液压支架的设计意义.doc

目录 前言1 1 概述2 1.1液压支架的概念2 1.2 液压支架的设计意义2 1.3 液压支架的研究现状3 1.4 液压支架发展前景展望及主要趋势3 1.5液压支架的用途4 1.6液压支架的动作原理4 1.7 支架的工作特性曲线5 1.8液压支架的分类5 1.9采煤工作面液压支架设计目的、要求及基本参数8 1.9.1液压支架的设计目的8 1.9.2设计液压支架的基本要求8 1.9.3设计液压支架必需的基本参数8 1.10影响架型选择的因素9 1.11掩护式液压支架的支撑力分布与承载10 1.11.1 掩护式支架的特点和支撑力分布10 1.11.2 掩护式支架在不同顶板条件下承载分析10 2 掩护式液压支架整体结构尺寸设计12 2.1 液压支架设计原始条件12 2.2支架高度、支架间距、底座长度的确定12 2.2.1支架高度12 2.2.2支架间距13 2.2.3底座长度13 2.3四连杆机构设计13 2.3.1四连杆机构的作用13 2.3.2四连杆机构的结构确定15 2.3.3四连杆尺寸确定16 2.3.4几何作图法作图过程17 2.4 顶梁长度的确定19 2.4.1支架工作方式对支架顶梁长度的影响19 2.4.2配套尺寸对顶梁长度的影响20 2.4.3顶梁长度计算20 3 液压支架支护面积及支护强度参数确定21 3.1 支护面积21 3.2 支护强度21 4 掩护式液压支架部件设计23 4.1顶梁23 4.1.1顶梁的作用及其设计要求23 4.1.2顶梁结构型式23 4.1.3顶梁结构和断面形状23 4.2掩护梁和四连杆机构24 4.2.1掩护梁24 4.2.2四连杆机构24 4.3侧护板24 4.3.1侧护板的选择24 4.3.2侧护板的结构型式24 4.3.3侧护板尺寸的确定25 4.4千斤顶25 4.4.1推移千斤顶25 4.4.2侧推千斤顶27 4.4.3平衡千斤顶28 4.5立柱28 4.5.1立柱类型28 4.5.2立柱的动作原理及支撑方式28 4.5.3立柱缸体内径29 4.5.4立柱初撑力、立柱工作阻力与泵站额定工作压力29 4.5.5活塞杆直径的确定30 4.5.6立柱缸体壁厚及外径尺寸的计算30 4.5.7最大工作行程31 4.5.8立柱柱窝的确定31 4.5.9液压支架实际支护强度的验算34 4.6底座35 5 推移千斤顶结构设计和强度计算37 5.1推移千斤顶的设计要求37 5.2推移千斤顶的结构确定37 5.3推移千斤顶技术参数的确定38 5.3.1推移千斤顶设计的原始条件38 5.3.2浮动活塞式推移千斤顶的活塞杆直径及缸体内径确定38 5.3.3 推移千斤顶实际移架力和推溜力的确定39 5.3.4最大工作行程和最小导向长度39 5.3.5缸筒壁厚及外径计算41 5.3.6缸筒壁厚的验算42 5.4液压缸稳定性验算43 5.5活塞杆强度验算46 5.6 缸筒和缸盖焊缝的强度计算47 结论48 致谢49 参考文献50 附录A51 附录B62 前言 煤炭在我国一次能源消费中一直占据很重要的位置。我国经济持续高速发展，工业产值占国民经济的比重增加，国家产业政策调整大力扶持建立大型煤炭基地和企业。所以要实现大幅度的增产就要依靠煤炭生产的机械化和自动化。综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。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。 1 概述 1.1液压支架的概念 液压支架是以高压液体作为动力，由金属构件和若干液压元件组成。它能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机、大运量可弯曲输送机配套组成回采工作面的综合机械化设备。 1.2 液压支架的设计意义 煤炭在我国一次能源消费中一直占据很重要的位置。尤其是近几年全球经济复苏、石油价格上涨，煤炭在全球范围很长时间内具有不可替代的优势。从国内看，我国经济持续高速发展，工业产值占国民经济的比重增加，国家产业政策调整大力扶持建立大型煤炭基地和企业。尤其是近两年煤炭价格飙升，利润率涨幅较大，对煤炭行业的各种投资增长迅速，行业发展前景非常广阔。所以要实现大幅度的增产就要依靠煤炭生产的机械化和自动化。 综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。自1954年液压支架在英国问世、装备了世界上第一个采煤工作面开始，就使世界采煤工业发生了革命性的变化，随着时间的推移，现已遍布世界各个采煤国家。液压支架在我国煤矿中的使用已有二十年的历史，从消化引进设备开始，到我国自己能独立研究、设计和制造液压支架，我们已经积累了丰富的经验，对这些经验进行总结和提高，势在必行。这对于提高液压支架的设计和制造质量，对于进一步开发液压支架的新品种，以满足煤炭生产和打入国际市场的需要起到不可估量的作用。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，增加综采工作面，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，因此，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。 1.3 液压支架的研究现状 从引进消化以来，人们用预计法、估算法、类比法和实测法来确定其本身的工作阻力和其它性能参数，从而使支架更加轻便耐用，更加符合中国国情。安装电液控制阀和电子计算机，以实现远距离操作和地面遥控，使液压支架按预定的程序工作。2007年4月9日，“世界第一架”在郑州煤矿机械集团通过了出厂评定，这套新型液压支架的高度刷新了世界记录，成为目前世界上支护高度最大的矿用液压支架。它的面世，也结束了我国高性能液压支架完全依靠进口的局面。据悉，6.3米液压支架由郑州煤矿机械集团自主研发制造，是我国第一套拥有全部自主知识产权的液压支架。目前国有煤矿矿井回采率平均为45，采用6.3米液压支架，可使煤层回采率达超过90，可节约大量的煤炭资源。而这套设备价格还不到进口设备的1/2，节约了大量资金。 1.4 液压支架发展前景展望及主要趋势 a.