掩护式液压支架的设计

河南理工大学本科毕业设计（论文）开题报告河南理工大学本科毕业设计（论文）开题报告题目名称经济型掩护式液压支架的设计经济型掩护式液压支架的设计姓名专业班级学号一、选题的目的和意义采煤综合机械化，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。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。掩护式液压支架，它保留了垛式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用单排立柱直接支撑顶梁（通常简称双柱掩护支架） ，吸收了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座。与垛式支架和掩护式支架相比它具有不可比拟的优点：1支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞；2支架稳定性、防护性好；3在保证强度的条件下，结构更简单，尺寸更紧凑；4具有良好的整体性能，安全可靠；二、国内外研究综述我国目前液压支架与发达国家的差距：我国目前液压支架与发达国家的差距：1.生成能力上的差距 我国目前大部分支架的可靠性与国外差距比较大。进口支架工作面开机率达到 90%以上，日产达到了 30000t，年产达到 10Mt，支架大修周期为产煤 15Mt以上。而我国目前综采工作面开机率平均为 50%左右。支架大修周期为产煤量在 45Mt 左右。 2.支护性能参数的差距 发达国家在设计指导思想方面大多主张大马拉小车，支架的工作阻力与支护强度普遍较大。工作阻力一般都在 7000KN 以上，最高达到 10000KN，而我国目前支架的工作阻力与国外相比普遍偏低，平均在 40005000KN，相差 30%左右。另外，国外支架中心距普遍采用 1.75m，个别达到 2m，我国支架中心距绝大多数为1.5m。3. 结构件材料的差距 目前国外 s700800MPa 的钢材以广泛应用，而我国普遍使用的是 s450MPa 以下的钢板，相差 30%40%。4.控制系统方面的差距 目前世界上一些发达国家支架的控制系统已广泛采用电液控制系统，而我国目前很少采用电液控制，绝大部分为手动。液压支架的发展趋势：液压支架的发展趋势：1.提高支架的可靠性，另外加大支架的中心距也是必然趋势；2.二柱支架将是主导架型，目前我国的四柱支架要比二支柱支架数量多，相比较而言二柱支架具有明显的优势；3.采用大采高支架；4.电液控制系统是液压支架发展的方向；三、毕业设计（论文）所用的方法本次设计，是本人按照导师的要求，结合自己的兴趣爱好，通过收集大量的理论资料，在参加生产实习的基础上，自主完成的毕业设计。其中，在设计过程中顶梁、立柱和结构件是设计的重点。在整体设计时，重要尺寸选择用到了优化设计法，体现了经济性要求。另外，本论文还介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，液压支架的维护和管理，及其常见的故障及排除方法。目的是通过对掩护式液压支架进行深入细致的了解和研究，在一定的理论基础上，结合实践认识，巩固所学知识，完成自主实践与创新。在设计过程中遇到的问题我们一般通过自己查阅资料和小组讨论的方式解决，如确实有不能解决的问题我们就通过请教指导老师，争取解决在毕业设计过程中所有问题。四、主要参考文献与资料获得情况参考文献：1张家鉴 主编液压支架煤炭工业出版社 19852张家鉴主编国外采煤工作面综合机械化设备煤炭工业出版社 1983 3戴绍诚 主编高效高产综采机械化采煤技术与装备煤炭工业出版社 19974武同振 赵宏珠 吴国华 编综采综采综掘高档普采设备选型配套图集中国矿大出版社 19935杨振复 罗恩波 主编放顶煤开采技术与放顶煤液压支架煤炭工业出版社 1995 年 7月第一版6. 邢福康 编煤矿支护手册煤炭工业出版社 1992五、指导教师审批意见谢谢谢谢朋友朋友对对我文章的我文章的赏识赏识，充，充值值后就可以下后就可以下载载此此设计说设计说明明书书（不包含（不包含CAD 图纸图纸）。我）。我这这里里还还有一个有一个压缩压缩包，里面有相包，里面有相应应的的 word 说说明明书书（附（附带带：外文翻：外文翻译译）和）和 CAD 图纸图纸。需要。需要压缩压缩包的朋友包的朋友联联系系 QQ 客服客服1： ：1459919609 或或 QQ 客服客服 2： ：1969043202。需要其他。需要其他设计题设计题目直接目直接联联系！系！ 指导教师： （签名）年 月 日 4掩护式液压支架掩护式液压支架中文摘要中文摘要采煤综合机械化，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。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。设计要遵从支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。在掩护式液压支架的设计过程中，整体伸缩式顶梁和立柱的设计是重点。本论文介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，目的及要求，对支撑掩护式液压支架作了详尽的分析和介绍，讲述了这种支架的方案和用途。关键词关键词：液压支架 支护 四连杆机构5ABSTRACTHydraulic SupportThe comprehensive mechanization of coal mining is the acceleration coal industrial development of our country , raises labor productivity substantially , realizes the modern a strategic measure of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining. Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle. In the design course that the type of supports cover type, the design of 4 linkage mechanism ，base ，structural member is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support. Keyword: hydraulic support shoring 4 linkage mechanisms6目录目录前言前言.4 4第一章第一章 绪绪 论论.6 61.1 液压支架的工作原理 .61.2 液压支架的工作过程 .61.3 支架组成 .81.4 液压支架主要结构件及其作用 .81.4.1 顶梁.81.4.2 掩护梁.91.4.3 底座.91.4.4 前后连杆.101.4.5 推移机构.121.5 液压系统及其控制元件 .121.6 支架的设计特点 .13第二章第二章 液压支架的结构设计液压支架的结构设计.14142.1 主要原始设计参数 .142.2 液压支架的选型 .142.2.1 不同结构类型的液压支架比较.142.2.2液压支架的架形选择原则.152.2.3影响架形选择的因素.162.3 液压支架的整体结构尺寸的设计 .172.3.1 支架的高度和伸缩比.172.3.2 支架间距.182.3.3 底座长度.182.4 四连杆机构的作用和四连杆机构设计 .182.4.1 四连杆机构的作用.182.4.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定.192.4.3 四杆机构优选设计法.222.5 液压支架的总体布置 .362.5.1 设计要求 .362.5.2 支架整体机构尺寸的确定.36第三章第三章 液压支架主要零部件的设计液压支架主要零部件的设计.444431 顶梁 .44311 掩护式支架顶梁结构形式 .44312 顶梁结构和断面形状 .4432 立柱 .453.2.1 立柱参数的确定 .463.2.3 主要参数的确定 .483 .3 拟定液压系统.527第四章第四章 支架的受力分析与强度计算支架的受力分析与强度计算.54544.1 支架的工作状态 .544.1.1 顶板状态 .544.1.2 支架工作状态 .544.1.3 支架受力 .544.2 支架载荷的确定 .5443 支架的受力分析 .554.3.1 铰接式顶梁掩护支架受力分析.554.3.2各主要参数的影响.574.3.3主要部件的强度校核.594.4 顶梁载荷分布 .634.5 支护强度和底座接触比压 .644.5.1 支护强度 .644.5.2 底座接触比压 .644.5.3 支护效率.6546 立柱强度验算 .654.6.1 油缸的稳定性验算 .654.6.2 活柱强度验算 .67第五章第五章 液压支架的使用和维护液压支架的使用和维护.70705.1 液压支架的使用操作 .705.1.1操作前的准备.705.1.2操作方式与顺序.705.1.3支架使用中的注意事项.715.2 液压支架操作维护要求 .725.3 维护和管理的具体内容 .735.4维修与管理注意事项.74结结 论论.7676致致 谢谢.7777参参 考考 书书 目目.7878附录 液压支架常见故障、原因及排除方法 798前言前言著名诗人陆游说过“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！”作为当代的大学生，特别是象我们这样实践性很强的工科专业机械设计制造及其自动化的本科生，我想大家都深深理解这句话的含义。我们毕业设计的意义也在如此。毕业设计是对我们大学四年所学知识的系统总结和综合运用，同时也是对我们分析问题和决绝问题的能力的检验。它是我们大学生活的最后一环，也是我们大学学习最为重要的一环。因此，认真的作好这次毕业设计，无论是对于我们步入社会，投身于生产一线；还是以后继续深造都有着非常重要的意义。毕业设计，是我们大学本科生活的完美结束，也是我们美好新生活的开始！毕业设计的目的：通过本次毕业设计，我们能够达到以下目的：1， 培养我们综合运用和巩固扩展所学知识，提高理论联系实际的能力；2， 培养我们收集、阅读、分析和运用各种资料，手册等科技文献的能力；3， 使我们更加熟练的运用 AUTOCAD、Word 等计算机办公软件，提高计算机辅助设计的能力；4， 训练和提高机械设计的基本理论和技能；5， 培养独立思考，独立工作的能力；6， 培养我们的团队合作意识。我的毕业设计是关于经济型掩护式液压支架的设计。液压支架是综合机械化采煤的关键设备，对于提高采煤效率，降低成本，改善作业环境，减少笨重的体力劳动具有举足轻重的作用。其中，掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合我国特点于 1968 年首先研制成功的。它保留了垛式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用单排立柱支撑顶梁（或顶梁于掩护梁）的结构；具有防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座。因此，加深掩护式液压支架的设计和研究具有深远的意义。整个毕业设计已接近尾声，我们所忙碌的成果即将接受检验。我相信，有耕耘，定有收获；有付出，定会有回报。最后，感谢各位评阅老师在百忙之中评阅本文。由于时间仓促，本人水平有限，难免有错误和不足之处，敬请各位老师指正与赐教。9第一章第一章 绪绪 论论液压支架作为煤矿长壁综采工作面的关键设备，近年来得了迅速地发展，它与综采系统中的“三机” （ 刮板输送机、转载机、带式输送机）配合使用，是煤矿开采技术现代化的重要标志。