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河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表
指導教師：薛銅龍 職稱： 副教授
所在系部（單位）： 機械與動力工程學院 教研室（研究室）： 機械教研室
題 目
ZY3200/15/35液壓支架
學生姓名
尤奇
專業(yè)班級
08機制4班
學號
0828090072
一、選題質量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標，能否體現(xiàn)綜合訓練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟、社會、文化及實驗室建設等實際的結合程度）
1．選題為礦用液壓支架，符合機械設計專業(yè)的培養(yǎng)目標，能夠體現(xiàn)綜合訓練的要求。在設計過程中，對ZY3200/15/35液壓支架的整體架型和零件的設計和計算以及它們的受力分析和強度校核對我來說是以往所學知識的綜合分析和應用，所以能夠滿足綜合訓練的要求。
2．設計任務難易程度較難，ZY3200/15/35液壓支架在設計過程中，對于我來說還是具有一定的難度，相關內(nèi)容很多很復雜，所以這對我來說是一個挑戰(zhàn)。
3．工作量較大，要求完成3張以上的A0圖紙，50—60頁的說明書一份。
4．所選題目ZY3200/15/35液壓支架的設計與實際貼合比較緊密，在實際的應用中比較廣泛。緊密的結合生產(chǎn)和實踐，而且在我們所學課程的范圍之內(nèi)，對我們以后不管是科研還是從事實際的工作都有很大的幫助。
二、開題報告完成情況：
順利完成了開題報告。我們這次設計的是ZY3200/15/35礦用液壓支架，由于之前接觸這方面的知識較少，所以在剛開始時不是很順利，甚至感到有些無從下手，但是經(jīng)過指導老師的指導、與本組同學的商量、在工廠實習觀看實物之后， 我逐漸找到設計的切入點，順利的完成了開題報告。
三、階段性成果：
1．對本次設計進行學習和了解，我收集了大量的資料和文獻，為順利的完成畢業(yè)
設計打下堅實的基礎。
2．在老師的指導和同學的幫助下確定了設計的基本方法，進行了一些基本原理的設計計算，并取得了一定成果。
3．完成了開題報告。
4．對整個設計有一個總體的方案,并進行了前期的一些工作和設計
四、存在主要問題：
1．對ZY3200/15/35液壓支架的一些細節(jié)問題理解還不夠深。
2．獲得的專用資料有限。
五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設計（論文）進展等方面的評語
指導教師： （簽名）
年 月 日
河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目名稱
礦用液壓支架
學生姓名
尤奇
專業(yè)班級
08機制4班
學號
0828090072
一 概況
英國在1954年首次研制出液壓支架后，通過對液壓支架的逐步改進完善，進而普遍推廣應用，使采煤過程中的落煤、裝煤、運煤和支護工序全部實現(xiàn)了綜合機械化。液壓支架電液系統(tǒng)的應用，大大加快了工作面的移架、推溜速度，改善了采煤工作面的支護狀況，使工作面產(chǎn)量成倍增加，安全狀況明顯改善，噸煤成本大幅下降，為煤礦生產(chǎn)的高效安全和煤礦工人的勞動環(huán)境的改變提供了條件。目前，以液壓支架為主題的綜采設備以逐步向程控遙控和自動化方向發(fā)展。
80年代以來世界主要產(chǎn)煤國家的工作面液壓支架發(fā)展十分迅速，尤其是適應高產(chǎn)高效工作面要求的電液控制、快速推移和高可靠性技術使液壓支架的發(fā)展進入了一個新的時期。
二 本課題的研究目的和意義
通過本次畢業(yè)設計，培養(yǎng)學生綜合運用液壓傳動、機械設計、工程理學等課程中所學理論知識的能力；強調(diào)設計的獨創(chuàng)性和實用性，培養(yǎng)和提高設計者獨立分析問題和解決實際問題的能力，為今后適應工作崗位和創(chuàng)造性地開展工作打下堅實基礎。
采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量是很大的。
由于不同采煤工作面的頂?shù)装鍡l件，煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質等的不同，對液壓支架的要求也不同，為了有效的支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸的液壓支架。因此，液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
在過去的半個多世紀中，煤礦井下開采支護設備的設計和使用發(fā)生了巨大變化。其中，最引人矚目的是世界范圍內(nèi)廣泛采用液壓支架作為長臂開采支護工程的主要設備。從采煤設備的發(fā)展過程來看，采用液壓支架管理頂板是當代采煤技術史上一次重要的變革，也是煤礦現(xiàn)代化的主要標志。液壓支架作為綜合機械化采煤的關鍵設備之一，其重量約占綜合采煤設備總重量的80%~90%，其費用約占綜合采煤設備總費用的60%~70%。因此，為了降低成本提高采煤的經(jīng)濟效益，世界各主要產(chǎn)煤大國都一直在積極地開展液壓支架的研究。
