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山西工程技術學院
畢業(yè)設計說明書
畢業(yè)生姓名
：
祁振華
專業(yè)
：
機械電子工程
學號
：
180533009
指導教師
：
荊忠亮
所屬系（部）
：
機械電子工程系
二〇二〇年五月 ZY3600-15-30液壓支架設計
摘 要
本論文主要闡述了掩護式支架的設計過程。設計內容包括：選架型、總體設計、主要零部件的設計、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設計。支架必須能有效支護和控制頂板，并能實現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移運輸機等一整套工序。
支架采用正四連桿機構，以改善受力狀況。頂梁、掩護梁、底座等均做成箱體結構；立柱采用帶雙伸縮雙作用液壓缸，以增加工作行程來滿足支架調高范圍的需要；推移千斤頂采用框架結構，以減少推溜力和增大移架力。校核按彎曲應力進行計算。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。
關鍵詞：掩護式；四連桿；雙伸縮。
ii
Design of ZY3600-15-30Hydraulic Support
Abstract
This article mainly expounds the design of the powered support for top-caving. The content mainly includes: the selection of form, design of the main parts and workpieces, the calculation of the strength of the main parts and workpieces, and the design of the powered system.The powered support must be able to support and control the roof effectively, and can realize supporting the roof, cutting the roof, advancing the support, and pushing forwards the conveyer , and so on.
The powered support adopts the upright four-link mechanism, in order to improve the mechanics condition. The roof beam, and the base and so on are done in chest structure; the stand post is a jack which have a single flex and double function with a lengthening pole, so as to lengthen the journey of the jack to satisfy the change of the height of the powered support. The “advancing and moving ”jack is done in frame-saw structure ,in order to minish the force pushing forwards the conveyer and increase the force advancing the powered support. The checking computation is done with the bending strain. The hydraulic pressure packing block with can curve the sonveyor and the coal winning machine composition comprehensive mechanization coal mining equipments, its application to increase coal mining working face output, raise to labor the rate of production and decline low cost, ease the worker's manual labor and assurances safe production is indispensable valid measure.
Key words: double flex lengthening pole;the powered support for top-caving; the upright four-link mechanism.
ii
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
1 概 述 1
1.1 液壓支架的用途、原理和分類 1
1.1.1 液壓支架的用途 1
1.1.2 液壓支架的動作原理 1
1.1.3 液壓支架的分類 3
1.2 對液壓支架的要求和設計液壓支架必要的基本參數(shù) 5
1.2.1 設計目的 5
1.2.2 對液壓支架的基本要求 5
1.2.3 設計液壓支架必需的基本參數(shù) 6
1.3 國內外液壓支架的差距及今后的發(fā)展趨勢 6
2 液壓支架的選型和主要參數(shù)的確定 9
2.1 液壓支架的選型 9
2.1.1 液壓支架的選型 9
2.2 綜采工作面設備的配套 11
2.2.1 采煤機、液壓支架和運輸機的配套 12
2.2.2 生產(chǎn)能力配套 12
2.2.3 性能配套 12
2.2.4 其他附屬設備的配套 12
3 液壓支架的整體結構尺寸設計 13
3.1 支架高度、支架間距、底座長度的確定 13
3.1.1 支架高度和支架的伸縮比 13
3.2 四連桿機構的作用和四連桿機構設計 14
3.2.1 四連桿機構的作用 14
3.2.2 四連桿機構的設計 15
3.3 四連桿機構優(yōu)選設計法 18
3.3.1 目標函數(shù)的確定 18
3.3.2 四連桿機構的集合特征 19
3.4 頂梁長度的確定 20
3.4.1 支架工作方式對支架頂梁長度的影響 20
3.4.2 配套尺寸對頂梁長度的影響 20
3.4.3 頂梁長度計算 20
3.5 確定立柱的技術參數(shù) 21
3.6 立柱的初撐力和泵站額定工作壓力 22
3.7 立柱工作阻力的確定 22
3.8 立柱的支撐方式和柱窩位置的確定 23
3.8.1 支撐方式 23
3.8.2 立柱柱窩位置的確定 23
3.9 驗算立柱的傾角 25
3.9.1 立柱最小傾角的驗算 25
3.9.2 立柱最大傾角的確定 26
3.10 平衡千斤頂?shù)膮?shù)及鉸接位置的確定 26
3.10.1 平衡千斤頂拉力的計算 26
3.10.2 平衡千斤頂?shù)耐屏τ嬎?27
3.10.3 確定平衡千斤頂?shù)酶讖?28
3.10.4 平衡千斤頂鉸接位置的確定 29
3.11 其他千斤頂技術參數(shù)的確定 33
