液压支架总体与底座的设计

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。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2.4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。支撑力较小,切顶性能差,但由于顶梁短,支撑力集中在靠近煤壁的顶板上,所以支护强度较大、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。其因此本设计设计这类掩护式液压支架。1 绪论1.1液压支架现状及发展趋势1.1.1 液压支架现状液压支架的设计、制造和使用,从1954年英国研制成功了液压支架发展到现在,已经基本成熟,它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。从液压支架的形式来看,由支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看,有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看,有薄煤层液压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架,其中厚煤层液压支架又分煤层一次采全高液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状来看,由过去的手工设计、制造和使用发展到全部计算机程序设计。总之,随着时代的发展和进步,液压支架设计、制造和使用,将越来越完善、安全、可靠。我国液压支架经过30多年的发展,尽管取得了显著的成绩,在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产超万吨的记录,但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几,有些地方特别是特厚煤层用的放顶媒支架,铺网支架,两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处,但国产液压支架技术含量偏低,电液控制阀可靠性差,所用钢材的耐压能力一般为16MPa,最好的屈服极限才700MPa,液压系统压力在35MPa以下,流量在200L/min以,供液管直径2535mm,回液管直径2550mm,最快移架速度为1012s/架,工作阻力更是相对较低。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀,推移千斤顶装有位移传感器,采煤机装有红外线传感装置,立柱缸径超过400mm,为减少割媒时间,一般采用0.81m截深。支架还采用屈服强度8001000MPa的钢板,既有较高的强度、硬度和韧性,又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加,为适应快速移架的需要,国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站,其额定压力为4050MPa,额定流量400500/min可实现工作面成组或成排快速移架,移架速度达到68s/架。美国是世界上最先进的采煤国家,澳大利亚液基本上采用一井一面的高度集中化生产,使用两柱掩护式液压支架,支架的平均 工作阻力为7640KN,英国液大力发展两柱掩护式液压支架,工作阻力有了很大提高,达到60008000KN1.1.2 液压支架的发展趋势目前国外在液压支架的设计、制造和使用中,新产品在不断的改进和研制中,下面做简单介绍。1) 前连杆设油缸的液压支架2) 沿顶板移架的液压支架3) 适应特种条件下的液压支架(1) 特厚煤层一次采全高液压支架(2) 新型放顶煤液压支架(3) 水采支架(4) 重型支架(5) 新型端头支架(6) 大倾角工作面支架4) 液压支架结构设计方向(1) 轻型化(2) 标准化(3) 材质强化(4) 高压化5) 操纵自动化能适应无人采煤工作面的需要,设计远程操作的新型全自动液压支架。今后,握我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快和电液控制阀的方向发展,对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力,尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构,并减少千斤顶数量。另外,将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/min的高压大流量乳化液泵站,以适应快速移架的需要：系统采用环形或双向供液,保证支架有足够的压力达到初撑力,保证支架接顶位置准确。两柱掩护式支架的比重将大大增加,缸的直径将增至360mm,端头支架,轻放多用途支架将被广泛采1.2 液压支架的组成、分类及支护方式1.2.1 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。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。4 辅助装置,如推移装置、护帮装置、伸缩梁装置、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。