支撑掩护式液压支架设计

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 1 页第 1 章 绪论1.1 液压支架的作用和分类1.1.1 液压支架的用途液 压 支 架 是 综 采 设 备 的 重 要 组 成 部 分 。 它 能 可 靠 而 有 效 地 支 撑 和 控 制 工 作 面 的 顶板 ， 隔 离 采 空 区 ， 防 止 矸 石 进 入 回 采 工 作 面 和 推 进 输 送 机 。 它 与 采 煤 机 配 套 使 用 ，实 现 采 煤 综 合 机 械 化 ， 解 决 机 械 化 采 煤 工 作 中 顶 板 管 理 落 后 于 采 煤 工 作 的 矛 盾 ， 进 一步 改 善 和 提 高 采 煤 和 运 输 设 备 的 效 能 ， 减 轻 煤 矿 工 人 的 劳 动 强 度 ， 最 大 限 度 保 障 煤 矿工 人 的 生 命 安 全 。 液压支架作为煤矿综采机械化采煤设备（液压支架、可弯曲输送机和采煤机）的重要组成设备之一;在生产过程中，液压支架的性能的好坏将直接影响煤矿生产的质量,特别是生产过程中对人员的安全保障问题是极为重要的。因此，性能优良的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。1.1.2 液压支架的分类液压支架的种类很多，分类的依据和方法各不相同。 按支架与围岩的相互作用关系分类按照液压支架与围岩的相互作用关系，目前使用的液压支架可分为三类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类。 支撑式液压支架是一个在底座上放置几根立柱支撑顶梁，通过顶梁支撑顶板的简单结构基础上发展起来的，它是世界上发展最早的液压支架。典型的支撑式液压支架，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 2 页其顶梁较长，立柱较多，靠支撑作用维护一定的工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。架厚的挡矸帘只起着碎矸石从采空区涌入工作面的作用。这种类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，因此适用于顶板坚硬完整，基本顶周期压力明显或强烈，底板较坚硬的煤层。但由于立柱的垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去稳定性。 掩护式液压支架 掩护式液压支架是利用立柱、顶梁与掩护梁支护顶板和防止岩石落入工作面。这类支架的顶梁较短，多数支架的立柱只有一排，一般仅有 12 根，多呈倾斜布置，与掩护梁连接或直接连接在顶梁上。立柱通过顶梁支撑顶板。掩护梁与冒落得岩石相接触，阻止矸石涌入工作面并承受采空区矸石的载荷。这类支架的支撑力小，但掩护性能和稳定性较好，调高范围大，对破碎顶板的适应性较强，适应于支护部稳定或中等稳定的松散破碎顶板。 支撑掩护式支架支撑掩护式支架是支撑式支架和掩护式支架相结合的一种架型，以支撑为主，但同时又具有掩护作用。这种支架采用了支撑式支架双排立柱支撑顶梁的结构形式，保证了支撑式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用了掩护式支架坚固的掩护梁以及侧护板将工作面与采空区完全隔离开的结构形式，保留了掩护式支架防护性能好，结构稳定的长处。因此，支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定或稳定，基本顶周期来压明显或强烈瓦斯涌出量较大的煤层。 按支架移动方式分类：整体自移式液压支架，迈步移动式液压支架。 根据使用地点分类：液压支架按使用地点的不同可分为工作面支架和端头支架两类。1.2 液压支架的构成及原理1.2.1 液压支架的组成液压支架一般有结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。 承载结构件 顶梁直接与顶板相接触并承受顶板载荷的支架部分叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、管理顶板功能。顶梁一般由两种结构形式：一种为整体顶梁，这种顶梁的梁体较长，结构内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 3 页简单，能顺利通过顶板局部冒落凹坑，但对顶板台阶的适应能力差；另一种为分段顶梁，即顶梁分为前梁和后梁两部分，前梁又可分为伸缩式活动前梁、铰接式活动前梁或兼而有之的活动前梁。由于分段顶梁铰接处的纵向间隙和销轴可以允许各段之间相互有稍许扭转，因而比整体顶梁容易满足港督要求。 掩护梁阻挡采空区冒落的干湿窜入工作面并承受采空区冒落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的特征部件之一。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。当底板不平时，掩护梁还将承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱式整体结构，也有做成左、右对分结构的。 前后连杆前后连杆只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。前后连杆与掩护梁、底座组成的四连杆机构，即可承受支架的水平分力，又可使掩护梁的铰接点在支架的调高范围内做近似的直线运动，使支架的梁端距基本保持不变，从而提高了支架控制的可靠性。前后连杆一般采用箱形分体式结构，即左、右各一件。后连杆常常用钢板将两个箱形结构连接在一起。 底座直接与底板相接触，承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件叫底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。