液压支架发展前景展望 1 设计理念的更新，在设计过程中采用多目标模糊化设计。要求支撑力大，移架速度快，重量轻，用材少等，每个目标确定一个函数，即得多个设计目标函数，然后组合优化，确定最佳方案。 2 采用纯水液压技术，液压支架将成为绿色机械。纯水液压技术是液压领域的发展前沿。液压支架使用纯水液压技术，对降低煤矿的生产成本，保护环境是有益的，并可大大改善矿井的工作和安全条件。 3 高科技的应用，液压支架趋于智能化。液压支架应用功能不断扩大，对矿井煤层地质条件适应性不断增强，生产效益对设备的依赖性程度愈来愈大，工作可靠性更加重要。故障诊断技术（包括信号检测，故障判断，故障检测，故障分析等内容）将随着高科技的发展理论（如小波技术、神经网络、人工智能等）进入液压支架的早期诊断，预防和减少事故的发生、维修的盲目性和维修时间，延长支架服务年限，提高生产率。 b.液压支架目前发展主要趋势是二柱掩护式架型，提高液压支架强度、设计系数、移架速度，改进个别部件的结构，液压阀件系列化、标准化、通用化、高工作阻力、高可靠性，用微电子技术实现机电液一体化的数字采集、工况监测、故障诊断和自动控制。 1.5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。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。 1.6液压支架的动作原理 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11）。 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 图11液压支架工作原理图 Figure 11 The principle of hydraulic support 1 升柱 当需要支架上升支护顶板时，操纵阀动作，高压乳化液通过液控单向阀进入立柱的活塞腔，活塞杆腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。 2 降柱 当需要降柱时，操纵阀动作，高压乳化液进入立柱的活塞杆腔，活塞腔回液，迫使活塞杆下降，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，然后控制推移千斤顶的操纵阀动作使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；当需要推移输送机时，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。 1.7 支架的工作特性曲线 初撑阶段；增阻阶段；恒阻阶段 初撑力；工作阻力 图12 支架的工作特性曲线 Figure 12 The perance curve of support 支架立柱工作时，其初撑力随时间的变化过程可分为三个阶段（如图12）。支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，上腔回液，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，直至泵站工作压力时，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t0；支架初撑后，随着顶板下沉，载荷加大，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调整压力，此时立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段t1；随着顶板压力继续增加，当立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调整值时，安全阀开启溢流，立柱下缩，使顶板对支架的压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值时后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。 1.8液压支架的分类 按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，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端头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来划分，可分为三种基本类型，即支撑式、掩护式和支撑掩护式。 支撑式支架又分垛式（如图13）和节式（如图14）。 图13垛式支架 Figure 13 Sacking support 图14节式支架 Figure 14 Fame support 掩护式支架又有插腿式（如图15）和非插腿式（如图16）之分。二者区别为插腿式支架的刮板运输机在其底座上方。 图15插腿式支架 Figure 15 Chap legs support 图16支柱支在掩护梁上非插腿式支架 Figure 16 Prop in the cover-beam legs stent inserted 图17支柱支在顶梁上非插腿式支架 Figure 17 Pillars supporting the roof beam-stent inserted legs 支撑掩护式支架又有四柱支在顶梁上（如图18，图19）和两柱支在顶梁，两柱支在掩护梁（如图110）之分。 图18四柱平行支在顶梁上支架 Figure 18 Pillar supporting the roof parallel beam stent 图19四柱交叉支在顶梁上支架 Figure 19 Cross-pillar supporting the roof beam stent 图110两柱支在顶梁两柱支在掩护梁上支架 Figure 110 Two columns supporting the roof beams supported the two-beam cover stent 1.9采煤工作面液压支架设计目的、要求及基本参数 1.9.1液压支架的设计目的 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。