3.11.1 推移千斤頂技術參數(shù)的確定 33
3.11.2 側推千斤頂技術參數(shù)得確定 34
4 液壓支架受力分析和計算 35
4.1 液壓支架受力分析 35
4.2 確定頂梁載荷分布 39
4.3 支架支護效率 40
5 主要部件的尺寸確定及強度校核 41
5.1 立柱強度校核 41
5.1.1 立柱的穩(wěn)定性驗算 41
5.1.2 活塞桿強度校核 43
5.1.3 缸體強度校核 44
5.2 各主要部件的尺寸確定 45
5.3 頂梁與掩護梁鉸接用銷軸的強度計算 45
5.4 頂梁上鉸接平衡千斤頂用耳座的強度計算 46
5.5 掩護梁上鉸接平衡千斤頂用耳座的強度計算 47
5.6 掩護梁上鉸接平衡千斤頂用耳板的強度計算 48
5.7 鉸接前連桿用銷軸的強度計算 49
5.8 頂梁的強度計算 50
5.8.1 作出頂梁受力圖、剪力圖和彎矩圖。 50
5.8.2 按彎曲應力進行強度校核 50
5.9 掩護梁強度計算 52
5.9.1 掩護梁受力如圖5-7所示 52
5.9.2 計算截面積F及截面形心至a-a面的距離y和主慣性矩Jz 53
5.9.3 計算彎曲應力和安全系數(shù) 54
5.10 底座強度計算 54
5.10.1 計算截面積F及截面形心至a-a面的距離y和主慣性矩Jz 55
5.10.2 計算彎曲應力和安全系數(shù) 56
6 液壓系統(tǒng)設計 57
6.1 液壓支架傳動系統(tǒng) 57
6.1.1 液壓支架傳動系統(tǒng)的基本要求 57
6.1.2 液壓支架的液壓傳動特點 57
6.2 液壓支架的液壓控制系統(tǒng) 58
6.2.1 液壓支架的液壓控制系統(tǒng) 59
6.2.2 工作原理 59
參考文獻 61
外文文獻 64
中文翻譯 75
致 謝 83
山西工程技術學院----畢業(yè)設計說明書
1 概 述
1.1 液壓支架的用途、原理和分類
1.1.1 液壓支架的用途
采煤工作面的煤層生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是以高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能實現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。實踐表明液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術上先進、經(jīng)濟上合理、安全上可靠、是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備。
1.1.2 液壓支架的動作原理
液壓支架在工作過程中必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的幾個液壓缸來實現(xiàn)完成的。
(1) 升柱
當需要支架上升支護頂板時。高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。
(2)降柱
當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。
(3) 支架和輸送機前移
支架和運輸機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當需要推運輸機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊唬硪磺换匾?，以支架為支點，是活塞桿伸出，把運輸機推向煤壁。
支架的支撐力與時間曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖所示：
圖
-初撐階段； -增阻階段；-恒阻階段;-初撐力； -工作阻力
(4) 支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可分為三個階段
1) 初撐階段
支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的液控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段to，此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支撐式支架的初撐力為
(1.1)
式中 -支架立柱的缸徑，;
-泵站的工作壓力，;
-支架立柱的數(shù)量。
由上式可知，支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。
2) 承載增阻階段
支架初撐后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段。
3) 恒阻階段
隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當?shù)陀诎踩y壓力調整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。此時支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調定壓力決定的。支撐式支架的工作組力為
(1.2)
式中 -支架安全閥的調定壓力，；
支架的工作阻力標志著支架的最大承載能力。
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。
支架的工作阻力是支架的一個重要參數(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，常用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:
(1.3)
式中 —支架的支護面積，。
1.1.3 液壓支架的分類
按液壓支架的采煤工作面的安置位置來劃分，有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。
中間液壓支架按其結構形式來劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式。
(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，與輸送機連接并互為支點整體前移。節(jié)式支架由2~3個框節(jié)組成，移駕時，各節(jié)之間互為支點交替前移，輸送機用于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。
支撐式支架的結構特點是：頂梁較長，其長度多在4左右；立柱多，一般是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，且作用點在支架中后部，故頂?shù)男阅芎茫粚敯逯貜椭蔚拇螖?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；護矸能力差，矸石易竄入工作空間；支架的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。
此種支架在現(xiàn)階段的綜采工作面的生產(chǎn)時都已基本不再采用。
