机械毕业设计（论文）-液压支架掩护梁及四连杆机构设计【全套图纸】

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1、1 液压支架掩护梁及四连杆机构设计说明书 目录 前言 .2 1.液压支架的概述 .3 1.1 液压支架的组成3 1.2 液压支架的用途3 1.3 液压支架的工作原理.4 1.4.液压支架架型的分类4 1.4.1 支撑式支架5 1.4.2 掩护式支架.5 1.4.3 支撑掩护式支架 .6 1.5 液压支架设计 参数 6 1.5.1 设计目的 .6 1.5.2 对液压支架的基本要求6 1.5.3 设计液压支架必需的基本参数7 2 液压支架基本技术参数的确定8 2.1 原始条件 8 2.2 基本技术参数.8 3 四连杆机构的设计11 3.1 四连杆机构的作用.11 3.2 四连杆机构与附加力的影响.

2、13 3.2.1 附加力对液压支架受力的影响13 3.2.2 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对支架受力的影 响 .16 3.2.3 后连杆与掩护梁长度比值对支架受力的影响.17 3.3 四连杆机构的几何作图法18 3.3.1 掩护梁和后连杆长度的确定.18 3.3.2 几何作图法作图过程19 3.4 四连杆机构的计算机设计法.21 3.4.1、目标函数的确定21 3.4.2、四连杆机构的几何特征21 3.4.3、四连杆机构各部尺寸的计算.22 3.4.4、四连杆机构的优选.23 3.4.5、求掩护梁上铰点轨迹坐标24 3.4.6、语言程序编制 24 4掩护式液压支架部件

3、设计.30 4.1 顶梁 30 4.1.1 顶梁的作用及用途.30 4.1.2 顶梁的结构型式的确定30 4.1.3 对顶梁长度的影响.31 4.1.4 顶梁断面形状31 2 4.1.5 顶梁主要尺寸的确定32 4.2 侧护板 33 4.2.1、侧护板的选择 33 4.2.2、侧护装置的作用33 4.2.3、侧护板的结构型式.34 4.2.4、侧护板尺寸的确定.34 4.3 立柱 34 4.3.1立柱的初撑力与泵站额定工作压力35 4.3.2安全阀压力与立柱工作阻力的确定36 4.3.3 立柱位置的确定 36 4.4 千斤顶技术参数确定.39 4.5 掩护梁和四连杆机构.40 4.5.1 掩护

4、梁 .40 4.5.2 四连杆机构 40 4.5.3 后连杆的强度校核41 4.6 底座 44 4.6.1 底座的作用及用途.44 4.6.2 底座的结构型式 .44 4.6.3 底座主要尺寸的确定45 参考文献 .46 全全套套图图纸纸，加加 1 15 53 38 89 93 37 70 06 6 3 摘摘 要要 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。 在支撑掩护式的设计过程中，底座、液压系统和立柱等结构件的设计是重点。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

5、，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：液压支架 立柱 底座 四连杆机构 4 AbstractAbstract 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

6、rapid, safely reliable etc. principle. In the design course that the type of supports cover type, the design of canopy and caving shield and props is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening typ

7、e hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support. Keyword: Hydraulic support column foundation 4 linkage mechanisms 5 前言 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

8、平相比差距越来越小。但在控制元件和控制系统方面, 与先进国家的产品相比还有较大差距。所以, 今后除应继续针对我国国情和煤层具体条 件, 开发一些新架型、新品种外, 还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方 面下功夫。 近年来, 我国采煤综合机械化的水平有所提高, 随着综合机械化采煤技术的不断发 展和新型大功率采煤机、工作面输送机的出现, 要求支架与之相配套, 但若支架的控制 系统不作相应的改进, 是满足不了这一要求的。到目前为止, 我国国产液压支架的控制 方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式, 虽然具有控制 系统简单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性

9、较强的优点, 但它存在严 重缺点: 工人劳动条件差, 安全性差; 移架速度慢, 影响采煤机效率的发挥; 通 风条件差,支架故障率高; 支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验多少和技能高低 有密切关系。液压支架实现自动控制后, 就可有效地克服上述缺点, 实现对支架的电液 控制, 而且有多种控制方式可供选择, 人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架 进行远程控制或程序控制 6 1.液压支架的概述 1.1 液压支架的组成 液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要部分组成。 1.2 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

10、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，他能实现职称、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。 1.3 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

