3755 液壓支架的總體及液壓系統(tǒng)設(shè)計,液壓,支架,總體,整體,系統(tǒng),設(shè)計 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書I摘要本課題主要闡述了液壓支架的設(shè)計過程。設(shè)計內(nèi)容包括：選架型、總體設(shè)計、主要零部件的設(shè)計、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設(shè)計。由于設(shè)計煤層適中，選用掩護(hù)式液壓支架。煤層厚度介于 2.5~3.8m 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(hù)幫裝置的掩護(hù)式支架。支架采用正四連桿機構(gòu)，以改善支架的受力狀況。頂梁、掩護(hù)梁、底座均做成箱體結(jié)構(gòu)；立柱采用單伸縮液壓缸，前端帶有加長桿，以滿足支架最低及最高位置時的高度要求。在研制液壓支架時，需要對支架進(jìn)行生產(chǎn)試驗和分析研究，確定合理的液壓支架受力參數(shù)、運動參數(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)問題。關(guān)鍵詞：液壓支架；頂梁；底座；立柱；結(jié)構(gòu)設(shè)計 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書IIABSTRACTThis paper mainly describes the design process of hydraulic support. Design elements include : chooses, overall design, main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design.Due to the design of coal seam is moderate, selection of shield type hydraulic support. Coal seam thickness between 2.5~3.8m, coal seam thickness change is bigger, selection of high and wide range of horizontal thrust is strong and the slope protecting device of shield support. The support uses the four bar linkage mechanism, improves the support stress condition. Top beam, a shield beam, a base are made into a box body structure; the column uses the single telescopic hydraulic cylinder, front end with a lengthened rod, to meet the minimum and maximum position bracket height requirements.In the research of hydraulic support, the need for support for production testing and analysis, to determine a reasonable hydraulic support force parameters, motion parameters and structure parameters, and selected the best scheme of hydraulic support and other aspects of comprehensive science and technology issues.Keyword: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書III目 錄一 前言 .........................................................1二 液壓支架基本理論分析 .........................................22.1 液壓支架的工作原理 .......................................22.1.2 支架推移 ............................................22.1.3 支架承載過程 .......................................32.2 液壓支架的類型和結(jié)構(gòu) .....................................52.2.1 支撐式支架 .........................................52.2.2 掩護(hù)式支架 .........................................52.2.3 支撐掩護(hù)式支架 .....................................62.2.4 特種液壓支架 .......................................62.3 對液壓支架的基本要求有以下幾條 ...........................72.4 支架的選型設(shè)計 ...........................................72.4.1 設(shè)計的原始條件 ......................................72.4.2 支架的支護(hù)性能與外載荷 ..............................82.4.3 影響架型選擇的因素 .................................82.4.4 支架架型的確定 .....................................9三 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ......................................113.1 支架高度、中心距的確定 ..................................113.1.1 支架高度的確定 .....................................113.1.2 支架伸縮比 .........................................113.1.3 支架間距 ...........................................113.2 底座長度的確定 ..........................................123.2.1 底座長度 ...........................................123.2.2 底座寬度 ..........................................123.3 四連桿機構(gòu)的設(shè)計 ........................................133.3.1 四連桿機構(gòu)的作用與缺點 .............................133.3.2 四連桿幾何特征 ...................................143.3.3.