机电专业毕业设计】zz4000～17～35型支撑掩护式液压支架的设计

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1、毕业设计说明书 源设计图纸请联系本人，参见豆丁备注。ZZ40001735型支撑掩护式液压支架的设计毕业生姓名：专业：机械设计制造及其自动化学号：指导教师：所属系（部）：机械电子工程系二一四年六月摘 要采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项重要措施。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。而液压支架式综合机械化采煤 方法中最重要的设备之一。本设计介绍了液压支架的发展历程和发展趋势,液压支架的组成、分类以及作用。其设计内容主要包括：选架型，总体结构设计，顶梁、底座、四连杆等主要零部件

2、的设计以及主要零部件的校核和各类液压支架阀的选取。重点是四连杆机构的绘制，液压支架总体结构尺寸分析，以及液压支架顶梁和底座等的受力分析和强度校核。关键词：支撑掩护式液压支架；四连杆机构；顶梁；底座。AbstractThe comprehensive mechanization of coal mining has accelerated the development of Chinas coal industry and raised the labor productivity. It is an important measure to realize the modernization

3、 of the coal industry. The comprehensive mechanized coal mining not only large output, high efficiency, low cost and can reduce heavy manual labor, improve working environment. It is the development direction of the technology of coal industry.This design introduces the development and tendency of h

4、ydraulic support, and describes the composition, classification and function of hydraulic support. This design mainly expounds the design process with Standing shield hydraulic support. The design content mainly includes: choose type of support, design the general structure and the main parts, check

5、ing the main parts and Select the hydraulic valve. This design is focus on drawn four bar linkage mechanism, the analysis of the overall structure size, and Hydraulic support top beam and the base of stress analysis and strength check. Keywords :Standing Shield Hydraulic Support; four bar mechanism;

6、 Top beam; Pedestal.目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 液压支架的发展概况1112第2章 液压支架的结构及工作原理42.1 液压支架的分类42.2 液压支架的整体结构及结构组成5552.3 液压支架的工作原理111111第3章 液压支架的选型133.1 影响架型选择的因素133.2 液压支架的选型过程143.3 液压支架支撑力分布与承载的关系15第4章 液压支架的总体结构尺寸设计174.1 液压支架基本要求和基本参数171717184.2 液压支架的参数确定18181919204.3 四连杆机构的设计20四连杆机构的作用20四连杆机构定位尺寸和极限参数的

7、确定21四连杆机构的绘制234.4 顶梁参数的确定25支架工作方式对支架顶梁长度的影响26顶梁长度计算的有关因素26顶梁长度的计算264.5 立柱位置的确定27支架立柱数的确定27支架立柱的支撑方式和支柱间距的确定2727第5章 液压支架受力分析305.1 液压支架支护技术参数的设计303030313132335.2 支撑掩护式液压支架的受力分析343436液压支架底座的受力分析3738393940第6章 液压支架主要部件的设计42 6.1 前梁426.2 主顶梁426.3 掩护梁426.4 前、后连杆426.5 底座436.6 立柱43 第7章 液压支架的强度校核447.1 顶梁强度的校核4

8、47.2 底座强度的校核507.3 耳板的强度校核55第8章 液压支架的液压系统设计588.1 液压支架传动系统的基本要求588.2 液压支架的传动特点588.3 立柱和千斤顶的液压系统5858608.4 拟定液压系统61结论64参考文献65外文资料66中文翻译71致谢74第1章 绪论1.1 液压支架的发展概况液压支架的设计、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，液压支架设计、制造和使用，将越

9、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0.81m的截深。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400500L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，移架速度达到68s架。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

10、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 特厚煤层

11、一次采全高液压支架。 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。 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。 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。 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。 大倾角工作面支架。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 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。 标准化。为了减轻

12、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。 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。 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。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

13、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

14、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

15、的直径将增加到360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。第2 章 液压支架的结构及工作原理2.1 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

16、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。

17、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。2.2 液压支架的整体结构及结构组成(1) 支撑

