[工学]矿用液压支架毕业设计说明书

中国矿业大学毕业设计（论文）说明书摘 要矿井液压支架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， 因此液压支架的设计是技术上先进、 经济上合理， 安全上可靠、 是实现采煤综合机械化和自动化的主要体现。采用综合机械化采煤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求，必须大量生产机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。本文主要阐述了支顶掩护式液压支架掩护梁、四连杆机构及液压系统的设计过程。此次设计选用支顶掩护式液压支架，支架采用四连杆机构，以改善支架受力状况；顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构，减轻架体自重；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，同时还对系统压力损失、发热、效率等性能进行了验算。关键词：液压支架，掩护梁，液压系统，采煤综合机械化。 Abstract The application of hydraulic support in coal mining face of increasing production and raise labor productivity, reduce costs, reduce manual workers and to ensure safety in production is indispensable for effective measures to, Therefore the design of hydraulic support is technically advanced and economically rational, safe and reliable is the main manifestation of the comprehensive mechanization and automation of mining. Integrated mechanization of coal mining is a significant increase in coal production, the only way to increase economic efficiency. In order to meet the growing demand for coal to be mass-produced mechanized mining equipment, the rapid increase in the integrated coal face mechanization. This paper mainly expounds the top screen type hydraulic support beam, cover four bar linkage and balance jack design . This design selection of hydraulic support a top cover, stents, using four link mechanism, and to improve the stents stress state; Top beam, cover, base beam are made, reduce frame structure of the body weight; Pillar with double expansion role, and to increase the hydraulic cylinder working travel to meet the need of high range stand is adjusted. At the same time, the performances of systematic loss, fever and efficiency are checked carefully.Keywords：Hydraulic support, screen and beam, hydraulic system,comprehensive mechanized coal mining. 前 言毕业设计是我们综合运用所学的理论知识和实践相结合的重要环节。是对我们大学四年所学知识的一次全面检验和应用；首先，毕业设计能培养我们分析实际问题的能力，运用所学知识动手解决实际问题的能力，从而巩固深化所学的理论知识，为即将走向工作岗位打下坚实的基础。其次，毕业设计培养我们深入实际，调查研究，解决在现实问题中可能出现各种问题，所以我们在设计中必须学会分析问题和解决问题的方法，要抓住主要问题，按安全可靠，经济实用的原则设计。再次，毕业设计培养了我们熟悉有关技术政策，运用国家标准规范，手册，图册等工具书，独立进行设计计算，数据处理，编写技术文件的工作能力。在毕业设计中，我们必须培养认真、负责、细致、踏实的工作作风，养成保质保量、按时按量完成任务的习惯，要达到这一目的，我们在设计中必须应做到：（1）随时准备各种资料，为毕业设计做好充分的准备。（2）认真计算和检验，保证计算结果的准确性。（3）仿真建模和CAD制图要认真、仔细和不断反复检查，以保证图纸的质量。（4）劳逸结合，提高工作效率，按时完成自己的设计任务。这次毕业设计不仅关系着每个人的学业成绩，更重要的是它体现了每个人对待设计的认真程度和实际能力。固然每个人的能力不同，设计有好有劣，但我们还是力求向好的方面努力，使设计既符合实际，更加完善完美。我想这与指导老师和领导的要求也是一致的。不过由于对一些实践性知识了解甚少，加上本次设计时间紧、任务重、图纸多，很难百分之百的达到毕业设计的要求。所以这次毕业设计也只能是一个尝试，但对我将来的工作必将是一个很大的帮助，相信通过这次毕业设计能达到预期目的，各方面都有所提高。由于经验不足、水平有限加之时间仓促，本次毕业设计一定存在不少错误，欢迎各位老师和同学批评指正。