机械毕业设计（论文）ZF48002238低位放顶煤液压支架设计【单独论文不含图】

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1、中国矿业大学2013届本科生毕业设计 第89页1 综述液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备。它与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体，实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使长壁采煤技术进入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断的将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右，因此液压支架成了现代采煤技术中的关键设

2、备之一。单独论文不含图，加1538937061.1 放顶煤支架架型的发展与演变放顶煤液压支架是随着放顶煤开采方法应用而生的，综采化机械应用到放顶煤采煤工作面后，放顶煤开采进入一个新发展阶段。由于工作面由液压支架实现可靠、快速的支护，采用采煤机或刨煤机采煤。放顶煤作业在安全可靠的工作条件下进行，从而使工作面产量有明显提高。近年来，综采放顶煤技术在我国得到了迅速的发展和广泛的普及，综采放顶煤正成为一种高产高效的采煤方法。1957年，前苏联研制出KTY型单输送机掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯的托姆乌辛斯克矿使用，开采该矿的2号和45号煤层、煤厚为912m，煤层倾角5 18 ，该放顶煤工作面为预先

3、开采顶煤铺设人工假顶，然后再采底煤。1963年法国研制出用于放顶煤开采的支持掩护式放顶煤液压支架，并于1964年在布朗齐矿区试验成功。该支架为四柱式，尾梁呈“香蕉”型，其摆动角度由千斤顶控制，配有两台输送机，第二台输送机安置于尾梁后部的底板上。放落的煤由第二台输送机运输，结构如图1.1.图1-1“香蕉”型放顶煤液压支架自70年代开始，法国、前西德、英国等国家陆续成功研发“开天窗”的支持掩护式或带插板的支持掩护式放顶煤液压支架。英国研制的“开天窗”式放顶煤支架在掩护梁上开了放顶煤“天窗”，由液压千斤顶控制开关，“天窗”附件设有搅动杆，以便于冒落顶煤，掩护梁上还有钻眼孔，供煤硬不落时打眼放炮。第二

4、台输送机安置在支架后部底座上，结构如图1.2图1-2“开天窗”式放顶煤液压支架法国针对“香蕉”尾梁式放顶煤液压支架存在的问题先后研制成功MB1728S、FB2130S型放顶煤液压支架。MB1728S放顶煤液压支架为四柱掩护式掩护梁通过液压千斤顶控制进行伸缩，便于顶煤冒落装煤。第二台输送机放置在底板上，结构如图1-3 。FB2130S型放顶煤液压支架为四柱支撑掩护式掩护梁上设有落煤窗口，由液压千斤顶控制其开关，落煤窗口内装有一个用于控制的搅动杆，有助于破碎大块煤，并有助于顶煤冒落操作。掩护梁上还有圆孔，用以通过此孔将管子伸向采空区，以便输送氮或泡沫。掩护梁无四连杆机构，而直接与支架底座的尾端相铰

5、接。在顶梁、掩护梁的侧护板及落煤口处装有若干喷嘴，以便喷水除尘。第二台输送机放置在支架后部底座上，结构如图1-4。图1-3 MB1728S放顶煤液压支架图1-4 FB2130S型放顶煤液压支架MB1728S和FB2130S型放顶煤液压支架分别代表了插板式和“开天窗”式放顶煤液压支架的结构特点。这两类支架都配有双输送机运煤，滚筒采煤机采煤，然后由掩护梁上的窗口或插板放出顶煤。这两类支架的主要区别是：插板式放顶煤液压支架重量较轻，后部空间大，易于排放大块煤，而且输送机置于煤层底板上，便于维修。“天窗”式放顶煤液压支架重量较大，支架整体稳定性好，放顶煤输送机置于支架底座之上，便于推移和放顶煤。80年

6、代初期，匈牙利研制成功单输送机前开“天窗”式放顶煤掩护式支架，其结构如图1-5。机采煤炭与放落煤炭均采用单输送机运输，在实际应用中取得了良好效果。图1-5 匈牙利VHP-732型“天窗”式放顶煤液压支架1982年，煤炭科学研究总院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设计，郑州煤矿机械厂制造的FY400-14/28型放顶煤液压支架是我国首次研制成的放顶煤液压支架。1984年在沈阳矿务局蒲河矿投入试验，开始取得了较好的效果。后来因支架的稳定性差，工作面发火中止了试验。虽然没有取得预期的效果，但人们看到了这种新型支架的前景，从此拉开了设计、研制放顶煤液压支架的序幕。经过我国煤炭科技工作者的努力，研制成

7、功了数十种放顶煤液压支架。兖州矿务局东滩煤矿使用国产放顶煤液压支架创造了年产410万t的高产高效记录，这标志着我国放顶煤液压支架的设计、制造走在了世界前列。 我国放顶煤液压支架发展从低位放顶煤液压支架的研制开始，经历了高位、中位，现在又回到低位。最初的放顶煤支架采用的是低位放煤，代表架型是FY400-14/28型放顶煤液压支架，结构如图1-6。1987年平顶山矿务局引进了匈牙利VHP-732型放顶煤支架，该支架在缓倾斜工作面试验，最高月产达5.5万t获得了成功。随即我国研制成了高位放顶煤液压支架，结构如图1.7。由于其放煤口高、放煤口小、存在顶煤损失大、放煤与采煤机割煤不能平行作业、效率低等缺