11、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。 7 图 1-1 液压支架的工作原理 Fig .1-1 Hydraulic pressure support principle of work 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

12、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。 1.4.液压支架架型的分类 按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分 有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上所有位置的支架。 目前使用的液压支架在分三类即：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。 1.4.1 支撑式支架 支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图 1-2，前梁较长，支柱较多 8 并

13、呈垂直分布，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。 这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力 明显或强烈，底板较硬的煤层。 a b 图 1-2 a垛式 b节式 Fig.1-2 acorduroy bdivisiona 1.4.2 掩护式支架 掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图 1-3 所示顶梁较短，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

14、适用于直接 顶不稳定或中等稳定的煤层。 a b c 图 1-3 a插腿式支架 b立柱支在掩护梁上非插腿式支架 c立柱支在顶梁上非插腿式支架 Fig.1-3 asupport b leg piece on support cleg piece on support 1.4.3 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架架型主要用：四柱支在顶梁上；二柱支在顶梁；一柱或二柱支在掩 9 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 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

15、强烈的周期来压，瓦斯储 量较大的中厚或厚煤层中。 1.5 液压支架设计 参数 1.5.1 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

16、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。但在控制元件和控制系统方面, 与先进国家的产品相比还有较大差距。所以, 今后除应继续针对我国国情和煤层具体条 件, 开发一些新架型、新品种外, 还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方 面下功夫 1.5.2 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

17、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 10 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。

18、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。 1.5.3 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

19、尺寸。 11 8).配套尺寸 根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度 2 液压支架基本技术参数的确定 2.1 原始条件 掩护式液压支架，煤层厚度为 2.32.9m，老顶为 2 级，直接顶为 1 类 2.2 基本技术参数 1）支架的高度 mmShH mm 14502501200 1 mmaShH an 126050501501510 2 取；mmH m 1450mmHn1260 mmhhHH m 11502001001450 211 mmhhHH n 9602001001260 212 式中 支架最大高度； m H 支架最小高度； n H 支架最高位置时的计算高度； 1 H 支架最低为之时的计算高

20、度； 2 H 掩护梁上铰点至顶梁顶面之距；取 100mm； 1 h 后连杆下铰点至底座底面之距；取 200mm； 2 h 12 煤层最大厚度（最大采高） ； m h 煤层最小厚度（最小采高） ； n h 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 1 S 250mm； 顶板最大下沉量，取 150mm； 2 S 移架时支架的最小可靠量，一般取 50mm；a 浮矸石、浮煤厚度，一般取 50mm. a 2）支架伸缩比 2 . 1 1260 1450 n m H H m 3）支护强度 1 121 21 mq x qq Hh qqqq hh = 34 32 . 3 343441343 =3

21、62.6 2 /mkN 式中：当支架最大采高为时，支架应有的支护强度； x q m H 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； 1 q m H 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； 2 q m H 所对应的采高； r h1 1 q 所对应的采高。 r h2 2 q 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通常为 1

22、.5 m，千斤顶连接位置在刮板槽槽 13 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 5）底座长度 所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。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 2.240m 表 2-1 适应不同类级顶板的架型和支护强

23、度 Tab 2-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength 老顶级别 直接顶类别 12312312344 采高2.5m 时用支撑 式 架 型 掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 掩 护 式 掩 护 式 或 支 撑 掩 护 式 支 撑 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 采高2.5m 时用支撑 掩护式 12941.32941.6294 2294 2 343（245） 1.3343(245 ) 1.63432343 3441(343)1.3441(343

24、) 1.64412441 支 护 强 度 KN/M 2 支 架 采 高 m 4539(441)1.3539(441 ) 1.65392539 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 14 。 3 四连杆机构的设计 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

25、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范围内变化时，如图 3-1 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,P=520620,Q=750850;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 tgPW,如果纲和矸石的摩擦系数 W=0.3,则 P=16.70

26、.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 Q=250300，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 e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 tgQ的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值35 . 0 大小。 15 图 3-1 四连杆机构几何特征 Fig.3-1 Four link motion gears geometry characteristic 4）顶梁前端点晕运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最佳工作段，如图 3-1 所示的

27、 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 3-2 所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构） 图 3-2 掩护梁和后连杆

