0010-放頂煤液壓支架設(shè)計(jì),放頂煤,液壓,支架,設(shè)計(jì) 引言 我國(guó) 煤炭?jī)?chǔ)量十分豐富，1979年世界能源會(huì)議估計(jì)我國(guó)煤炭資源為15000億噸，其中煤層厚度大于3.5米的厚煤層占40%左右。從采煤工藝看，我國(guó)1972年開(kāi)始裝備綜合機(jī)械化采煤，至1990年已經(jīng)達(dá)到29.8%。當(dāng)時(shí)對(duì)厚度在3.5－5米的煤層多采用一次采全高工藝，特別是大采高支架，平均單產(chǎn)可超過(guò)3萬(wàn)噸，最高超過(guò)6萬(wàn)噸，最高月產(chǎn)142211噸。然而，對(duì)于厚度大于5米的特厚煤層的開(kāi)采，存在著產(chǎn)量低、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全差等問(wèn)題，盡管分層開(kāi)采技術(shù)較為成熟，但其成本高、工序多，影響效率。 1緒論 1.1液壓支架發(fā)展歷史 歷史地來(lái)看，大約在四五十年前回采工作面還是采用木支柱。隨著刨煤機(jī)、鉆削式和滾筒式采煤機(jī)等快速采煤機(jī)的使用,木支柱既不能對(duì)頂板提供足夠大的阻力，其支設(shè)和回收亦難滿足連續(xù)采煤的要求。于是，剛性木支柱被可壓縮性摩擦和液壓支柱所代替，并以支柱加鉸接頂梁的結(jié)構(gòu)形式支護(hù)回采工作面。 1954年，英國(guó)研制出垛式支架。它主要由安裝在矩形整體底座上的立柱和頂梁組成。幾個(gè)月后，英國(guó)奧爾蒙德煤礦的低主煤層的整個(gè)工作面都裝備了這種支架。這就是世界上首個(gè)裝備液壓支架的采煤工作面。從此，開(kāi)創(chuàng)了煤炭工業(yè)的新時(shí)代。 1958年法國(guó)試驗(yàn)成功了節(jié)式支架。 五十年代末，為開(kāi)采煤層厚超過(guò)2m的松散和破碎頂板條件下的褐煤，前蘇聯(lián)開(kāi)始研制掩護(hù)式液壓支架，并于1961年在阿樂(lè)斯-科拖舉辦的貿(mào)易展覽會(huì)上展出了OMKT型掩護(hù)式支架。這種支架頂梁很短，僅0.8m，并與掩護(hù)梁鉸接，單根朝前傾斜液壓支柱連接著掩護(hù)梁和底座。當(dāng)支架在其工作高度范圍內(nèi)升降時(shí)，頂梁頂點(diǎn)相對(duì)于煤壁作圓弧運(yùn)動(dòng)。這樣，不僅影響了支架的承載能力，而且端面距變化很大，不利于頂板的維護(hù)。但比起垛式和節(jié)式支架，掩護(hù)式支架能有效的控制頂板，防止開(kāi)采過(guò)程中矸石滲入工作面，工作能力很好 。 為了保持頂梁端點(diǎn)相對(duì)于煤壁作近似的直線運(yùn)動(dòng)，在OMKT型掩護(hù)式支架的基礎(chǔ)上作了許多改進(jìn)： 60年代末和70年代初，隨著液壓支架在歐洲使用經(jīng)驗(yàn)的日益增加，支架結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化。長(zhǎng)頂梁、二柱、四柱以及多柱四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架相繼問(wèn)世。并且，為適應(yīng)底板不平，底座采用分離鉸接式結(jié)構(gòu)；對(duì)于松軟底板，為減小底板比壓，采用接觸面積較大的底座；為防止碎矸竄入采區(qū)，采用了各種防竄矸的掩護(hù)裝置。1974年，英國(guó)國(guó)家煤炭局實(shí)施的“高科技采礦工程”推動(dòng)了液壓支架及采煤設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展。這項(xiàng)工程要求在選擇工作面綜合采煤設(shè)備時(shí)，必須采用最先進(jìn)的設(shè)備和開(kāi)采工藝，以提高煤炭產(chǎn)量和改善作業(yè)環(huán)境。 進(jìn)入70和80年代，液壓支架又有了新的發(fā)展。頂梁不僅實(shí)現(xiàn)了“立即前移支護(hù)”，而且整個(gè)支架安裝了電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制與操作。1981年杜賽爾多夫采礦展覽會(huì)上，展出了液壓連桿式液壓支架和具有液壓調(diào)高機(jī)構(gòu)的掩護(hù)式支架，并研制出采高為6m的大采高支架及放頂煤支架；對(duì)于堅(jiān)硬巖層設(shè)計(jì)了強(qiáng)力液壓支架等。 我國(guó)液壓支架是從50年代末開(kāi)始著手研制，經(jīng)歷可研制試驗(yàn)、引進(jìn)、仿制和改進(jìn)創(chuàng)新等階段，直到現(xiàn)在的獨(dú)立設(shè)計(jì)階段。目前，除液壓支架電液控制和支架計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與繪圖方面落后于國(guó)外，其他方面均以達(dá)到國(guó)外同期水平。 1.2 放頂煤開(kāi)采工藝及放頂煤液壓支架 放頂煤采煤方法，就是在開(kāi)采煤層的底部，或在特厚煤層中部位置，布置采煤工作面，利用工作面礦山壓力的作用或輔以爆破等方法，將頂煤破碎并促使其垮落，而后將垮落的頂煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放頂煤采煤方法在很早以前就用于開(kāi)采厚煤層。如我國(guó)以前使用過(guò)的高落式采煤法就屬于這種采煤方法。在當(dāng)時(shí)，放頂煤開(kāi)采是不正規(guī)的，完全手工式的，而且煤炭損失特別大，長(zhǎng)期以來(lái)受到嚴(yán)格限制。還有倉(cāng)儲(chǔ)式采煤法、倉(cāng)房式采煤法也都屬于早期的放頂煤開(kāi)采方法。隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，特別是煤礦支護(hù)設(shè)備的發(fā)展，放頂煤采煤法已經(jīng)發(fā)展成為一種正規(guī)的采煤方法。 我國(guó)綜采放頂煤開(kāi)采開(kāi)始于1982年，是由鄭州煤礦機(jī)械廠、煤炭科學(xué)研究 圖 1.1 低位雙運(yùn)輸機(jī)放頂煤綜采示意圖 1—放煤口；2—前輸送機(jī)；3—后輸送機(jī) 總院北京開(kāi)采所、沈陽(yáng)煤研所共同研制的FY400－14/28中位放頂煤支架在沈陽(yáng) 局蒲河礦安裝試驗(yàn)；10多年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，截止到1993年，已經(jīng)在13個(gè)省的26個(gè)礦務(wù)局59個(gè)工作面使用，達(dá)到了日產(chǎn)萬(wàn)噸，月產(chǎn)31萬(wàn)噸，年產(chǎn)253萬(wàn)噸的生產(chǎn)水平，成為世界上綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)發(fā)展最快、擁有放頂煤液壓支架數(shù)量最多的國(guó)家。 