液压支架是综采工作面主要设备之一，近 10 年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距(175m、2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高。在综合机械化采煤过程中，液压支架担当着极其重要的角色，其主要功能不仅用于支撑管理顶板，隔离采空区，维护采煤作业空间，并能自行前移，推进采煤工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。另外，合理的选用采煤设备并结合先进的采煤工艺，可解决采煤工作面的采煤支护运输等生产环节之间的矛盾，可有效地提高工效增加成本减少损耗保护生产人员和设备的安全，以及减轻笨重的体力劳动，可为煤矿获得很高的经济效益。1.11.1 液压支架的工作原理液压支架的工作原理 液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液（这里采用水包油型乳化液）作为动力，由液压操作系统，控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高压乳化液，经主进液管送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循环使用。支架的承载原理是：液压支架支撑在综采工作面的顶底板之间支撑顶板。顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将压力传递底板。为保证支架结构件的强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板压力超过立柱安全阀限定压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板压力下降到立柱工作阻力时，安全阀关闭进行保压承载。1.2 液压支架的工作过程液压支架的工作过程 液压支架对顶的作用过程主要取决于流体静力学原理工作的立柱工作过程。现以图 1-1 所示的典型立柱控制系统来说明支架的工作过程。支架操作的基本功作过程为：急增阻阶段，缓增阻阶段，恒阻阶段，无作用阶段四个阶段。图图立柱控制系统立柱控制系统10立柱；安全阀；液控单向阀；操纵阀；P高压管路；O回液管（1）泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段操纵阀手把置于 A 位，从泵站来的压力液经高压管路 P，打开液控单向阀 3 进入立柱下腔，立柱上腔与回液管 O 连通，因而活柱伸出使支架升起接顶，对顶板产生支撑力。支架接顶后，泵压使下腔内的液体压强迅速上升，支架对顶板支撑力急剧增加。这就是支架对顶板的急增阻阶段。（2）闭锁承载，支架对顶板缓增阻阶段操纵阀手把放回零位后，立柱下腔内的压力液被液控单向阀闭锁，不能流出，从而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板逐渐下沉，立柱下腔内的液体受到进一步压缩，压强逐渐增高，使直接对顶板产生更大的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉，一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架对顶板的支撑力增长也就相应缓慢，所以这个阶段被称为支架对顶板缓增阻阶段。（3）溢流承载，支架对顶恒阻阶段顶板继续下沉，立柱下腔内的压强继续升高，当达到立柱安全阀的调定值时，安全阀便开启溢流，使立柱下腔内的压强保持定植，从而支架对顶板的支撑力不变，即支架处于对顶板恒阻阶段。（4）解锁降柱，支架与顶板无作用阶段采煤机截煤后，欲将支架移到新的位置，首先把操纵阀手把置于 B 让从泵站来的压力液进入立柱上腔，同时作用于液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解除对立柱下腔液体的闭锁，允许其回到回液管。这时，活柱缩回，支架降落离开顶板，支架对顶板无压力。在这一阶段如要保证顶梁平行下降需协调操纵平衡千斤顶操纵阀。需要说明，目前为了防止破碎顶板漏顶，掩护式和支撑掩护式支架可以采用擦顶带移架方式，即支架顶梁实际并不脱离顶板，在移架过程中仍保持约每柱五吨左右的支撑力。因而，对于擦顶带压移架方式，此阶段应是解锁卸载，支架对顶板仍有轻微作用力。1.3 支架组成支架组成液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。（1）金属结构件主要有顶梁、掩护梁、前梁、前连杆、后连杆、底座、侧护板、护帮板等。（2）油缸主要有立柱、推移千斤顶、平衡千斤顶、侧护千斤顶、前梁千斤顶等。（3）液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀等及液压辅助元件等。1.41.4 液压支架主要结构件及其作用液压支架主要结构件及其作用1.4.1 顶梁顶梁顶梁采用整体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。结构如图 1-2 所示：11图图12顶梁顶梁其主要作用是：（l）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（刚性顶梁铰接式前梁） ，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。1.4.21.4.2 掩护梁掩护梁 1煤尘控13245制装置； 2侧护板；3前连杆耳座；4后连杆耳座； 5侧推千斤顶；图图13掩护梁掩护梁掩护梁分别与顶梁和前、后连杆连接，其主要作用有：(1) 承受上部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；(2) 掩护梁与前后连杆、底座形成四连杆机构，保证支架的稳定性；(3) 阻挡后部落煤，维护工作空间。1.4.31.4.3 底座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。