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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 1 支撐掩護(hù)式液壓支架 中文摘要 采煤綜合機(jī)械化，是加速我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展，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)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。液壓支架是綜 合機(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一。 液壓支架主要包括以下幾個(gè)基本部分組成：頂梁，掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)，側(cè)護(hù) 板，底座，立柱，千斤頂。設(shè)計(jì)要遵從支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可 靠等原則。 在支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，四連桿機(jī)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。 本論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu)，類型，工作原理，特點(diǎn)，目的及要求，對(duì)支撐掩護(hù) 式液壓支架作了詳盡的分析和介紹，講述了這種支架的方案和用途。另外，對(duì)液壓 支架的結(jié)構(gòu)性能、受力狀況和如何選型等進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了液壓支架的使用、 維修和故障排除等問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：液壓支架 支護(hù) 四連桿機(jī)構(gòu) 底座 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 2 ABSTRACT Hydraulic Support The comprehensive mechanization of coal mining is a strategic measure to the acceleration coal industrial development of our country , raise labor productivity substantially , realize the modern 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 4 linkage mechanism ，base ，structural member 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. Furthermore, the structure of hydraulic structures performance, the power situation and how to choose models are analysed, at the same time it introduces the use of hydraulic Support, maintenance and fault resolution and other issues. Keywords: hydraulic support shoring 4 linkage mechanisms base 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 3 前 言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們大學(xué)四年的最后一次設(shè)計(jì)，同時(shí)也是對(duì)大學(xué)生四年來(lái)所學(xué) 的知識(shí)系統(tǒng)總結(jié)和綜合應(yīng)用。現(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)的最后階段，畢業(yè)設(shè)計(jì)作 為本科學(xué)習(xí)最重要的組成部分之一，它能提高我們發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力， 綜合檢驗(yàn)和鞏固我們所學(xué)知識(shí)，同時(shí)又是對(duì)我們大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的全面復(fù)習(xí)，更 是向我們以后即將從事的專業(yè)性工作的正常過(guò)渡。我們可以緊緊抓住這個(gè)機(jī)會(huì)認(rèn)真 學(xué)習(xí)并搞好畢業(yè)設(shè)計(jì)，眾所周知，它對(duì)我們即將走上工作崗位或者更進(jìn)一步深造有 非常重要的意義。它將把我們過(guò)去的理論學(xué)習(xí)引向一個(gè)更高、更深的層次，也就是 參加工作，可以說(shuō)我們?cè)谧鲆淮芜^(guò)渡性的嘗試。 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是關(guān)于支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)。液壓支架是綜合機(jī)械化采煤 的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于提高采煤效率，降低成本，改善作業(yè)環(huán)境，減少笨重的體力勞動(dòng) 具有舉足輕重的作用。其中，支撐掩護(hù)式液壓支架是日本在引進(jìn)英國(guó)垛式支架和蘇 聯(lián)掩護(hù)式支架的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)特點(diǎn)于 1968 年首先研制成功的。它保留了垛式支 架支撐力大，切頂性能好，工作空間寬敞的優(yōu)點(diǎn)，采用雙排立柱支撐頂梁（或頂梁 于掩護(hù)梁）的結(jié)構(gòu)；同時(shí)吸收了掩護(hù)式支架防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的長(zhǎng)處，采用堅(jiān) 固的掩護(hù)梁以及側(cè)護(hù)板將支架于老塘完全隔開，并用雙紐線連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護(hù)梁和 支架底座。因此，加深支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)和研究具有深遠(yuǎn)的意義。 整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，我們所忙碌的成果即將接受檢驗(yàn)。我相信，有耕耘， 定有收獲；有付出，定會(huì)有回報(bào)。 四年的時(shí)間如流水般匆匆流過(guò)，在這四年里，老師們用汗水和心血滋潤(rùn)我干枯 的心田，用知識(shí)的乳汁將我哺育，在我即將離開母校的時(shí)候，我向我最尊敬的老師 們表達(dá)我最真誠(chéng)的謝意，謝謝你們四年來(lái)對(duì)我們的親切關(guān)懷。在今后的日子里，我 將努力奮斗，把您在學(xué)校里傳授給我們的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際工作中去，為我國(guó)的機(jī)械 行業(yè)做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 最后，感謝各位評(píng)閱老師在百忙之中評(píng)閱本文。