1.2.2 液压支架的分类液压支架的种类很多,但其基本功能是相同的。1) 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、掩护式和支撑掩护式 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Figure 1-1Cover-hydraulic support structure Figure 1-2 Support for the cover of the hydraulic support structure2) 液压支架按在采煤工作面的安置位置分,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所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分,可分为三种基本类型,即：支撑式、掩护式和支撑掩护式。 支撑式支架,支撑式支架是出现最早的一种架型,按其结构和动作方式的不同,支撑式支架又分为垛式支架图1-3 a和节式支架图1-3 b两种结构型式。垛式支架每架为一整体,与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由23个框节组成,移架时,各节之间互为支点交替前移,输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差,现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长,其长度多在4m左右；立柱多,一般是46根,且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平平推力和防止矸石窜入支架的工作空间。支撑式支架的支护性能是：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；抗水平载荷的能力差,稳定性差；护矸能力差,矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。由上可知,支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压,且水平力小的条件。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。 垛式支架 节式支架图1-3支撑式支架结构形式Figure 1-3 Support stent structure 掩护式支架如图1-1,其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。 它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间,其掩护梁的上端与顶梁铰接,下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构,以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少,除少数掩护式支架1根立柱外,一般都是一排2根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置,以增加支架的调高围,支架的两侧有活动侧护板,可以把架间密封。通常顶梁较短,一般为3.0mm左右。 掩护式支架的支护性能是：支撑力较小,切顶性能差,但由于顶梁短,支撑力集中在靠近煤壁的顶板上,所以支护强度较大、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。由上可知,掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。 支撑掩护式支架如图1-2,其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此,它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。此种支架的优点是：支撑力大,切顶性能强,防护性能好,通风断面大,稳定性好,应用围广。它的缺点是：结构复杂,成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排,立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常,两排立柱都是直接支撑在顶梁上,个别情况下,也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。 特种液压支架,特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架,在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。1.2.3 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。