侧护板目前生产的掩护式和支撑掩护式支架都具有较完善的侧护装置，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端的两侧也有侧护板。侧护板的作用是：a.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；b.作为支架移架过程中的导向板；c.防止支架降落后倾倒；d.调整支架的间距。支架工作时一侧的侧护板是固定的，另一侧为活动的。制造时，通常两侧侧护板做成对称的；安装时，可按需要将一侧侧护板用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。按侧护板和掩护梁或顶梁上板面关系，侧护板有上复式、埋伏式、抽出式和拆页式等几种结构型式。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 4 页 执行元件执行元件包括立柱和各种千斤顶。 立柱支架上凡是支撑在顶梁（或掩护梁）和底座之间直接或间接承受顶板载荷、调节支护高度的液压缸称为立柱。立柱是液压支架的主要动力元件，可分为单伸缩和双伸缩两种。单伸缩立柱调高范围较小，但结构简单、成本低；双伸缩立柱则与之相反。有的立柱两端还有机械加长段。立柱两端一般采用球面结合形式与顶梁和底座铰接。 千斤顶液压支架压缸中除立柱以外均称为千斤顶，依其功能分别为前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，所以结构与立柱基本相同，只是长度和行程较短，也有人称它为短柱。平衡千斤顶是掩护式支架独有的，其两端分别与掩护梁和顶梁铰接，主要用于改善顶梁的界定接顶状况，改变顶梁的载荷分布。当支架设置防倒防滑装置时，还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。 控制元件液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。 安全阀安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀，可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力来调整开启压力。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力，即超过安全阀的调定压力时，工作腔内的压力液可通过安全阀释放，达到卸压目的。卸载以后，工作腔内的压力低于调定压力时，安全阀自动关闭。在此过程中，可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。 液控单向阀液控单向阀是液压支架的重要元件之一。它的作用是闭锁立柱或千斤顶的某一腔中的液体，使之承受外载产生的增加阻力，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力。液控单向阀往往和安全阀组合在一起，组成控制阀。 操纵阀在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作换向（分配）阀，习惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀二种类型。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 5 页 辅助装置辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。 推移装置退役装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置，由连接头、框架、推移千斤顶组成。推移千斤顶一端与支架底座相连，另一端通过框架、连接头与刮板输送机相连。 挡矸装置挡矸装置由悬挂在顶梁后端的挡矸帘或挡矸板构成，其作用是防止矸石从采空区涌入工作面。 复位装置复位装置是支撑式支架的特征装置。这是由于支撑式支架的顶梁、前后立柱和底座恰好形成四杆双曲柄机构，因而支架的结构是不稳定的，在侧向力的作用下，容易发生立柱倾斜现象。安设复位装置的目的就是为了使支架立柱保持在垂直于顶板的正确位置，使支架的结构稳定，具有抵抗顶板水平分力的能力。 护帮装置煤层较厚或煤质松软时，工作面煤帮（壁）容易在矿山压力下崩落，这种现象称为片帮。工作面片帮使支架顶梁前端的顶板悬露面积增大，引起架前冒顶。我国规定，煤层采高超过 2.52.8m，支架应设护帮装置，其目的在于防止煤壁片帮或在片帮时互帮板起到遮蔽作用，避免砸伤工作人员或损坏设备。护帮装置安设在支架顶梁前端，由护帮板和护帮千斤顶组成。 防倒防滑装置在煤层倾角较大（一般在 15以上）时，支架需加设防倒防滑装置，以免支架降落或前移时倾倒或下滑。防滑装置一般安设在两相邻支架的底座侧面，防倒装置一般安设在两相邻支架的顶梁侧面。1.2.2 液压支架的工作原理内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 6 页图 1-1 液压支架工作原理1输送机； 2推移千斤顶； 3立柱；4安全阀； 5液控单向阀； 6操纵阀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。如图 1-1 所示。 升柱当需要架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升。使活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。 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。 