底座结构如图 1-3 所示121推移千斤顶耳座； 2立柱销孔；3前连杆销孔；4后连杆销孔； 5侧板；图图14底座底座其主要作用是：(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。1.4.41.4.4 前后连杆前后连杆前、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、夹杂等，以免降低强度，嫌少使用寿命。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，这里采用整体式。前后连杆的结构如图 15，图 16。13图图15前连杆前连杆8、9AA108、96、7534211连杆 2侧护板 3弹簧导向装置 4千斤顶螺钉 5压缩弹簧 6、8销 7、9弹簧销 10千斤顶图图16后连杆后连杆其主要作用是：（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。本支架采用正四连杆机构，为使冒落矸石不从连杆处涌入支架内，后连杆为整体式，前连杆为分体式。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。141.4.51.4.5 推移机构推移机构图图17推移框架推移框架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1.51.5 液压系统及其控制元件液压系统及其控制元件支架液压系统由乳化液泵站、主进、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。 1.61.6 支架的设计特点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，使用 ZY2400/17/30 二柱掩护式支架的成功经验，本架型应有如下特点：（1）支架型式为：带机械加长的两柱掩护式薄煤层液压支架；（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；15（5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度；（7）采用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座，以增加支撑力，增强支架的稳定性。第二章第二章 液压支架的结构设计液压支架的结构设计2.1 主要原始设计参数主要原始设计参数 架型 ：ZY2000/14/26 经济型液压支架 顶板条件：老顶级，直接顶 I 类 工作阻力：2000kN 支架高度：1.42.6m 推溜力：100kN 拉架力：150kN 泵站压力：32Mpa 适应煤层倾角：15 度2.22.2 液压支架的选型液压支架的选型2.2.12.2.1 不同结构类型的液压支架比较不同结构类型的液压支架比较根据以往液压支架设计的经验总结，考虑到不同架型和机构的支架围岩力学相互作用、支撑力矩、底板比压等特点，可以对掩护式与支撑掩护式结构进行比较。（1）液压支架的力学特征综述（见表 2-12）表表 2 21 1 不同结构液压支架的力学特征比较不同结构液压支架的力学特征比较支架型式结构特征主要力学特性支掩式二支柱掩护式支架承载力较小，底板比压均匀，主动水平力较大掩护式支顶式二柱支顶掩护式支架承载力大，稳定性好，底座尖端比压较大，对顶板的主动水平力较大，前端支撑力大16支顶支掩四柱（或三柱）稳定性好，抗水平力强，比压均匀，但支柱能力利用率低支撑掩护式支顶式四柱 X 型顶梁合力调节范围大，伸缩比大，承载力高（2）支架选型要素及简要评价。液压支架结构选型必须考虑的要素及对各类型支架的评价（见表 22）表表 2 22 2 支架类型评价（见下页）支架类型评价（见下页）支架类型支撑式要素插底掩护式一般掩护式支撑掩护式垛式节式直接顶冒落倾向优良良差差基本顶周期来压差良优优良底板压入倾向良差优优优防煤壁片帮优良优差差通风断面差良良差差顶梁前端支撑力优良良差差顶梁后段切顶性差良优优优对顶板遮盖率优优优差差隔绝采空区能力优优优差差横向稳定性良优优差差对采高适应性良优优差差支撑效率差良优优优支护强度良良优优优支架围岩适应性对倾角适应性良优良良差2.2.2液压支架的架形选择原则液压支架的架形选择原则 在选择液压支架时既要保证对工作面顶板实现可靠的支撑，又要避免过大的设备投资，导致不必要的浪费。因此，液压支架的正确选型对于工作面经济效益关系重大。液压支架架形的选择，主要取决于液压支架的力学性能是否适用矿井的顶底板条件和其它地质条件。在同时允许选用几种架形时，应优先选用价格便宜的支架，支承式支架最便宜，其次为掩护式。支承式支架适合于稳定顶板。掩护式支架适合于中等稳定和一般破碎的顶板。支承掩护式支架适合于周期来压强烈，中等稳定和稳定顶板。在综采工作面支架选型时，还应注意下述四点原则：(1) 对于不稳定和中等稳定顶板，应优先选用二柱掩护式支架。但在底板极松软条件下，必须17严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷强度。在此条件下，通常应避免使用重型支架。 (2) 对于非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，应优先考虑选取四柱支撑掩护式支架。(3) 众所周知，三点决定一个平面，由于顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实际支撑力很低，因而二柱式掩护支架支撑能力利用率高于四柱式。即二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架，特别是对机道上方顶板的支护强度。（4）在不稳定顶板条件下使用四柱式支架应注意对机道上方的顶板控制，包括增加前任阻力及可伸缩前梁等。2.2.3影响架形选择的因素影响架形选择的因素液压支架的选型受到矿井的煤层、地质、技术和设备条件的限制，因此，以上因素都会影响到支架的选型。