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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
采煤綜合機(jī)械化，是加快我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展速度，大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略措施。綜合機(jī)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動(dòng)，改善作業(yè)環(huán)境，是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。而液壓支架則是綜合機(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一。
本文設(shè)計(jì)的懸移式液壓支架主要由以下幾個(gè)基本部分組成頂梁、推移托梁、伸縮千斤頂、推移千斤頂、液壓支柱、內(nèi)縮梁、擋矸裝置、及液壓系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要遵循支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等原則。
在懸移式式液壓支架的設(shè)計(jì)過程中，拖梁、頂梁、和千斤頂、支柱等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。該論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu)、類型、工作原理、特點(diǎn)、目的及受力分析，對(duì)懸移式式液壓支架作了詳細(xì)的介紹和分析，論述了該支架的設(shè)計(jì)方案和基本用途。
關(guān)鍵詞：液壓支架 拖梁 頂梁 千斤頂 液壓支柱 液壓系統(tǒng)
83
Abstract
The comprehensive mechanization of coal mining is the acceleration coal industrial development of our country , raises labor productivity substantially , realizes the modern a strategic measure of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining.
Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle.
In the design course that the type of supports cover type, the design of canopy and caving shield and props is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support.
Keyword: Hydraulic support、 Drag beam、 Roof Beam、 Jack、 Hydraulic prop、 Hydraulic system
目錄
前言 1
1液壓支架概述 2
1.1液壓支架的分類 2
1.1.1按支架和圍巖的相互作用分類 2
1.1.2按移動(dòng)方式分類 5
1.1.3根據(jù)使用地點(diǎn)的不同分類 6
1.2液壓支架的組成 6
1.2.1承載結(jié)構(gòu)件 6
1.2.2動(dòng)力油缸 7
1.2.3控制操縱元件 8
1.2.4輔助裝置 8
1.2.5工作液體 8
1.3液壓支架的工作原理 8
1.3.1托梁液壓支架的工作原理 8
1.3.2液壓支架的支撐承載原理 10
1.4液壓系統(tǒng)及其控制元件 14
1.4.1液壓系統(tǒng) 15
1.4.2液壓系統(tǒng)的特點(diǎn) 16
1.5液壓支架的架形 17
1.5.1垛式液壓支架的特點(diǎn) 17
1.5.2四連桿機(jī)構(gòu)液壓支架 17
1.5.3懸移式液壓支架 18
1.5.4影響架形選擇的因素 19
2懸移式液壓支架主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 22
2.1懸移式支架設(shè)計(jì)目的 22
2.2懸移式支架主要尺寸的確定 23
2.21懸移式支架主要技術(shù)參數(shù) 23
3懸移式支架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
3.1懸移式液壓支架基本參數(shù)的確定 24
3.1.1支架高度 24
3.1.2支架伸縮比 24
3.1.3支架間距 24
3.1.4支架寬度 25
3.1.5頂梁長(zhǎng)度 25
3.1.6支架工作阻力 26
3.2懸移式液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
3.2.1頂梁形式的選擇 26
3.2.2伸縮梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
3.2.3托梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28
3.2.4柱窩的設(shè)計(jì) 28
3.2.5擋矸板的設(shè)計(jì) 29
3.2.6立柱的選擇與設(shè)計(jì) 29
3.3懸移式液壓支架推移千斤頂設(shè)計(jì) 30
3.3.1推移裝置的選型 30
3.3.2推移千斤頂?shù)拇_定 31
3.4懸移式液壓支架水平推進(jìn)缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 32
3.5懸移式液壓支架伸縮梁油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 33
4懸移式液壓支架頂梁強(qiáng)度校核 35
4.1材料的選擇 35
4.2頂梁的強(qiáng)度校核 36
4.2.1集中載荷在兩根立柱中間時(shí)校核 36
4.2.2集中載荷在頂梁兩端時(shí)校核 41
5懸移式液壓支架伸縮梁強(qiáng)度校核 47
5.1材料的選擇 47
5.2伸縮梁的強(qiáng)度校核 48
5.3立柱強(qiáng)度計(jì)算 53
5.3.1預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度 53
5.3.2計(jì)算重疊長(zhǎng)度 53
6懸移式液壓支架的使用維護(hù)及常見故障排除方法 55
6.1支架的運(yùn)輸和工作面安裝 55
6.1.1支架在地面和井下的運(yùn)輸 55
6.1.2支架在工作面的安裝 55
6.2支架的操作和維護(hù) 56
6.2.1對(duì)支架操作維護(hù)的要求 56
6.2.2支架的操作注意事項(xiàng) 56
6.2.3支架的維護(hù)和管理 57
6.2.4注意事項(xiàng)及警示 58
結(jié)論 60
致謝 61
參考書目 62
附錄 63
外文資料與中文翻譯 62
前言
液壓支架是在摩擦支柱和單體液壓支柱等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工作面機(jī)械化支護(hù)設(shè)備。它與滾筒采煤機(jī)（或刨煤機(jī)）、可彎曲刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及膠帶輸送機(jī)等形成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了包括采、支、運(yùn)等主要工序的綜合機(jī)械化采煤工藝。
液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進(jìn)而機(jī)械化移動(dòng)，不斷地將采煤機(jī)和輸送機(jī)推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。液壓支架的總重量和初期投資費(fèi)用占工作面整套綜采設(shè)備的60%～70%左右。
我國(guó)于70年代初，研制成功了垛式、節(jié)式等支撐式支架，以及關(guān)鍵的液壓元部件。70年代中期，研制成功了掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式支架。由于這種架型的優(yōu)良性能，逐步取代了早期的垛式和節(jié)式支架。在引進(jìn)、消化國(guó)外支架的基礎(chǔ)上，我國(guó)已經(jīng)形成了一支有一定規(guī)模的從事液壓支的設(shè)計(jì)、研究、制造和檢驗(yàn)的專業(yè)隊(duì)伍，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并研制了多種適合我國(guó)煤礦不同生產(chǎn)地質(zhì)條件的液壓支架。支架最大高度已達(dá)5m，最小高度為0.5m；適應(yīng)最大傾角可達(dá)55°;最大工作阻力達(dá)10000KN。還有用于放頂煤采煤、分層鋪網(wǎng)采煤等條件下的特種用途液壓支架。
