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摘要
本課題主要論述了液壓支架的主要設(shè)計(jì)過(guò)程。其中包括：液壓支架的選型、總體設(shè)計(jì)、主要零部件的設(shè)計(jì)、校核以及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
支架的形式為掩護(hù)式支架。支架除了要有效的對(duì)頂板進(jìn)行有效支撐，還要實(shí)現(xiàn)升、降、推移四個(gè)步驟。支架采用四連桿機(jī)構(gòu)，改善支架的受力狀況，縮小支架的升降過(guò)程中頂梁前端前后移動(dòng)的距離。立柱采用單伸縮液壓缸，前端帶有加長(zhǎng)桿，以滿(mǎn)足支架最低及最高位置時(shí)的高度要求。頂梁掩護(hù)梁、底座都做成箱體結(jié)構(gòu)用鋼板焊接而成。
在研制液壓支架時(shí)，需要對(duì)支架進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)和分析研究，確定合理的液壓支架受力參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及選定液壓支架最佳方案等方面綜合性的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。本設(shè)計(jì)主要從支架的工作原理這手，然后進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及校核。
關(guān)鍵詞：液壓支架；頂梁；底座；立柱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
ABSTRACT
The article mianly elaborate the hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design
The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top-beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest position high request. The top-beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate welding.
At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits.
Keyword: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle；the column-type support；structure design
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
1緒 論 1
1.1國(guó)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 2
2液壓支架基本理論分析 3
2.1 液壓支架的工作原理 3
2.2 液壓支架的類(lèi)型和結(jié)構(gòu) 5
2.3 對(duì)液壓支架的基本要求 6
2.4支架的選型設(shè)計(jì) 7
3 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 支架高度、中心距的確定 10
3.2底座長(zhǎng)度的確定 10
3.3四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
3.4頂梁長(zhǎng)度計(jì)算 15
4支架主要部件的設(shè)計(jì) 17
4.1支架主要部件的設(shè)計(jì)要求 17
4.2頂梁的設(shè)計(jì) 17
4.3底座的設(shè)計(jì) 18
4.4支架技術(shù)參數(shù)和立柱的設(shè)計(jì) 18
4.5立柱柱窩位置和受力計(jì)算 23
4.6 千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 25
5 支架受力分析與計(jì)算 30
5.1支架工作狀態(tài) 30
5.2受力計(jì)算 30
5.3 頂梁載荷分布 33
6 液壓支架的強(qiáng)度校核 35
6.1 強(qiáng)度條件 35
6.2主頂梁的校核 35
6.3 掩護(hù)梁強(qiáng)度校核 37
6.4 底座強(qiáng)度校核 39
6.5立柱強(qiáng)度校核 42
7 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 49
7.1液壓支架的液壓系統(tǒng)特點(diǎn) 49
7.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 49
7.3 千斤頂系統(tǒng) 50
7.4乳化液泵站系統(tǒng) 51
參 考 文 獻(xiàn) 57
致謝 58
IV
1緒 論
1.1國(guó)內(nèi)外液壓支架的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
地下開(kāi)采的煤產(chǎn)量主要是利用由液壓支架配套的綜采設(shè)備產(chǎn)出的。綜采設(shè)備的研制和廣泛的運(yùn)用，對(duì)煤炭工業(yè)革新技木裝備不僅有著重大的作用，而且對(duì)采煤工藝各個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)水平的發(fā)展和提高，是強(qiáng)有力的促進(jìn)因素。
加速現(xiàn)代化進(jìn)程，必須加速煤炭工業(yè)企業(yè)的建設(shè)、改造和革新技術(shù)裝備的進(jìn)程，增加地下開(kāi)采和露天開(kāi)采的煤產(chǎn)量。地下開(kāi)采方法是最復(fù)雜和閑難的方法，但是，這種方法在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和以煤作為—次能源的地區(qū)，仍然普遍應(yīng)用。而且，開(kāi)采優(yōu)質(zhì)煤，包括煉焦煤，都是采用地下開(kāi)采方法。
綜合機(jī)械化采煤是煤炭工業(yè)的一次技術(shù)革命，從根本上改變了煤炭工業(yè)的面貌，綜合機(jī)械化采煤是20世紀(jì)人類(lèi)科技發(fā)展的重要成果。 綜合機(jī)械化采煤技術(shù)在我國(guó)的研究試驗(yàn)、使用、發(fā)展，徹底改變了我國(guó)煤炭工業(yè)的面貌，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率和企業(yè)效益，滿(mǎn)足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)煤炭的需求，合理的集中生產(chǎn)簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)安全性。我國(guó)綜采技術(shù)發(fā)展的30多年，使我國(guó)的煤炭生產(chǎn)技術(shù)水平跨進(jìn)了世界先進(jìn)行列，綜放技術(shù)躍居世界領(lǐng)先地位。