(2) 掩護式支架
其主要由前梁、主梁、掩護梁和測護板、底座、前后連桿、前梁千斤頂、推移千斤頂、操縱閥等組成。
它的結構特點是：有一個較寬的掩護梁以擋住采空區(qū)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與頂梁或直接作用與頂梁上。掩護式支架的立柱較少，除少數(shù)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3.0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(shù)少，能帶壓移架。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風斷面小。
由上可知，掩護式支架適用于頂板不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定、老頂周期來壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。
(3) 支撐掩護式支架
其主要由防片幫千斤頂、前梁、頂梁、掩護梁、底座、推移千斤頂、立柱等組成。
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，可適應各種頂?shù)装鍡l件。
此種支架的優(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，立柱可前傾或后傾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，兩排立柱都是直接支撐在頂梁上，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。
1.2 對液壓支架的要求和設計液壓支架必要的基本參數(shù)
1.2.1 設計目的
采用綜合機械化采煤方法是大幅增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益正常的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量是很大的。
由于不同采煤工作面的頂?shù)装鍡l件、煤層厚度、煤層傾角、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很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也很大的，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)。
1.2.2 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)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100~150,中厚煤層一般為150至250,厚煤層一般為300~400。
(3) 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、稀釋有害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)定值。
(9) 要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定得不均勻載荷和沖擊載荷。
(10) 在滿足強度條件下，盡可能的減輕支架重量。
(11)拆卸，結構要簡單，壓元件要可靠。
1.2.3 設計液壓支架必需的基本參數(shù)
(1) 頂板條件
根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，對支架進行選型。
(2) 最大和最小采高
根據(jù)最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。
(3) 瓦斯等級
根據(jù)瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風斷面。
(4) 板巖性及小時涌水量
根據(jù)底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
(5) 工作面煤壁條件
根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
(6) 煤層傾角
根據(jù)煤層傾角，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，考慮支架的運輸外形尺寸。
(8) 配套尺寸
根據(jù)配套尺寸及支護方式來計算定量長度。
1.3 國內外液壓支架的差距及今后的發(fā)展趨勢
我國液壓支架經(jīng)過30多年的發(fā)展，盡管取得了顯著成績，在雙高礦井建設中出現(xiàn)過日產(chǎn)萬噸甚至班產(chǎn)萬噸的記錄，但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾，但有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處，但國產(chǎn)液壓支架技術含量偏低，電液控制閥可靠性差，所以鋼材的耐壓能力一般為16MPa，最好的屈服極限才700MPa，液壓系統(tǒng)壓力在35MPa以下，流量在200L/min以內，供液管直徑25～32mm，回液管直徑25～50mm，最快移架速度為10～12s/架，工作阻力更是相對較低。
我國科學工作者經(jīng)過30多年的發(fā)展和努力，液壓支架的設計、制造水平在不斷提高，特別是在緩傾斜中厚煤層的液壓支架方面積累了相當豐富的經(jīng)驗，架型已基本趨于成熟、完善，在品種和質量方面與國際先進水平相比，差距越來越小。但在控制元件和控制系統(tǒng)方面，與先進國家的產(chǎn)品相比還有較大的差距。所以，今后除硬繼續(xù)針對我國國情的煤層具體條件，開發(fā)一些新架型、新品種外，還應在設計支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫。
今后，我國的液壓支架的設計將朝技術含量大、鋼板強度高、移架速度快和電液控制閥的方向發(fā)展，對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架里，盡量采用整體可靠推桿 和抬底座機構，并減少千斤頂?shù)臄?shù)量。另外，將普遍采用額定壓力為40MPa、額定流量為400L/min的高壓大流量乳化泵站，以適應快速移架的需要；系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液，以保證支架有足夠的壓力達到初撐力，以保證支架接頂位置準確。兩柱掩護式支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至360mm，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用
7
山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書