四連桿機構(gòu)各部尺寸的確定 ..........................143.4 頂梁長度計算 ............................................193.4.1 支架工作方式對頂梁長度的影響 .......................203.4.2 頂梁長度計算 .......................................20四 支架主要部件的設(shè)計 ..........................................224.1 支架主要部件的設(shè)計要求 ..................................224.2 頂梁的設(shè)計 ..............................................234.3 底座的設(shè)計 ..............................................244.3.1 液壓支架的底座 .....................................244.4 支架技術(shù)參數(shù)和立柱的設(shè)計 ................................24 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書IV4.4.1 支護(hù)面積 .........................................244.4.2 支護(hù)強度 ..........................................254.4.3 確定立柱的技術(shù)參數(shù) ................................254.4.4 安全閥壓力與立柱工作阻力的確定 ....................274.4.5 支護(hù)效率 ...........................................304.4.6 底座接觸比壓 ......................................304.5 立柱柱窩位置和受力計算 ..................................314.5.1 立柱布置 ...........................................314.5.2 立柱柱窩位置的確定 .................................314.6 千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 ....................................344.6.1 推移千斤頂 .........................................344.6.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 .......................354.6.3 側(cè)推千斤頂位置的確定 ...............................38五 支架受力分析與計算 ..........................................395.1 支架工作狀態(tài) ............................................395.1.1 頂板狀態(tài) ..........................................395.1.2 支架工作狀態(tài) .......................................405.1.3 支架受力 ...........................................405.2 受力計算 ................................................405.3 頂梁載荷分布 ............................................44六 液壓支架的強度校核 ..........................................466.1 強度條件 ................................................466.2 主頂梁的校核 ............................................466.2.1 主頂梁的彎距計算 ...................................466.2.2 主頂梁的強度計算 ...................................476.2.3 安全系數(shù) ...........................................486.3 掩護(hù)梁強度校核 ..........................................496.3.1 掩護(hù)梁受力情況 .....................................496.3.2 掩護(hù)梁強度計算 .....................................506.3.3 安全系數(shù) ...........................................516.4 底座強度校核 ............................................516.5 立柱強度校核 ............................................556.5.1 預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度 .............................556.5.2 計算重疊長度 .......................................556.5.3 各段的彎矩 .........................................576.5.4 加長桿強度核算 .....................................586.5.5 活柱強度核算 .......................................596.5.6 缸體強度核算 .......................................60七 液壓系統(tǒng)設(shè)計 ................................................62 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書V7.1 立柱和千斤頂 ............................................627.2 支架液壓閥 ..............................................637.2.1 液控單向閥 ........................................637.2.2 安全閥 ............................................647.2.3 操縱閥 ............................................647.2.4 液壓支架液壓閥的密封技術(shù)分析 ......................657.3 液壓支架液壓原理圖 ......................................667.4 液壓支架的控制方式 ......................................677.4.1 手動控制 ..........................................677.4.2 自動控制 ..........................................687.5 液壓系統(tǒng)安裝、調(diào)試、保養(yǎng) ................................687.5.1 安裝： ............................................687.5.2 調(diào)試： ............................................777.5.3 保養(yǎng)： ............................................787.6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計方法 ......................................79八 結(jié)論 ........................................................80參 考 文 獻(xiàn) ....................................................81致謝 ...........................................................82附錄 ...........................................................83外文資料與中文翻譯 ...........................................83.