工作面支護(hù)問(wèn)題始終是困擾煤礦生產(chǎn)安全、產(chǎn)量和效率的重要問(wèn)題。以液壓支架為主要設(shè)備的綜合機(jī)械化采煤(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)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(chǔ)。但是綜采設(shè)備初期投資高，特別是液壓支架占綜采設(shè)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(lái)在液壓支架技術(shù)不斷發(fā)展中，形成了以煤科總院專(zhuān)業(yè)研究所和骨干支架制造廠(chǎng)設(shè)計(jì)所為主的支架研究設(shè)計(jì)隊(duì)伍，采用計(jì)算機(jī)CAD進(jìn)行各種類(lèi)型支架的設(shè)計(jì)，用有限元計(jì)算軟件等進(jìn)行計(jì)算，并普及計(jì)算機(jī)繪圖。我國(guó)制訂的緩傾斜工作面頂板分類(lèi)及其它研究成果為支架設(shè)計(jì)、選型和使用提供了有力的指導(dǎo)依據(jù)。制造方面形成以原部屬專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)為主、機(jī)械工業(yè)部及船舶制造總公司等專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)為輔的制造體系，以及以國(guó)家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)中心為骨干的檢測(cè)隊(duì)伍。制定有關(guān)支架檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)11項(xiàng)，建立了各項(xiàng)支架檢測(cè)手段，造就了一支研究、制造和使用液壓支架的龐大隊(duì)伍;形成了研制液壓支架的雄厚基礎(chǔ)。不僅能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的需要，還向美國(guó)、俄羅斯、土耳其和印度等國(guó)家出口液壓支架或成套綜采設(shè)備。
為適應(yīng)我國(guó)煤礦綜采機(jī)械化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)綜采設(shè)備科研設(shè)計(jì)和制造企業(yè)已研制開(kāi)發(fā)出具有較先進(jìn)技術(shù)水平的大功率電牽引采煤機(jī)、重型刮板輸送機(jī)、電液控制強(qiáng)力液壓支架和多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)大運(yùn)力帶式輸送機(jī)。配套設(shè)備的生產(chǎn)能力達(dá)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(shí)現(xiàn)年產(chǎn)300萬(wàn)噸以上。
新型礦用單體支護(hù)設(shè)備，采用懸浮式液壓技術(shù)原理，生產(chǎn)礦用單體支護(hù)設(shè)備，技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，填補(bǔ)了國(guó)際空白。DWX型液壓支柱的柱塞懸浮，密封脹緊，密封補(bǔ)償，無(wú)內(nèi)泄漏、無(wú)圓弧焊縫等技術(shù)和安全特點(diǎn)，具有獨(dú)創(chuàng)性。新型礦用單體支護(hù)設(shè)備的誕生，消除了五十年來(lái)國(guó)內(nèi)外單體支護(hù)設(shè)備一直存在的內(nèi)泄漏和圓弧焊縫脆斷等安全隱患問(wèn)題。解決了深部煤礦開(kāi)采沖擊地壓條件下回采工作面頂板支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)束了由德國(guó)人發(fā)明的第二代單體支護(hù)設(shè)備的歷史，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)人發(fā)明的第三代單體支護(hù)技術(shù)設(shè)備的歷史，并將會(huì)長(zhǎng)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(hù)和端頭支護(hù)，可廣泛應(yīng)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(hù)設(shè)備。
近10年來(lái)主要的發(fā)展趨勢(shì)是向兩柱掩護(hù)式和四柱掩護(hù)式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，設(shè)計(jì)方法更先進(jìn)，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(yīng)用電液控制技術(shù)，采用電磁控制的先導(dǎo)閥，先進(jìn)可靠的壓力和位移傳感器，靈活自由編程的微處理機(jī)技術(shù)，紅外線(xiàn)遙感技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，使液壓支架的動(dòng)作自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，移架速度大大提高，支架循環(huán)時(shí)間達(dá)到6~8s。
我國(guó)自1973年開(kāi)始大規(guī)模引進(jìn)德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的綜采設(shè)備，經(jīng)歷了消化、吸收和改進(jìn)提高的過(guò)程，到目前已形成了較完整的設(shè)計(jì)、制造和科研體系，掩護(hù)式液壓支架的制造和采煤技術(shù)已有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
1.2本課題的研究目的和意義
采用綜合機(jī)械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。為了滿(mǎn)足對(duì)煤炭增長(zhǎng)的日益需要，必須大量生產(chǎn)綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機(jī)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(jī)械性質(zhì)等的不同，對(duì)液壓支架的要求也不同。為了有效的支護(hù)和控制頂板，必須設(shè)計(jì)出不同類(lèi)型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。因此液壓支架的設(shè)計(jì)工作是很重要的。由于液壓支架的類(lèi)型很多，因此其設(shè)計(jì)工作量也是很大的，由此可見(jiàn)，研制和開(kāi)發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