2 液壓支架的選型和主要參數(shù)的確定
2.1 液壓支架的選型
2.1.1 液壓支架的選型
正確選擇液壓支架的架型，對于提高綜采工作面的產(chǎn)量和效率，充分發(fā)揮綜采設計的效能，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，是一個很重要的因素。在具體選擇架型時，首先要考慮煤層的頂板條件，表1-1就是根據(jù)國內外液壓支架的使用經(jīng)驗，提出了各種頂板條件下適用的架型，它是選擇支架架型的主要依據(jù)。
選擇架型時，還要考慮下列因素
(1)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2.5~2.8（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。
根據(jù)給定的原始資料：煤層厚度： =1.6~2.8m；煤層傾角： =8°；頂?shù)装逍再|：老頂I級、直接頂2級，底板平整，無影響支架通過的斷層；抗壓強度：10;
瓦斯等級：1級。選用掩護式液壓支架作為設計的對象
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、下滑等現(xiàn)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。
(2) 板性質
底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整形，基本上決定了支架底座的結構和支撐面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓（對于砂巖底板，允許比壓為1.96~2.16,軟底板為0.98左右）。
(3) 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。
(4) 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20以下時，暫不宜采用液壓支架。
(5) 設備成本
在滿足要求的前提下，應選用價格便宜的支架。此外，對于特定的開采要求，應選用特種支架。
具體見下表 1-1：
表1-1
老頂級別
I
II
III
IV
直接頂類型
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
掩護式或支撐掩護式
支撐式
支撐掩護式
支撐掩護式
支撐或支撐掩護式
支撐或支撐掩護式
支撐式
采高小于2.5m時
支撐掩護式
采高大于
2.5時
支架支護強度（）
采高（）
1
2
3
4
0.294
0.343(0.245)
0.441(1.343)
0.539(0.441)
1.3×0.294
1.3×0.343(0.245)
1.3×0.441(0.343)
1.3×0.539(0.441)
1.6×0.294
1.6×0.343
1.6×0.441
1.6×0.539
>2×0.249
>2×0.343
>2×0.441
>2×0.539
應結合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū)
單體支柱支護強度（）
采高（）
1
2
3
0.147
0.245
0.343
1.3×0.147
1.3×0.245
1.3×0.343
1.6×0.147
1.6×0.245
1.6×0.343
按采空區(qū)處理方法確定
2.2 綜采工作面設備的配套
根據(jù)礦山地質因素和礦山技術因素、生產(chǎn)能力和動力供應等情況，綜采工作面可選用不同的液壓支架、采煤機和運輸機等設備配套成合理的綜采工作面成套設備，以充分發(fā)揮他們的效能。
2.2.1 采煤機、液壓支架和運輸機的配套
綜采工作面采煤機、液壓支架和運輸機之間在性能參數(shù)、結構參數(shù)、空間尺寸及相互聯(lián)接等方面，有著嚴格的配套要求，以保證綜采工作面的最大生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)的要求。
2.2.2 生產(chǎn)能力配套
采煤機是綜采工作面的主要生產(chǎn)設備，綜采工作面的生產(chǎn)能力主要取決于采煤機的落煤能力。因此，為保證采煤機生產(chǎn)能力的發(fā)揮，工作面輸送機的生產(chǎn)能力要大于采煤機的生產(chǎn)能力，液壓支架的移架速度應大于采煤機的牽引速度。通常與采煤機配套的工作面輸送機、液壓支架、平巷轉載機、可伸縮皮帶機等設備，其生產(chǎn)能力要按采煤躋身產(chǎn)能力的120%選型。
2.2.3 性能配套
綜采工作面“三機”性能配套，主要通過設備的結構參數(shù)的配套來實現(xiàn)，以解決設備性能間互相制約的問題。如采煤機的搖臂長度應大于輸送機的機尾的長度，這樣才能保證采煤機割煤到運輸機的機尾底座部。
2.2.4 其他附屬設備的配套
煤層傾角大于10°時，采用鏈牽引的采煤機應設置防滑裝置；當傾角大于16°時應安裝防滑絞車，輸送機應設置防滑錨固裝置，支架也應有防倒防滑和調架裝置；而大于大采高工作面設備，煤層傾角大于10°時，即應設防滑裝置。
落煤塊度大時，工作面轉載機上應設置破碎裝置。
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山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書
3 液壓支架的整體結構尺寸設計
3.1 支架高度、支架間距、底座長度的確定
3.1.1 支架高度和支架的伸縮比
(1) 支架高度
支架高度的確定原則，應根據(jù)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：
支架最大結構高度： (3.1)
支架最小結構高度： (3.2)
式中 、—煤層最大、最小采高，
—偽頂冒落的最大高度，一般取0.2~0.3。
—頂板周期來壓時的最大下沉量、移架時支架的下降量和頂梁上、底座上的浮矸、浮煤厚度之和，一般取0.25~0.35。
原始條件已給定支架高度為1.5～3.0。
(2) 架的伸縮比
支架的伸縮比是最大與最小支架高度的比值即：
(3.3)
值的大小反映了支架對煤層厚度變化的適應能力，其值越大，說明支架適應煤層厚度變化的能力越強。若進一步提高伸縮比，需采用帶機械加長桿的立柱或雙伸縮立柱，其值一般為2.5左右。薄煤層支架可達3。由已知條件算出的故設計的液壓支架的立柱可選雙伸縮立柱。
(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，按下列公式計算：
(3.4)
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。
—每架所包含的組架或框架數(shù)，整體自移式支架=1;整體邁步式支架=2；節(jié)式組合邁步支架n=支架節(jié)數(shù)。
支架間距原始數(shù)據(jù)已給定為1.5。
(4) 底座的尺寸確定
底座是將頂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：
1)支架對底板的接觸比壓要?。?
