架架型的分类根据支架与围岩相互作用和维护回采空间的方式，液压支架可分为：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架三类。1.3.1 支撑式支撑式支架是利用立柱与顶梁直接支撑和控制采面顶板的。其顶梁较长，立柱较多，而且一般呈垂直布置靠支撑作用来维持一定的工作空间，而顶板 。支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。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。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。因此，这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能；但采空区防矸不严密，仅适用老顶来压强烈的和极强烈的、直接顶稳定和坚硬的顶板。1.3.2 掩护式掩护式支架利用立柱、顶梁与掩护梁来支护顶板和防止岩石落进采面；其立柱较少，而且一般呈倾斜布置，顶梁也较短，而掩护梁直接与冒落的岩石相接触，主要靠掩护作用来保持一定的工作空间。掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。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。1.3.3 支撑掩护式这累支架以支撑为主，掩护为辅，是介于支撑式和掩护式之间的一种形式，靠支撑和掩护作用来维护一定的工作时间。架型主要用：四柱支在顶梁上；二柱支在顶梁；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，价格昂贵，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。1.4 液压支架设计目的、要求和设计支架必要的基本参数1.4.1 液压支架的设计目的实践证明，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。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采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。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，对液压的要求也不用。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。经过近30 年的发展和努力, 我国液压支架的设计、制造水平在不断提高, 特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验, 架型已基本趋于成熟、完善, 在品种和质量方面与国际先进水平相比差距越来越小。所以, 研制并选用适于我国煤层赋存条件及矿压特点的液压支架是十分急需的。1.4.2 对液压支架的基本要求1) 为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要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。推溜力一般为100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN150KN，中厚煤层一般为150KN250KN，厚煤层一般为300KN400KN。3) 防矸性能要好。4) 排矸性能要好。5) 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，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，能够承受一定的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。1.4.3 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，险算通风断面。4) 底板岩性及小时涌水量根据底板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，决定是否用防倒放滑装置。7) 井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，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。1.5 支架类型的选择1.5.1 煤层厚度1）厚度超过2.5m，顶板由倾向推力或者水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜用支撑式支架。2）厚度达到2.5m至2.8m以上时，需要选择带有护帮装置的掩护式或者支撑掩护式支架。3）煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加强杆或者双伸缩立柱的支架。1.5.2 煤层倾角1）倾角在至（支撑式支架取下限，掩护式和支撑掩护式取上限）以上时，应选用带有防滑装置的支架。2）倾角在以上时，应选用同时带有防滑倒装置的支架。1.5.3 底板强度1）验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许的比压。2）为使移架容易，设计时要使支架底座前部比后部比压小。1.5.4 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，并选用通风断面较大的支撑式或者支撑掩护式支架。1.5.5 地质构造断层十分发育，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在58和20min以下时，暂不宜使用综采。1.5.6 设备成本在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。