實(shí)踐證明，在特厚煤層開(kāi)采中，采用放頂煤開(kāi)采較分層開(kāi)采等具有明顯的優(yōu)越性，主要有： （1）、煤層掘進(jìn)量小，掘進(jìn)費(fèi)用低、緩和了采掘關(guān)系； （2）、減少了搬家倒面次數(shù)，節(jié)省了綜采面設(shè)備搬遷、安裝的工作量及費(fèi)用； （3）、較分層開(kāi)采減少了鋪網(wǎng)工序、材料、工資及巷道維護(hù)費(fèi)用等； （4）、對(duì)急斜厚煤層，較普通法開(kāi)采的工作面產(chǎn)量提高1－3倍； （5）、提高了煤炭的塊炭率，增加煤炭的售價(jià)； （6）、減少了設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)，特別是采煤機(jī)，相對(duì)減少了噸媒設(shè)備折舊費(fèi)或租賃費(fèi)； （7）、有利于礦井的集中控制，實(shí)現(xiàn)減面、減人、提高工效的目的； （8)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低成本，比一般回采工效提高2－5倍，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，噸媒成本一般降低8－20元/噸。 基于上述原因，我國(guó)放頂媒液壓支架從1984年至1992年上半年已發(fā)展到42套，32個(gè)品種，占世界總數(shù)的66％。當(dāng)然，放頂煤開(kāi)采也有急待解決的問(wèn)題，主要是： （1）、煤塵大，比分層開(kāi)采高出1－3倍，甚至更高； （2）、回采率偏低，一般在80％左右，造成一定的煤炭損失； （3）、自然發(fā)火的問(wèn)題尚未得到很好的解決； （4）、對(duì)高瓦斯礦井，瓦斯涌出量大，有局部積聚的危險(xiǎn)。 因此，煤炭工業(yè)部提出要有試點(diǎn)地進(jìn)行，穩(wěn)步發(fā)展的方針。然而有于放頂煤開(kāi)采的優(yōu)點(diǎn)十分突出，并對(duì)存在的問(wèn)題逐步得到解決的同時(shí)，使這一新的特厚煤層的開(kāi)采工藝從東北、西北迅速擴(kuò)展到華北，1992年初又推廣到華東四個(gè)礦務(wù)局，并首先在兗州興隆莊礦創(chuàng)出了月產(chǎn)11萬(wàn)噸的好成績(jī)（1994年月產(chǎn)已達(dá)25萬(wàn)噸），可以預(yù)計(jì)，今后將會(huì)更快地發(fā)展。 下面重點(diǎn)介紹放頂煤液壓支架的特點(diǎn)及適應(yīng)性。 1． 放頂煤液壓支架的分類(lèi) 按與液壓支架配套的輸送機(jī)的臺(tái)數(shù)，放頂煤液壓支架可分類(lèi)如下： 插底式 單輸送機(jī) 不插底式 放頂煤液壓支架 單鉸接式 開(kāi)天窗式 雙輸送機(jī) 四連桿式 前四連桿式 插板式 中四連桿式 后四連桿式 按放煤口位置，放頂煤液壓支架可分類(lèi)如下： 高位（單輸送機(jī)開(kāi)天窗式） 放頂煤液壓支架 中位（雙輸送機(jī)開(kāi)天窗式） 低位（雙輸送機(jī)插板式） 下面重點(diǎn)介紹低位放頂煤液壓支架的特點(diǎn)及適應(yīng)性： 2.低位放頂煤支架的特點(diǎn) 下面重點(diǎn)介紹低位放頂煤綜采： 低位放頂煤綜采的顯著特征是支架的放煤口位置低、尺寸大。而且是連續(xù)的，多為插板式，無(wú)脊背煤炭損失，支架的四連桿機(jī)構(gòu)置于支架中間，后輸送機(jī)置于支架拖板上或直接在底板上。低位放頂煤綜采的主要優(yōu)點(diǎn)為放煤在支架后下方，放煤效果好，煤塵小。后輸送機(jī)外運(yùn)煤炭順利，一般不需清理后方浮煤。支架尾梁還可以擺動(dòng)，以利提高頂煤的回收率。但低位放頂煤支架的穩(wěn)定性差，工作面端頭的維護(hù)較困難。該類(lèi)支架在窯街礦務(wù)局、兗州礦務(wù)局鮑店煤礦均取得高產(chǎn)、高效。低位放頂煤綜采如圖1.1所示。 這是一種雙輸送機(jī)運(yùn)煤，在掩護(hù)梁后部鉸接一個(gè)帶有插板的尾梁、低位放煤的支撐掩護(hù)式支架。這類(lèi)支架有一個(gè)可以上下擺動(dòng)的尾梁（擺動(dòng)幅度在45°左右）用以松動(dòng)頂煤，并維持一個(gè)落煤空間。尾梁中間有一個(gè)液壓控制的放煤插板，用以放煤和破碎大塊頂煤，具有連續(xù)的放煤口。其主要特點(diǎn)如下： (1)由于具有連續(xù)的放煤口，放煤效果好，沒(méi)有脊背煤損失，回收率高； (2)和其他支架相比，從煤壁到放煤口的距離最長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)頂梁的反復(fù)支撐和在掩護(hù)梁上方的垮落，使頂煤破碎較為充分，對(duì)放煤極為有利； (3)后輸送機(jī)沿底板布置，浮煤容易排出，移架輕快，同時(shí)尾梁插板可以切斷大塊煤，使放煤口不易堵塞； (4)低位放煤使煤塵減少； (5)前四連桿低位放頂煤液壓支架的抗扭及抗偏載能力差，支架的穩(wěn)定性較差； (6)尾梁擺動(dòng)力和向上的擺角較小，破煤和松動(dòng)頂煤的能力差。 這類(lèi)支架的原始形式是前四連桿式，在礦壓較小的急斜水平分段開(kāi)采時(shí)比較適應(yīng)，為使這種支架在緩斜長(zhǎng)壁工作面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，幾年來(lái)作了如下的探索： (1)把四連桿的上連接位置由頂梁上改在掩護(hù)梁上，使支架底部和上部的連接位置更接近扭轉(zhuǎn)力矩的作用點(diǎn)，增加了支架強(qiáng)度，減少了支架的損壞，形成了目前在緩斜工作面大量使用的后四連桿式低位放頂煤液壓支架； (2)大幅度加強(qiáng)前四連桿本身以及它與頂梁、底座的聯(lián)接強(qiáng)度，這種作法增加了支架的重量，有的重達(dá)20t以上，但設(shè)計(jì)時(shí)容易實(shí)現(xiàn)加大后部運(yùn)輸空間和增加破煤能力； (3)增大后部空間和尾梁向上擺動(dòng)的力，使其在較硬煤層中使用時(shí)也可讓頂煤順利放落和運(yùn)出，如ZFPS5200/17/32型支架尾梁端部向上擺動(dòng)力可達(dá)到500kN，使用效果良好； (4)后四連桿前連桿設(shè)計(jì)為Y型，后連桿設(shè)計(jì)為I型，增大了支架的前、后人行道的寬度并加大了后部的人員工作與維護(hù)空間； (5)把后輸送機(jī)千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接，改善了運(yùn)輸狀況。在后輸送機(jī)與千斤頂之間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機(jī)與千斤頂活塞桿彎曲并防止輸送機(jī)和支架下滑。 前四連桿式支架和后四連桿式支架相比，前四連桿式支架穩(wěn)定性及抗扭性較差，但其后部空間較大，且重量也輕。 3.低位放頂煤液壓支架的適應(yīng)性 前四連桿式支架在急斜水平分段放頂煤綜采中取得成功，如對(duì)四連桿及有關(guān)聯(lián)接件再進(jìn)一步增加強(qiáng)度，成為定型設(shè)備，可以不考慮在急斜條件下使用后四連桿式支架。 緩斜中硬難放煤層在選型時(shí)考慮到低位放頂煤液壓支架的強(qiáng)度低，又無(wú)成功的實(shí)例，往往選用中位放頂煤液壓支架，但受到放煤口的限制，實(shí)際上也未能很好解決其放煤?jiǎn)栴}。仔細(xì)研究各類(lèi)放煤支架，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，只有前四連桿式支架具備大幅度擺動(dòng)掩護(hù)梁破煤的條件。