1.3 液压支架的工作原理及工作特性1.3.1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1-4所示图1-4 液压支架工作原理Figure 1-4 Hydraulic support principle1-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-主回油管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移架移架是由底座上的推移千斤顶来完成的。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。4推溜当需要推运输机时,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,是活塞杆伸出,把运输机推向煤壁。1.3.2 液压支架工作特性图1-5 液压支架的工作特性曲线Figure 1-5 Hydraulic support the work of curve-初撑阶段 -增阻阶段 -恒阻阶段 -初撑力 -工作阻力支架上升时,其支撑力随时间的变化分如下三个基本阶段：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。2 液压支架总体设计2.1 液压支架的选型2.1.1设计的原始条件老顶为级；直接顶为1类；煤层厚度1.92.4m2.1.2架型选择的主要依据和考虑因素1架型选择的依据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。2 架型选择应考虑的因素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2.52.8m 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 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1015时,应设防滑和调架装置,当倾角超过18时,应同时具有防滑防倒装置。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,基本上决定了支架地做的结构和支撑面积。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1.962.16MPa,软底板为0.98MPa左右表2-1支架架型确定参数Table 2-1 stent-type set parameters老顶级别IIIIIIIV直接顶级别12312312344支架类型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑掩护式掩护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支撑式采高小于2.5m时支撑掩护式采高大于2.5m时支架支护强度采高12340.2940.3430.2450.4410.3430.5390.4411.30.2941.30.3430.2451.30.4410.3431.30.5390.4411.60.2941.60.3431.60.4411.60.53920.29420.34320.44120.539应结合深孔爆破,软化顶板等措施处理采空区单体支柱支护强度采高123.0.1470.2450.3431.30.1471.30.2451.30.3431.60.1471.60.2451.60.343按采空区处理方法确定注：括号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。4 瓦斯涌出量 对于瓦斯涌出量大的工作面,支架的通风断面应满足通风的要求,选型时要进行验算。5 地质构造 地质构造十分复杂,煤层厚度变化又较大,顶板允许暴露面积和时间分别在58和20min以下时,暂不宜采用液压支架。6 设备成本 在满足要求的前提下,应选用价格便宜的支架。此外,对于特定的开采要求,应选用特种支架。2.1.3 架型选择ZY2600/17/26掩护式液压支架2.2 液压支架的参数确定2.2.1支架结构高度支架最大结构高度 支架最小结构高度 式中 ,煤层最大、最小采高伪顶冒落的最大厚度,一般取0.20.3m。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0.250.35m。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 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,最大可达1.8；带机械加长杆的单伸缩立柱,一般为2.2左右,最大可达2.5；对于使用双伸缩立柱的支架,其值一般为2.5左右。薄煤层支架可达3。由于,选用单伸缩立柱。2.2.2 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。目前国外液压支架中心距大部分采用1.5m.大采高支架为提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1.25m。因此设计中初取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、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板,侧护板行程一般为170200mm。