支撑及支撑掩护式液压支架总体设计及主要部件设计完整版

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1、摘 要在采煤工作面煤炭生产过程中 ，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项工作的正常运行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体用为动力，由液压元件与金属构件组成支护控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序，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炭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自动化不可缺少的主要设备。我所做的设计是液压支

2、架总体设计和主要部件设计，本设计首先对液压支架整体和零部件结构进行分析，对液压支架结构尺寸进行综合分析，再对液压支架进行受力分析和强度计算。重点是对液压支架顶梁的受力分析和计算；用计算机计算液压支架受力；对顶梁、掩护梁、立柱进行强度校核。通过设计对液压支架整体和主要部件有了清楚的认识，掌握了用CAD绘图的技巧。关键词：液压支架；支护性能；采煤设备AbstractIn the coal face Coal production in the coal face，In order to prevent the roof falling maintain a certain room to work

3、，ensure the workers safety，and the normal operation of all the work, must be carried out on the roof support. But the stent is a high-pressure hydraulic fluid used as a driving force, the supporting the roof control equipment is composed of hydraulic components and metal structures, it can realize t

4、he support, cutting the top, and shift-over conveyor, and so on a set of processes, practice shows that the hydraulic support a good supporting performance, high-intensity, fast-shifting, the advantages of safe and reliable. Hydraulic support and flexible conveyor and coal-mining mechanization of in

5、tegrated coal mining equipment its application by the coal face-production, raising labor productivity, lower costs, reduce manual workers and guarantee safe production is indispensable for effective measures. Therefore hydraulic support is technically advanced and economically rational, security, r

6、eliability, is to achieve comprehensive mining machinery automation indispensable for major equipment. The topic of this design is The Overall Design for the Support and Support Cover Hydraulic Support And the Design for the Major Parts.In the design,first of all， I analysised overall of hydraulic s

7、upport , structure and structure size of the parts.Then I analysised stress and calculated intensity. The most important was that I analysised and Calculated the force of Top beam; Calculated the foece of hydraulic support by Computer program; checked the intensity of top beam, beam cover and column

8、. There was a clear understanding of the overall Hydraulic Support and the major parts through the design. Mastered the techniques of the use of AutoCAD.Keywords : Hydraulic Support ; Supporting performance ;Mining equipment第一章 绪论1.1液压支架的发展概况1.1.1液压支架使用现状液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在基本成熟，它已经形

9、成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架，发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展和进步，液压支架设汁、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。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。为减少割煤时间，般采用0.8-1m的截深。支架还采用屈服强度800-1000MPa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40-50

10、MPa，额定流量400-500L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，移架速度达到6-8s架。1.1.2液压支架的发展趋势下面作简单介绍。1)前连杆的油缸的液压支架新产品在不断的改进和研制中，在掩护式和支撑掩护式液压支架中的四连杆机构，克服了顶板作用在支架上的水平力，但当水平力过大时，不能让压，为了安全起见，掩护梁和前、后连杆的强度计算中安全系数比其他构件增加20。为了解决此间题。日前国外正在设计一种前连杆带油缸的液压支架，油缸为双作用单伸缩，上下腔都带安全阀，当顶板水平力大于额定值时，油缸让压，液压支架达到新的平衡，从而在设计时可降低安全系数，减轻了液压支架的重量。2)沿顶板移架的液压支

11、架为适应破碎顶板下使用液压支架的需要，设计了一种不在底板上移架的液压支架，即利用提起底座擦顶移架的液压支架，其底座与节式液压支架类似，为底靴式，质量较轻，架与架之间用液压千斤顶连接起来。3)适用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。设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。(3)水采支架。为适应水采工作面的支护需要，设计一种水采工作面液压支架。(4)重型支架。为适应顶板压力特大的需要，还可将工作阻力设计成较大的液压支架。(5)新型端头支架。为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作，既安全又可靠的新型端头液压支架。(6)大倾角工作面

12、支架。为适应煤层倾角小于等于的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。4)液压支架结构设计的方向（1）轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，使满足强度条件和配套的条件下，底座及顶梁尽量短些，使液压支架轻型化。(2)标准化。为了减轻支架质量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性变小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。(3)材质强化。提高结构性钢材的强度，采用优质钢材，减轻液压支架的质量，设计时可先进行技术经济比较，再选用合理的材质。(4)高压化。各种阀类的压力等级加高相应的强度增高液压支架的质量减轻。5)操作自动化。使阀和油缸的

