支撐掩護式液壓支架設(shè)計

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內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 1 頁第 1 章 緒論1.1 液壓支架的作用和分類1.1.1 液壓支架的用途液 壓 支 架 是 綜 采 設(shè) 備 的 重 要 組 成 部 分 。 它 能 可 靠 而 有 效 地 支 撐 和 控 制 工 作 面 的 頂板 ， 隔 離 采 空 區(qū) ， 防 止 矸 石 進 入 回 采 工 作 面 和 推 進 輸 送 機 。 它 與 采 煤 機 配 套 使 用 ，實 現(xiàn) 采 煤 綜 合 機 械 化 ， 解 決 機 械 化 采 煤 工 作 中 頂 板 管 理 落 后 于 采 煤 工 作 的 矛 盾 ， 進 一步 改 善 和 提 高 采 煤 和 運 輸 設(shè) 備 的 效 能 ， 減 輕 煤 礦 工 人 的 勞 動 強 度 ， 最 大 限 度 保 障 煤 礦工 人 的 生 命 安 全 。 液壓支架作為煤礦綜采機械化采煤設(shè)備（液壓支架、可彎曲輸送機和采煤機）的重要組成設(shè)備之一;在生產(chǎn)過程中，液壓支架的性能的好壞將直接影響煤礦生產(chǎn)的質(zhì)量,特別是生產(chǎn)過程中對人員的安全保障問題是極為重要的。因此，性能優(yōu)良的液壓支架是技術(shù)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(shè)備。1.1.2 液壓支架的分類液壓支架的種類很多，分類的依據(jù)和方法各不相同。⑴ 按支架與圍巖的相互作用關(guān)系分類按照液壓支架與圍巖的相互作用關(guān)系，目前使用的液壓支架可分為三類，即支撐式、掩護式和支撐掩護式三大類。① 支撐式液壓支架是一個在底座上放置幾根立柱支撐頂梁，通過頂梁支撐頂板的簡單結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是世界上發(fā)展最早的液壓支架。典型的支撐式液壓支架，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 2 頁其頂梁較長，立柱較多，靠支撐作用維護一定的工作空間，而頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。架厚的擋矸簾只起著碎矸石從采空區(qū)涌入工作面的作用。這種類型的支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能，因此適用于頂板堅硬完整，基本頂周期壓力明顯或強烈，底板較堅硬的煤層。但由于立柱的垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去穩(wěn)定性。② 掩護式液壓支架 掩護式液壓支架是利用立柱、頂梁與掩護梁支護頂板和防止巖石落入工作面。這類支架的頂梁較短，多數(shù)支架的立柱只有一排，一般僅有 1～2 根，多呈傾斜布置，與掩護梁連接或直接連接在頂梁上。立柱通過頂梁支撐頂板。掩護梁與冒落得巖石相接觸，阻止矸石涌入工作面并承受采空區(qū)矸石的載荷。這類支架的支撐力小，但掩護性能和穩(wěn)定性較好，調(diào)高范圍大，對破碎頂板的適應(yīng)性較強，適應(yīng)于支護部穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的松散破碎頂板。③ 支撐掩護式支架支撐掩護式支架是支撐式支架和掩護式支架相結(jié)合的一種架型，以支撐為主，但同時又具有掩護作用。這種支架采用了支撐式支架雙排立柱支撐頂梁的結(jié)構(gòu)形式，保證了支撐式支架支撐力大，切頂性能好，工作空間寬敞的優(yōu)點，采用了掩護式支架堅固的掩護梁以及側(cè)護板將工作面與采空區(qū)完全隔離開的結(jié)構(gòu)形式，保留了掩護式支架防護性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的長處。因此，支撐掩護式支架適用于直接頂中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，基本頂周期來壓明顯或強烈瓦斯涌出量較大的煤層。⑵ 按支架移動方式分類：整體自移式液壓支架，邁步移動式液壓支架。⑶ 根據(jù)使用地點分類：液壓支架按使用地點的不同可分為工作面支架和端頭支架兩類。1.2 液壓支架的構(gòu)成及原理1.2.1 液壓支架的組成液壓支架一般有結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件和輔助裝置四大部分組成。⑴ 承載結(jié)構(gòu)件① 頂梁直接與頂板相接觸并承受頂板載荷的支架部分叫頂梁。支架通過頂梁實現(xiàn)支撐、管理頂板功能。頂梁一般由兩種結(jié)構(gòu)形式：一種為整體頂梁，這種頂梁的梁體較長，結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 3 頁簡單，能順利通過頂板局部冒落凹坑，但對頂板臺階的適應(yīng)能力差；另一種為分段頂梁，即頂梁分為前梁和后梁兩部分，前梁又可分為伸縮式活動前梁、鉸接式活動前梁或兼而有之的活動前梁。由于分段頂梁鉸接處的縱向間隙和銷軸可以允許各段之間相互有稍許扭轉(zhuǎn)，因而比整體頂梁容易滿足港督要求。