2)支架內部應有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制系統(tǒng)裝置、推移裝置和其他輔助裝置；
3)便于人員操作和行走；
4)保證支架的穩(wěn)定性等。
通常，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架布距（一個移架布距為0.6）,即為2.2左右；支撐掩護式支架的底座長度取4倍的移架布距，即為2.4左右。
故本設計掩護式液壓支架的底座長度取為2.2。
支架底座寬度一般為1.1~1.2。為了提高橫向穩(wěn)定性和減小對底板比壓，厚煤層支架可加大到1.3左右，放頂煤支架為1.3~1.4。
本設計掩護式液壓支架的底座的寬度取為1.2。
3.2 四連桿機構的作用和四連桿機構設計
3.2.1 四連桿機構的作用
四連桿機構是掩護式支架和支撐掩護式支架的最重要部件之一。起作用概括起來主要有兩個：
其一：當支架由高到低變化時，借助四連桿機構式支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；
其二：是使支架能承受較大的水平力。
為了掌握四連桿機構的設計方法，必須正確理解四連桿機構的作用。下面通過四連桿機構動作過程的幾何特征進一步闡述其作用。這些特征是四連桿動作過程的必然結果。
(1) 架高度在最大和最小范圍內變化時，頂梁端點運動軌跡的最大寬度應小于或等于70，最好為30以下。
(2) 架在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，應滿足如下要求：
支架在最高位置時，≤52°~62°，≤75°~85°；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學摩擦理論可知，要求＞，如果剛和矸石的摩擦系數(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，防止支架后部的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,可提高后連桿下鉸點的高度。
(3) 掩護梁與頂梁鉸點和瞬心中心間的只限于水平線夾角θ,滿足tgθ≤0.35。原因是θ角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。
(4)應取頂梁前端點運動軌跡雙扭線向前凸的一段為支架工作段，如圖3—1所示的h段。其原因為當頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板防止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針轉動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，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減小，所以減輕了掩護梁的外荷。
圖 3-1
3.2.2 四連桿機構的設計
通過程序來計算和驗證，程序編制如下所示：
Private Sub Command1_Click()
Dim h1, h2 As Double '支架最高，最低計算高度
Dim p1 As Double '支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角
Dim q1 As Double '支架在最高位置時，后連桿與底座平面夾角
Dim i As Double '后連桿與掩護梁的比值
Dim i1 As Double '前后連桿上鉸點之距與掩護梁的比值
Dim g As Double '掩護梁長度
Dim a As Double '后連桿長度
Dim b As Double '前后連桿上鉸點之距
Dim f As Double '前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距
Dim b1, b2, b3 As Double
Dim c As Double '前連桿長度
Dim d As Double '前連桿下鉸點高度
Dim e As Double '前后連趕下鉸點在底座上的投影距離
Dim a1, q2, o1, l As Double
Dim s As Double
h1 = Val(Text1.Text)
h2 = Val(Text2.Text)
For p1 = 0.91 To 1.08 Step 0.034