13、体积减小，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。1.1.3我国液压支架的状况我国液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨其至班产超万吨的记录但总体水个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儿，存些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、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200Lmin以内，供液管直径2532mm，回液管直径2550mm，最快移架速度

14、为1012s架(井下实际应用有时在20s以上)，工作阻力更是相对较低。我国科学工作者经过30多年的努力，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，还应在设计支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。今后，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(68s架)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

15、移架力，尽量采用整体可靠推杆和拾底座机构，并减少于斤顶的数量。另外，将普速采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/mim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，缸的直径将增生360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。1.2液压支架的分类液压支架在采煤工作面的位置来划分，液压支架分端头液压支架和中间液压支架。端头液体支架简称端头支架，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两端以外的采煤工作面上所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式与顶板相互作用

16、的原理来划分，可分为3种基本类型，即：支撑式、掩护式、和支撑掩护式液压支架。支撑式液压支架又有垛式和节式之分。掩护式液压支架又有插腿式和非插腿式之分 支撑掩护式液压支架又有四柱支在顶梁上和两柱支在顶梁上，一柱或两柱支在掩护梁上之分。1)支撑式液压支架支撑式液压支架有垛式和节式两种。垛式支架的作用好像一堆木垛，所以叫它为垛式支架。垛式支架一般具有很长的顶梁。立柱的支撑力通过顶梁完全用于支撑顶板。垛式支架支撑力大切顶性能好，稳定性较好工作空间比较大，容易满足通风的要求。垛式支架由于顶梁较宽又长，移架时顶板暴露的面积较大，在直接顶比较破碎的顶板条件下使用很困难。所以垛式支架仅适用于顶板较坚硬和稳定的

17、煤层。节式支架由前后立柱、顶梁、底座组成一个框节。一架节式支架一般由两个框节组成，也有的由三节或更多的框节组成，所以叫它为节式支架。由于节式支架立杆的支撑力也是完全用于支撑顶板，所以它也属于支撑式支架。它与垛式支架相比，结构比较灵巧，质量较轻。移架时顶板暴露的面积较小，对顶底板的适应性较好，但是它的稳定性很差(容易倒架)。从现在支架发展情况来看，基本被淘汰。2)掩护式液压支架掩护式支架没有支撑部件即顶梁，只有掩护部件，立柱的承载能力完全用以承受掩护梁上的载荷(冒落的矸石)。所以称为掩护式支架。掩护式支架适于顶板特软、特破碎的煤层。3)支撑掩护液压式支架支撑掩护式液压支架的顶梁很长（与垛式支架的

18、顶梁相似)，掩护梁很短，四根立柱组成垛式结构。这类支架对顶板的控制主要是立柱通过顶梁来支撑顶板，掩护梁只隔绝支架后面冒落的酐石，所以称为支撑掩护式液压支架，实质上它是加强挡矸装置的垛式支架。1.3液压支架的工作原理1.3.1 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，维持一定空间，保证工人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，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明，液压支架具有支护性能好、强度大、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织成综合机械化采

19、煤设备，它的应用对增加采煤作面产量、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、安全上可靠的实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.3.2液压支架的动作原理及它的特性曲线形式液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移4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的。其工作原理如图1.1所示。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(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

20、活塞上升，使与活塞扦相连接的顶梁紧密接触顶板。(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，迫使活塞扦下降，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；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。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。图 1.2 支架的工作特性曲线t初撑阶段；t增阻阶段；t横阻阶段；

21、P初撑力；P工作阻力当支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为3个阶段：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，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段；支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至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随着顶板压力继续增加，立柱下腔压力超过支架的安全阀调正压力，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值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调正压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为

22、恒阻阶段。1.4设计目的与设计要求1.4.1 液压支架的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。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(简称综采工作面)。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，对液压支架的要求也不同。为了有效地支护和控制顶板，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是很大的。由此可见，研制和开发新型

23、液压支架是必不可少的一个环节。1.4.2 设计时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。椎溜力一般为100kN；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100-150kN，中厚煤层 一 般为150-250kN，厚煤层一般300-400kN。(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，照明和通信方便。(8)支架的