三 畢業(yè)設計（論文）進度安排（按周說明）
1 第1-2周進行實習
2 第3-4周寫實習報告并進行資料查找
3 第5周寫開題報告
4 第6-13周進行設計并繪制裝配圖和零件圖
5 第14-15周準備畢業(yè)答辯
四 指導教師審批意見：
指導教師：
年 月 日
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
摘 要
本論文主要闡述了一般掩護式液壓支架的設計過程。設計內(nèi)容包括：選架型、總體設計、主要零部件的設計、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設計。
由于該煤層厚度適中，選用掩護式液壓支架。煤層厚度介于之間，煤層厚度變化較大，選用調(diào)高范圍大且抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。支架采用正四連桿機構，以改善支架受力狀況。頂梁、掩護梁、底座均做成箱體結構；立柱采用雙伸縮作用液壓缸，以增加工作行程來滿足支架調(diào)高范圍的需要。推移千斤頂采用框架結構，以減少推溜力和增大移架力。為了提高移架速度，確保對頂板的及時支護，采用錐閥液壓系統(tǒng)。
關鍵詞：液壓支架 液壓 四連桿機構 采煤 支架選型 推溜 移架
- III -
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
Abstract
The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design.
Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system.
Key word: The hydraulic pressure support , hydraulic pressure , four-link mechanism , mining coal, support shaping push forwards the conveyer, advancing the powered support.
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
目錄
1 前言 1
1.1國內(nèi)外液壓支架的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 1
1.2本課題的研究目的和意義 3
2液壓支架基本理論分析 5
2.1 液壓支架的工作原理 5
2.1.1 支架升降 5
2.1.2支架推移 6
2.1.3 支架承載過程 6
2.2 液壓支架的類型和結構 8
2.2.1 支撐式支架 8
2.2.2 掩護式支架 9
2.2.3 支撐掩護式支架 9
2.2.4 特種液壓支架 10
2.3 對液壓支架的基本要求 10
2.4 設計液壓支架必需的參數(shù) 11
3 液壓支架的總體設計 13
3.1支架的選型設計 13
3.1.1設計的原始條件 13
3.1.2 影響架型選擇的因素 13
3.1.3 支架架型的確定 14
3.2 液壓支架參數(shù)的確定 16
3.2.1支架高度的確定 16
3.2.2支架伸縮比 17
3.2.3支架間距 17
3.2.4底座長度與寬度確定 18
3.2.5初撐力 18
3.2.6 移架力與推溜力 19
3.3四連桿機構的設計 19
3.3.1四連桿機構的作用與缺點 19
3.3.2 四連桿幾何特征 20
3.3.3.四連桿機構各部尺寸的確定 20
3.4頂梁長度與寬度確定 26
3.4.1支架工作方式對頂梁長度的影響 26
3.4.2頂梁長度與寬度計算 26
3.5支架技術參數(shù)和立柱的設計 28
3.5.1立柱布置 28
3.5.2立柱柱窩位置的確定 28
3.5.3 支護面積 30
3.5.4 支護強度 30
3.5.5 確定立柱的技術參數(shù) 31
3.5.6 安全閥壓力與立柱工作阻力的確定 32
3.5.7支護效率 35
3.5.8 底座接觸比壓 36
3.6 千斤頂技術參數(shù)的確定 37
3.6.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 37
3.6.2平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 37
3.6.3推移千斤頂 41
3.6.4側推千斤頂 42
3.6.5 前梁千斤頂 43
3.6.6護幫千斤頂 43
4液壓支架主要部件的設計 44
4.1液壓支架主要部件的設計要求 44
4.2頂梁的設計 45
4.3底座的設計 46
4.4 前梁的設計 46
4.5 掩護梁的設計 47
4.6前、后連桿 48
4.7立柱的設計 49
5 液壓支架受力分析和計算 51
5.1支架工作狀態(tài) 51
5.1.1 頂板狀態(tài) 51
5.1.2支架工作狀態(tài) 51
5.1.3支架受力 52
5.2支架受力計算 52
5.3 頂梁載荷分布 56
6 主要部件的強度校核 58
6.1校核的基本要求 58
6.2頂梁強度校核 59
6.3 掩護梁強度校核 61
6.4 底座強度校核 62
6. 5 立柱強度的校核 63
7 液壓系統(tǒng)設計 66
7.1 液壓支架的液壓系統(tǒng)的簡介 66
