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山西工程技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 畢業(yè)生姓名 ： 王璞 專業(yè) ： 機械電子工程 學(xué)號 ： 180534009 指導(dǎo)教師 ： 張忠杰 所屬系（部） ： 機械電子工程系 二二年五月 山西工程技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（指導(dǎo)教師）評閱書 題目： ZY3200/11/26 型掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計 機械電子工程 系 機械工程 專業(yè) 姓名 王璞 設(shè)計時 間： 2020 年 02 月 17 日 2020 年 05 月 21 日 評閱意見： 成績： 指導(dǎo)教師：（簽字） 職務(wù)： 2020 年 月 日 山西工程技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（同行教師）評閱書 題目：ZY3200/11/26 型掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計液壓支架設(shè)計 機械電子工程 系 機械工程 專業(yè) 姓名 王璞 設(shè)計時間：2020 年 02 月 17 日 2020 年 05 月 21 日 評閱意見： 評分內(nèi)容 具體要求 分值 得分 說明書工作量 字?jǐn)?shù) 2.5 萬字以上得 20 分；2 萬字以上，不足2.5 萬字得 15 分；2 萬字以下的 10 分。 20 圖紙工作量 圖紙折合 4 張 A0 及以上得 20 分；不足 4 張 A0，達(dá) 3 張以上，得 15 分；3 張以下得 10 分。 20 說明書質(zhì)量 內(nèi)容完整，裝訂順序正確，結(jié)構(gòu)合理，文字通 順；目錄、字體、字號、行距等符合要求，公 式、插圖、表格使用合理；文獻(xiàn)翻譯質(zhì)量、篇 幅符合規(guī)定要求。存在 02 處錯誤得 30 分； 35 處錯誤得 20 分；5 處以上得 15 分。 30 圖紙質(zhì)量 圖紙組成元素完整，表達(dá)方式合理，圖框、標(biāo) 題欄、線型、線寬及字體字號符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 存在 02 處錯誤得 30 分；35 處錯誤得 20 分；5 處以上得 15 分。 30 總分（百分制） 100 成績： 評閱教師：（簽字） 職務(wù)： 2020 年 月 日 山西工程技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計答辯記錄及成績評定表 機械電子工程 系 機械工程 專業(yè) 姓名 王璞 答 辯 內(nèi) 容 問題摘要 答辯情況 記錄員： （簽名） 成 績 評 定 指導(dǎo)教師成績 評閱教師成績 答辯組評定成績 綜合成績 注：評定成績?yōu)?100 分制，指導(dǎo)教師為 20%，評閱教師為 30%，答辯組為 50%。 專業(yè)答辯組組長： （簽名） 2020 年 月 日 i ZY3200/11/26 型掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計 摘 要 本課題主要論述了液壓支架的主要設(shè)計過程。其中包括：液壓支架的選型、總體 設(shè)計、主要零部件的設(shè)計、校核以及液壓系統(tǒng)設(shè)計。 1 支架的樣式為掩護(hù)式支架。支架除了要有效的對頂板實行有效支撐，還要達(dá)成升、 降、推移四個步驟。支架選用四連桿機構(gòu)，改進(jìn)支架的受力情況，減少支架的升降進(jìn) 程中頂梁前端前后移動的距離。立柱選用單伸縮液壓缸，前端帶有加長桿，以滿足支 架最低及最高位置時的高度條件。頂梁掩護(hù)梁、底座都做成箱體結(jié)構(gòu)用鋼板焊接而成。 2 在研制液壓支架時，需要對支架實行生產(chǎn)考查和分析討論，選定合理的液壓支 架受力參數(shù)、運動參數(shù)和構(gòu)造參數(shù)，以及選定液壓支架最佳計劃等方面綜合性的科學(xué) 技術(shù)問題。本設(shè)計首要從支架的工作原理這手，而后實行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及校核。 1 關(guān)鍵詞：液壓支架；頂梁；底座；立柱；結(jié)構(gòu)設(shè)計 ii Design of zy3200 / 11 / 26 shield hydraulic support 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 design1 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.2 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.1 Keyword: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle；the column-type support；structure desig 目 錄 摘要 ..................................................................... ABSTRACT ................................................................. 1 緒論 ....................................................................1 1.1 國內(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 ...................................................4 2.1 液壓支架的工作原理 ...................................................4 2.1.1 支架升降 .........................................................4 2.1.2 支架推移 .........................................................4 2.1.3 支架承載過程 .....................................................5 2.2 液壓支架的類型和結(jié)構(gòu) .................................................6 2.2.1 支撐式支架 .......................................................6 2.2.2 掩護(hù)式支架 .......................................................7 2.2.3 支撐掩護(hù)式支架 ...................................................7 2.2.4 特種液壓支架 .....................................................7 2.3 對液壓支架的基本要求 .................................................8 2.4 支架的選型設(shè)計 .......................................................8 2.4.1 設(shè)計的原始條件 ...................................................8 2.4.2 支架的支護(hù)性能與外載荷 ...........................................8 2.4.3 影響架型選擇的因素 ...............................................9 2.4.4 支架架型的確定 ..................................................10 3 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...............................................12 3.1 支架高度、中心距的確定 ..............................................12 3.1.1 支架高度的確定 ..................................................12 3.1.2 支架伸縮比 ......................................................12 3.1.3 支架間距 ........................................................13 3.2 底座長度的確定 ......................................................13 3.2.1 底座長度 ........................................................13 3.2.2 底座寬度 ........................................................13 3.3 四連桿機構(gòu)的設(shè)計 ....................................................14 3.3.1 四連桿機構(gòu)的作用與缺點 ..........................................14 3.3.2 四連桿幾何特征 ..................................................14 3.3.3 四連桿機構(gòu)各部尺寸的確定 ........................................15 3.4 