有的低位放頂煤液壓支架采取強(qiáng)化四連桿及聯(lián)接銷(xiāo)軸，把擺動(dòng)掩護(hù)梁的千斤頂一端布置在底座上，而不是布置在頂梁上，盡管這種架型尚無(wú)滿意的效果，但這種探索無(wú)疑是很有意義的。 后四連桿式支架在煤層硬度系數(shù)f＝2左右，層節(jié)理比較發(fā)育的緩斜厚煤層中使用取得很大成功，如在潞安礦務(wù)局五陽(yáng)煤礦、王莊煤礦和兗州礦務(wù)局興隆莊煤礦、鮑店煤礦。這種架型與設(shè)計(jì)先進(jìn)的過(guò)渡支架配合使用，創(chuàng)出了新水平，被廣泛推廣使用。如石炭井礦務(wù)局烏蘭礦將這種支架與過(guò)渡支架、端頭支架配套使用，在傾角為24°的工作面上取得了成功。由此表明了后四連桿式放頂煤液壓支架在緩斜中硬煤層和傾斜厚煤層中均有良好的適應(yīng)性和使用前景。 1.3 采煤工作面液壓支架設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)必要的基本參數(shù) 1.3.1 采煤工作面對(duì)液壓支架的設(shè)計(jì)要求 為了滿足長(zhǎng)壁工作面的生產(chǎn)要求對(duì)液壓支架提出了以下要求： 1.能有效的控制頂板。具體有這些要求：能適應(yīng)頂板下沉、來(lái)壓及冒落的特性；能防支架前方與上方冒頂；不應(yīng)出現(xiàn)陷底而影響性能與移架。 2.保證安全的工作空間。具體要求如下：有寬敞的工作空間；能很好的防矸、排矸；能良好的通風(fēng)、照明、通訊、防塵、防火。 3.應(yīng)該適應(yīng)煤層地址條件變化。要求支架有足夠的調(diào)高范圍；適應(yīng)不平頂?shù)装?、臺(tái)階和斷層等條件；適應(yīng)煤層傾角變化。 4.能夠保證正常的生產(chǎn)循環(huán)。也就是說(shuō)應(yīng)保證正常移架、推溜；能與采煤、運(yùn)輸?shù)裙に嚋?zhǔn)確配合；運(yùn)輸，安裝，搬家方便；還得便于維修。 5.最后對(duì)于投資者來(lái)說(shuō)，應(yīng)該保證初期投資低、維修費(fèi)用低。 1.3.2 液壓支架設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 1.頂板條件 根據(jù)老頂1級(jí)和直接頂?shù)姆诸?lèi)2。 根據(jù)最大4500和最小采高3500，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護(hù)強(qiáng)度。 3.瓦斯等級(jí) 根據(jù)瓦斯等級(jí)--瓦斯涌出量大，按保安規(guī)程規(guī)定，驗(yàn)算通風(fēng)斷面。 4.底板巖性及小時(shí)涌水量 根據(jù)底板巖性和小時(shí)涌水量驗(yàn)算底板比壓。 5.工作面煤壁條件 根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護(hù)幫裝置。 6.煤層傾角 根據(jù)煤層傾角--急斜特厚煤層，決定是否選用防倒防滑裝置。 7.井筒罐籠尺寸 根據(jù)井筒罐籠尺寸，考慮支架的運(yùn)輸外形尺寸。 8.配套尺寸 根據(jù)配套尺寸及支護(hù)方式來(lái)計(jì)算頂梁長(zhǎng)度。 1.4 本文做的主要工作 畢業(yè)設(shè)計(jì)名稱(chēng)：放頂煤液壓支架設(shè)計(jì) 參數(shù)如下： （1）要求工作阻力500t。 （2）最大采高4.5m，最小采高3.5m。 （3）急斜特厚煤層, 瓦斯涌出量大. 本次設(shè)計(jì)主要工作如下：四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、各個(gè)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各結(jié)構(gòu)件的受力分析及強(qiáng)度校核、液壓立柱的設(shè)計(jì)及支架液壓電液控制系統(tǒng)統(tǒng)原理設(shè)計(jì)。 2 液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 支架主要尺寸的確定 2.1.1 支架的高度和支架的伸縮比 一般應(yīng)首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度。 由于我國(guó)急斜煤層煤層厚度都比較大，煤層厚度在20～80m之間，所以按厚煤層高度的確定原則來(lái)確定該放頂煤液壓支架的高度。 ＋（200～300） （2.1） －（300～400） （2.2） 式中：——支架最大高度（mm）； ——支架最小高度（mm）； ——最大采高（mm）； ——最小采高（mm）。 本設(shè)計(jì)最大采高＝4500mm,取支架最大高度 ＝4500＋200＝4700mm 則支架的最小高度 ＝3500-300＝3200mm 調(diào)高范圍為1500mm 支架的伸縮比系指其最大高度與最小高度之比值。即： m (2.3) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 m==1.47 2.1.2支架間距和寬度的確定 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。按下式計(jì)算： （2.4） 式中： ——支架間距（支架中心距）； ——每架支架頂梁總寬度； ——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 n =1；整體邁步式支架n =2；節(jié)式邁步支架，n =支架節(jié)數(shù)。 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。 大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用1.75m,輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。 本次設(shè)計(jì)取支架的中心距為1.5m。 支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應(yīng)考慮支架的運(yùn)輸、安裝和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板行程一般為170～200mm。其中寬面頂梁一般為1200mm～1500mm，節(jié)式支架一般為400mm～600mm。本次設(shè)計(jì)取支架頂梁的最小寬度為1380mm,最大寬度為1550mm,亦即頂梁側(cè)護(hù)板側(cè)推千斤頂?shù)男谐倘?70mm。 2.2 支架四連桿機(jī)構(gòu)的確定 2.2.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 1．梁端護(hù)頂 鑒于四連桿機(jī)構(gòu)可使托梁鉸接點(diǎn)呈雙紐線運(yùn)動(dòng)，故可選定雙紐線的近似直線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。 2.2.2 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 1.支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時(shí)，如圖2.1所示，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度應(yīng)小于或等于70mm，最好為30mm以下。 