液壓支架總體及底座設計

1、前言綜合機械化采煤是煤礦技術進步的標志，是煤礦增加產(chǎn)量、提高勞動效率、增加經(jīng)濟效益的重要手段。實踐證明大力發(fā)展綜合機械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關鍵的。至今，我國煤礦中使有的支架類型很多，按照支架采煤工作面安裝位置來劃分有端頭支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所的位置的支架。目前使用的液壓支架分為三類。即：支撐式液壓支架、掩護式液壓支架、支撐掩護式液壓支架。從架型的結(jié)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，由于直接類別和老頂級別的不同，支架所承受的載荷也不同，所以

2、為了在使用中合理地選擇架型，要對支架的支撐力承載力的關系進行分析，使支架的支撐力能適應頂板載荷的要求。本設計論文則設計層煤厚度在1.9米到2.4米，老頂級別為二級，直接頂類別為一類的掩護式液壓支架的設計。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。其因此本設計設計這類掩護式液壓支架。1 緒論1.1液壓支架現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 液壓支架現(xiàn)狀液壓支架的設計、制造和使用，從1954年英國研制成功了液壓支架發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)基本成熟，它已經(jīng)形

3、成了能適應各種不同煤礦地質(zhì)條件的各類液壓支架。從液壓支架的形式來看，由支撐式液壓支架發(fā)展到掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架；從支架的質(zhì)量來看，有輕型液壓支架、中型液壓支架和重型液壓支架；從支撐高度來看，有薄煤層液壓支架、中厚煤層液壓支架和厚煤層液壓支架，其中厚煤層液壓支架又分煤層一次采全高液壓支架和中間液壓支架。所以從液壓支架的現(xiàn)狀來看，由過去的手工設計、制造和使用發(fā)展到全部計算機程序設計。總之，隨著時代的發(fā)展和進步，液壓支架設計、制造和使用，將越來越完善、安全、可靠。我國液壓支架經(jīng)過30多年的發(fā)展，盡管取得了顯著的成績，在雙高礦井建設中出現(xiàn)過日產(chǎn)萬噸甚至班產(chǎn)超萬噸的記錄，但總體水平與世界先

4、進采煤國家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾，有些地方特別是特厚煤層用的放頂媒支架，鋪網(wǎng)支架，兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處，但國產(chǎn)液壓支架技術含量偏低，電液控制閥可靠性差，所用鋼材的耐壓能力一般為16MPa，最好的屈服極限才700MPa，液壓系統(tǒng)壓力在35MPa以下，流量在200L/min以內(nèi)，供液管直徑2535mm，回液管直徑2550mm，最快移架速度為1012s/架，工作阻力更是相對較低。新型液壓支架普遍具有微型電機或電磁鐵驅(qū)動的電液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器，采煤機裝有紅外線傳感裝置，立柱缸徑超過400mm，為減少割媒時間，一般采用0.81m截深。支架還

5、采用屈服強度8001000MPa的鋼板，既有較高的強度、硬度和韌性，又具有良好的冷焊性能。隨著長壁工作面長度的不斷增加，為適應快速移架的需要，國外還廣泛采用高壓大流量乳化液泵站，其額定壓力為4050MPa，額定流量400500/min可實現(xiàn)工作面成組或成排快速移架，移架速度達到68s/架。美國是世界上最先進的采煤國家，澳大利亞液基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)，使用兩柱掩護式液壓支架，支架的平均 工作阻力為7640KN，英國液大力發(fā)展兩柱掩護式液壓支架，工作阻力有了很大提高，達到60008000KN 液壓支架的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外在液壓支架的設計、制造和使用中，新產(chǎn)品在不斷的改進和研制中，下面