8、点，已基本淘汰。图1-6 FY400-14/28型放顶煤液压支架图1-7 高位放顶煤液压支架80年代末90年代初，我国研制出中位放顶煤液压支架，结构如图1.8。这种支架比单输送机高位放顶煤液压支架有所改进，有两部输送机，放煤与割煤可以平行作业，提高了效率，放煤口比高位放顶煤支架有所降低。随着放顶煤实践的深入，中位放顶煤支架也暴露出一些突出缺点，主要是放煤口仍然较小，受结构限制，放煤口不能连续，有背脊损失，采出率低，后部空间狭小，维修和清理浮煤不方便，底座前端比压大等。针对中位放顶煤液压支架存在的问题。我国又研制出低位放顶煤液压支架，其结构如图1.9。早期的低位放顶煤液压支架是由铺网液压支架演变

9、而来，其基本结构和铺网支架类似，只是尾梁上加上了插板，用于放煤，低位放顶煤液压支架是目前使用效果较好的架型。北京开采所在研究各种支架特点和使用经验基础上研制出一种反向四连杆低位放顶煤液压支架，其结构更加合理，用途更加广泛。图1-8 中位放顶煤液压支架图1-9 低位小插板放顶煤液压支架1.2 放顶煤液压支架的特点及适应性分析 1.2.1放顶煤液压支架的安全性及适应性要求 采用放顶煤综采的4个重要条件是：地质条件适应性、液压支架选型的正确性、采放工艺的合理性和工作面管理的严格性。其中前两个条件是基础，后者是保证。显而易见要采用放顶煤综采，其中重要的一项工作是正确选择放顶煤液压支架的架型。现阶段我国

10、已在急倾斜特厚煤层、缓倾斜中硬厚煤层（f3.5）、“三软”厚煤层、倾斜厚煤、倾角2035，有了一些放顶煤综采成功的实例。对于合理选择放顶煤液压支架提供了宝贵经验。 . 对缓倾斜中硬煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 缓倾斜条件下的放顶煤工作面约占综放工作面总数的70以上而且地质条件差别大，所以架型选择余地大。选型时一般根据以下原则：必须保证放煤效果。能否把煤放下、放好，是缓倾斜中硬厚煤层开采最突出的问题，也是放顶煤液压支架选型的关键。保证放煤效果，首先是选择放煤的形式，低位放顶煤支架的放煤口是连续的，而且放煤口面积大，有利于大块煤放出，无脊背损失，适用于缓倾斜综放工作面。 保证放落煤的运输

11、空间。双输送机放顶煤液压支架要有足够的后部运输空间，这对缓倾斜中硬煤层长壁放顶煤尤为重要。放煤过程中难免出现大块煤和矸石，如果处理的不好，可能堵塞运输通道，损坏设备。同时，空间太小，也影响设备维修人员通行和安全。 对倾斜厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 倾斜厚煤层放顶煤液压支架的技术关键在于提高其稳定和抗扭性能，提高掩护梁的抗扭能力，保证在大倾角下支架能正常工作。支架各部的密闭性要好，尤其是顶梁端部，防止漏煤、冒顶，切实保证顶梁的接顶性，避免倒架。加大支架初撑力，有利于防止顶煤和上覆岩层过早离层，从而防止顶煤垮落切顶线前移，提高支架的支护性能。提高支架防倒、防滑性能。 对“三软”厚煤层

12、放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 在缓倾斜“三软”条件下，因为顶梁上方是已破碎的顶煤，断裂线前倾已深入到煤壁上方，顶梁太短，冒空区可能达到煤壁附近的上方。因此，高位放顶煤支架不适于“三软”煤层的放顶煤开采，低位放顶煤支架式较理想的架型。 为了防止架前冒顶，要求顶梁或前梁端部承载能力大，并且要把支架控顶的全长范围最大限度的严密封闭起来，有效控制漏顶。除了顶梁外应注意掩护梁和尾梁的密封性能。 在保证对底板合理比压的前提下，适当加大初撑力，有利于端面顶煤的维护。 对急倾斜特厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求，急倾斜特厚煤层放顶煤综采工艺是指煤层倾角大于45、煤层厚度大于20m的条件下，把煤层

13、沿水平分成6-12m的分段，使用以液压支架为主体的综采设备开采的放顶煤采煤法。由于急倾斜特厚煤层矿压小、工作面短，因此，选择的支架应具有工作阻力小、体积小、重量轻、推进速度快等优点。低位放顶煤液压支架比较适合急倾斜特厚煤层综放工作面。1.2.2低位放顶煤液压支架的特点及适应性分析 1.低位放顶煤液压支架的特点 低位放顶煤支架是一种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁，摆动幅度在45左右，用以松动顶煤并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。其主要特点如下： (1)由于具

14、有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高； (2)和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎较为充分，对放煤极为有利； (3)后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤使放煤口不易堵塞； (4)低位放煤使煤尘减少； (5)前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差，支架的稳定性较差； (6)尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差； 这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种支架在缓斜长壁工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索：(1)把四连杆的上连接位置

15、由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架。(2)大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达20t以上。但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力。 (3)增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如ZFPS5200/17/32型支架尾梁端部向上摆动力可达到500kN使用效果良好。(4)后四连杆前连杆设计为Y型，后连杆设计为I型，增大了支架的前、后人行道的宽度并加大了后部的人员工作与维护

16、空间。(5)把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯曲并防止输送机和支架下滑。 前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大且重量也轻。 2.低位放顶煤液压支架的适应性 前四连杆式支架在急斜水平分段放顶煤综采中取得成功，如对四连杆及有关联接件再进一步增加强度，成为定型设备，可以不考虑在急斜条件下使用后四连杆式支架。 缓斜中硬难放煤层在选型时考虑到低位放顶煤液压支架的强度低，又无成功的实例，往往选用中位放顶煤液压支架，但受到放煤口的限制，实际上也未能很好解决其放煤问