7.1.1 液壓支架傳動系統(tǒng)的基本要求 66
7.1.2 液壓支架的液壓傳動特點 66
8結論 68
9 致謝 69
參 考 文 獻 70
1
1 前言
1.1國內(nèi)外液壓支架的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
地下開采的煤產(chǎn)量主要是利用由液壓支架配套的綜采設備產(chǎn)出的。綜采設備的研制和廣泛的運用，對煤炭工業(yè)革新技木裝備不僅有著重大的作用，而且對采煤工藝各個環(huán)節(jié)技術水平的發(fā)展和提高，是強有力的促進因素。
加速現(xiàn)代化進程，必須加速煤炭工業(yè)企業(yè)的建設、改造和革新技術裝備的進程，增加地下開采和露天開采的煤產(chǎn)量。地下開采方法是最復雜和閑難的方法，但是，這種方法在工業(yè)發(fā)達國家和以煤作為—次能源的地區(qū)，仍然普遍應用。而且，開采優(yōu)質煤，包括煉焦煤，都是采用地下開采方法。
綜合機械化采煤是煤炭工業(yè)的一次技術革命，從根本上改變了煤炭工業(yè)的面貌，綜合機械化采煤是20世紀人類科技發(fā)展的重要成果。 綜合機械化采煤技術在我國的研究試驗、使用、發(fā)展，徹底改變了我國煤炭工業(yè)的面貌，降低了工人的勞動強度，提高了產(chǎn)量、勞動生產(chǎn)率和企業(yè)效益，滿足了國民經(jīng)濟建設對煤炭的需求，合理的集中生產(chǎn)簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)安全性。我國綜采技術發(fā)展的30多年，使我國的煤炭生產(chǎn)技術水平跨進了世界先進行列，綜放技術躍居世界領先地位。
工作面支護問題始終是困擾煤礦生產(chǎn)安全、產(chǎn)量和效率的重要問題。以液壓支架為主要設備的綜合機械化采煤(以下簡稱綜采)的誕生和發(fā)展是煤礦生產(chǎn)發(fā)展史上的一次重大革命。不僅從根本上改善了勞動和安全條件，也為工作面產(chǎn)量和效率的迅速提高奠定了基礎。但是綜采設備初期投資高，特別是液壓支架占綜采設備總投資約60%，因此液壓支架的合理選用特顯重要。
30多年來在液壓支架技術不斷發(fā)展中，形成了以煤科總院專業(yè)研究所和骨干支架制造廠設計所為主的支架研究設計隊伍，采用計算機CAD進行各種類型支架的設計，用有限元計算軟件等進行計算，并普及計算機繪圖。我國制訂的緩傾斜工作面頂板分類及其它研究成果為支架設計、選型和使用提供了有力的指導依據(jù)。制造方面形成以原部屬專業(yè)制造廠為主、機械工業(yè)部及船舶制造總公司等專業(yè)廠為輔的制造體系，以及以國家煤礦支護設備質量檢測中心為骨干的檢測隊伍。制定有關支架檢測標準11項，建立了各項支架檢測手段，造就了一支研究、制造和使用液壓支架的龐大隊伍;形成了研制液壓支架的雄厚基礎。不僅能滿足國內(nèi)的需要，還向美國、俄羅斯、土耳其和印度等國家出口液壓支架或成套綜采設備。
為適應我國煤礦綜采機械化的發(fā)展，國內(nèi)綜采設備科研設計和制造企業(yè)已研制開發(fā)出具有較先進技術水平的大功率電牽引采煤機、重型刮板輸送機、電液控制強力液壓支架和多點驅動大運力帶式輸送機。配套設備的生產(chǎn)能力達到1500~2 500 t/h， 在適宜的煤層和礦井條件下，綜采工作面可實現(xiàn)年產(chǎn)300萬噸以上。
新型礦用單體支護設備，采用懸浮式液壓技術原理，生產(chǎn)礦用單體支護設備，技術水平達到了國際領先水平，填補了國際空白。DWX型液壓支柱的柱塞懸浮，密封脹緊，密封補償，無內(nèi)泄漏、無圓弧焊縫等技術和安全特點，具有獨創(chuàng)性。新型礦用單體支護設備的誕生，消除了五十年來國內(nèi)外單體支護設備一直存在的內(nèi)泄漏和圓弧焊縫脆斷等安全隱患問題。解決了深部煤礦開采沖擊地壓條件下回采工作面頂板支護的關鍵技術，結束了由德國人發(fā)明的第二代單體支護設備的歷史，開創(chuàng)了中國人發(fā)明的第三代單體支護技術設備的歷史，并將會長期使用下去。該產(chǎn)品普遍適用于煤礦回采工作面的頂板支護和端頭支護，可廣泛應用于薄煤層、中厚煤層及較厚煤層工作面，是煤礦的重要支護設備。
近10年來主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和四柱掩護式架型發(fā)展，架型結構進一步完善，設計方法更先進，參數(shù)向高工作阻力、大中心距發(fā)展。液壓支架另一重大突破是控制系統(tǒng)，應用電液控制技術，采用電磁控制的先導閥，先進可靠的壓力和位移傳感器，靈活自由編程的微處理機技術，紅外線遙感技術等現(xiàn)代科技成果，使液壓支架的動作自動連續(xù)進行，移架速度大大提高，支架循環(huán)時間達到6~8s。
我國自1973年開始大規(guī)模引進德國、英國等國家的綜采設備，經(jīng)歷了消化、吸收和改進提高的過程，到目前已形成了較完整的設計、制造和科研體系，掩護式液壓支架的制造和采煤技術已有長遠發(fā)展。
1.2本課題的研究目的和意義