24、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(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。第2章 液压支架的结构2.1液压支架的整体结构1）支撑式液压支架的结构及液压系统支撑式液压支架的结构由前探梁、后梁、前梁短柱、立柱、挡矸帘、操纵阀、控制阀、复位千斤顶、推移千斤顶、底座箱等组成。液压系统由泵站、立柱、千斤顶、前梁短柱、操纵阀、控制阀和管路等组成。泵站供给的高压液体经主进液管通向各架的操纵阀。各架的回液经主回液管返回泵站。液压系统的主要部分是控制阀和操纵阀。控制阀装在立柱和前梁短柱的活塞控制

25、液路上。操纵阀为二位二通阀的组合体，控制前梁升降、前柱升降、后柱升降和移架推溜等8个动作。2）掩护式液压支架的结构及液压系统。掩护式液压支架的结构由前梁、主梁、掩护梁、侧护板、底座、前后连杆、前梁干斤顶、立柱、操纵阀、控制阀等组成。液压系统采用本架控制，有2种供液压力，立柱、平衡千斤顶、前梁千斤顶的活塞腔用高压，其余的活塞腔用低压。在操纵阀上加一个配液阀，通过单向阀可使在升柱时高低压同时供液，使升柱速度加快，初撑力增大，有效地防止顶板离层。3）支撑掩护式液压支架的结构及液压系统支撑掩护式液压支架的结构由前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。液压系统的特点是在前梁千斤顶的承载腔液路上

26、采用大流量安全阀。升架时前梁千斤顶先推出，前梁端部先接触顶板，在支架继续升起直到顶梁撑紧顶板时，前梁被迫下降，使前梁千斤顶收缩，在此过程中，大流量安全阀过载而大量溢流，从而使前梁千斤顶达到最大工作阻力。这样，前梁对顶板的支撑力能较快地达到额定值，从而可以有效地支控工作面前端的顶板，防止离层。2.2液压支架各部件的结构2.2.1顶梁的结构1）支撑式液压支架的顶梁结构支撑式液压支架顶梁结构型式如图2.1所示。如图2.1a所示为整体刚性顶梁，顶梁为一整体，刚性大承载能力较好，但对顶板的适应性差。如图2.1b、c所示为铰接式顶梁，由前梁和后梁铰接而成，分别由前、后排立柱支承。其中，如图2.27b所示为

27、全铰式，它能适应支架顶梁上方前、后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半铰式顶梁如图2.1c所示，它克服了全铰式的缺点，当顶梁中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于饺接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。如图2.1d所示为刚性顶梁带饺接式前梁，顶梁由前、后梁饺接有前梁千斤顶4，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上、变化和增加顶梁前端的支撑能力。在铰接前梁l处安装下摆角适应顶板起伏为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护档矸帘，还可以增设尾梁3，如图2.1e所示。如图2.1f所示为不带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶5使前梁1

28、伸缩，由于前梁可以及时伸出支护刚暴露的顶板，从而允许固定顶梁减小长度，也可以使前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。图2.1支撑式液压支架顶梁的结构型式1-前梁2-后梁3-尾梁4-前梁千斤顶5-后梁伸缩千斤顶2）掩护式液压支架的顶梁结构掩护式液压支架顶梁结构型式如图2.2所示。如图2.2a所示为平衡式顶梁。顶梁1较短，与其下部的掩护梁4铰接。因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁。顶梁铰接点前、后侧面的比例近似为2：l(按载荷分布近似为三角形设计)。这种顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被冒落矸石堵住，影响支护效果。为此，在顶梁后部加设挡矸板。如图2.2b所

29、示为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除三角区。如图2.2c所示为铰接式顶梁，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积。如图2.2d所示为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶7调节前梁角度，可提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。如图2.2e所示为带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，减少顶梁的暴露时间。铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为如图2.2d、e所示两种型式的结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。图2.2掩护式液压支架顶梁结构型式1-顶梁2-前梁3-后梁4-掩

30、护梁5-立柱6-限位千斤顶7-前梁千斤顶8-平衡千斤顶3）支撑掩护式液压支架的顶梁结构由于支撑掩护式液压支架的结构型式使支撑式和掩护式液压支架的结合，所以支撑掩护式液压支架的顶梁结构可以采用前述诸种型式，但应当根据顶板条件来选取。2.2.3 四连杆机构的结构四连杆机构有两种结构型式。如图2.3所示为前、后连杆是单杆式的结构型式。如图2.4所示为前连杆是单杆、后连杆是整体式的结构型式。前连杆又分为刚性前连杆和伸缩前连杆，伸缩前连杆用油缸来代替。后连杆有直线型和圆弧型，圆弧形有利于矸石下滑。有的支架在后连杆上加侧护板在后连杆上安装一个侧推千斤顶和两个导向筒。图2.3 前、后连杆是单杆式的结构型式图