目录摘 要VIAbstractVII前 言VIII第一章 绪 论11.1国内外研究的现状11.2本课题研究的目的和意义2第二章 液压支架基本理论分析42.1 综采工作面的布置和循环工作过程42.2 液压支架的组成52.3液压支架的分类62.3.1按支架和围岩的相互作用分类62.3.2按移动方式分类72.4液压支架的工作原理82.5液压支架的支护方式102.6液压支架主要结构件及其作用112.6.1顶梁112.6.2掩护梁112.6.3底座112.6.4四连杆机构122.6.5立柱122.6.6 推移机构122.7液压系统及其控制元件132.8支架的设计特点132.9本设计液压支架各项技术特征13第三章 液压支架的主要结构设计143.1确定液压支架结构参数的原则与内容143.1.1确定支架结构参数的原则143.1.2 确定支架结构参数的内容143.2液压支架主要结构参数的确定143.2.1液压支架的高度与伸缩比143.2.2中心距和宽度的确定163.2.3支架间距173.2.4底座长度的确定173.2.5顶梁长度的确定17 1支架工作方式对支架顶梁长度的影响17 2顶梁长度的计算183.3液压支架的设计要求193.4支架的主要结构193.4.1掩护梁的设计193.4.2掩护梁护板的设计203.4.3四连杆机构设计的要求223.4.4底座25 1底座的主要作用25 2底座的结构型式、特点与选择25 3底座长度的确定263.5液压系统的设计263.5.1液压支架的液压系统简介263.5.2液压支架传动系统的基本要求263.5.3液压支架的液压传动特点263.6液压系统总体方案的确定273.7立柱系统的设计283.7.1液压缸工作压力的确定283.7.2缸筒的设计计算293.7.3缸筒的结构设计293.7.4缸筒内径的计算293.7.5液压缸壁厚和外径的计算313.7.6液压缸工作行程的确定323.7.7缸盖厚度的确定323.7.8最小导向长度的确定333.7.9缸体长度的确定343.7.10液压缸主要零件的材料和技术要求34 1缸体材料和毛坯34 2缸体的技术要求35 3活塞杆的材料36 4活塞杆的技术要求363.7.11立柱强度校核373.7.12液压缸稳定性的计算383.7.13密封装置的设计40 1对密封装置的主要要求403.8千斤顶系统的选取413.8.1推移千斤顶的选取413.8.2平衡千斤顶的选取433.8.3侧推千斤顶的选取43第四章 液压支架的强度计算444.1强度计算条件444.2强度校核454.2.1底座的强度校核454.2.2 顶梁上平衡千斤顶耳板与销轴强度校核47第五章 液压支架的使用、维护与发展505.1液压支架操作维护要求505.2液压支架操作505.3 液压支架操作管理事项505.4 维护和管理的具体内容515.5 液压支架的故障及排除525.5.1 结构件和连接销轴535.5.2 液压系统及液压元件535.6液压支架的发展趋势54结 论56致 谢57参 考 文 献5859第一章 绪 论1.1国内外研究的现状地下开采的煤产量主要有液压支架配套的综采设备产出的.综采设备的研制和广泛的应用.对煤炭工业革新技术装备不仅有重大的作用,而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高,是有强有力的促进因素.加速现代化进程,必须加速煤炭工业企业的建设,改造和革新技术装备的进程,增加地下开采和露天开采的煤产量.地下开采是最复杂和困难的方法,但是,这种方法在工业比较发达的国家和以煤炭作为一次能源的地区,仍然普遍应用,而且,开采优质煤包括炼焦煤,都是采用地下开采的方法.综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命,从根本上改变了煤炭工业的面貌,综合机械化采煤是20世纪人类科学发展的重要成果.综合机械化采煤技术在我国的研究试验,使用,发展,彻底改变了我国煤炭工业的面貌,降低了工人的劳动强度,提高了产量,劳动生产率和企业效益,满足了国民经济建设对煤炭的需求,合理的集中生产简化了生产系统,提高了生产安全性,我国综采技术发展得30多年,使我国的煤炭生产技术水平跨进了世界先进行列,综放技术跃居世界领先地位.工作面支护问题始终是困扰煤炭安全生产,产量和效率的重要问题.以液压支架为主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展是煤炭生存发展史上的一次重大革命.不仅从根本上改善了劳动和安全条件,也为工作面产量和效率的提高奠定了基础.但是综采设备初期投资高,特别是液压支架占综采设备总投资约60%,因此液压支架的合理选用特显重要。30多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤炭总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机CAD进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤炭支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关检测标准11项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍；形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内需求，还向美国。俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架和成套综采设备。为适应我国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已将研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。配套设备的生产能力达到15002500t/h，在适宜的煤层和矿井条件下，综采动作面可实现年产300万吨以上。新型矿用单体支护设备，采用悬浮式液压技术原理，生产矿用单体支护设备，技术水平达到了国家领先水平，填报了国际空白。