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1、 中国矿业大学2009届毕业设计 第 119 页1 液压支架简介1.1 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，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是一高压液体作为动力，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
2、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。全套图纸，加1538937061.2 液压支架的组成及分类1.2.1 液压支架的组成液压支架由以下六个主要部分组成：顶梁、底座、立柱、掩护梁、活动侧护板、推移机构、操纵控制系统1. 顶梁用途：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。要求：a、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；b、顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；c、顶梁对顶板的覆盖率高；d、顶梁能适应顶板的起伏变化。2. 底座用途：a、为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础；b
3、、与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构；c、将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：a、底座应有足够的强度和刚度；b、底座对底板的起伏变化适应性好；c、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；d、底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；e、底座要能把落入支架内的碎矸排弃到采空区中。3. 立柱用途：a、支撑顶梁，承受载荷的作用；b、调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；c、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。4. 掩护梁用途：a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；b掩护梁承受对支架的
4、水平作用力及偏载扭矩；c掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）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。5. 活动侧护板用途：a、消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；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。6. 推移机构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：a、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，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；b、能承受较大的水平力。7.
5、操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）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，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，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。1.2.2 液压支架的分类液压支架按结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。1、支撑式支架支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑
6、力大，切顶性能好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。支撑式支架有垛式和节式之分。（1）节式节式支架由24个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进，（2）垛式整个支架为一整体结构，整体移动，通常有46根立柱，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。2、掩护式支架掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶能力弱；顶梁短，控顶距小；由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性能好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。3、
7、支撑掩护式支架支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。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。如图所示：每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图1-1所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。图1-1 液压支架
8、工作原理图1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀； 7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管1.3.1 支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1、初撑如图1-1所示，操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。2、承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被