合理的選用采煤設(shè)備并結(jié)合先進(jìn)的采煤工藝，可解決采煤工作面的采煤支護(hù)運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)之間的矛盾，可有效地提高工效增加成本減少損耗保護(hù)生產(chǎn)人員和設(shè)備的安全，以及減輕笨重的體力勞動(dòng)，可為煤礦獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益。
1液壓支架概述
1.1液壓支架的分類
1.1.1按支架和圍巖的相互作用分類
（1）支撐懸移式支架:
圖1-1是一種支撐式支架,它有較長(zhǎng)的頂梁,較多的支柱,并呈垂直布置,支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位機(jī)構(gòu)來保證,因此有堅(jiān)固的箱式底座。它靠支柱與頂梁的支撐作用，控制工作面的頂板，維護(hù)工作空間，而頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。這種類型的支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能，因此適用于頂板堅(jiān)硬完整，周期壓力明顯或強(qiáng)烈、底板也較硬的煤層中。
圖1-1支撐式液壓支架結(jié)構(gòu)
1-頂梁；2-前梁；3-立柱；4-控制閥；5-推移裝置；6-底座
（2）掩護(hù)式液壓支架:
圖1-2是掩護(hù)式支架中結(jié)構(gòu)之一，它的頂梁較短，支柱一排，一般僅1～2根，多呈傾斜布置，與掩護(hù)梁連接或者直接于頂梁連接。它靠支柱和頂梁支撐頂板，而掩護(hù)梁只與冒落矸石相接觸，防止矸石涌入工作面，以維護(hù)一定的工作空間。這種類型的支架，有良好的防矸掩護(hù)性能，主要使用于頂板中等穩(wěn)定或破碎，底板也較松軟的煤層中。
圖1-2掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)
1-互幫裝置；2-前梁；3-頂梁；4-頂梁千斤頂；5-彈簧筒；6-頂梁側(cè)護(hù)板；7-立柱；8-掩護(hù)梁；9-平衡千斤頂；10-掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板；11-前連桿；12-后連桿側(cè)護(hù)板；13-后連桿；14-底座；15-推移千斤頂；16-推桿
掩護(hù)式支架的特點(diǎn)如下：
1) 頂梁短，對(duì)頂板的作用力均勻，煤壁附近頂板的支護(hù)強(qiáng)度往往比支撐式支架還高。
2) 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抵抗直接頂水平運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng)。
3) 防護(hù)性能好，架內(nèi)殲石極少，便于操作。
4) 調(diào)高范圍大，對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)性強(qiáng)。
5) 整架工作阻力小，工作空間小，通風(fēng)阻力大。
6) 與垛式支架相比，質(zhì)量大，造價(jià)高。
(3)支撐掩護(hù)式液壓支架：
圖1-3是一種支撐掩護(hù)式支架，支撐掩護(hù)式介于支撐式和掩護(hù)式之間的架型。它的特點(diǎn)是，支柱兩排，每排1～2根，多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)（見圖1-3）。
圖1-3支撐掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)
這類支架靠支撐和掩護(hù)作用來維護(hù)工作空間，兼有支撐式和掩護(hù)式支架的優(yōu)點(diǎn)，使用于頂板中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，有較明顯的周期壓力，底板中等穩(wěn)定的煤層中。
支撐掩護(hù)式支架的特點(diǎn)如下：
1) 工作阻力大，切頂性能好。
2) 具有堅(jiān)固的掩護(hù)梁及較嚴(yán)密的擋殲側(cè)護(hù)裝置，可有效地把工作面空間與采空區(qū)隔開，防殲性能較好。
3) 采用了四連桿結(jié)構(gòu)，支架的穩(wěn)定性好，能承受較大的水平力。
4) 工作空間寬敞，能滿足行人、操作和工作面通風(fēng)的要求。
5) 支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，造價(jià)高，支架回縮時(shí)較長(zhǎng)，不便運(yùn)輸。
支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式等三類支架中，對(duì)照采煤工藝對(duì)支架的要求來看，掩護(hù)式支架具有很多的特點(diǎn)和較廣的適用范圍。雖然掩護(hù)式支架單位工作面上的支撐能力不如其余兩種，但由于控頂距較小，單位面積上的支撐能力較大，能對(duì)頂板進(jìn)行有效的支撐；還有有效的擋矸裝置，能更好地適用破碎頂板的支護(hù)需要；支架本身為一穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，抗水平力性能好，且便于支架前移；支架的結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，管理維修容易；支架調(diào)高范圍較大，對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。所以，掩護(hù)式支架在使用中已取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，使用范圍正在逐漸擴(kuò)大。
1.1.2按移動(dòng)方式分類
按移動(dòng)方式，液壓支架可分為整體自移式和邁步式兩類。
（1）整體自移式:
支架成整體結(jié)構(gòu)，因而整體移動(dòng)。掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式和部分支撐式支架，均采用這種移架方式，
（2）邁步式:
邁步式支架又可分為交互前移式和提步前移式兩種。
1）交互前移式支架，是利用主副架互為著力點(diǎn)交互推位前移的方式，架間安裝推移千斤頂和導(dǎo)向裝置。一般節(jié)式支架常用這種移架方式。
2）提步前移式支架，是采取頂梁不大量下降，提腿跨步的方式。例如，蘇-81型支撐掩護(hù)式支架，移架時(shí)沿著支撐住頂板的鄰架頂梁推移。還有一種是滑行頂梁式支架，移架時(shí)本架頂梁在內(nèi)部滑移。
1.1.3根據(jù)使用地點(diǎn)的不同分類
根據(jù)使用地點(diǎn)的不同，液壓支架有可分為工作面支架和端頭支架兩類。
上述各類支架均為工作面支架，用來支護(hù)工作面的頂板。端頭支架，則用在工作面兩端與順槽的連接處，由于此處的機(jī)械設(shè)備較多，需要占有的工作空間大，同時(shí)又是人員的安全出口，要求端頭支架能很好的和各種設(shè)備相配合，達(dá)到有效地支護(hù)懸露面積較大的頂板。因此，端頭支架在結(jié)構(gòu)上具有特殊性。
1.2液壓支架的組成
液壓支架的組成
序號(hào)
部件
功能
舉例
1
承載結(jié)構(gòu)件
承受并傳遞頂板在和作用的結(jié)構(gòu)件
頂梁、伸縮梁、
2
動(dòng)力油缸
用液體作為介質(zhì)可以主動(dòng)產(chǎn)生作用力、實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作的油缸
立柱、各類千斤頂
3
控制元件
操縱、控制支架各個(gè)動(dòng)力油缸動(dòng)作及保證所需工作特性的液壓（電氣）元部件
操控閥、單向閥、安全閥及管路、液壓（電控）元件
4
輔助裝置
不直接承受頂板載荷、而實(shí)現(xiàn)支架莫那些動(dòng)作或功能所必需的裝置
推移裝置、護(hù)幫裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、防倒、防滑裝置
5
工作液體
傳遞能量的工作介質(zhì)
乳化液
1.2.1承載結(jié)構(gòu)件
（1）頂梁：
頂梁上設(shè)計(jì)有滑軌，這是實(shí)現(xiàn)移架的關(guān)鍵部件，推移托梁分為前后兩個(gè)，有托梁連接桿將前后兩個(gè)托梁連在一起，用吊掛裝置將托梁放置于頂梁下方的滑軌內(nèi)，使其能沿滑軌前后滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)移架的過程
（2）伸縮梁
內(nèi)伸縮梁是實(shí)現(xiàn)支架即時(shí)支護(hù)的關(guān)鍵部件，內(nèi)伸縮梁插置于頂梁的箱體內(nèi)
1.2.2動(dòng)力油缸
動(dòng)力油缸包括支柱和各種千斤頂?shù)取?