由于時(shí)間倉(cāng)促，本人水平有限， 難免有錯(cuò)誤和不足之處，敬請(qǐng)各位老師指正與賜教。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 4 一、緒 論 液壓支架作為煤礦長(zhǎng)壁綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，近年來(lái)得了迅速地發(fā)展，它與 綜采系統(tǒng)中的“三機(jī)” （ 刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)）配合使用，是煤礦開 采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。液壓支架是綜采工作面主要設(shè)備之一，近 10 年來(lái)主要的 發(fā)展趨勢(shì)是向兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，設(shè)計(jì) 方法更先進(jìn)，參數(shù)向高工作阻力、大中心距(1．75m、2m)發(fā)展，結(jié)構(gòu)件材料越來(lái)越 多地采用高強(qiáng)度鋼材，支架的壽命和可靠性大大提高。 在綜合機(jī)械化采煤過(guò)程中，液壓支架擔(dān)當(dāng)著極其重要的角色，其主要功能不僅 用于支撐管理頂板，隔離采空區(qū)，維護(hù)采煤作業(yè)空間，并能自行前移，推進(jìn)采煤工 作面輸送機(jī)和采煤機(jī)。因此，液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關(guān)鍵因素 之一。另外，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。 1.1 液壓支架的工作原理 液壓支架是由乳化液泵站提供高壓乳化液（這里采用水包油型乳化液）作為動(dòng) 力，由液壓操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，液壓油缸和金屬構(gòu)件組成。來(lái)自泵站的高壓乳化 液，經(jīng)主進(jìn)液管送到工作面，并與每架支架的進(jìn)液截止閥相連導(dǎo)入支架，再經(jīng)過(guò)組 合操縱閥配液到各液壓缸，以完成支架所需的各項(xiàng)動(dòng)作。從支架回流的低壓乳化液 通過(guò)組合操縱閥與回液截止閥由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循環(huán)使用。 支架的承載原理是：液壓支架支撐在綜采工作面的頂?shù)装逯g支撐頂板。頂板 壓力作用在頂梁上，并通過(guò)頂梁和底座間立柱將壓力傳遞底板。為保證支架結(jié)構(gòu)件 的強(qiáng)度及撐在支架頂安全，在立柱的下腔裝有安全閥。當(dāng)頂板壓力超過(guò)立柱安全閥 限定壓力時(shí)，安全閥開啟釋放出立柱中的液體進(jìn)行讓壓，當(dāng)頂板壓力下降到立柱工 作阻力時(shí)，安全閥關(guān)閉進(jìn)行保壓承載。 1.2 液壓支架的工作過(guò)程 液壓支架對(duì)頂?shù)淖饔眠^(guò)程主要取決于流體靜力學(xué)原理工作的立柱工作過(guò)程。現(xiàn) 以圖 1-1 所示的典型立柱控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明支架的工作過(guò)程。 支架操作的基本功作過(guò)程為：急增阻階段，緩增阻階段，恒阻階段，無(wú)作用階 段四個(gè)階段。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 5 圖 １－１ 立柱控制系統(tǒng) １－立柱；２－安全閥；３－液控單向閥；４－操縱閥； P－高壓管路；O －回液管 （1）泵壓撐頂，支架對(duì)頂板急增阻階段 操縱閥手把置于 A 位，從泵站來(lái)的壓力液經(jīng)高壓管路 P，打開液控單向閥 3 進(jìn)入 立柱下腔，立柱上腔與回液管 O 連通，因而活柱伸出使支架升起接頂，對(duì)頂板產(chǎn)生 支撐力。支架接頂后，泵壓使下腔內(nèi)的液體壓強(qiáng)迅速上升，支架對(duì)頂頂板支撐力急 劇增加。這就是支架對(duì)頂板的急增阻階段。 （2）閉鎖承載，支架對(duì)頂板緩增阻階段 操縱閥手把放回零位后，立柱下腔內(nèi)的壓力液被液控單向閥閉鎖，不能流出， 從而使支架保持對(duì)頂板的支撐狀態(tài)。隨著頂板逐漸下沉，立柱下腔內(nèi)的液體受到進(jìn) 一步壓縮，壓強(qiáng)逐漸增高，使直接對(duì)頂板產(chǎn)生更大的支撐力，力圖阻止或延緩頂板 下沉，一般情況下，頂板下沉比較緩慢，支架對(duì)頂板的支撐力增長(zhǎng)也就相應(yīng)緩慢， 所以這個(gè)階段被稱為支架對(duì)頂板緩增阻階段。 （3）溢流承載，支架對(duì)頂恒阻階段 頂板繼續(xù)下沉，立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)繼續(xù)升高，當(dāng)達(dá)到立柱安全閥的調(diào)定值時(shí)， 安全閥便開啟溢流，使立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持定植，從而支架對(duì)頂板的支撐力不變， 即支架處于對(duì)頂板恒阻階段。 （4）解鎖降柱，支架與頂板無(wú)作用階段 采煤機(jī)截煤后，欲將支架移到新的位置，首先把操縱閥手把置于 B 讓從泵站來(lái) 的壓力液進(jìn)入立柱上腔，同時(shí)作用于液控單向閥的頂桿活塞，迫使液控單向閥開啟， 解除對(duì)立柱下腔液體的閉鎖，允許其回到回液管。這時(shí)，活柱縮回，支架降落離開 頂板，支架對(duì)頂板無(wú)壓力。在這一階段如要保證頂梁平行下降需協(xié)調(diào)操縱平衡千斤 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 6 頂操縱閥。 需要說(shuō)明，目前為了防止破碎頂板漏頂，掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架可以采用擦 頂帶移架方式，即支架頂梁實(shí)際并不脫離頂板，在移架過(guò)程中仍保持約每柱五噸左 右的支撐力。因而，對(duì)于擦頂帶壓移架方式，此階段應(yīng)是解鎖卸載，支架對(duì)頂板仍 有輕微作用力。 1.3 支架組成 液壓支架主要由金屬結(jié)構(gòu)件、油缸和液壓控制元件三大部分組成。 （1）金屬結(jié)構(gòu)件主要有頂梁、掩護(hù)梁、前梁、前連桿、后連桿、底座、側(cè)護(hù)板、 護(hù)幫板等。 （2）油缸主要有雙作用單伸縮立柱、推移千斤頂、 （平衡千斤頂） 、側(cè)護(hù)千斤頂、 前梁千斤頂?shù)取?（3）液壓控制元件主要有液壓控制閥、操縱閥、雙向鎖、安全閥、截止閥等及 液壓輔助元件等。 1.4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用 1.4.1 頂梁 頂梁采用整體頂梁直接與頂板接觸，支撐頂板負(fù)荷，是支架的主要承載部件之 一，由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，以滿足強(qiáng)度和剛度要求。結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示： 1－右側(cè)護(hù)板；2－主頂梁；3－側(cè)推千斤頂；4－前梁千斤頂耳座； 圖 1－2 主頂梁 其主要作用是： （l）承接頂板巖石及煤的載荷； （2）反復(fù)支撐頂煤，可對(duì)比較堅(jiān)硬的頂煤起破碎作用； 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 7 （3）隔離頂板，為回采工作面提供足夠的安全空間。 本支架采用分段組合式頂梁結(jié)構(gòu)（剛性頂梁＋鉸接式前梁） ，強(qiáng)度高，對(duì)頂板維 護(hù)較好；另外，在頂梁前部還布置有起吊耳，可方便吊掛較小的機(jī)件。 