For q1 = 1.31 To 1.48 Step 0.034
For i = 0.61 To 0.82 Step 0.042
For i1 = 0.22 To 0.3 Step 0.02
g = h1 / (Sin(p1) + i * Sin(q1))
a = i * g
b = i1 * g
f = g - b
e1 = g * Cos(p1) - a * Cos(q1)
X1 = f * Cos(p1)
Y1 = h1 - f * Sin(p1)
q2 = 0.436
p2 = Atn(Sqr(Abs(g * g - (e1 + a * Cos(q2)) ^ 2)) / (e1 + a * Cos(q2)))
X2 = f * Cos(p2)
Y2 = b * Sin(p2) + a * Sin(q2)
p3 = 3.14 / 2 - Atn(a / g) - Atn(e1 / Sqr(g * g + a * a - e1 * e1))
q3 = 3.14 / 2 - p3
x3 = f * Cos(p3)
y3 = b * Sin(p3) + a * Sin(q3)
m = x3 * x3 - X1 * X1 + y3 * y3 - Y1 * Y1
n = X2 * X2 - x3 * x3 + Y2 * Y2 - y3 * y3
t = 2 * ((x3 - X1) * (Y2 - y3) - (y3 - Y1) * (X2 - x3))
xc = (m * (Y2 - y3) - n * (y3 - Y1)) / t
yc = (n * (x3 - X1) - m * (X2 - x3)) / t
c = Sqr((X1 - xc) ^ 2 + (Y1 - yc) ^ 2)
o = c / a
If o > 0.9 And o < 1.2 Then
d = yc
e = e1 - xc
x4 = e1 + a * Cos(q1)
y4 = a * Sin(q1)
x5 = e1
y5 = 0
k1 = (Y1 - yc) / (X1 - xc)
c1 = Atn(k1)
k2 = (y4 - y5) / (x4 - x5)
x6 = (k1 * X1 - Y1 - k2 * x4 + y4) / (k1 - k2)
y6 = k1 * (x6 - X1) + Y1
l = x6
s = h1 - y6
u = s / l
If u < 0.2 And u > 0 And d < h1 / 5 And e < h1 / 4.5 Then
Label3.Caption = "掩護梁與頂梁鉸點至瞬心和底座平面夾角的正切值 " & u & " 支架在最高位置時，后連桿與底座平面夾角" & q1 * 180 / 3.14 & "弧度" & " 后連桿長度" & a & "米" & " 前后連桿上鉸點之距" & b & "米" & "前連桿長度" & c & "米" & "前連桿下鉸點高度" & d & "米" & " 前后連趕下鉸點在底座上的投影距離" & e & "米" & " 前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距" & f & "米" & "支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角" & p1 & "弧度" & " 掩護梁長度" & g & "米" & " 支架在最高位置時，前連桿與底座平面夾角" & c1 & "弧度" & "s=" & s & "米" & " l=" & l & "米"
End If
End If
Next i1
Next i
Next q1
Next p1
End Sub
3.3 四連桿機構優(yōu)選設計法
掩護式與支撐掩護式液壓支架四連桿機構尺寸，直接影響著液壓支架的工作性能和受力狀況。為此，如何優(yōu)選設計四連桿機構尺寸，意義重大。
3.3.1 目標函數(shù)的確定
根據(jù)附加力對液壓支架受力影響的分析，為減少附加力，必須使有較小值。同時為有效地指控頂板，要求支架由高到低變化時，頂梁前端點與煤壁距離的變化要小。而支架在某一高度時的角，恰好是頂梁前端點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，頂梁前端點運動軌跡近似呈直線為目標函數(shù)，這兩項要求都要能滿足。
3.3.2 四連桿機構的集合特征
四連桿機構的集合特征如圖3—2所示。
(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。
圖3-2四連桿機構的集合特征