2.支架在最高位置時(shí)和最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，如圖2.1所示，應(yīng)滿足如下要求：支架在最高位置時(shí)，≤52°～62°，≤75°～85°；支架在最低位置時(shí)，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護(hù)梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù)=0.3，則=16.7°。為了安全可靠，最低工作位置應(yīng)使≥25°為宜。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。一般取≥25°～30°，在特殊情況下需要角度較小時(shí)，可提高后連桿下鉸點(diǎn)的高度。 3.從圖2.1中可知，掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)和瞬時(shí)中心O之間的連線與水平線夾角為。設(shè)計(jì)時(shí)，要使角滿足的范圍，其原因是角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。 4.應(yīng)取頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡雙扭線向前凸的一段為支架工作段，如圖2.1所示的段。其原因?yàn)楫?dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢(shì)，可防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時(shí)底板阻止底座向后移，使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而增加了頂梁前端的支護(hù)力，防止頂梁前端上方頂板冒落，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(yīng)減小，所以減輕了掩護(hù)梁的外負(fù)荷。 從以上分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)盡量使值減小，取雙扭線向前凸的一段為支架工作段。所以，當(dāng)已知掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度后，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)只要把掩護(hù)梁和后連桿簡(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)用作圖法就可以了，如圖2.2。 圖2.1 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征圖 圖2.2 掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 2.3 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的主要方法有：直接求解法、解析法、幾何作圖法等。本設(shè)計(jì)鑒于各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了計(jì)算機(jī)求解的方式來(lái)求解。 在計(jì)算之前，先確定幾個(gè)值。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取頂梁與掩護(hù)梁的絞點(diǎn)至上頂板的距離為400mm , 要求雙紐線的偏擺量為30mm ,后連桿下絞點(diǎn)至底座的距離為900mm 。采用電算法。 1.目標(biāo)函數(shù)的確定 為了減少附加力，必須使得有較小值。同時(shí)，為有效的控制頂板，要求支架在某一高度時(shí)的角，恰好是頂梁前端點(diǎn)的雙紐線軌跡上的切線與頂梁垂線間的夾角。所以，只要令支架由高到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似成直線為目標(biāo)函數(shù)，這兩項(xiàng)要求都能滿足。 2.四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征 四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征，如圖2.3所示。 （1）支架在最高位置時(shí)，≤，即：弧度；≤即1.311.48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 =0.450.61;支撐掩護(hù)式為I = 0.610.82。 （3）前后連桿上絞點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為0.220.3。 （4）點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，支架由高到低雙紐線運(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0.2。 3.四連桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的計(jì)算 四連桿機(jī)構(gòu)各部參數(shù)如圖2.3所示，圖中的為支架在最高位置時(shí)的計(jì)算高度。令：=; =; =; =; =; =; =; =; =;; ;== 圖2.3 四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)圖 (1)后連桿與掩護(hù)梁長(zhǎng)度的確定 如圖2.3所示 ，當(dāng)支架在最高位置時(shí)的H值確定后，掩護(hù)梁長(zhǎng)度G為： （2.5） 后連桿長(zhǎng)度為： （2.6） 前后連桿上絞點(diǎn)之距為： （2.7） 前連桿上絞點(diǎn)至掩護(hù)梁上絞點(diǎn)之距為： （2.8） 從式（2.5）至式（2.8），可求出多組后連桿和掩護(hù)梁的尺寸。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)變量規(guī)定相應(yīng)的步長(zhǎng)如下：的步長(zhǎng)為0.34弧度；的步長(zhǎng)為0.34弧度；的步長(zhǎng)為0.02；的步長(zhǎng)，支撐掩護(hù)式為0.042。若上述四個(gè)變量各向前邁出五步，經(jīng)排列組合變得到625組數(shù)據(jù)。 （2）后連桿下絞點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)之距為，如圖2.4所示 圖2.4 四連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系 （3）前連桿長(zhǎng)度及角度的確定 當(dāng)支架高度變化時(shí)，掩護(hù)梁上絞點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為近似雙紐線，為使雙紐線最大寬度和角盡量小，可把點(diǎn)的軌跡視為理想直線，當(dāng)然實(shí)際上并非如此。