DWX型液压支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无内泄漏，无圆弧焊缝等技术和安全特点，具有独创性。新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面支护的关键技术，结束了有德国人发明的第二代单体设备的历史，并将会长期使用下去。该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，可广泛应用于薄煤层、中厚煤层和较厚煤层工作面，是煤矿重要支护设备。近十年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向更高工作阻力、大中心距发展。液压支架的另一个重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外线遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到68s。我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，掩护式液压支架和采煤技术已有了长远发展。1.2本课题研究的目的和意义采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭增长的日益需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加机械化采煤工作面。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等不同，对液压支架的要求也不同。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非常重要。由于液压支架的类型很多，由此其设计工作量也是很大的，由此可知，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的了解。通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩固和理解。同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深入的认识、了解和设计液压支架打下良好的基础。通过自己独立的完成毕业设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为自己成为一名出色的机械工程师打下坚实的基础。现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代的大学毕业生，不见你打好坚实的专业基础，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能、树立团结协作精神、强化计算机运用等多为兼容性毕业设计；同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅；将素质教育与毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平。第二章 液压支架基本理论分析2.1 综采工作面的布置和循环工作过程综合机械化采煤设备在工作面的布置情况如图2-1所示，其中主要设备有：进行落煤和装煤工作的滚筒式采煤机1（也可用刨煤机）；完成工作面用煤工序的可弯曲刮板运输机5和顺槽运输设备（转载机4与可伸缩皮带运输机3），用于支护顶板的工作面支架2和端头支架10、11，设在下顺槽的乳化液泵站（包括乳化液8和乳化液箱9），以及由乳化液泵站引入工作面的主进管6和回液管7等。各种综采工作面的布置方式基本相同，只是设备和使用条件的不同略有差异。上述各种设备在回采工作面中，按一定的生产工艺流程协调的进行工作，发挥着各自的效能。综采工作面的生产过程比较单一，只有采煤、移架、推溜三项主要工序，而这三项工序的组合，可以是采煤移架推溜也可以是采煤推溜移架。前者随采煤机后紧接移架，及时支护顶板，称及时支护方式。后者推溜后在移架，称滞后支护方式，现在以采用先移架，后推溜工作方式的总采面为例，说明他的循环工作过程（见图2-1）：由图2-1可知： A-A断面表示采煤机截割前状态，此时，运煤机紧靠煤壁，移架装置处于伸出状态，支架相对于运输机退后一个步距。B-B断面表示采煤机截割后状态，这时支架顶梁端与煤壁之间的顶板裸露，需要及时支护。C-C断面表示采移架后状态，采煤机截割后接着把支架移至紧靠运输机的位置，并升柱撑紧，以便及时支护新暴露的顶板，移架步距一般600mm，它必须与采煤机的截割深度相配合。D-D断面表示推移运输机后状态，随着采煤机的不断截割前进，滞后采煤机约1012m左右，把运输机推至煤壁前的新机道上。 由此可知，这个综采工作面的回采工艺流程是采煤、移架和推溜。沿工作面全长，每完成一个流程，即采煤机 割一刀，液压支架和工作面运输机前进一次，称为一个循环。综采工作面的生产过程，就是按此循环工作不断进行的过程。 图2-1 综合机械化采煤设备在工作面的布置情况2.2 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2-2)和支撑掩护式(图2-3) 根据支架各部件的功能和作用，其组成可分承载结构件、动力油缸、控制操纵元件、辅助装置和工作液体五部分。图2-2 掩护式液压支架结构 图2-3 支撑掩护式液压支架结构 （1）承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。 (2) 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。 (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性能 。 (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。（5）工作液体：这是传递泵站能量，使液压支架能有效工作的工作介质。液压支架的工作液体是乳化液。