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大學學士學位論文
摘要
本課題主要論述了液壓支架的主要設計過程。其中包括：液壓支架的選型、總體設計、主要零部件的設計、校核以及液壓系統(tǒng)設計。
支架的形式為掩護式支架。支架除了要有效的對頂板進行有效支撐，還要實現升、降、推移四個步驟。支架采用四連桿機構，改善支架的受力狀況，縮小支架的升降過程中頂梁前端前后移動的距離。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。頂梁掩護梁、底座都做成箱體結構用鋼板焊接而成。
在研制液壓支架時，需要對支架進行生產試驗和分析研究，確定合理的液壓支架受力參數、運動參數和結構參數，以及選定液壓支架最佳方案等方面綜合性的科學技術問題。本設計主要從支架的工作原理這手，然后進行總體結構設計以及校核。
關鍵詞：液壓支架；頂梁；底座；立柱；結構設計
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 國內外液壓支架的研究現狀及發(fā)展…………………………………1
1.2 本課題的研究目的和意義……………………………………………3
2液壓支架基本理論分析…………………………………………………5
2.1 液壓支架的工作原理…………………………………………………5
2.2 液壓支架的類型和結構………………………………………………8
2.3 對液壓支架的基本要求………………………………………………9
2.4支架的選型設計………………………………………………………10
3液壓支架的整體結構設計 ……………………………………………14
3.1支架高度、中心距的確定……………………………………………14
3.2底座長度的確定………………………………………………………15
3.3四連桿機構的設計……………………………………………………16
3.4頂梁長度計算…………………………………………………………22
4支架主要部件的設計……………………………………………………24
4.1支架主要部件的設計要求……………………………………………24
4.2頂梁的設計……………………………………………………………25
4.3底座的設計……………………………………………………………26
4.4支架技術參數和立柱的設計…………………………………………26
4.5力柱柱窩位置和受力計算……………………………………………33
4.6千斤頂技術參數的確定………………………………………………35
5支架受力分析與計算……………………………………………………41
5.1支架工作狀態(tài)…………………………………………………………41
5.2受力計算………………………………………………………………42
5.3頂梁載荷分布…………………………………………………………45
6液壓支架的強度校核 ………………………………………………… 47
6.1強度條件………………………………………………………………47
6.2主頂梁的校核…………………………………………………………47
6.3掩護梁強度校核………………………………………………………50
6.4底座強度校核…………………………………………………………52
6.5立柱強度校核…………………………………………………………56
7液壓系統(tǒng)設計…………………………………………………………… 65
7.1液壓支架的液壓系統(tǒng)特點……………………………………………65
7.2液壓系統(tǒng)的設計方法…………………………………………………66
7.3千斤頂系統(tǒng)……………………………………………………………66
7.4乳化液泵站系統(tǒng)………………………………………………………70
8技術經濟分析 ……………………………………………………………76
9結論…………………………………………………………………………77
參考文獻 ……………………………………………………………………78
致謝……………………………………………………………………………79
附錄……………………………………………………………………………80
IV
大學學士學位論文
1緒 論
1.1國內外液壓支架的研究現狀及發(fā)展
地下開采的煤產量主要是利用由液壓支架配套的綜采設備產出的。綜采設備的研制和廣泛的運用，對煤炭工業(yè)革新技木裝備不僅有著重大的作用，而且對采煤工藝各個環(huán)節(jié)技術水平的發(fā)展和提高，是強有力的促進因素。
加速現代化進程，必須加速煤炭工業(yè)企業(yè)的建設、改造和革新技術裝備的進程，增加地下開采和露天開采的煤產量。地下開采方法是最復雜和閑難的方法，但是，這種方法在工業(yè)發(fā)達國家和以煤作為—次能源的地區(qū)，仍然普遍應用。而且，開采優(yōu)質煤，包括煉焦煤，都是采用地下開采方法。
綜合機械化采煤是煤炭工業(yè)的一次技術革命，從根本上改變了煤炭工業(yè)的面貌，綜合機械化采煤是20世紀人類科技發(fā)展的重要成果。 綜合機械化采煤技術在我國的研究試驗、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，提高了產量、勞動生產率和企業(yè)效益，滿足了國民經濟建設對煤炭的需求，合理的集中生產簡化了生產系統(tǒng)，提高了生產安全性。我國綜采技術發(fā)展的30多年，使我國的煤炭生產技術水平跨進了世界先進行列，綜放技術躍居世界領先地位。
工作面支護問題始終是困擾煤礦生產安全、產量和效率的重要問題。以液壓支架為主要設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，也為工作面產量和效率的迅速提高奠定了基礎。但是綜采設備初期投資高，特別是液壓支架占綜采設備總投資約60%，因此液壓支架的合理選用特顯重要。
30多年來在液壓支架技術不斷發(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計所為主的支架研究設計隊伍，采用計算機CAD進行各種類型支架的設計，用有限元計算軟件等進行計算，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計、選型和使用提供了有力的指導依據。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設備質量檢測中心為骨干的檢測隊伍。制定有關支架檢測標準11項，建立了各項支架檢測手段，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。不僅能滿足國內的需要，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備。