1.4.2 掩護(hù)梁 1－護(hù)幫板耳座；2－側(cè)推千斤頂座；3－側(cè)護(hù)板；4－側(cè)推千斤頂； 5－前連桿耳座；6－后連桿耳座；7－護(hù)幫千斤頂耳座；8－彈簧筒； 圖 1－3 掩護(hù)梁 掩護(hù)梁分別與頂梁和前、后連桿連接，其主要作用有： (1) 承受上部頂板傳給的水平分力和側(cè)向力，增強(qiáng)支架的抗扭性能； (2) 掩護(hù)梁與前后連桿、底座形成四連桿機(jī)構(gòu)，保證支架的穩(wěn)定性； (3) 阻擋后部落煤，維護(hù)工作空間。 1.4.3 底座 底座是將頂板承受的壓力通過(guò)立柱傳遞到底板并穩(wěn)定支架的主要結(jié)構(gòu)件。該支 架設(shè)計(jì)為整體剛性底座，底座接底面積大，有利于減小對(duì)底板的比壓。該型底座的 缺點(diǎn)是在推移機(jī)構(gòu)外易積存浮煤碎矸，要求及時(shí)清理。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 8 底座結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示 1－過(guò)橋；2－推移千斤頂耳座；3－立柱銷孔；4－前連桿銷孔； 5－后連桿銷孔；6－側(cè)板； 圖 1－4 底座 其主要作用是： (1) 將上方載荷傳遞給底板，為立柱、推移裝置及其他輔助裝置提供安裝空間； (2) 給工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境； (3) 保證支架的穩(wěn)定性。 1.4.4 前后連桿 前、后連桿分別與掩護(hù)梁和底座鉸接，共同形成四連桿機(jī)構(gòu)，前連桿采用鑄鋼 件，鑄件中不得有氣孔、砂眼、夾雜等，以免降低強(qiáng)度，嫌少使用壽命。鑄后要進(jìn) 行淬火和高溫回火，以降低硬度，增加強(qiáng)度和韌性。對(duì)于后連桿，由于不僅受到冒 落矸石的載荷，還要承受頂板的水平推力，所以要求它有較大的強(qiáng)度，這里采用整 體式。前后連桿的結(jié)構(gòu)如圖 1－5，圖 1－6。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 9 圖 1－5 前連桿 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 10 圖 1－6 后連桿 其主要作用是： （l） 使支架在調(diào)高范圍內(nèi)，頂板平穩(wěn)地升降，并使頂梁前端與煤壁的距離(梁 端距) 變化盡可能小，更好地支護(hù)頂板。 （2） 承受頂板的水平分力和側(cè)向力，使立柱不受側(cè)向力。 本支架采用正四連桿機(jī)構(gòu)，為使冒落矸石不從連桿處涌入支架內(nèi)，后連桿為整 體式，前連桿為分體式。均為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗拉、抗壓 和抗扭性能。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 11 1.4.5 推移機(jī)構(gòu) 圖 1－7 推移框架 支架的推移機(jī)構(gòu)包括推桿、連接頭、推移千斤頂和銷軸等，主要作用是推移輸 送機(jī)和拉移支架。推移連桿的一端通過(guò)連接頭與輸送機(jī)相連，另一端通過(guò)推移千斤 頂與底座相連，推移連桿除承受推拉力外，還承受一定的側(cè)向力防止底座的下滑 1.5 液壓系統(tǒng)及其控制元件 支架液壓系統(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。支架操縱方式采用鄰架操作控制，使用快速接頭拆裝方便，性能可靠。 由乳化液泵站輸出的高壓乳化液經(jīng)主進(jìn)液管 支架進(jìn)液截止閥 過(guò)濾? ??? ? 器 操縱閥 立柱或各千斤頂 架液截止閥 主回液膠管? ??? ? ? ? ? ? 乳化液泵站。 ? ? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 12 1.6 支架的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 結(jié)合首采工作面及礦區(qū)此類地質(zhì)構(gòu)造條件下，使用 ZY2400/17/30 二柱掩護(hù)式支 架的成功經(jīng)驗(yàn)，本架型應(yīng)有如下特點(diǎn)： （1）支架型式為：帶機(jī)械加長(zhǎng)的四柱支撐掩護(hù)式厚煤層液壓支架； （2）對(duì)支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，梁端距變化應(yīng)??；頂梁前部較薄強(qiáng)度、剛度應(yīng) 充分保證； （3）支架的四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要從考慮梁端距變化量控制著手，并能與其它構(gòu)件 形成剛性好、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的整體結(jié)構(gòu)； （4）整體頂梁和掩護(hù)梁帶單側(cè)活動(dòng)長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，能實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)頂?shù)膰?yán)密調(diào)整； （5）封底底座，減小底座比壓、增大底座剛度、強(qiáng)度； （6）架的整體構(gòu)造應(yīng)有“人機(jī)學(xué)”的觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，操作方便，制造成本降 低； （7）采用雙紐線連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護(hù)梁和支架底座，以增加支撐力，增強(qiáng)支架的穩(wěn) 定性。 1.7 液壓支架的架形 支撐掩護(hù)式液壓支架的架形如下圖 1－8 所示： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 13 1－后連桿；2－前連桿；3－掩護(hù)梁；4－后立柱；5－銷；6－銷；7－主頂梁；8－ 前立柱；9－前梁千斤頂；10－銷；11－銷；12－銷；13－銷；14－前梁；15－護(hù)幫 板千斤頂； 圖 1－8 支撐掩護(hù)式液壓支架 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 14 二、 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 液壓支架的選型 2.1.1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選 根據(jù)以往液壓支架設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，考慮到不同架型 和機(jī)構(gòu)的支架――圍巖力 學(xué)相互作用、支撐力矩、底板比壓等特點(diǎn)，可以對(duì)掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行比 較。 （1）液壓支架的力學(xué)特征綜述（見表 2-12） 表 2－1 不同結(jié)構(gòu)液壓支架的力學(xué)特征比較 支架型式 結(jié)構(gòu)特征 主要力學(xué)特性 支掩式 二支柱掩護(hù)式 支架承載力較小，底板比壓均勻，主動(dòng)水平力較大掩護(hù)式 支頂式 二柱支頂掩護(hù) 式 支架承載力大，穩(wěn)定性好，底座尖端比壓較大， 對(duì)頂板的主動(dòng)水平力較大，前端支撐力大 支頂支掩 四柱（或三柱） 穩(wěn)定性好，抗水平力強(qiáng)，比壓均勻，但支柱能力利 用率低 四柱 X 型 頂梁合力調(diào)節(jié)范圍大，伸縮比大，承載力高 支撐掩護(hù)式 支頂式 四柱支撐掩護(hù) 式 承載力大，切頂能力強(qiáng)，比壓較均勻 （2）支架選型要素及簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)。 