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，先降柱卸载，然后高压液体进入千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机的为支点，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 1-2 所示。支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可以分为三个阶段。支架升柱时，此阶段为初撑阶段 t ；此时支架的初撑力为：0P = D p n （ KN） c42 b310（1.1）式中 D支架立柱的缸径，m；内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 7 页p 泵站的工作阻力，Mpa；bn支架立柱的数量。立柱收缩，此阶段为恒阻阶段 t ，此时支架的工作阻力为3P= D p n （KN） ， 42a310（1.2）式中 p 支架安全阀的调定压力，Mpa；a其它符号意义同前。支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。1. 3 液压支架设计的目的和要求1.3.1 设计目的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 200 台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。图 1-2 支架的工作特性曲线内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 8 页t 初撑阶段； t 增阻阶段； t 横阻阶段；0 1 2P 初撑力； P 工作阻力1 21.3.2 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，以便有效的控制顶板，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，中煤层一般为 150KN 至 250KN，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，能承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。第 2 章 液压支架的选型2.1 液压支架的设计依据液压支架毕业设计的原始条件应从煤矿现场获得或由指导教师给出。这些原始条件是液压支架毕业设计的重要依据。它包括：顶压、煤层高度（即厚度） 、煤层倾斜度、顶板性质，底板强度及平整性、瓦斯含量、年产量等。1.顶压：顶压是设计支架承载能力的依据，承载能力安全系数一般取 1.2。2.煤层高度：它与支架设计的最大支撑高度有关。若是中厚煤层（1.335m） ，或较薄的厚煤层（3.54.5） ，一次采全高；或较厚的厚煤层（4.5m 以上） ，分层开采，设计支架的最大支撑高度应大于采高。若厚煤层采用放顶煤开采方式，则支架设计的最大支撑高度只许大于采高即可。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 9 页3煤层倾斜度：煤层倾斜角度过大时，支架应设置防滑防倒装置。4顶板性质：顶板的性质影响架型选择。一般情况下，稳定顶板选用支撑式支架；中等稳定顶板选用支撑掩护式支架；不稳定顶板选用掩护式支架。5底板强度及平整性：它与移架的顺利与否有关。因此涉及到支架底座的结构形式、底座作用于底板合力的位置（即与支架架型和支架整体结构布局有关）和推移千斤顶设置形式等。6瓦斯含量：若瓦斯含量大，必须考虑支架的通风断面也要大。7年产量：年产量涉及到采煤机的开采能力和运输机的运输能力（即选择适当型号的采煤机和运输机） ，因此设计支架的几何参数也应与之相应配套。2.2 顶板的分类2.2.1 基本概念液压支架具有支护和控制采煤后暴露的顶板，形成一个工作空间，保证工人和采运设备进行安全工作。围岩包括顶板和底板，它们分别位于煤层的正上方和下方。顶板包含伪顶、直接顶和老顶。2.2.2 直接顶分类关于直接顶的分类，各个国家有其各自的方法。我国对直接顶的分类是依据直接顶的强度指数 D 来划分的。强度指数 D 反映了直接顶强度的主要指标，即：D=10 或 D1=10 （ ） 1C2 1C2aMP（2.1）上述系数 D、C1 、C2 的值可由表 2-1 查得。表 2-1 直接顶分类 不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬 顶板类别指标内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 10 页主要指标强度指数 D强度指数 D13033170377012071212012参考指标直接顶初次垮落步距L1(m)8 918192525无直接顶；层厚在 25m 以上；D 6080 MPa；节理裂隙间距和分层厚度大于 1m的整体岩层我国将直接顶板分为四类如下:1不稳定顶板:为破碎顶板,很容易冒落,随支架前移而冒落,冒落后基本能充满采空区。2中等稳定顶板:移架后随之垮落,但因厚度不大且局部完整,冒落后不能充满采空区。3稳定顶板：难以冒落。4坚硬顶板：极难冒落。2.2.3 老顶分级老顶来压的强弱取决于冒落带充满采空区的系数 N(冒落带岩石对采空区充满程度N，即直接顶厚度与采高之比)和老顶初次来压步距 L2 的大小。N 值用下式表示：N= hH（2.2）式中： h-直接顶的厚度（m） ；H-采高（m） 。根据 N 和 L2 值，将老顶分为四级，如表 2-2 所示。表 2-2 老顶分级级 别 周 不明显 明显 强烈 极强烈内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 11 页期来压指 标N350.3N35=252L30(m)0.3N3550(2Lm)N0.3=252L50(m)N0.350(2Lm)当充满采空区系数 N 越大，老顶初次来压步距 L2 越小时，老顶周期来压就越不明显，作用于液压支架上的载荷就小而且稳定。