当支架中心距为1.5m时,最小宽度一般取14001430mm,最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为1.75m时,最小宽度一般取16501680mm,最大宽度一般取18501880mm。当支架中心距为1.25m时,如果顶梁带有活动侧护板,则最小宽度一般取11501180mm,最大宽度一般取13201350mm,如果顶梁不带活动侧护板,则一般取11501200mm。本设计中心距取1.5m。2.2.3配套设备选择综采工作面采煤机、液压支架和输送机之间在性能参数、结构参数、空间尺寸及相互连接等方面,有着严格的配套要求,以保证综采工作面的最大生产能力和安全生产的要求。1 生产能力的配套采煤机是综采工作面的主要生产设备,综采工作面的生产能力主要取决于采煤机的落煤能力。因此,为保证采煤机生产能力的发挥,工作面输送机的生产能力要大于采煤机的生产能力,液压支架移架的速度应大于采煤机的牵引速度。通常与采煤机配套的工作面输送机,液压支架、平巷机、可伸缩皮带机等设备,其生产能力要按采煤机生产能力的120%计算。2 性能配套综采工作面三机性能配套,主要通过设备结构参数的配套来实现,以解决设备性能间互相制约的问题。如采煤机的摇臂长度应大于输送积机尾的长度,这样才能保证采煤机割煤到输送积机尾底座端部。3 几何关系的配套 为便于司机观察和操作,并考虑顶板下沉量的影响,适应顶底板起伏以及煤层变化、机身调斜等情况,使采煤机沿工作面顺利通过,要求支架顶梁和采煤机工作面之间留有足够的空间,该空间高度C称为过机高度,一般C小于150250mm。 采机底托架应有足够的高度,以保证过煤高度E250400mm。 从安全角度考虑,F应愈小愈好,但却受到机器结构参数等因素的约束, 式中 e煤壁与输送机铲板之间的距离。e=100200mm,以防止采煤机滚筒在输送机弯曲段切割铲煤；x立柱倾斜时的水平增距；G输送机宽度,由铲煤机宽度f、输送机中部溜槽宽度S、电缆槽和导向槽宽度a及前柱与电缆槽间的距离b组成；为避免由于输送机偏斜时采煤机截割顶梁、支架梁端与煤壁间应留200400 mm。从前柱到梁端的距离L为 支架工作时的最小支撑高度H为 其中 t顶梁厚度A采煤机机面高度,为采煤机机身高度、输送机高度和底托架高度和其他附属设备的配套煤层倾角大于10时,采用链牵引的采煤机应设置防滑装置；当倾角大于16时应安装防滑绞车,输送机应设置防滑锚固装置,支架也应有防倒防滑和调架装置；而对于大采高工作面设备,煤层倾角大于10时,即应设防滑装置。本设计采用配套 采煤机 340 刮板运输机 2.2.4 四连杆机构的设计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：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。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。同时底板防止底座向后移,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小,防止啃底,有利移架。水平力的合力也相应减小,减轻了掩护梁的外负荷。 四连杆机构的几何特征 图2-11 支架在最高位置时：,即 Figure 2-10.911.08 rad；,即1.311.48 rad。2 对于掩护式液压支架,后连杆与掩护梁的比值I=0.450.61。 3 前、后连杆上铰点距离与掩护梁比值I1=0.220.3 4 e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Ex 支架在最高位置时, 0.35 四连杆机构各部分尺寸的确定。1) 后边杆与掩护梁长度的确定。2) 掩护梁长度 后连杆长度 前、后连杆上铰点的距离 前、后连杆上铰点至掩护梁上铰点的距离 由P1、Q1、I、I1 的组合,可得到多组A、B、F、G的参数值。3） 后连杆下铰点至原点的距离,如图2-2所示。4） 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 图2-2Figure 2-2迹为近似双纽线,为使双纽线最大宽度Ex和角尽量小,可把e点的运动轨迹视为理想直线。当支架高度变化时,有3点在这条直线上,即：支架在最高和最低以及中间某一位置的3点 。 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。根据前人设计经验及研究成果可知,当e点沿理想垂线由最高向最低位置时,后连杆与掩护梁的夹角由大于到小于变化,在夹角变化过程中,一定有一位置使后连杆与掩护梁处于垂直状态,以这一特殊状态为所求的中间位置,来确定直线上的中间点3。a 支架在最高位置时的计算高度为,此时： b 支架在最低位置时的计算高度式中的计算可由几何关系求得： 令 点Y坐标： 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,如果取掩护梁和矸石的摩擦系数,则。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。在特殊情况下需要角度较小时,可提高后连杆下铰点高度；c 当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置关系时, 式中 d 支架在3个位置时四连杆机构的几何关系确定后,c点就是过、这3点的圆弧的圆心。前连杆的长度：式中c点坐标c,可由几何关系求得：令 C点坐标求出后,前连杆长度和角度就可以确定了。