采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭增長的日益需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面。由于采煤工作面的底頂板條件、煤層厚度、煤層的物理機械性質等的不同，對液壓支架的要求也不同。為了有效的支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸的液壓支架。因此液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
通過對液壓支架的理論學習，完成液壓支架的設計工作，加深對液壓支架工作原理、工作性能、工作環(huán)境及其結構的認識和了解。通過對液壓支架結構的分析，加深和鞏固機械原理的相關內(nèi)容；通過對液壓支架受力的分析和強度的校核，加深對專業(yè)基礎課理論力學和材料力學及專業(yè)課機械設計相關內(nèi)容的鞏固和理解。同樣通過對液壓支架的設計，能夠更好的認識國內(nèi)外液壓支架的發(fā)展趨勢和發(fā)現(xiàn)目前煤礦液壓支架主要存在的問題，從而為以后更深認的了解和設計液壓支架打下良好的基礎。
通過自己獨立地完成指定的課程設計任務，提高理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力，學會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術文件的能力，進一步加強設計計算和制圖等基本技能的訓練，為畢業(yè)后成為一名出色的機械工程師打好基礎。
現(xiàn)代社會對人才提出了更高的要求，作為一名當代大學畢業(yè)生，不僅打好堅實的專業(yè)知識，還應具備工程技術人才應有的綜合素質。為了適應這一發(fā)展趨勢，我們應立足變傳統(tǒng)的、僵化的、單純的畢業(yè)設計為培養(yǎng)主動學習、提高創(chuàng)新能力、樹立團結協(xié)作精神、強化計算機運用等多維兼容性畢業(yè)設計;同時通過完成畢業(yè)設計，鍛煉學生解決實際工程問題的能力；在整個畢業(yè)設計的過程中，以我們的主動學習為主，教師適時指導為輔；將素質教育也畢業(yè)設計教學相融合，從根本上提高畢業(yè)設計的質量和水平 。
2液壓支架基本理論分析
2.1 液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進，進行移架和推移輸送機。因此，支架要實現(xiàn)升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓液體，通過工作面性質不同的幾個液壓缸來完成的，如圖2.1所示。
圖2.1 液壓支架工作原理
1—頂梁；2—立柱；3—推移千斤頂；4—安全閥；5—單向筏； 6、7—操縱閥；
2.1.1 支架升降
當操作閥處于升柱位置時，從乳化液泵站來得高壓液體通過操縱閥液控單向閥5進入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當操縱閥處于降柱位置時，工作液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。
2.1.2支架推移
支架的前移和推移輸送機是通過操縱閥和推移千斤頂3來進行的。移架時，先使支架卸載下降，再把操縱閥置于移架位置，從乳化液泵站來的高壓液體進入推移千斤頂?shù)那扒患椿钊麠U腔，后腔即活塞腔回液。這時，支架以輸送機為支點前移。移架結束后，再把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥置于推溜位置，高壓液體進入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時輸送機以支架為支點被推向煤壁。
2.1.3 支架承載過程
支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學作用的過程，它包括初撐、承載增阻和恒阻三個階段。
(1) 初撐階段
在升架過程中，當支架的頂梁接觸頂板，直到立柱下腔的液體壓力逐漸上升到泵站工作壓力時，停止供液，液控單向閥5立即關閉，這一過程為支架的初撐階段。此時支架對頂板的支撐力為初撐力。
(2) 承載增阻階段
支架初撐結束后，隨著頂板的下沉，立柱下腔的液體壓力逐漸升高，支架對頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過程為支架的承載增阻階段。
(3) 恒阻階段
隨著頂板壓力的進一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高，當升高到安全閥4的調(diào)定壓力時，安全閥打開溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當降到安全閥的調(diào)定壓力時，安全閥關閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復這一過程。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這是支架的恒阻階段。此時，支架對頂板的支撐力成為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。
圖2.2 支架的工作特性曲線
由上可知，支架工作時，其支撐力與時間的關系，可用支架工作特性曲線表示，如圖 所示，曲線上的、、t2分別表示支架的初撐、增阻、和恒阻階段的時間。