9、封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。3、卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。图1-2 液压支架工作特性曲线由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图1-2，即
10、：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1 ，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2 ，这就是液压支架的阻力-时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。1.3.2 支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱
11、卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.4 液压支架的传动系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。目前支架大都采样容积式液压传动。对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，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
12、护简单。液压支架的液压传动，与其他机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下：工作液的压力高（管路内的压力达2040MPa，立柱内的压力达3070MPa），流量大（30150l/min）；在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体为工作介质；液压缸、操纵阀，其他调节和控制装置等总的数量大（高压泵16台，液压缸3001500个，安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀）；很长的液压管路（200300m刚性管，5003000m高压软管）;泵液压缸传动系统的换算弹性模数较低；根据支架的数目改变液流的参数；所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及他们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）
13、；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序；为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业以及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。1.5 液压支架的选型原则液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面条件，投产后能做到高产，高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条进行选择。1 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。2 当煤层厚度超过1.5m，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。3 当煤层厚度达到2.52.8m以上时，需要选择有护帮
14、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或双伸缩立柱的支架。4 应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。5 煤层倾角10时，支架可不设防倒防滑装置；1525时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置；25时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。6 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。7 当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤时，支架最大采高一般3.5m；硬煤时，支架最大采高5m
15、。8 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。9 断层十分发育，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在58m2，时间在20min以上时，暂不宜采用综采。10特殊架型的选择可根据特殊型支架的适用条件进行选择。1.6 设计液压支架的目的、要求和参数1.6.1 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求，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求量是很大的。由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不
16、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。1.6.2 设计要求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，中厚煤层一般为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
17、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，尽可能减轻支架的重量。11要易于拆卸，结构简单。12液压元件要可靠。1.6.3 设计时必须的参数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，验算通风断面。4底板岩性和小时涌水量根据底板岩性和小