6、做簡單介紹。1) 前連桿設油缸的液壓支架2) 沿頂板移架的液壓支架3) 適應特種條件下的液壓支架(1) 特厚煤層一次采全高液壓支架(2) 新型放頂煤液壓支架(3) 水采支架(4) 重型支架(5) 新型端頭支架(6) 大傾角工作面支架4) 液壓支架結(jié)構設計方向(1) 輕型化(2) 標準化(3) 材質(zhì)強化(4) 高壓化5) 操縱自動化能適應無人采煤工作面的需要，設計遠程操作的新型全自動液壓支架。今后，握我國的液壓支架的設計將朝技術含量大、鋼板強度高、移架速度快(68s/架)和電液控制閥的方向發(fā)展，對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力，盡量采用整體可靠推桿和抬底座機構，并減少千斤頂數(shù)量。另外，

7、將普遍采用額定壓力為40MPa、額定流量為400L/min的高壓大流量乳化液泵站，以適應快速移架的需要：系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液，保證支架有足夠的壓力達到初撐力，保證支架接頂位置準確。兩柱掩護式支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至360mm，端頭支架，輕放多用途支架將被廣泛采1.2 液壓支架的組成、分類及支護方式 液壓支架的組成液壓支架是綜采工作面支護設備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備。其組成可分為4個部分：1) 承載結(jié)構件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支

8、架的各種動作，產(chǎn)生液壓動力。 3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動側(cè)護板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。 液壓支架的分類液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。1) 液壓支架按其結(jié)構特點和與圍巖的作用關系般分為三大類，即支撐式、掩護式(圖1-1)和支撐掩護式(圖1-2) 圖1-1 掩護式液壓支架結(jié)構 圖1-2支撐掩護式液壓支架結(jié)構Figure 1-1 Cover-

9、hydraulic support structure Figure 1-2 Support for the cover of the hydraulic support structure2) 液壓支架按在采煤工作面的安置位置分，端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。中間液壓支架按其結(jié)構形式來劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式。(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(jié)構和動作方式的不同，支撐式支架又分為垛式支架（圖1-3 a）和節(jié)式支架（圖1

10、-3 b）兩種結(jié)構型式。垛式支架每架為一整體，與輸送機連接并互為支點整體前移。節(jié)式支架由23個框節(jié)組成，移架時，各節(jié)之間互為支點交替前移，輸送機用于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(jié)構特點是：頂梁較長，其長度多在4m左右；立柱多，一般是46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，且作用點在支架中后部，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；支架的的工作空間和通風斷面大。由上可知，支撐

11、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。此種支架在現(xiàn)階段的綜采工作面的生產(chǎn)時都已基本不再采用。(a) 垛式支架 (b) 節(jié)式支架圖1-3支撐式支架結(jié)構形式Figure 1-3 Support stent structure(2 ) 掩護式支架（如圖1-1），其主要由前梁、主梁、掩護梁和側(cè)護板、底座、前后連桿、前梁千斤頂、推移千斤頂、操縱閥等組成。 它的結(jié)構特點是：有一個較寬的掩護梁以擋住采空區(qū)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與頂梁或直接

12、作用與頂梁上。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(cè)有活動側(cè)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)定或中等穩(wěn)定、老頂周期來壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。(3 ) 支撐掩護式支架（如圖1-2），其主要由防片幫

13、千斤頂、前梁、頂梁、掩護梁、底座、推移千斤頂、立柱等組成。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(jié)構特點和性能，可適應各種頂?shù)装鍡l件。此種支架的優(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。它的缺點是：結(jié)構復雜，成本較高。支撐掩護式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾或后傾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，兩排立柱都是直接支撐在頂梁上，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。(4) 特種液壓支架，特種液壓支架是為了滿足某些特殊的要求而發(fā)展起來的液壓支架，在結(jié)構形式上仍屬于以上

14、某種液壓支架。包括放頂煤支架等。 液壓支架的支護方式綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關系。1) 即時支護般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機”的配套關系。即時支護的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應用最廣泛的支護方式。2) 滯后支護一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。3) 復合支護般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。復合支護的特點是：支護滯后時間短，但增加