支撑式支架最便宜，其次时掩护式，最贵的为支撑掩护式支架。2 液压支架整体结构及尺寸的确定2.1 液压支架基本技术参数的确定2.1.1 原始条件掩护式液压支架，煤层厚度为1.92.6m，老顶为级，直接顶为1类，移架力300KN，推运输机220KN。2.1.2 液压支架基本技术参数1)支护高度支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内的地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为：式中：取；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之距和后连杆下铰点至底座底面之距。式中参数如下： 支架最大高度； 支架最小高度； 支架最高位置时的计算高度； 支架最低为之时的计算高度； 掩护梁上铰点至顶梁顶面之距，取100mm； 后连杆下铰点至底座底面之距，取200mm； 煤层最大厚度（最大采高）； 煤层最小厚度（最小采高）； 考虑伪顶、煤皮冒顶落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，取250mm； 顶板最大下沉量，取100mm； 移架时支架的最小可靠量，一般取50mm； 浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm。2)支架伸缩比支架的伸缩比值最大与最小支架高度之比值即： 由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作区，所以，支架应具有较大的伸缩比。一般取值范围为1.52.5，煤层较薄时应选用大值。3)支护强度插值法：=433.16式中参数如下： 当支架最大采高为时，支架应有的支护强度（）； 在架型选择表2-1中与低于但与之相邻的采高相对应的支护强度（）； 在架型选择表2-1中与高于但与之相邻的采高相对应的支护强度（）； 所对应的采高(m)； 所对应的采高(m)。表21适应不同类级顶板的架型和支护强度Tab 2-1 roof level to adapt to different types of aircraft type and intensity of support老顶级别直接顶类别12312312344液压支架类型掩护掩护支撑掩护掩护或支撑支撑支撑支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m）液压支架支护强度采高1m采高2m采高3m采高4m294343(245)441(343)539(441)1.32941.3343（245）1.3441（343）1.3539(441)1.62491.63431.64411.65392249234324412539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区注：（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（3）表中采高为最大采高。4)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 m，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。2.2 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要求外，还要求对底板起伏不平的适应性要强，对底板接触比压要小，要有足够的空间能安装立柱、液压控制装置、推移装置和其它辅助装置，要便于人员操作行走；能起一定的挡矸排矸作用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。2.2.1 底座长度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2.1m。 2.2.2 底座主要尺寸的确定1) 底座长度通过比较，取底座长度为2100mm.2) 底座宽度支架底座宽度一般为1.11.2m。为提高横向稳定性，减少对底板的比压，厚煤层支架可达1.3m左右；放顶媒支架为1.31.4m。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0.30.38m。通过比较，本设计取底座长度取2100mm；宽度为1300mm。2.3 四连杆机构的设计2.3.1 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。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（2900mm3200mm）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(1600mm2900mm)时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图3-1所示,应满足如下要求: 支架在最高位置时,;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,如果纲和矸石的摩擦系数W=0.3,则.而Q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，一般去，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3-1可知掩护梁与顶梁绞点和瞬时中心O之间的连线与水平的夹角Q。设计时，要使Q角满足tanQ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21四连杆机构几何特征Fig 2-1 Geometric characteristics of four-bar linkage4）顶梁前端点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：图22掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构Fig 2-2 after the cover-link beams and constitute a slider-crank mechanism2.3.2 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23所示。