28、构成曲柄滑块机构 Fig.3-2 Shields Liang Hehou the connecting rod constitution crank slideorganization 16 3.2 四连杆机构与附加力的影响 3.2.1 附加力对液压支架受力的影响 由于掩护式和支掩式液压支架有四连杆机构，所以使支架在承载过程中承受附加力， 附加力越大，对支架受力越不力。为此，在液压支架设计中对此力要有足够的认识，现 在对此作如下分析。 液压支架实际受载情况很复杂，为简单计算，把支架简化成一个平面杆系结构。同 时为偏于安全，按集中载荷进行计算。 图 3-3 顶梁分离受力分析 Fig.3-3 To

29、p-beam separation stress analysis 图 3-4 掩护梁分离受力分析 Fig.3-4 Shields Liang to separate the stress analysis 取 0 X F 17 (3-1) 112 sin a PWFF 取 0 y F (3-2) 113 cos a PFF 取 。0 0 M (3-3)tg a b F F 2 3 式中 支架立柱的工作阻力， a P 支架立柱的倾角， 1 支架支护阻力， 1 F 顶板和顶梁之间的摩擦系数，W 顶梁和掩护梁铰点水平力， 2 F 顶梁和掩护梁铰点垂直分力。 3 F 由上式有： (3-4)WtgFt

30、gPPF aa1111 sincos 将该式变成通式为: (3-5)WtgFtgPPF aa1111 sincos）（ 立柱向后倾时，立柱的工作阻力取+；瞬心 O 点在顶梁和掩护梁铰点水平线以下的 取+；摩擦力向后取+。反之都取。tg 将上通式分解如下： 1 cos ay PP (3-6)tgWFtgPF ay 11 sin yy FPF 1 式中 支架立柱工作阻力的垂直分力， y P 支架承受的附加力。 y F 3 FFy 由(3-6)可见 当时，附加力与立柱倾角和摩擦力有关。0tg （1） 立柱倾角对附加力的影响 18 图 3-5 立柱后倾的顶梁分离受力分析 Fig.3-5 Column

31、to after top-beam separation stress analysis 当瞬心在下、立柱后倾时， yy y x FPtgPPF F PF F sincos 0 sin 0 1 2 由受力分析可看出,当瞬心在下时，立柱向后倾，附加力为正，立柱前倾，附加力为 负。当瞬心在上时，结论正好相反。 （2） 摩擦力对附加力的影响 图 3-6 顶梁前端双纽线轨迹 Fig.3-6 Front end top-beam two Niu line path 如图 3-6 所示，当支架由高到低顶梁前端的运动轨迹由 a 向 b 点运动时，瞬心点在 下，值为正，且由大到小，一直到 b 为 0 ；在这一

32、段内，当支架在承受让压过程中，tg 19 顶梁有向前运动的趋势，从而使顶板给顶梁的摩擦力方向向后，摩擦力为正，附加力为 正。 当支架由高到低顶梁前端运动轨迹由 a 向 b 点运动时，瞬心点在上，值为负其绝tg 对值由小变大到 c 点为最大，再由 c 点向 d 点由大到小一直到 d 点为 0；在这一段内，当 支架在承载让压过程中，顶梁有向后运动的趋势，从而使顶板给顶梁的摩擦力方向向前， 摩擦力为负，附加力为正。 由以上分析可知：摩擦力引起的附加力都为正，附加力的大小与角的正负无关，与 角的大小有关，角大附加力就大，反之则小。 结论： 通过以上立柱倾角和摩擦力对附加力影响的分析，得出如下结论： 值

33、的大小对附加力影响很大，值大，支架承受的附加力大，对支架受力不利。tgtg 所以在优化四连杆机构时，尽可能使值小些。为此，可以令支架由高到低时，顶梁前tg 端运动轨迹近似直线为目标函数，从而可以使角变小，值和附加力都变小。而且顶tg 梁前端点运动轨迹的变化宽度也可以较小，有利支控顶板。 值方向与摩擦力引起的附加力无关，而与立柱倾角引起的附加力有关，在立柱前tg 倾时：当瞬心点在下时，值为正，附加力为负；当瞬心点在上时，值为负，附加tgtg 力为正。所以在优化时，为减少附加力，尽可能使支架的工作段，在 ab 段。 3.2.2 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对支架 受力的影