(2) 后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為=0.45~0.61;支撐掩護式支架為=0.61~0.82。
(3) 前、后連桿上鉸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＜70最好在30以下。
(5) 支架在最高位置時的值應小于0.35，在優(yōu)化設計中，對掩護式支架最好應小于0.16，對支撐掩護式支架最好應小于0.2。
結論：后連桿長度 1520mm
掩護梁長度 2200mm
掩護梁寬度 1100mm
前連桿長度 1292mm
前后連桿下鉸點底座投影距離 480mm
前連桿下鉸點高度 1100mm
3.4 頂梁長度的確定
3.4.1 支架工作方式對支架頂梁長度的影響
先移架后推溜方式（及時支護方式）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式（滯后支護方式）要求頂梁長度較短。這是因為采用先移架后推溜的工作方式時，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后，支架能及時前移，支控新暴露的頂板，做到及時支護，因此頂梁長度較長。
3.4.2 配套尺寸對頂梁長度的影響
為了防止當采煤機向支架內傾斜時，采煤機滾筒不截割頂梁，要求頂梁前端距煤壁最小距離為300，這個距離叫空頂距。另外，再輸送機鏟煤板前也留有一定的距離，一般為135～150。
3.4.3 頂梁長度計算
掩護式支架的頂梁長度＝配套尺寸＋底座長度＋ -300-e＋掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之距。
配套尺寸－參考煤炭科學院編制的綜采設備配套圖冊確定
－支架由高到低頂梁前端點最大變化距離
－支架在在最高位置時，分別為后連桿和掩護梁與水平面的夾角
采煤機為MG200-W,輸送機為SGZ-730/320,
配套尺寸＝630＋130＋240＋730＋285
底座長度＝2200 =45
＝79度，＝52度
頂梁長度＝
支護面積＝2.5×1.5＝
工作阻力＝0.322×3.75×103＝
3.5 確定立柱的技術參數(shù)
立柱缸體內徑按下式 ：
(3.5)
式中 －立柱缸體內徑
－支架承受的理論支護阻力
－每架支架立柱數(shù)
－安全閥調整壓力
－立柱最大傾角
其中：＝1208KN ；＝2；＝40；＝41
則：
參照表3-1
選取立柱的技術參數(shù)如下：
外缸內徑：200
中缸外徑：190
表3-1
外缸內徑 mm
250
230
200
180
160
200
中缸外徑 mm
240
220
190
170
150
210
中缸內徑 mm
200
180
160
140
125
180
活柱外徑 mm
185
160
130
120
105
140
工作阻力 mm
1960
1764
1372
1078
784
1568
外缸額定工作壓力 MPa
45.7
44.2
45.5
44.1
40.6
42.8
中缸額定工作壓力 MPa
71.4
72.1
71.1
72.8
66.5
64.1
泵站壓力 MPa
32.6
32.6
32.6
32.6
32.6
32.6
中缸內徑：160
活柱外徑：130
立柱的行程選取如下：
第一級 850
第二級 900
立柱的裝配見立柱總裝圖
3.6 立柱的初撐力和泵站額定工作壓力
立柱的初撐力計算公式：
(3.6)
式中－泵站的額定壓力（取35）
De－缸徑 19
則
安全閥的調整壓力
(3.7)
式中 (3.8)
式中 －理論支護阻力
－每架支架立柱數(shù)
－支架在最高位置時立柱傾角
則：
故，初選安全閥的調整壓力合適。
3.7 立柱工作阻力的確定
立柱工作阻力計算公式：
(3.9)
則
液壓支架的設計和使用經(jīng)驗表明，初撐力與工作阻力間應滿足＝（0.35～0.7）。
3.8 立柱的支撐方式和柱窩位置的確定
3.8.1 支撐方式
掩護式支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調高范圍。一般立柱軸線與頂梁的垂線夾角小于30（支架在最低工作位置時），由于角度大，可使調高范圍增加。同時由于頂梁較短，立柱傾角加大可以使頂梁柱窩位置前移，使頂梁前端支護能力增大。
3.8.2 立柱柱窩位置的確定
掩護式液壓支架立柱上、下柱窩位置的確定，對液壓支架能否正常工作，極為重要。為此，在設計時，必須根據(jù)頂板載荷分布和底板條件，先確定支架頂梁的支撐力分布和底座對底板的比壓分布，使支架能適應工作面條件的要求，從此來確定立柱上、下柱窩的位置。把前排柱窩和后排柱窩合并成一排進行計算，然后再分配柱窩的位置和傾角。