通過(guò)對(duì)液壓支架的理論學(xué)習(xí)，完成液壓支架的設(shè)計(jì)工作，加深對(duì)液壓支架工作原理、工作性能、工作環(huán)境及其結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和了解。通過(guò)對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，加深和鞏固機(jī)械原理的相關(guān)內(nèi)容；通過(guò)對(duì)液壓支架受力的分析和強(qiáng)度的校核，加深對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課理論力學(xué)和材料力學(xué)及專(zhuān)業(yè)課機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容的鞏固和理解。同樣通過(guò)對(duì)液壓支架的設(shè)計(jì)，能夠更好的認(rèn)識(shí)國(guó)內(nèi)外液壓支架的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)現(xiàn)目前煤礦液壓支架主要存在的問(wèn)題，從而為以后更深認(rèn)的了解和設(shè)計(jì)液壓支架打下良好的基礎(chǔ)。
通過(guò)自己獨(dú)立地完成指定的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，提高理論聯(lián)系實(shí)際、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)會(huì)查閱參考書(shū)和工具書(shū)的方法，提高編寫(xiě)技術(shù)文件的能力，進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算和制圖等基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)后成為一名出色的機(jī)械工程師打好基礎(chǔ)。
現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才提出了更高的要求，作為一名當(dāng)代大學(xué)畢業(yè)生，不僅打好堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還應(yīng)具備工程技術(shù)人才應(yīng)有的綜合素質(zhì)。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，我們應(yīng)立足變傳統(tǒng)的、僵化的、單純的畢業(yè)設(shè)計(jì)為培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)、提高創(chuàng)新能力、樹(shù)立團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、強(qiáng)化計(jì)算機(jī)運(yùn)用等多維兼容性畢業(yè)設(shè)計(jì);同時(shí)通過(guò)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力；在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，以我們的主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，教師適時(shí)指導(dǎo)為輔；將素質(zhì)教育也畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)相融合，從根本上提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)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(guò)程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護(hù)一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進(jìn)，進(jìn)行移架和推移輸送機(jī)。因此，支架要實(shí)現(xiàn)升、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓液體，通過(guò)工作面性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來(lái)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(dāng)操作閥處于升柱位置時(shí)，從乳化液泵站來(lái)得高壓液體通過(guò)操縱閥液控單向閥5進(jìn)入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥處于降柱位置時(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開(kāi)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(jī)是通過(guò)操縱閥和推移千斤頂3來(lái)進(jìn)行的。移架時(shí)，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(lái)的高壓液體進(jìn)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(shí)，支架以輸送機(jī)為支點(diǎn)前移。移架結(jié)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(jìn)入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時(shí)輸送機(jī)以支架為支點(diǎn)被推向煤壁。
2.1.3 支架承載過(guò)程
支架的承載過(guò)程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過(guò)程，它包括初撐、承載增阻和恒阻三個(gè)階段。
(1) 初撐階段
在升架過(guò)程中，當(dāng)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(shí)，停止供液，液控單向閥6立即關(guān)閉，這一過(guò)程為支架的初撐階段。此時(shí)支架對(duì)頂板的支撐力為初撐力。
(2) 承載增阻階段
支架初撐結(jié)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(duì)頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過(guò)程為支架的承載增阻階段。
(3) 恒阻階段
