支撑掩护式液压支架设计

时间：2020-09-24 20:08:10 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　 设计题目：

　 支撑掩护式液压支架设计

　摘

　要

　本论文主要阐述了一般支撑掩护式液压支架的设计过程。首先，通过对四连杆机构的设计来确定支架的四连杆机构各杆系的长度及其相对空间位置；然后，确定液压支架的性能参数；其次，通过二维软件 AuotoCAD 来进行结构设计以达到优化；接着，以力学模型为依据，分析了液压支架的顶梁、掩护梁、底座上载荷的作用机理，得到了较为合理的支架载荷的计算公式；再次，结合本次设计的支架，从平面和空间两方面对支架主要结构件进行受力分析；最后对支架主要结构件强进行度效核。

　由于该煤层厚度较厚，选用支撑掩护式液压支架。煤层厚度介于之间，煤层厚度变化较大，选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的支撑掩护式支架。支架采用正四连杆机构，以改善支架受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。

　关键词：液压支架

　液压

　四连杆机构

　采煤

　支架选型 受力分析

　强度校核

　ABSTRACT

　The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. In the task,firstly, the optimal values of some parameters of the leading four-bar mechanism are determined. Secondly, ascertain the capability of hydraulic support. Nextly, the model is founded with the two-dimensional software, autoCAD and also do the Simulink, SimMechanics and simple analysis. Then on the base of mechanic model of support-surrounding, the mechanism and loads on the support is decided. The next work, with the condition of the design, the main mechanics of hydraulic support is analyzed and calculated by plane and spatial model. Finally, the under frame, top beam cave shield, wrists and hydraulic column are analyzed by calculation. And draw out all the process drawings.

　Because this coal bed thickness is huge, 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.

　详细 DWG 图 纸 请 加：三 二 ③ 1 爸 爸 五 四 0 六

　Keywords ：The hydraulic pressure support , hydraulic pressure , four-link mechanism , mining coal,

　support shaping

　 optimal design

　mechanics characteristics

　 strength checking

　1 绪

　论

　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战略措施。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约为综采设备总重量的 80%-90%，其费用约占综采设备总费用的60%-70%。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。

　依靠科技进步，建设高产高效矿井，实现煤矿生产的机械化、自动化和安全高效，是煤炭工业发展的根本出路。改革开放以来，我国煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，开采工艺及装备水平不断提高，机械化程度逐年上升，安全生产状况显着改善，高产高效记录不断刷新。一大批创新科研成果不断涌现并推广应用，使我国煤矿开采技术跻身世界先进行列。

　液压支架的发展历史 液压支架的发展从 20 世纪 50 年代开始。

　1954 年，英国研制出剁式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。

　1958 年法国试验成功了节式支架。

　五十年代末，为开采煤层厚超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并与 1961 年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上

　展出了 OMKT 型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅 0.8m 并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起剁式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。

　为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在 OMKT 形 掩 护 式 支架的基础上作了许多改进：

　1、利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。

　2、利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。

　3、将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。

　4、 1964 年，英国国家煤炭局实施的液压支架试验规范；1965 年 ，等人研制的刚性底座都促进了液压支架的进一步发展。

　60 年代末和 70 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974 年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。

　进入 70 和 80 年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981 年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为 6m 的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。

　 我国液压支架的发展

　1959 年 10 月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。1961 年设计了“本溪-Ⅱ型”支架，并制造出样机进行井下试验。1965 年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1967 年，太原煤炭研究所首次研究出四组迈步式支架，经修改后于 1972 年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下试验。1970 年又为大同矿务局设计了 TZ-140 型支架，在此基础上研制出 TZ-Ⅰ支架，开发了TZ-IB、TZ-Ⅱ、TZ-Ⅲ、TZ-Ⅳ和 TZ-Ⅴ型等液压支架。1973 年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套 BZZ 垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。此外，有关院校、研究所和制造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如 ZY-3、WKM-400、BZZB、KD-280 和 FX-440 等。这些液压支架由于受到多种因素的限制，虽然使用效果不佳，几乎全被淘汰，但为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974 年和 1979 年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了 48 套和 100 套综采设备。国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。到 1983 年末，全国在籍的各类支架共 31990 架。其中，国产支架 64 套，其性能质量和使用效果都是早期支架所不能比拟的。从 70 年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出 30 余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，