上述工作過程表明：支架在達到額定工作阻力以前具有增阻性，以保證支架對頂板有效的支撐作用；當支架達到額定工作阻力以后，支架能隨頂板的下沉而下縮，即具有可縮性和恒阻性，支架的工作特性決定于立柱、液控單向閥、安全閥和操縱閥的性能和密封的好壞。所以這些元件是支架的關鍵液壓元件
通常液控單向閥和安全閥組合在一起，稱為控制閥。支架的工作阻力是支架的一個重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，通常單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即
(式2.1)
式中 —支架的支護面積，
2.2 液壓支架的類型和結構
液壓支架按其對頂板的支護方式和結構特點的不同，分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種基本架型。
2.2.1 支撐式支架
支撐式支架是出現(xiàn)最早的一種架型，按其結構和動作方式的不同，支撐式支架又分為垛式支架和節(jié)式支架兩種結構型式。垛式支架每架為一整體，與輸送機聯(lián)接并互為支點整體前移。節(jié)式支架由2~3個框節(jié)組成，移架時，各節(jié)之間互為支點交替前移，輸送機用與支架相連的推移千斤頂推移。節(jié)式支架由于穩(wěn)定性差，現(xiàn)已基本淘汰。
支撐式支架的結構特點是：頂梁較長，其長度多在4左右；而且立柱多，一般4~6根，且垂直支撐；支架后部設復位裝置和擋矸裝置。以平衡水平推力和防止矸石竄入支架的工作空間內(nèi)。支撐式支架的支護性能是：支撐力大，且作用點在支架后部，故切頂性能好；對頂板重復支撐的次數(shù)多，容易把本來完整的頂板壓碎；抗水平載荷的能力差，穩(wěn)定性差；護矸能力差，矸石易竄入工作空間；支架的工作空間和通風斷面大。
由上可知，支撐式支架適用于直接頂穩(wěn)定、老頂有明顯或強烈周期來壓，且水平力小的條件。
2.2.2 掩護式支架
掩護式支架的結構特點是：有一個較寬的掩護梁以擋住采空區(qū)的矸石進入作業(yè)空間，其掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端通過前后連桿與底座連接。底座、前后連桿和掩護梁形成四連桿機構，以保持穩(wěn)定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撐力間接作用于頂梁或直接作用于頂梁上。掩護式支架的立柱較少，除少數(shù)掩護式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。這種支架的立柱都為傾斜布置，以增加支架的調(diào)高范圍，支架的兩側有活動側護板，可以把架間密封。通常頂梁較短，一般為3.0mm左右。
掩護式支架的支護性能是：支撐力較小，切頂性能差，但由于頂梁短，支撐力集中在靠近煤壁的頂板上，所以支護強度較大、且均勻，掩護性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復支撐的次數(shù)少，能帶壓移架。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風斷面小。
由上可知，掩護式支架適用于頂板不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定、老頂周期來壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。
2.2.3 支撐掩護式支架
支撐掩護式支架是在吸收了支撐式和掩護式兩種支架優(yōu)點的基礎上發(fā)展起來的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護式支架的結構特點和性能，可適用于各種頂?shù)装鍡l件。
支撐掩護式支架的頂梁由前梁與主梁構成，四根立柱支撐在頂梁和立柱之間，掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端用連桿與底座相連。這種支架的優(yōu)點是：支撐力大，切頂性能強，防護性能好，通風斷面大，穩(wěn)定性好，應用范圍廣。它的主要缺點是：結構復雜，成本較高。
支撐掩護式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾和后傾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，兩排立柱都直接支撐在頂梁上，個別情況下，也有后排立柱支撐在掩護梁上而前排立柱支撐在頂梁上。
2.2.4 特種液壓支架
特種液壓支架是為滿足某些特殊要求而發(fā)展起來的液壓支架，在結構型式仍屬于上述某種基本架型。
2.3 對液壓支架的基本要求
1. 為了滿足采煤工藝及地質條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。
2. 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為100左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100kN~150kN，中厚煤層一般為150kN ~250kN，厚煤層一般為250kN~ 400kN。
3. 防矸性能要好。