2.3液压支架的分类 2.3.1按支架和围岩的相互作用分类此时液压支架可分为三类：（1）支撑式支架：它有较长的顶梁，较多的支柱，并呈垂直布置，支架的稳定性由支柱的复位机构来保证，因此有坚固的箱式底座。它靠支柱与顶梁的支撑作用，控制工作面的顶板，维护工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断跨落。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，因此适应于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，底板也较硬的煤层中。（2）掩护式支架：它的顶梁较短，支柱一排，一般仅12根，多呈倾斜布置与掩护梁连接或直接与顶梁相连接。它靠支柱和顶梁支撑顶板，而掩护梁只与冒落矸石相接触，防止矸石涌入工作面，以维护一定的工作空间。这种类型的支架，有良好的防矸掩护性能，主要适用于顶板中等稳定和破碎，底板也较软的煤层中。（3）支撑掩护式支架：支撑掩护式支架是介于支撑式和掩护式之间的一种架型。它的特点是，支柱两排，每排12根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。这类支架靠支撑和掩护作用来维护工作空间，兼有支撑式和掩护式支架的优点，适用于顶板稳定和中等稳定，有较明显的周期压力，底板中等稳定的煤层中。支撑式、掩护式和支撑掩护式等三类支架中，对照采煤工艺对支架的要求来看，掩护式支架具有很多特点和较广的适用范围。虽然掩护式支架单位工作面长度上的支撑能力不如其余两种，但由于控顶距小单位面积上的支撑力较大，能对顶板进行有效的支撑；还有有效的挡矸装置，能更好 的适应破碎顶板的支护需要；支架本身为一定的运动机构，抗水平力性能好，且便于支架前移；支架的结构和液压系数简单，操作简便，管理维修容易；支架调高范围较大，对煤层厚度变化的适应性强。所以，掩护式支架在使用中已取的良好的经济效果，使用范围正在扩大。2.3.2按移动方式分类液压支架可分为两类：（1）整体自移式：支架成整体结构，因而整体移动。掩护式，和部分支撑式支架，均采用这种移架方式。（2）迈进式：迈进式支架又可分为交互前移式和提步前移式两种。交互前移式支架，是利用主副架护为着力点交互推拉前移的方式，架间安装推移千斤顶和导向装置。一般节式支架常用这种移架方式。提步前移式支架，是采取顶梁不大量下降，提腿跨步的方式。例如，苏2M-81型支撑掩护式支架，移架时沿着支撑柱顶板的临架顶梁推移。还有一种是滑行顶梁式支架，移架时本架顶梁在内部滑移。根据使用地点的不同，液压支架又可分为工作面支架和端头支架两类。上述各类支架均为工作面支架，用来支护工作面的顶板。端头支架，则用在工作面两端与顺槽的连接处，由于此处的机械设备较多，需要占有的工作空间大，同时又是人员的安全出口，要求端头支架能很好的和各设备相配合，达到有效的支护悬露面积较大的顶板。因此，端头支架在结构上具有特殊性。2.4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。图2-4是一个最简单的液压支架的工作系统示意图。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。图2-4 液压支架工作原理 -顶梁 -立柱 -底座 -推移千斤顶 -安全阀 -液控单向阀 、-操纵阀 -输送机 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管降柱：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。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。 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，支柱活塞杆腔的油液，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。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。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。 图2-5 支架的工作特性曲线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 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。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整压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段。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整值时，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。支撑式支架的工作阻力为 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。对于掩护式和支撑掩护式支架，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 式中 支架的支护面积，。2.5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 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。（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。（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。 