15、了反復支撐次數(shù)?？蛇m用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應高產(chǎn)高效要求，目前應用較少。1.3 液壓支架的工作原理及工作特性1.3.1液壓支架的工作原理液壓支架在工作過程中必須具備升、降、推、移四個基本動作。這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來實現(xiàn)完成的。如圖1-4所示圖1-4 液壓支架工作原理Figure 1-4 Hydraulic support principle1-頂梁 2-立柱 3-底座 4-推移千斤頂 5-安全閥 6-液控單向閥7、8-操縱閥9-輸送機 10-乳化液泵11-主供液管12-主回油管1) 升柱當需要支架上升支護頂板時。高壓乳化液進入立柱

16、的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。2）降柱當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。3）移架移架是由底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先降柱卸載然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁。4）推溜當需要推運輸機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點，是活塞桿伸出，把運輸機推向煤壁。1.3.2 液壓支架工作特性圖1-5 液壓支架的工作特性曲線Figure 1-5 Hydraulic support the work of

17、curve-初撐階段 -增阻階段 -恒阻階段 -初撐力 -工作阻力 支架上升時，其支撐力隨時間的變化分如下三個基本階段：1）初撐階段支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的夜控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段，此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。2）承載增阻階段支架初撐后，隨頂板下沉

18、，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段。3）恒阻階段隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調(diào)正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。此時支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。支架的工作阻力標志著支架的最大承載能力。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。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

19、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，常用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。2 液壓支架總體設計2.1 液壓支架的選型2.1.1設計的原始條件老頂為級；直接頂為1類；煤層厚度1.92.4m架型選擇的主要依據(jù)和考慮因素（1）架型選擇的依據(jù)正確選擇液壓支架的架型，對于提高綜采工作面的產(chǎn)量和效率，充分發(fā)揮綜采設計的效能，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，是一個很重要的因素。在具體選擇架型時，首先要考慮煤層的頂板條件。表2-1是根據(jù)國內(nèi)外液壓支架的使用經(jīng)驗，提出了各種頂板條件下適用的架型，它是選擇支架的主要依據(jù)。（2） 架型選

20、擇應考慮的因素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2.52.8m (軟煤層下限，硬煤層上限)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。因此本次設計應選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。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)生傾倒下滑等現(xiàn)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(zhì)底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上

21、決定了支架地做的結(jié)構和支撐面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓，其值要小于底板允許比壓（對于砂巖底板，允許比壓為1.962.16MPa，軟底板為0.98MPa左右）表2-1支架架型確定參數(shù)Table 2-1 stent-type set parameters老頂級別IIIIIIIV直接頂級別12312312344支架類型掩護式掩護式支撐式掩護式掩護式或支撐掩護式掩護式支撐掩護式支撐掩護式支撐或支撐掩護式支撐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時支架支護強度采高12340.2940.343（0.245）0.441（0.343）0.539（0.441）1.30.294

22、1.30.343（0.245）1.30.441（0.343）1.30.539（0.441）1.60.2941.60.3431.60.4411.60.53920.29420.34320.44120.539應結(jié)合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū)單體支柱支護強度采高123.0.1470.2450.3431.30.1471.30.2451.30.3431.60.1471.60.2451.60.343按采空區(qū)處理方法確定注：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5%的波動范圍。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級老頂只給

23、出最低值2，選用時可根據(jù)本礦實際確定適宜值。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(zhì)構造 地質(zhì)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58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。此外，對于特定的開采要求，應選用特種支架。 架型選擇ZY2600/17/26掩護式液壓支架2.2 液壓支架的參數(shù)確定支架結(jié)構高度支架最大結(jié)構高度 (2-1) 支架最小結(jié)構高度 (2-2) 式中 ，煤層最大、最小采高偽頂冒落的最大厚度，一般取0.20.3m。 頂板周期來壓時的最大

24、下沉量、移架使支架的下降量和頂梁上、底座下的浮矸、煤層厚度之和，一般取0.250.35m。確定支架的最低高度時還應考慮到井下的允許運輸高度。支架的伸縮比 (2-3) 值的大小反映了支架對煤層厚度變化的適應能力，其值越大，說明支架適應煤層厚度變化的能力越強。采用單伸縮立柱，值一般為1.6左右，最大可達1.8；帶機械加長桿的單伸縮立柱，一般為2.2左右，最大可達2.5；對于使用雙伸縮立柱的支架，其值一般為2.5左右。薄煤層支架可達3。由于,選用單伸縮立柱。 中心距和寬度的確定 支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。目前國內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用1.5m.大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用1.7