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，由表 3-1-5 见综采技术手册 （上册）中直接选出架型。（1）煤层厚度 当煤层厚度超过 2.5m，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不用支承式支架,而采用掩护式或支撑掩护式液压支架。 当煤层厚度达到 2.5m2.8m 以上时，需选择带有护帮装置的掩护式或支承掩护式支架。 煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。 假顶分层开采，应选用掩护式支架。（2）煤层倾角 煤层倾角18时，应选用同时带防滑防倒装置的支架。（3）底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许比压。 为使移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。(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，并选用通风端面较大的支承式或支承掩护式支架。(5) 煤层硬度当煤层为软煤层时，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；硬煤层时，支架最大采高1.6,故应选双伸缩立柱或带机械加长杆的单伸缩立柱。考虑到伸缩比不太大，以及设备成本拟选择机械加长杆的单伸缩立柱。2.3.22.3.2 支架间距支架间距 支架间距 B 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，因此主要根据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，我国刮板输送机溜槽每节长度为 15m，千斤顶连接块的位置在溜槽中长的中间，所以除节式相迈步式支架外，支架架间距一般为 15m。2.3.32.3.3 底座长度底座长度 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；使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度是35 倍的移架步距(一个移架步距为 o6m)，即 21m 左右。故初选底座长度为 2.1m。2.42.4 四连杆机构的作用和四连杆机构设计四连杆机构的作用和四连杆机构设计2.4.12.4.1 四连杆机构的作用四连杆机构的作用具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践考验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了支撑式支架稳定性和力学持性的缺陷，成为液压支架技术发展史上的一个重要里程碑。 四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性；承19受和传递外载；保持支架的整体刚度。因此，对液压支架的研究常常离不开对四连杆机构的研究和认识。下面通过对液压支架的运动过程进一步分析四连杆机构的特性和作用。支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁交点 E 的轨迹所决定。根据机构运动学分析，E点的运动轨迹一般为一条双纽线，如图 21 所示。合理设计四连杆参数，即可控制 E 点的运动轨迹，改善支架支护性能，减少连杆受力。图图21支架四连杆机构的运动轨迹支架四连杆机构的运动轨迹支架在最大高度和最小高度范围内运动时，E 点的运动轨迹呈 3 种形式：双向摆动(ABCD 段)、单向向后摆动(BC 段)和单向向前摆动(AB 段和 CD 段)。选择不同的四连杆参数可以使 E 点轨迹处于上述 3 种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当 E 点轨迹处于 AB 段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当 E 点轨迹处于 BC 段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数使支架工作段内，E 点轨迹处于 AB 段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使 E 点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度3070mm。液xE压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件，不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。2.4.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特性来确定。其四连杆机构的几何特性如下：(1) 支架从最高高度降到最低高度时，如下图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。20图图22四连杆机构几何特征图四连杆机构几何特征图(2) 掩护梁上铰点到顶梁顶面之距离 H 和后连杆下铰点至底座底面之距 Y 如图 22 所示，0当支架高度确定后，要用作图法确定四连杆机构，首先要根据配套尺寸 L (此处 L 3130mm)。aa初步确定顶梁长度 L和底座长 L 然后确定顶梁与掩护梁铰点相对于后连杆下铰点的水平距离，fe该铰点至顶梁顶面距 H 和后连杆下铰点的高度 Y 。0H 一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，在根据结构的合理性确定，一般支架2距 H 150200mm，重型支架可取 H 210260mm。