頂梁長度計算 ........................................................19 3.4.1 支架工作方式對頂梁長度的影響 ....................................19 3.4.2 頂梁長度計算 ....................................................19 4 支架主要部件的設(shè)計 ....................................................21 4.1 支架主要部件的設(shè)計要求 ..............................................21 4.2 頂梁的設(shè)計 ..........................................................22 4.3 底座的設(shè)計 ..........................................................23 4.3.1 液壓支架的底座 ..................................................23 4.4 支架技術(shù)參數(shù)和立柱的設(shè)計 ............................................23 4.4.1 支護(hù)面積 ........................................................23 4.4.2 支護(hù)強度 ........................................................24 4.4.3 確定立柱的技術(shù)參數(shù) ..............................................24 4.4.4 安全閥壓力與立柱工作阻力的確定 ..................................25 4.4.6 支護(hù)效率 ........................................................28 4.4.7 底座接觸比壓 ....................................................28 4.5 立柱柱窩位置和受力計算 ..............................................29 4.5.1 立柱布置 ........................................................29 4.5.2 立柱柱窩位置的確定 ..............................................29 4.6 千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 ................................................30 4.6.1 推移千斤頂 ......................................................30 4.6.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 ....................................31 4.6.3 側(cè)推千斤頂位置的確定 ............................................34 5 支架受力分析與計算 ...................................................36 5.1 支架工作狀態(tài) ........................................................36 5.1.1 頂板狀態(tài) ........................................................36 5.1.2 支架工作狀態(tài) ....................................................36 5.1.3 支架受力 ........................................................36 5.2 受力計算 ............................................................37 5.3 頂梁載荷分布 ........................................................40 6 液壓支架的強度校核 ....................................................42 6.1 強度條件 ............................................................42 6.2 主頂梁的校核 ........................................................42 6.2.1 主頂梁的彎距計算 ................................................42 6.2.2 主頂梁的強度計算 ................................................43 6.2.3 安全系數(shù) ........................................................44 6.3 掩護(hù)梁強度校核 ......................................................45 6.3.1 掩護(hù)梁受力情況 ..................................................45 6.3.2 掩護(hù)梁強度計算 ..................................................45 6.3.3 安全系數(shù) ........................................................46 6.4 底座強度校核 .......................................................46 6.4.1 底座受力情況 ....................................................46 6.5 立柱強度校核 ........................................................50 6.5.1 預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度 ..........................................50 6.5.2 計算重疊長度 ....................................................51 6.5.3 各段的彎矩 ......................................................53 6.5.4 加長桿強度核算 ..................................................54 6.5.5 活柱強度核算 ....................................................55 6.5.6 缸體強度核算 ....................................................56 6.5.7 立柱的穩(wěn)定裕量驗算 ..............................................57 7 液壓系統(tǒng)設(shè)計 ..........................................................58 7.1 液壓支架的液壓系統(tǒng)特點 ..............................................58 7.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計方法 ..................................................58 7.3 千斤頂系統(tǒng) ..........................................................59 7.3.1. 側(cè)推、調(diào)架、防倒系統(tǒng) ...........................................59 7.3.2. 推移千斤頂系統(tǒng) .................................................59 7.3.3. 平衡千斤頂系統(tǒng) .................................................60 7.3.4. 