17、题。仔细研究各类放煤支架，就会发现只有前四连杆式支架具备大幅度摆动掩护梁破煤的条件。有的低位放顶煤液压支架采取强化四连杆及联接销轴，把摆动掩护梁的千斤顶一端布置在底座上，而不是布置在顶梁上。尽管这种架型尚无满意的效果。但这种探索无疑是很有意义的。 后四连杆式支架在煤层硬度系数f=2左右，层节理比较发育的缓斜厚煤层中使用取得很大成功，如在潞安矿务局五阳煤矿、王庄煤矿和兖州矿务局兴隆庄煤矿、鲍店煤矿。这种架型与设计先进的过渡支架配合使用，创出了新水平，被广泛推广使用。如石炭井矿务局乌兰矿将这种支架与过渡支架、端头支架配套使用，在倾角为24的工作面上取得了成功。由此表明了后四连杆式放顶煤液压支架在缓

18、斜中硬煤层和倾斜厚煤层中均有良好的适应性和使用前景。2 液压支架的整体结构尺寸设计2.1 支架高度、支架间距和底座长度的确定 2.1.1支架高度和支架的伸缩比 1.支架高度 液压支架的支架高度的确定原则：一般应首先确定液压支架所适用煤层的平均采高，根据所采煤层的煤层厚度，采区内矿井的地质条件的变化等因素来确定液压支架的支架高度，按下式确定液压支架的支架高度，即： （mm） ( 2-1 ) (mm) ( 2-2 )式中 ： 液压支架最大高度(mm)；液压支架最小高度(mm)；煤层的最大厚度煤层的最小厚度考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能初撑力所需要的支撑高度，一般取200300mm；煤层顶板最大下沉量

19、，一般取100200mm；移架时液压支架的最小可缩量，一般取50mm；浮矸石、浮煤的厚度，一般取50mm；本次设计给定支架最大高度3800mm，最小高度2200mm。2、支架的伸缩比支架的伸缩比是支架的最大结构与最小结构高度值之比，即： ( 2.3 ) 支架的最大结构高度与最小结构高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架的适用范围越广，但过大的调高范围会给支架的结构设计造成困难，使支架的可靠性降低。由于支架的使用寿命要求较长，并可能被应用在不同的采煤工作面上，所以支架应具有较大的伸缩比。采用双伸缩立柱时，支撑式液压支架的伸缩比为1.9，支撑掩护式液压支架为 2.5，掩护式液压支架可达 3。

20、一般的范围是1.5到2.5，煤层较薄时应选取大值。但考虑应尽量减轻重量而采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加支架的调高范围。一般常根据单位缸长的行程来确定，当单位缸长行程0.7时可采用单伸缩。经计算，支架的伸缩比。 (2.4) 单位缸长行程； 活塞全部伸出时立柱的总长度，mm； 活塞全部缩回时立柱的总长度，mm； 活塞行程，mm。 由支架的最大、最小结构高度，可得活塞的行程为1600mm，而活塞全部缩回时立柱的总长，暂用支架的最小高度2200mm。由此可以得到： 支柱应采用双伸缩立柱,但考虑制造成本及低位放顶煤液压支架的工作条件,选择单伸缩机械加长立柱。2.1.2 支架间距（支架中心距）液压支架

21、的中心距一般等于工作面配套使用的刮板输送机中一节溜槽的长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用1.5m和1.75m。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。 而一般支架间距，则按下式计算： ( 2.5 ) 式中： 支架间距(支架中心距)，mm； 每架支架顶梁宽度，mm； 相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙，mm； 每架所包含的组架的组数或框架数； 整体自移式支架n=1 整体迈步式支架n=2 节式迈步支架n=支架节数。 支架间距要根据液压支架的型式来定，但由于支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，所以目前主要根据输

22、送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶联结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m、1.75m,千斤顶联结块位置在溜槽长度的中间。所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m或1.75m。本文取1.5m。 2.1.3 底座长度底座能够将顶板压力传递到底板并且能够稳定支架。所以在设计支架底座的长度时，应考虑以下的几个方面：液压支架对底板的接触比压要小；支架的内部应该有足够的工作空间以便于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置等；便于工作人员操作和行走；要保证支架能够保持稳定性。 一般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，即底座长度为2.1m左右，支撑掩

23、护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即底座长度为2.4m左右。 本次设计低位放顶煤支架为支撑掩护式，估取底座长度为2400mm.在结构设计中根据结构要求修改为2800mm。2.2 四连杆机构的作用及几何作图法的设计2.2.1四连杆机构的作用1、通过四连杆机构，能使支架顶梁端点的运动轨迹近似双曲线，而使支架顶梁前端的端头离煤壁的距离大大减小，大大提高了管理顶板的性能。 2、能够承受较大的水平力。2.2.2 四连杆机构的几何特征1、支架从最大结构高度降到最小结构高度时，如图2.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度，最好为30以下 2、支架在最大结构位置时和最小结构位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆

24、与底平面的夹角Q，应满足以下要求，如图2.1所示：支架在最大结构位置时，P ，Q ；支架在最小结构位置时，考虑便于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁，根据摩擦理论可知，,假设钢和矸石的摩擦系数取,即：,求得；为了安全可靠在最低工作位置时，应使为宜，而角Q主要考虑掩护梁的底部距底板要有一定的距离，以防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能正常下降，一般取。在特殊情况下需要小角度的Q时，可以提高后连杆下铰点的高度3、 由图2.1可知，掩护梁与顶梁的铰点和瞬时中心O之间的连线与水平线之间的夹角为Q，在进行设计时，要使，其主要原因是Q角直接影响附加力数值的大小。图2-1 四连杆机构几何特征4、支架的工