31、2.4 前连杆是单杆、后连杆是整体式的结构型式2.2.4侧护板的结构型式顶梁和掩护梁的侧护板有两种。一种是侧固定另侧活动的侧护板。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，给调架、防倒等带来不便，所以很少采用。另一种是两侧皆为活动侧护板。利于防倒和调架。侧护板的结构型式如图2.5所示。通常有两种类型。一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型的侧护板又有3种型式，如图2.5a所示，顶梁上无顶板，侧护板

32、易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；如图2.5b、c所示，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。另种是铰接式侧护板，如图2.5d所示。它克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成三角带容易填入碎矸，影响了架间密封效果。图2.5侧护板的结构型式2.2.5底座的结构型式底座的结构型式如图2.6所示，通常有3种类型。（1）整体式。整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定性好强度高不易变形，与底扳接触面积大，比压小。如图2.6a所示的底座用于支撑式液压支架，箱体高度大，便于安装复位装置。如图2.6b所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式或支撑掩

33、护式液压支架。(2)对分式。为使底座在一定范围内适应底扳起伏不平的变化，通常把底座制成前、后或左、右对分式。如图2.6c、d所示为前、后两个底座箱的对分式，两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成。如图2.6e所示为左、右两个底座箱的对分式，两者用弹簧钢板和销轴等连接。(3)底靴式。底靴式底座的特点是每根立柱支承在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，如图2.6f所示。它的结构简单，动作灵活，对底板的不平整适应性强。但刚性差，与底板接触面积小，稳定性差，一般用于节式支架上。各种型式的底座前端都制成滑橇形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部重量大于前部，避免移架时啃底。底座与立柱之

34、间连接处用铸钢球面柱窝接触以免因立柱偏斜受偏载，并用限位板和销轴限位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间去掉一块钢板，减少底座后部与底板的接触面积，增加底座后部比压，同时有利于排矸。图2.6底座的结构型式2.2.6顶梁和掩护梁侧护板上的侧推千斤顶和弹簧筒的组成顶梁侧护板由中间两个侧护千斤顶和外侧两个弹簧筒组成；掩护梁侧护板由中间一个侧推千斤顶和外侧两个弹簧筒组成，如图2.7所示。图2.7 侧护板2.2.7防倒防滑装置的结构 当工作面倾角大于15时，必须考虑液压支架的防倒、防滑问题。支架的防倒防滑措施很多，除了采煤工艺措施（伪斜）、移架顺序、及支架本身的稳定性之外，需要附加一些防倒防滑装置。

35、当倾角小于25时，多在工作面下排头支架上安设有效的防倒防滑装置；而倾角大于25时，除了在排头支架采用防倒防滑装置以外，还要根据倾角的大小、支架型式等因素。在液压支架上也要安设防倒防滑装置。（1）防倒装置有斜拉式和平拉式两种。斜拉式是由斜拉式千斤顶和圆环链组成。千斤顶的一端与需要防倒防滑的支架的顶梁相连，千斤顶另一端与上方的支架底座前下部相连，靠千斤顶的拉力起防倒作用。这种斜拉式防倒装置多用于掩护式和支撑掩护式支架工作面的排头支架。（2）防滑装置有兜角式、底调式和底推式几种型式。兜角式防滑装置的防滑千斤顶安装在排头支架的底座下侧，同千斤顶相连的圆环链通过导链筒与第三架底座后部的铰接座相连。当排头

36、架降架后，收缩防滑千斤顶，即可将排头架底座后部往倾斜上方调整。底调式防滑装置是将相邻支架的底座通过十字连接头与底调千斤顶相连，利用千斤顶的推拉力防止底座下滑，并可调整架间距离。底推式防滑装置一般安设在底座的后下侧，由底推千斤顶和推杆组成，同邻架底座不连接，支架降架后，推出防滑千斤顶，顶往下方支架的底座，便可将本架底座上调，由于推底座的后部，效果较好，得到广泛应用，大多用于工作面支架。所以选用底推式防滑装置。2.2.8掩护梁和底座的连接型式掩护梁与底座的连接，经历了一个发展过程。起初，掩护梁与底座用单铰点连接，这时，立柱伸缩，顶梁铰接点的轨迹为圆弧形；顶梁端部距煤壁的距离，通常称为梁端距，变动甚