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对压液支架的需求量是很大的。但由于不同的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。为了适应各采煤工作面的需要，必须设计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。 1.9.2设计液压支架的基本要求 1.支架的型式与结构尺寸，应与顶底板岩石性质，煤层赋予条件和生产方式相适应，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，而又具有切顶作用。 2.液压支架要有足够的推溜力和移架力。 3.有足够的强度和刚度，稳定性好，能承受一定的不平衡载荷和冲击载荷。 4.防矸性能要好。有良好的排矸装置，以防止老塘矸石串入工作面。 5.在倾斜煤层和厚煤层中，应有相应的防倒、防滑和护帮装置。 6.要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。 7.为了操作和生产的需要，要有足够宽度的人行道。 8.调高范围要大，保证照明和通讯方便。 9.移架方便，支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。 10.在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。 11.液压元件要可靠。 12.要易于拆卸，结构要简单，复用次数高。 1.9.3设计液压支架必需的基本参数 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.底板岩性及小时涌水量 根据底板岩性和小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，决定是否用防倒放滑装置。 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。 1.10影响架型选择的因素 影响架型的主要因素是顶板和地质条件 1 煤层厚度 a.厚度超过2.5m，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不用支撑式的支架。 b.厚度达到2.5m以上时，需要选择带有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。 c.煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式支架，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。 d.假顶分层开采，应选掩护式支架。 2 煤层倾角 a.倾角在10至15（支撑式支架取下限，掩护式和支撑掩护式支架取上限）以上时选用带有防滑装置的支架。 b.倾角在18以上，应选用同时带防滑防倒的装置的支架。 3 底板强度 a.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。 b.为使移架容易，设计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，应符合保安规程的要求，并选用通风断面较大的支撑式或支撑掩护式支架。 5 地质构造 断层十分发育，煤层厚度变化过大，顶板的允许暴露面积和时间在5～8m2和20min以下时，暂不宜采用综采。 6 设备成本 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价值便宜的支架。 1.11掩护式液压支架的支撑力分布与承载 1.11.1 掩护式支架的特点和支撑力分布 掩护式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，并且分布均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑式支架大。其支撑力的分布规律（如图111）所示。 图111掩护式支架支撑力分析 Figure 111 Shield support stents Analysis 1.11.2 掩护式支架在不同顶板条件下承载分析 1 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力分析 支架的顶梁和掩护梁受力情况（如图112）所示 图112掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况 Figure 112 Shield support in broken unstable roof conditions of the force 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合力Q3，载荷分布（如图112）所示。 掩护梁受力由于顶板破碎，在顶梁候补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布力和水平分布力（如图112）所示。 掩护式支架虽然立柱少，支撑力小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布于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。 2 掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况 图113掩护式支架在中等稳定以上下的受力情况 Figure 113 shield support in the middle of stability over the force 掩护式支架由于立柱少，且呈倾斜布置，支撑力较小，切顶性较差，受力情况（如图113）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，老顶压力将由整个支架和采空区跨落岩石承担，或者有可能出现在切顶时，老顶直接加压在掩护梁上，这就使掩护梁上载荷剧增，迫使顶梁支撑力减小，使支架难于承受顶板的压力和控制顶板的冒落。