34、响 增加掩护梁上铰点至顶梁面之距和后连杆下铰点至底座底面之距，都可以使角减小， 附加力减小，反之，角增加，附加力也增加。 20 3.2.3 后连杆与掩护梁长度比值对支架受力的影响 图 3-7 四连杆示意图 Fig.3-7 Four connecting rods schematic drawings 当夹角、和的比值不变，改变或不变延长后连杆长度等方法，来增加 3 a 4 a ac ab 的比值，可以使角减小，附加力减小，对支架受力有利；当改变角使的比值 ac ab 3 a ac ab 增加，对角变化不大，所以适当增加的比值，可以减少掩护梁长度和对支架受力有 ac ab 利。 在掩护式支架和支

35、撑掩护式支架中，后连杆和掩护梁长度的比值，关系到掩护梁的 长度，对支架的重量和受力有着直接的影响，所以在设计时，应尽量在满足支架工作需 要情况下，缩短掩护梁长度，减轻支架重量，减少支架受力。 4、前后连杆上铰点与掩护梁长度比值对支架受力影响 改变的比值，对角影响很大，如果这个比值适当，可使角减小，值减小， ac ab tg 附加力减小，掩护梁和前后连杆受力也减小。的比值一般在 0.220.3 之间比较合适。 ac ab 21 3.3 四连杆机构的几何作图法 3.3.1 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 3-8 所示。 图 3-8 掩护梁和后连杆计算图 Fig.

36、3-8 caving lock piece and after rod map 设： G-掩护梁长度（mm） A后连杆长度（mm） 其中：P1 支架最高位置时，掩护梁与顶梁夹角(度) P2支架最低位置时，掩护梁与顶梁夹角(度) Q1 支架最高位置时，后连杆与底平面夹角（度） Q2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，选定，由于支架型式不同，对于掩护式 79,52 21 PP 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=0.58。 支架在最高位置时有： 111 sinsinQAPGH 因此掩护梁长度为： 22 11 1 si

37、n)./(sinQGAp H G =2076.77mm 后连杆长度为： A=G(A/G) = 1204.53mm 取整得： mmAmmG1205,2077 3.3.2 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 3-9 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 200 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oaoa 的铰点。 5)过 a 点作与 HH 线有交角 P1的斜线，以 a 点为圆心，

38、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 0.22G 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，oaoa 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

39、 0.22G 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。 23 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。ee 13)以 O 为圆心，为半径圆弧。oa 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ae 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eaae 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

40、四连杆oaabbccddo 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 3-9 液压支架四连杆机构的几何作图法 Fig .3-9 hydropost fore rod is geometry map method 结论：后连杆长度 A=1205mm 掩护梁长度 G=2077mm 前连杆长度 C=1148mm 24 前后连杆下铰点底座投影距离 E=599mm 前连杆下铰点高度 D=533mm 3.4 四

41、连杆机构的计算机设计法 3.4.1、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 U=TAN(THETA)有较 小值。同时，为有效地支控顶板，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。而支架在某一高度时的 THETA 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似成直 线为目标函数，这两项要求都能满足。 3.4.2、四连杆机构的几何特征 四连杆机构的几何特征如下图 3-10 所示。 支架在最高位置时：P1=0.91- 1.08 弧度；Q1=1.31- 1.48 弧度。 后连杆与掩护梁

42、的比值，掩护式支架为 I=0.45- 0.61. 前后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为 I1=0.22-0.3. E点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动的最大宽度 E #include 29 main() float h1,h2,p1,q1,i,i1,g,a,b,c,d,e,f,a1,q2,o1,l,s,xc,yc,x4,y4,x5,y5,xx,xi,ex,gg; float o,u,c1,q3,q4,k,j,r,z,x,y,e1,x1,y1,p2,x2,y2,p3,x3,y3,m,n,t,k1,k2,x6,y6; float p4; scanf(“%f,%f“, /*输入 h1,h

43、2*/ for(p1=0.91;p11.2) continue; d=yc; e=e1-xc; x4=e1+a*cos(q1);/*计算 a1,q2,q1 点坐标*/ y4=a*sin(q1); x5=e1; y5=0.0; k1=(y1-yc)/(x1-xc); c1=atan(k1); k2=(y4-y5)/(x4-x5); x6=(k1*x1-y1-k2*x4+y4)/(k1-k2); y6=k1*(x6-x1)+y1; l=x6; /*计算 l,s*/ s=h1-y6; u=s/l; if(u0.16|u0.2*h1|eh1/4.5) continue; printf(“u=%f,q1