　还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。其中，20 多种支架已通过鉴定，五种支架获奖。

　总之，我国液压支架是从 50 年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。

　 液压支架的用途、分类和结构 1.3.1

　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、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤设备，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。

　 1.3.2

　液压支架工作状态 及布置

　图 1-1 所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。

　A-A 截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（B-B截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（C-C 截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（D-D 截面），以便完成下一个动作过程。

　随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。

　 图 1-1 液压支架在工作面布置示意图

　 1－采煤机 2－液压支架 3－传送带输送机 4－转载机 5－刮板输送机

　6－主进液管 7－主回液管 8－乳化液泵 9－乳化液箱 10－端头支架 11－单体液压支柱

　1.3.3

　液压支架的分类

　液压支架分类的方式很多，主要可以按照支架与围岩的相互作用关系、立柱布置方式、使用条件和结构特点等来分类。

　1、按使用条件分类

　表 1-1 详细表示了支架按使用条件分类情况。

　表 1-1 按使用条件分类表

　 分类标准

　具体分为

　使用高度

　 厚煤层一次采全高支架（≥3.5m）

　中厚煤层支架（1.3m＜h＜3.5m）

　薄煤层支架（≤1.3m）

　使用倾角

　缓倾斜工作面支架（≤25°）

　倾斜工作面支架（25°＜α＜45°）

　倾斜工作面支架（≥45°）

　采煤工艺

　放顶煤支架

　机械铺（连）网支架

　充填支架

　使用地点

　排头支架

　端头支架

　工作面支架

　顺槽超前支架

　 2、按主要结构特点（表 1-2）

　表 1-2 按主要结构特点分类

　分 类 标准

　具体分为

　分 类 标准

　具体分为

　调 高 机构

　四连杆式

　控 制 方式

　本架控制

　单铰点式

　邻架控制

　摆杆式

　成组控制和顺槽控制

　配 套 方式

　插腿式

　组 合 方式

　单架式

　不插腿式

　组合式

　 1.3.4

　液压支 架结构型式及特点

　根据用途和在采煤工作面的安装位置，液压支架分为两大类，即端头支架和中间支架。

　端头支架安装在采煤工作面两端与顺槽连接处。由于此处顶板悬露面积较大，综采设备较多，又是人员的安全出口，要求端头支架不仅能支护顶板，而且要与端面处的各种机械设备相适应。因此，端头支架具有特殊性。一般来说，它的顶梁较长，支护空间较大，具有较大的支撑力，并兼有支撑和锚固作用，其整体性和结构强度均较高。

　中间支架安装在除端头支架以外的采煤工作面的全部作业位置。其作业是确保采煤工作面人员与设备的安全，并实现顶板管理与支护以及采煤作业过程机械化。因此，一方面，要求中间支架工作可靠，使用方便，易于制造和运输，

　在整个服务年限内使用费用的总和最低；另一方面，要求中间支架的结构即及布置方式采场围岩的运动规律，与其支护的工作面顶板压力相适应，兼有支撑和掩护作用－既能支撑住采煤工作面下沉的顶板，又能防止矸石涌入工作面。液压支架的分类主要是对中间支架进行分类。

　中间支架按其结构及与围岩相互作用方式可分为:支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类，如图 1-3。后两类又统称为掩护型液压支架。

　1、支撑式液压支架

　支撑式液压支架是利用立柱与顶梁直接支撑和控制采煤工作面顶板的，没有掩护梁。其顶梁较长，立柱较多，一般呈垂直布置，联结着顶梁和底座，无法承受水平作用力，这是此种支架的最大弱点；靠立柱支撑顶梁来维持一定的工作空间；顶板岩石则在顶梁后部垮落。这类支架的特点是：具有较大的工作阻力和良好的切顶性能，通风面积大；采区防矸不严密；由于顶梁较长，对顶板重复支撑次数多；适用于老顶来压强烈的或直接顶稳定和坚硬的顶板。按其结构和工作方式的不同，支撑式液压支架又可分为垛式和节式两种。