隨著頂板壓力的進(jìn)一步增加，立柱下腔的液體壓力越來(lái)越高，當(dāng)升高到安全閥5的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥打開(kāi)溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復(fù)這一過(guò)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(shí)，支架對(duì)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(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計(jì)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(xiàn)
由上可知，支架工作時(shí)，其支撐力與時(shí)間的關(guān)系，可用支架工作特性曲線(xiàn)表示，如圖 所示，曲線(xiàn)上的、、分別表示支架的初撐、增阻、和恒阻階段的時(shí)間。
上述工作過(guò)程表明：支架在達(dá)到額定工作阻力以前具有增阻性，以保證支架對(duì)頂板有效的支撐作用；當(dāng)支架達(dá)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(guān)鍵液壓元件
通常液控單向閥和安全閥組合在一起，稱(chēng)為控制閥。支架的工作阻力是支架的一個(gè)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(zhǎng)短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對(duì)頂板的支撐能力。因此，通常單位支護(hù)面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護(hù)強(qiáng)度來(lái)表示支架的支護(hù)性能。即
(式2.1)
式中 —支架的支護(hù)面積，
2.2 液壓支架的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)
液壓支架按其對(duì)頂板的支護(hù)方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，分為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)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(jié)構(gòu)和動(dòng)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(jié)構(gòu)型式。垛式支架每架為一整體，與輸送機(jī)聯(lián)接并互為支點(diǎn)整體前移。節(jié)式支架由2~3個(gè)框節(jié)組成，移架時(shí)，各節(jié)之間互為支點(diǎn)交替前移，輸送機(jī)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：頂梁較長(zhǎng)，其長(zhǎng)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(shè)復(fù)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(hù)性能是：支撐力大，且作用點(diǎn)在支架后部，故切頂性能好；對(duì)頂板重復(fù)支撐的次數(shù)多，容易把本來(lái)完整的頂板壓碎；抗水平載荷的能力差，穩(wěn)定性差；護(hù)矸能力差，矸石易竄入工作空間；支架的工作空間和通風(fēng)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(qiáng)烈周期來(lái)壓，且水平力小的條件。
2.2.2 掩護(hù)式支架
掩護(hù)式支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：有一個(gè)較寬的掩護(hù)梁以擋住采空區(qū)的矸石進(jìn)入作業(yè)空間，其掩護(hù)梁的上端與頂梁鉸接，下端通過(guò)前后連桿與底座連接。底座、前后連桿和掩護(hù)梁形成四連桿機(jī)構(gòu)，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(hù)式支架的立柱較少，除少數(shù)掩護(hù)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(dòng)側(cè)護(hù)板，可以把架間密封。通常頂梁較短，一般為3.0mm左右。
掩護(hù)式支架的支護(hù)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(hù)強(qiáng)度較大、且均勻，掩護(hù)性好，能承受較大的水平推力，對(duì)頂板反復(fù)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(fēng)斷面小。
由上可知，掩護(hù)式支架適用于頂板不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定、老頂周期來(lái)壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。
2.2.3 支撐掩護(hù)式支架
支撐掩護(hù)式支架是在吸收了支撐式和掩護(hù)式兩種支架優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護(hù)式支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，可適用于各種頂?shù)装鍡l件。
支撐掩護(hù)式支架的頂梁由前梁與主梁構(gòu)成，四根立柱支撐在頂梁和立柱之間，掩護(hù)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(diǎn)是：支撐力大，切頂性能強(qiáng)，防護(hù)性能好，通風(fēng)斷面大，穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣。它的主要缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。
支撐掩護(hù)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(gè)別情況下，也有后排立柱支撐在掩護(hù)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(mǎn)足某些特殊要求而發(fā)展起來(lái)的液壓支架，在結(jié)構(gòu)型式仍屬于上述某種基本架型。
2.3 對(duì)液壓支架的基本要求
1. 為了滿(mǎn)足采煤工藝及地質(zhì)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(fēng)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?qū)挼娜诵械馈?