液壓支架結(jié)構(gòu)選型必須考慮的要素及對(duì)各類型支架的評(píng)價(jià)（見表 2－2） 表 2－2 支架類型評(píng)價(jià)（見下頁(yè)） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 15 支架類型 支撐式 要素 插底掩護(hù) 式 一般掩護(hù) 式 支撐掩護(hù) 式 垛式 節(jié)式 直接頂冒落傾向 優(yōu) 良 良 差 差 基本頂周期來(lái)壓 差 良 優(yōu) 優(yōu) 良 底板壓入傾向 良 差 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 防煤壁片幫 優(yōu) 良 優(yōu) 差 差 通風(fēng)斷面 差 良 良 差 差 頂梁前端支撐力 優(yōu) 良 良 差 差 頂梁后段切頂性 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 對(duì)頂板遮蓋率 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差 隔絕采空區(qū)能力 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差 橫向穩(wěn)定性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差 對(duì)采高適應(yīng)性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差 支撐效率 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 支護(hù)強(qiáng)度 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 支架圍巖適應(yīng)性 對(duì)傾角適應(yīng)性 良 優(yōu) 良 良 差 2.1.2 液壓支架的架形選擇原則 在選擇液壓支架時(shí)既要保證對(duì)工作面頂板實(shí)現(xiàn)可靠的支撐，又要避免過(guò)大的設(shè) 備投資，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)。因此，液壓支架的正確選型對(duì)于工作面經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系 重大。 液壓支架架形的選擇，主要取決于液壓支架的力學(xué)性能是否適用礦井的頂?shù)装?條件和其它地質(zhì)條件。在同時(shí)允許選用幾種架形時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜的支架， 支承式支架最便宜，其次為掩護(hù)式。支承式支架適合于穩(wěn)定頂板。掩護(hù)式支架適合 于中等穩(wěn)定和一般破碎的頂板。支承掩護(hù)式支架適合于周期來(lái)壓強(qiáng)烈，中等穩(wěn)定和 穩(wěn)定頂板。 在綜采工作面支架選型時(shí)，還應(yīng)注意下述四點(diǎn)原則： (1) 對(duì)于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，應(yīng)優(yōu)先選用二柱掩護(hù)式支架。但在底板極松 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 16 軟條件下，必須嚴(yán)格驗(yàn)算并限制支架底座尖端比壓，不得超過(guò)底板容許比壓即極限 載荷強(qiáng)度。在此條件下，通常應(yīng)避免使用重型支架。 (2) 對(duì)于非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來(lái)壓強(qiáng)烈和十分強(qiáng)烈的頂板，應(yīng) 優(yōu)先考慮選取四柱支撐掩護(hù)式支架。 (3) 眾所周知，三點(diǎn)決定一個(gè)平面，由于頂板不平，四柱式支架中總有一根支 柱對(duì)頂板的實(shí)際支撐力很低，因而二柱式掩護(hù)支架支撐能力利用率高于四柱式。即 二柱式支架對(duì)頂板的實(shí)際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架，特別是對(duì)機(jī) 道上方頂板的支護(hù)強(qiáng)度。 （4）在不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架應(yīng)注意對(duì)機(jī)道上方的頂板控制，包括 增加前任阻力及可伸縮前梁等。 2.1.3 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， 由表 3-1-5 見《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(guò) 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(guò)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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 17 (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(guò)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，宜選用支撐掩護(hù)式支架的架形，即本人畢業(yè)設(shè)計(jì)所選擇架型。 2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) ZZ4000/17/35 型支撐掩護(hù)式液壓支架 工作阻力：4000kN 支架高度：1.7～3.5m 支架寬度：1.42～1.59m 初撐力：1884KN 支護(hù)強(qiáng)度：730KN/m （在使用范圍內(nèi)）2 采用 ZZ4000/17/35 型支撐掩護(hù)式液壓支架，其工作阻力為 4000kN，初撐力 1884kN，支護(hù)強(qiáng)度大于 730KN/m ，對(duì)底板的比壓為 10.5MPa，能夠滿足地質(zhì)條件2 及礦區(qū)的要求。支架寬度為 1420～1590mm，中心距為 1.5m，支架最低時(shí)長(zhǎng) 5m 左右。 支架高度為 1.7～3.5m，滿足其采高要求?？紤]運(yùn)輸機(jī)的拉架強(qiáng)度，支架總量約為 10.5t。2.3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 具有四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架從問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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。 四連桿機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架的主要穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，其主要作用是保證支架的縱向和 橫向穩(wěn)定性；承受和傳遞外載；保持支架的整體剛度。因此，對(duì)液壓支架的研究常 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 18 常離不開對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)的研究和認(rèn)識(shí)。