对于经济型液压支架此处取 H 2 =100mm.22Y 一般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取 Y 150250mm ，对中厚煤层支架取00Y 250450mm；对大采高支架取 Y 450600mm。对于经济型液压支架此处取 Y0 =100mm.00(3) 支架最大和最小高度时掩护梁与水平夹角 A和 Amaxmin掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离采空区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四连杆机构，这对保持支架围岩力学状态的稳定有着显著的作用。其主要表现是：掩护梁载荷参与顶梁的力矩平衡，提高了梁端承载能力；支架受到一个指向煤壁的水平推力，当支架处于支护工况时，有阻止顶板岩体向采空区移动的作用，而当处于移架工况时，有利于克服架体各方面的摩擦力，增强架体运动的稳定性。掩护梁水平投影过大，将增大掩护梁载荷，并承受顶板岩块的冲击载荷，而掩护梁载荷过大将减小顶板支护强度，造成移架困难。一般掩护式支架取 A 52 62 ；支撑掩护式支架取 A 60 70 。maxmax21在支架最小支护高度时，为有利于矸石能沿梁体下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，即满足 tan AW，其中 W 为岩石与钢的静摩擦因数，一般为 0.150.3。一般为min偏于安全取 w=0.3。(4) 掩护梁与后连杆长度比的确定在用作图法确定四连杆机构时，杆长比主要根据设计经验确定，一般应保证 A 5 ，使后连0杆在第一象限内摆动。根据近百种支架的统计，掩护梁与后连杆的长度比（L L ）/L ，对bcd两柱掩护式支架一般为 0.91.2，对四柱支撑掩护式支架一般为 1.21.8。 掩护梁与前后连杆铰点间的距离可根据支架高度及连杆销子直径确定，一般取 300500mm，前后连杆间夹角越大，连杆力越小。5支架工作段要取曲线向前突的一端，如上图所示的 H 段。其原因是当顶板来压时，立柱让1压而下缩。使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，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动。使整个支架产生顺时针方向转动的趋势，从而增加了前梁断部的支护力，防止顶梁前断顶部冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应的减小，由于支架所承受的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁受力。从以上的分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连机构时曲线运动轨迹应尽量使支架的工作段要取曲线向前突的一段，所以当掩护梁和后连杆长度已知后，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。2.4.32.4.3 四杆机构优选设计法四杆机构优选设计法 目标函数的确定根据附加力对液压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。而支架在某一同高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。四杆机构的几何特征如下图 2-3 所示2图 2-3 四杆机构的几何特征图22 （1）支架在最高位置时：p1=52-62,即 0.91-1.08 弧度;Q1=75-85, 即：1.31-1.48弧度。(2) 后连杆与掩护梁的比值,掩护式支架为 I=0.45-0.61;支撑掩护式支架为 I=0.61-0.82。(3)前,后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为 I1=0.22-0.3。（4）e点的运动轨迹呈近似双曲线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度 e70mm 最好在30mm 以下。（5）支架在最高位置时的 tg值应小于 0.35,在优化设计中，对掩护式支架最好应小于 0.16，对于支撑掩护式支架最好应小于 0.2。四杆机构各部尺寸的计算 四杆机构各部参数如图 2-5 所示，图中的 H1为支架在最高位置时的计算高度。令=A ; 2o a=B; =C; =D; =E; =G; =F; =S; =L; =I; =I; tg=U.abbccd2o dae e b1JOjeAGabaeSL(1)后连杆与掩护梁长度的确定 如图 2-5 所示，当支架在最高位置时的值确定后，掩护梁长度 G 为：1H 111H G=sin(p )sin()IQ后连杆长度 A= IG前后连杆上铰点之距为：B=1 I G前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距为: FGB从以上各式，可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对各变量规定相应的步长如下： P1 的步长为 0.34 弧度；23 Ql 的步让为 0.34 弧度， I1 的步长为 0.02； I 的步长；掩护式支架为 0032；支撑掩护式支架为 0042。 古上述四个变量各向前迈出五步，经排列组合使得到 625 组 A、B、F、G 的参数值。 何 何 何 何 何 何 何 何 何 (2)后连杆下饺点至坐标原点之距为 E1,如上图所示。 111 EcoscosFPAQ (3) 前连杆长度及角度的确定 当支架高度变化时,掩护梁上铰点 e的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽度和角尽量小，可把 e点的运动轨迹视为理想直线，当然实际并非如此。