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(mǎn)足強(qiáng)度條件下，盡可能減輕支架重量。
11. 要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。
12. 液壓元件要可靠。
2.4支架的選型設(shè)計(jì)
2.4.1設(shè)計(jì)的原始條件
煤層厚度：H＝1.8~3.2米；頂設(shè)條件老頂II級(jí)、直接頂II級(jí)，底板平整，無(wú)影響支架通過(guò)的斷層。工作面配套設(shè)備：采煤機(jī)：MXA-300/3.5，刮板輸送機(jī)：SGZ－730/320。煤層傾斜角小于15度，支護(hù)強(qiáng)度、底板抗壓強(qiáng)度、泵站壓力、安全閥調(diào)定壓力40MPa。
2.4.2支架的支護(hù)性能與外載荷
由液壓支架的工作狀態(tài)知，支架承受的外載荷是頂板下沉形成的。在頂板下沉過(guò)程中，支架的頂梁與頂板有相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，支架不僅受有垂直于頂梁的力，還受有平行于頂梁的摩擦力。垂直于頂梁的力由支架的工作阻力來(lái)平衡。在支架承載過(guò)程中，支架底座承受工作面底板反作用力。
為了設(shè)計(jì)計(jì)算方便，要對(duì)支架的外載荷和支架本身進(jìn)行簡(jiǎn)化，概述如下：
把支架簡(jiǎn)化成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)。為偏于安全，在計(jì)算時(shí)把外載荷視為集中載荷；金屬結(jié)構(gòu)件按直梁理論計(jì)算；頂梁、底座與頂?shù)装灞徽J(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長(zhǎng)度方向按線(xiàn)性規(guī)律分布，沿支架寬度方向?yàn)榫迹煌ㄟ^(guò)分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上矸石的作用力，只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降低所以，在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不計(jì)，使掩護(hù)梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力計(jì)算；產(chǎn)生作用在頂梁上的水平力的情況有兩種，—是由于支架讓壓回縮，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為近似雙紐線(xiàn)，頂梁與頂板間產(chǎn)生相對(duì)位移，頂板給予頂梁水平摩擦力，另一種是由于頂柜向采空區(qū)方向移動(dòng)，使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平摩擦力。頂梁和頂板的靜摩擦系數(shù)W，
一般取0.15~0.3；按不同支護(hù)高度時(shí)各部件最大受力值進(jìn)行強(qiáng)度校核。
2.4.3 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(dāng)煤層厚度大于2.5~2.8m（軟煤取下限，硬煤取上限）時(shí)，應(yīng)選用抗水平推力強(qiáng)且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。當(dāng)煤層厚度變化較大時(shí)，應(yīng)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(shí)易發(fā)生傾倒、下滑象。當(dāng)煤層傾角大于10~15時(shí)，應(yīng)設(shè)防滑和調(diào)架裝置，當(dāng)傾角超過(guò)18時(shí)，應(yīng)同時(shí)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(duì)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(jié)構(gòu)和支承面積。選型時(shí)，要驗(yàn)算底座對(duì)底板的接觸比壓，其值要小于底板的允許比壓(對(duì)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(duì)于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通風(fēng)斷面應(yīng)滿(mǎn)足通風(fēng)的要求，選型時(shí)要進(jìn)行驗(yàn)算。
(5) 地質(zhì)構(gòu)造
地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，煤層厚度變化又較大，頂板允許暴露面積和時(shí)間分別在5~8和20min以下時(shí)，暫不宜采用液壓支架。
(6) 設(shè)備成本
在滿(mǎn)足要求的前提下，應(yīng)選用價(jià)格便宜的支架。
2.4.4 支架架型的確定
從架型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)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(lái)看，由于直接頂類(lèi)別和老頂級(jí)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(duì)支架的支撐力、采煤高度與承載的關(guān)系進(jìn)行分析，使支架的支撐力能適應(yīng)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(yīng)高度為1.5~3.5米煤質(zhì)條件老頂II級(jí)、直接頂II級(jí)，底板平整，無(wú)影響支架通過(guò)的斷層，根據(jù)表2.1初步選定為掩護(hù)式兩柱液壓支架。
老頂級(jí)別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接頂類(lèi)別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
支架類(lèi)型
掩護(hù)式
掩護(hù)式
支撐式
掩
護(hù)
式
掩
護(hù)
或
支
撐
掩
護(hù)
式
支
撐
式
支撐掩護(hù)式
支撐掩護(hù)式
掩護(hù)或支撐掩護(hù)式
掩護(hù)或支撐掩護(hù)式
支撐式
采高小于2.5m時(shí)
支撐掩
護(hù)式
采高大于2.5m時(shí)
支架支護(hù)強(qiáng)度
MPa
采高m