（1）支柱：
支架上凡是支撐在頂梁（或掩護(hù)梁）和底座之間，直接或間接承受頂板載荷的主要油缸叫支柱。支柱是支架的主要承載部件，支架的支撐力和支撐高度，主要取決于支柱的結(jié)構(gòu)和性能。
支柱如圖1-10所示:
圖1-10 立柱
（2）千斤頂：
支架上除支柱之外的各種油缸都叫千斤頂，如前梁千斤頂、推移千斤頂、調(diào)架千斤頂，還有平衡、復(fù)位、側(cè)推和護(hù)幫千斤頂?shù)?，完成著推移運(yùn)輸機(jī)、移設(shè)支架和支架的調(diào)整等各項(xiàng)動(dòng)作。
側(cè)推千斤頂如圖1-11所示:
圖1-11側(cè)推千斤頂
1.2.3控制操縱元件
控制操縱元件：包括控制閥（即液控單向閥和安全閥）、操縱閥等各種閥件和管件。
這些元件是保證支架獲得足夠的支撐力、良好的工作特性以及實(shí)現(xiàn)預(yù)定設(shè)計(jì)動(dòng)作所需的液壓元件，它的種類和數(shù)量，隨支架結(jié)構(gòu)和動(dòng)作要求的不同而異。
1.2.4輔助裝置
支架上除上述三項(xiàng)構(gòu)件以外的其它構(gòu)件，都可歸入輔助裝置，它包括推移裝置、復(fù)未裝置、擋矸裝置、護(hù)幫裝置、防倒防滑裝置、照明和其他附屬裝置等。
1.2.5工作液體
這是傳遞泵能站量，使液壓支架能有效工作的工作介質(zhì)。液壓支架的工作液體是乳化液。
1.3液壓支架的工作原理
1.3.1托梁液壓支架的工作原理
該液壓支架在移架過程中，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(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，通過工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓油缸來完成的,如圖1.1所示：
當(dāng)操縱閥8處于升柱位置時(shí)，從乳化液泵站來的高壓液體通過操縱閥8、液控單向閥6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8處于降柱位置時(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開夜空單向閥，立柱下腔回液，支架下降。
支架的前移和推移輸送機(jī)是通過操縱閥7和圖一千斤頂4來進(jìn)行的。移架時(shí)，先使支架卸載下降，再把操縱閥7置于移架位置，從乳化液泵站來的高壓液進(jìn)入推移千斤頂4的前腔即活塞桿腔，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7置于推溜位置，高壓液進(jìn)入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿回液，這時(shí)輸送機(jī)以支架為支點(diǎn)被推向煤壁。
圖1.1液壓支架工作原理圖
1-頂梁2-立柱3-底座4-推移千斤頂5-安全閥6-液控單向閥
7、8-操縱閥9-輸送機(jī)10-乳化液泵11-主供液管12-主回液管
（1）升柱：液壓支架移至新的工作位置后，應(yīng)及時(shí)升柱，以支撐新暴露的頂板。將操縱閥轉(zhuǎn)到升柱位置，打開供液閥，高壓液體由主進(jìn)液管進(jìn)入，經(jīng)操縱閥到液控單向閥，頂開閥球經(jīng)油管進(jìn)入支柱活塞腔，支柱活塞腔的油液經(jīng)油管和操縱閥流回主回液管，活柱和頂梁升起，支撐頂板。
（2）降柱：當(dāng)旋轉(zhuǎn)式操縱閥轉(zhuǎn)到降柱位置，打開供液閥時(shí)，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥和油管，進(jìn)入支柱活塞桿腔，同時(shí)也進(jìn)入液控單向閥的控制管路，打開液控單向閥，支柱活塞腔的油液經(jīng)油管、液控單向閥和操縱閥，流回主回液管，支柱卸載下降。
（3）移架：液壓支架卸載后，把操縱閥轉(zhuǎn)到移架位置，打開供油液，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥、油管進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，同時(shí)進(jìn)入液控油路，打開液控單向閥，而活塞的油液經(jīng)油管、液控單向閥、操縱閥流回主回液管，推移千斤頂收縮，以運(yùn)輸極為支點(diǎn)，拉架前移。運(yùn)輸機(jī)靠相鄰支架的推移千斤頂來固定，千斤頂由液控單向閥鎖緊。
（4）推移運(yùn)輸機(jī)：當(dāng)液壓支架前移并重新支撐后，把操縱閥轉(zhuǎn)到推溜位置，打開供液閥，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥、液控單向閥進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊?，活塞桿腔的油液經(jīng)油管和操縱閥流回主回液管，推移千斤頂?shù)幕钊斐?，以液壓支架為支點(diǎn)，把運(yùn)輸機(jī)推移到新的工作位置。
在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于具體支架的動(dòng)作，根據(jù)該支架的結(jié)構(gòu)和需要來確定。
1.3.2液壓支架的支撐承載原理
液壓支架的支撐承載原理，是指液壓支架與頂板之間互相力學(xué)作用原理，它包括初撐增阻、承載增阻和恒阻三個(gè)工作階段。
（1）初撐增阻階段：在升柱過程中，從頂梁接觸頂板起，至支柱活塞腔的油液壓力達(dá)到泵站的工作壓力時(shí)，松開手把，停止供液，液控單向閥立即關(guān)閉，閥球封閉了支柱活塞腔的油液，這就是支架的初撐階段。此時(shí)支柱或支架對(duì)頂板產(chǎn)生的支撐力稱為初撐力。
支柱初撐力：（噸）
支架初撐力：（噸）
泵站的工作壓力（）；
支柱缸體內(nèi)徑（厘米）；
每架支架的支架數(shù)；
支撐效率（垛式支架=1）。
支架初撐力的大小，取決于泵站的工作壓力，支架支柱數(shù)和支柱缸體的內(nèi)徑以及架型等。實(shí)際上，支柱初撐后，活塞腔的油缸壓力由于阻力損失、操作情況和閥的靈敏等原因，往往低于泵站工作壓力。
（2）承載增阻階段：支架初撐后，隨頂板的下沉，支柱活塞腔被封閉的油液受到壓縮，油液壓力繼續(xù)升高，呈現(xiàn)承載增阻狀態(tài)。這時(shí)由于支柱缸徑增大，油液被壓縮而體積縮小，即使乳化液沒有任何漏損，安全閥并未動(dòng)作卸載，支柱總長(zhǎng)度也將縮短。這個(gè)縮短量可用下式計(jì)算：
這個(gè)縮短量是有彈性的，如果作用在支柱的載荷，反過來從工作阻力減小到初撐力時(shí)，支柱仍會(huì)恢復(fù)到原來的長(zhǎng)度。因此，這個(gè)支柱長(zhǎng)度上的縮短量，稱為支柱的彈性可縮量。
根據(jù)井下工作面實(shí)測(cè)，在各種不同的初撐力、工作阻力和采高的情況下，支架支柱的彈性可縮量在6～10毫米范圍內(nèi)。這個(gè)彈性可縮量會(huì)使支柱工作還未達(dá)到工作阻力之前，就可造成頂板的下沉，有可能使巖石離層，對(duì)頂板管理是不利的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，減小支柱的彈性可縮量，對(duì)改善頂板管理起著重要作用。具體措施是，使用高壓乳化液泵，提高支柱初撐力；改善單向閥的質(zhì)量，要能及時(shí)關(guān)閉液路；注意操作方法，使支柱下腔盡可能達(dá)到泵站的工作壓力。
（3）恒阻階段：支架承載后，如果完全支撐住頂板，不允許頂板下沉，需要有強(qiáng)大的支撐力，想設(shè)計(jì)出能抗住巨大頂板壓力，而一點(diǎn)也不讓壓的支架是極困難的，實(shí)際上也沒有這種必要。因此使支架能隨頂板下沉?xí)r有一定的可縮量，但又保持一定的支撐力，不致于使頂板下沉而造成破壞冒落。要求支架具有一定的支撐力，又具有可縮性。液壓支架的這種特性，是由于支柱的安全閥來控制的。在頂板壓力增大時(shí)，支柱活塞腔被封閉的油液壓力就迅速升高，當(dāng)壓力值超過安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，支柱活塞腔的高壓液體經(jīng)安全閥瀉出，支柱降縮，支柱活塞腔的液體壓力減小，這是就是支架的“讓壓”特性；當(dāng)壓力小于安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，安全閥又關(guān)閉，停止瀉液，支柱活塞腔的液體又被封閉，支架恢復(fù)正常工作。由于安全閥動(dòng)作壓力的限制，支柱呈現(xiàn)出恒阻特性，此時(shí)支柱或支架承受的最大載荷稱為工作阻力。
支柱工作阻力：（噸）
支架工作阻力：（噸）
式中：—安全閥的動(dòng)作壓力（）
支架的工作阻力取決于安全閥的動(dòng)作壓力、支架柱數(shù)、支柱缸體內(nèi)徑和架型等。
安全閥使支柱具有恒定的設(shè)計(jì)工作阻力，同時(shí)又使支柱在承受大于設(shè)計(jì)工作阻力的頂板壓力時(shí)，可隨頂板的下沉而下縮，這就是液壓的恒阻性和可縮性。為防止安全閥頻繁動(dòng)作而失效，應(yīng)使支架的工作阻力大于正常的頂板壓力，也就是說，在工作面生產(chǎn)過程中，支架還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的工作阻力之前，就已經(jīng)移到新的位置。
工作阻力是液壓支架的一個(gè)基本參數(shù)，用來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，并不能完全反映支架對(duì)頂板的支撐能力，因此常采用表示單位面積頂板上所受支架工作阻力值大小的支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)，來比較支架的支護(hù)性能.