4 前连杆下铰点的高度D和前、后连杆下铰点在底座上的投影距离E。 2-31 四连杆机构的优选按上述方法可求出多组四连杆机构尺寸,需按约束条件进行优选,从中选出一组最优值。如图2-31） 约束条件,需满足值的要求和支架的结构尺寸关系a前后连杆的比值围O=C/A=0.91.2b前连杆的高度不宜过大,一般为DE的长度,一般E=U 值的计算方法如下：aa1c直线的斜率： d直线的斜率： 2-33由c、b、O1共线及O2、a、O1共线,可推出： +令 则 2.2.5 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；底座长度的选择也可类比于同类型液压支架的底座；支撑掩护式支架底座长度取4倍的移架步距,即2.4m左右。本设计取底座长度为2200mm。2.2.6顶梁长度的确定1影响顶梁长度的因素支架顶梁长度与配套尺寸有直接关系。同时为防止当采煤机向支架倾斜时,采煤机滚筒不截割顶梁,又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空顶距为300mm。另外,在输送机铲煤板前也留有一定距离,一般为了135150mm。除此之外,所有配套设备包括采煤机和输送机,均要求在顶梁掩护下工作,以此来计算顶梁长度。为防止当采煤机向支架倾斜时,采煤机滚筒不切割顶梁在设计时要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm。先移架后推溜的方式及时支护方式要求顶梁有较大长度；先推溜后移架的方式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600mm。2顶梁长度的计算顶梁长度=配套尺寸lp+底座长度ld+AcosGcos+300+Ex+ 掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点的距离 式中 配套尺寸lp 参考综采设备配套图册确定,mm 配套设备选取如下： 采煤机 ： 340 刮板运输机：则： 其中600mm是采用及时支护方式时所加的尺寸。底座长度ld 底座前端至后连杆下铰点的距离,100mm由类比法,底座长度初取ld=2400 mm+300+30+100= 3028.56 mm经上式计算,顶梁长度取 3030mm,此外应注意采用及时支护方式,即先移架后推溜,因此要求顶梁有较大长度。2.2.7 立柱柱窝位置的确定1上柱窝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板载荷分布一致。但顶板载荷复杂,分布规律因支架机顶梁与顶坂的接触情况而异。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经性规律变化,沿支架宽度方向均匀分布。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向后越来越大,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在顶梁1/3处,取顶梁为分离体,受力情况如图2-4所示：图2-4 顶梁受力分析Figure 2-4 Top Beam Analysis对 A点取矩：= 0 式中 x立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点的距离,m； Lg顶梁长度不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端的距离,m；由顶梁计算可知,Lg =2930 mm立柱工作阻力之和；=2600 kN顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面的距离,100 mm立柱上柱窝中心至顶梁顶面的距离, = 150 mm立柱在最高位置时的倾角,初取支架支护阻力,2 下柱窝立柱下柱窝位置的确定,要有利于移架,使底座前端比压小。同时考虑柱前行人和支架的调高围以及下柱窝与前连杆下铰点的距离,一般按支架在最低工作位置时,立柱最大倾角应小于来考虑,具体计算如图2-5图2-5Figure 2-5 2-38式中 ,取200 mm；=200 mm支架最低位置时,立柱倾角,初取代入数据得 =350.47 mm,取液压支架总体简图如图2-6所示：图2-6Figure 2-62.2.8支架支护面积的确定支护面积 如图2-7所示图2-7 顶梁的支护面积Figure 2-7 Roof beams supporting area式中 l支架顶梁长度,l=3.03 mc梁端距,c=0.3 mB支架顶梁宽度,B =1.4 mK架间距,K=0.1 m故： = 则： 将以上代入式4-46 得801.9,取 800 mm2.2.9 支架理论支护强度和支护阻力确定1理论支护强度支护强度取决于顶板性质和煤层厚度。支护强度可根据下列公式估算： 式中 K作用与支架上的顶板岩石系数,一般取58,顶板条件好、周起来压不明显时取下限,否则取上限；选取K=7H采高,m 顶板岩石密度,一般为2.5 =0.420 MPa考虑到煤层厚度及其它因素,取=0.44 MPa放顶煤支架的支护强度一般为0.50.7MPa。