所以，此种支架不能再中等稳定以上顶板下工作。 2 掩护式液压支架整体结构尺寸设计 2.1 液压支架设计原始条件 老顶级别为Ⅰ级、直接顶为2类 煤层厚度为 1.7m---2.3m 移架力 250kN 推溜力 150kN 2.2支架高度、支架间距、底座长度的确定 2.2.1支架高度 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，其最大与最小高度为; （21） （22） 式中 支架最大高度； 支架最小高度； 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的支撑高度，一般取； 顶板最大下沉量，一般取； 移架时支架的最小可缩量，一般取； 浮矸石、浮煤厚度，一般取 2.2.2支架间距 支架间距，就是相邻两支中心线间的距离。 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溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度多数为1.5m，千斤顶连接块位置在溜槽总长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。 本设计支架间距取1.5m。 2.2.3底座长度 底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。 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；保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度可取3.5倍的移动步距（一个移架步距通常为0.6m），即2.1m左右。 该设计底座长度取2040mm. 2.3四连杆机构设计 2.3.1四连杆机构的作用 四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一。其作用概括起来主要有两个，其一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双扭线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使支架能承受较大的水平力。 为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连干机构的作用。下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些几何特征是四连杆动作过程的必然结果。 1 支架高度在最大和最小范围内变化时，（如图21）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。 2 支架在最高位置时和最底位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q（如图21）所示，因满足如下要求 支架在最高位置时，P＝52～62，Q＝75～85；支架在最底位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求 tanP＞W,如果钢和矸石的摩擦系数W﹦0.3，则P﹦16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使P＝25为宜，而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，支架不能下降。一般取Q＝25～30，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。 3 从（图21）可知，掩护梁与顶梁铰点e,和瞬心中心O之间的连线与水平线夹角为θ。设计时，要使θ角满足tanθ≤0.35的范围，其原因是θ角直接影响支架承受附加力的数值大小。 图21 四连杆机构几何特征 Figure 21 The geometry characteristic of four link motion gear 4 应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，（如图21）所示的h段。其原因为当顶板来压时 ，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后运动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向空采区。同时底板防止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且是底座前端比亚减小，防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应减小，所以减轻了支护梁的外负荷。 从以前分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆 机构的运动轨迹时，应尽量使e值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。所以，，当已知掩护梁和后连杆的长度后，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，运用作图法就可以了，（如图22）所示（实际上液压支架四连杆机构属于双摇杆机构）。 图22掩护梁和后连杆机构曲柄滑块机构 Figure 22 Caving shield and the rear connecting rod constitution slider-crank mechanism 2.3.2四连杆机构的结构确定 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之距和后连杆下铰点至底座底面面之距。 