河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書1一 前言隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國民經(jīng)濟對煤炭需要量的日益增加，煤礦開采，特別是采煤工作面的生產(chǎn)技術(shù)面貌發(fā)生了巨大的變化。自 1954 年英國裝備了世界上第一個液壓支架工作面開始，采煤技術(shù)實現(xiàn)了綜合機械化。綜合機械化。就是工作面采煤、運輸和支護(hù)三大主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是現(xiàn)機械化。也就是說，采用滾筒式或刨削式等采煤機械落煤與裝煤；工作面重型可彎曲運輸機，以及與之適應(yīng)的順槽轉(zhuǎn)載機和可伸縮皮帶運輸機等運煤；自移式液壓支架支護(hù)和管理頂板。這幾種設(shè)備相互配合，組成了綜合機械化采煤設(shè)備。液壓支架是一高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的支護(hù)和控制頂板的設(shè)備，它能實現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。實踐表明液壓支架具有支護(hù)性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟上合理、安全上可靠，是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設(shè)備。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書2二 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(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。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(zhì)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(dāng)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(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，工作液體進(jìn)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 支架推移河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書3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(jìn)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(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，支架以輸送機為支點前移。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(xué)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(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，停止供液，液控單向閥 6 立即關(guān)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(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(jìn)一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高，當(dāng)升高到安全閥 5 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(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時，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(hù)式和支撐掩護(hù)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。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書4由上可知，支架工作時，其支撐力與時間的關(guān)系，可用支架工作特性曲線表示，如圖 所示，曲線上的 、 、 分別表示支架的初撐、增阻、0t13t和恒阻階段的時間。上述工作過程表明：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(hù)面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護(hù)強度來表示支架的支護(hù)性能。即(式 2.1)FPq?310??Ma河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書5式中 —支架的支護(hù)面積，F(xiàn)2m2.2 液壓支架的類型和結(jié)構(gòu)液壓支架按其對頂板的支護(hù)方式和結(jié)構(gòu)特點的不同，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(jié)構(gòu)特點是：頂梁較長，其長度多在 4 左右；而且立m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，且作用點在支架后部，故切頂性能好；對頂板重復(fù)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(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、老頂有明顯或強烈周期來壓，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)特點是：有一個較寬的掩護(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)式河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書6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)強度較大、且均勻，掩護(hù)性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復(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)點的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種支架。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)點是：支撐力大，切頂性能強，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足某些特殊要求而發(fā)展起來的液壓支架，在結(jié)構(gòu)型式仍屬于上述某種基本架型。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書72.3 對液壓支架的基本要求有以下幾條1. 為了滿足采煤工藝及地質(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kN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?. 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(jié)構(gòu)要簡單。12. 液壓元件要可靠。2.4 支架的選型設(shè)計2.4.1 設(shè)計的原始條件煤層厚度：H＝1.8~3.2 米；頂設(shè)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(shè)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(hù)強度、底板抗壓強度、泵站壓力、安全閥調(diào)定壓力 40MPa。