(1) 立柱上柱窩位置的確定
液壓支架上柱窩位置的確定原則，從理論上分析，要使頂梁支撐力分布與頂板載荷分布一致。但頂板載荷復雜，分布規(guī)律以支架頂梁與頂板的接觸情況而異。為簡化計算，假定頂梁與頂板均勻接觸，載荷沿頂梁長度方向按線性規(guī)律變化，沿支架寬度方向均布。把支架的空間桿系結構，簡化成平面桿系結構。同時為便于安全，可以認為頂梁前端載荷為零，載荷沿頂梁長度方向向后越來越大呈三角形分布，并按集中載荷計算。所以，支架支撐力分布為三角形，以此計算立柱上柱窩位置。此時認為支架頂梁承受集中載荷在頂梁1/3處，取頂梁為分離體，受力情況如圖3—3所示。
對A點取矩：
則 (3.10)
圖3－3 頂梁受力分析
式中 －立柱上柱窩至頂梁和掩護梁鉸點之距
－支架支護阻力
－頂梁長度（不包括頂梁與掩護梁鉸點至頂梁后端之矩）
－立柱工作阻力之和
－頂梁和掩護梁鉸點距頂梁頂面之距 m （0.14）
－立柱上柱窩中心至頂梁頂面之距 m （0.24）
－立柱在最高位置時的傾角 （度）
－摩擦系數(shù)
則
＝0.785
取 x＝800
(2) 對頂板適應性的分析
以上計算是在假定條件下進行的，實際頂板載荷不一定和假定條件相符。為此，要對不同頂板條件支架受載情況進行分析。
1)當直接頂完全不破碎，頂梁和頂板能均勻地接觸，立柱上柱窩位置按以上原則確定，支架能充分發(fā)揮初撐力和工作阻力，能有效支控頂板。此時，頂板載荷分布和支架支撐力分布基本上一致。
當頂梁前端片幫冒落時，使支架頂梁合力作用點位置后移。此時，平衡千斤頂受拉，由平衡千斤頂來控制頂梁與掩護梁的夾角。如平衡千斤頂?shù)睦托谐淘谠试S范圍內，支架能有效地支控頂板，當超出平衡千斤頂?shù)男谐谭秶?，平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或活塞就有可能被拉壞，支架就不能正常工作。
2)當頂梁后部的頂板出現(xiàn)冒空，使支架頂梁合力作用電位置前移。此時，平衡千斤頂受壓，頂梁和掩護梁夾角變小，如果平衡千斤頂?shù)男谐毯屯屏υ谠试S范圍內，支架仍然能有效地支控頂板；當超過平衡千斤頂?shù)男谐谭秶鷷r，平衡千斤頂被壓死，頂梁和掩護梁夾角達到最小值。
3)當頂梁上方全部冒落，冒落巖石全部作用在頂梁和掩護梁上，使頂梁和掩護梁夾角增大，直至平衡千斤頂?shù)幕钊麠U被拉出或耳環(huán)拉壞，支架失去支控能力。
由此可見，如按上述方法確定立柱上柱窩的位置，且借助于平衡千斤頂?shù)淖饔茫旧夏苓m應支控頂板的要求。
(3) 柱下柱窩的確定：
由最低位置不能>30由上柱窩位置跟角度要求確定取
=1040
3.9 驗算立柱的傾角
確定了立柱的上下柱窩位置后，驗算立柱的最小與最大傾角是否與假定值相符。
3.9.1 立柱最小傾角的驗算
支架在最高時立柱傾角達到最小值。采用作圖法確定最小傾角。
步驟如下：
(1) 確定頂梁的位置。
(2) 已知頂梁與掩護梁的夾角52°，掩護梁長度為2200，確定掩護梁的位置。
(3) 已知上柱窩的位置＝800，確定上柱窩再頂梁上的位置。前、后連桿上鉸點之距為＝292，確定前、后連桿的上鉸點。
(4) 分別以前連桿長度＝1292和后連桿長度＝1520為半徑，以前、后連桿上鉸點為圓心畫弧。
(5) 確定底座平面位置。
(6) 后連桿與底平面夾角79°，確定后連桿下鉸點位置。已知前、后連桿下鉸點之距＝271和前連桿下鉸點高度＝371來確定前連桿下鉸點位置。
(7) 立柱下柱窩位置＝1040確定下柱窩的位置。
(8) 量取立柱最小傾角＝14°。如圖3－4示：
圖 3-4
3.9.2 立柱最大傾角的確定
立柱在最低位置時有最大傾角。參照以上步驟，確定立柱最大傾角α＝30°?？梢娏⒅鶅A角滿足要求。
3.10 平衡千斤頂?shù)膮?shù)及鉸接位置的確定
3.10.1 平衡千斤頂拉力的計算
平衡千斤頂?shù)睦?，按作用在立柱上鉸點到掩護梁后端這部分頂梁和掩護梁面積上的厚度為支架最大采高的巖石重量來計算（支架的最低位置）。擬定立柱計算高度＝0.7～1.8。此時，頂梁與掩護梁的夾角為52°；立柱傾角14°，取頂梁和掩護梁為分離體，對瞬心點取矩列出平衡方程式：
即
得：
式中 －力Pc 至瞬心O點之距 80
－ 立柱至瞬心O點之距 195
－ 作用在支架后部得巖石重量
(3.11)
式中 － 支架最大采高
－ 巖體計算長度 (2.24)
－ 巖石容量 26
則 Pc ＝2.2×2.24×1.5×26＝
再取頂梁為分離體，對g點取矩列出平衡方程式，可求出平衡千斤頂?shù)美Α?
由∑=0