图23 掩护梁和后连杆计算图Fig 2-3 Connecting the cover of the calculation after the beams and map设： G 掩护梁长度（mm）A 后连杆长度（mm）其中：支架最高位置时，掩护梁与顶梁夹角(度)支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角(度) 支架最高位置时，后连杆与底平面夹角（度） 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：1）支架在最高位置时，；。2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为。3） 前、后连杆上的铰点之距与掩护梁的比值为。4）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，最好在30mm以下。5）支架在最高位置时值应小于0.35。图24 四连杆机构几何特征图Fig 2-4 Geometric characteristics of four-bar linkage map支架在最高位置时选定，由于支架型式不同，对于掩护式支支架,一般A/G的比值按以下范围来取：A/G=0.450.61,取A/G=0.53支架在最高位置时有： （2-1）因此掩护梁长度为：后连杆长度为：A=0.53G= 998.33mm取整得：G1884mm，A998mm。 2.3.3 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25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200mm。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0.23G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0.24G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25 液压支架四连杆机构的几何作图法Fig 2-5 Hydraulic stent geometric four-bar linkage mapping应用几何作图法得出四连杆各参数如下：， ，0.338后连杆长度A=998mm掩护梁长度G=1884mm前连杆长度C=1139.56mm前后连杆下铰点底座投影距离E=551mm前连杆下铰点高度D=549mm支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度。2.4 顶梁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。2.4.1 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。2.4.2 顶梁的结构型式的确定 掩护式支架顶梁结构形式如下图所示：图26 掩护式支架顶梁结构方式Fig 2-6 Top cover stent mode beam structure1顶梁；2前梁；3后梁；4掩护梁；5立柱；6限位千斤顶；7前梁千斤顶；8平衡千斤顶图26 a平衡式顶梁，顶梁1较短，与其下部的掩护梁铰接，因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁顶梁铰接点前、后段的比例近似为（按载荷分布近似为三角行设计）。这种顶梁后部和掩护式形成三角区，易被冒落钎石堵住，影响支护效果。图26 b为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构掩护梁可潜入扇形结构内，消除了三角区。图26 c为铰接式顶梁，顶梁1为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁4铰接，取消了三角区，立柱直接支撑在顶梁上，用平衡千斤顶8调节顶梁与顶板的接触面积。图26 d为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶7调节前梁就角度，可提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。图26 e带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，较少顶板的暴露时间。铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为图26 d和26 e两种型式的结合，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。图27铰接式顶梁Fig 2-7 articulated roof beam综合上述本设计选择铰接式顶梁，如图27。顶梁1为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁4铰接，取消了三角区，立柱直接支撑在顶梁上，用平衡千斤顶8调节顶梁与顶板的接触面积。OY型掩护式支架就采用此种结构。2.4.3 顶梁断面形状顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘型。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来，支撑掩护式支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。