1
0.294
1.30.294
1.60.294
>20.249
應(yīng)結(jié)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(hào)內(nèi)的數(shù)字是掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度。表中所列支護(hù)強(qiáng)度在選用時(shí)，可根據(jù)本礦情況允許有%的波動(dòng)范圍。
②表中1.3、1.6、2分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)老頂?shù)姆旨?jí)增壓系數(shù)；Ⅳ級(jí)老頂給出最低值2，選用時(shí)可根據(jù)本礦實(shí)際確定適宜值。
3 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 支架高度、中心距的確定
3.1.1支架高度的確定
支架高度的確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來(lái)確定，其最大與最小高度為：
（式3.1）
（式3.2）
—煤層最大采高，
—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(shí)支架的最小可縮量，一般取50mm
—矸、浮煤厚度，一般取50mm
本設(shè)計(jì)采高1.8~3.2m,取支架高度為1.5~3.5m
3.1.2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。
3.1.3支架間距
所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線(xiàn)間的距離。按下式計(jì)算：
（式3.4）
式中： —支架間距（支架中心距）；
—每架支架頂梁總長(zhǎng)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(lái)確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度及幫槽上千斤頂連結(jié)塊的位置來(lái)確定，我國(guó)刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度為1.5m,千斤頂連結(jié)塊位置在溜槽中長(zhǎng)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(shè)計(jì)取支架的中心距為1.5m。
3.2底座長(zhǎng)度的確定
3.2.1底座長(zhǎng)度
底座是將板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要小；支架內(nèi)部應(yīng)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(hù)式支架的底座長(zhǎng)度職3.5倍的移架步距(一個(gè)移架步距為0.6m)，即2.1m左右；支撐掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取4倍移架步距，即2.4m左右。本次設(shè)計(jì)取底座長(zhǎng)2.18m。
3.2.2 底座寬度
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(duì)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(jié)構(gòu)和千斤頂缸徑有關(guān)，一般為300~380mm。寬度取1350mm。
3.3四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.3.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用與缺點(diǎn)
1．梁端護(hù)頂 鑒于四連桿機(jī)構(gòu)可使托梁鉸接點(diǎn)呈雙紐線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，故可選定雙紐線(xiàn)的近似直線(xiàn)部分作為托梁鉸接點(diǎn)適應(yīng)采高的變化范圍。這樣可使托梁鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)與煤壁接近于保持等距，當(dāng)梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時(shí)，借此可以保證梁端頂板維護(hù)良好。
2．擋矸 鑒于組成四連桿機(jī)構(gòu)的掩護(hù)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(hù)梁一般做成整體箱形結(jié)構(gòu)，具有一定強(qiáng)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(guān)測(cè)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(gè)水平推力由液壓支架的四連桿機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)將液壓支架連成一個(gè)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(jī)構(gòu)在具有以上諸作用的同時(shí)，也有一些缺點(diǎn)。首先，支架在工作過(guò)程當(dāng)中，四連桿機(jī)構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)頂板產(chǎn)生一個(gè)水平力（又稱(chēng)水平支撐力），因此對(duì)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(shí)，=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(shí)，保證。
（2）后連桿與掩護(hù)梁的比值，掩護(hù)式支架為I =0.45~0.61;支撐掩護(hù)式為I = 0.61~0.82。
（3）前后連桿上絞點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為0.22~0.3。
（4）點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線(xiàn)，支架由高到低雙紐線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度mm以下。