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23）所示。 图23掩护梁和后连杆计算图 Figure 23 Caving shield and the rear connecting rod computation graph 设G掩护梁长度， A后连杆长度， L2e′点引垂线到后连杆下铰点之距， H1支架最高位置时的计算高度， H2支架最低位置时的计算高度。 从几何关系可以列出如下两式 （23） （24） 将式（23）（24）联立得 （25） 说明支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点之顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距。 按四连杆机构的几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q2代入式中，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。 掩护式支架＝0.45～0.61 支架最高位置时的计算高度为 （26） 根据的比值和上式可以求得掩护梁长度G和后连杆长度A，取整后，再重新算出P1、P2、Q1、Q2的角度。 2.3.3四连杆尺寸确定 初步估算，后连杆下铰点到底座底面的距离为170mm,掩护梁上铰点到顶梁顶面的距离为180mm。 支架结构高度 支架最高位置时的计算高度为 （27） 初步确定各角度为 代入式（25）得 （28） 将（28）式代入（26）式得 取整 G1578mm A884mm 将取整后的A、G的值代入（26）式得 符合设计要求 顶梁端点运动轨迹最大宽度e＝35mm 2.3.4几何作图法作图过程 用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸。 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高170mm。 2）过O点作与底座底面平行的水平线HH线。 3）过O点作与HH线的夹角为Q1＝的斜线。 4）在斜线上截取线段，长度等于A＝884mm，点即为后连杆与掩护梁的铰点。 5）过点作为HH线又交角的斜线，以点为圆心，以G＝1578mm为半径作弧交此斜线一点,此点位掩护梁与顶梁的铰点。 6）过点作HH线的平行线FF线，则HH线与FF线的距离为 ，为液压支架最高位置时的计算高度。 7）以点位圆心，以350mm为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为前连杆上铰点的位置。 8）过点作FF线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动）。 9）在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。 10）取线中间的一点，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，顶梁前端点运动轨迹为近似双扭线，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点位圆心，为半径作圆弧。 12）以为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点,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）以为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前圆弧上一点，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、，并以点位圆心，长为半径作弧，交上一点点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点。则、、三点位液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。 15）连接、为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。 16）分别作和的垂直平分线，其交点即为前连杆一铰点，为前连杆长度。 17）过点作HH线的垂线，交点，则线段、、、、为液压支架四连杆机构。 根据以上P1、P2、Q1、Q2和计算的A、G、H1、H2的值，按四连杆的几何作图法，画出（24图） 支架计算高度 各角角度为 掩护梁长度 G1578mm 后连杆长度 A884mm 图24液压支架四连杆结构图 Figure 24 Four connecting rod structure drawing of hydraulic support 2.4 顶梁长度的确定 根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。 2.4.1支架工作方式对支架顶梁长度的影响 支架工作方式对顶梁长度的影响很大。先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（又称滞后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推溜的工作方式，支架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，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架的顶梁长度要长一个步距，一般为600mm。（如图25） 图25支架工作方式比较 Figure 25 Support working comparison 2.4.2配套尺寸对顶梁长度的影响 设备配套尺寸与支架顶梁的长度有直接关系。