4. 排矸性能要好。
5. 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有毒氣體等安全方面的要求。
6. 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠寬的人行道。
7. 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。
8. 支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定植。
9. 要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。
10. 在滿足強度條件下，盡可能減輕支架重量。
11. 要易于拆卸，結構要簡單。
12. 液壓元件要可靠。
2.4 設計液壓支架必需的參數(shù)
1.頂板條件
根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，對支架進行選型。
2.最大和最小采高
根據(jù)最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。
3.瓦斯等級
根據(jù)瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，險算通風斷面。
4.底板巖性及小時涌水量
根據(jù)底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
5.工作面煤壁條件
根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
6.煤層傾角
根據(jù)煤層傾角，決定是否用防倒放滑裝置。
7.井筒罐籠尺寸
根據(jù)井筒罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。
8.配套尺寸
根據(jù)配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度
3 液壓支架的總體設計
3.1支架的選型設計
3.1.1設計的原始條件
煤層厚度：H＝1.8~3.2米；頂設條件老頂II級、直接頂II級，底板平整，無影響支架通過的斷層。工作面配套設備：采煤機：MXA-300/3.5，刮板輸送機：SGZ－730/320。煤層傾斜角小于15度，支護強度、底板抗壓強度、泵站壓力、安全閥調(diào)定壓力40MPa。
3.1.2 影響架型選擇的因素
1) 煤層厚度
煤層厚度不但直接影響到支架的高度和工作阻力，而且還影響到支架的穩(wěn)定性。當煤層厚度大于2.5~2.8m（軟煤取下限，硬煤取上限）時，應選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。當煤層厚度變化較大時，應選用調(diào)高范圍大的支架。
2) 煤層傾角
煤層傾角主要影響支架的穩(wěn)定性，傾角大時易發(fā)生傾倒、下滑象。當煤層傾角大于10~15時，應設防滑和調(diào)架裝置，當傾角超過18時，應同時具有防滑防倒裝置。
3) 底板性質
底板承受支架的全部載荷，對支架的底板影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架底座的結構和支承面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓，其值要小于底板的允許比壓(對于砂巖底板，允許比壓為1.96~2.16MPa，軟底板為0.98MPa左右)。
4) 瓦斯涌出量
對于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通風斷面應滿足通風的要求，選型時要進行驗算。
5) 地質構造
地質構造十分復雜，煤層厚度變化又較大，頂板允許暴露面積和時間分別在5~8和20min以下時，暫不宜采用液壓支架。
6) 設備成本
在滿足要求的前提下，應選用價格便宜的支架。
3.1.3 支架架型的確定
從架型的結構特點來看，由于架型的不同，它的支撐力分布和作用也不同；從頂板條件來看，由于直接頂類別和老頂級別的不同，支架所承受的載荷也不同。所以，為了在使用中合理地選擇架型，要對支架的支撐力、采煤高度與承載的關系進行分析，使支架的支撐力能適應頂板載荷的要求。
根據(jù)煤層厚度1.8~3.2米，屬于中厚煤層。支架的適應高度為1.5~3.5米煤質條件老頂II級、直接頂II級，底板平整，無影響支架通過的斷層，根據(jù)表2.1初步選定為掩護式兩柱液壓支架。
老頂級別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接頂類別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
支架類型
掩護式
掩護式
支撐式
掩
護
式
掩
護
或
支
撐
掩
護
式
支
撐
式
支撐掩護式
支撐掩護式
掩護或支撐掩護式
掩護或支撐掩護式
支撐式
采高小于2.5m時
支撐掩
護式
采高大于2.5m時
支架支護強度
MPa
采高m
1
0.294
1.30.294
1.60.294
>20.249
應結合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū)
2