但是，我們可以做到支架高度變化時(shí)，有三點(diǎn)在一條直線上，如圖2.4所示，即：支架在最高和最低以及中間某一位置的三點(diǎn)。當(dāng)支架的最高和最低位置確定后，在直線上的最高和最低點(diǎn)就確定了。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)點(diǎn)沿理想垂線由最高向最低運(yùn)動(dòng)時(shí)，后連桿與掩護(hù)梁的夾角由大于90到小于90變化，在夾角變化過(guò)程中，一定有一位置使后連桿與掩護(hù)梁呈垂直狀態(tài)，以這一特殊狀態(tài)為所求的中間某一位置，來(lái)確定直線上中間某一位置的點(diǎn)。 1）點(diǎn)坐標(biāo) 當(dāng)支架在最高位置時(shí)的計(jì)算高度為，此時(shí)點(diǎn)的坐標(biāo)為： （2.9） （2.10） 2）點(diǎn)坐標(biāo) 支架在最低位置時(shí)的計(jì)算高度為，此時(shí)的坐標(biāo)為： （2.11） （2.12） 根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征要求，支架降到最低位置時(shí)，為計(jì)算方便，即0.436弧度。 根據(jù)幾何關(guān)系為： （2.13） 3）點(diǎn)坐標(biāo) 當(dāng)支架的掩護(hù)梁與后連桿成垂直位置時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系，點(diǎn)坐標(biāo)為： （2.14） （2.15） 式中P由下式進(jìn)行計(jì)算： （2.16） （2.17） 4）c點(diǎn)坐標(biāo) 根據(jù)圖2.4所示，支架在三個(gè)位置時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系確定后，c點(diǎn)就是以、、這三點(diǎn)為圓的圓心。所以，為前連桿的長(zhǎng)度。因此，可以用圓的方程求得前連桿長(zhǎng)度。即： （2.18） 上式中、為c點(diǎn)坐標(biāo)，可以按下列方程聯(lián)立求得: （2.19） （2.20） 由式（2.19）和式（2.20）得： （2.21） （2.22） 令: （2.23） N （2.24） T （2.25） 把式（2.23）到式（2.25）帶入式(2.22)式得： （2.26） （2.27） c點(diǎn)坐標(biāo)求出后，前連桿的長(zhǎng)度和角度就可以確定了。 （4）前連桿下絞點(diǎn)的高度D和四連桿機(jī)構(gòu)的底座長(zhǎng)度E。 當(dāng)前連桿c點(diǎn)坐標(biāo)確定后，D和E的長(zhǎng)度為： （2.28） （2.29） 4.四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)選 按上述方法可求出很多組四連桿機(jī)構(gòu)，并非所有的值都可以用，故要優(yōu)選。優(yōu)選的方法是給定約束條件，對(duì)所計(jì)算出的各組值進(jìn)行篩選，最終選出一組最優(yōu)的值來(lái)。 其約束條件是根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何體特征要求，以及支架的結(jié)構(gòu)關(guān)系，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有支架的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，得出的約束條件如下： （1）前后連桿的比值范圍 根據(jù)現(xiàn)有資料的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，前后連桿的比值＝0.91.2范圍。 （2）前連桿的高度不宜過(guò)大，一般應(yīng)使。 （3）E的長(zhǎng)度，一般應(yīng)使E. （4）對(duì)掩護(hù)式支架應(yīng)使的值U ；對(duì)支撐掩護(hù)式支架 的值按下面的方法進(jìn)行計(jì)算。 如圖2.5所示，為支架在最高位置時(shí)的幾何關(guān)系。 （1）a點(diǎn)坐標(biāo) = （2.30） （2.31） （2）點(diǎn)坐標(biāo)為 （3）直線的斜率： （2.32） （4）直線的斜率： （2.33） 由于c 、b、o在同一條直線上，因此，和 直線的斜率相同，所以直線的斜率為： （2.34） 同理直線的斜率為 （2.35）聯(lián)立（2.34）、（2.35）得： （2.36） （2.37） 圖2.5 順心位置圖 令： （2.38） （2.39） 則： （2.40） 5.近似雙紐線軌跡的繪制 為了能計(jì)算和看出優(yōu)選的一組值的e值，以及雙紐線的凸弧段長(zhǎng)度，要求打印出頂梁前端的坐標(biāo)值畫(huà)出雙紐線軌跡來(lái)。 （1）四連桿機(jī)構(gòu)的方程 圖2.6 四連桿機(jī)構(gòu)方程圖 從圖2.6可知，在任一個(gè)角位置時(shí)，d點(diǎn)的x坐標(biāo)值應(yīng)滿足下列方程 （2.41） B點(diǎn)的y坐標(biāo)值應(yīng)滿足下列方程 （2.42） 由式（2.42）得： （2.43） 將式（2.43）代入式（2.41）得： （2.44） 將式（2.44）整理得： (2.45) 令： ; (2.46) (2.47) (2.48) 將式(2.46)式（2.48）代入式（2.45）可得： (2.49) 則式（2.49）可變成以Z為變量之方程，得： (2.50) 不合題意之根已舍去。 當(dāng)時(shí)，式（2.50）才有意義。 在圖2.6中點(diǎn)任一位置時(shí)之坐標(biāo)x,y可寫(xiě)成： (2.51) (2.52) 其中， 則 式（2.51）和式（2.52）就是液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的曲線方程。 根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征要求，支架由高到低，=,即： 1.48rad0.436rad。所以在變化范圍內(nèi)可以畫(huà)出一條近似雙紐線的軌跡來(lái)。如果在這個(gè)變化范圍內(nèi)按間隔0.087rad,可以算出x,y值表，y的變化相當(dāng)于支架計(jì)算高度的變化，則x的變化相當(dāng)于頂梁前端距煤壁之距變化，所以e值為支架高度變化范圍內(nèi)，相應(yīng)的，凸弧段的長(zhǎng)度為支架的結(jié)構(gòu)高度有高到低時(shí)，x值漸增所對(duì)應(yīng)的y值相減，即： 凸弧段長(zhǎng)度 式中， ——支架最大高度所對(duì)應(yīng)的y值； ——支架由高到低，x值漸增，增加到極限位置所對(duì)應(yīng)的y值。 2.4 頂梁長(zhǎng)度的確定 2.4.1支架工作方式對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 支架工作方式對(duì)支架頂梁長(zhǎng)度有很大影響。先移架后推溜方式（及時(shí)支護(hù)）要求頂梁有較大長(zhǎng)度；先推溜后移架方式（滯后支護(hù)）要求頂梁長(zhǎng)度較小。