由上可知，支柱或支架工作時(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化過程是，支架升起，頂梁開始接觸頂板至液控單向閥關(guān)閉時(shí)的初撐增阻階段,初撐結(jié)束至安全閥卸載前的承載增阻階段和安全閥出現(xiàn)重復(fù)卸載時(shí)的恒阻階段。這種變化過程反映了支架的支撐力和時(shí)間之間的關(guān)系（圖1-13）。圖中虛線表示，有些支架的支柱并未達(dá)到額定工作阻力就已降柱前移，支架前移后按原過程重新支撐。
圖1-13支架的支撐承載過程
——初撐增阻階段——載增阻階段——恒阻階段
上述過程表明：液壓支架在額定工作阻力值以下工作時(shí)，具有增阻性，以保證支架對(duì)頂板的有效支撐作用；當(dāng)支架支撐力超過額定工作阻力值時(shí)，支架能隨頂板下沉而下縮，使支架保持恒定的工作阻力，既具有可縮性和恒阻性。支架本身的增阻性取決于液控單向閥和支柱的密封性能，可縮性和恒阻性則由安全閥的溢流性能決定。因此，液控單向閥、安全閥、支柱這三個(gè)部件，是保證支架工作性能的關(guān)鍵元件。
1.4液壓系統(tǒng)及其控制元件
液壓系統(tǒng)是利用泵站的高壓乳化液來控制立柱、千斤頂和閥等元件，實(shí)現(xiàn)支架的支護(hù)性能和各種動(dòng)作。
支架采用的乳化液，是由乳化油水配制而成的，乳化油的配比濃度為5%，使用乳化油應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
a)定期檢查濃度，濃度過高增加成本；濃度太低可能造成液壓元件腐蝕，影響液壓元件的密封。
b)防止污染，定期（一個(gè)月左右）清理泵站乳化液箱。
c)乳化液的PH值須在7～9范圍內(nèi)。
d)防凍：乳化液的凝固點(diǎn)在-3度左右，與水一樣乳化液也具有凍結(jié)膨脹性，乳化液受凍后，體積穩(wěn)定性受影響。因此，乳化液地面配制和運(yùn)輸過程中注意防凍。
e)乳化油必須滿足“MT76-83《液壓支架用乳化油》”標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，即：
表2-2乳化油按對(duì)水質(zhì)硬度的適應(yīng)性選取相應(yīng)的牌號(hào)
牌號(hào)
M-5
M-10
M-15
M-T
適應(yīng)水質(zhì)硬度(毫克當(dāng)量/升)
≤5
﹥5,≤10
>10,≤15
≤15
f)配制液壓支架用乳化液的水質(zhì)應(yīng)符合下列條件:
無色、無臭、無懸物和機(jī)械雜質(zhì)；PH值在6～9范圍內(nèi)；氯離子含量不大于5.7毫克當(dāng)量/升；硫酸根離子的含量不大于8.3毫克當(dāng)量/升。
1.4.1液壓系統(tǒng)
對(duì)于液壓支架的傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本要求：
a）采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備外形尺寸比較小，能遠(yuǎn)距離的傳遞大的能量；
b）能承受較大的載荷；沒有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
c）在有爆炸危險(xiǎn)和含塵的空氣里保證工作安全；
d）動(dòng)作迅速；
e）操作、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單；
f）過載及損壞保護(hù)簡(jiǎn)單；
針對(duì)我們本次設(shè)計(jì)的液壓支架，其液壓系統(tǒng)有以下兩部分系統(tǒng)組成：即立柱系統(tǒng)和千斤頂系統(tǒng)。
本支架的液壓系統(tǒng)，由乳化液泵站，主進(jìn)，主回液膠管，各種液壓元件，立柱及各種千斤頂?shù)冉M成。液壓系統(tǒng)原理：本支架操作方式采用鄰架操作控制，使用快速接頭拆裝方便，性能可靠。
圖2-6液壓支架液壓系統(tǒng)圖
1－前立柱；2－壓力指示器；3－安全閥；4－液控單向閥；5－后立柱；6－頂梁側(cè)推千斤頂；7－掩護(hù)梁側(cè)推千斤頂；8－護(hù)幫千斤頂；9－雙向液控單向閥；10－操縱閥；11－推移千斤頂；12－前梁千斤頂；
1.4.2液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)支架上的大部分液壓元件(除前梁千斤頂控制閥和雙向鎖外)都裝在閥組的座架上，支架本身只有兩根高壓軟管，這樣既便于操作，又能保證支柱間有寬敞的人行道。
(2)操縱閥ZC型組合操縱閥，前柱，后柱及前梁千斤頂可單獨(dú)操作，也可同時(shí)操作。
(3)前梁千斤頂活塞腔與活塞桿腔之間連接一個(gè)大流量安全閥，在升前梁與升柱同時(shí)操作時(shí)，對(duì)前梁加以保護(hù)，并使前梁有較大的支撐力液壓系統(tǒng)及其控制元件
1.5液壓支架的架形
液壓支架主要的機(jī)構(gòu)形式有三種，即垛式支架，四連桿機(jī)構(gòu)液壓支架，和懸移式液壓支架?，F(xiàn)分別介紹幾種形式液壓支架的特點(diǎn)。
1.5.1垛式液壓支架的特點(diǎn)
垛式液壓支架式支撐式液壓支架的一種。支撐式液壓支架是在一個(gè)底座上放置幾根立柱支撐頂梁，并通過頂梁支撐頂板這樣簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
垛式支架的優(yōu)點(diǎn)是：垂直支撐的立柱數(shù)量多，支架的工作阻力大；多數(shù)立柱位于支架后部，切頂性能好，工作空間大，易滿足通風(fēng)和行人的要求，重量輕，價(jià)格便宜。
其缺點(diǎn)是：頂梁較長(zhǎng)，移架時(shí)空頂面積較大；同一段頂梁受到的垂直支撐的次數(shù)較多，不利于頂板的管理，擋矸簾的強(qiáng)度低，頂板碎矸還可以從架間落入工作空間，防矸能力弱。所以垛式支架應(yīng)在直接頂穩(wěn)定或堅(jiān)硬的煤層中使用。
由此可見，垛式液壓支架雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在它的弊端，并不是我們理想的架型。
1.5.2四連桿機(jī)構(gòu)液壓支架
這種液壓支架是目前使用最多的液壓支架。不論是支撐式還是掩護(hù)式液壓支架都一般都用到了這種機(jī)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)使頂板對(duì)頂梁的水平載荷由掩護(hù)梁傳遞給兩個(gè)連桿，立柱不承受橫向力，因此不易產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。因此，要求連桿要有足夠的強(qiáng)度。四連桿機(jī)構(gòu)主要有兩種形式，一種是前后連桿都為單連桿；另一種是后連桿為整體鑄造件或焊接件，前連桿為左右分置的單連桿鑄鋼件或焊接件，這樣可增大支架的有效利用空間。
四連桿機(jī)構(gòu)液壓支架的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示：
圖2.1四連桿式液壓支架機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