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，其形状有直线型和折线型两种。按顶梁的断面形成，还可以把顶梁分为如下结构：1）闭式顶梁闭式顶梁为顶梁上、下盖板与筋板焊接成封闭型如图28 一种为立筋凸出型，如图图28所示，增加了焊接强度；另一种为立凹下，焊接后使用顶梁平整，但是焊接强度不如前一种，如图29图28 顶梁筋板焊接图Fig 2-8 Top beam welding ribs map2）开式顶梁开式顶梁结构如下图：图29 顶梁式立开筋型式Fig 2-9 Open the top beam reinforcement type legislation开式顶梁的结构特点：可减轻顶梁的重量，增强顶梁的抗弯强度。对于掩护式和支撑掩护式支架，为了便于侧护板能自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，如图210所示，同时增强了顶梁的结构强度。图210顶梁断面Fig 2-10 Top beam cross-section2.4.4 顶梁主要尺寸的确定1)掩护式顶梁长度Lg的计算：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）=3126mm式中：配套尺寸取1972mm。 底座长度 底座前端至后连杆下铰点之距取2100mm e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离取45mm 、 支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角2)梁面积A A= （2-2）式中： 顶梁长度mm 顶梁宽度mm,在本次设计中顶梁宽度为1440mm代入公式（2-11）得A=31261440=45014404.53)支架的支护面积Fc (2-3)式中： 支护面积 移架后顶梁前端点到煤壁的距离 m,一般= 支架间距（支架中心距），一般为1.5m代入公式(4-1)得： = 1500(3126345)=5204500 =5.24)支架的理论支护阻力F1 （2-4）式中: F1 支架的理论支护阻力（KN） 支护面积 （） 支护强度 （KN/）支架在最高处的理论支护阻力为：=5.2433.16=2252.43（KN）5)顶板覆盖率=A/100% （2-5） 式中： 顶板覆盖率A 顶梁面积 支护面积 代入2-5公式得：=4.5/5.2100%=86.5%覆盖率应该满足顶板性质的要求，一般，不稳定的顶板；中等稳定顶板；稳定顶板为；坚硬顶板。2.5 侧护板2.5.1 侧护板的选择顶梁和掩护梁的侧护板有两种：1）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。2）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。本设计取两侧皆为活动侧护板的类型。2.5.2 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)防止支架移架的倾倒；3)防止支架的倾倒；4)调整支架间距2.5.3 侧护板的结构型式如图211所示，这种型式克服了当顶板被冒落矸石压住时，影响侧护板伸缩的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。图211侧护板的机构形式Fig 2-11 sideguard agency forms2.5.4 侧护板尺寸的确定顶梁侧护板的侧向宽度，按支架升降高度和推移步距来确定。即：考虑到当一架升起，另一架降柱时，要保证相邻两架侧护板不脱离接触。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，加宽的长度一般为顶架后部起大于一个步距，即大于600mm。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，即相当700mm。当一架固定，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致脱开。所以，掩护梁侧护板下部要加宽。顶梁和掩护梁侧护板的顶面宽度，与活动侧护板的行程有关。由两台相邻支架的架间距离来确定。顶梁和掩护梁侧护板的连接，在考虑动作灵活可靠的情况下，应尽量减少间隙，加强密封性。2.6 立柱立柱是支架的承载构件，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。1) 初选立柱类型为单伸缩双作用活塞式立柱，如图212。此种类型的立柱具有结构简单、成本低等优点。2) 立柱的布置：掩护式支架为倾斜布置，这样可以克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般支架在最高工作位置时立柱轴线与顶梁的垂线夹角在，在最低位置时应小于 。本设计中立柱的根数为两根。3) 立柱间距为11.5m。4) 支撑方式为四柱平行支在顶梁上。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于(支架在最低位置时)，由于夹角小，所以有效支撑能力大。5) 立柱缸体内径 （2-6）= 20.35cm =203.5mm式中 ： 立柱数目 支架承受的理论支护阻力（KN）:KN 立柱在支架在最低位置时轴线与顶梁的垂线夹角小于取 安全阀正压力，本设计中选用的安全阀为型，查标准表取代回原公式可求得：，所以可行。