0.343（0.245）
1.30.343（0.245）
1.60.343
>20.343
3
0.441（0.343）
1.30.441（0.343）
1.60.441
>20.441
4
0.539（0.441）
1.30.539（0.441）
1.60.539
>20.539
表2.1支架架型的選擇
注：①括號內(nèi)的數(shù)字是掩護式支架的支護強度。表中所列支護強度在選用時，可根據(jù)本礦情況允許有%的波動范圍。
②表中1.3、1.6、2分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級老頂?shù)姆旨壴鰤合禂?shù)；Ⅳ級老頂給出最低值2，選用時可根據(jù)本礦實際確定適宜值。
3.2 液壓支架參數(shù)的確定
3.2.1支架高度的確定
支架高度的確定原則，應根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質條件的變化等因素來確定，其最大與最小高度為：
（式3.1）
（式3.2）
hm—煤層最大采高
hn—煤層最小采高
—偽頂冒落的最大厚度，一般取0.2~0.3m
—頂板最大下沉量，一般取100~200mm
—移架時支架的最小可縮量，一般取50mm
δa—矸、浮煤厚度，一般取50mm
本設計采高1.8~3.2m,取支架高度為1.5~3.5m
3.2.2支架伸縮比
支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值為：
（式3.3）
代入數(shù)據(jù)得m=2.33。
3.2.3支架間距
所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。按下式計算：
（式3.4）
式中： —支架間距（支架中心距）；
—每架支架頂梁總長度；
—相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙；
n—每架所包含的組架的組數(shù)或框架數(shù)，整體自移式支架。
支架間距要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂連結塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為1.5m,千斤頂連結塊位置在溜槽中長的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5m。
本次設計取支架的中心距為1.5m。
3.2.4底座長度與寬度確定
底座是將板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設計支架的底座長度時，應考慮如下諸方面：支架對底板的接觸比壓要?。恢Ъ軆?nèi)部應有足夠的空間用于安裝立柱，液壓控制控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作相行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度職3.5倍的移架步距(一個移架步距為0.6m)，即2.1m左右；支撐掩護式支架的底座長度取4倍移架步距，即2.4m左右。本次設計取底座長2.18m。
支架底座寬度一般為1.1~1.2m。為提高橫向穩(wěn)定性和減小對底板比壓，厚煤層支架可加大到1.3m左右，放頂煤支架為1.3~1.4m。底座中間安裝推移裝置的槽子寬度與推移裝置的結構和千斤頂缸徑有關，一般為300~380mm。寬度取1350mm。
3.2.5初撐力
初撐力的大小是相對與支架的工作阻力而言，并與頂板的性質有關。較大的初撐力可以使支架較快地達到工作阻力，防止頂板過早的離層，增加頂板的穩(wěn)定性。對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，為了維護機道上方的頂板，應取較高的初撐力，約為工作阻力的80%；對于穩(wěn)定頂板，初撐力不宜過大，一般不低于工作阻力的60%，對于周期來壓強烈的頂板，為了避免大面積的垮落對工作面的動載威脅，應取較高的初撐力，約為工作阻力的75%。
3.2.6 移架力與推溜力
移架力與支架結構、噸位、支撐高度、頂板狀況是否帶壓移架等因素有關。一般薄煤層支架的移架力為;中等厚度煤層支架為;厚煤層為。推溜力一般為.
3.3四連桿機構的設計
3.3.1四連桿機構的作用與缺點
1．梁端護頂 鑒于四連桿機構可使托梁鉸接點呈雙紐線運動，故可選定雙紐線的近似直線部分作為托梁鉸接點適應采高的變化范圍。這樣可使托梁鉸接點運動時與煤壁接近于保持等距，當梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時，借此可以保證梁端頂板維護良好。
2．擋矸 鑒于組成四連桿機構的掩護梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內(nèi)破碎巖石所賦予的載荷，掩護梁一般做成整體箱形結構，具有一定強度。由于它處在隔離采空區(qū)的位置，故可以起到良好的擋矸作用。
3．抵抗水平力 觀測表明：綜采面給予支架的外載，不但有垂直于煤層頂板的分力，而且還有沿巖層層面指向采空區(qū)方向（或指向煤壁方向）的分力，這個水平推力由液壓支架的四連桿機構承受，從而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱彎曲變形。