37、大，过大的梁端距，会使近煤缝处的顶板冒落，影响安全生产，过小的梁端距，易发生采煤机割顶梁的事故。因此，必须控制梁端距的变化。为解决此问题，先后采用了伸缩掩护梁、伸缩顶梁、改变掩护粱与底座的铰接点位置和四连杆机构。实践证明，用四连杆机构的连接方式优点较多，故为现代掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架所广泛采用。2.2.9立柱的结构立柱是支架的承压构件，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。立柱由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。缸体是立柱的承压部件，一般用27SiMn无缝钢管制成。缸体内表

38、面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度，一般用镗滚压复合加工缸体内表面；活塞是立柱的关键元件，对它的主要要求是保证密封性能良好，运动表面能承受外力的冲击。活柱和活塞杆是立柱传递机械力的重要零件，它要能承受压力和弯曲等载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用27SiMn无缝钢管或45号钢制成。活柱和活塞杆与导向套的配合精度为，表面粗糙为0.4-0.2。为了防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，表面要镀铬，并要注意保护，防止外部硬伤。缸口是缸体与活柱或活塞杆接触的部位，它装有密封圈、导向套和缸盖等主要零件。缸盖和缸体相连接，保证环形腔密封和承压。导向套为活柱和活塞杆导向。导向套与活塞杆表面既要紧密接触又要动

39、作灵活，同时要承受活塞杆形成的横向载荷。导向套的材料通常为聚甲醛或铜合金。导向套内表面与活塞杆的配合精度一般采用，粗糙度不低于。立柱的结构型式如图2.8所示。 图2.8 立柱的结构型式（1）单伸缩双作用立柱（图a）只有一级行程，伸缩比一般为1.6左右。这类立柱结构简单、调整高度方面，缺点是跳高范围小。（2）单伸缩机械加长段立柱（图b）总行程为液压行程l与机械行程l之和。这类立柱的调高范围较大，可在较大范围内适应煤层厚度的变化。但机械行程只能在地面根据煤层的最大厚度调定。这种立柱造价比双伸缩立柱低，应用广泛。所以选用此种立柱。 为需要增加支架最大高度时，可以先拆下四根立柱中对角线上的两根立柱上机

40、械加长杆的卡环，操作支架升柱，支架顶梁升起，带动机械加长杆从立柱中拔出，当达到所调高度时，再把这两根机械加长杆的卡环固定。把支架降至原来高度，拆下另两根机械加长杆的卡环，用同样的方法使这两根机械加长杆达到与前两根相同的高度为止。（3）双伸缩双作用立柱（图c）两级行程都有液压力操纵，总行程为l+ l，可在较大范围内适应煤层厚度的变化，而且可在井下随时调节，其伸缩比可达3。但这类立柱造价高、结构复杂。2.2.10千斤顶 千斤顶是完成支架及其各部位动作、承载的主要元件。大多属于单伸缩双作用，活塞式液压缸。按用途分，有推移千斤顶、前梁千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶、复位千斤顶、调架千斤顶、

41、防倒千斤顶和防滑千斤顶等。千斤顶和立柱都是活塞式动力油缸，因此其工作原理、基本组成以及对零部件的要求等大体相同。但是，与立柱相比，千斤顶仍有一些区别，如：立柱受力大，一般承载力8002800KN；千斤顶受力小，一般为1001000KN。立柱压力高，一般为3060MPa。立柱最长约为4m左右；千斤顶最大长度一般为2m左右。立柱主要承载推力，拉力较小，拉推力相差较大，而千斤顶推拉力均有要求，一般相差不大，有时还要求拉力大于推力。第3章 液压支架的选型原则从液压支架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、由于直接顶类别和基本顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同

42、。所以，为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力与承载的关系进行分析使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。3.1影响架型选择的因素从前面受力分析得知，液压支架的架型选择，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。1)煤层厚度(1)厚度超过2.5m，不宜用支撑式液压支架。(2)厚度不超过2.5-2.8m时，需要选择带有护帮装置的掩护式或支撑掩护式液压支架。(3)煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式液压支架。(4)假顶分层开采，应选用掩护式液压支架。2)煤层倾