反之，周期来压就强烈，作用于支架上的载荷就大，并且有冲击。2.3 液压支架的架型选择从前面的受力分析得知，液压支架的架形选择，主要取决于顶板条件和地质条件，结合各类支架的不同性能和特点，选择一种较为合理的架型。下面简要介绍影响架型选择的因素和如何有针对性地进行架型选择。2.3.1 已知设计条件1.支架参数 支撑高度 1.3/3.2(m)有效工作阻力和初撑力 3600/ 2880(KN)2.顶板类型 （1） 直接顶类别 类 属于不稳定顶板（2） 基本顶级别 级 老顶周期来压强烈 2.3.2 支架架型选择以及基本参数的确定A.液压支架的架型选择 选型原则 ：支架选型应使支架支护强度与采面矿压相适应，支架结构与煤层赋存条件相适应，支护断面与通风相适应，液压支架与采煤机、输送机等设备相匹配。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 12 页 选型主要依据：所选采面的煤层状况，顶底板及采区的地质条件，以及各不同的支架类型所具有的不同的性能和特点。 影响架型选择的因素a.顶板直接顶的类别与老顶的级别对支架选型起主导作用。在回采工作面顶板分类方案中给出了不同顶板条件下液压支架架型选择的建议，可以参照：表 1-1。一般，顶板愈不稳定，应选择支撑合力愈靠近煤壁、顶板愈短、顶梁前端支撑力较高的支架型式。例如支撑掩护式或支撑式掩护支架等，一般采用即时支护方式。必要时应设置铰接或可伸缩的前探梁等装置，以保证较小的梁端距；架间有较完善的挡矸密封装置。相反，顶板愈稳定，一般老顶来压也明显，则应选择顶梁后端支撑力较高的架型。例如支撑掩护式或支撑式支架。必要时，可采用滞后支护方式和比较简单的架间密封。对坚硬难冒顶板则应使掩护梁尽可能陡立，支架应有抗冲击措施。b.底板 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，基本上决定了支架底座的结构和支撑面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压（对于砂岩底板，允许比压为 1.962.16MPa，软底板为 0.98 MPa左右） 。如果尖端比压大于容许比压，则需要改变支架结构参数或另选架型 对于松软底板，可以考虑如下建议： 在配套设备许可情况下，采用插腿式掩护支架。 一般不宜采用分体底座、靴式底座等。只有在采用底座抬起装置和措施时，才可以考虑用分体底座。 煤层厚度 厚度超过 2.5，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。 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，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。 煤层倾角内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 13 页 倾角在 10 度至 15 度（支撑式支架取下限，掩护式支架和支撑掩护式支架取上限）以上时选用带有防滑装置的支架。 倾角在 18 度以上时，应选用同时带防滑防倒装置的支架。如表 2-3 所示，支架架型。 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的允许比压。 为了移架容易，设计时要使支架底座前部比后部比压小。 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支撑掩护式支架。 表 2-3 支架架型选择老顶级别 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4支架架型掩护式 掩护式 支撑式 掩护式掩护式 支撑式 支掩式 支掩式 支掩式支撑式 支掩式支撑式 支掩式 支撑式（采高2.5m）支掩式（采高2.5m）支架支护强度 (mpa)采 高 (m)1234300350（250）450（350）550（450）1.33001.3350(250)1.3450(350)1.3550(450)1.60.301.60.351.60.451.60.552.03002.03502.04502.0550应结合深孔爆破软化顶板等措施处理采空区。注: 表中括号内的数字系掩护式支架顶梁上的支护强度。 1.3、1.6、2 为增压系数。 表中采高为最大采高 。 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 平方米和 20 分钟以下时，暂时不宜使用综采。 设计成本内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 14 页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，其次是掩护式，最贵的是支撑掩护式支架。B.液压支架架型的选择液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学性能能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。具体选择可根据原煤炭部（81）煤科字第 429 号文件关于试用缓倾斜煤层工作面顶板分类和已知条件来选取架型按表 2-3 根据老顶级别和直接顶类别来确定支架架型，再根据老顶级别和采高确定支护强度。支护强度被定义为单位支护面积的支护阻力（或叫支架的工作阻力） 。根据以上各参考条件以及已知的设计条件（顶底板地质条件）结合表 2-3，选 ZY型支撑掩护式支架，其支护强度为 1.60.45Mpa。