　2、掩护式液压

　掩护式液压支架是利用立柱、顶梁、及掩护梁来支撑顶板和防止顶板岩石涌入工作面。其顶梁较短，立柱较少，一般呈倾斜布置，联结着顶梁和底座或掩护梁和底座；掩护梁直接与冒落的矸石接触，靠其掩护作用来维持一定工作空间；顶板岩石则在掩护梁后部垮落。掩护式液压支架的特点是:调高范围大，适应煤层厚度变化的能力强，

　调高比一般可达左右，甚至超过了 3；支撑煤壁合力靠近煤壁，能较好的维护裸露的顶板；顶梁短，减少了反复支撑顶板的次数，有利于保持顶板的完整；架间密封较严，能有效的防止窜矸露矸；由于采用了四连杆机构，支架抗侧向能力大，稳定性好，立柱不承受水平作用力；立柱少，移架速度快；平衡千斤

　顶可以来调节顶梁的工作状态，提高支架对不同顶板的适应性，能适用倾角较大的煤层；重量轻，长度小，便于运输和安装；造价低。减少了整套综采设备的投资。由于掩护式液压支架的这些优点，目前它已经成为世界各主要产煤大国研制和使用的重点架型。

　图 1-3 液压支架结构型式

　a) 支撑式

　b) 掩护式

　c) 支撑掩护式

　1－前探梁 2－顶梁及其侧护板 3－掩护梁及其侧护板 4－前连杆 5－后连杆

　 6－底座

　7－立柱 8－推移千斤顶 9－平衡千斤顶 10－操纵阀与控制阀

　11－护帮机构 12－护帮千斤顶

　13－前梁千斤顶 14－挡矸帘

　3、支撑掩护式液压支架

　顾名思义，支撑掩护式液压支架是以支撑为主，掩护为辅，兼有掩护式和支撑式液压支架的结构特点的一种支架。它利用支撑和掩护的双重作用来维持一定的工作空间。这类支架的特点式：立柱较多，垂直支撑或立柱倾角较小，工作阻力大，切顶性能较好；采用掩护梁，架间密封，挡矸掩护性能好；采用四连杆机构，能承受侧向力；适用范围较宽。

　液压支架的组成 根据各部件的功能，液压支架的组成可归纳为五个部分见表 1-3。

　液压支架的支护方式 综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。3 个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的 3 种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。具体的循环方式见表 1-4。

　液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图 1-3 所示

　表 1-3 液压支架组成表

　序 号

　部 件

　功 能

　举 例

　1

　承载结构件

　承受并传递顶板载荷作用的结构件

　顶梁、掩护梁、底座、连杆

　2

　动力油缸

　用液体作介质可以主动产生作用力，实现各种动作的油缸

　立柱、各类千斤顶

　3

　控制元部件

　操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压（电气）元部件

　操纵阀、单向阀、安全阀及管路、液压（电控）元

　件

　4

　辅助装置

　不直接承受顶板载荷，而实现支架某些动作或功能所必须的装置

　推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置

　5

　工作液体

　传递能量的工作液压介质

　乳化液

　表 1-4 液压支架的支护方式表

　支护方式

　循环方式

　支护特点

　应用条件

　即时支护

　割煤－移架－推溜

　支护滞后时间短

　适用于各种顶板条件，应用最为广泛

　滞后支护

　割煤－推溜－移架

　支护滞后时间较长

　可用于稳定、完整的顶板条件，较少支架结构紧凑，目前应用

　复合支护

　割煤－支架伸出探梁－推溜－移架

　支护滞后时间短 但增加了反复支撑

　可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，目前应用较少

　1 1.6.1 支架升降和推移

　当操纵阀 8 处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀 8、液控单向阀 6 进入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操

　纵阀 8 处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。

　支架的前移和推移输送机是通过操纵阀 7 和推移千斤顶 4 来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀 7 置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶 4 的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，在把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀 7 置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。