（5）支架在最高位置時(shí)的應(yīng)小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)支撐掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.16。
3.3.3.四連桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的確定
四連桿機(jī)構(gòu)各部參數(shù)如圖3.1所示，圖中的為支架在最高位置時(shí)的計(jì)算高度。令：=; =; =; =; =; =; =;
=;=;; ;==
圖3.1四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)圖
1、四連桿的作用
四連桿機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架主要的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，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(duì)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(jī)構(gòu)的液壓支架從問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐考驗(yàn)，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(xué)持性的缺陷，成為液壓支架技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。
現(xiàn)代掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架都用前后連桿把掩護(hù)梁和底座連結(jié)在一起，這樣組成的雙搖桿四連桿機(jī)構(gòu)可使支架升降時(shí)保持比較穩(wěn)定的梁端距，即要求掩護(hù)梁和頂梁的鉸接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為一條直線(xiàn)，故稱(chēng)底座、前連桿、后連桿和掩護(hù)梁組成的機(jī)構(gòu)為近似直線(xiàn)機(jī)構(gòu)，從而得到一個(gè)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(shí)，頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，既有頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)E的軌跡所決定，其軌跡如圖3.2所示：
圖3.2升降柱運(yùn)動(dòng)軌跡
2、支架四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡
支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈3種形式：雙向擺動(dòng)(ABCD段)、單向向后擺動(dòng)(BC段)和單向向前擺動(dòng)(AB段和CD段)。選擇不同的四連桿參數(shù)．可以使E點(diǎn)軌跡處于上述3種曲線(xiàn)段。支架工作時(shí)，受到頂板載荷的作用，有下縮趨勢(shì)。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于AB段時(shí)，頂梁相對(duì)于頂板有向煤壁移動(dòng)的趨勢(shì)，頂板對(duì)頂粱的摩擦力指向采空區(qū)側(cè)。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于BC段時(shí)，頂梁相對(duì)于頂板有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)頂板對(duì)頂梁的摩擦力指向煤壁。當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)超過(guò)支架運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。
從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動(dòng)比頂梁向采空區(qū)方向移動(dòng)有利。前者對(duì)于保持粱端頂板處于擠壓狀態(tài)有利，而后者容易導(dǎo)致頂板產(chǎn)生離層或斷裂，造成頂板斷裂線(xiàn)前移或梁端冒頂。因此，合理設(shè)計(jì)四連桿參數(shù)．使支架工作段內(nèi)，E點(diǎn)軌跡處于AB段比較理想，但對(duì)于調(diào)高范圍大的支架，要達(dá)到要求是困難的。然而，由于四連桿銷(xiāo)孔間隙的作用，使E點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(yīng)控制梁端擺動(dòng)幅度Δ ≤30~80mm。液壓支架的縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，而不取決于立柱的多少。
液壓支架實(shí)際受力狀態(tài)十分復(fù)雜，經(jīng)常受到非對(duì)稱(chēng)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(gòu)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(jī)構(gòu)承受。
3、四桿機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系
掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的四連桿機(jī)構(gòu)都是雙搖桿機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)形成的條件是：最短桿C和最長(zhǎng)桿之和小于其余兩桿長(zhǎng)度之和，而最短桿為上連桿（掩護(hù)梁），最短桿的對(duì)邊a為固定桿（底座），即：
C＋b
。在J點(diǎn)作角，再取JC一定長(zhǎng)度與HC交于C點(diǎn)，C點(diǎn)作為后連桿和掩護(hù)梁的鉸接軸。
4)以J為圓心，JC為半徑畫(huà)一圓弧。以I為圓心，以HC的長(zhǎng)度為半徑畫(huà)圓弧與ab弧交于E點(diǎn)。C點(diǎn)和E點(diǎn)就是后連桿在支架為最小高度和最大高度時(shí)的極限位置。
5)在CH上取一長(zhǎng)度CD，必須使CDDC,這樣CD就是最短桿。而且要使CD＋DG
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