第 3 章 支架性能分析及其主要工作参数的确定3.1 支架支护性能分析液压支架属于空间杆系机构，在支架的工作过程中，各构件常受到偏心与复合载荷，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 15 页其受力情况比较复杂。为简化计算和安全可靠起见，通常把支架看成为平面杆系机构，以支架的最大工作阻力为依据，按最坏的工作情况下受垂直集中载荷的方式进行受力分析和计算，其合力的大小和作用点依据其具体结构和取隔离体的方法来确定。3.1.1 影响支撑力的因素（1）当支架升降时，L、L 1、h、c、 都会发生变化，从而引起支架支撑效率的变化，必须合理设计支架的结构和参数，保证支架在升降高度的范围内支撑效率的变化不能太大。（2）立柱的倾斜角 越大，可以增大其升降范围提高了其对煤层厚度的适应性，但使其支撑效率降低了。为此一般限制支架在最高位时 为 10o左右，在最低位时 应小于或等于 20o。这样不仅支撑效率波动小，同时使立柱尽量靠近顶梁与掩护梁的铰接点，以缩短 L1的距离，而增大支撑效率。（3）适当增大掩护梁的倾斜角 来减小 W 力也可提高支撑力。支架在最高位时，=50 o60 o，在最低位时， 不得小于 10o。（4）四连杆机构的瞬心应尽量接近顶梁平面，有助于减少支撑力的波动，一般限制6 o9 o。有条件，最好进行四连杆机构的优化设计。3.1.2 支架所受水平力支架上受的水平力有两个方面：即由外载荷作用产生的水平力和支架本身结构造成的水平力。前者是必然的，后者在于架型结构。外载荷作用产生的水平力由顶板载荷和掩护梁载荷产生：顶板载荷的作用使顶梁向老塘侧倾斜如图 3-7 所示，这样，顶板除给顶梁一个垂直分力 Rcos 外，还给顶梁施加一个指向老塘的滑动力 Rsin，因顶梁倾角 很小，所以可近似地把该滑动力看成顶板给支架向后的水平力。另外，冒落的矸石作用在掩护梁上，也会对支架产生向前的水平推力，如图 3-7 所示，其大小取决于外载荷的大小、作用方式、掩护梁的倾角 、矸石冒落的高度 H 等，其计算如下：sin （KN） （3.1）210cosgHTKWt冲式中： -矸石以冲击方式作用在掩护梁斜面而产生的水平力（KN） ；冲内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 16 页K-矸石对掩护梁作用方式系数，一般 K=01，大块矸石作用时取最大值；W、t、H-冒落矸石的重量、冲击作用时间、冲击高度（T、S、m） ；g-重力加速度 g=9.8m/ ；2s-掩护梁与顶梁水平面间的夹角（度） 。图 3-7 顶板和矸石分别对顶梁和掩护梁产生的水平力支架本身结构引起的水平力主要与立柱的布置方式和保护支架的稳定机构有关。立柱布置方式引起的水平力的大小取决于立柱工作阻力、倾斜角度、立柱数量等。而保护支架稳定机构引起的水平力与其不稳定程度有关。 3.1.3 支架的侧向力在斜煤层中，由于顶板层理发育，顶板离层或破碎等原因，顶板对支架有着侧向推力的作用，如图 3-8 所示，其大小：图 3-8 顶板受侧向力图 3-8 顶板对支架的侧向推力图 3-8 顶板对支架的侧向推力内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 17 页 （KN） （3.2）TRtg侧式中：R-支架对顶板的支撑阻力（KN） ；-煤层倾角（度）有已知条件可取最大值 15 度。由此可以算出侧向力为 =1206(KN)T侧由于立柱采用球面铰接连接，故此侧向力施到四连杆机构上，呈现出翻转力矩为： （KNm） （3.3）MTHRtg侧式中：H-支架的支撑高度（m） 。 3980（KNm）M因此，对于上述倾斜煤层中使用的支架必须设置防倒和防滑装置。3.1.4 支撑掩护式支架受力支撑掩护式支架结合了支撑式支架支撑力大和掩护式支架掩护性能好等优点，因此对顶板的适应性能强，在国内外得到了广泛的应用。同样用前述取隔离的方法，对该类支架进行受力分析：3.1.4.1 直接支撑的支撑掩护式支架其受力情况如图 3-9 所示。通过取隔离体的方法计算出顶梁上载荷 R 的大小及其作用点的位置 x 分别为：（KN）1212coss cRPWftg L（ Pin+si） tg-（3.4）（m） （3.5）1122x（ L+co）3.1.4.2 混合支撑的支撑掩护式支架其受力分析如图 3-10 所示。同样用取隔离体的方法计算出顶梁上载荷 R 的大小及其作用点的位置 x 分别为： 21 2coscosLRPftg（ -） P（KN） （3.6）12W（ in+i） tg-（m） （3.7）cosxLR内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 18 页支撑掩护式支架的适用性很广，可用于顶板坚硬、压力较大或破碎的各种煤层。但与支撑式和掩护式支架相比，造价较高。支撑掩护式支架受力分布情况如图 3-11 所示。图 3-9 直接支撑的支撑掩护式支架图 3-10 混合支撑的支撑掩护式支架内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 19 页图 3-11 支撑掩护式支架的受力分布图由于直接支撑的支撑掩护支架的支撑效率比较高，而两柱式支架的工作空间比较大，设计比较简单，所以在此选用两柱式的支架。32 支架主要工作参数的确定液压支架主要工作参数包括：支护强度 q、工作阻力 P、初撑力 、支架高度 H、伸缩系数 K、梁端距 c、梁端支撑力 R1、移架力 F1和推溜力 F2等。3.2.1 支护强度 q支护强度表示支架单位支护面积上所承受的力。所设计支架支护强度的大小直接影响支架的重量、成本和其使用范围。设计支架支护强度可以按照表 2-6 给出的推荐值或现场测量顶板压力情况外，还可以通过计算来确定。其计算式如下：（ ） （3.8）22110qkH（ T/m） =kaMP式中：k1-作用于支架上顶板岩石厚度系数。H -采高（m） ；-岩石容重，一般取 2.3 T/ m2。