活動側(cè)護(hù)板控制方式 .............................................60 7.4 乳化液泵站系統(tǒng) ......................................................62 7.4.1 乳化液泵站 ......................................................62 7.4.2 泵站液壓系統(tǒng) ....................................................62 7.4.3 乳化液泵站的元部件 ..............................................65 8 技術(shù)經(jīng)濟分析 ..........................................................67 9 結(jié)論 ..................................................................68 參考文獻(xiàn) .................................................................69 外文文獻(xiàn) .................................................................70 中文譯文 .................................................................75 致謝 .....................................................................80 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 1 1 緒論 1.1 國內(nèi)外液壓支架的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 地下開采的煤產(chǎn)量主要是運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 和廣泛的應(yīng)用，對煤炭工業(yè)改進(jìn)技木裝備不但有著重要的影響，并且對采煤工藝各個環(huán) 節(jié)技術(shù)水平的開展和提升，是強有力的推進(jìn)要素。 3 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 加地下開采和露天開采的煤產(chǎn)量。地下開采方法是最復(fù)雜和閑難的方法，但是，這種方 法在工業(yè)發(fā)達(dá)國家和以煤作為次能源的地區(qū)，仍然普遍應(yīng)用。而且，開采優(yōu)質(zhì)煤，包 括煉焦煤，都是采用地下開采方法。 3 綜合機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 合機械化采煤是 20 世紀(jì)人類科技發(fā)展的重要成果。 綜合機械化采煤技術(shù)在我國的研究 試驗、使用、發(fā)展，徹底改變了我國煤炭工業(yè)的面貌，降低了工人的勞動強度，提高了 產(chǎn)量、勞動生產(chǎn)率和企業(yè)效益，滿足了國民經(jīng)濟建設(shè)對煤炭的需求，合理的集中生產(chǎn)簡 化了生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)安全性。我國綜采技術(shù)發(fā)展的 30 多年，使我國的煤炭生產(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。 2 工作面支護(hù)問題始終是困擾煤礦生產(chǎn)安全、產(chǎn)量和效率的重要問題。以液壓支架為 主要設(shè)備的綜合機械化采煤(以下簡稱綜采)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。 2 30 多年來在液壓支架技術(shù)不斷發(fā)展中，形成了以煤科總院專業(yè)研究所和骨干支架制 造廠設(shè)計所為主的支架研究設(shè)計隊伍，采用計算機 CAD 進(jìn)行各種類型支架的設(shè)計，用有 限元計算軟件等進(jìn)行計算，并普及計算機繪圖。我國制訂的緩傾斜工作面頂板分類及其 它研究成果為支架設(shè)計、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 業(yè)制造廠為主、機械工業(yè)部及船舶制造總公司等專業(yè)廠為輔的制造體系，以及以國家煤 礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量檢測中心為骨干的檢測隊伍。制定有關(guān)支架檢測標(biāo)準(zhǔn) 11 項，建立了各項 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 2 支架檢測手段，造就了一支研究、制造和使用液壓支架的龐大隊伍;形成了研制液壓支架 的雄厚基礎(chǔ)。不僅能滿足國內(nèi)的需要，還向美國、俄羅斯、土耳其和印度等國家出口液 壓支架或成套綜采設(shè)備。 為適應(yīng)我國煤礦綜采機械化的發(fā)展，國內(nèi)綜采設(shè)備科研設(shè)計和制造企業(yè)已研制開發(fā) 出具有較先進(jìn)技術(shù)水平的大功率電牽引采煤機、重型刮板輸送機、電液控制強力液壓支 架和多點驅(qū)動大運力帶式輸送機。配套設(shè)備的生產(chǎn)能力達(dá)到 15002 500 t/h， 在適宜的煤 層和礦井條件下，綜采工作面可實現(xiàn)年產(chǎn) 300 萬噸以上。 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)到了國際領(lǐng)先水平，填補了國際空白。DWX 型液壓支柱的柱塞懸浮，密封脹緊， 密封補償，無內(nèi)泄漏、無圓弧焊縫等技術(shù)和安全特點，具有獨創(chuàng)性。新型礦用單體支護(hù) 設(shè)備的誕生，消除了五十年來國內(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 安全隱患問題。解決了深部煤礦開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)束了由德國人發(fā)明的第二代單體支護(hù)設(shè)備的歷史，開創(chuàng)了中國人發(fā)明的第三代單體支 護(hù)技術(shù)設(shè)備的歷史，并將會長期使用下去。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。 3 近 10 年來主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護(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技術(shù)，紅外線遙感技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，使液壓支架的動作自 動連續(xù)進(jìn)行，移架速度大大提高，支架循環(huán)時間達(dá)到 68s。 3 我國自 1973 年開始大規(guī)模引進(jìn)德國、英國等國家的綜采設(shè)備，經(jīng)歷了消化、吸收和 改進(jìn)提高的過程，到目前已形成了較完整的設(shè)計、制造和科研體系，掩護(hù)式液壓支架的 制造和采煤技術(shù)已有長遠(yuǎn)發(fā)展。 1.2 本課題的研究目的和意義 采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了 滿足對煤炭增長的日益需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機械化 采煤工作面。由于采煤工作面的底頂板條件、煤層厚度、煤層的物理機械性質(zhì)等的不 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 3 同，對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)計出不同類型和不 同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。因此液壓支架的設(shè)計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很 多，因此其設(shè)計工作量也是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的 一個環(huán)節(jié)。 通過對液壓支架的理論學(xué)習(xí)，完成液壓支架的設(shè)計工作，加深對液壓支架工作原理、 工作性能、工作環(huán)境及其結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和了解。通過對液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，加深和鞏固 機械原理的相關(guān)內(nèi)容；通過對液壓支架受力的分析和強度的校核，加深對專業(yè)基礎(chǔ)課理 論力學(xué)和材料力學(xué)及專業(yè)課機械設(shè)計相關(guān)內(nèi)容的鞏固和理解。同樣通過對液壓支架的設(shè) 計，能夠更好的認(rèn)識國內(nèi)外液壓支架的發(fā)展趨勢和發(fā)現(xiàn)目前煤礦液壓支架主要存在的問 題，從而為以后更深認(rèn)的了解和設(shè)計液壓支架打下良好的基礎(chǔ)。 通過自己獨立地完成指定的課程設(shè)計任務(wù)，提高理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問 題的能力，學(xué)會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術(shù)文件的能力，進(jìn)一步加強設(shè) 計計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械工程師打好基礎(chǔ)。 現(xiàn)代社會對人才提出了更高的要求，作為一名當(dāng)代大學(xué)畢業(yè)生，不僅打好堅實的專 業(yè)知識，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，我們應(yīng)立足 變傳統(tǒng)的、僵化的、單純的畢業(yè)設(shè)計為培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)、提高創(chuàng)新能力、樹立團(tuán)結(jié)協(xié)作精 神、強化計算機運用等多維兼容性畢業(yè)設(shè)計;同時通過完成畢業(yè)設(shè)計，鍛煉學(xué)生解決實際 工程問題的能力；在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，以我們的主動學(xué)習(xí)為主，教師適時指導(dǎo)為 輔；將素質(zhì)教育也畢業(yè)設(shè)計教學(xué)相融合，從根本上提高畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量和水平 。