　PO192345681171210 图 1-3 液压支架工作原理图

　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

　2 1.6.2 支架的承载过程

　支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。

　1、初撑阶段

　在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀 6 立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。初撑力的大小取决于泵站的工作压力

　立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。

　2、承载增阻阶段

　支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。

　3、恒阻阶段

　随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高。当升高到安全阀 5 的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。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。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。

　采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数 1.7.1

　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。基于以上原因本文设计了支撑掩护式液压支架。

　1.7.2

　对液压支架的基本要求

　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。推溜力一般为 100kN 左右；移架力按煤层厚度而定，对中厚煤层一般为 150～250kN；厚煤层为 300～400kN。

　3、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和冲击载荷。

　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。

　 1.7.3

　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，决定是否选用防倒防滑装置。

　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。

　 本文做的主要工作

　毕业设计名称：支撑掩护式液压支架

　参数如下：

　（1）要求工作阻力 10000KN；

　（2）最大采高。

　（3）支架伸缩高度范围 3.5 m—5.5 m

　该支架应用的条件：

　（4）煤壁平均厚度；

　（5）煤层倾角＜8 度；

　（6）工作阻力小于等于 10000kN；

　（7）要求采用四柱支撑，本架手动控制；

　（8）该支架适应于中等稳定和稳定顶板。

　本文所做的主要工作是：支架总体结构的设计、双伸缩液压立柱的设计、支架各结构件的结构设计以及各结构件的受力分析及强度校核。

　 2 液压支架整体结构设计

　 支架主要尺寸的确定 1 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比

　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：

　1 m mH h S  

　（2-1）

　2 n n aH h S a     

　 （2-2）

　式中

　 mH——支架最大高度（mm）；

　nH——支架最小高度（mm）；

　mh——煤层最大厚度（mm）；

　nh——煤层最小厚度（mm）；

　1S——考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能靠初撑力所需要的支撑高度，一般取200～300mm；

　2S——顶板最大下沉量，一般取 100～200mm；

　a ——移架时支架的最小可缩量，一般取 50mm；

　a——浮矸石、浮煤厚度，一般取 50mm；

　取1S =200mm,由设计给出的参数可得，支架最大高度为 5500mm，最小采高3500mm

　2、支架的伸缩比

　支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值即：

　 maxminHmH

　 （2-3）

　由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。一般范围是至，煤层较薄时选大值。但是考虑尽量减轻支架重量，降低造价，可搞系列化，加强指甲对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。该支架的伸缩比 m=

　2 2.1.2 支架间距和宽度的确定

　支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用 1.5m.大采高支架为提高稳定性中心距可采用，轻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。因此设计中预取 1.75m。

　支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为 170mm～200mm。当支架中心距为时，最小宽度一般取 1400mm～1430mm,最大宽度一般取 1570mm～1600mm。当支架中心距为时，最小宽度一般取 1650mm～1680mm，最大宽度一般取 1850mm～1800mm。当支架中心距为时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度一般取 1150mm～1180mm，最大宽度一般取 1320mm～1350mm，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取 1150mm～1200mm。

　本次设计取支架中心距为，侧护板行程为 170mm，顶梁宽度为 1690mm～1860mm

　底座长度的确定

　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，应考虑如下诸方面：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；保证支架的稳定性等。通常掩护式支架的底座长度取倍的移架步距（一个移架步距为），即左右，支撑掩护式支架的底座长度取 4 倍的移架步距，即左右。综合考虑取底座长度为，底座宽度为，立柱中心线之间的距离为 m。

　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。

　2.3 31 .1 支架工作方式对顶梁长度的影响

　支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（即时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小。这是因为采用先移架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，先移架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 600 mm 。

　本次设计采用即时支护方式。

　2.3 32 .2 顶梁长度计算

　 详细 DWG 图 纸 请 加：三 二 ③ 1 爸 爸 五 四 0 六

　    1 1cos cos 300 A Q G P e          顶梁长度＝ 配套尺寸＋底座长度＋ 式中：

　配套尺寸—参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定；

　底座长度—底座前端至后连杆下铰点之距。

　e —支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；

　1Q 、1P —支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。

　中厚煤层综采选用的配套设备如下：

　采煤机为 MG750/1910—AWD 型；输送机为 SGZ 1200/3600 型。

　经过计算得该支架的顶梁长度为 6050mm。

　 四连杆机构的确定 2.4 41 .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纽线，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。