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書82.4.2 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。在頂板下沉過程中，支架的頂梁與頂板有相對滑動的現(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平衡。在支架承載過程中，支架底座承受工作面底板反作用力。 為了設(shè)計計算方便，要對支架的外載荷和支架本身進(jìn)行簡化，概述如下：把支架簡化成一個平面桿系結(jié)構(gòu)。為偏于安全，在計算時把外載荷視為集中載荷；金屬結(jié)構(gòu)件按直梁理論計算；頂梁、底座與頂?shù)装灞徽J(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長度方向按線性規(guī)律分布，沿支架寬度方向為均布；通過分析和計算可知，掩護(hù)梁上矸石的作用力，只能使支架實際支護(hù)阻力降低所以，在進(jìn)行強度計算時不計，使掩護(hù)梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力計算；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，頂梁前端點運動軌跡為近似雙紐線，頂梁與頂板間產(chǎn)生相對位移，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，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)高度時各部件最大受力值進(jìn)行強度校核。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，應(yīng)選用抗水平推力強且?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，應(yīng)選用調(diào)高范圍大的支架。(2) 煤層傾角河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書9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(dāng)煤層傾角大于 10 ~15 時，應(yīng)設(shè)防滑和調(diào)架裝置，當(dāng)傾角超過 18 時，應(yīng)? ?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，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(fēng)斷面應(yīng)滿足通風(fēng)的要求，選型時要進(jìn)行驗算。(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間分別在 5~8 和 20min 以下時，暫不宜采用液壓支架。2m(6) 設(shè)備成本在滿足要求的前提下，應(yīng)選用價格便宜的支架。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(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、直接頂 II 級，底板平整，無影響支架通過的斷層，河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書10根據(jù)表 2.1 初步選定為掩護(hù)式兩柱液壓支架。表 2.1 支架架型的選擇注：①括號內(nèi)的數(shù)字是掩護(hù)式支架的支護(hù)強度。表中所列支護(hù)強度在選用時，可根據(jù)本礦情況允許有 %的波動范圍。5?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。老頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ直接頂類別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4支撐式采高小于 2.5m時支架類型掩護(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)式支撐掩護(hù)式采高大于 2.5m時1 0.294 1.3 0.294?1.6 0.294?>2 0.24920.343（0.245）1.3 0.343（0.245）1.6 0.343>2 0.34330.441（0.343）1.3 0.441（0.?343）1.6 0.441?>2 0.441支架支護(hù)強度MPa采高m40.539（0.441）1.3 0.539（0.441）1.6 0.539>2 0.539應(yīng)結(jié)合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書11三 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計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確定，其最大與最小高度為：（式 3.1）1ShHm??（式 3.2）????2n—煤層最大采高，hm—煤層最小采高n—偽頂冒落的最大厚度，一般取 0.2~0.3mS1—頂板最大下沉量，一般取 100~200mm2—移架時支架的最小可縮量，一般取 50mma—矸、浮煤厚度，一般取 50mm?本設(shè)計采高 1.8~3.2m,取支架高度為 1.5~3.5m3.1.2 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）nmH?代入數(shù)據(jù)得 m=2.33。3.1.3 支架間距 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書12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）3cmbBnC???式中： —支架間距（支架中心距）；cb—每架支架頂梁總長度；mB—相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙；3Cn—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cb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(jié)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(jié)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(shè)計取支架的中心距為 1.5m。3.2 底座長度的確定3.2.1 底座長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)計支架的底座長度時，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對底板的接觸比壓要??；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(hù)式支架的底座長度取 4 倍移架步距，即 2.4m 左右。本次設(shè)計取底座長2.18m。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書133.2.2 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 四連桿機構(gòu)的設(shè)計3.3.1 四連桿機構(gòu)的作用與缺點(1)．梁端護(hù)頂 鑒于四連桿機構(gòu)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(yīng)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(dāng)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(hù)良好。（2）．