但是，我们可以做到当支架高度变化时，有三点在这条直线上如图 325 所示，即：支架在最高和最低以及中间某一位置的三点。当支架的最高和最低位置确定后，在直线上的最高和最低点就确定了。根据设计经验，当e点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连汗与掩护梁的夹角由大于 90 度到小于 90 度变化，在夹角变化过程中， 一定有一位置使后连杆与掩护粱处于垂直状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位置的点。（a）点的坐标1b 当支架在最高位置是的计算高度为，此时点的坐标为：1H1b 11111cos()sin()xFPyHFP （b）点的坐标2b 支架在最低位置时的计算高度为，此时点的坐标为：2H2b24 22222cos()sin()sin()xFPyBPAQ根据四连杆机构几何特征要求，支架降到最低位置时，为计算方便，令22530Q，即 0.436 弧度。225Q根据几何关系为:2P 2212212cos(cos()GEAQParctgEAQ(c) 点坐标3b 当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，点的坐标为：3b33333cos()sin()sin()xFPyBPAQ 式中由下式进行计算。3P 13222133()22EAParctgarctgGGAEQP （d）c 点坐标 根据图 2-6 所示，支架在三个位置时四杆机构几何关系确定后，c 点就是过、这三点1b3b2b的圆弧的圆心。所以，为前连杆的长度。因此，可以用圆的方程求得前连杆的长度。123cbcbcb即： 2211()()ccCxxyy 上式中、为 c 点的坐标，可以按下列方程联立求得；cxcy 令 2222113322223322222231312222232331233123()()()()()()()()2()()()()ccccccccxxyyxyyyxxyyxxyyMxxyyNxxyyTxxyyyyxx 联立上式可得：25 23313123()()()()ccM yyN yyxTN xxM xxyT则由以上各式可得前连杆的长度为： 2211()()ccCxxyy（4）前连杆下铰点的高度和前连杆下铰点在底座上的投影距离 当前连杆 c 点的坐标确定后，D 和 E 的长度为： 1ccDyEEx四杆机构的优选4 按上述方法可以求出 625 组四杆机构尺寸，并非所有值都可以用，故要优选。约束条件是根据值的要求和支架的结构尺寸关系，对国内外现有支架的调查统计得出来的。约束条件如下：tg（1）前后连杆的比值范围 根据现有支架调查统计，前后连杆的比值范围0.9 1.2CA（2） 前连杆的高度不宜过大，一般应使15HD （3） E 的长度，一般应使。14.5HE （4） 对掩护式支架应使，对支撑掩护式支架tg 0.160.2u 瞬心位置何 值按下面的方法计算。 tg 如图 2-7 所示，为支架在最高位置是的几何关系。26 （a）点坐标为即（1.135,1.016）1a44(,)xy111(cos,sin)EAQ AQ (b) 点坐标为 即（0.937,0）2o55(,)xy1(,0)E (c) 直线的斜率 1cb1111.320.4032.6810.8850.543ccyyKxx （d）直线的斜率 21o a452451.10605.861.1350.937yyKxx 由于、在同一条直线上，因此，和直线的斜率相同，所以c1b1o1cb1 1bo 61161yyKxx 同理： 64261yyKxx 联立上述两式可得： 1 112446121.369k xyk xxxkk 则： 61611()yk xxy 令： 66LxSHy 则： | |StgUL 四杆机构优化设计程序编写根据以上约束条件和计算式子，写出程序流程图如下所示：27 图 2-8 程序流程图（1）具体程序如下，此 C 语言程序可在 WINDOWS 环境下的编辑器下运行。#include #include main() float h1,p1,q1,i1,i,q2,s1; float g,a,b,f,e1,x1,y1,p2; float x2,y2,p3,q3,x3,y3,m,n,t,xc,yc,c,o; float w,w1,w2,w3,w4,w5; float d,e,x4,y4,x5,y5,c1,k1,k2,x6,y6,l,s,u; FILE *fp; fp=fopen(list.h,w+); h1=2.4; q2=0.436; for(p1=0.85;p1=1.08;p1=p1+0.034) for(q1=1.31;q1=1.48;q1=q1+0.034) for(i=0.45;i=0.61;i=i+0.032)28 for(i1=0.22;i1=0.3;i1=i1+0.02) g=h1/(sin(p1)+i*sin(q1); a=i*g; b=i1*g; f=g-b; e1=g*cos(p1)-a*cos(q1); x1=f*cos(p1); y1=h1-f*sin(p1); w1=e1+a*cos(q2); s1=g*g-w1*w1; if(g*g-w1*w1)0) w2=0; else w2=sqrt(g*g-w1*w1); p2=atan(w2/w1); x2=f*cos(p2); y2=b*sin(p2)+a*sin(q2); if(g*g+a*a-e1*e1)0) w3=0; else