為適應我國煤礦綜采機械化的發(fā)展，國內綜采設備科研設計和制造企業(yè)已研制開發(fā)出具有較先進技術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動大運力帶式輸送機。配套設備的生產能力達到1500~2 500 t/h， 在適宜的煤層和礦井條件下，綜采工作面可實現年產300萬噸以上。
新型礦用單體支護設備，采用懸浮式液壓技術原理，生產礦用單體支護設備，技術水平達到了國際領先水平，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，無內泄漏、無圓弧焊縫等技術和安全特點，具有獨創(chuàng)性。新型礦用單體支護設備的誕生，消除了五十年來國內外單體支護設備一直存在的內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的關鍵技術，結束了由德國人發(fā)明的第二代單體支護設備的歷史，開創(chuàng)了中國人發(fā)明的第三代單體支護技術設備的歷史，并將會長期使用下去。該產品普遍適用于煤礦回采工作面的頂板支護和端頭支護，可廣泛應用于薄煤層、中厚煤層及較厚煤層工作面，是煤礦的重要支護設備。
近10年來主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和四柱掩護式架型發(fā)展，架型結構進一步完善，設計方法更先進，參數向高工作阻力、大中心距發(fā)展。液壓支架另一重大突破是控制系統(tǒng)，應用電液控制技術，采用電磁控制的先導閥，先進可靠的壓力和位移傳感器，靈活自由編程的微處理機技術，紅外線遙感技術等現代科技成果，使液壓支架的動作自動連續(xù)進行，移架速度大大提高，支架循環(huán)時間達到6~8s。
我國自1973年開始大規(guī)模引進德國、英國等國家的綜采設備，經歷了消化、吸收和改進提高的過程，到目前已形成了較完整的設計、制造和科研體系，掩護式液壓支架的制造和采煤技術已有長遠發(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量、提高經濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭增長的日益需要，必須大量生產綜合機械化采煤設備，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等的不同，對液壓支架的要求也不同。為了有效的支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸的液壓支架。因此液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設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習，完成液壓支架的設計工作，加深對液壓支架工作原理、工作性能、工作環(huán)境及其結構的認識和了解。通過對液壓支架結構的分析，加深和鞏固機械原理的相關內容；通過對液壓支架受力的分析和強度的校核，加深對專業(yè)基礎課理論力學和材料力學及專業(yè)課機械設計相關內容的鞏固和理解。同樣通過對液壓支架的設計，能夠更好的認識國內外液壓支架的發(fā)展趨勢和發(fā)現目前煤礦液壓支架主要存在的問題，從而為以后更深認的了解和設計液壓支架打下良好的基礎。
通過自己獨立地完成指定的課程設計任務，提高理論聯系實際、分析問題和解決問題的能力，學會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術文件的能力，進一步加強設計計算和制圖等基本技能的訓練，為畢業(yè)后成為一名出色的機械工程師打好基礎。
現代社會對人才提出了更高的要求，作為一名當代大學畢業(yè)生，不僅打好堅實的專業(yè)知識，還應具備工程技術人才應有的綜合素質。為了適應這一發(fā)展趨勢，我們應立足變傳統(tǒng)的、僵化的、單純的畢業(yè)設計為培養(yǎng)主動學習、提高創(chuàng)新能力、樹立團結協(xié)作精神、強化計算機運用等多維兼容性畢業(yè)設計;同時通過完成畢業(yè)設計，鍛煉學生解決實際工程問題的能力；在整個畢業(yè)設計的過程中，以我們的主動學習為主，教師適時指導為輔；將素質教育也畢業(yè)設計教學相融合，從根本上提高畢業(yè)設計的質量和水平 。
2液壓支架基本理論分析
2.1 液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進，進行移架和推移輸送機。因此，支架要實現升、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進入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當操縱閥處于降柱位置時，工作液體進入立柱的上腔，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入推移千斤頂的前腔即活塞桿腔，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
隨著頂板壓力的進一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高，當升高到安全閥5的調定壓力時，安全閥打開溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當降到安全閥的調定壓力時，安全閥關閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復這一過程。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定壓力決定的。對于掩護式和支撐掩護式支架，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。
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。
上述工作過程表明：支架在達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；當支架達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，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，通常單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即
(式2.1)
式中 —支架的支護面積，
2.2 液壓支架的類型和結構
液壓支架按其對頂板的支護方式和結構特點的不同，分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種基本架型。
2.2.1 支撐式支架
支撐式支架是出現最早的一種架型，按其結構和動作方式的不同，支撐式支架又分為垛式支架和節(jié)式支架兩種結構型式。垛式支架每架為一整體，與輸送機聯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，現已基本淘汰。