　2.4 4. .2 2 四连杆机构的几何特征

　1、支架从最高高度降到最低高度时，如图 2－1 所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度 70 e  mm ，最好为 30 mm 以下。

　图 2-1 四连杆的几何特征

　 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≤ 52 o

　～ 62 o ，Q≤ 75 o

　～ 85 o ；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， tanP f  ,如果按钢和矸石的摩擦系数为 0.3 f  ,即：

　tan 0.3 P  ,求得 16.7 o P  ；为了安全可靠在最低工作位置时，应使 25 o P  为宜，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 25 ~30o oQ 。

　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 Q，设计时，要使 tan 0.35   范围内，主要原因是 Q 角直接影响附加力 Qy 的数值大小。

　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防止岩石向后移动，又

　可以使作用在顶梁上的摩擦力指向老塘，同时底板阴止底座向后移；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，可防止啃底，有利移架，再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩护梁来地 克服，所以减轻了掩护梁的受力。

　图 2-2 掩护梁后连杆的曲柄滑块机构

　 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取曲线向前凸的一段，所以当已知掩护和后连杆的长度后，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，进行作图计算就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图 2－2 所示。

　从图 2－2 可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了，其具体作法是顺时针转动后连杆，使支架最高位置时的 E’点向下

　作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁上前连杆上铰点所作的运动轨迹上，任找几点，把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了

　 2.4 4. .2 2 四连杆机构 的几何算法

　首先用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。如图 2-3 所示

　图 2-2 掩护梁后连杆的曲柄滑块机构

　 设：

　L ——掩护梁长度

　(mm)

　1L ——后连杆长度

　(mm)

　2L ——掩护梁上铰点垂直线到后连杆铰点之距 (mm)

　1H ——支架最高位置时的计算高度

　(mm)

　2H——支架最低位置时的计算高度

　(mm)

　从几何关系可以列出如下两式：

　1 1 1 2cos cos L P L Q L    

　(2－4)

　2 1 2 2cos cos L P L Q L    

　(2－5)

　将（2－4）和（2－5）式联立可得

　1 2 12 1cos coscos cosL P PL Q Q

　(2－6)

　按四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定：

　oP 641 ；oQ 781 ；oP 342 ；oQ 312 。

　代入（2－6）式，可求得1LL的比值。而支架在最高位置时的值为：

　1 1 1 1sin sin H L P L Q  

　(2－7)

　因此掩护梁的长度为：

　111 1sin ( )sinHLLP QL

　(2－8)

　后连杆长度为：

　11( )LL LL

　 (2－9)

　支撑掩护式支架：1/ L L =～

　带入1P 、2P 、1Q 、2Q 的角度，得出 L =31001L =21002L =1400

　3 液压支架部件设计

　液压支架各个部件的结构型式，应根据工作面的顶底板条件和支架架型进行选择。结构件的端面尺寸，应进行强度校核，满足要求才能投入生产使用。

　 顶梁 3.1.1 1

　主要作用

　（1）、用于支撑、维护和覆盖顶板，为工作面创造安全的工作空间；

　（2）、将立柱的支撑力传递至顶板，并给予合理地分布；对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用；对无立柱空间的顶板起支撑作用；

　（3）、为护帮、防倒装置等提供依托；

　（4）、将顶板载荷通过立柱经底座传到底板。

　 图 3-1 顶梁的结构型式

　1——前梁；2——后梁；3——尾梁；

　4——前梁千斤顶；5——前梁伸缩千斤顶

　2 3.1.2 结构型式

　支撑式支架顶梁的结构型式如图 3-1 所示。

　图 3-1 a 为整体刚性顶梁，顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好。但对顶板的适应性差。图 3-1 b 为铰接式顶梁，由前梁和后梁铰接而成，分别由前、后排立柱支撑。其中图 3-1 b 为全铰接式，它能适应顶梁上方前、后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半铰接式顶梁如图 3-1 c 所示，它克服了全铰接式的缺点，当顶梁中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于交接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。