25、5m，輕型支架為適應中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。因此設計中初取1.5m。支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應考慮支架的運輸、安裝和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動側(cè)護板，側(cè)護板行程一般為170200mm。當支架中心距為1.5m時，最小寬度一般取14001430mm,最大寬度一般取15701600mm。當支架中心距為1.75m時，最小寬度一般取16501680mm，最大寬度一般取18501880mm。當支架中心距為1.25m時，如果頂梁帶有活動側(cè)護板，則最小寬度一般取11501180mm，最大寬度一般取13201350mm，如果頂梁不帶活動側(cè)護板，則一般取115

26、01200mm。本設計中心距取1.5m。 配套設備選擇綜采工作面采煤機、液壓支架和輸送機之間在性能參數(shù)、結(jié)構參數(shù)、空間尺寸及相互連接等方面，有著嚴格的配套要求，以保證綜采工作面的最大生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)的要求。1) 生產(chǎn)能力的配套采煤機是綜采工作面的主要生產(chǎn)設備，綜采工作面的生產(chǎn)能力主要取決于采煤機的落煤能力。因此，為保證采煤機生產(chǎn)能力的發(fā)揮，工作面輸送機的生產(chǎn)能力要大于采煤機的生產(chǎn)能力，液壓支架移架的速度應大于采煤機的牽引速度。通常與采煤機配套的工作面輸送機，液壓支架、平巷轉(zhuǎn)載機、可伸縮皮帶機等設備，其生產(chǎn)能力要按采煤機生產(chǎn)能力的120%計算。2) 性能配套綜采工作面“三機”性能配套，主要通過

27、設備結(jié)構參數(shù)的配套來實現(xiàn)，以解決設備性能間互相制約的問題。如采煤機的搖臂長度應大于輸送積機尾的長度，這樣才能保證采煤機割煤到輸送積機尾底座端部。3) 幾何關系的配套 為便于司機觀察和操作，并考慮頂板下沉量的影響，適應頂?shù)装迤鸱约懊簩幼兓C身調(diào)斜等情況，使采煤機沿工作面順利通過，要求支架頂梁和采煤機工作面之間留有足夠的空間，該空間高度C稱為過機高度，一般C小于150250mm。 采機底托架應有足夠的高度，以保證過煤高度E>250400mm。 從安全角度考慮，F(xiàn)應愈小愈好，但卻受到機器結(jié)構參數(shù)等因素的約束， (2-4)式中 e煤壁與輸送機鏟板之間的距離。e=100200mm，以防止采煤機

28、滾筒在輸送機彎曲段切割鏟煤；x立柱傾斜時的水平增距；G輸送機寬度，由鏟煤機寬度f、輸送機中部溜槽寬度S、電纜槽和導向槽寬度a及前柱與電纜槽間的距離b組成；為避免由于輸送機偏斜時采煤機截割頂梁、支架梁端與煤壁間應留200400 mm。從前柱到梁端的距離L為 (2-5)支架工作時的最小支撐高度H為 (2-6)其中 t頂梁厚度A采煤機機面高度，為采煤機機身高度、輸送機高度和底托架高度和其他附屬設備的配套煤層傾角大于10°時，采用鏈牽引的采煤機應設置防滑裝置；當傾角大于16°時應安裝防滑絞車，輸送機應設置防滑錨固裝置，支架也應有防倒防滑和調(diào)架裝置；而對于大采高工作面設備，煤層傾角大

29、于10°時，即應設防滑裝置。本設計采用配套 采煤機 340 刮板運輸機 四連桿機構的設計（1）四連桿機構的作用四連桿機構是掩護式支架和支撐掩護式支架的最重要部件之一。其作用概括起來主要有兩個：其一：當支架由高到低變化時，借助四連桿機構使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二：是使支架能承受較大的水平力。其原因為當頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板防止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前