43、角(1)倾角在 (支撑式液压支架取下限，掩护式和支撑掩护式液压支架取上限)以上时，应选用带有防滑装置的液压支架(2)倾角在以上时，应选用同时带防滑防倒装置的液压支架。3)底板强度(1)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。(2)为了移架容易，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，应符合煤矿安全规程第一百零五条的要求，并选用通风断面较大的支撑式或支撑掩护式液压支架。5)地质构造断层十分复杂，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在58和20mm以下时，暂不宜使用综采。6)设备成本在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。支撑式液

44、压支架最便宜，其次是掩护式液压支架，最贵为支撑掩护式液压支架。3.2液压支架的选型过程液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学特性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来选取，架型选样过程如下：(1)确定基本顶级别和直接顶类别：基本顶级别的确定。基本顶级别按基本顶来压强弱来划分。基本顶来压强弱取决于垮落带岩石对采空区充满程度N(N为直接顶厚度M与采高h之比)和基本顶初次来压步距通常按N和，把基本顶分为四级见表3.1。表3.1 基本顶级别注：1.比值N应根据采煤工作面所在位置的地质柱状图中M和h来计算 2.基本顶

45、初次来压步距可根据现场实测或矿压显现特征确定直接顶类别按表3.2来确定。表3.2 直接顶类别表中按下式计算： 式中 ：岩备单向抗压强度；：节理裂隙影响系数：分层厚度影响系数：按所测量的节理裂隙间距l查表3.3得到。表3.3 节理裂隙间距表可按所测得的分层厚度查表3.4得到。表3.4 分层厚度表(2)支架架型和支护强度的确定。按表3.5根据基本顶级别和直接顶类别来确定支架架型，再根据基本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)。表3.5 支架架型确定参数注：1.表中括号内数字系掩护式液压支架顶梁上的支护强度。2.3，1.6，2为增压系数。3.表中采高

46、为最大采高。3.3液压支架支撑力分布与承载的关系3.3.1支撑式液压支架的支撑力分布与承载的关系及适用范围1)支撑式液压支架的特点和支撑力的分布支撑式液压支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部，以阻止上部岩层的移动，实现切顶。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板，则处于无立柱支撑状态，仅靠支撑力较小的前梁来维护。故支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀，其预想的支撑力分布规律如图3.1所示。图3.1 支撑式液压支架支撑力分布图2)支撑式液压支架在不同顶板条件下的承载分析(1)支撑式液压支架在中硬以上稳定顶板的受力情况，如图

47、3.2所示。一般来说，支架顶梁承受的顶板压力可视为由两部分组成，其一是直接顶作用在支架上的压力；其二为基本顶通过直接顶间接地作用在支架上的压力。开始，支架只承受直接顶压力，作用点近似位于支架顶梁中部，它相当于均布载荷。周期来压时，断裂带(亦称裂隙带)下沉，其一端通过直接顶间接地作用在支架顶梁上，另一端落在冒落岩石上。作用在支架上的压力为，作用点位于支架顶梁后部，相当于三角形载荷分布。支架承受载荷和，使支架顶梁后部受力大，同时底板对底座后部的反作用力也大。由于支撑式液压支架前梁无立柱，支撑力小，顶梁后部有立柱，支撑力大，所以这种液压支架能适应中硬以上稳定顶板的条件。图3.2 支撑式液压支架在中硬

48、以上稳定顶板的受力情况(2)支撑式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况，如图3.3所示。由于支撑式液压支架顶梁较长，在支架重复支撑过程中(假设顶梁长为4m，支架每前进一次为0.6m，则支架顶梁对顶板的重复支撑次数为67次)，使直接顶破碎冒落，支架顶梁后部出现空顶，使顶板压力前移，合力为，作用点靠近前柱，顶梁载荷呈阶梯状分布，出现支架顶梁前部支撑能力小而载荷大、支架后部支撑能力大而载荷小的受力状态。同时，底板对底座后部的反作用力也小。所以支撑式液压支架不能适应破碎不稳定顶板。图3.3 支撑式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况3.3.2掩护式液压支架的支撑力分布与承载的关系及适用范围1)