44、=%f,a=%f,b=%f,c=%f,d=%f,e=%fn,f=%f,g=%f,p1=%f,c1=%f,s=%f ,l=%fn“,u,q1,a,b,c,d,e,f,g,p1,c1,s,l); xx=0;xi=3000; for(q4=1.48;q4=0.436;q4=q4-0.0348) x1=a*cos(q4); 31 k=2.0*e*b+2.0*a*b*cos(q4); j=2.0*a*b*sin(q4)-2.0*b*d; r=a*a+b*b+d*d-c*c+e*e+2.0*a*e*cos(q4)-2.0*a*d*sin(q4); if(k*k*r*r-(k*k+j*j)*(r*r-j*j

45、)=h1|yxx)xx=x; if(xxi)xi=x; 3）输入值及结果 2.9,1.7 u=0.154265,q1=1.378000,a=1.192811,b=0.454011,c=1.099301,d=0.558861,e=0.56 6813 ,f=1.609676,g=2.063687,p1=0.910000,c1=1.081463,s=0.237309,l=1.538323 x=1.038504,y=2.796892,x1=0.231357 x=1.044041,y=2.751062,x1=0.271930 x=1.047449,y=2.703728,x1=0.312174 x=1.0

46、49153,y=2.654757,x1=0.352040 x=1.049518,y=2.604010,x1=0.391480 x=1.048865,y=2.551340,x1=0.430445 x=1.047477,y=2.496585,x1=0.468890 x=1.045606,y=2.439567,x1=0.506766 32 x=1.043485,y=2.380083,x1=0.544029 x=1.041326,y=2.317902,x1=0.580634 x=1.039329,y=2.252752,x1=0.616535 x=1.037681,y=2.184306,x1=0.651

47、689 x=1.036564,y=2.112163,x1=0.686055 x=1.036154,y=2.035823,x1=0.719589 x=1.036625,y=1.954639,x1=0.752252 x=1.038150,y=1.867754,x1=0.784005 x=1.040905,y=1.773990,x1=0.814808 x=1.045064,y=1.671653,x1=0.844624 ex=0.013364 ex=0.013364 ex=0.013364 ex=0.013364 结论： U=0.154值（掩护梁与顶梁铰点至瞬心和底座平面夹角为）tg 378 . 1

48、1 Q 支架在最高位置时，后连杆与底座平面夹角 A=1.193 后连杆长度 B=0.4540 前、后连杆上铰点之距 C=0.5588 前连杆长度 E=0.5668 前、后连杆上铰点至掩护梁上铰点之距 F=1.6096 前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距 G=2.0637 掩护梁长度 91 . 0 1 P 支架在最高位置时，顶梁与掩护梁夹角 =1.0815 1 C 支架在最高位置时，前连杆与底座平面夹角 EX=0.0134 顶梁前端运动轨迹的最大宽度 前面所用的两种方法求出的四连杆机构的数值相近，由于计算机算法的精确度较高， 故所选数据，均用计算机算法中所得的。 33 4掩护式液压支架部件设计 4.

49、1 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。 4.1.1 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。 4.1.2 顶梁的结构型式的确定 图 4-1 铰接式顶梁 Fig.4-1 Hinge type top-beam 选择铰接式顶梁，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

50、积。OY 型掩护式 支架就采用此种结构。 34 4.1.3 对顶梁长度的影响 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的影响很大，从液压支架的工作原理可以看出，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）要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推溜的工作方式，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)配套尺寸对顶梁长度的影响 设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接关系。为了防止当

51、采煤机向支架内倾斜时，采 煤机滚筒不截割顶梁，同时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为 300mm，这个距离叫空顶距。另外在输送机 铲煤板前也留有一定距离。一般为 135150mm 左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐， 给推移输送机留有一定的距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在 顶梁掩护之下工作，在此来计算顶梁长度。 4.1.4 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

52、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。 对于支撑掩护式支架，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 4-2 所示，同时增强了顶梁的结构强度。 图 4-2 顶梁断面 35 Fig.4-2 Top-beam cross section 4.1.5 顶梁主要尺寸的确定 1)顶梁长度 Lg 顶梁长度配套尺寸底座长度掩护梁与顶梁铰 1 cosAQ 1 cos300GPe 点至顶梁后端点之距（mm） mm2961 1001330091 . 0 cos 7 . 2063378 . 1 cos