2.6液压支架主要结构件及其作用 2.6.1顶梁 顶梁采用整体结构，顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部件之一，由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度要求。其主要作用是：1、承接顶板岩石及煤的载荷；2、反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用；3、隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。本支架采用分段组合式顶梁结构，强度高，对顶板维护较好；另外，在顶梁前部还布置有起吊耳，可方便吊挂较小的机件。2.6.2掩护梁 掩护梁分别与底座和顶梁相连接，其主要作用有：1）承受下部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；2）掩护梁与掩护梁千斤顶，保证支架的稳定性；3）阻挡后部落煤，维护工作空间。2.6.3底座底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。该支架设计为整体刚性底座，底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。该型底座的缺点是在推移机构外易积存浮煤碎矸，要求及时清理。其主要作用是：1）将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提供安装空间；2）给工作人员创造良好的工作环境；3）保证支架的稳定性。2.6.4四连杆机构前、后连杆分别与掩护梁和底座铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件，铸件中不得有气孔、砂眼、夹杂物。铸后要进行淬火和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度。其主要作用是：l) 、使支架在调高范围内，顶板平稳地升降，并使顶梁前端与煤壁的距离(梁端距)变化尽可能小，更好地支护顶板。2) 、承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。本支架采用四连杆机构，为使冒落矸石不从连杆处涌入支架内，均为钢板焊接的箱形结构，这种结构有较强的抗拉、抗压和抗扭性能。2.6.5立柱立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，它直接影响到支架的工作性能，同时还处于高压受力状态，因此，立柱除了具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须由足够的抗压和抗弯强度，密封良好、结构简单并能适应支架的工作要求。立柱一般由活塞、活塞杆、缸体三部分组成，由于支架工作时，立柱承受的载荷较大，降柱力较小，故活塞杆直径较大，常采用空心结构，以保证有足够的刚度，活塞一般采用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。2.6.6 推移机构支架的推移机构包括推杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送机和拉移支架。推移连杆的一端通过连接头与输送机相连，另一端通过推移千斤顶与底座相连，推移连杆除承受推拉力外，还承受一定的侧向力防止底座的下滑。 2.7液压系统及其控制元件支架液压系统由乳化液泵站、主进液胶管、主回液胶管、各种液压元件、立柱及各种千斤顶等组成。支架操纵方式采用邻架操作控制，使用快速接头，拆装方便，性能可靠。由乳化液泵站输出的高压乳化液经主进液管支架进液截止阀过滤器操纵阀立柱或各千斤顶架液截止阀主回液胶管乳化液泵站。2.8支架的设计特点 结合首采工作面及矿区此类地质构造条件下，二柱掩护式液压支架的成功经验，该支架应有如下特点：（1）支架型式为：两柱掩护式液压支架；（2）对支架总体结构参数优化，梁端距变化应小；顶梁前部较薄强度、刚度应充分保证；（3）支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其它构件形成刚性好、强度高、稳定性好的整体结构；（4）整体顶梁和掩护梁带单侧活动长侧护板，能实现对护顶的严密调整；（5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度；（6）架的整体构造应有“人机学”的观点，结构应紧凑，操作方便，制造成本降低。2.9本设计液压支架各项技术特征ZY3500/25/47型液压支架各技术特征如下表所示 本设计液压支架各技术特征型号ZY3500/25/47型式两柱掩护式工作阻力3500KN初撑力2604KN支护强度0.68MPa对底板比压1.8MPa支架高度2500-4700mm支架宽度1430-1570mm中心距1500mm适应煤层倾角15 第三章 液压支架的主要结构设计3.1确定液压支架结构参数的原则与内容 3.1.1确定支架结构参数的原则 1、要满足配套设备(采煤机、输送机)的相关要求: 2、与支架的工作方式(即时支护或滞后支护)相适应; 3、结构紧凑，行人操作方便; 4、支架的工作稳定性好。 3.1.2 确定支架结构参数的内容 1、确定正常工作条件下，支架与相应设备的位置关系; 2、确定支架总体与主要部件的布置与尺寸。3.2液压支架主要结构参数的确定液压支架的结构型式很多，且随着采高和应用条件的不同，支架的结构布置和尺寸也各异。下面仅分析目前广泛应用的三种典型架型的总体布置与结构尺寸的一般范围。3.2.1液压支架的高度与伸缩比 1、高度的确定及其伸缩比 一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。对于大采高支架，按下式确定支架高度，即 HmaxMmax十(200400)mm Hmin=Mmin(400500)mm Hmax支架最大高度(mm)； Hmin支架最小高度(mm)； Mmax最大采高(mm)； Mmin最小采高(mm) MmaxKM Mmin =KM式中 M 煤层平均厚度； K、K煤层厚度上、下波动系数，一般取K1113，K08090。