18、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，决定是够选用防滑防倒装置。7井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。8配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。2 液压支架各部件尺寸的确定2.1 液压支架高度和伸缩比2.1.1 支架高度的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变化等因素来确定：支架的最大结构高度支架的最小结构高度 式中煤层最大高度，；煤层最小高度，；考虑伪顶冒落的最大厚度，对于大采高支架取200400mm，对于中厚煤层支架取200300mm，对于薄煤层支架取100200mm。取；
19、考虑周下沉量，移架时支架的下降量和顶梁上、地板下的浮矸之和，对于大采高支架取500900mm，对于中厚煤层支架取300400mm，对于薄煤层支架取150250mm。取； 2.1.2 支架伸缩比支架的伸缩比是指最大与最小支架高度之比：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3。一般范围在1.52.5，由于伸缩比较大，本支架采用双伸缩立柱。2.2 支架间距的确定支架间距就是指相邻支架中心线间的距离。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。当
20、支架中心距为1.5m时，最小宽度一般取14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为1.75m时，最小宽度一般取16501680mm，最大宽度一般取18501880mm。当支架中心距为1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度取1150l180mm最大宽度取11201150mm。如果顶梁不带活动侧护板，则宽度一般取1150l200mm。支架间距b主要根据支架型式，但目前主要根据刮板运输机油槽每节长度及槽帮上千斤顶连接的位置来确定，目前我国刮板运输机溜槽每节长度为1.5m或1.75m,千斤顶连接位置在刮板槽中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。轻
21、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。大采高支架为促高稳定性中心距可采用1.75m， 但由于这次支架属于大采高。故取b=1.75m。顶梁宽度取1640mm。2.3 底座尺寸的确定底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，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。通常，掩护式支架的底座长度取约3.5倍的移架步距（一个移架步距为800mm）。因此，本支架取底座长度为2900mm。底座宽度在保证移架时不咬架的前提下，应尽可能加宽，以提高
22、支架的横向稳定性。底座宽度一般为中心距减去100150mm。当中心距为1.5m时，底座宽度一般取13501400mm；当中心距为1.75m时，底座宽度一般为16001650mm。所以本次设计取底座宽度为1600mm。2.4 四连杆和掩护梁长度的确定2.4.1 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的部件之一，其作用概括起来有两个：1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线，从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。2、能承受较大的水平力。2.4.2 四连杆机构的特点为使支架能更可靠的工作，四连杆机构应具备以下特点：1、支架从最高高度
23、降到最低高度时，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。 图2-1 2、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，如图2-1所示，应满足以下要求：支架在最高位置时，P ，Q ；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，,其中f为钢和矸石的静摩擦系数,一般为0.150.3,若取f=0.3，则P=,设计中一般可取P=。而Q角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能降下来，一般取。3、由图2-1可知，掩护梁与顶梁铰点e和瞬时中心O之间的连线与水平线的夹角为，设计
24、时，要使范围内，主要原因是角直接影响附加力大小。掩护式支架最好小于0.16。4、支架工作段要求曲线向前凸的一段，如图2-1所示的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有前移的趋势，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，防止啃底，有利于支架移架；并且水平力的合力也相应的有所减小，减轻了掩护梁的外负载。5、后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I=0.450.61；支撑掩护式支架为I=0.610.82。6、前后连杆上铰点之距和掩护梁的比值I1=0.220.3 。2.
25、4.3 四连杆各长度的计算四连杆机构简图如图2-2所示，图2-2图中H1为支架在最高位置时的计算高度。其值为支架的最大结构高度减去掩护梁上铰点与顶梁顶面之距和后连杆下铰点与底座底面之距。即在图2-1中的L10和L9尺寸。L10一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，再根据结构的合理性确定，一般支架取L10=150200mm，重型支架可取L10=210260mm。本次设计取L10=250mm。L9一般根据支架的最小高度确定，薄煤层支架取L9=150250mm，中厚煤层支架取L9=250450mm，大采高支架取450600mm。本次设计取L9=450mm。 所以：为计算方便，如图2-2，本次
26、设计中我们约定：；。 2.4.3.1 后连杆与掩护梁长度的确定如图2-2所示，根据几何关系可得，支架在最高位置的H1值为：1、因此掩护梁长度G的值为：2、后连杆长度A的值为：3、后连杆下铰点至坐标原点之距E1：2.4.3.2 前连杆长度和位置的确定1、前连杆上铰点与后连杆上铰点之距为：2、前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距为：3、前连杆长度及位置的计算：图2-3 前连杆计算图支架由高到低，掩护梁上铰点e的运动轨迹为双扭线，根据支架几何特征的要求，为使曲线最大宽度尽量取小，可以把e点的运动轨迹看成理想的直线运动，从而求出前连杆的位置及长度。认为支架由高降低时，e点在垂直线上运动，根据设计经验，可以选