我国取 k1=5，西德取 k1=5.2，日本取 k1=5，英国取 k1=57，苏联取 k1=68，印度取 k1=5，美国取 k1=16，波兰取 k1=6；由上述可见，国内外对液压支架支护强度都是按岩石自重法来确定其大小的。其特点是：都用采高的倍数和岩石容重的乘积来表示，区别在于因煤层条件不同而取不内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 20 页同的系数。因此，采高越大，支护强度也越大。由上章表 2-1 可以按国家标准选取支护强度为 0.6840.756Mpa,在此取 q=0.7Mpa。3.2.2 工作阻力 P工作阻力是指支护强度 q 与支护面积 F 的乘积，即为支架对顶板的总支撑力， （支护面积 F 应按前边图 2-7 和式 2-4 计算） 。它是支架的重要参数。支架的结构尺寸、强度和支撑能力都取决于工作阻力。为确保支架有效、安全地工作，必须使其工作阻力与顶板载荷相适应，即：PR （3.9）式中：P-支架具有的工作阻力（KN） ；R-支架工作时需承受的顶板载荷（KN） 。由上述可见，确定支架的工作阻力实际上是确定支架需要承受顶板的载荷。顶板载荷应根据矿山压力的大小来决定。由于影响矿山压力和其显现规律的因素很多，如岩石性质、煤层厚度、煤层倾斜角、煤层硬度、工作面长度、控顶距、推进速度、落煤方式等，所以对顶板载荷至今仍无更科学的计算方法。目前多用现场分析和观察，进行近似估算或折算。通常考虑到初撑效率时（由于顶梁和掩护梁铰接，立柱有倾斜） ，已知有效工作阻力为 3600KN，取支撑效率为 0.8，可以算出总的工作阻力 P=4500KN。3.2.3 初撑力支架的初撑力是指在泵站的工作压力下，支架对顶板最初的支撑能力。它也是支架的一个重要参数。初撑力的大小取决于泵站压力，立柱数量和立柱的缸径，其最大值由泵站溢流阀所限定，即：（KN/架） （3.10）2140bnDP式中：P b -泵站的工作压力（MP a） ；其余符号同前。初撑力的选择级为重要，它对直接顶的破坏作用和稳定性、支架与围岩之间的平衡状态，以及支架本身的工作状态都有决定性的影响。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 21 页选择较大的初撑力能使支架很快达到工作阻力，减少顶板下沉，防止顶板过早离层破碎。因此，在坚硬、中硬或破碎顶板中，应选用较高的初撑力。特别对于掩护式支架，高初撑力是其能否控制住破碎顶板的关键。而当顶板较软时，初撑力必须控制在顶板极限强度语序的范围内，否则，将引起顶板过早破坏。由于地质条件和开采技术的差别，目前各国选用的初撑力也不尽相同，我国早期由于液压支架泵站压力低，仅取（0.30.5）P，近几年已达到 0.8P 以上；西德取（0.70.85）P；苏联取 0.5P；日本取（0.70.8）P。在此取 0.8P，所以2880（KN） 。13.2.4 支架高度 H 和伸缩系数 K支架高度的正确选择是支架能否正常工作关键。支架的高度主要由煤层的最大和最小采高决定，因此应根据采区范围内地质条件变化情况和煤层等因素来确定。其最大与最小高度为：（mm） （3.11）max1Hhs（mm） （3.12）ini2a式中：H max 、H min -支架的最大和最小结构高度（mm） ；hmax 、h min -煤层的最大和最小厚度（mm） ；s1 -前排立柱处顶板的最小下沉量（mm） ；s2 -后排立柱处顶板的最小下沉量（mm） ；a -移架时，支架的最小可伸缩量，一般取 。50am支架伸缩系数是支架的最大结构高度与最小结构高度的比值（设计任务书上已经给出最大和最小结构高度） ，即：（3.13） maxin3.2.461HK式中：H max -支架最大结构高度，应比最大采高大 200mm 左右（考虑顶板下沉的影响） ；Hmin -支架最小结构高度，应比最小采高小 250350mm 左右（考虑浮煤的影响）对于薄煤层，顶板下沉和浮煤的影响较小，可使支架的最大、最小高度接近于煤层内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 22 页的最大、最小厚度。立柱的伸缩系数 k 反映了支架结构高度对煤层厚度变化的适应能力。如果 k 过大，在设计中难以实现。一般，对于单伸缩立柱的支架，k 值不小于 1.6；对于双伸缩立柱的支架，k 取 1.9；四柱掩护式支架和支撑式支架，k 取 2.5；两柱掩护式支架，k 可达到3；薄煤层使用的支架，k 值取大些。在此 k 取 2.5。3.2.5 梁端距梁端距即移架后梁端到煤壁的距离，通常指不考虑煤壁片帮、煤壁歪斜或移架不足等因素影响的理论值。生产实践证明：决定支护效果的是顶梁前端到煤壁的距离，即梁端距越小，即使冒顶洞穴也不多。对于破碎顶板，梁端距不应超过 100mm，但实际上很难实现。我国综采实践认为：梁端距的大小对支架前顶板的冒落情况有很大影响，尤其是破碎顶板，梁端距过大，会使顶板难以控制。但是，梁端距过小则易产生采煤机滚筒割顶梁事故。因为在输送机向采空区方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或运输机推移量不足时，采煤机的上滚筒和顶梁之间的距离就会减少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250300mm，最大不超过 400mm。由于已知条件已经给出顶板条件不稳定，为破碎顶板，所以梁端距应该取为 100mm。3.2.6 移架力 和推溜力1F2移架阻力与支架 v 结构、重量、煤层厚度以及顶板、底板等条件有关，特别是后几种条件的变化差别较大，很难计算，依据实践经验，通常在薄煤层中取 100150KN，在中厚煤层中取 150250KN，在厚煤层中取 300400KN。由已知条件知，煤层为中厚煤层，所以选择移架力为 250KN。推溜力应克服向煤壁推移运输机的阻力，一般取推溜力为 100KN 左右。