這種機(jī)構(gòu)使支架在升降的過程中，頂梁前端的軌跡為一條雙紐線。雙紐線支架的兩個(gè)連桿雖然增加了支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但也因要抵抗頂板的水平運(yùn)動(dòng)大大增加了對(duì)支架承載機(jī)構(gòu)件的作用力，結(jié)構(gòu)使構(gòu)件斷面增大，重量增加。而掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的進(jìn)一步發(fā)展方向之一是尋求減輕支架重量的途徑。因此，這種機(jī)構(gòu)雖然廣泛使用，但仍舊不是我們理想的一種架型。
1.5.3懸移式液壓支架
這種支架是由四連桿機(jī)構(gòu)液壓支架演化而成的一種支架機(jī)構(gòu)形式。
它用一個(gè)單擺桿機(jī)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的四連桿機(jī)構(gòu)，從而使支架在升降的過程中頂梁前端的軌跡由雙扭線變成了一條圓弧線。我們可以通過增加擺桿長(zhǎng)度的方法來使軌跡更加接近垂直直線。但是與四連桿機(jī)構(gòu)類似，不論我們?cè)鯓舆M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仍舊無法使頂梁前端的軌跡真正變成一條垂直直線。也就無法去除頂梁所受的橫向摩擦力。
由以上的分析可知，傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)形式總是存在其弊端，我們努力尋求一種機(jī)構(gòu)形式是頂梁升降時(shí)的軌跡為一條垂直直線。
圖2.2懸移式液壓支架機(jī)構(gòu)示意圖
因此我們通過機(jī)構(gòu)形式的演化，找到了一種垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是，真正使支架升降時(shí)頂梁前端的軌跡成為了一條垂直直線，使支架不再受到頂板摩擦力的作用。改善了支架的受力狀況，減小可承載件的斷面面積，從而減輕了支架的重量。這種分體頂梁液壓支架的機(jī)構(gòu)示意圖如圖2.2所示。
通過上述分析知，這幾種架型形式都不是我們理想的選擇，我們要求的機(jī)構(gòu)形式是頂梁上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡為變化的。因此我們通過各種架型形式的演化，研究了這種分體頂梁液壓支架。這種架型的特點(diǎn)是：采用托梁滑塊機(jī)構(gòu)和推移機(jī)構(gòu)，克服了單擺桿機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)支架在支護(hù)高度發(fā)生變化時(shí)，由于內(nèi)力大而造成的支架易損壞的潛在因素，真正成為支架升降導(dǎo)向，并承擔(dān)支架外部的縱向水平力。該架型穩(wěn)定性好，重量輕，工作面過人空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，支護(hù)強(qiáng)度大。所以，在理論上分析可以得出，滑塊機(jī)構(gòu)和推移是對(duì)分體頂梁液壓支架的一個(gè)很好的演化形式。
1.5.4影響架形選擇的因素
液壓支架的選型受到礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設(shè)備條件的限制，因此，以上因素都會(huì)影響到支架的選型。
液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。一般情況下可根據(jù)頂板的級(jí)別，由《綜采技術(shù)手冊(cè)》（上冊(cè)）中直接選出架型。
（1）煤層厚度
1) 當(dāng)煤層厚度超過1.5m，頂板有側(cè)向推力和水平推力時(shí)，應(yīng)選用抗扭能力強(qiáng)的支架，一般不用支承式支架。
2) 當(dāng)煤層厚度達(dá)到2.5m～2.8m以上時(shí)，需選擇帶有護(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支承掩護(hù)式支架。
3) 煤層厚度變化大時(shí)，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護(hù)式，帶有機(jī)械加長(zhǎng)桿或雙伸縮立柱的支架。
4) 假頂分層開采，應(yīng)選用掩護(hù)式支架。
（2）煤層傾角
1) 煤層傾角<10時(shí)，支架可不設(shè)防倒滑裝置。
2) 傾角在10°～25°以上時(shí)，應(yīng)選用帶有防滑裝置的支架。
3) 傾角>25°時(shí)，排頭支架設(shè)防倒滑裝置，工作面中部支架設(shè)底調(diào)千斤頂，工作面中部輸送機(jī)設(shè)置防倒滑裝置。
（3）底板強(qiáng)度
1) 驗(yàn)算比壓，應(yīng)使支架底座對(duì)底板的比壓不超過底板允許比壓。
2) 為使移架容易，設(shè)計(jì)時(shí)要使支架底座前部比后部的比壓小。
（4）瓦斯含量
對(duì)瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合保安規(guī)程的要求，并選用通風(fēng)端面較大的支承式或支承掩護(hù)式支架。
（5）煤層硬度
當(dāng)煤層為軟煤層時(shí)，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤層時(shí)，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤層時(shí)，支架最大采高<5m。
（6）地質(zhì)構(gòu)造
斷層十分發(fā)育，煤層變化過大，頂板的允許暴露面積在5～8㎡以下時(shí)，時(shí)間在20min以上時(shí)，暫不宜使用綜采。
（7）設(shè)備成本
綜合各條件，宜選用懸移式液壓支架的架形，即本人畢業(yè)設(shè)計(jì)所選擇架型。
2懸移式液壓支架主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定
2.1懸移式支架設(shè)計(jì)目的