w3=sqrt(g*g+a*a-e1*e1); p3=1.57-atan(a/g)-atan(e1/w3); q3=1.57-p3; x3=f*cos(p3); y3=b*sin(p3)+a*sin(q3); m=x3*x3-x1*x1+y3*y3-y1*y1; n=x2*x2-x3*x3+y2*y2-y3*y3; t=2*(x3-x1)*(y2-y3)-(y3-y1)*(x2-x3); xc=(m*(y2-y3)-n*(y3-y1)/t; yc=(n*(x3-x1)-m*(x2-x3)/t; w4=(x1-xc)*(x1-xc); w5=(y1-yc)*(y1-yc); if(w4+w5)0.9)&(o1.2)&(u0)&(dh1/5)&(eh1/4.5) printf(p1=%f,q1=%f,a=%f,b=%fn,p1,q1,a,b); printf(c=%f,d=%f,e=%f,f=%f,c1=%fn,c,d,e,f,c1); printf(s=%f,l=%f,g=%f,i=%f,i1=%fn,s,l,g,i,i1); printf(o=%f,u=%f,d=%f,e=%fnnnn,o,u,d,e); fprintf(fp,p1=%f,q1=%f,a=%f,b=%fn,p1,q1,a,b); fprintf(fp,c=%f,d=%f,e=%f,f=%f,c1=%fn,c,d,e,f,c1); fprintf(fp,s=%f,l=%f,g=%f,i=%f,i1=%fn,s,l,g,i,i1); fprintf(fp,o=%f,u=%f,d=%f,e=%fn,o,u,d,e); 说明：由于采用迭代法进行搜索，计算方案的多少取决于于各优化参数步长的选取，步长越短，可能的方案越多，反之越少，甚至可能漏掉了一些比较好的结果。但步长过短，计算量就会变大，带来复杂的缺点。本次计算采用的步长可使有 625 组数选择，即有 625 个方案可选。但是首次运行没出结果。后决定在不影响支架工作性能的条件下，对其中的一个参数 P1 稍微扩大一下范围（0.91.2 变成 0.851.2） ，运行出一组数据，具体运行计算结果如下：p1=0.884000,q1=1.378000,a=1.034782,b=0.393862c=0.991655,d=0.452725,e=0.531994,f=1.396419,c1=1.064921s=0.217931,l=1.362868,g=1.790280,i=0.578000,i1=0.220000o=0.958323,u=0.159906,d=0.452725,e=0.53199430电算法顶梁前端点双钮线轨迹绘制根据上面四杆机构优化计算结果用以下程序优化参数 Q4(Q4 为支架后连杆与水平面之间的夹角，支架高低变化时，Q485 度25 度，即 1.48 弧度至 0.436 弧度。)并计算出多组 x，y 值。(x 值的变化相当于顶梁前端点与煤壁之距的变化。如果使 Q4 角按间隔0.087 弧度变化，可以计算 30 组 x、y 值。故顶梁端点运动轨迹最大宽度为emax=xmax-xmin。（a）程序流程图：图 2-9 程序流程图（2）（b）具体 C 语言程序如下所示：#include #include main() float h1,h2,q4,x,y,p4,k,j,r; float a,b,c,d,e,g,ex,z,cx,cy; FILE *fp; fp=fopen(newlist.h,w+); h1=2.4; h2=0.9;31 a=1.034782; b=0.393862; c=0.991655; d=0.452725; e=0.531994; g=1.790280; for(q4=0.436;q4=0) cx=k*k*r*r-(k*k+j*j)*(r*r-j*j); z=(k*r+sqrt(cx)/(k*k+j*j); cy=sqrt(1-z*z); p4=atan(cy/z); x=g*cos(p4)-a*cos(q4); y=a*sin(q4)+g*sin(p4); if(yh2) printf(nx=%f,y=%fn,x,y); fprintf(fp,x=%f , y=%fn,x,y); 运行结果如下：x=0.950737 , y=0.833340 x=0.946599 , y=1.021055x=0.941912 , y=1.161735x=0.937991 , y=1.278957x=0.935097 , y=1.381429x=0.933236 , y=1.473501x=0.932334 , y=1.557710 x=0.932287 , y=1.635684x=0.932972 , y=1.708537x=0.934260 , y=1.77707132x=0.936014 , y=1.841887x=0.938094 , y=1.903446x=0.940349 , y=1.962116x=0.942621 , y=2.018194x=0.944741 , y=2.071928x=0.946527 , y=2.123526x=0.947781 , y=2.173170 x=0.948281 , y=2.221019x=0.947785 , y=2.267216x=0.946014 , y=2.311891x=0.942652 , y=2.355165x=0.937331 , y=2.397150 x=0.929620 , y=2.437950 x=0.918999 , y=2.477664Ex=0.032运行结果使顶梁端点运动轨迹最大宽度为emax=xmax-xmin0.032m32mm，这说明四杆机构优化设计结果是可用的。根据以上两个优化设计程序运算结果，对其中个别参数修正列出指主要结构参数如下表 23 所示：表 23输入输出标识符号说明结果 H1支架最高位置的计算高度 2400mm输入H2支架最低位置的计算高度1200mm Utg 值（掩护梁与顶梁铰点至瞬心和底座平面夹角为） 9.1 度 Q1支架最高位置时，后连杆与底座平面夹角79 度 A后连杆长度 1035mm B前，后连杆上铰点之距394mm C前连杆长度 1082mm D前连杆下铰点高度 453mm E前，后连杆下铰点在底座上的投影之距 540mm F前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距 1396mm输出 G掩护梁长度 1790mm33 P1支架最高位置时，顶梁与掩护梁夹角 51 度 C1支架最高位置时，前连杆与底座平面夹角 64 度 EX顶梁端点运动轨迹最大