25、作段要求运动曲线向前凸的一段，如图2.1所示的h段，其原因是：当顶板来压时，立柱让压产生下缩，使顶梁有向煤壁的趋势防止岩石向后移动。对于保持梁端的顶板处于有利的挤压状态，以防止顶板产生离层或断裂，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板相对于底座的作用力向后，底座前端的作用力向后移，从而增加了前梁端部的支护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，有利移架，可防止啃底，更是减少了水平力的合力。由于支架所承受的水平力由连杆克服，所以减轻了掩护梁的受力。 从以上分析得知，为使支架的受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹曲线时，应使支架工作段尽量取曲线向前凸的一段，所以当已知

26、掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点考虑，在进行设计的时侯，把掩护梁和后连杆机构简化成曲柄滑块机构，进行作图计算。掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图2。2所示。图2-2 掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构从图2.2可看出，当掩护梁和后连杆长度已知，只需找到前连杆的长度和位置就可以，具体作法是先顺时针转动后连杆，使支架在支架的最高位置时点向下作近似直线运动，在掩护梁上有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度。从这个观点考虑，按支架在工作时的支架由高到低的顺序，在掩护梁上的前连杆上铰点的运动轨迹上，任找几各点，能够把掩护梁的前连杆上铰点连线

27、的垂直平分的线段所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了。2.2.3 四连杆机构的几何作图法1、 确定掩护梁的上绞点与顶梁顶面的距离和后连杆的下铰点与底座底面的距离 掩护梁的上铰点与顶梁顶面之间的距离根据支架的最大高度确定，一般支架取150200mm，重型支架取210260mm，本次设计取150mm。 后连杆的下铰点与底座地面之间的距离根据支架的最小高度确定，薄煤层中支架取150250mm，中厚煤层中支架取250450mm，大采高的支架取450600mm，本次设计中取450mm。2、 掩护梁与后连杆长度的确定 首先用解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图2.3所示掩护梁长度；后连杆长

28、度；点垂直线到后连杆下铰点之距；支架最高位置时的计算高度；支架最低位置时的计算高度； 从几何关系可以列出: （2.6） （2.7）将以上两式联立解得： （2.8）按四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定：; ; 图2-3 掩护梁和后连杆计算示意图 = = 0.7支架在最高位置时的值为：因此掩护梁的长度为： =取： = 后连杆长度为： = 取： 一般， 故取： 根据掩护梁长度和后连杆长度重新计算出： ; ; 图2-4 液压支架四连杆机构几何关系图 3、几何作图法作图过程 作图步骤： （1）、先确定后连杆的下铰点O点的位置，使它大体上比底座略高，一般范围为200250mm，考虑位置太低安装销子困难

29、，位置太高时底座又笨重。本次根据支架结构取450mm。 （2）、过O点作水平线HH线使与底座相平行。 （3）、过O点作一直线与水平线HH线相交，使两条直线的夹角角度为。 （4）、以O点为圆心，以长度为半径作圆，与上步所绘直线相交于A点，A点即为后连杆与掩护梁的上铰点。 （5）、过A点作一条直线与水平线HH线相交，使两线夹角角度为。 （6）、以A点为圆心，长度为半径作圆，与上步所绘直线相交于，点为掩护梁与顶梁的铰点。 （7）、过点作一直线与水平线HH平行，标为FF直线，则HH线与FF线的距离为h1，此高度为液压支架最高位置的计算高度。 （8）、以A点为圆心，以0.25倍的长度为半径作圆，交于，标

30、为B，B为前连杆的上铰点。 （9）、过点作FF线的垂线。假设在液压支架升降过程中，点运动轨迹近似在此直线上来回滑动。 （10）、在垂线上画出液压支架在最低位置时点，即顶梁与掩护梁的铰点为。 （11）、取E1E3中点为点，为支架在降到中间位置时掩护梁与顶梁的铰点。 （12）、以O点为圆心以为长度半径作圆弧。 （13）、以点为圆心，以掩护梁长为半径作圆，与上步圆弧相交于点，点为支架在降到中间位置时掩护梁与后连杆的铰点。 （14）、以点为圆心，以掩护梁长为半径作圆，与（12）所绘圆弧相交于点，点为液压支架在最高位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 （15）、以点为圆心，以0.25倍的长度为半径作圆，与相交

31、于点。以点为圆心，以0.25倍的L长度为半径作圆，与相交于B2点。B、B1、B2三个点就是支架在三个位置时的前连杆的上铰点。 （16）、连接、，、为液压支架降到中间位置和最低位置时后连杆的位置。 （17）、分别作和的垂直平分线交于C点，C点为前连杆的下铰点，段的长度即为前连杆的长度。 （18）、过点C向HH线作垂线，相交于点。、为液压支架的四连杆机构。 按上述步骤作图，作图结果如图2.5所示图2-5 液压支架四连杆机构作图结果最终确定支架的四连杆机构的各项尺寸为：AO=1478mm AB=528mmBC=1909mm CD=395mm2.3 顶梁长度的确定根据支架的工作阻力和支护强度来确定顶梁

32、长度。2.3.1 支架工作方式对顶梁长度的影响支架的工作方式对支架顶梁长度有很大影响。（1） 先移架后推溜的方式，支护及时，因此要求顶梁有较大的顶梁长度。（2） 先推溜后移架的方式，支护滞后，顶梁长度要求较小。因为在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，以便支架前移及时，能够支护新暴露的顶板，支护及时。 因此，采用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长一个移架步距，一般选为600mm 本次所设计的液压支架要适应各种复杂的顶板情况，选用先推溜后移架的方式，在推溜之前，挑梁要先伸出，进行即时支护，一般挑梁伸出的长度为800mm。2.3.2 顶梁参数的计算梁端距是指移架