30、端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應減小，減輕了掩護梁的外負荷。(2) 四連桿機構的幾何特征(如圖2-1) 圖2-11) 支架在最高位置時：,即 Figure 2-10.911.08 rad；,即1.311.48 rad。2) 對于掩護式液壓支架，后連桿與掩護梁的比值I=0.450.61。 3) 前、后連桿上鉸點距離與掩護梁比值I1=0.220.3 4) e' 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Ex<70 mm,最好在30mm以下。5) 支架在最高位置時， <0.35(3) 四連桿機構各部分尺寸的確定。1

31、) 后邊桿與掩護梁長度的確定。2) 掩護梁長度 (2-7)后連桿長度 前、后連桿上鉸點的距離 (2-8) 前、后連桿上鉸點至掩護梁上鉸點的距離 (2-9) (2-10)由P1、Q1、I、I1 的組合，可得到多組A、B、F、G的參數(shù)值。3） 后連桿下鉸點至原點的距離，如圖2-2所示。4） 前連桿長度及角度的確定當支架高度變化時，掩護梁上鉸點e'的運動軌 圖2-2 Figure 2-2跡為近似雙紐線，為使雙紐線最大寬度Ex和角盡量小，可把e'點的運動軌跡視為理想直線。當支架高度變化時，有3點在這條直線上，即：支架在最高和最低以及中間某一位置的3點 。 支架的最高和最低位置確定后，在

32、直線上的最高和最低點就確定了。根據(jù)前人設計經(jīng)驗及研究成果可知，當e'點沿理想垂線由最高向最低位置時，后連桿與掩護梁的夾角由大于到小于變化，在夾角變化過程中，一定有一位置使后連桿與掩護梁處于垂直狀態(tài)，以這一特殊狀態(tài)為所求的中間位置，來確定直線上的中間點3。a) 支架在最高位置時的計算高度為，此時(，)： (2-11) (2-12) b) 支架在最低位置時的計算高度(，) (2-13) (2-14)式中的計算可由幾何關系求得： 令 (2-15) (2-16) 點Y坐標： (2-17) (2-18) (2-19) 支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學摩擦理論

33、可知，要求，如果取掩護梁和矸石的摩擦系數(shù)，則。而角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降，一般。在特殊情況下需要角度較小時，可提高后連桿下鉸點高度；c) 當支架的掩護梁與后連桿成垂直位置關系時，(，) (2-20) (2-21) 式中 (2-22) (2-23)d) 支架在3個位置時四連桿機構的幾何關系確定后，c點就是過、這3點的圓弧的圓心。前連桿的長度： (2-24)式中c點坐標c(，可由幾何關系求得：令 (2-25) (2-26) (2-27) (2-28) (2-29)C點坐標求出后，前連桿長度和角度就可以確定了。4) 前連桿下鉸點的高度D和

34、前、后連桿下鉸點在底座上的投影距離E。 (2-30) （2-31） (4) 四連桿機構的優(yōu)選按上述方法可求出多組四連桿機構尺寸，需按約束條件進行優(yōu)選，從中選出一組最優(yōu)值。如圖（2-3）1） 約束條件，需滿足值的要求和支架的結(jié)構尺寸關系a)前后連桿的比值范圍O=C/A=0.91.2b)前連桿的高度不宜過大,一般為D</5c)E的長度,一般E</4.5 圖4-圖2-3 d)=U<0.35 Figure 2-32) 值的計算方法如下：a)a1( b)(0 c)c直線的斜率： (2-32)d)直線的斜率： （2-33)由c、b、O1共線及O2、a、O1共線，可推出： (2-34) )

35、+ (2-35)令 則 底座長度的確定底座是將頂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小；支架內(nèi)部應有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作和行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距，一個移架步距為0.6m，即2.1m左右；底座長度的選擇也可類比于同類型液壓支架的底座；支撐掩護式支架底座長度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本設計取底座長度為2200mm。 頂梁長度的確定（1）影響頂梁長度的因素支架頂梁長度與配套尺寸有直接關系。同時為防止當采煤機向支架內(nèi)傾斜時，采煤機