擋矸 鑒于組成四連桿機構(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(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 鑒于四連桿機構(gòu)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(gòu)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(dāng)中，四連桿機構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書14的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機構(gòu)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；1P=75°~85°即1.31~1.48弧度；支架在最低位置時，保證 。Q P?125?（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）前后連桿上絞點之距與掩護(hù)梁的比值為 0.22~0.3。I?1（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'e大寬度 mm以下。70?（5）支架在最高位置時的 應(yīng)小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計中，對支撐掩護(hù)tan?式支架最好應(yīng)小于0.16。3.3.3.四連桿機構(gòu)各部尺寸的確定四連桿機構(gòu)各部參數(shù)如圖 3.1 所示，圖中的 為支架在最高位置時的1H計算高度。令： = ; = ; = ; = ; = ; = ; =oa2AbBaCcdD2oE'aeG'b; F= ; = ; ; ; = =1JS'eLIG?'Iae1tn?SLU河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書15ea圖 3.1 四連桿機構(gòu)參數(shù)圖1、四連桿的作用四連桿機構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架主要的穩(wěn)定機構(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(gòu)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(xué)持性的缺陷，成為液壓支架技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。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構(gòu)可使支架升降時保持比較穩(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(hù)梁組成的機構(gòu)為近似直線機構(gòu)，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(gòu)決定的，既有頂梁與掩護(hù)梁的鉸點 E 的軌跡所決定，其軌跡如圖 3.2 所示：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書16圖 3.2 升降柱運動軌跡2、支架四連桿機構(gòu)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(dāng) 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(cè)。當(dāng) 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(dāng)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?qū)⑷Q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(dǎo)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(shè)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(dá)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(yīng)控制梁端擺動幅度 Δ ≤30~80mm。液壓支架的縱向穩(wěn)定性完河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書17全是由四連桿機構(gòu)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(fù)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(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構(gòu)承受。3、四桿機構(gòu)之間的關(guān)系掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的四連桿機構(gòu)都是雙搖桿機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)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(hù)梁） ，最短桿的對邊 a 為固定桿（底座） ，即：C＋b 。在 J 點作 角，??o15?再取 JC 一定長度與 HC 交于 C 點，C 點作為后連桿和掩護(hù)梁的鉸接軸。4)以 J 為圓心，JC 為半徑畫一圓弧 。以 I 為圓心，以 HC 的長度為ab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 > 時，載荷呈梯形分布，如圖 5.5 所示。2Lg頂梁前端比壓為：M Pa （式 5.9）321210)6(????mBLgxFq頂梁后端比壓為：M pa （式 5.10）321310)64(????mgxq由于 x=0.77 小于 所以載荷分布為三角形。L將 =3242 KN， =1.4m， =0.77m 代入公式(5.10) 得頂梁后端比壓：1FmBxM Pa 1.207.41323????q六 液壓支架的強度校核6.1 強度條件在液壓支架的研制、試驗過程中，各構(gòu)件的強度汁算是極為必要的。前面數(shù)章的內(nèi)容已經(jīng)給出了支架主要零件部件受力分析和負(fù)荷的計算方法。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書46但是由于液壓支架的結(jié)構(gòu)特點、外載荷特點以及使用條件的特殊性，在強度計算中的強度條件也有其特殊性。當(dāng)然強度條件要以現(xiàn)階段液壓支架所選用的材料、制造工藝以及大致形式等為依據(jù)，隨著時間的推移，如果上述諸點有變，強度條件也必須作相應(yīng)調(diào)整。強度校核均以材料的屈服極限為計算安全系數(shù)如表 6.1 所示。表 6.1 支架安全系數(shù)安全系數(shù) 前梁 底座 頂梁 掩護(hù)梁 前連桿n 1.1 1.1 1.1 1.3 1.3安全系數(shù) 后連桿 主要軸 缸體 焊縫 活塞桿n 1.3 1.3 3.3－4 3.3－4 >1.46.2 主頂梁的校核6.2.1 主頂梁的彎距計算假設(shè)前梁失去作用，主頂梁受一集中載荷，其受力如圖 6.1（a）所示：由上面求出 F 為 3242kN，距離鉸接點 770mm。做主頂梁的受力及力矩圖 6.1 所示：圖 6.1（a）頂梁受力圖河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書47圖 6.1（b）頂梁彎矩圖由圖可知：3200×sin15×0.26+3200×cos15×0.03=308.07N/m?maxM主頂梁做成等斷面箱式結(jié)構(gòu)，在最大彎矩處的斷面如圖 6.2 所示：圖 6.2 最大彎矩斷面圖6.2.2 主頂梁的強度計算(1) 形心位置各板件計算數(shù)據(jù)如表 6.2 所示：表 6.2 各板件計算數(shù)據(jù)件號 1 2 3 4 5 6 7 8 9數(shù)量 1 2 2 4 2 2 2 2 1nF2cm139.2 73.6 27.8 52.2 26.8 40.32 35.2 26.2 56y0.8 2.4 15.8 15.8 15 29.2 29.2 29.2 19.1nJ4c29.7 15.7 2133.7 4812.2 1107.4 8.6 5.6 5.6 4968河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書48結(jié)構(gòu)件的形心位置為：=ncFy??)