33、后顶梁端部至煤壁的距离（C）。由于工作面底板水平起伏不平，输送机和采煤机发生倾斜，采煤机割煤垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留有的安全距离称为梁端距。本次梁端距取300mm。（1） 顶梁长度的计算 支架的支护面积=支架的工作阻力/支架的支护强度 =（梁端距+顶梁长度）中心距 （2.9） 式中：q支架的总工作阻力，N； 支护效率，本次选用0.85； F支架支护面积，；L支架顶梁长度 C梁端距 支架间距（支架中心距）本次支护强度范围0.60.8MPa，支护工作阻力4800KN，求得支护面积5.16.8，顶梁长度3.1m4.2m。液压支架尺寸关系如图2-6所示。图2-6 液压支架尺寸关

34、系 顶梁长度=配套尺寸+底座长度+A*cos（Q1）-G*cos（P1）+300+e+掩护梁与顶梁铰接点至顶梁后端点之距mm 式中： 配套尺寸600+300+800+400=2100mm（MG400/920-WD） 底座长度底座前端至后连杆下铰点之距 2400mm e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离 39mm Q1，P1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 故顶梁长度为。取为3900mm（2） 顶梁宽度因为取中心距为1.5m，有活动侧护板的支架的顶梁宽度取值范围为1.41.6m。本次选取单侧活动侧护板，取支架顶梁的最小宽度为1420mm,最大宽度为1590mm,顶梁的侧护板的

35、侧推千斤顶行程取170mm。顶梁宽度由支架间距和架型来选取，支架的架间间隙为0.2m左右。宽面顶梁一般为1.21.5 m。本次取顶梁宽度为1390mm（不含活动侧护板）。（3） 顶梁覆盖率顶板覆盖率按以下公式计算： （2.10） = 式中：顶梁覆盖率； B顶梁宽度（包括侧护板伸出宽度），mm； L顶梁总长度，mm； b梁端距，mm； k相邻顶梁间间隙，mm;稳定顶板覆盖率值为6070%，对于中等稳定顶板覆盖率值为7585%，对于破碎顶板，覆盖率指应达到8595%。本次设计的顶梁覆盖率：2.4 立柱位置的确定2.4.1 立柱数 目前国内支撑式液压支架的立柱数为26根，常用选为4柱。掩护式液压支架

36、为2柱，支撑掩护式为4柱。本次设计的支架为支撑掩护式，采用单伸缩机械加长杆立柱，故立柱数目取为4。 2.4.2支撑方式 本设计为支撑掩护式液压支架，立柱根据结构的要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱与顶梁垂线的夹角小于,夹角越小,有效支撑能力就越大。所以本次设计前排立柱取,后排立柱垂直布置。2.4.3立柱间距 立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架中的前、后柱的间距。立柱间距的选择应考虑到要有便于操作、行人行走和部件的合理布置。支撑式液压支架和支撑掩护式液压支架的立柱间距一般为11.5m。本次设计的支架立柱间距选1m。3 液压支架的部件结构设计 液压支架的各部件的结构形式与采煤工作面的顶、底板条件和液压支

37、架的结构形式有关，选择时应根据支架的结构和工作面顶、底板条件，对支架的各个部件的结构件进行分析，然后择优进行选择。本次设计液压支架为支撑掩护式后四连杆机构低位放顶煤液压支架3.1 顶梁 顶梁是在采煤工作面中顶板所直接接触的部件，除需满足一定的刚度和强度之外，还应能保证顶板支护的要求，如：顶板覆盖率的足够；对顶板的不平整性的适应，还应该能够避免因局部应力而引起损坏。3.3.1用途顶梁在支护过程中所起到的作用：(1)支撑、维护和覆盖顶板，为采煤工作面提供安全足够的工作空间；(2)将立柱的支撑力传至顶板，并合理地进行分布，对接近采空区的支架后部的顶板起切顶作用，对无立柱空间的顶板起到支撑作用；(3)

38、为护帮、防倒防滑装置等提供依托；（4）将顶板载荷通过立柱和底座传至底板。3.1.2.结构形式液压支架的常用顶梁形式有3种：整体式顶梁、铰接式顶梁和楔形结构式顶梁。铰接式顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般称为顶梁。（1）整体式顶梁 整体式顶梁的特点是：可靠性好，结构简单；顶梁对顶板载荷的平衡能力强；前端支撑力大；能够设置全长侧护板，以改善支架的支护效果，有利于提高顶板覆盖率，减少架间漏矸。简单的整体式刚性顶梁的结构外形如图3.1.1所示。整体式刚性顶梁为宽面板式的箱形结构件。为补偿焊接变形和改善接顶效果，整体顶梁前端(8001000mm)，一般上翘。图3-1-1(a)掩护式支架整体顶梁 图3-

39、1-1(b)支撑掩护式刚性整体顶梁（2）铰接式顶梁铰接式顶梁在前梁千斤顶的推拉下，前梁能够上下摆动，对顶板不平的情况适应能力强。运输时为减小运输尺寸，前梁可以放下与顶梁垂直。前梁千斤顶需有足够的支撑力和连接强度，前梁不宜设侧护板。为能够顺利移架，前梁间一般要留有100150mm间隙，增加了破碎顶板漏矸的可能。如图3.1.2所示 1-前梁 ；2-前梁千斤顶 ；3-顶梁图3-2铰接式顶梁结构铰接前梁图3.1.3(a)与顶梁3.1.3(b)如下图 图3-1-3(a)铰接前梁 图3-1-3(b) 铰接顶梁（3）楔形结构梁楔形结构梁如图3-1-4所示。楔形梁1通过销轴和后梁4铰接，楔块2夹在楔形梁的楔臂