36、滾筒不截割頂梁，又考慮到采煤機截割時，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在設計時，要求頂梁前端距煤壁最小距離（空頂距）為300mm。另外，在輸送機鏟煤板前也留有一定距離，一般為了135150mm。除此之外，所有配套設備包括采煤機和輸送機，均要求在頂梁掩護下工作，以此來計算頂梁長度。為防止當采煤機向支架內(nèi)傾斜時，采煤機滾筒不切割頂梁在設計時要求頂梁前端距煤壁最小距離為300mm。先移架后推溜的方式（及時支護方式）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架的方式（滯后支護方式）要求頂梁長度較短。這是因為采用先移架后推溜的工作方式時，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后支架能及時前移，支控新暴露的頂板，做

37、到及時支護。因此，先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為600mm。（2）頂梁長度的計算頂梁長度=（配套尺寸lp+底座長度ld+Acos）（Gcos+300+Ex）+ 掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點的距離 (2-36)式中 配套尺寸lp 參考綜采設備配套圖冊確定，mm 配套設備選取如下： 采煤機 ： 340 刮板運輸機：則： 其中600mm是采用及時支護方式時所加的尺寸。底座長度ld 底座前端至后連桿下鉸點的距離，100mm由類比法，底座長度初取ld=2400 mm+300+30)+100= 3028.56 mm 經(jīng)上式計算，頂梁長度取 3030mm，此外應注意采

38、用及時支護方式，即先移架后推溜，因此要求頂梁有較大長度。 立柱柱窩位置的確定（1）上柱窩液壓支架立柱上柱窩位置的確定原則，從理論上分析，要使頂梁支撐力分布與頂板載荷分布一致。但頂板載荷復雜，分布規(guī)律因支架機頂梁與頂坂的接觸情況而異。為簡化計算，假定頂梁與頂板均勻接觸，載荷沿頂梁長度方向按經(jīng)性規(guī)律變化，沿支架寬度方向均勻分布。把支架的空間桿系結(jié)構，簡化成平面桿系結(jié)構。同時為偏于安全，可以認為頂梁前端載荷為零，載荷沿頂梁長度方向向后越來越大，呈三角形分布，并按集中載荷計算。所以支架支撐力分布也為三角形，以此計算立柱上柱窩位置。此時認為支架頂梁承受集中載荷在頂梁1/3處，取頂梁為分離體，受力情況如圖

39、2-4所示：圖2-4 頂梁受力分析Figure 2-4 Top Beam Analysis對 A點取矩：= 0 (2-37)式中 x立柱上柱窩至頂梁和掩護梁鉸點的距離，m； Lg頂梁長度（不包括頂梁與掩護梁鉸點至頂梁后端的距離），m； 由頂梁計算可知，Lg =2930 mm 立柱工作阻力之和； =2600 kN 頂梁和掩護梁鉸點至頂梁頂面的距離，100 mm 立柱上柱窩中心至頂梁頂面的距離， = 150 mm 立柱在最高位置時的傾角，初取 支架支護阻力，（2） 下柱窩立柱下柱窩位置的確定，要有利于移架，使底座前端比壓小。同時考慮柱前行人和支架的調(diào)高范圍以及下柱窩與前連桿下鉸點的距離，一般按支架

40、在最低工作位置時，立柱最大傾角應小于來考慮，具體計算如圖2-5圖2-5 Figure 2-5 （2-38)式中 ，取200 mm；=200 mm支架最低位置時，立柱傾角，初取代入數(shù)據(jù)得 =350.47 mm，取液壓支架總體簡圖如圖2-6所示：圖2-6 Figure 2-6支架支護面積的確定支護面積 如圖2-7所示圖2-7 頂梁的支護面積Figure 2-7 Roof beams supporting area式中 l支架頂梁長度,l=3.03 mc梁端距, c=0.3 mB支架頂梁寬度，B =1.4 mK架間距,K=0.1 m故： = 則： 將以上代入式4-46 得801.9，取 800 mm