　 图 3-1 d 为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接。在铰接前梁 2安装有前梁千斤顶 4，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上、下摆角，适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。

　为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增加尾梁 3，如图3-1 e 所示。

　图 3-1 f 为带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶 5 使前梁 1 伸缩。由于前梁可以及时伸出支护刚暴露的顶板，从而允许固定顶梁减少长度。也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。

　为了使支架结构简单，而且具有更好的支护能力。本支架采用图 3-1 e 所示的结构。

　3 3.1.3 顶梁结构和断面形状

　各类顶梁都为箱式结构，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。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂矸帘之用。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，掩护式支架和支撑掩护式支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。

　按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构形式：

　（1）

　闭式顶梁

　闭式顶梁为顶梁上、下盖板与筋板焊接成封闭型，如图 3-2 所示。

　一种为立筋凸出型，如图 3-2 a 所示，增加了焊接强度；另一种为立筋凹下，焊接后使顶梁平整，但焊接强度不如前一种，如图 3-2 b 。

　（2）

　开式顶梁

　开式顶梁结构如图 3-3 所示。

　 图 3-2 顶梁闭式立筋型式

　 图 3-3 顶梁开式立筋型式

　开式顶梁的特点，可减轻顶梁重量，增强顶梁的抗弯强度。

　对于掩护式和支撑掩护式支架，为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 3-4 中 a，同时也增强了顶梁的结构强度。

　 图 3-4 顶梁断面

　本设计中的支撑掩护式液压支架顶梁采用闭式结构

　 顶梁侧护板 支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。

　3.2.1 1 主要作用

　（1）、挡矸。可改善顶梁与掩护梁的护顶、防矸性能，隔离控顶区与采空区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘；

　（2）、导向。在支架移架时起导向作用；

　（3）、防倒、调架。活动侧护板增强了支架侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用。

　2 3.2.2 侧护板的种类与选择

　顶梁和掩护梁的侧护板有两种：

　一种是一侧固定另一侧活动的侧护板。由于固定侧护板与梁体焊接在一起，可节省原梁体的侧板，既节省材料又可加固梁体。在设计时，根据左右工作面来确定左侧或右侧为活动侧护板。一般沿倾斜方向的上方为固定侧护板，下方为活动侧护板。活动侧护板通过弹簧筒和侧推千斤顶与梁体连接，以保证活动

　侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当改换工作面开采方向时，活动侧护板便位于倾斜方向的上方，对调架、防倒等带来不便，所以很少采用。

　另一种是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。

　由于支架中心距较大，本液压支架采用的是第二种两侧皆为活动侧护板。

　3 3.2.3 侧护板的结构型式

　侧护板的结构型式如图 3-5 所示。

　 图 3-5 侧护板的结构型式

　一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板又有三种型式，图 3-5 a，顶梁上无顶板，侧护板易被冒落矸石压住，影响侧护板的伸缩；图 3-5 b、c，在顶梁上加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承载时，侧护板装置受力很大。

　另一种是铰接式侧护板，如图 3-5 d 所示。它克服了以上两种侧护板的缺点，但由于架间侧护板造成三角带容易填入碎矸，影响架间密封效果。

　所以综合考虑各个方面，本架采用图 3-5 b 所示的侧护板。可以根据工作面倾角方向调整一侧固定，另一侧活动，适应性强。

　 底座 1 3.3.1 主要作用

　（1）、承受由立柱与连杆等传递的顶板载荷，并传递给底版；

　（2）、是整个支架结构稳定性、整体性的基础；

　（3）、为支架辅助件，例如推移装置、防倒防滑、操纵阀架等提供依托与根基；

　（4）、有一定的挡矸与排矸能力；

　（5）、便于人员操作与行走；

　（6）、与工作面输送机等组成交替前移的支撑点，防止支架与输送机下滑。

　2 3.3.2 底座的结构型式、特点与选择

　支架底座结构型式通常有三种类型，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。

　此处选择分式刚性底座。分式底座是分左右对称两部分，上部用过桥或箱型结构固定连接，这种底座在刚性、稳定性和强度方面基本和整体刚性底座相同。安装推移千斤顶地板不密封，排矸性能好，适用于支撑掩护式支架。