18、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

19、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

20、额定值，从而可以有效地支控工作面前端的顶板，防止离层。液压支架由顶梁、底座、掩护梁、前后连杆、立柱、推移装置、操纵控制系统等部分组成。(1) 顶梁顶梁用于支撑维护控顶区的顶板，承受顶板压力，将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。整个顶梁分前梁和主顶梁两部分。前梁由前梁千斤顶支撑，对顶板的适应性较好。铰接前梁端部的支撑力决定于前梁千斤顶的支撑力矩。一般梁的支撑力，未伸出前为200400kN。主顶梁为焊接箱式结构。中间以两根主骨架为主体，在主骨中焊接四个柱窝。在顶梁两侧装有侧护板，根据工作面方向不同可使一侧固定，另一侧活动。要使侧护板固定，只要把弹簧套筒收回，用销子销在销孔中。为了防

21、止销子脱出，用挡板固定。如果销不住，侧护板就在弹簧作用下伸出。顶梁材料选用15CrMo等普通低合金结构钢，取其屈服强度为。顶板采用的钢板厚度为25mm，筋板厚度为40mm。作用： 用于支撑维护控顶区的顶板。 承受顶板的压力。 将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求： 顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏。 顶梁应有足够的刚度，以承受扭力。 顶梁对顶板的覆盖率高。 顶梁能适应顶板的起伏变化。(2) 底座底座为支架的其它结构件和工作机构提供安设的基础，与前、后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构，将立柱和前、后连杆传递的顶板压力传给底板。本底座是由钢板焊接成

22、的箱型整体结构。在底座前端中间焊接有过桥它可以起到对底座的加强作用，另外还要用于固定推移千斤顶，将其一端固定在底座上。除了满足一定的刚度和强度外，对底板不平的适应性要强，对底板的接触比压要小；有足够的空间安装立柱液压控制装置，推移装置和其它辅助装置；便于人员操作行走，起一定的挡煤作用，考虑排煤能力，有一定的重量，以保证支架的稳定性能等。采用整体式底座：这种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，与底板接触面积大，比压小，底座的前端做成滑靴形，以减小支架的移动阻力，同时底座后部重量大于前部避免移架时底座啃底，底座与立柱之间连接处用铸刚球面柱窝接触，以免因立柱偏斜受偏载

23、，并用限位板和销柱限位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间底板去掉一块，增加底座后部比压，同时有利排煤。底座材料选用15CrMo等普通低合金结构钢，取其屈服强度为。底座由厚度20mm、40mm钢板焊接成箱型结构底座与前后连杆链接的销轴孔径为80mm，底座与立柱联接的孔径为40mm。作用： 为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。 与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。 将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求： 底座应有足够的强度和刚度。 底座对底板的起伏变化适应性好。 底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板。 底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置

24、以及液压控制装置。 底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。其常见的结构形式如图2.1所示(3) 掩护梁掩护梁为款面板式箱形结构件。焊接方式与顶梁相似，掩护梁上铰接座与顶梁铰接，下端通过前、后连杆与底座铰接。掩护梁上的侧护板的装配方式与顶梁相同。作用： 掩护梁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。 阻挡并承载采空区冒落的矸石，承受顶板水平推力、侧向力和传递扭转载荷，并保持支架整体的稳定性。 掩护梁和顶梁（包括侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。(4) 前、后连杆 前、后连杆分别与掩护梁和底座铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件，铸

25、件中不得有气孔、砂眼、夹杂等，以免降低强度，嫌少使用寿命。铸后要进行淬火和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度，这里采用整体式。图2.1 底座的结构型式本支架采用正四连杆机构，为使冒落矸石不从连杆处涌入支架内，后连杆为整体式，前连杆为分体式。均为钢板焊接的箱形结构，这种结构有较强的抗拉、抗压和抗扭性能。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、水平作用力和保持稳定。其四连杆机构的作用： 通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，

26、从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能。 能承受较大的水平力。(5) 立柱该立柱为一单伸缩双作用油缸，为了适应顶底板的变化和改善其受力状况，立柱两端均采用球面结构，以便更好地承受顶板压力。为了补充立柱液压行程的不足，加设有机械加长段。在煤层厚度变化不大的工作面，可在安装时一次将加长杆调节到所需要的高度，在回采工作中可不再调节加长杆的长度。加长杆的调节长度为900mm，分3挡，每挡300mm。常见的立柱结构图如图2.2所示。图2.2 立柱类型a单作用活塞式；b单作用柱塞式；c双作用活塞式；d、e、f双伸缩式加长杆的拉出办法：根据采高的要求首先确定加长杆所需伸出的长度，然后把操纵