下面通過(guò)對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)一步分析 四連桿機(jī)構(gòu)的特性和作用。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，即 由頂梁與掩護(hù)梁交點(diǎn) E 的軌跡所決定。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，E 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般為 一條雙紐線，如圖 2－1 所示。合理設(shè)計(jì)四連桿參數(shù)，即可控制 E 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，改 善支架支 護(hù)性能，減少連桿受力。 圖 2－1 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(shì)。當(dāng) E 點(diǎn)軌跡處于 AB 段時(shí)，頂梁相對(duì)于頂板有向煤壁移動(dòng)的趨 勢(shì)，頂板對(duì)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(duì)于頂板 有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)頂板對(duì)頂梁的摩擦力指向煤壁。當(dāng)頂板運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)超過(guò) 支架運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。 從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動(dòng)比頂梁向來(lái)空區(qū)方向移動(dòng)有利。前 者對(duì)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(duì)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xE 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 19 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(duì)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。 2.3.2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性來(lái)確定。其四連桿機(jī)構(gòu)的幾何 特性如下： (1) 支架從最高高度降到最低高度時(shí)，如下圖所示頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度 e 應(yīng)小于或等于 70mm,最好為 30mm 以下。 θ Qe1hPe=24 O四 連 桿 機(jī) 構(gòu) 幾 何 特 征 圖 圖 2－2 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征圖 (2) 掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)到頂梁頂面之距離 H 和后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面之距 Y 如圖0 2－2 所示，當(dāng)支架高度確定后，要用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)，首先要根據(jù)配套尺寸 L (此處 L ＝2088mm)。初步確定頂梁長(zhǎng)度 L =2150mm 和底座長(zhǎng) L =2380mm，然aa f e 后確定頂梁與掩護(hù)梁鉸點(diǎn)相對(duì)于后連桿下鉸點(diǎn)的水平距離，該鉸點(diǎn)至頂梁頂面距 H 和后連桿下鉸點(diǎn)的高度 Y 。0 H 一般根據(jù)支架工作阻力初步確定頂梁梁體的高度后，在根據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性確2 定，一般支架距 H ＝150～ 200mm，重型支架可取 H ＝210~260mm 。2 2 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 20 Y 一般根據(jù)支架最小高度確定，薄煤層支架取 Y ＝150～250mm ，對(duì)中厚煤0 0 層支架取 Y ＝ 250～450；對(duì)大采高支架取 Y ＝450～600mm 。0 (3) 支架最大和最小高度時(shí)掩護(hù)梁與水平夾角 A 和 Amaxin 掩護(hù)梁是掩護(hù)采面工作空間密封隔離采空區(qū)的重要梁體，它不直接支撐頂板， 而是作為重要的傳力構(gòu)件，把頂梁載荷傳遞到四連桿機(jī)構(gòu)，這對(duì)保持支架—圍巖力 學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定有著顯著的作用。其主要表現(xiàn)是：①掩護(hù)梁載荷參與頂梁的力矩平衡， 提高了梁端承載能力；②支架受到一個(gè)指向煤壁的水平推力，當(dāng)支架處于支護(hù)工況 時(shí)，有阻止頂板巖體向來(lái)空區(qū)移動(dòng)的作用，而當(dāng)處于移架工況時(shí)，有利于克服架體 各方面的摩擦力，增強(qiáng)架體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。掩護(hù)梁水平投影過(guò)大，將增大掩護(hù)梁載 荷，并承受頂板巖塊的沖擊載荷，而掩護(hù)梁載荷過(guò)大將減小頂板支護(hù)強(qiáng)度，造成移 架困難。一般掩護(hù)式支架取 A <58 ~62 ；支撐掩護(hù)式支架取 A <60 ~70 。max? max? 在支架最小支護(hù)高度時(shí)，掩護(hù)梁傾角應(yīng)保證移架過(guò)程中掩護(hù)梁背負(fù)的矸石能沿 梁體下滑，即滿足 tan A ≥ ，其中／為巖石與鋼的靜摩擦因數(shù)，一般為inf 0.15～0.3。若取 ＝0.3，則 A ＝17 ，設(shè)計(jì)中一般可取 A ＝12 ~18 。fmi? min? (4) 掩護(hù)梁與后連桿長(zhǎng)度比的確定 在用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，桿長(zhǎng)比主要根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定，一般應(yīng)保證 A ≥ 5 ，使后連桿在第一象限內(nèi)擺動(dòng)。根據(jù)近百種支架的統(tǒng)計(jì)，掩護(hù)梁與后連桿的0? 長(zhǎng)度比（L ＋ L ）/L ，對(duì)兩柱掩護(hù)式支架一般為 1.4～2.1，對(duì)四柱支撐掩護(hù)式支bcd 架一般為 1.2～1.8。經(jīng)計(jì)算，此處掩護(hù)梁與后連桿的長(zhǎng)度比＝2175/1384＝1.57。 掩護(hù)梁與前后連桿鉸點(diǎn)間的距離可根據(jù)支架高度及連桿銷子直徑確定，一般取 300～500mm，前后連桿間夾角越大，連桿力越小。 5．支架工作段要取曲線向前突的一端，如上圖所示的 H 段。其原因是當(dāng)頂板來(lái)1 壓時(shí)，立柱讓壓而下縮。使頂梁有前移的趨勢(shì)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動(dòng)。