經(jīng)過對(duì)比我國(guó)的液壓支架和國(guó)外液壓支架的現(xiàn)狀可以看出，兩者之間存在著很大的區(qū)別。國(guó)外的支架主要的研究熱點(diǎn)及發(fā)展方向是高強(qiáng)度，自動(dòng)化。而我國(guó)的液壓支架的發(fā)展方向主要是多品種，高適應(yīng)性。這主要是由我國(guó)煤炭的賦存狀況決定的。我國(guó)目前存在大量3.5～5.5ｍ厚煤層,特別是中小礦井,希望有一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕型、適應(yīng)能力強(qiáng)的放頂煤液壓支架來開采這類煤層。目前,國(guó)內(nèi)用于厚煤層的重型放頂煤液壓支架技術(shù)趨于成熟,但因其重量大、成本高，并不適合中小煤礦廣泛使用，而輕型低位放頂煤液壓支架還存在一些普遍的問題，主要表現(xiàn)在①采用四連桿機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,后部空間小,重量較大，承受水平力能力弱;②當(dāng)頂梁上部壓力的合力作用點(diǎn)前移至前立柱之前時(shí),則會(huì)使后立柱受拉,而后立柱又是單作用油缸,只能承受壓力,因而后立柱的作用往往失效,致使頂梁有低頭前傾趨勢(shì);③目前,常用放頂煤液壓支架掩護(hù)梁形式易造成較薄頂煤的混矸,而且安裝于掩護(hù)梁上的長(zhǎng)尾梁機(jī)構(gòu)的尾梁兩側(cè)也易混煤混矸;④前探梁容易產(chǎn)生伸縮卡阻。針對(duì)上述普遍問題,經(jīng)過大量調(diào)研,在吸取了現(xiàn)有許多支架在設(shè)計(jì)使用中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,研制了新型輕型導(dǎo)向放頂煤液壓支架。在架型設(shè)計(jì)上,針對(duì)大多數(shù)放頂煤工作面頂板壓力不大、煤質(zhì)較松軟、要求的工作阻力很小,以及許多中小礦井井筒和巷道運(yùn)輸斷面較小的特點(diǎn),要求支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、工作可靠,搬運(yùn)靈活的情況,吸收了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有放頂煤液壓支架的優(yōu)點(diǎn),特別是考慮厚煤層的放頂煤開采地質(zhì)、礦壓特點(diǎn),設(shè)計(jì)了該輕型懸移式液壓支架。與同類支架相比,具有強(qiáng)度高,支撐力大,穩(wěn)定性好,抗水平力能力強(qiáng)。
這種輕型懸移式液壓支架是專門為中小煤礦開發(fā)設(shè)計(jì)的一種支護(hù)產(chǎn)品，它打了傳統(tǒng)支架的設(shè)計(jì)理念，采用分體頂梁來代替整體頂梁，減輕了重量，結(jié)構(gòu)更加緊湊；為中小礦井機(jī)采放頂煤工作面支護(hù)提供了一個(gè)很好的選擇
2.2懸移式支架主要尺寸的確定
根據(jù)上述懸移液壓支架的描述ZH2000/16/24Z(A)型整體頂梁組合滑移液壓支架的
總體方案如圖1.3所示：
1-內(nèi)伸縮梁；2—推移千斤頂；3—前梁；4—伸縮千斤頂；5—頂梁6—左擋矸板；7—右擋矸板；8—推移托梁；9—操作閥連接板；10—操作閥組；11—立柱；12—防炮簾；13—后擋矸板
2.21懸移式支架主要技術(shù)參數(shù)
根據(jù)前面滑移液壓支架的結(jié)構(gòu)要求，確定ZH2000/16/24Z(A)型整體頂梁組合滑移液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)和特征參數(shù)。
ZH2000/16/24Z(A)型整體頂梁組合滑移液壓支架適用于15度以下的緩傾斜中厚煤層，頂板比較平整且能隨采隨冒，采高1.8～2.2米，底板在中硬以上，工作面長(zhǎng)度小于150米的采煤工作面?？煞謩e與SGB630/150、SGB620/40T等中、小型的刮板輸送機(jī)配套使用。
3懸移式支架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1懸移式液壓支架基本參數(shù)的確定
3.1.1支架高度
支架的高度由工作面的厚度及地質(zhì)條件的變化等因素決定，考慮通風(fēng)、運(yùn)輸、行人的要求以及一定的富余系數(shù)，確定支架的最低高度，最高支護(hù)高度。
3.1.2支架伸縮比
支架的伸縮比是指最大和最小支架高度之比值，即：
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。
確定支架中心距時(shí)，應(yīng)考慮到下列幾個(gè)方面的因素：
（1）頂板允許暴露的面積。
（2）運(yùn)輸機(jī)溜槽的長(zhǎng)度。支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長(zhǎng)度，以便配套。目前國(guó)內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用1.75m，輕型支架中心距可采用1.25m；
（3）支架的穩(wěn)定性。一般支架中心距大，支架穩(wěn)定性好。
分體頂梁液壓支架是適用于中小地下工作面，屬輕型支架，因此確定中心距為。
3.1.4支架寬度
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。當(dāng)支架中心距為1.5m時(shí)，最小寬度一般取1400～1430mm，最大寬度一般取1570～1600mm。當(dāng)支架中心距為1.75m時(shí)，最小寬度一般取1650～1680mm，最大寬度一般取1850～1880mm。當(dāng)支架中心距為1.25m時(shí)，如果頂梁帶有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，則最小寬度取1150～l180mm．最大寬度取1320～1350mm；如果頂梁不帶活動(dòng)側(cè)護(hù)板，則寬度一般取1150～l200mm。
分體頂梁液壓支架的頂梁采用2個(gè)相互獨(dú)立的小面積窄梁，為了提高支架的穩(wěn)定性，各頂梁之間通過連接機(jī)構(gòu)相連，綜合考慮支架的中心距、每個(gè)頂梁受力的合理性以及減少架間空隙，確定支架的寬度為。
3.1.5頂梁長(zhǎng)度
頂梁是支護(hù)頂板的直接承載部件，其長(zhǎng)度取決于必要的作業(yè)空間和通風(fēng)斷面要求，還與支護(hù)方式有關(guān)。如圖3-1所示，頂梁長(zhǎng)度由三部分尺寸組成，即：L=b+n+u
圖3.1液壓支架尺寸關(guān)系
式中
—頂梁前部尺寸；
—頂梁上前、后排立柱柱窩之間的距離為1000mm；
—頂梁上后柱窩中心到鉸接點(diǎn)的距離，取400mm。
頂梁前部尺寸為：
b=a+c+d+e
e——前柱窩中心到推溜油缸與運(yùn)輸機(jī)鉸接點(diǎn)的距離，一般為250—300mm,取300mm；
——為推溜油缸鉸接點(diǎn)到運(yùn)輸機(jī)底部端面的距離，取d=250mm；
——電線槽的寬度取a=250mm；
——支架的最低高度，1600mm；
——運(yùn)輸機(jī)的寬度為630mm。
故頂梁前部尺寸：mm
所以頂梁的長(zhǎng)度為：mm
由此確定分體頂梁液壓支架的頂梁長(zhǎng)度為2830mm。
3.1.6支架工作阻力
支架的工作阻力定為2000kN，采用4柱支撐，因此每根立柱的工作阻力為。
3.2懸移式液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1頂梁形式的選擇
支架常用的頂梁形式有兩種：整體頂梁和鉸接頂梁[18]。
整體頂梁特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好；頂梁對(duì)頂板載荷的平衡能力較強(qiáng)；前端支撐力較大；可設(shè)置全長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護(hù)效果，減少架間漏矸。為改善接頂效果和補(bǔ)償焊接變形，整體頂梁前端800～1000mm處一般上翹1～3度。