27、阀打到升柱位置，伸出长度稍大于所需长度；用单体支柱或圆木撑住顶梁；拆卸开口销、销轴、挡套和卡环；把操纵阀打到降柱的位置，使立柱下降，加长杆即可伸出，直到所需要的高度；装上卡环、挡套和销轴及开口销。缩短加长杆的方法：决定了缩短加长杆的数值以后，调节活柱高度，使加长杆的销轴中心高于导向套顶端的距离；用单体支柱或圆木撑住梁顶；拆除开口销、销轴、挡套和卡环、伸出活柱，使加长杆缩进活柱套管，直到所需的高度；装上卡环、挡套、销轴和开口销。作用： 支撑顶梁，承受载荷的作用。 调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求。 立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。(6) 侧护板顶梁侧护板的

28、侧面宽度，按支架升降高度和推移步距来确定。即：考虑到一架升起，另一架降柱时，要保证相邻两架间侧护板不脱离接触，同时考虑到支架降柱后要前移，为防止顶梁后部侧护板接触，顶梁侧护板要加宽，加宽的长度一般为从顶梁后部起大于一个步距，即大于600mm。掩护梁侧护板的测面宽度，主要考虑移驾步距，一般比一个步距大100mm，即相当于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，原来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决定。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

29、，应尽量减少间隙，加强密封性。当一侧侧护板固定，另一侧活动时，为防止支架前移时支架向下方倾倒，一般把活动侧护板安装在支架下方的一侧（采煤工作面倾斜下方的一侧）。具体尺寸及结构见支架结构图。(7) 推移装置作用： 将输送机推向煤壁，保证作业循环。 将液压支架拉向煤壁方向，及时支护顶板。 框架或推杆与底座导向通道共同作为支架、输送机移动时的导向，起一定的防滑作用。(8) 操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀用以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具备以下基本要

30、求： 采用结构简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量； 能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。2.3 液压支架的工作原理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煤设备，它的应用对增加采煤作面产量

31、、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。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2.3所示。 (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

32、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，把输送机图2.3 液压支架工作原理图 1-立柱 2-顶梁 3-掩护梁 4-连杆 5-底座 6-推移装置 7-操纵阀 8-液控单向阀 9-安全阀 10工作面输送机推向煤壁。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2.4所示。图2.4 支架的工作特性曲线t初撑阶段；t增阻阶段；t横阻阶段；P初撑力；P工作阻力当支架立柱

33、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，此阶段为恒阻阶段。第3章 液压支架的

34、选型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。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 厚度超过2.5m，不宜用支撑式液压支架。 厚度不超过2.52.8m时，需要选择带有护帮装置的掩护式或支撑掩护式液压

35、支架。 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。 假顶分层开采，应选用掩护式液压支架。(2) 煤层倾角 倾角在1015 (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 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 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

36、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。基本顶级别按基本项来压强弱来划分。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)

37、和基本顶初次来压步距LP。通常按N和LP，把基本顶分为四级见表3.1。表3.1 基本顶级别基本顶级别IIIIIIIV基本顶来压不明显明显强烈极强烈指标N=350.3N35Lp=25500.350N0.3Lp=2550Lp50N0.3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.基本顶初次来压步距LP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。表中D1按下式计算： 式中 岩备单向抗压强度，MPa；c1 节理裂隙影响系数；c2 分层厚度影响系数； 其中 c1、c2从液压支架设计使用安全辨析中表4-3、4-4中查得。表3.2 直接顶类别 指标 类别III

38、IIIIV不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指数D1l=3l8l=3.17l=918l=7.112l=1925l12l25无直接顶，岩层厚度在25m以上6080参考指标直接顶初次垮落步距l/m(2) 支架架型和支护强度的确定。按表3.3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3.3 支架架型确定参数基本顶级别IIIIIIIV直接定级别12312312344液压支架架型掩护掩护支撑掩护掩护或支掩支撑支掩支掩支撑或支掩支撑或支掩支撑（采高2.5m）或支掩（采高2.5m）液压支架支护

39、强度/(kNm-2)采高1m采高1m采高1m采高1m294343（245）441（343）539（441）1.32941.3343（245）1.3441（343）1.3539（441）1.62941.63431.64411.65392294234324412539应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区注：1.表中括号内数字系掩护式液压支架顶梁上的支护强度。3. 表中采高为最大采高。综上所述，选用支撑掩护式液压支架。3.3 液压支架支撑力分布与承载的关系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。