支撐式支架的結構特點是：頂梁較長，其長度多在4左右；而且立柱多，一般4~6根，且垂直支撐；支架后部設復位裝置和擋矸裝置。以平衡水平推力和防止矸石竄入支架的工作空間內。支撐式支架的支護性能是：支撐力大，且作用點在支架后部，故切頂性能好；對頂板重復支撐的次數多，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；護矸能力差，矸石易竄入工作空間；支架的工作空間和通風斷面大。
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 掩護式支架
掩護式支架的結構特點是：有一個較寬的掩護梁以擋住采空區(qū)的矸石進入作業(yè)空間，其掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端通過前后連桿與底座連接。底座、前后連桿和掩護梁形成四連桿機構，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。掩護式支架的立柱較少，除少數掩護式支架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，以增加支架的調高范圍，支架的兩側有活動側護板，可以把架間密封。通常頂梁較短，一般為3.0mm左右。
掩護式支架的支護性能是：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，所以支護強度較大、且均勻，掩護性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復支撐的次數少，能帶壓移架。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風斷面小。
由上可知，掩護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 支撐掩護式支架
支撐掩護式支架是在吸收了支撐式和掩護式兩種支架優(yōu)點的基礎上發(fā)展起來的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護式支架的結構特點和性能，可適用于各種頂底板條件。
支撐掩護式支架的頂梁由前梁與主梁構成，四根立柱支撐在頂梁和立柱之間，掩護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，防護性能好，通風斷面大，穩(wěn)定性好，應用范圍廣。它的主要缺點是：結構復雜，成本較高。
支撐掩護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，在結構型式仍屬于上述某種基本架型。
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. 為了操作和生產的需要，要有足夠寬的人行道。
7. 調高范圍要大，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，結構要簡單。
12. 液壓元件要可靠。
2.4支架的選型設計
2.4.1設計的原始條件
煤層厚度：H＝1.8~3.2米；頂設條件老頂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，支護強度、底板抗壓強度、泵站壓力、安全閥調定壓力40MPa。
2.4.2支架的支護性能與外載荷
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。
為了設計計算方便，要對支架的外載荷和支架本身進行簡化，概述如下：
把支架簡化成一個平面桿系結構。為偏于安全，在計算時把外載荷視為集中載荷；金屬結構件按直梁理論計算；頂梁、底座與頂底板被認為均勻接觸，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，掩護梁上矸石的作用力，只能使支架實際支護阻力降低所以，在進行強度計算時不計，使掩護梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力計算；產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W，
一般取0.15~0.3；按不同支護高度時各部件最大受力值進行強度校核。
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。當煤層厚度大于2.5~2.8m（軟煤取下限，硬煤取上限）時，應選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。當煤層厚度變化較大時，應選用調高范圍大的支架。
(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。當煤層傾角大于10~15時，應設防滑和調架裝置，當傾角超過18時，應同時具有防滑防倒裝置。
(3) 底板性質
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構和支承面積。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，支架的通風斷面應滿足通風的要求，選型時要進行驗算。
(5) 地質構造
地質構造十分復雜，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。
(6) 設備成本
在滿足要求的前提下，應選用價格便宜的支架。
2.4.4 支架架型的確定
從架型的結構特點來看，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系進行分析，使支架的支撐力能適應頂板載荷的要求。
根據煤層厚度1.8~3.2米，屬于中厚煤層。支架的適應高度為1.5~3.5米煤質條件老頂II級、直接頂II級，底板平整，無影響支架通過的斷層，根據表2.1初步選定為掩護式兩柱液壓支架。
老頂級別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接頂類別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
支架類型
掩護式
掩護式
支撐式
掩
護
式
掩
護
或
支
撐
掩
護
式
支
撐
式
支撐掩護式
支撐掩護式
掩護或支撐掩護式
掩護或支撐掩護式
支撐式
采高小于2.5m時
支撐掩
護式
采高大于2.5m時
支架支護強度
MPa
采高m
1
0.294
1.30.294
1.60.294
>20.249
應結合深孔爆破，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括號內的數字是掩護式支架的支護強度。表中所列支護強度在選用時，可根據本礦情況允許有%的波動范圍。