4．提高支架穩(wěn)定性 鑒于四連桿機構將液壓支架連成一個重量較大的整體，在支架承載階段，其穩(wěn)定程度較高。
四連桿機構在具有以上諸作用的同時，也有一些缺點。首先，支架在工作過程當中，四連桿機構必須承受很大的內(nèi)力，從而導致支架結構尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機構對頂板產(chǎn)生一個水平力（又稱水平支撐力），因此對支架的工作性能將產(chǎn)生不良影響。
3.3.2 四連桿幾何特征
（1）支架在最高位置時，=52°~62°，即：0.91~1.08弧度；
=75°~85°即1.31~1.48弧度；支架在最低位置時，保證。
（2）后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為I =0.45~0.61;支撐掩護式為I = 0.61~0.82。
（3）前后連桿上絞點之距與掩護梁的比值為0.22~0.3。
（4）點的運動軌跡呈近似雙紐線，支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度mm以下。
（5）支架在最高位置時的應小于0.35，在優(yōu)化設計中，對支撐掩護式支架最好應小于0.16。
3.3.3.四連桿機構各部尺寸的確定
四連桿機構各部參數(shù)如圖3.1所示，圖中的為支架在最高位置時的計算高度。令：=; =; ?b?c?=; =; =; =; =;
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圖3.1四連桿機構參數(shù)圖
1、四連桿的作用
四連桿機構是現(xiàn)代液壓支架主要的穩(wěn)定機構，其主要作用是保證支架縱向和橫向的穩(wěn)定性；承受和傳遞載荷以及保持液壓支架的整體剛度等。對于四連桿的選擇形式，大多數(shù)都是采用前整體后單的形式，這樣可以增加尾部的空間。
具有四連桿機構的液壓支架從問世以來，經(jīng)過長期的實踐考驗，顯示出巨大優(yōu)越性，并從根本上克服了支撐式支架穩(wěn)定性和力學持性的缺陷，成為液壓支架技術發(fā)展史上的一個重要里程碑。
現(xiàn)代掩護式和支撐掩護式支架都用前后連桿把掩護梁和底座連結在一起，這樣組成的雙搖桿四連桿機構可使支架升降時保持比較穩(wěn)定的梁端距，即要求掩護梁和頂梁的鉸接點的運動軌跡近似為一條直線，故稱底座、前連桿、后連桿和掩護梁組成的機構為近似直線機構，從而得到一個近似相等的端面距，以提高管理頂板性能，使支架能承受較大的水平力。
液壓支架升降時，頂梁的運動軌跡是由四連桿機構決定的，既有頂梁與掩護梁的鉸點E的軌跡所決定，其軌跡如圖3.2所示：
圖3.2升降柱運動軌跡
2、支架四連桿機構的運動軌跡
支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運動時，E點的運動軌跡呈3種形式：雙向擺動(ABCD段)、單向向后擺動(BC段)和單向向前擺動(AB段和CD段)。選擇不同的四連桿參數(shù)．可以使E點軌跡處于上述3種曲線段。支架工作時，受到頂板載荷的作用，有下縮趨勢。當E點軌跡處于AB段時，頂梁相對于頂板有向煤壁移動的趨勢，頂板對頂粱的摩擦力指向采空區(qū)側。當E點軌跡處于BC段時，頂梁相對于頂板有向采空區(qū)移動的趨勢，此時頂板對頂梁的摩擦力指向煤壁。當頂板運動趨勢超過支架運動趨勢時，頂梁與頂板間的摩擦力方向將取決于頂板的運動趨勢。
從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動比頂梁向采空區(qū)方向移動有利。前者對于保持粱端頂板處于擠壓狀態(tài)有利，而后者容易導致頂板產(chǎn)生離層或斷裂，造成頂板斷裂線前移或梁端冒頂。因此，合理設計四連桿參數(shù)．使支架工作段內(nèi)，E點軌跡處于AB段比較理想，但對于調(diào)高范圍大的支架，要達到要求是困難的。然而，由于四連桿銷孔間隙的作用，使E點實際運動軌跡與上述理論軌跡不完全相同。為了保持支架梁端距的穩(wěn)定，一般應控制梁端擺動幅度Δ ≤30~80mm。液壓支架的縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機構決定的，而不取決于立柱的多少。
液壓支架實際受力狀態(tài)十分復雜，經(jīng)常受到非對稱載荷和橫向載荷的作用，保持支架橫向穩(wěn)定性和整體剛性十分重要。如圖示支架立柱為二力構件，不具有承受較大橫向載荷的能力。支架的橫向載荷只能靠四連桿機構承受。
3、四桿機構之間的關系
掩護式和支撐掩護式支架的四連桿機構都是雙搖桿機構。雙搖桿機構形成的條件是：最短桿C和最長桿之和小于其余兩桿長度之和，而最短桿為上連桿（掩護梁），最短桿的對邊a為固定桿（底座），即：
C＋b
。在J點作角，再取JC一定長度與HC交于C點，C點作為后連桿和掩護梁的鉸接軸。
4)以J為圓心，JC為半徑畫一圓弧。以I為圓心，以HC的長度為半徑畫圓弧與ab弧交于E點。C點和E點就是后連桿在支架為最小高度和最大高度時的極限位置。
5)在CH上取一長度CD，必須使CDDC,這樣CD就是最短桿。而且要使CD＋DG
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