鉸接頂梁由前后兩段組成，前段稱為前梁，后段為主梁，一般簡(jiǎn)稱頂梁。鉸接式頂梁在前梁千斤頂?shù)耐评?，前梁可以上下擺動(dòng)，對(duì)不平頂板的適應(yīng)性強(qiáng)。運(yùn)輸時(shí)可以將前梁放下與頂梁垂直，以減小運(yùn)輸尺寸，但前梁千斤頂必須有足夠的支撐能力和連接強(qiáng)度，前梁上不宜設(shè)置側(cè)護(hù)板。為順利移架，前梁一般要留有100～150mm間隙，從而增加了破碎頂板漏矸的可能性。
本課題所設(shè)計(jì)的分體頂梁液壓支架屬于輕型支架，適用于中小型工作面，因此頂梁應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的整體頂梁。
頂梁一般是用鋼板焊接而成的箱式結(jié)構(gòu)，又分為單腔室和多腔室兩種。本次設(shè)計(jì)的分體頂梁液壓支架由于頂梁為窄長(zhǎng)型，并設(shè)置有外伸縮式伸縮梁，考慮梁體內(nèi)需要安裝伸縮千斤頂，因此頂梁選用單腔式的整體頂梁形式，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示，（a）為頂梁的結(jié)構(gòu)形式，（b）為頂梁在柱窩處的斷面圖。
圖3.2頂梁結(jié)構(gòu) (a)(b)頂梁三維模型
伸縮梁三維模型
3.2.2伸縮梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)頂梁與煤壁的距離，伸縮梁的伸縮長(zhǎng)度為650mm，總長(zhǎng)1040mm.伸縮梁外置，根據(jù)頂梁尺寸，伸縮梁的高度為315mm,寬度500mm，為增加伸縮梁與頂梁的接觸面積，在伸縮梁兩個(gè)側(cè)板底部焊接厚度為12mm，寬度為70mm的鋼板。
3.2.3托梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
（1）托梁是由六塊封閉的鋼板焊接而成的，每塊鋼板的厚度12mm，根據(jù)頂梁的寬度取托梁的長(zhǎng)度為1065mm，寬度為740mm，高度200mm。
（2托梁連接套是由四塊厚度為15mm的鋼板焊接而成的，考慮到連接套與托梁的間隙取連接套的橫向?qū)挾葹?84mm，軸向?qū)挾?84mm，高度為194mm。連接套與托梁之間用銷軸固定。
3、托梁連接桿是連接頂梁托梁的重要部件，它是由六塊封閉的鋼板焊接而成的，取每塊鋼板的厚度為10mm，頂梁上兩托梁中心的距離是1000mm，故取托梁連接桿的長(zhǎng)度為1170mm，寬度為180mm，高度是50mm。連接桿與托梁之間用銷軸固定。
3.2.4柱窩的設(shè)計(jì)
1、前柱窩是固定焊接在頂梁上的，柱窩中心距離前梁端面400mm，柱窩的高度取37mm，直徑94mm，柱窩耳板的高度是83mm，寬度56mm，厚度18mm。柱窩一側(cè)由兩塊厚度12mm的筋板焊接加強(qiáng)。
2、后柱窩中心距離前柱窩中心1000mm，有螺母與頂梁連接、柱窩一側(cè)由厚度為12mm的筋板加強(qiáng)。
3.2.5擋矸板的設(shè)計(jì)
擋矸板是由鋼板焊接而成的主板每塊鋼板的厚度是12mm，擋矸板的高度是800mm，寬度是450mm，側(cè)板的寬度是150mm，加強(qiáng)筋鋼板的厚度是12mm，擋矸板由銷軸連接在頂梁上。
3.2.6立柱的選擇與設(shè)計(jì)
立柱是支架的最重要的承壓部件，在支架正常工作時(shí)，一般處于高壓受力狀態(tài)，它的工作性能直接影響整個(gè)支架的工作狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)時(shí)，要求具有合理的工作阻力和可靠的工作性能外，還必須有足夠的抗壓、抗彎強(qiáng)度，良好的密封性能，并能適應(yīng)支架的要求。其中單作用又分為活塞式支活柱式、雙作用分為單伸縮、單伸縮帶機(jī)械加長(zhǎng)桿，雙伸縮、三伸縮等。
液壓支架立柱實(shí)際上是推力油缸作為支撐裝置，具有以下特點(diǎn)：
立柱缸徑/活塞桿徑110/125mm
行程1000mm
工作壓力31.5mpa
推力87.3KN
推力500KN
一般由活塞、活塞桿、缸體三部分組成，立柱的頭部結(jié)構(gòu)為球型，預(yù)定梁或底座之間的連接采用銷軸活壓塊固定，以使立柱工作時(shí)有一定的適應(yīng)性。
立柱的供液方式有外供液和內(nèi)供液兩種，一般雙伸縮立柱采用內(nèi)供液方式，單伸縮立柱大多用外供液方式，此方法簡(jiǎn)單，加工、維修都很方便。
為在一定范圍內(nèi)適應(yīng)煤層厚度變化，立柱上端可根據(jù)需要裝設(shè)機(jī)械架長(zhǎng)桿，以增加支架高度，但其長(zhǎng)度必須控制在立柱剛性所允許的范圍內(nèi)才可以。
該立柱為一單伸縮雙作用油缸，為了適應(yīng)頂?shù)装宓淖兓透纳破涫芰顩r，立柱兩端均采用球面結(jié)構(gòu)，以便更好地承受頂板壓力。
圖2—1雙作用單伸縮立柱
3.3懸移式液壓支架推移千斤頂設(shè)計(jì)
3.3.1推移裝置的選型
推移裝置由推移千斤頂和推移桿組成。推移桿為焊接結(jié)構(gòu),具有足夠的強(qiáng)度和剛度。其推移裝置可使支架及輸送機(jī)產(chǎn)生相互導(dǎo)向的防滑功能。
支撐掩護(hù)式支架所需的移架力不僅應(yīng)克服底板的摩擦力，還應(yīng)克服兩旁相鄰支架的摩擦力以及由于移架時(shí)立柱的剩余載荷引起的頂板對(duì)支架的摩擦力，所以它需要的移架力要比支撐式支架大得多。為獲得較大的移架力，掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的推移裝置常增加一個(gè)推移框架，以便利用推移千斤頂?shù)耐屏σ萍?，拉力推溜?
1.長(zhǎng)框架推移裝置
支架撐緊頂板時(shí)，液壓控制使推移千斤頂活塞桿縮回，推移千斤頂?shù)睦?jīng)導(dǎo)向塊變?yōu)閷?duì)傳力框架的推力而把運(yùn)輸機(jī)推向煤壁。支架卸載后，液壓控制使推移千斤頂活塞桿伸出，此時(shí)運(yùn)輸機(jī)不動(dòng)，導(dǎo)向塊成為固定支點(diǎn)，推移千斤頂?shù)耐屏Π阎Ъ芤浦列碌墓ぷ魑恢茫@時(shí)傳力框架承受拉力。
長(zhǎng)框架推移裝置的缺點(diǎn)是傳力框架較長(zhǎng)，桿端面小，因而剛度不易保證，容易發(fā)生彎曲變形。
2.短框架推移裝置
短框架推移裝置與長(zhǎng)框架推移裝置工作原理形同無論是長(zhǎng)框架還是短框架推移裝置，都可以把推移千斤頂設(shè)計(jì)成傾斜裝置，前高后低。這樣，移架時(shí)，推移千斤頂將對(duì)支架底座前端作用一個(gè)向上分力，避免移架是底座前端扎底，有利于移架動(dòng)作的順利完成。
在這里采用長(zhǎng)框架推移裝置。推桿采用16Mn鋼板焊接而成，主要由主筋板，大耳座、小耳座、加強(qiáng)筋板組成，長(zhǎng)1100㎜，寬295㎜。
3.3.2推移千斤頂?shù)拇_定
(1)框架式推移千斤頂缸體內(nèi)徑：
F:推移千斤頂?shù)囊萍芰?，在薄煤層?00-150KN；中厚煤層中150-250KN；厚煤層中300-400KN;本設(shè)計(jì)煤層屬中厚煤層,考慮到本設(shè)計(jì)支架為輕型液壓支架，取140KN；
：工作壓強(qiáng)取31.5MPa.