当泵站压力确定之后，设计移架和推溜所用上作用千斤顶的推力和拉力分别为：活塞腔： （KN） 21340bDP（3.14）活塞杆腔： （KN） 21340b（ -）（3.15）式中：P b-泵站的工作压力（MP a） ；内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 23 页D1-千斤顶缸体内径（mm） ；D2-千斤顶活塞杆直径（mm） 。第 4 章 液压支架整体结构尺寸设计4.1 整体结构的确定4.1.1 支架高度和支架伸缩比内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 24 页已知设计条件已给出支架的最大支撑高度和最小支撑高度分别为 3.2，1.3。由上一章分析和计算知支架的伸缩比是最大与最小高度之比值即：m = H / H = 3.2/1.3= 2.46 (4.1)n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面，所以，支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为 1.9；支撑掩护式支架为 2.5；掩护式支架可达 4。一般范围是 1.5 至 2.5，煤层较薄时选大值。但考虑尽量减轻支架的重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。在此根据上述条件选择为 2.5。4.1.2 支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，按下式计算b =B +nc (4.2)cm3式中 b 支架间距（支架中心距） ，cB 每架支架顶梁的总宽度，mc 相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙，3n 每架所包含的组架或框架数，整体自移式支架 n = 1；整体迈步式支架 n = 支架节数。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c机的一节溜槽相连，因此目前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 1.5m，千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间,所以除节式和迈步式支架外，支架中心距一般为 1.5m。4.1.3 底座长度底座是将顶板压力传递到底版和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：支架对顶板的接触比压要小；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。通常支撑掩护式支架的底座长度取 4 倍的移架步距（一个移架步距为 0.6m） ，即 2.4m 左右。取底座长度：2.4m。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 25 页支架底座宽度一般为 1.11.3 m。取底座宽度：1.3 m。4.2 四连杆机构的作用及几何特征4.2.1 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的变化时，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。4.2.2 四连杆机构的几何特征支架高度在最大和最小范围变化时，如图 4-1 所示，顶梁前端点运动轨迹的最大宽度 e 应大于或等于 70mm，最好为 30mm 以下。图 4-1 四连杆的几何特征图支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角 P 和后连杆与底平面的夹角 Q，应满足如下要求：支架在最高位置时，P 52 62，Q 75 85；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，阻止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求 tgP W，如果钢和矸石的摩擦系数 W = 0.3，则 P = 16.7而 Q 角主要考虑后连杆底部距底板要有一定的距离，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 Q 25 30，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 4-1 可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心之间的连线与水平线的夹角为，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 26 页设计时要使 a 角满足 tg0.35 的范围，其原因为 角直接影响支架承受附加力的数值的大小。图 4-2 四连杆的几何特征 应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架的工作段。其原因是当顶板来压时，立柱让压下缩，使支架有向前移的趋势，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的转动趋势，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，有利于移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外载荷。 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，应尽量是 e 值减小，取双纽线向前凸的一段为支架的工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，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，运用作图法就可以了，如图 4-2 所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构） 。