49、掩护式液压支架的特点和支撑力分布掩护式液压支架的特点是顶梁较短，控顶距较小，支撑力主要集中在顶梁部位，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑式液压支架大，其支撑力的分布规律如图3.4所示。图3.4 掩护式液压支架支撑力分布图2)掩护式液压支架在不同顶板条件下的承载分折(1)掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况：顶梁受力：由于支架顶梁短，使支架重复支撑次数少，所以顶板较完整。顶板作用在顶梁上的为合力，裁荷分布如图3.5所示。掩护梁受力：由于顶板破碎，在顶梁后部自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上，对掩护梁的作用力可以分解为垂直分力和水平分力，如图3.5所示。掩护式液压支架虽然立柱少，支撑

50、力较小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，裁荷分布与支架支撑力的作用部位基本一致。所以，此种支架能在破碎不稳定顶板下工作。图3.5掩护式液压支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况(2)掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况。掩护式液压支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差受力情况如图3.6所示。直接顶冒落时冒落岩石分别作用在顶梁上和掩护梁上。周期来压时由于顶梁后部顶板不能充分切断。基本顶压力将由整个支架和采空区垮落岩石承担，或者有可能在切顶时，基本顶直接加压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶粱支撑力减少，使支架难以承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种支架不能在中等稳

51、定以上顶板下工作。图3.6掩护式液压支架在中等稳定以上顶板的受力情况3.3.3支撑掩护式液压支架的支撑力分布与承载的关系及适用范围支撑掩护式液压支架是为了改善支撑式液压支架和掩护式液压支架的性能和对顶板的适应性而设计的。主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支撑力和承载能力，所以、此种支架介于以上两种支架之间，提高了适用范围，适用于顶板较坚硬、顶扳压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图3.7所示。图3.7 支撑掩护式液压支架的支撑力分布图第4章 液压支架的结构尺寸设计4.1设计液压支架必需的基本参数（1）顶板条件。根据基本顶和直接顶的分类

52、。（2）最大和最小采高。根据最大和最小采高，来确定支架的最大和最小高度。（3）瓦斯等级。根据瓦斯等级，按煤矿安全规程第一百零五条规定断面。（4）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。(5)煤层倾角。根据煤层倾角，决定是否选用防倒防滑装置。(6)井筒罐笼尺寸。根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。(7)配套尺寸。根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。4.2液压支架的参数确定4.2.1 液压支架的高度确定支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的确定，其最大与最小高度为： （4-1）（4-2）式中 ：支架最小高度；：支架最大高度；：煤层最大厚度(最大采高)

53、；：煤层最小厚度(最小采高)；：考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，一般取200-300mm；：顶板最大下沉量，一般取100200mm；a：移架时支架的最小可缩量，一般取50mm：浮矸、浮煤厚度，一般取50mm。4.2.2 支架的伸缩比和单位缸长行程的确定支架的伸缩比指支架最大与最小高度之比，即。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，垛式液压支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式液压支架的伸缩比为2.5；掩护式液压支架的伸缩比可达3.0。一般范围为1.5-2.5，煤层较薄时选较大值。但考虑尽量减轻支架重量，降低

54、造价，可搞系列化架型，加强支架对顶底板的适应性，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。一般根据单位缸长行程来确定，当0.7，可采用单伸缩立柱。按下式确定： （4-3）式中 ：单位缸长行程；：活塞全部伸出时立柱的总长度；：活塞全部缩回时立柱的总长度；：活塞行程；4.2.3支架的间距确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，按下式计算：式中 ：支架间距(支架中心距)；：每架支架顶梁总宽度；：相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙；n：相邻支架包含的组架数或框架数，整体自移式支架中n1；整体迈步式支架中n=2；节式组合迈步支架中，n支架节数。支架间距要根据支架型式来确定，但由于

55、每架支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节中部槽相连，因此目前主要根据输送机中部槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定。我国刮板输送机中部槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在中部槽中间位置，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。4.2.4 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，应考虑如下方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作行走；保证支架的稳定性等。通常，掩护式液压支架的底座长度取移架步距的35倍(一个移架步距为0.6m，即21m左右；支撑掩护式液压支架

