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XX大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘要
本課題主要闡述了液壓支架的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：選架型、總體設(shè)計(jì)、主要零部件的設(shè)計(jì)、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
由于設(shè)計(jì)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(qiáng)且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式支架。支架采用正四連桿機(jī)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(shí)的高度要求。
在研制液壓支架時(shí)，需要對支架進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)和分析研究，確定合理的液壓支架受力參數(shù)、運(yùn)動(dòng)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(jì)
ABSTRACT
This 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
目 錄
一 前言 1
二 液壓支架基本理論分析 2
2.1 液壓支架的工作原理 2
2.1.2支架推移 2
2.1.3 支架承載過程 3
2.2 液壓支架的類型和結(jié)構(gòu) 5
2.2.1 支撐式支架 5
2.2.2 掩護(hù)式支架 5
2.2.3 支撐掩護(hù)式支架 6
2.2.4 特種液壓支架 6
2.3 對液壓支架的基本要求有以下幾條 7
2.4支架的選型設(shè)計(jì) 7
2.4.1設(shè)計(jì)的原始條件 7
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 8
2.4.4 支架架型的確定 9
三 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1 支架高度、中心距的確定 11
3.1.1支架高度的確定 11
3.1.2支架伸縮比 11
3.1.3支架間距 11
3.2底座長度的確定 12
3.2.1底座長度 12
3.2.2 底座寬度 12
3.3四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.3.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用與缺點(diǎn) 13
3.3.2 四連桿幾何特征 14
3.3.3.四連桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的確定 14
3.4頂梁長度計(jì)算 19
3.4.1支架工作方式對頂梁長度的影響 20
3.4.2頂梁長度計(jì)算 20
四 支架主要部件的設(shè)計(jì) 22
4.1支架主要部件的設(shè)計(jì)要求 22
4.2頂梁的設(shè)計(jì) 23
4.3底座的設(shè)計(jì) 24
4.3.1液壓支架的底座 24
4.4支架技術(shù)參數(shù)和立柱的設(shè)計(jì) 24
4.4.1 支護(hù)面積 24
4.4.2 支護(hù)強(qiáng)度 25
4.4.3 確定立柱的技術(shù)參數(shù) 25
4.4.4 安全閥壓力與立柱工作阻力的確定 27
4.4.5支護(hù)效率 30
4.4.6 底座接觸比壓 30
4.5立柱柱窩位置和受力計(jì)算 31
4.5.1立柱布置 31
4.5.2立柱柱窩位置的確定 31
4.6 千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 34
4.6.1推移千斤頂 34
4.6.2平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 35
4.6.3側(cè)推千斤頂位置的確定 38
五 支架受力分析與計(jì)算 39
5.1支架工作狀態(tài) 39
5.1.1 頂板狀態(tài) 39
5.1.2支架工作狀態(tài) 40
5.1.3支架受力 40
5.2受力計(jì)算 40
5.3 頂梁載荷分布 44
六 液壓支架的強(qiáng)度校核 46
6.1 強(qiáng)度條件 46
6.2主頂梁的校核 46
6.2.1主頂梁的彎距計(jì)算 46
6.2.2主頂梁的強(qiáng)度計(jì)算 47
6.2.3安全系數(shù) 48
6.3 掩護(hù)梁強(qiáng)度校核 49
6.3.1掩護(hù)梁受力情況 49
6.3.2掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算 50
6.3.3安全系數(shù) 51
6.4 底座強(qiáng)度校核 51
6.5立柱強(qiáng)度校核 55
6.5.1預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度 55
6.5.2計(jì)算重疊長度 55
6.5.3各段的彎矩 57
6.5.4加長桿強(qiáng)度核算 58
6.5.5活柱強(qiáng)度核算 59
6.5.6缸體強(qiáng)度核算 60
七 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 62
7.1 立柱和千斤頂 62
7.2 支架液壓閥 63
7.2.1 液控單向閥 63
7.2.2 安全閥 64
7.2.3 操縱閥 64
7.2.4 液壓支架液壓閥的密封技術(shù)分析 65
7.3 液壓支架液壓原理圖 66
7.4 液壓支架的控制方式 67
7.4.1 手動(dòng)控制 67
7.4.2 自動(dòng)控制 68
7.5 液壓系統(tǒng)安裝、調(diào)試、保養(yǎng) 68
7.5.1 安裝： 68
7.5.2 調(diào)試： 77
7.5.3 保養(yǎng)： 78
7.6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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
.
V
XX大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
一 前言
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)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(gè)液壓支架工作面開始，采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化。綜合機(jī)械化。就是工作面采煤、運(yùn)輸和支護(hù)三大主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是現(xiàn)機(jī)械化。也就是說，采用滾筒式或刨削式等采煤機(jī)械落煤與裝煤；工作面重型可彎曲運(yùn)輸機(jī)，以及與之適應(yīng)的順槽轉(zhuǎn)載機(jī)和可伸縮皮帶運(yùn)輸機(jī)等運(yùn)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(jī)械化采煤設(shè)備。
液壓支架是一高壓液體作為動(dòng)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(shí)現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機(jī)等一整套工序。實(shí)踐表明液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓支架與可彎曲輸送機(jī)和采煤機(jī)組成綜合機(jī)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(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)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(jì)上合理、安全上可靠，是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的主要設(shè)備。
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(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，通過工作面性質(zhì)不同的幾個(gè)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(shí)，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(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)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(jī)是通過操縱閥和推移千斤頂3來進(jìn)行的。移架時(shí)，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(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(shí)輸送機(jī)以支架為支點(diǎn)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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jì)算還要考慮到立柱傾角的影響因素。
由上可知，支架工作時(shí)，其支撐力與時(shí)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(shí)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(gè)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(qiáng)度來表示支架的支護(hù)性能。即
(式2.1)
式中 —支架的支護(hù)面積，
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(diǎn)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(dòng)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(jī)聯(lián)接并互為支點(diǎn)整體前移。節(jié)式支架由2~3個(gè)框節(jié)組成，移架時(shí)，各節(jié)之間互為支點(diǎn)交替前移，輸送機(jī)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(diǎn)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(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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)是：有一個(gè)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(jī)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(dòng)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是：支撐力大，切頂性能強(qiáng)，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(diǎn)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(gè)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。
2.3 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?