2理论支护阻力支架工作阻力P应满足顶板支护强度的要求,即： kN 式中 F支架的支护面积,可按下式计算 式中 L支架顶梁长度,mC梁端距,mB支架顶梁宽度,mK架间距,m对于支撑式支架,支架立柱的总工作组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 支撑式支架的=100%,支撑掩护式和掩护式支架取80左右。3 液压支架主要部件的设计3.1顶梁顶梁是支架主要承受顶板压力的部件,并起切顶作用。它可多次反复支撑顶板,以利于放煤。顶梁装有侧护板,活动侧装有千斤顶和弹簧,防止架间漏煤、矸及调节支架间距。若四连杆机构与顶梁铰接,要有可靠的铰接支座。3.1.1功能作用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n1.1,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。1 支撑,维护和覆盖顶板,为工作面创造安全的工作空间。2 将立柱的支撑力传递到顶板,并给予合理的分布,对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用,对无立柱空间的顶板起支撑作用。3 为互帮,防到装置等提供依托。4 将顶板载荷通过立柱,掩护梁,前后连杆经底座传到底板。3.1.2结构形式本设计选用整体钢性顶梁,为宽面板式箱型结构件。其特点为：1 在整个控顶长度,顶梁为一整体结构,钢性大,承载能力大。2 结构简单,重量轻,操作方便,造价低。3 一般将顶梁前端设计成向上翘的结构,提高支架前端对顶板的支撑力。本设计在顶梁前端1000mm左右上翘4 由于顶梁较长,对不平顶板或顶板台阶等条件适应性较差。但是由于顶梁长,顶板上合力作用位置发生变化情况下,在顶梁上容易找到新的平衡点,支架仍可以有效支护顶板。3.1.3尺寸确定1 顶梁长度顶梁长度确定见支架总体设计,长度为3050 mm2 顶梁宽度我国规定支架标准中心距为1.5m；掩护式和支撑掩护式支架包括侧护板在的顶梁宽度为1.41.6m左右 顶梁厚度根据支架强度、人行、通风断面、要求,在满足它们的同时适当增大顶梁高度,减少钢材。3.2 掩护梁3.2.1 掩护梁的功能与不动的邻架间保持封闭。掩护梁下部与前、后连杆相连,下端与尾梁铰接,还设有尾梁千斤项的耳座。用于承受部分煤、矸载荷,防止其窜入后输送机的工作空间,保证支架、后输送机正常运行。掩护梁受扭力和横向载荷力大,是十分重要的部件。1 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2 掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩。3 掩护梁和顶梁一起,构成了支架完善的支撑和掩护梯,完善了支架的掩护和挡矸性能。3.2.2 结构型式本设计选用整体直线型,宽面板式箱型结构。其特定如下：1 整体性好,强度大,加工简单,工艺性好。2 用于支顶掩护式支架时,立柱不支在掩护梁上,因而它的受力和结构比价简单3.2.3尺寸确定1 长度由总体设计确定,一般支架高度大,调高围大,要求掩护梁长度长,具体长度在绘制支架总图时按需要取。2 宽度原则和顶梁相同,本设计为1.5m3.3 前、后连杆的设计3.3.1 前、后连杆的功能前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件,与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构,使支架能承受围岩载荷,保证支架梁端距的稳定并承受作用于支架的水平力于侧向力。3.3.2 结构型式本设计采用分体式,其特点如下1 大多为钢板焊接成的箱型结构,也可用厚钢板制成实体件或者采用铸钢件。2 尺寸小,加工运输简单,稳定性较好,是我国掩护式液压支架采用的主要型式。3.4 推移装置3.4.1 推移装置的功能1 将输送机推向煤壁,保证作业循环。2 将液压支架拉向煤壁方向,及时支护顶板3.4.2对推移装置的要求1 以较小的力推移输送机80200KN,以较大的力拉移支架150500KN2 为适应支架和输送机可能出现的相对位置变化,推移装置前部在推移过程中,在水平和垂直方向能有一定的摆动围。3 工作中推移千斤顶不承受侧向力,而是用推移杆或框架承受,为此它们必须有足够的强度,以保证工作的可靠性。4 在拉架过程中推移装置和支架底座之间应有较好的导向性能,使支架能移正。3.4.3 结构形式与特点本设计采用浮动活塞式,其特点为1活塞在活塞杆上滑动,因此要求它们之间采用双向密封并有导向环。2活塞与缸的密封采用鼓型密封圈组件。3活塞在活塞杆上的定位多用卡环形式,其结构简单可靠。4缸口导向套的固定可采用螺纹或固定钢丝.5 千斤顶活塞可在活塞杆上滑动保持密封使环腔上腔供液时拉力与普通千斤顶相同,但在活塞腔下腔供液时,使压力的作用面积仅为活塞杆断面,从而减小了推输送机力。3.4.4 推移千斤顶的工作原理当活塞腔进液,活塞杆腔出液时,浮动活塞首先在液体压力作用下前移至缸口导向套处停住,当液压力继续作用时,活塞杆外伸并产生推力。当活塞杆腔进液时,在液体压力作用下活塞与活塞杆同步回缩或缸体相对前移并产生拉力。推力等于液体作用在活塞杆面积上的力,拉力等于液体作用在活塞环腔面积上的力。采用直接连接,一端固定在支架底座上,另一端固定在输送机或者输送机底托架上。此时移架,推溜用一个推移千斤顶。3.4.5 推移千斤顶尺寸确定1 活塞杆直径浮动活塞千斤顶的推力由式计算,一般取100 kNkN 代入数据得 d60.3 mm移架阻力与架型、吨位、支撑高度、顶板状况以及是否带压移架等因素有关。