40、与顶粱之间，后端与楔形千斤顶铰接，千斤顶又铰接于顶梁上。 楔形结构梁根据构件之间摩擦自锁原理，通过楔形梁1和顶梁4与楔块2之间的摩擦作用，在受载时楔形梁1、楔块2和后梁4成为个整体，类似于整体刚性顶梁。这样，结构梁就类似于整体刚件顶梁拥有前端支护力大的优点。楔形梁1与后梁4组成的铰接结构，令操作楔形梁的千斤顶伸出或缩回时能够带动楔块进行前后移动，而使楔形梁1能绕铰轴上下来回摆动，楔块的行程和楔角的大小决定其摆动的范围。因为摆动范围相对于铰接顶梁较小，所以该梁又具有铰接顶梁的灵活性。另外，在运输时，缩短运输尺寸，楔形梁1可以放到下垂位置，方便运输和安装。11楔形梁2楔块3楔形梁斤顶4后梁图3-1

41、-4楔形结构梁综上所述，为了适应复杂的顶板情况，选择铰接式顶梁，前梁为能即时支护，采用挑梁的型式，如图3-1-5所示。图3-1-5 本次选取的支架顶梁3.2 立柱立柱长期处于高压受力状态，是支架的承压构件，立柱必须有可靠的工作特性、合理的工作阻力、结构简单、足够的抗弯抗压强度、良好的密封性能，能适应支架支护的工作要求。按动作方式分立柱可分为单作用式和双作用式；按支架种类分立柱可分为活塞式和活柱式；按伸缩方式分立柱可分为单伸缩式和双伸缩式。在本次设计中采用了单伸缩式机械加长立柱。立柱结构如图3-2-1所示：图 310单伸缩式机械加长立柱立柱结构由缸体、缸口、活塞和活塞杆等几部件组成。立柱的承压部

42、件是缸体。一般选用27SiMn的无缝钢管制造。缸体内表面要求很高的加工精度，充当活塞的密封表面。立柱的关键元件是活塞，要求活塞具有良好的密封性能，运动表面能够承受来自外力的冲击。活塞可直接焊在活柱上，或套在活柱上。制作活塞时如果选用钢，为了与缸体内径配合可在活塞上安装导向环。导向环大多数采用塑料制品，也可以用铜合金制成。如果不承受横向力或横向力很小，也可用保护密封圈的尼龙挡圈兼做导向环。活塞依靠密封圈进行密封，如今密封圈有U型、V型、O型、Y型、蕾型、鼓型等。蕾型密封圈是一个由唇内夹橡胶和U型夹布橡胶圈压制而成的单向实心密封圈。它为单向密封，可装入各种液压活塞头和导向套上。在工作压力小于58.

43、8MPa时，可以不加挡圈。鼓型密封圈是由两个U型夹布橡胶圈压制而成的整体实心密封圈，它用于各种活塞的双向密封，与两个L型防挤圈一起使用，适用于工作压力19.658.8MPa时。在工作压力小于24.5MPa时，可以不加挡圈。鼓型和蕾型密封圈装配简单方便，活塞结构简化了，但密封圈的自身加工较复杂。活塞的轴向固定方式有三种：用压盘和螺钉固定；用螺帽加防松螺钉固定；用半圆环加弹性挡圈固定。立柱传递机械力的重要零件是活柱和活塞杆，必须耐磨和耐腐蚀，要能承受压力和弯曲等载荷作用，可用45号钢或27SiMn制成。表面要镀铬，并要注意保护，防止外部硬伤以防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，。缸口在导向套外侧装有钢

44、丝挡圈，内侧装有密封圈和防尘圈用以固定。这种结构简单，装卸方便，这种固定方式使用较多。但要求活塞杆外径与缸体内径之间有比较大的空间。用来固定钢丝和钢丝挡圈的连接方式，不能耐高压。在密封液体压力较高时，采用半圆环结构连接方式。立柱工作原理：当高压液进入中缸的下腔，上腔回液，使中缸伸出。中缸全部伸出后，中缸下腔的压力增大，当超过底阀弹簧调整压力值时，底阀打开，然后高压液进入上柱的下腔，上柱液经中缸的上部小孔排出，使上柱伸起，这为伸柱过程；当降柱时，高压液进入中缸的上腔，下腔回液，中缸下降，中缸下降到底时，底阀被缸底顶开，并且中缸上孔正对上立柱上部的进液孔，立柱上部的进液孔经中缸小孔进入上腔的上部，

45、下腔液通过底阀从立柱的下部回液孔回液，上柱下降。3.3 掩护梁和四连杆机构 3.3.1.掩护梁掩护梁是掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架的掩护构件，防止采空区冒落、矸石涌入工作面，还承受冒落矸石的压力和顶梁分解的水平力。掩护梁采用整体箱形钢板焊接式，掩护梁的上端与顶梁铰接，下部焊有耳座与前后连杆铰接。充分考虑了垮落顶板对梁体可能造成的冲击破坏，以及大采高支架复杂的三维空间受力，强度高，安全系数大。设置单向活动侧护板，防止大采高支架横向倾倒和减少架间漏矸。低位放顶煤支架的掩护梁还连接支架的尾梁与插板，安装尾梁千斤顶，具体结构见图3-3-1。 图3.3.1本次设计支架的掩护梁3.3.2.四连杆机构