图 4-3 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 27 页GH1H 2A216LQ24.2.3 掩护梁和四连杆长度的确定 一、掩护梁和四连杆的性能要求由于掩护梁与底座间构成一个双摇杆四杆机件。所以掩护梁的长度设计首先应满足一定的运动条件，其次是要尽量获得良好的受力状态。它们可归结为以下设计要求。（1）应满足采高范围要求；（2）支架升降过程中的梁端距的变动量 70100mm；（3）掩护梁的速度瞬心与铰点 A 的连线与水平线的夹角 应小于 ，如图 4-9，最9大不能超过 ，以限制支架支撑力的波动量小于 %。19 5（4）掩护梁总长不要大于两摇杆在掩护梁上铰接点距离的 4 倍，即 。14L（5）掩护梁的倾角 不宜太小，支架在最低位置时， 应大于 ，一般取 左右，05以免被矸石压死，难于移架；支架在最高位置时， 可达 ，以减少堆积在掩护56梁上的矸石，提高支撑效率，减小移架阻力。（6）掩护梁与前摇杆的夹角 ，以免出现死角。130max（7）前、后摇杆都向采空区倾斜，前摇杆与水平面夹角的最大值 ，后摇杆180与水平面夹角的最大值 ，一般取 ，这样支架整体受力比较合理，其80128结构尺寸也较紧凑。用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图 44 所示。1内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 28 页图 44 掩护梁和后连杆计算图可设：G为掩护梁长度； A为后连杆的长度；为 点引垂线到后连杆下铰点之距； 6Le为支架最高位置时的计算高度；1H为支架最低位置时的计算高度；2从几何关系可以列出如下两式：利用 和 估计 G、A 和 ，用如下解析法：（如图 4-6）126L(4.3)111sinsiH222(4.4)611cossLGA22联立上述后两式可得：(4.5)12cosGA说明：支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点之顶梁面之距和后连杆铰点至底座底面之距。按四连杆机构和掩护梁的几何特征要求，选定 代入上式，分别取上述2121、四者值经过调整，可求出两者之间的比值为 0.7。符合支撑掩护式支架的 0.610.82GA支架在最高位置的计算高度为：= GsinP1 + AsinQ1; (4.6)1H根据 的值,由式（4-8）就可以求出掩护梁的长度 G2127mm 和后连杆长度GA内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 29 页A1419mm。二、四连杆机构的尺寸设计1. 优化设计法首先确定设计变量，如图 45，可取 L1、L2(即 A)、L3、L4 、L5、L6 和 L(即 G)七个参数为设计变量。再根据支架使用的实际情况，设定几个评价支架优劣的指标，并建立目标函数，目标函数的建立可考虑以下几个方面：图 4-5 四杆机构的机构图（1）在支架的整个调高范围内；梁端距变化最小。（2）在支架的整个调高范围内，掩护梁受力最小，杆长较小，弯矩较小。 （3）在确保安全的条件下，支架的重量最轻。 （4）构件断面的配置优化，充分利用材料的弹性变形来控制构件的承载能力。根据郑州煤机厂的设计经验：对于四杆机构的优化设计，一般取三个目标函数，七个设计变量，至多二十六个约束方程，就能基本满足工程设计人员的要求。由于毕业设计的时间限制，可选定目标函数，七个设计尺寸也可先设定一、两个或设定两、三个尺寸的对应关系，约束方程也可适当少取，约束方程可利用几何条件，以及前面提到的运动条件和受力条件写出。优化问题的解法可参考有关的工具书，也可利用手头的程序来确定解法。在求解之前，可按经验、类比和一些简单的几何条件，设定求解的初始值。初始值应为可行域中的一点。2. 图解法图样法直观、简单，但只要涉及试凑的问题往往都比较麻烦，因此常将它与解析法合用，再加一定的经验和类比，问题的解总是可以找到的。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第 30 页作图过程如下：（1）选顶梁与掩护梁的铰接点拟作顶梁前端点，它的高度变化范围就好似支架的调高范围，它在调高范围内的水平偏移量就是梁端距变化量。等到四连杆机构的尺寸确定之后，再考虑顶梁和立柱，于是支架的基本结构就定出来了。（2）根据支架的调高范围，作 m-m 垂线，在 m-m 线上标出顶梁与掩护梁的铰接点的最高位置 A1 和最低位置 。并在 m-m 线上取 Q 点，使 Q= =3000mm， Q= 2A1A1H2A=2000mm， 和 为最大采高和最小采高。在 Q 点作 m-m 垂线 x-x。2H1H（3）在 和 点作水平线和斜线，使斜线与水平线的交角为 ， ，1A2 5016.2在斜线上取长 L，得 C1、C2 点，它们是掩护梁与后摇杆的铰接点。在 x-x 线上作QD= =1000mm，D 点是后摇杆与底座的铰接点。连接 CD 就是后摇杆，现在再根据作图情6况验算 角和 角，调整各值，直到基本满意为止。（4） 在 AC 线上找一点 B，使 AC ，再利用以往的设计经验，取C4=1328mm， =1419mm。 B 点是前摇杆与掩护梁的铰接点，B 点的运动轨迹应是一段圆弧，3L2其曲率中心就是前摇杆固定铰点 E。（5）到此连杆机构的 A、B、C、D、E 等 5 个铰点就初步定出，下面的工作就是进一步调整 E，B 俩点的位置，调整的目标是控制 A 点运动轨迹的水平偏移量 70100，其方法是把后摇杆的摆角分成若干份，做出掩护梁上 B 点和 A 点的一系列相应位置，使图 4-6 四连杆机构作图图 4-10 四连杆机构作图EQ D