40、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3.1所示。图3.1 支撑掩护式液压支架的受力状况第4章 液压支架的结构尺寸设计4.1 液压支架基本要求和基本参数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

41、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，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。(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100150kN，中厚煤层一般为150250kN，厚煤层一般300400kN。(3

42、) 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。(1) 顶板条件。根据基本顶和直接顶的分类。(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

43、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)；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 200300mm； 顶板最大下沉量，一般取10

44、0200mm； 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。所以代入式（4-1）、（4-2）得： =3200+300=3500mm =2000-200-50-50=1700mm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1.52.5，煤层较薄时选较大值。但考虑尽量减轻支架重量，降低造价，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

45、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。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 bc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中部槽相连，因此目前主要根据输送机中部槽每节

46、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。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3.5倍(一个移架步距为0.6m，即2.1m左右）；支撑掩护式液压支架的底座长度取移架步距的4倍，即2.4m左右。本设计取2380mm。4.3 四连杆机构的设计四连杆机构的作用

47、具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践经验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了支撑式支架稳定性和力学特性的缺陷，成为液压技术发展史上的一个重要里程碑。四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性；承受和传递外载；保持支架的整体刚度。因此，对液压支架的研究常常离不开对四连杆机构的研究和认识。下面通过对液压支架的运动过程进一步分析四连杆机构的特性和作用。支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁交点E的轨迹所决定。根据机构运动学分析，E点的运动轨迹一般为双纽线，如图4.1所示。合理设计四连杆参数，即可控制E点的运动轨迹，改善支架支护

48、性能，减少连杆受力。支架在最大高度和最小高度范围内运动时，E点的运动轨迹呈3种形式：双向摆动(ABCD段)、单向向后摆动(BC段)和单向向前摆动(AB段和CD段)。选择不同的四连杆参数，可以使E点轨迹处于上述3种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用有下缩趋势。当E点轨迹处于AB段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当E点轨迹处于BC段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。图4.1 支架四连杆机构的运动轨迹从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比

49、顶梁向来空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数，使支架工作段内，E点轨迹处于AB段比较理想。但对于调高范围大的支架，要达到要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使E点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度XE3080mm。液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。 液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件，不具有承受较大横

50、向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。 在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特性来确定。其四连杆机构的几何特性如下： (1) 支架从最高高度降到最低高度时，如图4.2所示顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm,最好为30mm以下。 图4.2 四连杆机构几何特征图(2) 掩护梁上铰点到顶梁顶面之距离H和后连杆下铰点至底座底面之距Y0，当支架高度确定后，要用作图法确定四连杆机构，首先要根据配套尺寸La(此处La=2088mm)。初步确定顶梁长度Lf=2150mm和底座长Le=2380mm，然后确定顶梁与掩护梁铰点相对于后连杆下铰点的水平距离，该铰点至顶梁顶面距H和后连杆

51、下铰点的高度Y0。 H2一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，在根据结构的合理性确定，一般支架距H2=150200mm，重型支架可取H2=210260mm。Y0一般根据支架最小高度确定，薄煤层支架取Y0=150250mm ，对中厚煤层支架取Y0=250450mm，对大采高支架取Y0=450600mm。(3) 支架最大和最小高度时掩护梁与水平夹角Amax和Amin 掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离采空区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到四连杆机构，这对保持支架围岩力学状态的稳定有着显著的作用。其主要表现是：掩护梁载荷参与顶梁的力矩平衡，提高了梁端承载能

52、力；支架受到一个指向煤壁的水平推力，当支架处于支护工况时，有阻止顶板岩体向采空区移动的作用，而当处于移架工况时，有利于克服架体各方面的摩擦力，增强架体运动的稳定性。掩护梁水平投影过大，将增大掩护梁载荷，并承受顶板岩块的冲击载荷，而掩护梁载荷过大将减小顶板支护强度，造成移架困难。一般掩护式支架取Amax5862；支撑掩护式支架取Amax6070。在支架最小支护高度时，掩护梁倾角应保证移架过程中掩护梁背负的矸石能沿梁体下滑，即满足tan Aminf ，其中f 为岩石与钢的静摩擦因数，一般为0.150.3。若取f=0.3，则Amin=17。设计中一般可取Amin=1218。 (4) 掩护梁与后连杆长