這是因?yàn)椴捎孟纫萍芎笸屏锏墓ぷ鞣绞綍r(shí)，支架要超前輸送機(jī)一個(gè)步距，以便采煤機(jī)過(guò)后，支架能及時(shí)前移，支控新暴露的頂板，做到及時(shí)支護(hù)，因此，先移架后推溜時(shí)頂梁長(zhǎng)度要比先推溜后移架時(shí)的頂梁長(zhǎng)度要長(zhǎng)一個(gè)步距，一般為600 mm 。 本次設(shè)計(jì)采用及時(shí)支護(hù)方式。 2.4.2頂梁長(zhǎng)度計(jì)算 (2.53) 式中： 配套尺寸—參考原煤炭部煤炭科學(xué)研究院編制的綜采設(shè)備配套圖冊(cè)確定； 底座長(zhǎng)度—底座前端至后連桿下鉸點(diǎn)之距。 e —支架由高到低頂梁前端點(diǎn)最大變化距離； 、—支架在最高位置時(shí)，分別為后連桿和掩護(hù)梁與水平面的夾角。 急斜特厚煤層放頂煤綜采選用的配套設(shè)備如下： 采煤機(jī)為MGD150/NW型； 前輸送機(jī)為SGZ 764/264型； 后輸送機(jī)為SGW-40T型。 經(jīng)過(guò)計(jì)算得該支架的頂梁長(zhǎng)度為5237mm如圖2.7所示。 圖2.7 頂梁長(zhǎng)度示意圖 3 放頂煤液壓支架主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 此類(lèi)低位放頂煤支架的設(shè)計(jì)要充分依據(jù)煤層的賦存條件，頂、底板狀況，礦壓大小，工作面傾角，及煤層厚度、層理裂隙發(fā)育情況、硬度和開(kāi)采方法等，支架總體技術(shù)參數(shù)的確定應(yīng)滿足：(1)工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度的要求；(2)穩(wěn)定性要好，抗扭能力強(qiáng)；(3)頂梁、掩護(hù)梁以至尾梁密封性能好；(4)拉架力大，走得動(dòng)；(5)能放煤，出煤易控制，(6)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單合理；(7)噴霧降塵裝置可靠實(shí)用。 這樣在設(shè)計(jì)支架各個(gè)部件時(shí)，不僅要滿足強(qiáng)度要求，還要總體性能好。 低位放頂煤支架的主要結(jié)構(gòu)有前梁（伸縮式和挑梁式）、頂梁、掩護(hù)梁、尾梁、前連桿、后連桿、底座推移裝置、立柱及各種千斤頂、液壓控制系統(tǒng)等組成。 3.1 支架主要部件的設(shè)計(jì)要求 各部件設(shè)計(jì)要求要滿足總體配套的要求，就是應(yīng)滿足采煤機(jī)、雙輸送機(jī)和支架配套的空間要求，支架前部能及時(shí)支護(hù)，后部便于放頂煤；應(yīng)有噴霧降塵裝置，為防止煤的自燃發(fā)火應(yīng)安裝必要的輔助裝置。同時(shí)，為適應(yīng)急斜特厚煤層分段開(kāi)采，支架本身采用中四連桿機(jī)構(gòu) 液壓支架中，凡四連桿機(jī)構(gòu)和頂梁與底座鉸接的頂梁四連桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)為中四連桿機(jī)構(gòu)。 ，增加了支架的縱向穩(wěn)定性，并使梁端距變化較小，放煤增設(shè)擺動(dòng)伸縮式尾梁，以調(diào)整工作空間和放煤口大小，改善掩護(hù)梁受力狀況，應(yīng)使頂梁較長(zhǎng)，以利頂煤在礦壓作用下能較好的壓碎。 各部件設(shè)計(jì)的基本要求： （1）四連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使支架梁端距變化小，支架受力狀態(tài)最佳，結(jié)構(gòu)上既滿足工作空間要求，又能承受足夠的縱向、橫向力及扭矩。 （2）前梁由前梁千斤頂控制，可上下擺動(dòng)15°，與頂板保持良好的接觸，維護(hù)機(jī)道上方頂板。挑梁是和前梁鉸接的可翻轉(zhuǎn)支護(hù)板，由防片幫千斤頂控制，可及時(shí)支護(hù)，并超過(guò)水平線上挑3°～5°，拉架時(shí)收回，還可在移架后支護(hù)煤壁，以防止片幫。 （3）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(fù)支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側(cè)護(hù)板，活動(dòng)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。 （4）掩護(hù)梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。 （5）底座 底座是將支架承受的頂板壓力和側(cè)向力傳至底板。它既要 有足夠的強(qiáng)度和剛度，又應(yīng)滿足底板比壓不超限。保證支架整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵是在底座上鉸接四連桿機(jī)構(gòu)，在底座中間設(shè)置有推移裝置，側(cè)面設(shè)置拉后輸送機(jī)的千斤頂和推移桿。 （6）推移裝置 此機(jī)構(gòu)關(guān)系到支架能否正常推移，由千斤頂和推移桿組成。推移桿結(jié)構(gòu)有長(zhǎng)推桿或是由兩部分短推移桿組成。 （7）尾梁 尾梁用以放煤、保證過(guò)煤高度及維護(hù)工作空間。對(duì)于大塊煤可利用插板進(jìn)行破碎。 （8）液壓控制系統(tǒng)及立柱、千斤頂 液壓系統(tǒng)由各液壓件、管路系統(tǒng)組成，它應(yīng)保證立柱、千斤頂完成支架要求的各種性能，并達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)。 3.2 頂梁的設(shè)計(jì) 圖3.3 中四連桿的頂梁 頂梁前、后分別與前梁和掩護(hù)梁鉸接，四個(gè)球面柱窩與立柱的活柱頭相連。頂梁有鉸接耳座與四連桿機(jī)構(gòu)的上連桿聯(lián)接，此外還設(shè)有所需千斤頂?shù)亩?，如前梁、掩護(hù)梁千斤頂耳座。頂梁體箱式結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)可根據(jù)總體受力分析，按不同支護(hù)高度時(shí)各部件最大受力值計(jì)算其強(qiáng)度。一般前、后柱窩斷面為最危險(xiǎn)斷面，斷面安全系數(shù)n應(yīng)大于1.1，同時(shí)要充分考慮各個(gè)鉸接孔的擠壓強(qiáng)度，以免孔受塑變拉長(zhǎng)而損壞，特別是與上連桿鉸接的耳座，一定要加大強(qiáng)度。 側(cè)護(hù)板與導(dǎo)桿連接的結(jié)構(gòu)以長(zhǎng)方形拉板為好，可以保證導(dǎo)桿與側(cè)護(hù)板的連接強(qiáng)度。 3.3 底座的設(shè)計(jì) 圖3.4 中四連桿機(jī)構(gòu)的底座 底座為整體式剛性底座，四連桿機(jī)構(gòu)鉸接在底座前部(有的鉸接在中部或后部)，有四個(gè)球面柱窩與立柱缸底相連，底座中間布置有推移裝置，側(cè)面有拉后輸送機(jī)千斤頂固定耳座。該底座整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，與底板接觸面積大，比壓小。由于四連桿機(jī)構(gòu)在中部連接，使底座受力狀態(tài)不好。上連桿與底座的鉸接座為兩突出的內(nèi)主筋形成的箱體結(jié)構(gòu)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)，使突變過(guò)渡處強(qiáng)度足夠，呈圓弧狀過(guò)渡，以免損壞。 