　 推移装置 液压支架推移装置是保证支架正常推溜和拉架，实现工作面正常循环作业的重要装置。

　在设计支架时，应根据支架结构和配套要求合理选择推移装置的形式，并充分保证支架推移装置对工作面条件和配套的适应性。

　推移装置的型式如表 3-1 所示

　 表 3-1 推移装置千斤顶的型式

　型

　式

　特

　点

　适用条件

　普通式

　普通活塞式双作用千斤顶可为外供液式，也可为内供液式

　1、目前已很少直接用作推移装置，而多与反拉框架一起使用，应用较广

　2、外供液式结构简单，应用广泛

　差动式

　千斤顶结构仍为普通型式，利用交替阀的油路系统，使其减小托输送机力

　 用于直接拉架的方式，目前应用较少

　浮动活塞式

　千斤顶活塞可在活塞杆上滑动，使环腔供液时拉力与普通千斤顶相同；但在活塞腔供液时，使压力的作用面积仅为活塞杆断面积，从而减小了推输送力

　1、广泛用于直接拉架方式，与短推杆等导向件一起使用

　2、动作时间有一定滞后，但一般不影响使用

　 推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆两种。本支架由于推移力小于拉架力很多，采用倒拉长推杆式

　立柱和千斤顶的设计

　本支架主要对立柱的设计进行详细的说明，其余的千斤顶如推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶等都采用相关手册上的标准型号和尺寸，故不再详细叙述。

　立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力状态，它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。

　3.5.1 立柱的类型

　立柱的种类很多，按不同的分类方法有不同的类型。详细分类见表 3-2。

　表 3-2 立柱的分类

　分类方法

　类型

　按动作方式分

　单作用和双作用

　按结构种类分

　活塞式和活柱式

　按伸缩方式分

　单伸缩和双伸缩

　 本支架使用的立柱采用双伸缩液压缸

　喷雾降尘系统的设计 综采放顶煤工艺是割煤与放煤，放煤产量一般占 60％多，而且放煤口位置越高，煤尘越大。同时原煤含水低，粉尘也大。低位放顶煤支架虽较其他架型放煤煤尘要小，但煤尘仍超出国家规定的标准很多。而且移架时也会产生粉尘。为此必须高度重视防尘。现在主要采取的措施是喷雾降尘，实践证明效果良好。

　3 3. .6 6. .1 1 喷雾降尘系统的组成

　每架由平面截止阀、球形截止阎、单向阀、喷头及管路组成(图。架间有管路相通，低位放顶煤支架喷雾系统在架后放煤口处有 4 组喷头，在前粱处有 l组喷头。

　3 3. .6 6. .2 2 设计原则

　为减少煤尘，在收尾梁放煤时，由操纵系统控制打开单向锁，使水路畅通，喷嘴喷出雾状形成雾墙，便粉尘减少。此外还有一球形截止阀，可手工控制喷雾时间。另一组安设在前梁处负责移架时降尘。

　图

　喷雾降尘系统

　液压支架的主要技术参数 3 3. .7 7. .1 1 支护面积

　 cF b l   式中：

　cF ——支护面积，2m ；

　b ——顶梁宽度， m ；

　l ——顶梁长度， m ；

　 ——移架后顶梁前端到煤壁的距离，一般 300mm   。

　代入相关数据，得：2 21.75 (6.0 0.4)m 11.2mcF    

　3 3. .7 7. .2 2 支护强度和支护效率

　支护强度是指支架对单位面积顶板提供的工作阻力。

　 sp nP KqL L L 式中：

　P ——支架总工作阻力， N ;