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，同时考虑到采煤机截割时不一定把煤壁截割成一个垂直平面，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应留有一定距离，一般为135～150mm左右，也是为了采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此而外，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。 2.4.3顶梁长度计算 掩护式顶梁长度的计算 顶梁长度－＋掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm） 参考其它类似架型的配套尺寸 配套尺寸3927302506001972mm 掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距150mm 顶梁长度 取整 3185mm 3 液压支架支护面积及支护强度参数确定 3.1 支护面积 [] （31） 式中 支架间距 顶梁长度﹙不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距﹚ 移架后顶梁前端点到煤壁的距离（m）， 3.2 支护强度 [] （32） 式中 支架的理论支护强度（）； 低于但与之相邻的采高相对应的支护强度（）； 高于但与之相邻的采高相对应的支护强度（）； 所对应的采高﹙﹚； 所对应的采高﹙﹚。 支架最大结构高度﹙﹚。 表31 Tab31 老顶级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 液压支架架型 掩护 掩护 支撑 掩护 掩护或支撑 支撑 支掩 支掩 支撑或支掩 支撑或支掩 支撑（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m） 液压支架支护强度KN/m2 采高1m 应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区 采高2m 采高3m 采高4m 注 ①表中括号内数字系掩护式支架顶梁上的支护强度。 ②1.3、1.6、2为增压系数 ③表中采高为最大采高。 4 掩护式液压支架部件设计 4.1顶梁 4.1.1顶梁的作用及其设计要求 顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度外，还要保证支护顶板的需要，如由足够的顶板覆盖率；同时要适应顶板的不平衡性，避免因局部应力而引起损坏。 4.1.2顶梁结构型式 本设计顶梁长度是3.185m，前梁与顶梁用两柱销铰接。顶梁后端直接与掩护梁铰接，取消了易被冒落矸石堵住的三角区，立柱直接支撑在顶梁上。用平衡千斤顶调节顶梁与顶板的接触面积（如图41）。 1顶梁；2掩护梁；3立柱；4平衡千斤顶 图41 顶梁结构型式 Figure 41 Top beam structure pattern 4.1.3顶梁结构和断面形状 顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘型。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来，在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。 本设计选择闭式顶梁，为了便于侧护板能自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，（如图42）中a，同时增强了顶梁的结构强度。 图42顶梁断面 Figure42 Top beam cross section 4.2掩护梁和四连杆机构 4.2.1掩护梁 掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。有的支架在掩护梁上焊有立柱柱窝。活动侧护板装在掩护梁的两侧。 本设计掩护梁的侧面形状选直线式的。 4.2.2四连杆机构 本设计前连杆选用单杆式结构、后连杆选用整体式结构。 4.3侧护板 4.3.1侧护板的选择 选择两侧皆为活动侧护板。这种侧护板可以适应工作面开采方向变化的要求，有利于防倒和调架。 4.3.2侧护板的结构型式 （如图43）所示，这种是侧护板在顶梁外侧，顶梁上设有顶板，顶板应略高于侧护板，克服侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板伸缩的缺点。但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。 图43侧护板 Figure 43 Side guard plate 4.3.3侧护板尺寸的确定 顶梁侧护板的侧向宽度，按支架升降高度和推移步距来确定。即考虑到当一架升起，另一架降柱时，要保证相邻两架侧护板不脱离接触。同时考虑到支架降柱后要前移，为防止顶梁后部侧护板脱离接触，顶梁侧护板后部要加宽，加宽的长度一般为顶架后部起大于一个步距，即大于600mm。 掩护梁侧护板的侧面宽度，主要考虑移架步距，一般比一个步距大100mm，即相当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来确定。 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，应尽量减少间隙，加强密封性。 本设计顶梁侧护板前端宽度取384mm,后端宽度取600mm。掩护梁侧护板前端宽度取550mm,后端宽度取730mm。 4.4千斤顶 4.4.1推移千斤顶 推移千斤顶可分为直接连接方式的推移千斤顶、框架连接方式的推移千斤顶、移步横梁连接的推移千斤顶、浮动活塞式推移千斤顶。 1）直接连接方式的推移千斤顶，结构简单，但移架力小于推溜力，一般用于支撑式支架。 2）框架连接方式的推移千斤顶（如图44），由于掩护式和支撑掩护式支架重量较大，为了提高移架力，就要增加缸径或提高供液压力。 1 推移千斤顶 2活塞杆与支架连接处 3输送机 图44 框架连接方式 Figure 44 Frame connec