41、 支架理論支護強度和支護阻力確定（1）理論支護強度支護強度取決于頂板性質(zhì)和煤層厚度。支護強度可根據(jù)下列公式估算： (2-39)式中 K作用與支架上的頂板巖石系數(shù)，一般取58，頂板條件好、周起來壓不明顯時取下限，否則取上限；選取K=7H采高，m 頂板巖石密度，一般為2.5 =0.420 MPa考慮到煤層厚度及其它因素，取=0.44 MPa放頂煤支架的支護強度一般為0.50.7MPa。（2）理論支護阻力支架工作阻力P應滿足頂板支護強度的要求，即： kN (2-40)式中 F支架的支護面積，可按下式計算 (2-41)式中 L支架頂梁長度，mC梁端距，m B支架頂梁寬度，mK架間距，m 對于支撐式支架

42、，支架立柱的總工作組力等于支架工作阻力。對于掩護式和支撐掩護式支架，由于受到立柱傾角的影響，支架工作阻力小于支架立柱的總工作阻力。工作阻力與支架立柱的總工作阻力的比值，稱為支架的支撐效率，所以支架立柱的總工作阻力為 (2-42)支撐式支架的=100%，支撐掩護式和掩護式支架取80左右。3 液壓支架主要部件的設計3.1頂梁頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。它可多次反復支撐頂板，以利于放煤。頂梁裝有側(cè)護板，活動側(cè)裝有千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸及調(diào)節(jié)支架間距。若四連桿機構與頂梁鉸接，要有可靠的鉸接支座。 功能作用頂梁后面與掩護梁鉸接，下面由立柱支撐，上與頂板直接接觸，做成箱體結(jié)構，

43、不但要滿足一定的剛度和強度的要求，還要適應頂板的不平整性，避免局部應力過大而損壞。頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。一般前、后柱窩斷面為最危險斷面，斷面安全系數(shù)n>1.1，它可多次反復支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側(cè)護板，一側(cè)裝有側(cè)推千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸石及調(diào)節(jié)支架間距。1) 支撐，維護和覆蓋頂板，為工作面創(chuàng)造安全的工作空間。2) 將立柱的支撐力傳遞到頂板，并給予合理的分布，對支架后部接近采空區(qū)的頂板起切頂作用，對無立柱空間的頂板起支撐作用。3) 為互幫，防到裝置等提供依托。4) 將頂板載荷通過立柱，掩護梁，前后連桿經(jīng)底座傳到底板。 結(jié)構形式本設計選用整體鋼性頂梁

44、，為寬面板式箱型結(jié)構件。其特點為：1) 在整個控頂長度內(nèi)，頂梁為一整體結(jié)構，鋼性大，承載能力大。2) 結(jié)構簡單，重量輕，操作方便，造價低。3) 一般將頂梁前端設計成向上翹的結(jié)構，提高支架前端對頂板的支撐力。本設計在頂梁前端1000mm左右上翹4) 由于頂梁較長，對不平頂板或頂板臺階等條件適應性較差。但是由于頂梁長，頂板上合力作用位置發(fā)生變化情況下，在頂梁上容易找到新的平衡點，支架仍可以有效支護頂板。3.1.3 尺寸確定1) 頂梁長度頂梁長度確定見支架總體設計，長度為3050 mm2) 頂梁寬度我國規(guī)定支架標準中心距為1.5m；掩護式和支撐掩護式支架包括側(cè)護板在內(nèi)的頂梁寬度為1.41.6m左右(

45、下限為側(cè)護板收縮時的運輸寬度，1.5m為支架正常工作的寬度，1.6m為調(diào)架時側(cè)護板伸出后的最大寬度。本設計頂梁不設側(cè)護板寬度取正常工作的寬度1.5m3) 頂梁厚度根據(jù)支架強度、人行、通風斷面、要求，在滿足它們的同時適當增大頂梁高度，減少鋼材。3.2 掩護梁 掩護梁的功能與不動的鄰架間保持封閉。掩護梁下部與前、后連桿相連，下端與尾梁鉸接，還設有尾梁千斤項的耳座。用于承受部分煤、矸載荷，防止其竄入后輸送機的工作空間，保證支架、后輸送機正常運行。掩護梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。1) 承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座2) 掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩。3