　sK ——支护效率；

　pL ——支架中心距， mm ；

　nL ——梁端距，

　mm ；

　L ——顶梁长度，

　mm ；

　代 入 相 关 数 据 sK =

　1 0 0 0 0 K N P 

　 1750mmpL 

　400mmnL 

　6000mm L 

　 得：0.837MPa q 

　4 立柱和千斤顶的设计与验算

　立柱是液压支架的主要承载与高度调节件。它除了要具有较高的承载能力外，还应有较大的伸缩行程，以满足支架工作高度的要求。在厚煤层开采中，为了增大支架对煤层厚度变化的适应性，常需使支架的伸缩比较大。此时，单伸缩立柱就难以满足要求。虽然采用在支架上装设机械加长杆的方法，在一定程度上可以扩大其调高范围。但机械加长杆在安装后就成为固定活塞杆，需要调节时装拆比较困难。目前，在国内外一些大高度的新型支架上日益采用伸缩式立柱。由于本设计的采高较大，因此采用双伸缩立柱结构。

　双伸缩立柱缸径和工作阻力的确定 设计参数：

　行程 1：

　1522 mm

　行程 2：

　1470 mm

　缸内工作压力：

　41 MPa

　完全缩回时长度：

　2270 mm

　完全伸出时长度：

　5262 mm

　4 4. .1 1. .1 1 双 伸缩立柱缸径的确定

　立柱缸体内径按下列公式计算：

　40cosaFDn P   式中：

　D ——立柱缸体内径， cm ；

　 F ——支架承受的理论总载荷力， kN ;

　  10 kNcF F q    n ——立柱的根数；

　aP ——安全阀调定压力， MPa ，选2sYF 型安全阀， 41MPaaP  ；

　 ——立柱最大倾角，本设计取06.0   。

　代入相关数据，得：

　 40 10000279.4 mm4 3.14 41 cos6.0D    圆整，按系列取 280mm D  。

　按照双伸缩立柱缸径的匹配系列选定

　一级缸内径 280mm D 

　一级缸杆径 260mm d 

　 二级缸内径 210mm D 

　二级缸杆径 190mm d 

　4 4. .1 1. .2 2 安全阀压力的确定

　安全阀的的调整压力，按选定后的立柱缸体内径eD 和支架承受的理论支护阻力1mF 来确定，即：

　240(MPa)zaeFPD 

　式中zF 按下式计算:

　1(kN)cosmzd nFFn a

　式中na ——支架在最高位置时立柱倾角，度。

　代入数据得

　0100002513(kN)4 cos6zF   240 251340.8(MPa)3.14 28aP 

　即aP

　取 41 MPa 合理

　4 4. .1 1. .3 3 泵站压力的确定

　本设计选用2XRB B 型乳化液泵站，压力 31.5MPa

　4 4. .1 1. .4 4 立柱 初撑力的计算

　21cos4 10bDP P  式中：1p ——立柱初撑力， kN ;

　bp ——泵站压力， MPa ；

　 ——立柱伸到最高时与垂线的夹角

　代入相关数据，得：

　213.14 28 31.5cos6 1928.0MPa4 10P    4 4. .1 1. .5 5 立柱工作阻力的 计算

　22cos4 10aDP P  式中：2P ——单根立柱工作阻力，

　kN ；

　aP ——安全阀额定工作压力， MPa 。

　 ——立柱伸到最高时与垂线的夹角

　代入相关数据，得：

　223.14 28 41cos6 2509.5kN4 10P    4 4. .1 1. .6 6 立柱缸体壁厚的计算

　论文只对一级缸进行分析，二级缸与一级缸校核方式相同

　支架立柱的壁厚   mm  一般为, 16 / 3.2 D    即中等壁厚，按下式计算：

　    2.3aP Dcp   式中：aP ——缸内工作压力， MPa ；

　c ——考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取 2mm ；

　 ——强度系数，无缝钢管取 1   ；

　   ——缸体材料许用应力， MPa ，缸体选用 27SiMn ，     980MPa ；

　D ——立柱缸体内径， cm 。

　代入相关数据，得：

　 41 2802 10.5mm2.3 980 40 1     圆整，取 21.5mm   。

　缸体外径为12 280 ...