表21立柱缸体内径的标准值Tab 2-1 Column diameter cylinder of the standard value506380100110125140（145）160180200（210）220（230）250表22单伸缩立柱的缸径、柱径组配合关系Tab 3-2 telescopic column of single-bore, with the relationship between column diameter group缸体内径（mm）250220200180160140125活柱外径（mm）240210190185170130130105工作阻力(KN)2352196017641372784784588额定工作压力(MPa)5051.658.456.150.751.950推荐选用管材缸体29928273322452821925194221802415020钢材规格（mm）活柱24526219252002419425180241592014018115元钢材根据查表得：活柱外径 210 工作阻力 1960 额定工作压力 51.6 泵站压力 32.6 缸体外径 273mm立柱缸体壁厚 2.6.1 立柱的初撑力与泵站额定工作压力 立柱初撑力按下式进行计算 (KN) (2-7) (KN)式中： 泵站额定工作压力减去从泵站到支架沿城压力损失后的值。（泵站额定工作压力Pb即由上述查得，本设计取）。2.6.2 安全阀压力与立柱工作阻力的确定安全阀的动作压力即为支架安全阀的调整压力Pa=40MPa。立柱工作阻力P2按下式进行计算 (KN)因为，则此安全阀可行。当泵站和安全阀都选定后，立柱的初撑力和工作阻力便已确定，液压支架的设计和使用经验表明，初撑力与工作阻力间应满足一定关系，即：。过小，不能有效地支撑顶板，过大，易压碎顶板。目前这个关系有增加的趋势，掩护式支架取=过为宜。2.6.3 立柱位置的确定1)立柱布置掩护式支架为二柱。支撑方式: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（支架在最低工作位置时），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。2)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。3)立柱柱窝位置的确定a、掩护式支架柱窝位置的确定:掩护式液压支架立柱上、下柱窝位置的确定，对液压支架能否正常工作，极为重要。为此，在设计时，必须根据顶板载荷分布和底板条件，先确定支架顶梁的支撑力分布和底座对底板的比压分布，使支架能适应工作面条件的要求，从此来确定立柱上，下柱窝的位置。b、立柱上柱窝位置的确定:液压支架立柱上柱窝位置的确定原则，从理论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶梁载荷分布一致。但顶板载荷分布复杂，分布规律因支架顶梁与顶板的接触情况而异。为了简化计算，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，沿支架宽度方向分布。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，载荷沿顶梁长度方向想后越来越大呈三角形分布，并按集中载荷计算，所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上柱窝位置。此时认为支架顶梁承受集中载荷F1在顶梁1/3初，取顶梁为分离体，受力情况如图213所示：图213顶梁受力分析Fig 2-13 Stress Analysis of Top Beam对A点取矩： （2-8） （2-9）式中 : 立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（m）F1 支架支护阻力（KN）， （KN）Q 支架最大支护强度（）Fc 支护面积（）Lg 顶梁长度（不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距）（m）Pt 立柱工作阻力之和（KN） 顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距（m） 立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距（m） 立柱在最高位置时的倾角（度）已知： ； ； ； ； ； ； ； 代入公式2-9得：=0.756m立柱全部伸长时的长度：立柱全部缩回时的长度：式中: 单位缸长行程 活塞全部伸出时立柱的总长度 活塞全部缩回时立柱的总长度 活塞的行程所以采用单伸缩双作用液压缸是可行的。c、立柱下柱窝位置的确定:立柱下窝位置得确定，要由利于移架，使底座前端比压小，同时考虑柱前行人和支架得调高范围以及下窝柱与前连杆下铰点的距离，一般按支架最低工作位置时，立柱最大倾角应按小于来考虑。按几何关系计算立柱下柱窝位置：代入数据：式中: 支架最小高度G 掩护梁长度A 后连杆长度 支架最低位置时，后连杆与水平面的夹角 支架最低位置时，立柱倾角 支架最低位置时，掩护梁与水平面的夹角2.7 千斤顶技术参数确定2.7.1 平衡千斤顶的作用原理与用途平衡千斤顶，也称稳定千斤顶、角位移千斤顶或者顶梁补偿千斤顶。平衡千斤顶式一种外供液的双作用千斤顶。当高压液从缸体下部进入千斤顶活塞腔（下腔）时，推出活塞杆撑紧顶梁，此时环形腔（上腔） 内液体从缸体上部回到回油路。反之，当高压液进入环形腔收回活塞杆时，活塞腔回液。由此可见平衡千斤顶的理论作用式借助它的拉、伸，使得宽而长的顶梁较好的接顶，调节顶梁与顶板的接触角度，克服顶梁仰头、翘尾，使顶梁尽量保持与顶底板平行地进行工作。所以平衡千斤顶铰接于顶梁和掩护梁之间，使掩护式支架构成稳定的结构；通过它可以调节顶梁呈水平状态或者所需要的角度，使相邻的支架保持良好的密封状态，还可以利用双向控制阀，使平衡千斤顶呈推力或者拉力，适应顶板载荷的变化。本设计平衡千斤顶为双作用液压缸。2.7.2 平衡千斤顶对顶梁受载的影响平衡千斤顶作用之一是调节顶板对顶梁作用力得合力位置，使得顶梁与顶板接触严密。观测表明，平衡千斤顶得操作（上腔或者上腔供液）对顶板与支架相互平衡得合力作用点油显著影响。平衡千斤顶上腔供液，可是合力作用点后移，载荷垂直分力增加，合力与垂线夹角减小，支撑效率增大，可以达到1.05以上，有利于适应老顶来压。平衡千斤顶下腔供液，可使合力作用点前移载荷垂直分力减小，载荷水平分力增大，即合力与垂线夹角加大，支撑效率降低（0.650.8），可以改善支架对断面顶板得维护。平衡千斤顶上、下腔均部供液时的特征介于以上两者之间。合力作用点主要取决于顶板运动状态和立柱压力，一般处在立柱与顶板铰点之间平均载荷呈三角分布。