使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針 方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而增加了前梁斷部的支護(hù)力，防止頂梁前斷頂部冒落又可以使 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 21 底座前端比壓減小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相應(yīng)的減小，由于支 架所承受的水平力由掩護(hù)梁來(lái)克服，所以減輕了掩護(hù)梁受力。 從以上的分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計(jì)四連機(jī)構(gòu)時(shí)曲線運(yùn) 動(dòng)軌跡應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前突的一段，所以當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿長(zhǎng)度 已知后，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)， 進(jìn)行作圖就可以了。 2.3.3 四連桿機(jī)構(gòu)的繪制 (1) 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(zhǎng)桿 b 之和小于其余兩桿長(zhǎng)度之和，而最短桿為上連桿 （掩護(hù)梁） ，最短桿的對(duì)邊 a 為固定桿（底座） ，即： c＋b15°。在 J 點(diǎn)作 α角，再取 JC 一 定長(zhǎng)度與 HC 交與 C 點(diǎn)，C 點(diǎn)作為后連桿和掩護(hù)梁的鉸接軸。 以 J 為圓心，JC 為半徑畫一弧 ab。以 I 為圓心，以 HC 的長(zhǎng)度為半徑畫弧與弧 ab 交于 E 點(diǎn)， C 點(diǎn)和 E 點(diǎn)就是后連桿在支架為最低高度和最低高度時(shí)的極限位置。 在 CH 上取一長(zhǎng)度 CD，必須 CDDC，這樣 CD 就是最短桿。 而且要使 CD+DG 千斤頂?shù)挠?jì)算和立柱相同。 千斤頂?shù)耐屏屠τ?jì)算 固定活塞式千斤頂?shù)耐屏Π聪率接?jì)算： (kN) 23410tRFDp?π＝ 固定活塞式千斤頂?shù)睦Π聪率接?jì)算： （kN） 231 R4dp10?π＝ （ － ） 式中 D：千斤頂缸體內(nèi)徑 （m） d：千斤頂活塞桿的外徑 （m ） ：泵站壓力 （MPa）pR 由于 D>d，所以固定活塞式千斤頂?shù)耐屏Υ笥诶Α?5. 泵站壓力的確定 泵站壓力的確定按照立柱和千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫π枰_定為： P = 14.7MPa 計(jì)算得 ZZ4000/17/35 支撐掩護(hù)式液壓支架技術(shù)參數(shù)如下： 支架 形式 支撐掩護(hù)式 操作方式 鄰架操作 高度 1.7～3.5 m 寬度 1.42～1.59 m 初撐力 1884 kN 工作阻力 4000 kN 支護(hù)寬度 1.5 m 支護(hù)強(qiáng)度 730 kPa 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 36 底座面積 2.6 2m 底座比壓 10.7 MPa 重量 10500 Kg 泵站工作壓力 14.7 MPa 立柱(4 根) 缸徑 200 mm 活柱直徑 185 mm 行程 900 mm 初撐力 462 kN 降拉力 121 kN 工作阻力 1000 kN 短柱（前梁千斤頂） （1 根） 缸徑 140 mm 活塞桿直徑 105 mm 行程 140 mm 初撐力 226 kN 拉力 99 kN 工作阻力 588.6 kN 前梁端部最大支撐力 127.5 kN 前梁向上擺角 15° 前梁向下擺角 19° 推移千斤頂（1 根） 缸徑 140 mm 活塞桿直徑 85 mm 行程 700 mm 推力 145.7 kN 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 37 拉力 231 kN 護(hù)幫千斤頂（1 根） 、側(cè)推千斤頂（4 根） 缸徑 80 mm 活塞桿直徑 45 mm 推力 75 kN 拉力 51.5 kN 行程相應(yīng)為 250 mm 2.4 擬定液壓系統(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。 本支架液壓系統(tǒng)所使用的乳化液，是由乳化油和水配制而成的，乳化油的配比濃 度為 5％，使用乳化液應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1) 定期檢查濃度，濃度過(guò)高增加成本，濃度太低，可能造成液壓元件銹蝕，影 響液壓元件的密封和使用壽命 (2) 防止污染，定期清理乳化液箱和支架過(guò)濾器 (3) 防凍：乳化液的凝固點(diǎn)為零下三度左右，與水一樣也具有凍結(jié)膨脹性，乳化 液受凍后，不但體積膨脹 ，穩(wěn)定性也受影響，乳化液地面配制和冬季運(yùn)輸時(shí)要注意 防凍。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 38 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； ZY4000/17/35 型液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是: (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。 (4) 液壓系統(tǒng)中設(shè)有頂梁活動(dòng)側(cè)護(hù)板和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板千斤頂液路，通過(guò)兩片操 縱閥可單獨(dú)操縱兩個(gè)千斤頂?shù)纳炜s。 (5) 為在厚煤層工作面中防止片幫，液壓系統(tǒng)中還設(shè)有護(hù)幫千斤頂，在護(hù)幫千 斤頂?shù)囊郝飞线B接著雙向鎖，對(duì)護(hù)幫千斤頂?shù)幕钊慌c活塞桿腔分別進(jìn)行相互閉鎖。 (6) 支柱和前梁千斤頂?shù)幕钊灰郝飞希O(shè)有測(cè)壓閥，根據(jù)工作需要，可隨時(shí)進(jìn) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 39 行壓力測(cè)定，了解支架受力情況。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 40 三、 支架的強(qiáng)度計(jì)算 3.1 支架的工作狀態(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，由于上部巖從壓力， 出現(xiàn)離從和裂隙，如果不及時(shí)支護(hù)，頂板就要冒落，不支護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)，危險(xiǎn)就越 大，而頂板冒落時(shí)有一定過(guò)程的，一般分為三個(gè)階段，開始頂板處于無(wú)壓狀態(tài)，次 時(shí)頂板較完整，而且沒有下沉，通常稱為老頂來(lái)壓，次時(shí)頂板并不破裂，且這種下 沉帶有一定的周期，所以稱為老頂周期來(lái)壓狀態(tài)，如不及時(shí)支護(hù)，頂板就會(huì)破裂而 冒落，此時(shí)叫冒落狀態(tài)。 (2) 支架工作狀態(tài) 開始支架以初承力支承頂板，此時(shí)為無(wú)壓狀態(tài)，當(dāng)周期來(lái)壓時(shí)，頂板下沉，使立 柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到大于安全閥調(diào)定正壓力時(shí)，安全閥被打開，使立柱下腔 壓力下降，稱立柱讓壓狀態(tài)，使支架以工作阻力支護(hù)頂板；如繼續(xù)來(lái)壓，就要不斷 讓壓，所以立柱要有一定的向下行程，如沒有向下行程，稱壓死狀態(tài)，這是在設(shè)計(jì) 和使用中，必須要注意避免的現(xiàn)象。 (3) 支架受力 支架在工作面受力是由于頂板下沉，同時(shí)又有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，使頂梁受合 力和底座受底板壓力，其中頂板合力的垂直分力，由支架工作阻力來(lái)克服，所以我 們?cè)谟?jì)算支架的工作載荷 F 時(shí)按支架的工作阻力來(lái)確定。 3.2 支架載荷的確定 液壓支架實(shí)際受載荷情況很復(fù)雜，頂梁和底座上的載荷即非集中載荷又非均布 載荷，分布規(guī)律隨著支架與頂?shù)装宓慕佑|情況而變化，為簡(jiǎn)化計(jì)算作如下規(guī)定。 (1) 把支架化簡(jiǎn)成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)，同時(shí)為防于安全，按集中載荷進(jìn)行計(jì)算。 (2) 金屬結(jié)構(gòu)件按材料力學(xué)上的直梁理論來(lái)計(jì)算。 (3) 頂梁，底座與頂?shù)装逭J(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長(zhǎng)度方向按線性規(guī)律，沿 支架寬度方向?yàn)榫肌?(4) 通過(guò)分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上煤塊的作用力，只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 41 降低，所以在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)不計(jì)。 (5) 立柱和短柱按最大工作阻力來(lái)計(jì)算。 (6) 作用在頂梁上水平力的產(chǎn)生有二種情況：一種是支架在承載讓壓時(shí)，由于 頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡為雙扭線，所以頂梁與頂板有產(chǎn)生位移的趨勢(shì)，水平力為頂梁合 力與靜摩擦系數(shù)的乘積，其方向與頂梁產(chǎn)生位移方向趨勢(shì)相反；另一種是由于頂板 向采空區(qū)方向移動(dòng)，使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平力，最大水平力值與上相同。 頂梁與頂板的靜摩擦系數(shù) f ，目前國(guó)內(nèi)一般取 0.2～0.3。 (7) 支架各部分受力，按不同支護(hù)高度時(shí)受力最大值進(jìn)行強(qiáng)度校核。 (8) 各種結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核，除按理論支護(hù)阻力校核危險(xiǎn)端面外，還要按《液壓 支架形式試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的各種加載方法，以支架的額定工作阻力逐一校核，超過(guò) 額定工作阻力 10％的超載試驗(yàn)，將由安全系數(shù)來(lái)保證強(qiáng)度。 3.3 支架受力分析 支架的受力分析與計(jì)算，是按理論力學(xué)中一個(gè)物體受幾個(gè)力的作用下處于平滑 狀態(tài)時(shí)，所受力和力矩之和為零的原理來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算的。即以當(dāng)支架支承后在 處于平衡狀態(tài)時(shí)，取整體或某一個(gè)部分為分離體也處于平衡狀態(tài)，其合力和合力矩 為零。即滿足靜力平衡的充分必要條件為各力在 x 上的投影之和為零，各力在 y 上 的投影之和為零;各力對(duì)某點(diǎn)取矩之和為零。下面就根據(jù)這一理論對(duì)支架簡(jiǎn)化成平面 桿系進(jìn)行受力分析和計(jì)算。 直接撐頂?shù)闹窝谧o(hù)式支架各支撐點(diǎn)受力計(jì)算： 假設(shè)頂梁受以集中載荷 ,水平分力為 。掩護(hù)梁上載荷的合力分量各為APAf 和 。前排立柱工作阻力為 ,后排立柱工作阻力為 。受力狀態(tài)如圖 3－1xQy B'BP 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 42 q 圖 3－1 直接撐頂支撐掩護(hù)式支架受力情況 取頂梁和掩護(hù)梁為隔離體， =0, 即：OM? （3－1111222 () ()' '0BBBBAyXlPCOSLintglPCSlintgfltQeK??????????? ） =0,即：XF 12' 0ABBCDXfPSinPSinOSPQ??????? （3－2） ，即：0yF?? 12 0'ABBCDyPCOSPSPinSin????????? （3－3） 取頂梁為隔離體， ,即：10OM? 122' 0BBAlPSlPSPS????? 由上式得： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 43 1122(')BBASlPCOSlPCOS???? （3－4） 把(3－4)式代入（3－1）式，解得： (3－5)1212['(')]ABBBByx ekPCSPSinPitgQftg l?????????? 由（3－4）式和（3－1）解得： 1 2 [()'()() ]DBcBCCDAcyCxCOOSSinPf QS?????? （3－6） 1 21[()'()() ]C DDD DDBBCA yxPPSSinPfOSQSin?????????? （3－7） 3.3.1 各主要參數(shù)的影響 支撐掩護(hù)式支架在工作過(guò)程中，各主要部件的受力是變化的，其影響因素有諸 多方面。 (1) 立柱傾角對(duì)承載能力的影響 由于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的立柱大部分是傾斜布置的，傾角 又隨著支架? 的高度變化，所以支架的承載能力的大小也隨著支架的高度而變化?，F(xiàn)在 對(duì)承載 能力的影響。 立柱支撐在頂梁，當(dāng)立柱的工作阻力為 ，傾角為 時(shí)，顯然支架的承載能力BP 與 COS 有直接的關(guān)系。因?yàn)?COS ≤1，因此立柱傾斜BP?? 布置將使支架的承載能力降低。 角和 COS 之間的關(guān)系表 示在右圖中。由圖看到，當(dāng) 0.95，支架? 的承載能力降低值不等大于５％。當(dāng)>26 時(shí)，COS 1.1s45360. 由于安全系數(shù) 6 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所給定安全系數(shù)，所以支架底座絕對(duì)安全。 F.推移千斤頂計(jì)算及強(qiáng)度校核 推移千斤頂計(jì)算推溜力為：145.7KN；拉架力為 231KN；故所受最大力為拉架力。 （1）千斤頂穩(wěn)定性驗(yàn)算 活塞桿柔度計(jì)算： i???? 式中 －長(zhǎng)度折算系數(shù)，在兩端鉸接時(shí)， ＝1；?? －活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度；? －活塞桿橫斷面的回轉(zhuǎn)半徑， ＝ 。i 1JiA?4d 解得： ＝ ＝26.25i1054 ＝35.355，且1ld2J?121()lKt???A 式中 ＝ , ＝ ；11PEJ22J 其中： E－鋼材的彈性模量，E＝2.088 ；5.081aMP? ＝ ； ＝ ；1t1(57.3)gKl?2t2(73)gKl? 經(jīng)計(jì)算得 , ; ＝0.68； ＝0.574；6?.1t2t 5.6；? 活塞桿的合成應(yīng)力： PAW??? 式中 A－活塞桿的橫截面積； A=86.59mm 2 W－活塞桿的端面模數(shù)；w ＝113.7； ==140.5MPa2315.68.7??? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 53 安全系數(shù)計(jì)算如下： sn?? 活塞桿采用 45 號(hào)鋼 ＝450～550MPas =3.2>4501.n?[] 式中 －許用安全系數(shù)，一般最小為 1.4。[] （3）千斤頂缸體強(qiáng)度驗(yàn)算 缸體壁厚驗(yàn)算： 當(dāng) 時(shí)按中等壁厚缸體公式計(jì)算，此處 ＝25。.2D??D?()[].3pC???? 式中 －缸體實(shí)際承受的最大應(yīng)力，MPa。 安全系數(shù)為： []bn??? 式中 －缸體材料為 27SiMn 無(wú)縫鋼管， ＝980 MPa ；b b? －許用安全系數(shù)，一般取 3.5～4。[]n 經(jīng)計(jì)算： ＝201 MPa14.7(05.61)]23????? ；98.[]nn? 故經(jīng)校核計(jì)算推移千斤頂符合要求。 3.4 頂梁載荷分布 把頂梁所受頂板的載荷求出后，就可以進(jìn)一步計(jì)算出載荷在頂梁上面的分布情 況。有戲頂板與頂梁接觸情況不同，載荷實(shí)際分布很復(fù)雜。為計(jì)算方便，假設(shè)頂梁 與頂板均勻接觸且載荷為線性分布。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 54 設(shè)頂梁長(zhǎng)度為 Lg，頂板的集中載荷為 F1，其作用點(diǎn)距頂梁一端為 x。則當(dāng) x≤Lg/3 時(shí)，載荷分布為三角形。如圖 3－7 所示 圖 3－7 載荷分布圖 頂梁前端比壓 為 0，頂梁后端比壓 為：2q3q （MPa） 332101×mBF＝ 當(dāng) Lg/2>x>Lg/3 時(shí)，載荷呈梯形分布，如上圖 3－6 所示。 頂梁前端比壓為： （ MPa） 3B)26(2101×mLgxFq－＝ 頂梁后端比壓為： （MPa） 3B)64(31021mLgxFq－＝ 3.5 支護(hù)強(qiáng)度 支護(hù)強(qiáng)度為單位面積得支護(hù)阻力按下式進(jìn)行計(jì)算 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 55 (t/㎡)1)1(Bs Fq+＝ 式中 s:頂梁前端至煤壁的距離 B1：支架支護(hù)強(qiáng)度（支架間距） 不同高度求得支護(hù)強(qiáng)度 q 3.6 底座接觸比壓 由于底板條件的變化，底座的接箸比壓很不均勻，為計(jì)算方便起見，假設(shè)底座與 底板均勻接箸且為線性載荷分部。底座對(duì)底板的比壓值應(yīng)小于底板的抗壓強(qiáng)度，否 則底座會(huì)陷入底板，造成移架困難，頂?shù)装逡苿?dòng)量增大，支架失穩(wěn)及支承力降低等 現(xiàn)象。支架技術(shù)特征中給出的底座與底板的平均比壓值為： = (MPa)0PdBL R 式中 ：平均比壓（ MPa）0P R：底座對(duì)底板的合力 （N） :底座長(zhǎng)度 （m）dL ：底座當(dāng)量寬度（m）B 求得 ＝ 10.5MPa0P 3.7 護(hù)效率 支護(hù)效率按下式進(jìn)行計(jì)算 η = F/P F:支護(hù)阻力 P:支護(hù)工作阻力 3.8 支架受力的影響因素 （1） 對(duì)支架受力的影響 掩護(hù)式支架，由于支護(hù)高度的變化，使平衡千斤頂?shù)慕嵌龋⒅闹С薪嵌龋?掩護(hù)梁及四連桿機(jī)構(gòu)的角度等的不同，支架受力也不同。接近支護(hù)高度最高處，頂 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 56 梁受力最大，支護(hù)效率最高，其支護(hù)效率為頂梁合力與工作阻力之比。 （2）系數(shù)對(duì)支架受力的影響 液壓支架在實(shí)際工作中的摩擦系數(shù)是一個(gè)不定值，一般鋼對(duì)巖石的摩擦系數(shù)為 0.2～0.3，根據(jù)計(jì)算表明，摩擦系數(shù)增大，對(duì)支架受力有利，使底座的底比壓分布 較好。 （3）千斤頂?shù)耐评?duì)對(duì)支架的受力影響 平衡千斤頂為拉力時(shí)，頂梁后端比壓增大，可增強(qiáng)切頂能力，底座比壓分布狀態(tài) 較好，連桿受力較?。黄胶馇Ы镯敒橥屏r(shí)，合力作用點(diǎn)前移，可增加前端支護(hù)能 力，此時(shí)底座前端比壓增大，連桿力增。 （4）作用力對(duì)支架受力的影響 煤塊作用力增加，使支護(hù)強(qiáng)度，支護(hù)效率和切頂能力減小，同時(shí)連桿力減小， 底座比壓分布改善和增加支架縱向穩(wěn)定性。 （5）tgQ 對(duì)支架受力的影響 tgQ 增加，使支護(hù)阻力增加，支架要多承受載荷，所以 tgQ 值大了對(duì)支架受力不 利。在全部支架工作段內(nèi)，一般控制在小于 0.35。 （6）支架強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)考慮的因素 由于支護(hù)高度，摩擦系數(shù)，平衡千斤頂和煤塊作用對(duì)支架受力有明顯的影響， 在支架強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，對(duì)不同的受力桿件應(yīng)參考實(shí)際使用中產(chǎn)生的最惡劣狀態(tài)選擇支 護(hù)高度，平衡千斤頂推拉力，摩擦系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。 ① 計(jì)算出最大頂梁合力前連桿，后連桿的支護(hù)高度分別對(duì)頂座，掩護(hù)梁，連桿， 底座等進(jìn)行受力分析。 ② 要使支架處于安全，摩擦系數(shù)的大小應(yīng)按表中計(jì)算出的能使頂梁，前后連桿 力等為最大值的摩擦系數(shù)，分別對(duì)各件進(jìn)行受力分析。 ③ 平衡千斤頂推拉力，可按計(jì)算出的能使頂梁，前后連桿力等為最大值的摩擦 系數(shù)，分別對(duì)各值進(jìn)行受力分析。 ④ 通過(guò)分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上煤塊的作用力，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)可忽落不計(jì)。 ⑤ tgQ 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素。一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，tgQ 也就確定了。在 進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，按最不利支護(hù)高度受力分析，其中 tgQ 值為在此條件下的對(duì)應(yīng)值 進(jìn)行計(jì)算。 ⑥ 以上支架強(qiáng)度計(jì)算考慮因素為計(jì)算掩護(hù)式支架時(shí)的確定方法。支護(hù)高度為支 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）通過(guò)答辯 57 架受力最大時(shí)的支護(hù)高度進(jìn)行計(jì)算。 3.9 強(qiáng)度條件 (1) 強(qiáng)度校核均從材料的屈服極限計(jì)算安全系數(shù) (2) 結(jié)構(gòu)件，銷柱，活塞桿的屈服極限及強(qiáng)度條件 ① 各結(jié)構(gòu)件受力普通低合金結(jié)構(gòu)鋼為 15MnVN 鋼板焊接成，取極限 4500Kg/㎝2 ② 主要銷柱均采用合金結(jié)構(gòu)鋼為 35CrMo 元鋼，取屈服極限 5500 Kg/㎝2 ③ 活塞桿均采用 45 鋼，取屈服極限 3600 Kg/㎝2 ④ 以上主要件的強(qiáng)度條件為 n = ≥[n]max/s? 其中 :危險(xiǎn)斷面計(jì)算出的最大應(yīng)力max? [n]：許用安全系數(shù) (3) 缸體材料采用 27Si