46、前、后连杆是四连杆机构中重要的承载和运动部件，与底座和掩护梁的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受水平作用力、围岩载荷和保持支架稳定。对四连杆机构的长度和角度进行合适的设计能使整个高度范围内梁端距的变化在50100mm之间。支架的前连杆设计为双单连杆连成整体的形式，后连杆设计为单连杆。整体连杆是由两根单连杆组焊而成，销轴与销孔最大配合间隙控制在1mm以内，抗扭转能力强，以增强支架的稳定性，用在前连杆。后连杆设计成单连杆，为支架后部节省空间，有利于后部输送机的工作与维护。具体结构见图3-3-2图3-3-3。图3-3-2 本次设计前连杆图3-3-3 本次设计后连杆3.4 底座3.4.1 用途(1

47、)将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。(2)与前、后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。(3)为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。3.4.2 结构形式及特点支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、铰接分体底座和底分式刚性底座。（1）整体刚性底座整体刚性底座如图3-4-1所示，中挡前部一般有一高度50100mm小箱形结构，中挡的后部上方为箱形结构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座的整体刚度和强度好。整体刚性底座立柱柱窝的一般要设计一过桥以提高底座的抗扭能力和整体刚性。底座的接底面积大，有利于减小对底板的比压，但中挡推移机构处易积存浮碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作

48、面支面支架。图3-4-1 整体刚性底座（2）铰接分体式底座如图3.4.2所示，铰接分体底座分为左右相对独立的两部分，从中档处铰接，左右底座在垂直方向无刚性约束，可相对错动。底座对底板不平的适应性好，减少了底座的偏载载荷和扭转，但支架的整体刚性低。波兰采用支架使用铰接分体底座的较多，我国ZY36001735K支架等亦采用铰接分体式底座。目前这种底座结构已较少采用 （3）底分式刚性底座底分式刚性底座如图3-4-3所示。底座底板是中分式的，中挡推移机构直接落在煤层底板上，小挡后部上方为箱形结构，前立柱柱窝前有过桥。由于底分式刚性底座中挡底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸随支架移架从后端排到采空区，不需

49、要人工情理适应高产高效。但减少了底座的接底面积，从而增大了对底板的比压，目前，高产高效工作面的支架一般采用分体刚性底座。图3-4-2铰接分体式底座图3-4-3底分式刚性底座综合以上的分析，本次采用整体刚性底座，它的整体刚度和强度更好。底座的接底面积大，有利减小对底板比压。3.5侧护板顶梁的侧护板装置一般由侧护板、侧护千斤顶、弹簧套简、连接销轴和导向杆等组成。有以下功能：1、 挡矸。可改善顶梁与掩护梁的防矸、护顶性能，隔离与采空区控顶区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘。2、 导向。起导向作用在支架移架时。3、 防倒、调架。其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用，活动侧护板增强了支架

50、侧向稳定性。支架常用的活动侧护板形式有3种，即直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。3.5.1 直角式单侧活动侧护板图3-5-1 直角式单侧活动侧护板 直角式单侧活动侧护板如图3.5.1所示，一侧为活动侧护板，一侧为固定侧护板。固定侧护板就是梁的边筋板，减轻支架重量，可增加梁体强度。直角式单侧活动侧护板适用于工作面倾角小于下的缓倾斜煤层或水平煤层，导向性好和挡矸密封性好。3.5.2直角式双侧可调的活动侧护板直角式双侧可调的活动侧护板如图3-5-2所示，可根据工作面倾角方向，调整一侧固定另一侧活动，适应性强，可用于各种支架。图3-5-2 直角式双侧可调的活动侧护板

51、3.5.3折页式活动侧护板 折页式活动侧护板如图3-5-3所示它结构简单，千斤顶可布置在梁体的外侧，便于维修和拆装，但挡矸、密封性差，矸石易漏泄，移架时导向性差。主要用于顶板较稳定或坚硬的支撑掩护式液压支架，且只能装于顶梁。 顶梁侧护板高度一般为250500mm，薄煤层时支架取下限，大采高时支架取上限。掩护梁侧护板和后连杆侧护板高度根据在支架最大高度时，侧护板水平尺寸等于移架步距加100200mm搭接量的原则确定。 图3-5-3 折页式活动侧护板综上所述，本次设计选取直角式单侧可调的活动侧护板。3.6 千斤顶3.6.1 推移千斤顶 推移千斤顶按连接方式分有直接连接方式、浮动活塞式和框架连接方式

52、。（1）直接连接式推移千斤顶的特点：千斤顶结构简单，但移架力小于推移力，一般用于支撑式液压支架。（2）浮动活塞式推移千斤顶的特点；移架力大于推溜力；多采用浮动活塞千斤顶，减小推溜力；用推杆作导向装置，导向性能好、抗弯强度高；通过推杆，千斤顶分别与支架、输送机相连；千斤顶与推杆位于同一轴线，受力较好，但装置的总长度加大。（3）框架连接式推移千斤顶的特点：移架力大于推溜力，可用于掩护式及支撑掩护式。根据千斤顶的适用性选取框架式推移千斤顶作为本次设计的推移千斤顶。3.6.2 平衡千斤顶平衡千斤顶为双作用缸。平衡千斤顶铰结在掩护梁和顶梁之间使掩护式支架构成稳定结构；调节顶梁成所需要的角度或水平状态，使

53、相邻支架保持良好的密封状态，利用双向控制阀，使平衡千斤顶呈拉力或推力，适应顶板载荷的变化。3.6.3 侧推千斤顶侧推千斤顶的活塞杆固定于活动侧护板上，缸体固定于固定侧护板上。侧推千斤顶的安装位置有如下几种：（1）一侧为活动侧护板，另一侧为固定侧护板时，在固定侧护板一侧的圆筒内装有固定筒，千斤顶装在筒内，其它不变，也可免去另开窗口，保证掩护梁和顶梁的强度，但不利于安装和检修。（2） 安装在掩护梁和顶梁结构的下面，避免在掩护梁和顶梁上开窗口，加强了掩护梁和顶梁的强度，但影响支架的有效空间。 （3） 在掩护梁和顶梁下面另开窗口，把侧推千斤顶装在窗口内，便于检修和安装。为使活动侧护板与活塞杆相连，改换