46、) 掩護梁和頂梁一起，構成了支架完善的支撐和掩護梯，完善了支架的掩護和擋矸性能。 結(jié)構型式本設計選用整體直線型，寬面板式箱型結(jié)構。其特定如下：1) 整體性好，強度大，加工簡單，工藝性好。2) 用于支頂掩護式支架時，立柱不支在掩護梁上，因而它的受力和結(jié)構比價簡單 尺寸確定1) 長度由總體設計確定，一般支架高度大，調(diào)高范圍大，要求掩護梁長度長，具體長度在繪制支架總圖時按需要取。2) 寬度原則和頂梁相同，本設計為1.5m3.3 前、后連桿的設計 前、后連桿的功能前后連桿是四連桿機構中重要的運動和承載部件，與掩護梁和底座的一部分共同組成四連桿機構，使支架能承受圍巖載荷，保證支架梁端距的穩(wěn)定并承受作用于

47、支架的水平力于側(cè)向力。 結(jié)構型式本設計采用分體式，其特點如下1) 大多為鋼板焊接成的箱型結(jié)構，也可用厚鋼板制成實體件或者采用鑄鋼件。2) 尺寸小，加工運輸簡單，穩(wěn)定性較好，是我國掩護式液壓支架采用的主要型式。3.4 推移裝置 推移裝置的功能1) 將輸送機推向煤壁，保證作業(yè)循環(huán)。2) 將液壓支架拉向煤壁方向，及時支護頂板對推移裝置的要求1) 以較小的力推移輸送機（80200KN），以較大的力拉移支架（150500KN）2) 為適應支架和輸送機可能出現(xiàn)的相對位置變化，推移裝置前部在推移過程中，在水平和垂直方向能有一定的擺動范圍。3) 工作中推移千斤頂不承受側(cè)向力，而是用推移桿或框架承受，為此它們必

48、須有足夠的強度，以保證工作的可靠性。4) 在拉架過程中推移裝置和支架底座之間應有較好的導向性能，使支架能移正。 結(jié)構形式與特點本設計采用浮動活塞式，其特點為1）活塞在活塞桿上滑動，因此要求它們之間采用雙向密封并有導向環(huán)。2）活塞與缸的密封采用鼓型密封圈組件。3）活塞在活塞桿上的定位多用卡環(huán)形式，其結(jié)構簡單可靠。4）缸口導向套的固定可采用螺紋或固定鋼絲.5) 千斤頂活塞可在活塞桿上滑動（保持密封）使環(huán)腔（上腔）供液時拉力與普通千斤頂相同，但在活塞腔（下腔）供液時，使壓力的作用面積僅為活塞桿斷面，從而減小了推輸送機力。 推移千斤頂?shù)墓ぷ髟懋敾钊贿M液，活塞桿腔出液時，浮動活塞首先在液體壓力作用下

49、前移至缸口導向套處停住，當液壓力繼續(xù)作用時，活塞桿外伸并產(chǎn)生推力。當活塞桿腔進液時，在液體壓力作用下活塞與活塞桿同步回縮或缸體相對前移并產(chǎn)生拉力。推力等于液體作用在活塞桿面積上的力，拉力等于液體作用在活塞環(huán)腔面積上的力。采用直接連接，一端固定在支架底座上，另一端固定在輸送機或者輸送機底托架上。此時移架，推溜用一個推移千斤頂。 推移千斤頂尺寸確定1) 活塞桿直徑浮動活塞千斤頂?shù)耐屏τ墒?5-1)計算，一般取100 kN kN (3-1) 代入數(shù)據(jù)得 d60.3 mm移架阻力與架型、噸位、支撐高度、頂板狀況以及是否帶壓移架等因素有關。掩護式和支撐掩護式支架為250300kN。本設計初取移架力為250 kN（2）活塞直徑浮動活塞千斤頂?shù)睦τ墒?5-2)計算 kN (3-2)代入數(shù)據(jù)得 D112.8 mm 式中 D缸內(nèi)徑，mmd活塞桿外徑 ，