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(qiáng)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(jì)
2.4.1設(shè)計(jì)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(jī)：MXA-300/3.5，刮板輸送機(jī)：SGZ－730/320。煤層傾斜角小于15度，支護(hù)強(qiáng)度、底板抗壓強(qiáng)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。在頂板下沉過程中，支架的頂梁與頂板有相對滑動(dòng)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(jì)計(jì)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(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)。為偏于安全，在計(jì)算時(shí)把外載荷視為集中載荷；金屬結(jié)構(gòu)件按直梁理論計(jì)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?yàn)榫迹煌ㄟ^分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上矸石的作用力，只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降低所以，在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不計(jì)，使掩護(hù)梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力計(jì)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(shí)各部件最大受力值進(jìn)行強(qiáng)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(shí)，應(yīng)選用抗水平推力強(qiáng)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(shí)，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(shí)易發(fā)生傾倒、下滑象。當(dāng)煤層傾角大于10~15時(shí)，應(yīng)設(shè)防滑和調(diào)架裝置，當(dāng)傾角超過18時(shí)，應(yīng)同時(shí)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(shí)，要驗(yàn)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(shí)要進(jìn)行驗(yàn)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(shí)間分別在5~8和20min以下時(shí)，暫不宜采用液壓支架。
(6) 設(shè)備成本
在滿足要求的前提下，應(yīng)選用價(jià)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(diǎn)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，根據(jù)表2.1初步選定為掩護(hù)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(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
支撐式
采高小于2.5m時(shí)
支撐掩
護(hù)式
采高大于2.5m時(shí)
支架支護(hù)強(qiáng)度
MPa
采高m
1
0.294
1.30.294
1.60.294
>20.249
應(yīng)結(jié)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(nèi)的數(shù)字是掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度。表中所列支護(hù)強(qiáng)度在選用時(shí)，可根據(jù)本礦情況允許有%的波動(dòng)范圍。
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(shí)可根據(jù)本礦實(shí)際確定適宜值。
三 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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）
（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(shí)支架的最小可縮量，一般取50mm
—矸、浮煤厚度，一般取50mm
本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)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(jì)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(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(jī)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(jì)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(jì)支架的底座長度時(shí)，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(gè)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(jì)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(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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.3.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用與缺點(diǎn)
(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)對頂板產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，=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(shí)，保證。
（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(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為0.22~0.3。
（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，對支撐掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.16。
3.3.3.四連桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的確定
四連桿機(jī)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(shí)的計(jì)算高度。令：=; =; =; =; =; =; =;
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圖3.1四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)圖
1、四連桿的作用
四連桿機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架主要的穩(wěn)定機(jī)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(jī)構(gòu)的液壓支架從問世以來，經(jīng)過長期的實(shí)踐考驗(yàn)，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(gè)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(jī)構(gòu)可使支架升降時(shí)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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)為近似直線機(jī)構(gòu)，從而得到一個(gè)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(shí)，頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，既有頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)E的軌跡所決定，其軌跡如圖3.2所示：
圖3.2升降柱運(yùn)動(dòng)軌跡
2、支架四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡
支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈3種形式：雙向擺動(dòng)(ABCD段)、單向向后擺動(dòng)(BC段)和單向向前擺動(dòng)(AB段和CD段)。選擇不同的四連桿參數(shù)．可以使E點(diǎn)軌跡處于上述3種曲線段。支架工作時(shí)，受到頂板載荷的作用，有下縮趨勢。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于AB段時(shí)，頂梁相對于頂板有向煤壁移動(dòng)的趨勢，頂板對頂粱的摩擦力指向采空區(qū)側(cè)。當(dāng)E點(diǎn)軌跡處于BC段時(shí)，頂梁相對于頂板有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢，此時(shí)頂板對頂梁的摩擦力指向煤壁。當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)趨勢超過支架運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)，頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運(yùn)動(dòng)趨勢。
從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動(dòng)比頂梁向采空區(qū)方向移動(dòng)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(jì)四連桿參數(shù)．使支架工作段內(nèi)，E點(diǎn)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(diǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(dòng)幅度Δ ≤30~80mm。液壓支架的縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，而不取決于立柱的多少。
液壓支架實(shí)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(jī)構(gòu)承受。
3、四桿機(jī)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(jī)構(gòu)都是雙搖桿機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)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(diǎn)作角，再取JC一定長度與HC交于C點(diǎn)，C點(diǎn)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的長度為半徑畫圓弧與ab弧交于E點(diǎn)。C點(diǎn)和E點(diǎn)就是后連桿在支架為最小高度和最大高度時(shí)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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