54、工作面的时侯，侧推千斤顶需要调转180。该支架设计时选用了（1）中的侧头千斤顶安装方式侧推千斤顶的技术参数如下：行程：200mm；缸体内径：63mm；活动杆直径：45mm。侧推千斤顶其它参数见计算部分，具体安装位置见图纸。3.6.4.前梁千斤顶 前梁千斤顶的缸体使用圆销固定在主梁耳座上，活塞杆与前梁相连。前梁千斤顶活塞腔液路上，装有安全阀和液控单向阀，保证前梁的工作阻力与初撑力。前梁有挑梁式和升缩前梁两种，挑梁能使前梁上下摆动，加大前梁端部的支撑力；升缩前梁可及时支护。3.6.5护邦千斤顶 护邦千斤顶的缸体使用销轴固定在前梁上，活塞杆固定在护邦板。千斤顶伸出时，护邦板支撑于煤壁。在千斤顶的活塞

55、腔液路上用液腔单向阀锁紧，加安全阀进行保护。千斤顶缩回时，由于千斤顶活塞杆腔没有液控单向阀锁紧，于是在前梁上加加一个弹簧机械锁。3.7 推移装置设计 推移装置由推移杆、连接头和推移千斤顶等零件组成，其中决定推移装置形式和性能的关键部位是推移杆。推移杆的常用形式有倒拉式长推移杆和正拉式短推移杆两种。 3.7.1短推移杆 短推移杆的一般结构如图3-7-1所示，是由钢板组焊而成的箱型结构件，重量轻，结构简单可靠，被广泛采用。 图3-7-1 短推移杆3.7.2长推移杆 长推移杆常用形式有铰接式、整体箱式和框架式。实践证明，在底板松软和顶板破碎条件下，长框架间经常充满岩块或煤块，清理十分困难。岩块的堵塞

56、，造成推移千斤顶行走通道不通畅。既影响移架速度，又会使长框架弯曲，造成采面推进速度减慢，推移步距减少，顶板稳定性变差。铰接式长推移杆由前后两段箱式结构件组成，通过十字连接头铰接，能够上、下、左、右摆动，如图3-7-2所示。它解决了整体箱式长推移杆更换难的缺点，兼有短推杆和长推杆的双重特点。图3-7-2 铰接式长推移杆 整体箱式长推移杆是由钢板组焊而成的整体箱式结构，如图所示。它的可靠性好、结构简单、防止输送杆和支架下滑的性能好。但在工作面更换难。所以必须有足够大的安全系数。整体箱式推移杆在多种高效工作面使用。 图3-7-3 整体箱式长推移杆 框架式长推移杆由前后两段组成，前段为箱式结构，后段为

57、导向块和双杆式结构，结构如图3-7-4所示。当推移千斤顶缸径超过140mm时，双杆式结构强度难保证，可靠性低。框架式长推移杆适用于中型以下的液压支架。 图3-7-4 框架式长推移杆 在上述的两种推移机构中，短推移杆采用正拉式，千斤顶活塞杆收回为移架，活塞杆伸出为推溜,拉架力小于推溜力，其布置图如图3-7-5。长推移杆采用倒拉式，千斤顶活塞杆伸出为移架，收回为推溜,推溜力小于拉架力，其布置图如图3-7-6所示。 图3-7-5 短推移杆正拉式布置 图3-7-6 长推移杆倒拉式布置 本次设计选择长推移杆倒拉式布置。 3.8 放煤机构设计 低位放顶煤支架的放煤口是由尾梁及其千斤顶和插板或掩护梁和插板形

58、成。其纵向长度根据架型、配套的设备不同而异，横向长度均为架宽，。 3.8.1中四连杆结构的放煤机构设计 支架的掩护梁由铰接在底座上的千斤顶或铰接在顶梁上的平衡千斤顶支撑。掩护梁底部有可伸缩插板，利用千斤顶的伸缩调整放煤口进行放煤，放煤时收回插板，放煤后伸出插板挡住矸石流入后输送机内。这种结构能够满足放煤口、放煤工艺及工作空间的要求。从支架整体设计看，横向稳定性差，极易将千斤顶及其支座损坏，特别是那种由底座上双千斤顶支撑掩护梁的支架，结构如图3-8-1所示。图3-8-1 中四连杆结构的大插板放煤机构 3.8.2后四连杆结构的放煤机构设计 在该支架后部由前后连杆、掩护梁、尾梁和底座形成工作空间，用

59、以布置后输送机和放煤。尾梁及其千斤顶组成放煤机构，能够操纵铰接在掩护梁上的尾梁千斤顶，使尾梁向上转动挡矸或松动顶煤。向下转动尾梁时收回插板进行放煤，可反复多次进行放煤。这种架型稳定性好，操作方便，放煤口大，利于放煤。 尾梁由尾梁体、插板千斤顶、插板、侧护板及其千斤顶组成。尾梁体和插板均为焊接箱体结构，插板千斤顶控制插板在尾梁的导轨上滑动，以实现伸缩。插板千斤顶的行程应满足挡矸要求，尾梁长度的确定应满足工作空间的要求，插板应尽可能加宽以减小架间间隙，如图3-8-2。 图3-8-2 后四连杆结构的小插板放煤机构 本文选择小插板机构，其尾梁可上摆14，下摆33。4 液压支架的受力分析 4.1概述 4.1.1液压支架工作状态 1.顶板状态 在工作面中，当煤采空后，会出现一定的空间。受上部岩层压力，会