掩护式和支撑掩护式支架为250300kN。本设计初取移架力为250 kN2活塞直径浮动活塞千斤顶的拉力由式计算 kN 代入数据得 D112.8 mm式中 D缸径,mmd活塞杆外径 ,mm泵压力,MPa 由国家标准,选取千斤顶缸筒径为125 mm,活塞杆外径为70 mm。则,MPa时,移架力294.6KN推溜力 134.6 kN由于配套煤机的截深为600mm,取推移千斤顶的行程为750mm。3.5立柱3.5.1立柱的基本组成与特点1 缸体缸体是液压缸承受液体压强的部件。支架液压缸的缸体一般采用合金无缝钢管如27SiMn或冷拔炭素钢管制成。缸体的表面是活柱的密封面,因而要求有较高的加工要求。主要包括缸筒、缸底、缸盖及相互连接方式。 缸筒,要求材料强度高,能承受高压,一般s500Mpa,要求材料延伸率高,一般12,保证缸筒在高压作用下不致发生脆裂,防止井下发生伤人等事故,要求材料可焊性好,一般缸筒用无缝钢管经加工而成。缸筒表面是活塞的密封表面,所以要求有较高的加工精度和粗糙度,一般H9H10 ,缸筒表面与乳化液接触要求耐腐蚀。 缸底,采用球头形式,减小立柱受偏载作用以及掩护式支架中适应立柱倾角位置变化,要求材料强度高,可焊性好,一般锻压加工而成。缸底与缸筒一般采用焊接结构,其特点是结构紧凑,加工简单,工作可靠,但容易产生焊接变形。通常刚体止口与缸筒的孔间采用过度配合,以限制焊接变形。2 活塞杆活塞杆是液压缸传递机械力的部件,它将受拉、压、弯曲等载荷作用。通常选用无缝钢管制成,小直径活塞杆也可采用圆钢制造。 活柱筒对材料强度,延伸率,可焊性与缸筒基本一致,大部分是由合金无缝钢管与柱头,活塞等焊接加工而成。活塞杆工作时经常伸出液压缸外,直接接触矿井中的潮气、腐蚀性气体和粉尘,因此,活柱外表面必须耐磨,耐腐蚀,通常外表面上都镀一层几十微米厚的铜、镍、铬或锌等耐磨防耐腐蚀材料。使用支架时,要注意保护活塞杆表面,不要碰伤。 活塞组件,活塞组件由活塞,密封圈,导向环,限位装置,连接固定装置组成。活塞组件具有密封性良好,耐磨损性能及承受外力的冲击和振动性能好,活塞直接焊在活柱上。密封圈采用双向密封的鼓型密封圈,导向环采用与鼓型密封圈相配合的LW型活塞导向环,连接固定采用卡建连接固定。3 缸口导向组件缸口导向组件由导向套、密封圈、防尘圈、缸口连接件组成。导向套在活柱升降时起导向作用,采用聚甲醛的DM型导向环压装到导向套。要求导向套壁与活塞杆的接触紧密但又不妨碍活塞杆的动作灵活,导向套还应承受住由外部载荷对活塞杆形成的横向力、弯曲、振动产生的影响。通常导向套可以采用铜合金如青铜合金做成,或者基材是炭钢,衬耐磨环。导向套的加工精度通常H8H9,壁表面粗糙度为3.2。密封圈采用蕾型密封圈,密封可靠。固定密封采用O型密封圈加挡圈。防尘圈采用JF型橡胶防尘圈。缸口采用螺纹连接。3.5.2立柱的结构及技术参数确定1结构 立柱的结构可如下图3-1所示,采用单伸缩双作用型。由缸体、活柱、导向套等主要零部件组成。缸体由无缝钢管加工而成缸体的下端焊接球形缸底,在缸底上钻有孔并焊有管接头作为立柱下腔的液口。在缸体的上端装有导向套,它为活柱的上下往复运动导向。为了防止外部煤尘等脏物随活柱下缩而进入缸体,在导向套的上端装有防尘圈,为了防止液体从立柱上腔向外泄漏,在导向套上还装有蕾形密封圈和O形密封圈。缸体上部钻有螺纹孔并焊有管接头,与上腔相通,作为立柱上腔的液口。图3-1 立柱装配图Figure 3-1Column assembly2 技术参数的确定 立柱缸体径： 式中：立柱径,mm；理论支护阻力,kN；每架立柱数,2；立柱最大倾角支架最低工作位置,初取；安全阀的调整压力,取代入式,得按照国家标准选取比计算值大的标准值作为径,选取立柱的基本参数为：表 31Table 3-1缸体径/mm200活柱外径/mm185推荐管材24528钢材规格19425立柱缸体外径：比较法 立柱的初撑力 =取作为泵站的额定工作压力,考虑到从泵站到支架的压力损失,根据一般的经验,取=31.5 MPa= =989.6 kN 立柱工作阻力 立柱工作阻力 式中 立柱工作阻力,3200/2=1600 kN代入式,得=50.93 MPa 立柱的行程 立柱上下柱窝位置确定后,按支架最高和最低位置来计算立柱行程L 式中高低位时,立柱的长度；= 828 mm 3立柱结构参数的确定a 计算最小导向长度H最小导向长度H是指当活柱全部伸出时,从活塞导向环中点到导向套中点的距离,其值应满足下式： 3-7介于立柱结构设计,取 H= 175 mmb 计算重叠长度活柱全伸出后,导向套端面到活塞导向环底面的距离,即为重叠长度a,考虑到活塞厚度和导向套厚度,取重叠长度a=315 mm。c 计算活塞宽度活塞宽度B应取缸径的0.61.0倍：B= 取： B=120 mm d 活塞与缸体之间的间隙 e 活柱与导向套之间的间隙 f 连接方式尺寸柱头球半径 75mm缸底球半径 100mm柱头连接孔直径 35mm 立柱高度 可依具体工况检算确定 立柱密封件的选取：a 蕾形密封圈表32Q/XXY204-80 活塞杆直径 选取查表得：图32Figure 3-2表3-2蕾形密封圈尺寸Table 3-2 lei-ring sizedDbh185205183.5.4206.51283.21.56b 鼓形橡胶密封圈表33 缸径,选取查表得：图33 Figure 3-3表3-3鼓形橡胶密封圈尺寸Table 3-3 drum-shaped rubber ring sizeDdbhR200175201.3176.8173.