27、取3个点，认为当e点沿理想垂直线由最高向最低运动时，经过这3个点。为此，如图2-3所示，取e1,e2,e3。其中e1 点是支架在最高位置时掩护梁上铰点的水平坐标；e3是支架在最第位置时掩护梁上铰点的水平坐标；当后连杆与掩护梁轴线夹角由大于90度，到小于90度，在中间一定有一位置是掩护梁与后连杆处于垂直状态，e2即使此时掩护梁上铰点的水平坐标。根据这三个位置，可以求得b1,b2,b3三点，其中b1是支架在最高位置时前连杆上铰点坐标；b3是支架在最低位置时前连杆上铰点坐标；b3是掩护梁与后连杆处于垂直时前连杆上铰点坐标。(a) b1点坐标：(b) b2点坐标： 根据四连杆机构几何特征要求，支架降到
28、最低时，=2530度，为计算方便令25度，即0.436弧度，则(c) b3点坐标： 其中： (d) 前连杆下铰点c的坐标根据图2-3支架在三个位置的几何关系可知，C点就是b1，b2，b3三点为圆的圆心，cb1即是前连杆的长度。因此可以用圆的方程求得前连杆的长度即： 式中Xc、Yc为C点坐标，可以按下列方程联立求得： 联立以上两式可得： 若令： 则： 以上（Xc,Yc）即是前连杆下铰点的坐标。因此，前后连杆下铰点的垂直距离为：前后连杆下铰点的水平距离为：2.4.4 用程序优化四连杆机构将以上过程写成计算机程序，给出适当的初始条件，利用计算机的快速计算的特性，通过循环求解可以得到理想的结果。程序代
29、码在附录给出，以下是程序界面: 图2-4 四连杆长度优选图2-5四连杆长度调整优选结果如下：A=1680mm；B=605mm；C=1700mm；D=660mm；E=850mm；G=2760mm；e=25mm ；Htd=286mm ；。其中：Htd是双扭线凸弧段对应的高度。2.5 顶梁尺寸的确定2.5.1 影响顶梁尺寸的因素顶梁长度受支架类型和支架采用的支护方式以及配套尺寸的影响。1、支架类型对顶梁长度的影响支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定，稳定和坚硬，周期来压强烈的场合，其顶梁通常较长。掩护式支架通常用于顶板破碎顶板，所以其顶梁长度应加以限制，以减少顶梁对顶板的反复支撑次数。2、支架工作方式
30、对顶梁长度的影响支架工作方式对顶梁长度的影响如图2-6所示：图2-6 支护方式对顶梁长度的影响支架的支护方式分为超前支护方式和滞后支护方式。支架采用超前支护方式时动作顺序为：降-移-升-推；采用滞后支护方式是动作顺序为：推-降-移-升。从图2-6中可以看出，采用及时支护方式时要求顶梁有较大长度。采用滞后支护方式时要求顶梁长度较短。这是因为采用及时支护方式时支架需要超前输送机一个步距，即当采煤机过后，支架及时前移，支护新暴露的顶板，做到及时支护。3、配套长度对顶梁的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接的关系。为了防止采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑采煤机截割时不一定把煤壁割成
31、一个垂直平面，所以顶梁前端距煤壁应有一段距离，叫做控顶距，最小值为300mm。另外输送机铲煤板前也有一段距离，也是为了采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此之外的所有配套设备都要在顶梁下工作。2.5.2 顶梁长度的计算掩护式支架顶梁长度按下式计算：式中：顶梁长度；配套尺寸，根据所选用的采煤机和刮板输送机的型号确定；底座长度，底座前端距后连杆下铰点之距, =2800mm；e 支架由高到低变化时，顶梁前端点变化的最大距离；e=25mm；梁端距，为防止采煤机截割顶梁而留出的距离, =450mm；掩护梁与顶梁铰点距顶梁后端点之距,=200mm；本次设计配套图如下：图2-7故：mm mm取
32、顶梁长度为mm。2.6 液压支架的性能参数确定2.6.1 液压支架的支护强度支架有效工作阻力与支护面积之比定义为支护强度。顶板所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层厚度。我国已定制了不同顶板等级的支护强度标准，支护强度除可按规定选用外，还可按经验公式结算。 式中：作用于支架上的顶板岩石厚度系数，取截割高度，m。取最大截割高度，岩石密度，一般取故： 2.6.2 液压支架的工作阻力支架支撑顶板的有效工作阻力为： 式中：支架的支护面积， 式中： 支架顶梁长度，； 梁端距，； 支架顶梁宽度，； 架间距，。 偏于安全考虑，取工作阻力为。2.6.3 液压支架的初撑力初撑力的大小对支架的支护性能和成本都有很大
33、影响。较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。一般取初撑力为（0.60.8）倍的工作阻力。初撑力在立柱设计一章计算。2.6.4 支架推溜力和移架力液压支架要有足够的移架力和推溜力，推溜力一般为100150 。本次设计取推溜力为150。移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关，一般根据煤层厚度确定。薄煤层一般为150150，中厚煤层为150300，厚煤层为300400，本次设计取移架力为 350 ；2.7 立柱和千斤顶位置的确定本支架采用双伸缩式立柱。掩护式支架立柱数量为2，倾斜布置,这样可克服一部分水平力,
34、并能增大调高范围。一般支架在最高位置时立柱与顶梁垂线夹角小于,夹角较小可使有效支撑力变大。支架在最低位置时立柱与顶梁垂线夹角小于,由于角度大，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。立柱间距的选择原则为：有利于操作、行人和部件合理布置。本支架立柱间距选0.9m。2.7.1 立柱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顶板条件，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，并以此来确定立柱上、下柱窝的位置。2.7.1.1
35、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，载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化，沿支架宽方向均布。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，为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处，取顶梁为分离体，受力情况如图2-8所示。图2-8顶梁受力分析对A点取距：式中：立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（