对于中厚煤层支架，按下式确定支架高度，即： HmaxMmax(200300) mm HminMmin(300400) mm对于薄煤层支架，则按下式确定支架高度，即 HmaxMmax(100200) mm HminMmin(150250) mm 本设计最大采高4500mm,取支架最大高度 45002004700mm 本设计最小采高2800mm,取支架最小高度 28003002500mm 支架最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。 支架的伸缩比指其最大高度与最小高度之比值。即： 代入有关数据，得 m=1.88支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。支架最大高度和最小高度取值应符合表31，单位。 S2一考虑顶板下沉量与底板浮煤厚度，一般取S2=0.259.35m; 表31支撑掩护式液压支架高度系列表（单位m）HmaxHminHmaxHmin1.00.53.11.61.10.553.21.71.20.63.31.81.30.653.51.91.40.73.82.01.50.754.02.11.60.84.22.21.70.94.52.31.81.04.72.42.01.15.02.52.21.25.32.62.51.35.52.72.81.46.02.83.01.53.2.2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1.5m。大采高支架为促高稳定性中心距可采用1.75m，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1.25。本次设计取支架的中心距为1.5m。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高要求。支架顶梁一般装有活动侧护板一般行程170200mm。当支架中心距为1.5时，最小宽度一般14001430mm，最大宽度一般15701620mm。当支架中心距为1.75时，最小宽度一般16501680mm，最大宽度一般18501880mm。当支架中心距为1.25时，如果带有活动侧护板，最小宽度一般11501180mm，最大宽度一般13201350mm；如果不带活动侧护板，则宽度一般取11501200mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1400，最大宽度为1570，亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170。3.2.3支架间距所谓支架间距，就是相邻两架中心间的距离，按如下公式计算： b = B + nC 式中 b支架间距 B每架支架顶梁总宽度 C相邻支架顶梁间的间隙n每架所包含的组架或框架数，总体自移式支架n1，整体逐步式支架n2，节式组合迈步支架n支架节数。支架间距b主要根据支架形式，但目前主要根据刮板运输机油槽节长度及槽帮上千斤顶连接的位置来确定。目前我国刮板运输机油槽每节长度为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。3.2.4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0.6m），即2.1m左右，支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。在这里取底座长度为2.5m。3.2.5顶梁长度的确定根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。 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有很大影响。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）要求顶梁长度较小。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600 mm 。这里，采用滞后支护方式。2、顶梁长度的计算掩护式支架顶梁长度计算顶梁长度=配套尺寸+底座长度+ -+300+ 掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm） 式中 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铰点之距 e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离； 、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。经计算的支架顶梁长度为3000mm。3.3液压支架的设计要求 1、满足采煤工艺及地质条件的要求,要有足够的初承力和工作阻力,以便有效的控制顶板,保证其合理的下沉量。 2、要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为10吨左右,移架力按煤层厚度而定,薄煤层一般为1015吨,中厚煤层一般为1525吨,厚煤层一般为3040吨。 3、防煤性能要好。 4、排煤性能要好。 5、要求有足够的通风端面。 6、从安全性考虑,要有足够宽的人行道。 7、调节范围要大,照明、通讯方便。 8、支架要求有足够的刚度,能够承受一定的不均衡载荷和冲击载荷。 9、支架稳定性好,底座最大比压小于规定值。 10、在满足强度条件下,尽可能减轻支架重量。 11、要易于拆卸,结构简单。 12、液压元件要可靠。3.4支架的主要结构 该型液压支架的主要结构包含顶梁、掩护梁、四连杆机构、底座、立柱等，在此主要是掩护梁、四连杆机构和液压系统的设计。 3.4.1掩护梁的设计掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过立柱传递给底座。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。