②表中1.3、1.6、2分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級老頂的分級增壓系數；Ⅳ級老頂給出最低值2，選用時可根據本礦實際確定適宜值。
3 液壓支架的整體結構設計
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，應根據所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內地質條件的變化等因素來確定，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
—移架時支架的最小可縮量，一般取50mm
—矸、浮煤厚度，一般取50mm
本設計采高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）
代入數據得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間的距離。按下式計算：
（式3.4）
式中： —支架間距（支架中心距）；
—每架支架頂梁總長度；
—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或框架數，整體自移式支架。
支架間距要根據支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據輸送機溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂連結塊的位置來確定，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。在設計支架的底座長度時，應考慮如下諸方面：支架對底板的接觸比壓要?。恢Ъ軆炔繎凶銐虻目臻g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；支撐掩護式支架的底座長度取4倍移架步距，即2.4m左右。本次設計取底座長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構和千斤頂缸徑有關，一般為300~380mm。寬度取1350mm。
3.3四連桿機構的設計
3.3.1四連桿機構的作用與缺點
1．梁端護頂 鑒于四連桿機構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，當梁端距處于允許值范圍之內時，借此可以保證梁端頂板維護良好。
2．擋矸 鑒于組成四連桿機構的掩護梁既是連接件，又是承載件，為了承受采空區(qū)內破碎巖石所賦予的載荷，掩護梁一般做成整體箱形結構，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，支架在工作過程當中，四連桿機構必須承受很大的內力，從而導致支架結構尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四連桿機構對頂板產生一個水平力（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；
=75°~85°即1.31~1.48弧度；支架在最低位置時，保證。
（2）后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為I =0.45~0.61;支撐掩護式為I = 0.61~0.82。
（3）前后連桿上絞點之距與掩護梁的比值為0.22~0.3。
（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mm以下。
（5）支架在最高位置時的應小于0.35，在優(yōu)化設計中，對支撐掩護式支架最好應小于0.16。
3.3.3.四連桿機構各部尺寸的確定
四連桿機構各部參數如圖3.1所示，圖中的為支架在最高位置時的計算高度。令：=; =; =; =; =; =; =;
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圖3.1四連桿機構參數圖
1、四連桿的作用
四連桿機構是現代液壓支架主要的穩(wěn)定機構，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。
具有四連桿機構的液壓支架從問世以來，經過長期的實踐考驗，顯示出巨大優(yōu)越性，并從根本上克服了支撐式支架穩(wěn)定性和力學持性的缺陷，成為液壓支架技術發(fā)展史上的一個重要里程碑。
現代掩護式和支撐掩護式支架都用前后連桿把掩護梁和底座連結在一起，這樣組成的雙搖桿四連桿機構可使支架升降時保持比較穩(wěn)定的梁端距，即要求掩護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、后連桿和掩護梁組成的機構為近似直線機構，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決定的，既有頂梁與掩護梁的鉸點E的軌跡所決定，其軌跡如圖3.2所示：
圖3.2升降柱運動軌跡
2、支架四連桿機構的運動軌跡
支架在最大高度和最小高度范圍內運動時，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．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。當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將取決于頂板的運動趨勢。
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，而后者容易導致頂板產生離層或斷裂，造成頂板斷裂線前移或梁端冒頂。因此，合理設計四連桿參數．使支架工作段內，E點軌跡處于AB段比較理想，但對于調高范圍大的支架，要達到要求是困難的。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，一般應控制梁端擺動幅度Δ ≤30~80mm。液壓支架的縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機構決定的，而不取決于立柱的多少。
液壓支架實際受力狀態(tài)十分復雜，經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承受。
3、四桿機構之間的關系
掩護式和支撐掩護式支架的四連桿機構都是雙搖桿機構。雙搖桿機構形成的條件是：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（掩護梁），最短桿的對邊a為固定桿（底座），即：
C＋b
。在J點作角，再取JC一定長度與HC交于C點，C點作為后連桿和掩護梁的鉸接軸。
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
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