36、m） 支架支护阻力（kN），顶梁长度（不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距）（m），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），立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距（m），立柱在最高位置时的倾角（度），。所以：2.7.1.2 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，使支架底座前端比压小，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距离，一般按支架在最低位置时，立柱倾角小于考虑。如图2-9所示：下柱窝位置按下式计算：式中：上柱窝中心距顶梁与掩护梁铰点距离支架在最低位置时的立柱倾角，取支架在最低位置时，掩护梁与水平线夹角支架在最低位置时，后连杆与水平线夹角按
37、下式计算：式中：支架最小结构高度立柱下柱窝中心至底座底面距离(m)，取图2-9下柱窝位置计算故： 2.7.2 平衡千斤顶计算2.7.2.1 平衡千斤顶推拉力的计算平衡千斤顶铰接在掩护梁和顶梁之间，是液压支架中非常重要的受力部件。参考同类液压支架，初取各参数如下，平衡千斤顶的受力如图2-10。图2-10 千斤顶的受拉力千斤顶所受的拉力，按支架在最低位置时作用在顶梁上柱窝之后和所有掩护梁长度上的厚度为最大采高的岩石重量计算。取顶梁和掩护梁为分离体，对瞬心O取钜列平衡方程：得：式中：至掩护梁瞬心O点之距，S=2.65m；立柱至掩护梁瞬心O点之距，b=4.17m；作用在支架后部的岩石重量，(KN)；式
38、中：岩石厚度，按最大采高算，；岩石计算长度，；顶梁最大宽度，；岩石容重，；故：再取顶梁为分离体，对A点取钜列力矩平衡方程，即，可求得平衡千斤顶的拉力，即：式中：j立柱到A点之距，；d平衡千斤顶到A点之距，；故平衡千斤顶拉力为：计算平衡千斤顶推力时，按作用在顶梁中部，在支架最高位置时，对顶梁取分离体，对A点取钜，可得：平衡千斤顶推力为： 2.7.2.2 平衡千斤顶位置及行程的确定以上计算平衡千斤顶受力时，已经初步确定平衡千斤顶的位置，一般对平衡千斤顶有以下要求：支架在最高位置时，平衡千斤顶全部缩回时，支架顶梁应能向下摆一定的角度，一般为15；当支架在最低位置时，平衡千斤顶全部伸出，顶梁应能上翘一
39、定角度，一般为10，此时，掩护梁与顶梁基本平行。根据此要求，为满足平衡千斤顶在支架最低位置时能使顶梁向上翘一定角度，并且在支架最高位置时，顶梁能下摆一定角度，初步确定平衡千斤顶的极限位置如图2-11所示：图2-11平衡千斤顶的极限位置平衡千斤顶的行程：式中：平衡千斤顶最大长度，；平衡千斤顶最小长度，；2.8 通风断面积验算采煤工作面的过风量与采煤工作面的通风断面积相关，采煤工作面的通风断面积不应过小。但在工作面中安装液压支架后，通风断面积明显减小。因此必须验算通风断面积。一般按工作面允许风速进行验算。根据保安规程规定，工作面风速应小于5。采煤工作面风速：式中： V工作面风速，； 支架在采煤工作
40、面的通风断面积，； Q采煤工作面所需风量，。式中： 通风不均系数，一般取=1.5；保安规程允许的朝气含量，一般取；沼气涌出量所需要的风量，；式中： 日产量，=2500 T； q每分钟产生一吨煤沼气涌出量，一般取=10， 。则有: 5，这样支架在工作面的通风断面积满足要求。3 支架立柱及千斤顶设计支架的各部分尺寸确定以后，可以对其进行详细的结构设计。好的结构不但可以使支架外形美观，还可以改善支架的受力状况，使支架受力更合理，能承受更大的外载荷。本章在第二章的基础上对支架进行更进一步的设计。3.1 立柱尺寸确定3.1.1 立柱缸径的确定1、一级立柱的缸体内径：式中：支架工作阻力，；n每架支架立柱数
41、，n=2；安全阀调整压力，；立柱最大倾角，（支架降到最低位置时角最大），。 圆整取取一级缸/柱径：380/270 ； 二级缸/柱径：355/240 ； 2、缸筒材料采用27SiMn无缝钢管。屈服极限：；安全系数：取；允用应力：缸筒所需最小厚度： 考虑到需要安装导向套，选取缸筒内壁厚度为3、二级立柱的工作压力已知二级缸径为270mm，按下式可求得二级缸内的压力：式中：支架工作阻力，；n每架支架立柱数，n=2；二级缸内径，；立柱最大倾角，（支架降到最低位置时角最大），。 4、二级缸筒所需最小厚度： 3.1.2 立柱行程及缸体长度的确定3.1.2.1 双伸缩立柱动作原理双伸缩立柱动作原理如下：图3-
42、11、高压液体从B进入立柱下腔，把中缸推起，同时中缸上腔液体从A排出；2、当中缸全部升起时，由于中缸下腔压力增大而使单向阀打开，液体进入中缸内部，把活柱推起，同时中缸上腔液体从A排出；3、需要降柱时，使液体从A进入立柱，同时进入中缸上腔和立柱上腔，由于中缸底部单向阀无法打开，所以活柱不能缩回。而由于高压液体把液控单向阀K打开，因而中缸可以缩回。当中缸缩回到最低位置时，靠外力把单向阀M顶开，此时，活柱缩回，完成降柱过程。3.1.2.2 立柱的行程及各级缸长度确定径计算，支架在最高位置时立柱长度为3857mm，支架在最低位置时立柱的长度为1918mm。立柱最小行程为：考虑到伸出长度较长，本支架采用
43、双伸缩立柱。立柱示意图如下：1-活柱，2-中缸，3-缸筒图3-2考虑到裕量，将立柱设计成1918-4153mm。立柱最短长度为1918mm，其中中缸行程1070mm，活柱行程为1165mm。立柱最大长度为4153mm。3.2 推移千斤顶尺寸确定推移千斤顶采用单伸缩液压缸1、推移千斤顶的缸体内径：式中：F推移力，F350；泵站压力，； 参考表3-1表3-1千斤顶缸、杆径匹配关系序号缸径()柱径()1140852125753100604804556345取缸径：125；柱径：75 ； 推移千斤顶的实际推力为：推移千斤顶的实际拉力为：2、缸筒壁厚确定缸筒材料采用27SiMn无缝钢管屈服极限：；安全系数：取；允用应力：缸筒内壁厚度： 考虑到在液压缸中处需要安装导向套，选取缸筒内壁厚度为 3、推移千斤顶的行程与推移步距的关，而推移步距又与采煤机截深有关，采煤机截深为800，为保证能够移架到位，推移千斤顶的行程取为900。3.3 平衡千斤顶尺寸确定3.3.1 平衡千斤顶基本参数平衡千斤顶的推力在第二章已经算出其推力为：拉力为：行程为：式中：平衡千斤顶最大长度，；平衡千斤顶最小长度，；3.3.2 平衡千斤顶缸径计算平衡千斤顶采用单伸缩液压缸。1、平衡千斤顶的缸体内径：式中：平衡千斤顶推力，；安全阀调整压力，； 圆整取