53、度比的确定 在用作图法确定四连杆机构时，杆长比主要根据设计经验确定，一般应保证A05，使后连杆在第一象限内摆动。根据近百种支架的统计，掩护梁与后连杆的长度比（Lb+Lc）/Ld ，对两柱掩护式支架一般为1.42.1，对四柱支撑掩护式支架一般为1.21.8。经计算，此处掩护梁与后连杆的长度比=2175/1384=1.57。 掩护梁与前后连杆铰点间的距离可根据支架高度及连杆销子直径确定，一般取300500mm，前后连杆间夹角越大，连杆力越小。 (5) 支架工作段要取曲线向前突的一端，如上图所示的h段。其原因是当顶板来压时，立柱让压而下缩。使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩

54、擦力指向采空区，同时底板阻止底座向后移动。使整个支架产生顺时针方向转动的趋势，从而增加了前梁断部的支护力，防止顶梁前断顶部冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应的减小，由于支架所承受的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁受力。 从以上的分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连机构时曲线运动轨迹应尽量使支架的工作段要取曲线向前突的一段，所以当掩护梁和后连杆长度已知后，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，进行作图就可以了。 (1) 掩护式和支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构形成的条件是：最短杆c和最长杆b之和小

55、于其余两杆长度之和，而最短杆为上连杆（掩护梁），最短杆的对边a为固定杆（底座），即： c+ba+d 各符号表示在4.3图中。 (2) 作图方法 已知条件是支架的最大高度hmax=3500mm和支架的最低高度hmin=1700mm要求在这范围内掩护梁上的铰点上下运动时的轨迹是一条直线或近似直线。水平偏移量不许超过75mm。 作图步骤如下：(1) 确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座底面略高200250mm（或类比同类型支架确定）。(2) 过O点作与底座底面平行的水平线H-H线。(3) 过O点作与H-H线的夹角为Q1的斜线。(4) 在此斜线上截取线段oa，oa长度等于A，a点即为后连杆与掩护

56、梁的铰点。图4.3 四连杆机构(5) 过a点作与H-H线有交角1的斜线，以a点为圆心，以点G为半径作弧交此斜线于一点e，此点为掩护梁与顶梁的铰点。(6) 过e点作H-H线的平行线F-F线，则H-H线与F-F线的距离为H1，为液压支架最高位置时的计算高度。(7) 以a点为圆心，以（0.220.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交于一点b，为前连杆上铰点的位置。(8) 过e点作F-F线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，e点在此直线上滑动）。(9) 在垂线上作液压支架在最高位置时，顶梁与掩护梁的铰点e。(10) 取ee线中间某一点e，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，

57、顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端点运动轨迹的形状、变化宽度等）。(11) 以O点为圆心，Oa为半径作圆弧。(12) 以e点为圆心，掩护梁长ae为半径作弧，交最前面圆弧上一点a，此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。(13) 以e点为圆心，掩护梁长ae为半径作弧，交最前面圆弧上一点a，此点为液压支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。(14) 连接ea、ea，并以a点为圆心，ab长为半径作弧，交ae上于b点；以a点为圆心作弧，ab长为半径作弧，交ae上一点。则b、b、b、三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。(15) 连接aO、aO，为液

58、压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。(16) 分别作bb和bb的垂直平分线，其交点c即为前连杆下铰点，bc为前连杆长度。(17) 过c点向H-H线作垂线，其交点d，则线段Oa、ab、bc、cd和dO为液压支架四连杆机构。(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便可画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e的运动曲线。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来，再按液压支架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来。如图4.4：图4.4 四连杆机构的几何作图法按上述方法作图，得到前连杆的长度为1450mm，与底座的高度为580mm；后连杆的长度

59、为1430mm，与底座的高度为240mm。掩护梁的长度为2175mm，掩护梁前、后连杆铰点长度为490mm，掩护梁与顶梁到前连杆铰点的长度为1570mm。测得e=43.5mm75mm，符合要求。4.4 顶梁参数的确定支架工作方式对支架顶梁长度影响很大，先移驾后推溜的方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；先推溜后移驾的方式（又称滞后支护方式）要求顶梁长度长度较短。这是因为采用先移驾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，先移驾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。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。(1) 支撑掩护式液压支架顶梁长度计算：顶梁长度=（配套尺寸+底座长度+AcosQ1）-(GcosP1+300+e)+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点的距离 (4-4