56、的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m左右。4.2.5 用几何作图法来设计四连杆机构四连杆机构设计的几何作图法按如下步骤进行：(1)确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离。(2)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4.1所示。图4.1 掩护梁和后连杆长度的确定设 ：G：掩护梁长度；A：后连杆长度；：点引垂线到后连杆下铰点的距离；：支架最高位置时的计算高度；：支架最低位置时的计算高度。从几何关系出发可以列出如下两式：Gcos 一Acos （4-4）Gcos Acos （4-5）将式(4-4)和式(4-5)联立可得 （4-6）以上关系式说明支架

57、计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离。按四连杆机构几何特征要求，选定、代人式（4-6），可以求得的比值。由于支架型式不同，一般的比值按以下范围来取。掩护式液压支架： 0.450.61支撑掩护式液压支架： 0.610.82 （4-7）支架最高位位时的计算高度为：（4-8）根据的比值和式(4-8)可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A，经过取整后，再重新算出、的角度，这几个参数就确定了。4.2.6顶梁参数的确定1）顶梁长度计算的有关因索支架顶梁长度与配套尺寸有直接关系。同时为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，又考虑到采煤机截割时，不一定把

58、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，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距离。除此以外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护下工作，以此来计算顶梁长度。2）顶梁长度的计算(1)掩护式与支撑掩护式液压支架顶梁长度计算顶梁长度(配套尺寸十底座长度十4cos)一Gcos+300+e+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点的距离式中：配套尺寸：参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套团册确定。底座长度：底座前端至后这杆下铰点的距离； E：支架由高到低顶梁前端点最

59、大变化距离；：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。(2)支撑式液压支架顶梁长度计算：顶梁长度配套尺寸十底座长度-3004.2.7立柱位置的确定1）支架立柱数的确定目前国内支撑式液压支架立柱数为26根，常用为4根，掩护式液压支架为2根，支撑掩护式液压支架为4根。2）支架立柱的支撑方式和支柱间距的确定支撑式液压支架立柱为垂直布置。掩护式液压支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁垂线的夹角小于 (支架在最低工作位置时)，因为角度较大，可使调高范围增加。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。支撑掩护式液压支

60、架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱轴线与顶梁垂线的夹角小 (支架在最高工作位置时)，因为夹角较小，有效支撑能力较大。立柱间距是就支撑式和支撑掩护式液压支架而言的，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液压支架的立柱间距为11.5m。3）立柱柱窝位置的确定（1）掩护式液压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，以此来确定立柱上、下柱窝的位置。立柱上柱窝位置的确定

61、。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顶梁与顶板的接触情况而异。为简化计算，假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度力向按线性规律变化，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13处，取顶梁为分离体，受力情况如图4.2所示。图4.2 顶梁受力分析 对A点取矩： （4-9）式中 x：立柱上柱窝至顶梁和掩

62、护梁铰点的距离，m；：支架支护阻力，kN； g：支架最大支护强度，kN； ：支护面积，； ：顶梁长度(不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端的距离)，m； ：立柱工作阻力之和，kN； ：顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面的距离，m； ：立柱上校窝中心至顶梁顶面的距离，m； ：立柱在最高位置时的倾角； 立柱下柱窝位置的确定。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范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4.3所示。图4.3 下柱窝位置计算图按几何关系列出下列公式进行计算 （4-10） （4-11）将（4-11

63、）代入（4-10）得 （4-12）式中 ：支架最低位置时，后连杆与水平面夹角：支架最低位置时，立柱倾角：支架最低位置时，掩护梁与水平面夹角（2)支撑式和支撑掩护式液压支架柱窝位置的确定根据支撑力分布与顶板载荷相一致的原则，通过受力分析计算，确定柱窝合力作用点位量。根据前、后立柱间行人的要求，对支撑掩护式液压支架还要考虑立柱倾角的要求，分配前、后柱窝位置。4.2.8平衡千斤顶的位置和行程的确定掩护式液压支架中平衡千斤顶的位置应按下述方法计算确定。1）平衡千斤顶安装位置的确定原则。为了保证支架工作的可靠性，支架的支撑力分布(包括立柱的支撑力和平衡千斤顶的推力或拉力等)，必须适应顶板载荷分布。当立柱的上、下柱窝位置确定后，就可以根据顶板载荷分布来确定平衡千斤顶的位置。现按两种情况进行分折。当顶梁前端出现空顶时，顶梁后端载荷加大顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡千斤顶受拉，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端0.27倍顶