如下图214；215表示平衡千斤顶供液方式对顶梁载荷分布的影响。上腔供液合力作用点位于立柱后方，靠近顶梁与掩护梁铰接点；下腔供液相反，合力作用点位于立柱前方，靠近顶梁前端。总之，采用不用的供液方式操作平衡千斤顶，可以改变顶梁载荷合力点的位置和方向，可影响支架支撑效果，改善支架适应顶板的能力。图214 平衡千斤顶上腔给液顶梁载荷分布Fig 2-14 jack balanced solution to the top of the cavity beam load distribution图215平衡千斤顶下腔给液顶梁载荷分布Fig 2-15 balanced jack cavity to the fluid under the top beam load distribution2.7.3 平衡千斤顶技术参数确定平衡千斤顶缸体内径的计算： cm （214）式中： 平衡千斤顶的推力588（KN） 平衡千斤顶的推力495（KN） 根据上述40代入公式2-14得：13.68cm136.8mm查表23得平衡千斤顶缸体内径取，外径为168mm。表23千斤顶缸体内径Tab2-3 jack cylinder diameter缸径（mm）160140125100806350杆径（mm）14010085100857070(63）5045454032泵压（MPa）32.6推力（KN）6374903922451579863拉力（KN）150038244523430428412715798103485840推荐材料规格（mm）缸19422168201461412114102148311/杆15217105元钢95元钢110105元钢95元钢85元钢8085元钢70元钢/平衡千斤顶活塞杆外径的计算： （215）式中： 活塞杆外径。代入公式2-15得：6.2cm62mm查23表可得85mm，泵压取32.6MPa。2.7.4平衡千斤顶位置的确定1）平衡千斤顶安装位置的确定原则为保证支架工作的可靠性，支架的支撑力分布（包括立柱的支撑力和平衡千斤顶的推力或者拉力等），必须适应顶板载荷分布。当立柱的上、下柱窝位置确定后，就可以根据顶板载荷分布来确定平衡千斤顶的位置，现按照两种情况进行分析。当顶梁前端出现空顶时，顶梁后端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡千斤顶受到拉力，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端0.27倍顶梁长度处来进行计算。当后端出现空顶区时，顶梁前端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置前移，此时平衡千斤顶受到推力，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端0.35倍顶梁长度处进行计算。2）平衡千斤顶在顶梁上位置的确定平衡千斤顶在拉力时，取，平衡千斤顶在推力时，取图216 顶梁和掩护梁分离体Fig 2-16 cover the top beams and beam separator图217 顶板分离体受力图Fig 2-17 separator by the roof trying to （216）式中： 平衡千斤顶的推、拉力（推力取“” 、拉力取“” ）W 顶板与顶梁之间的摩擦系数，计算时取0.3 支架在最高位置时的立柱倾角 支架在最高位置时，平衡千斤顶的倾角；为使平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度时，平衡千斤顶与掩护梁平行，可以取支架在最高位置时顶梁上平面和掩护梁的夹角，即 平衡千斤顶活塞杆铰点至顶梁顶面之距，当支架降到顶梁和掩护梁成时，为使平行千斤顶不与掩护梁干涉，所以按照下列计算： （m） （217）式中 ： 掩护梁厚度取230mm 平衡千斤顶外径（mm） 平衡千斤顶外径和掩护梁之间的间隙，一般取3050mm 立柱柱窝中心至平衡千斤顶上铰点之距（mm） 平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距x 支护阻力合力作用点的位置。代入（217）式可得：平衡千斤顶在拉力时： 得 平衡千斤顶在推力时： 得 则 3）平衡千斤顶行程计算图218 支架在最高位置时的L4Fig 2-18 bracket the highest position in the L4图219 L5计算图Fig 2-19 L5 calculation chart为了防止平衡千斤顶的耳环或者平衡千斤顶本身被拉坏，对平衡千斤顶的行程有如下要求：当支架在最高位置时，顶梁不能下摆；支架在最低位置时，顶梁能上摆，或者顶梁和掩护梁近似成。为了简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞全部伸出时，顶梁成；平衡千斤顶的活塞全部缩回时，支架恰好在最高位置。平衡千斤顶行程 上式中由下式进行计算： （2-18）表24液压缸活塞行程系列Tab 2-4 Series of hydraulic cylinder piston stroke第一系列第二系列第三系列第一系列第二系列第三系列5045063500805509060010011070012575014080016090017092518595020010002201050240115026012502801300300320350400查表行程最终取S320mm。4） 平衡千斤顶在掩护梁上的位置的确定平衡千斤顶的行程确定后，即可确定它在掩护梁上的位置如下图所示：图220 a1、b1示意图Fig 2-20 a1, b1 diagram式中： 当活塞全部缩回时，缸体上铰点至活塞上部之距，如图220所示，取。 当活塞全部缩回时，活塞杆铰点至活塞杆腔出油孔中心线之距，如图220所示，取通过和的计算，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。5） 掩护梁类型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