3.4 掩護(hù)梁和連桿的設(shè)計(jì) 掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)為鋼板焊接的箱式結(jié)構(gòu)，在掩護(hù)梁上端與頂梁鉸接，下部焊有與前、后連桿鉸接的耳座。掩護(hù)梁有直線型、折線型兩種。這里選擇直線型掩護(hù)梁，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，其工藝性較好。 所有連桿均為箱式結(jié)構(gòu)件，用以克服頂板指向采空區(qū)的水平力，增加支架穩(wěn)定性；但承受橫向力和扭力的性能較差，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其鉸接孔的強(qiáng)度、擠壓壽命應(yīng)更加重視。 3.5 放煤口及放煤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 低位放頂煤支架的放煤口是由掩護(hù)梁和插板或尾梁及其千斤頂和插板形成。不論何架型，其橫向長(zhǎng)度均為架寬，縱向長(zhǎng)度根據(jù)架型、配套設(shè)備不同而異。本設(shè)計(jì)采用中四連桿機(jī)構(gòu)的放煤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3.6 推桿機(jī)構(gòu) a—長(zhǎng)推桿 b—短推桿 圖3.7 短框架機(jī)構(gòu)推移機(jī)構(gòu) 這種支架的掩護(hù)梁由鉸接在頂梁上的平衡千斤頂支撐或鉸接在底座上的千斤頂支撐。掩護(hù)梁下部有可伸縮插板，放煤時(shí)收回插板，利用千斤頂?shù)纳?、縮，調(diào)整放煤口進(jìn)行放煤，放煤后伸出插板擋住矸石流入后輸送機(jī)內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)能滿足放煤工藝、放煤口及工作空間的要求。從支架整體看，其橫向穩(wěn)定性較差。 本設(shè)計(jì)采用中四連桿機(jī)構(gòu)的放煤機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3.9示： 圖3.9 中四連桿放煤頂煤支架 該支架是六柱低位放頂煤支架，四根立柱支撐頂梁，兩根支撐掩護(hù)粱。四連桿機(jī)構(gòu)鉸接在頂梁和底座上，并布置在立柱外側(cè)，增加了垂直于工作面的穩(wěn)定性，梁端變化小，后部工作空間大，操作方便。兩根后立柱控制掩護(hù)梁擺動(dòng)放煤，在掩護(hù)梁體內(nèi)由千斤頂控制插板的伸縮，來(lái)控制放煤和擋矸，保證放煤工作順利進(jìn)行。頂梁前部鉸接一帶有挑梁的前梁。 3.6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.6.1 液壓系統(tǒng)的特點(diǎn) 低位放頂煤支架的液壓系統(tǒng)有如下特點(diǎn)： （1）采用介質(zhì)為5：95的水包油乳化液； （2）各類(lèi)閥和管路系統(tǒng)可選擇流量為125L/min或200L/min兩種類(lèi)型。 （3）泵站的壓力和流量可根據(jù)需要選用，流量有上述兩種；壓力可調(diào)至24.5MPa或32MPa； （4）各類(lèi)液控元件，一般均布置在頂梁、掩護(hù)梁、底座等結(jié)構(gòu)上，根據(jù)需要也可布置在立柱上，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)單、便于操作、人行方便； （5）立柱的活塞腔油路上設(shè)有測(cè)壓閥，可根據(jù)工作需要，隨時(shí)裝上壓力測(cè)試裝置進(jìn)行壓力測(cè)定，了解支架的受力狀況； （6）液壓系統(tǒng)可根據(jù)需要，結(jié)合噴霧系統(tǒng)，控制水路，進(jìn)行放煤與噴霧，拉架與噴霧的聯(lián)動(dòng)或手動(dòng)控制噴霧。 3.6.2 支架的工作機(jī)構(gòu) 低位放頂煤支架的工作機(jī)構(gòu)一般由立柱、防片幫千斤頂、前梁千斤頂、側(cè)推千斤頂、推移千斤頂、插板千斤頂、尾梁千斤頂?shù)纫簤焊捉M成。 1.立柱 立柱是支架的主要承載部件，為了適應(yīng)頂板的變化和改善受力狀況，立柱兩端均采用球面結(jié)合形式與頂梁及底座鉸接，承受壓力，并用銷(xiāo)軸固定來(lái)承受拉力。立柱柱頭與頂梁端相連接的銷(xiāo)孔，其兩側(cè)加工成喇叭口，與直銷(xiāo)配合使用，使頂梁能左右作適當(dāng)偏轉(zhuǎn)，以便立柱在架內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.防片幫千斤頂 防片幫千斤頂被應(yīng)用與前梁的挑梁上，使挑梁伸出和縮回能起到及時(shí)支護(hù)和防片幫的作用。 3.前梁千斤頂 前梁千斤頂用來(lái)支撐支架的前梁，使前梁向上或向下擺動(dòng)，以便更好的維護(hù)頂板。 4.側(cè)推千斤頂 側(cè)推千斤頂?shù)淖饔檬峭瞥龌蚴湛s活動(dòng)側(cè)護(hù)板，使支架具有擋矸、防倒和調(diào)架的性能。 5.尾梁千斤頂 尾梁千斤頂用來(lái)支撐支架的尾梁，形成后部工作空間，并使尾梁向下或向上擺動(dòng)，使頂煤落入后部輸送機(jī)或擋住矸石。 6.插板千斤頂 插板千斤頂?shù)淖饔檬鞘俏擦后w內(nèi)的插板伸出或縮回，用來(lái)?yè)蹴?、破煤或放煤? 7.推移千斤頂 推移千斤頂用來(lái)推進(jìn)工作面輸送機(jī)和推移支架，它的缸體與支架底座相連，而活塞桿通過(guò)推移桿與工作面輸送機(jī)相連。 3.6.3 控制系統(tǒng) 低位放頂煤支架的控制閥組一般由兩組操縱閥組，液控單向閥、安全閥、雙向鎖、截止閥、過(guò)濾器及測(cè)壓閥等組成。 3.7 液壓支架的主要技術(shù)參數(shù) 3.7.1 支護(hù)面積 （3.1） 式中：——支護(hù)面積，； ——頂梁寬度，； ——頂梁長(zhǎng)度，； ——移架后頂梁前端到煤壁的距離，一般。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 3.7.2 支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)效率 支護(hù)強(qiáng)度是指支架對(duì)單位面積頂板提供的工作阻力。 （3.2） 式中：——支架總工作阻力，; ——支護(hù)效率； ——支架中心距，； ——梁端距，； ——頂梁長(zhǎng)度， 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 采高時(shí)， =0.937 采高時(shí)， =0.837 滿足設(shè)計(jì)要求 3.7.3 ZFS5000/32/47放頂煤液壓支架性能參數(shù)一覽表 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)如表3.1： 表3.1 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)表 設(shè)備（部件） 名稱(chēng) 項(xiàng)目 單位 技術(shù)參數(shù) 支 架 整 體 性 能 支架高度 mm 3200～4700 支架寬度 mm 1380～1550 支架中心距 mm 1500 支護(hù)強(qiáng)度 MPa 0.482～0.541 對(duì)底板比壓 MPa 1.46 初撐力 kN 4021.2 工作阻力 kN 5000 操作方法 本架操作 泵站壓力 MPa 35 立 柱 型式 單伸縮活塞式 根數(shù) 根 4 缸徑 mm 200 柱徑 mm 150 初撐力 kN 1005.3 工作阻力 kN 1256.8 行程 mm 1500 推 移 千 斤 頂 型式 正裝差動(dòng)式 根數(shù) 根 1 缸徑 mm 190 柱徑 mm 95 推力/拉力 kN 223/578(差動(dòng)原理) 行程 mm 700 側(cè) 推 千 斤 頂 型式 內(nèi)進(jìn)液 根數(shù) 根 2 缸徑 mm 80 桿徑 mm 60 推力/拉力 kN 158/69 行程 mm 170 護(hù)幫千斤頂 型式 雙作用單伸縮 根數(shù) 根 2 缸徑 mm 100 桿徑 mm 70 推力/拉力 kN 247／126 行程 mm 500 尾梁千斤頂 型式 雙作用單伸縮 根數(shù) 根 2 缸徑 mm 160 桿徑 mm 95 推力/拉力 kN 633/409 行程 mm 1200 插板千斤頂 型式 雙作用單伸縮 根數(shù) 根 2 缸徑 mm 80 桿徑 mm 60 推力/拉力 kN 158/69 行程 mm 1000 拉后溜千斤頂 型式 雙作用單伸縮 根數(shù) 根 2 缸徑 mm 140 桿徑 mm 85 拉力 kN 306 行程 mm 700 配套設(shè)備 采煤機(jī) MGD150/NW型 前輸送機(jī) SGZ 764/264型 后輸送機(jī) SGW-40T型 4 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算 立柱是液壓支架的主要承載與高度調(diào)節(jié)件。它除了要具有較高的承載能力外，還應(yīng)有較大的伸縮行程，以滿足支架工作高度的要求。在厚煤層開(kāi)采中，為了增大支架對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)性，常需使支架的伸縮比較大。此時(shí)，單伸縮立柱就難以滿足要求。雖然采用在支架上裝設(shè)機(jī)械加長(zhǎng)桿的方法，在一定程度上可以擴(kuò)大其調(diào)高范圍。但機(jī)械加長(zhǎng)桿在安裝后就成為固定活塞桿，需要調(diào)節(jié)時(shí)裝拆比較困難。目前，在國(guó)內(nèi)外一些大高度的新型支架上日益采用伸縮式立柱。由于本設(shè)計(jì)的采高的變化范圍較小，因此采用單伸縮立柱結(jié)構(gòu)。 4.1 單伸縮立柱缸徑和工作阻力的確定 設(shè)計(jì)參數(shù)： 行程： 1500 缸內(nèi)工作壓力： 40 完全縮回時(shí)長(zhǎng)度： 2760 完全伸出時(shí)長(zhǎng)度： 4260 4.1.1 單伸縮立柱缸徑的確定 立柱缸體內(nèi)徑按下列公式計(jì)算： （4.1） 式中：D——立柱缸體內(nèi)徑，； F——支架承受的理論總載荷力，; n——立柱的根數(shù)； ——安全閥調(diào)定壓力，，選型安全閥，； ——立柱最大傾角，本設(shè)計(jì)立柱垂直布置，取。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 圓整，取。 4.1.2 泵站壓力的確定 本設(shè)計(jì)選用型乳化液泵站，壓力，考慮各種損失，按計(jì)算。 4.1.3 立柱初撐力的計(jì)算 （4.2） 式中：——立柱初撐力，; ——泵站壓力，。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 4.1.4 立柱工作阻力的計(jì)算 （4.3） 式中：——單根立柱工作阻力，； ——安全閥額定工作壓力，。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 4.1.5立柱缸體壁厚的計(jì)算 支架立柱的壁厚一般為,即中等壁厚，按下式計(jì)算： （4.4） 式中：——缸內(nèi)工作壓力，； ——考慮管壁公差即侵蝕的附加厚度，一般?。? ——強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)縫鋼管??； ——缸體材料許用應(yīng)力，，缸體選用，； D——立柱缸體內(nèi)徑，。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 圓整，取。 4.2 立柱強(qiáng)度驗(yàn)算 4.2.1 立柱缸體強(qiáng)度驗(yàn)算 1.缸體壁厚驗(yàn)算 當(dāng)時(shí)，按中等壁厚缸體公式進(jìn)行計(jì)算： （4.5） 式中：——?jiǎng)傮w實(shí)際最大承壓，。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 安全系數(shù)為： （4.6） 式中：——缸體材料為無(wú)縫鋼管，； ——許用安全系數(shù)，一般取。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得: 所以，缸體壁厚滿足強(qiáng)度要求。 2.缸體與缸底焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算 缸體與缸底焊縫強(qiáng)度按下式計(jì)算： ， （4.7） 式中：——環(huán)形焊縫內(nèi)徑，； ——環(huán)形焊縫外徑（缸筒外徑）,； ——焊接效率，??； ——立柱工作阻力，。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： 焊縫抗拉強(qiáng)度： 安全系數(shù)為： （4.8） 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得： 所以，焊縫強(qiáng)度滿足要求。 4.2.2 立柱活塞桿強(qiáng)度驗(yàn)算 在承受同心最大軸向載荷時(shí)，立柱的初始撓度為： （4.11） 式中符號(hào)如圖4.1所示，G——立柱總重，;——缸體軸線與水平面夾角，。 圖4.1 立柱受力分析圖 立柱的最大撓度： 當(dāng) （4.12） 當(dāng) （4.13） 當(dāng) （4.14） 式中： E——鋼材彈性模量，； 。 活塞桿的合成應(yīng)力為： （4.15） 式中：A——活塞桿截面積，當(dāng)活塞桿為空心時(shí)，其截面積,為減弱系數(shù)； W——活塞桿的斷面模數(shù)，當(dāng)活塞桿為空心時(shí)，其斷面模數(shù),為減弱系數(shù)。 安全系數(shù)計(jì)算如下： （4.16） 式中：——許用安全系數(shù)，一般最小為1.4。 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得： 立柱的最大撓度： 活塞桿的合成應(yīng)力為： 所以，安全系數(shù)： 活塞桿強(qiáng)度滿足要求。 必須指出的是，上述活塞桿強(qiáng)度的計(jì)算僅當(dāng)活塞桿頭部至最大撓度處的距離時(shí)才適用。 , 所以以上計(jì)算是正確的。 5 液壓支架受力分析 5.1 概述 5.1.1 支架工作狀態(tài) 1.頂板狀態(tài) 在采煤工作面中，當(dāng)煤被采出后，就會(huì)出現(xiàn)一定的空間，由于受上部巖層壓力