53、119322401972 2)梁面积 A A=LgB 式中： Lg顶梁长度 mm, B-顶梁宽度 mm,在本次设计中顶梁宽度为 1500mm, 代入公式（2-11）得 A=29611500=44441500mm2=4.4m2 3)支护面积 Fc Fc = Bc(Lg)m2 ( 4-1) 式中：Fc支护面积 m2 ， 移架后顶梁前端点到煤壁的距离 m,一般 =0.3 Bc支架间距（支架中心距） ，一般为 1.5m 代入公式(4-1)得： Fc = 1500(296130)=4486500mm2 =4.49m2 4)支架的理论支护阻力 F1 2 F1=Fcq x 式中: F1支架的理论支护阻力，K

54、N Fc支护面积 m2 q 支护强度 KN/M2 x 支架在最高处的理论支护阻力为： 36 F1=4.49362.6=1628.07（KN） 5)顶板覆盖率 =A/Fc100% 式中： 顶板覆盖率 A顶梁面积 m2 Fc支护面积 m2 代入式中得 =4.4/4.49100%=98.00% 4.2 侧护板 4.2.1、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

55、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。 4.2.2、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)作为支架移架的倾倒； 3)防止支架的倾倒； 4)调整支架间距 37 4.2.3、侧护板的结构型式 如图 4-3 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

56、置受力很大。 图 4-3 侧护板的机构形式 Fig.4-3 Side protection board organization form 4.2.4、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

57、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。 4.3 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。 38 1)立柱类型为双作用活塞式立柱，如图 4-4。此种类型的立柱具有结构简单、成本 低等优点。 2)立柱数为两根。 3)立柱间距为 11.5m。 4)支撑方式为四柱

58、平行支在顶梁上。一般立柱轴 线与顶梁的垂线夹角小于 10(支架在最高位置时) ，由于夹角小，所以有效支撑能力大。 5)立柱缸体内径 Pa=40Mpa 1 40 cos d dam F Dcm n p = 30cos40214 . 3 07.162840 = 17.3cm 查标准表取mmDe200 代回原公式可求得 Pa=36.08Pa 根据查表得：活柱外径 190mmDe200mm 工作阻力 1764kNKN 额定工作压力 58.4 MPa 泵站压力 32.6 MPa 4.3.1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 1 104 b e D (KN)64.102

59、3 6 . 32 104 2014 . 3 2 1 P 式中 Pb泵站额定工作压力 PbMpa减去从泵站到支架沿城压力损失后的值。 39 （泵站额定工作压力 Pb即泵站产品目录中给定的值。 ） 4.3.2安全阀压力与立柱工作阻力的确定 安全阀的调整压力，按选定后的立柱刚体内径 De和支架承受的理论支护阻力 F1m来确 定。即： （MPa） 2 40 e z a D F P 式中的 Fz按下式计算： (KN) nd m z n F F cos 1 (KN) 02.1194 30cos2 1 . 2068 z F 式中-支架在最高位置时立柱倾角。 n MPa03.38 2014 . 3 02.11

60、9440 2 a p 求出后，再选定一种动作压力与 Pa相近的标准安全阀，此安全阀的动作压力即为支 架安全阀的调整压力 Pa。Pa=40 MPa 立柱工作阻力 P2按下式进行计算 (KN)125640 104 2014 . 3 104 22 2 a e P D P 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：P1=(0.350.7)P2。P1过小， 不能有效地支撑顶板，P1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 P1=0.72 P2为宜。 4.3.3 立柱位置的确定 1)立柱布置 掩护式支架为

61、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，并能增大跳高范围。一般立柱 40 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 30 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

62、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

63、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 4-5 所示 图 4-5 顶梁受力分析 Fig.4-5 Top-beam stress analysis 对 A 点取矩： 41 0 A M 0 3 )(sincos 1 121 g tt LF hhPxPWhF t t g P hhPWhF L F x cos )(sin 3 12111 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） ，F1=qFc（KN） q-支架最大支护强度（） 2 mKN Fc-支护面积（m2） 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） 1 h -立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距（m） 2 h -立柱在最高位置时的倾角（度） 解： 已知： ； ； 2 6 . 460mKNq 2 49. 4mFc ； ；mLg861 . 2 3 . 0w ； ；KNPPt25122 2 mh10 . 0 1 ； mh20 . 0