根據(jù)以上參數(shù)缸徑選取80mm；桿徑取45mm；泵壓取32.6；推力取75KN；拉力51.5KN。
推移步距為650mm，推移千斤頂?shù)男谐踢x800mm.
（2）缸壁厚度
，取11mm
（3）缸底厚度
（4）最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H
，最小導(dǎo)向桿取80mm.
（5）活塞寬度：活塞的寬度取缸徑的倍，取70mm.
3.4懸移式液壓支架水平推進(jìn)缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
(1)水平推進(jìn)缸缸體內(nèi)徑：
本設(shè)計(jì)煤層屬中厚煤層,考慮到本設(shè)計(jì)支架為輕型液壓支架，根據(jù)綜合考慮，取109KN；
：工作壓強(qiáng)取31.5MPa.
根據(jù)以上參數(shù)缸徑選取100mm；桿徑取70mm；泵壓取32.6；推力取87.2KN；拉力428KN。
推移步距為650mm.
（2）缸壁厚度
，取14mm
（3）缸底厚度
（4）最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H
，最小導(dǎo)向桿取65mm.
（5）活塞寬度
活塞的寬度取缸徑的倍，取60mm.
3.5懸移式液壓支架伸縮梁油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
(1)前伸梁油缸缸體內(nèi)徑：
本設(shè)計(jì)煤層屬中厚煤層,考慮到本設(shè)計(jì)支架為輕型液壓支架，根據(jù)綜合考慮，取62KN；
：工作壓強(qiáng)取31.5MPa.
根據(jù)以上參數(shù)缸徑選取63mm；桿徑取45mm；泵壓取32.6；推力取62KN；拉力30.5KN。
推移步距為650mm.
（2）缸壁厚度
，取14mm
（3）缸底厚度
（4）最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H
，最小導(dǎo)向桿取65mm.
（5）活塞寬度
活塞的寬度取缸徑的倍，取60mm
4懸移式液壓支架頂梁強(qiáng)度校核
4.1材料的選擇
在液壓支架的研制，試驗(yàn)過程中，各構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算是極為必要的。由于液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，外載荷特點(diǎn)以及使用條件的特殊性，在強(qiáng)度計(jì)算中的強(qiáng)度條件也有其特殊性。當(dāng)然強(qiáng)度條件要以現(xiàn)階段液壓支架所選用的材料、制造工藝以及失效形式等為依據(jù)，隨著時(shí)間的推移，如果上述諸點(diǎn)有變，強(qiáng)度條件也必須作相應(yīng)的調(diào)整。
我國(guó)液壓支架強(qiáng)度計(jì)算中的強(qiáng)度條件：
(1)強(qiáng)度校核均以材料的屈服極限計(jì)算安全系數(shù)。
(2)結(jié)構(gòu)件、銷軸、活塞桿的屈服極限及強(qiáng)度條件。
各構(gòu)件通常采用16Mn等普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，并由具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼板焊接而成，?。?45MPa。
主要銷軸均采用40Cr等合金結(jié)構(gòu)鋼取屈服極限＝785Mpa。
活塞桿均采用45號(hào)鋼，取屈服極限＝367.2MPa。
結(jié)構(gòu)件、銷軸和活塞桿的強(qiáng)度條件為：
式中－危險(xiǎn)斷面計(jì)算出的最大應(yīng)力，MPa，
－許用安全系數(shù)
(3)缸體材料采用27SiMn無縫鋼管，取抗拉強(qiáng)度＝1020MPa，強(qiáng)度條件為：
式中－缸體許用應(yīng)力，MPa
－許用安全系數(shù)，取3.5～4
焊條抗拉強(qiáng)度?。?61Mpa，其強(qiáng)度條件：
式中σ－計(jì)算出的焊縫許用應(yīng)力
按焊條類型確定
許用擠壓應(yīng)力按下式計(jì)算：
(4)安全系數(shù)，如表4.1
表4.1安全系數(shù)表
安全系數(shù)
前梁
頂梁
主要軸
缸體
焊縫
活塞桿
[n]
1.1
1.1
1.3
3.3～4
3.3～4
>1.4
4.2頂梁的強(qiáng)度校核
頂梁受力有兩種，按集中載荷在兩根立柱中間和在頂梁兩端兩種情況，理論支護(hù)阻力在頂梁的最危險(xiǎn)斷面處，對(duì)頂梁進(jìn)行強(qiáng)度校核。
4.2.1集中載荷在兩根立柱中間時(shí)校核
由《中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》MT312-2000中實(shí)驗(yàn)的規(guī)定加載。加載方式如圖4.1所示：
圖4.1頂梁中部集中載荷實(shí)驗(yàn)加載方式示意圖
圖中，剖面線部分為頂梁中部所加的鋼條，也就是作用力的位置。鋼條所在的位置為，兩柱窩中點(diǎn)。
現(xiàn)將此實(shí)驗(yàn)中頂梁的受力模型列于圖4.1中：
圖4.2頂梁的受力圖、剪力圖和彎矩圖示意圖
1.畫出頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、受力圖、剪力圖和彎矩圖
對(duì)各個(gè)點(diǎn)左右的剪力計(jì)算如下：
①F1=1200KN，由受力平衡得
L1=L2=500mm
F2=F3=600KN
②從左向右取矩
1點(diǎn)：==0
2點(diǎn)：=F2×L2=600×500=300000KN·mm
=F3×L3=600×500=300000KN·mm
3點(diǎn)：==0
=300000KN·mm
2.按彎曲應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行強(qiáng)度校核
由計(jì)算得知，按彎壓聯(lián)合計(jì)算，不如按最大彎曲應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力大。為了安全，在兩柱窩中心截面，采用最大彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核。計(jì)算截面面積F及截面形心至兩柱窩中心面的距離y取全部鋼板的厚度為δ＝12mm首先對(duì)每塊鋼板編號(hào)，把位置狀態(tài)相同和截面積相同的鋼板編成一個(gè)號(hào)，然后計(jì)算截面面積最后計(jì)算截面形心距即：
圖4.3頂梁截面圖
=L1×=12×470=5640mm2==6mm
=2×L2×=2×（300-12）×12=6912mm2=+=12+=156mm
=2×L3×=2×（300-24）×12=6614mm2=+=12+=150mm
=L4×2=80×2×12=2560mm2=L3++=294mm
每個(gè)零件中心到截面形心的距離：
=_=131.5-6=125.5mm
=_=131.5-156=-24.5mm
=_=131.5-150=-18.5mm
矩形截面的慣性矩為：
式中b－截面寬度
h－截面高度
計(jì)算每個(gè)零件的對(duì)截面形心的慣性矩
+
=88899090+4231872+2346552+67623040=1631000554
計(jì)算彎曲應(yīng)力和安全系數(shù)
安全系數(shù)：
滿足≥[n]
所以危險(xiǎn)截面是安全的。
3.校核截面的剪切強(qiáng)度：
在截面兩柱窩中心截面的剪力最大，且腹板采用鋼板焊接，故需要校核，現(xiàn)對(duì)中性軸處剪切力進(jìn)行校核，即：
－最大剪力