本设计选用16Mn钢，其最大承载压强为280MPa350 MPa，该型钢可焊性好，焊后无需热处理，应用最为普遍。掩护梁为面板式箱形结构件，为焊接箱式结构。中间以四根主骨架为主体，在主骨中焊接四个连杆窝。在掩护梁梁两侧装有侧护板，通过梁身侧面伸出的侧推千斤顶轴和侧护板上的四个轴套配合，利用掩护梁背部的插槽和梁体侧面的销孔把侧护板固定在梁体的合适位置，起到保护掩护梁梁体，保证作业空间的作用。顶板采用的钢板厚度为30mm，筋板厚度为60mm。掩护梁的侧面有折线型和直线型两种。通常，插腿型掩护式支架掩护梁爱用折线型，可以增大通风断面。其它掩护式和支撑掩护式支架多采用直线型，使得制造工艺简单。掩护梁一般做成整体，也有做成左右对分的。本设计掩护梁选用整体式，直线型。掩护梁下部与前、后连杆相连，设有平衡千斤项的耳座。它的长度较短，约2.6mm，结构紧凑，并有侧护板，侧护板的横向宽度，要稍大于移架步距，这样移架时能与不动的邻架间保持封闭。掩护粱是由钢板焊成的箱体结构，因与它相连的部件较多，在结构设计时应注意互不干涉。由于掩护梁受力复杂，特别是弯扭和横向载荷，设计时各断面安全系数应大于1.3。在梁体还应设有吊装孔，以利梁体的维护安装。 图3-1 掩护梁三维建模线框图1铰接耳 2侧推千斤顶轴 3销孔 4加强筋板 5顶板 6定轴销孔 7主骨架 8连接轴孔 9平衡千斤顶连接耳3.4.2掩护梁护板的设计目前生产的支撑掩护式支架都有完善的侧护装置，不仅掩护梁两侧有侧护板，而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后的两侧也有侧护板。支架工作时，一侧的侧护板是固定的，另一侧则为活动的。制造时，通过两侧侧护板对称，总装时可按需要将一侧用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。 1、侧护板的作用1) 消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落矸石进入支护空间；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；以上几点是紧密相连的，要想得到良好的防矸效果，侧护板必须同时具有导向、防倒和调架等功能，否则将因支架不平行、倾倒或间距加大而出现架间空隙，影响防矸效果。 2、侧护板的结构型式按侧护板与掩护梁或顶梁上板面的关系，侧板有上复式、埋伏式、抽出式和折页式等几种型式。上复式侧护板结构简单，使用广泛。缺点是活动侧护板特别是顶梁活动侧护板在支架承载时不能调节，且容易被大块岩石压住或卡住。埋伏式侧护板是在顶梁或掩护梁的上板面加焊几条钢板，使侧护板的水平板面比顶梁或掩护梁承载面低。它改善了侧护板的受力情况和活动侧护板的调节性能。它的结构不复杂，目前顶梁侧护板多采用这种型式。抽出式侧护板的水平板面嵌入顶梁滑槽内，正常情况下，活动侧护板调节性能较好，但是，当支架承受偏载或窄滑槽内堵塞粉尘时，调节也很困难。同时，结构也比较复杂。折页式活动侧护板的调节性能较好，不受支架承载的影响。缺点是它会造成架间三角带，常填满碎矸，防尘效果差。 3活动侧护板的控制方式活动侧护板的控制方式有弹簧式、液压式和混合式等三种。弹簧式控制的活动侧护板靠弹簧力使之伸出与邻架固定侧护板靠紧，不能自由缩回。弹簧力通过导向杆使活动侧板平行伸出。仅靠弹簧伸出其活动侧护板的支架不具备调架功能，防倒效果也不够好。这是因为弹簧力如果太大，将引起移架困难。为了保证架间无间隙而移架又太困难，必须限制弹簧力的大小。所以，现在仅靠弹簧控制的活动侧护板使用不多。全液压控制的活动侧护板，能保证实现防矸、导向、防倒和调架等功能。但是它的液压控制系统比较复杂，所以，具有全液压控制的活动侧护板的支架目前使用还不多。现在使用较多的是混合控制的活动侧护板，它即有弹簧伸出机构，也有侧推千斤顶控制其伸缩。混合式的性能因其侧推千斤顶是否具有液压锁紧回路而不同。如果侧推千斤顶无液压锁紧回路，它只能实现简单的伸缩，不能将活动侧护板闭锁在适当位置。侧推千斤顶不操作处于浮动状态，千斤顶无支撑力，还是完全靠弹簧力控制活动侧护板。所以它的防矸防倒效果与弹簧式差不多。不过，它可利用侧推千斤顶进行调架。这种混合控制方式在降架移架过程中应同时操纵侧推千斤顶。如果侧推千斤顶有液压锁紧回路，它的防矸防倒效果较好，液压控制系统也不太复杂，它有两种工作方式：一为支架承载时侧推千斤顶处于浮动状态，支架降移时其下方的侧推千斤顶处于闭锁状态；另一种为支架承载时侧推千斤顶处于闭锁状态，支架降移时其上方的侧推千斤顶解除闭锁成为浮动状态。支架的侧板易损坏，其主要的损坏形式有：1. 侧护板导向杆耳座与弹簧筒耳座易脱落；2. 导向杆和弹簧筒弯曲变形；3. 侧护板的侧板弯曲变形；4. 侧护板和上板焊缝开裂。为此，要求侧护板的耳座结构采用嵌入式，并使导向杆和弹簧筒能插入侧板内。另外，可在上板的侧板间焊加强筋，如图所示。现根据常用侧护板形式各自特点，本设计选用直角式双侧活动侧护板。图3-2直角式双侧可调的活动侧护板图3-3 侧护板三维建模线框图3.4.3四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e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。从图3-4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。图3-4四连杆机构几何特征图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3-4所示的h段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，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。同时底板阻力底座向后移，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毛落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架