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 4 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 2，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 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)?前腔即活塞桿腔，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。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 5 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。 1 (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。 2 (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。 1 圖 2.2 支架的工作特性曲線 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、和恒阻階段的時間。0t13t 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 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 6 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)FPq310Ma 式中 支架的支護(hù)面積，F(xiàn)2m 2.2 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 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。 8 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；而且立柱多，一般 46m 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。 8 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。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 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。 8 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。 8 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。 15 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。 8 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 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 8 述某種基本架型。 2.3 對液壓支架的基本要求 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；移架力kN 按煤層厚度而定，薄煤層一般為 100kN150kN，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：H1.32.5 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：SGZ730/320。 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。 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。在頂板下沉過程 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 9 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 0.150.25；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 1.82.3m（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 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 1.962.16MPa，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 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 10 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 58 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 1.32.5 米，屬于中厚煤層。支架的適應(yīng)高度為 1.12.6 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，根據(jù)表 2.1 初步選定為掩護(hù) 式兩柱液壓支架。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 11 表 2.1 支架架型的選擇 注：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 表中 1.3、1.6、2 分別為、、級老頂?shù)姆旨壴鰤合禂?shù)；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 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 1.30.294 1.60.294 20.249 2 0.343（0.245 ） 1.3 0.343（0.245） 1.6 0.343 2 0.343 3 0.441（0.343 ） 1.30.441（0.343） 1.60.441 20.441 支架支 護(hù)強度 MPa 采 高 m 4 0.539（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) 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 12 3 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）2nhm 煤層最大采高，n 煤層最小采高S1 偽頂冒落的最大厚度，一般取 0.20.3m 頂板最大下沉量，一般取 100200mm2 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 1.32.5m,取支架高度為 1.12.6m 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）nmH 代入數(shù)據(jù)得 m=2.36。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 13 3.1.3 支架間距 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；3C 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)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送cb 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。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 14 3.2.2 底座寬度 支架底座寬度一般為 1.11.2m。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 1.31.4m。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 300380mm。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 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。 2 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。 2 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。 2 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， =5262，即：0.911.08 弧度；1P =7585即1.311.48弧度；支架在最低位置時，保證 。1Q P125 （2）后 連桿與掩護(hù)梁的比值，掩護(hù)式支架為I =0.450.61;支撐掩護(hù)式為I = 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 15 0.610.82。 （3）前后連桿上絞點之距與掩護(hù)梁的比值為 0.220.3。I1 （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大寬度e 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)式支架最好tan 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計算高度。令：1H = ; = ; = ; = ; = ; = ; = ; oa2AbBaCcdD2oEaeGbF = ; = ; ; ; = =1JSeLIGbIe1tnSLUa 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。 4 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 山西工程技術(shù)學(xué)院