( 8.15248.15274.67328.0139[ ???????].96.3.9.0..4258.62??87.391[???=14.23]562..352..4 ???cm(2) 慣性矩=])([2cnnyFJ???? 6.73.1[])3.480(.197.[2?3.14(2? 85(534??+])? ])2.4.9(5.[2]).(.068[ ?=125318.6])219(.2[??4cm（3） 彎曲應(yīng)力kN/98.624.12538(0.76)8(maxax ?????）zcJyM? 2cm6.2.3 安全系數(shù)鋼板材料選取 16Mn，σs =34335 KN/ 2cm滿足強度要求。][5.98.6243maxnns ????6.3 掩護(hù)梁強度校核6.3.1 掩護(hù)梁受力情況河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書49掩護(hù)梁的受力分析如圖 6.3 所示處理后的力學(xué)模型由受力圖可以看出掩護(hù)梁的危險截面在前連桿與掩護(hù)梁鉸接處，故需校核此危險截面的彎曲強度。此處截面的彎曲強度為： 5.143.0sin58sin6max ?????GFM?2mkN?圖 6.3 掩護(hù)梁受力分析圖主頂梁做成等斷面箱式結(jié)構(gòu)，在最大彎矩處的斷面如圖 6.4 所示：圖 6.4 最大彎矩斷面圖6.3.2 掩護(hù)梁強度計算(1)形心位置各板件計算數(shù)據(jù)如表 6.3 所示：表 6.3 掩護(hù)梁板件數(shù)據(jù)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書50件號 1 2 3 4 5 6 7數(shù)量 1 2 4 2 1 2 2面積cm2 151.2 90.88 79.6 68.8 21.5 40 40形心位置 cm 0.6 8.2 14.6 15.3 15.3 28.6 27.6結(jié)構(gòu)件的形心位置為： Fync??)(代入數(shù)據(jù)得： 13.3cmc（2）慣性矩2)(yJcnn??? 123abJn?4cm將數(shù)據(jù)代入公式，算得總慣性矩為：3.81.93657.8.3697.10.854.20 ????nZ=58210.3 cm（3）彎曲應(yīng)力kN/4.5903.58210).67(.4)6.37(maxax ??????zcJyM? 2cm6.3.3 安全系數(shù)鋼板材料選取 16Mn，σs =34335 KN/ 2c滿足強度要求。][7.54903maxnns????河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書516.4 底座強度校核底座通過立柱，前后連桿支撐支架的頂梁及掩護(hù)梁，是支架的主要承壓部件，主要對其壓力強度進(jìn)行校核，基本不受彎矩影響。底座的受力分析見圖 6.5 示。(a)底座受力圖(b)底座彎矩圖圖 6.5 底座受力情況圖中立柱的壓力以及前后連桿的拉力或壓力在前面已經(jīng)算出，由得0??M 0cossinsinsincos321 ????? DCCBBA PHpplPHplR ???由上式求得前端的支反力為1）最高位置時的情況：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書52)cossinsinsicos(132 DCCbBbBA PHPlHplR ???????= ooo 5i397.015i2.01539.8 ???8cs4.sin604.??=1590.42 mkN?=1748.45BABPHLRM?si)(21??mkN?CBbB PHllC ?cossinco)(33 ???= oo 5cs39604.9.1735c)9.01..4590 ???=1404.82 mkN? .487os58.cos???DDPHM?mkN?在最低位置時的情況： oooAR 13sin97.02sin31.02s319.(82 ?????=1296.468c54.in604.? kN?8??BM9?mk? ooC 13cs9604..312cs.0321.29 ????653mkN?7.cos??DDPH?k?表 6.4 相應(yīng)位置對應(yīng)的彎矩彎矩位置Mb KN·m Mc KN·m最高位置 1748.5 1404.8河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書53最低位置 1599 1239.7由表 6.4 中可知，最大彎矩發(fā)生在立柱的柱窩處。但是柱窩處專門焊接了柱窩，斷面加強。危險斷面在離柱窩中心 250mm 處，如圖 6.6 所示。該處彎矩為 98.124.5901.5. ???ARMmkN?圖 6.6 柱窩結(jié)構(gòu)示意圖最大彎矩處截面如圖圖 6.7 底座最大彎矩箱體結(jié)構(gòu)圖材料數(shù)據(jù)表 6.5 材料數(shù)據(jù)件號 厚度 鋼號 σ 2cmN1 鋼板 40 16Mn 343352 鋼板 20 14MnTiRe 451263 鋼板 20 14MnTiRe 45126河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書54形心位置計算數(shù)據(jù)列于表 6.6 中表 6.6 形心位置件號 1 2 3件數(shù) 4 1 1Fn2cm80 268 268J3105.?60 60Y2c0 9.2 9.2結(jié)構(gòu)的形心位置為結(jié)構(gòu)的對稱軸線。其慣性距為)(2nyFJ???= 3105.4?2.968.2??40.5170537cm?彎曲應(yīng)力 故225 /345/8.32904.17982 cmNcNJMy sc ??????滿足要求。6.5 立柱強度校核立柱的強度校核包括立柱的穩(wěn)定性驗算，活柱，加長桿和缸體的強度驗算。6.5.1 預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度采用乳化液泵的壓力為 31.4MPa。經(jīng)以上立柱參數(shù)的計算確定：缸內(nèi)徑為 230mm，材料為 27SiMn 無縫鋼河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書55管， 。安全系數(shù)選取 1.5，2s/N835cm??許用應(yīng)力 。缸壁厚度為：2/5917./8][ cmN?=0.7cm)3.][40(2`3??pd?式中 p—缸內(nèi)壓力， 。223·3 /8016Pc????我國液壓支架一般用 27SiMn 無縫鋼管做缸筒和立柱?？紤]到缸口要車槽、臺階或螺紋等，應(yīng)選較厚的管壁。取壁厚為 21.5mm。6.5.2 計算重疊長度最小導(dǎo)向長度為： m2153012d0LH·3???式中 L—液壓行程，根據(jù)立柱長度需要，液壓行程為 1000mm。考慮了活塞厚度和導(dǎo)向長度，取重疊長度為 228mm。為了使立柱結(jié)構(gòu)簡單一些，立柱采用單伸縮加加長桿的結(jié)構(gòu)。在計算加長桿作為伸縮活柱，因此，按雙伸縮立柱計算。立柱結(jié)構(gòu)尺寸表示如圖6.8（a、b） 。計算數(shù)據(jù)列于表 6.7 所示：P=1600KN 2211cm5.4dF??l1=95.5cm ·22 7.94?）（l2=239.5cm 4411c53d6Jl3=122.5cm ·22 m07??）（?河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書56l=356.1cm 44·33 cm1529d6J???）（?a1=11cm 0.EJPk11a2=22.8cm cm4.22?cm05.21??EJPk10.333.p=3800N/cm2025.4? 6/N10.cm??d1=180mm d·3=230mmd2=210mm d3=273mmd·