② 掩護梁阻擋采空區(qū)冒落的干濕竄入工作面并承受采空區(qū)冒落矸石的載荷和承受頂板通過頂梁傳遞的水平推力的部件叫掩護梁。掩護梁是掩護式和支撐掩護式支架的特征部件之一。掩護梁與前后連桿、底座共同組成四連桿機構(gòu)，承受支架的水平分力。當?shù)装宀黄綍r，掩護梁還將承受扭轉(zhuǎn)載荷。掩護梁一般做成箱式整體結(jié)構(gòu)，也有做成左、右對分結(jié)構(gòu)的。③ 前后連桿前后連桿只有掩護式和支撐掩護式支架才安設(shè)。前后連桿與掩護梁、底座組成的四連桿機構(gòu)，即可承受支架的水平分力，又可使掩護梁的鉸接點在支架的調(diào)高范圍內(nèi)做近似的直線運動，使支架的梁端距基本保持不變，從而提高了支架控制的可靠性。前后連桿一般采用箱形分體式結(jié)構(gòu)，即左、右各一件。后連桿常常用鋼板將兩個箱形結(jié)構(gòu)連接在一起。④ 底座直接與底板相接觸，承受立柱傳來的頂板壓力并將其傳遞至底板的部件叫底座。支架通過底座與推移裝置相連，以實現(xiàn)自身前移和推移輸送機前移。⑤側(cè)護板目前生產(chǎn)的掩護式和支撐掩護式支架都具有較完善的側(cè)護裝置，不僅掩護梁兩側(cè)有側(cè)護板，而且主梁或整體頂梁從前排立柱到頂梁后端的兩側(cè)也有側(cè)護板。側(cè)護板的作用是：a.消除相鄰支架掩護梁和頂梁之間的架間間隙，防止冒落矸石進入支護空間；b.作為支架移架過程中的導(dǎo)向板；c.防止支架降落后傾倒；d.調(diào)整支架的間距。支架工作時一側(cè)的側(cè)護板是固定的，另一側(cè)為活動的。制造時，通常兩側(cè)側(cè)護板做成對稱的；安裝時，可按需要將一側(cè)側(cè)護板用螺栓或銷子固定在頂梁和掩護梁上。按側(cè)護板和掩護梁或頂梁上板面關(guān)系，側(cè)護板有上復(fù)式、埋伏式、抽出式和拆頁式等幾種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 4 頁⑵ 執(zhí)行元件執(zhí)行元件包括立柱和各種千斤頂。① 立柱支架上凡是支撐在頂梁（或掩護梁）和底座之間直接或間接承受頂板載荷、調(diào)節(jié)支護高度的液壓缸稱為立柱。立柱是液壓支架的主要動力元件，可分為單伸縮和雙伸縮兩種。單伸縮立柱調(diào)高范圍較小，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低；雙伸縮立柱則與之相反。有的立柱兩端還有機械加長段。立柱兩端一般采用球面結(jié)合形式與頂梁和底座鉸接。② 千斤頂液壓支架壓缸中除立柱以外均稱為千斤頂，依其功能分別為前梁千斤頂、推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、平衡千斤頂、護幫千斤頂和復(fù)位千斤頂?shù)?。由于前梁千斤頂也承受由鉸接前梁傳遞的部分頂板載荷，所以結(jié)構(gòu)與立柱基本相同，只是長度和行程較短，也有人稱它為短柱。平衡千斤頂是掩護式支架獨有的，其兩端分別與掩護梁和頂梁鉸接，主要用于改善頂梁的界定接頂狀況，改變頂梁的載荷分布。當支架設(shè)置防倒防滑裝置時，還設(shè)有各種防倒、防滑千斤頂和調(diào)架千斤頂。⑶ 控制元件液壓支架的液壓系統(tǒng)中所使用的控制元件主要有兩大類：壓力控制閥和方向控制閥。壓力控制閥主要有安全閥；方向控制閥主要有液控單向閥、操縱閥等。① 安全閥安全閥是支架液壓控制系統(tǒng)中限定液體壓力的元件。它的作用是保證液壓支架具有可縮性和恒阻性。立柱和千斤頂用的安全閥，可按照立柱和千斤頂?shù)念~定工作阻力來調(diào)整開啟壓力。當立柱和千斤頂工作腔內(nèi)的液體壓力在外載荷作用下超過額定工作阻力，即超過安全閥的調(diào)定壓力時，工作腔內(nèi)的壓力液可通過安全閥釋放，達到卸壓目的。卸載以后，工作腔內(nèi)的壓力低于調(diào)定壓力時，安全閥自動關(guān)閉。在此過程中，可使立柱和千斤頂保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤頂過載損壞。② 液控單向閥液控單向閥是液壓支架的重要元件之一。它的作用是閉鎖立柱或千斤頂?shù)哪骋磺恢械囊后w，使之承受外載產(chǎn)生的增加阻力，使立柱或千斤頂獲得額定工作阻力。液控單向閥往往和安全閥組合在一起，組成控制閥。③ 操縱閥在支架液壓控制系統(tǒng)中用來使液壓缸換向，實現(xiàn)支架各個動作換向（分配）閥，習(xí)慣上稱為操縱閥。操縱閥有轉(zhuǎn)閥和滑閥二種類型。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 5 頁⑷ 輔助裝置輔助裝置包括推移裝置、擋矸裝置、復(fù)位裝置、護幫裝置、防倒防滑裝置等。① 推移裝置退役裝置是實現(xiàn)支架自身前移和刮板輸送機前移的裝置，由連接頭、框架、推移千斤頂組成。推移千斤頂一端與支架底座相連，另一端通過框架、連接頭與刮板輸送機相連。② 擋矸裝置擋矸裝置由懸掛在頂梁后端的擋矸簾或擋矸板構(gòu)成，其作用是防止矸石從采空區(qū)涌入工作面。③ 復(fù)位裝置復(fù)位裝置是支撐式支架的特征裝置。這是由于支撐式支架的頂梁、前后立柱和底座恰好形成四桿雙曲柄機構(gòu)，因而支架的結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在側(cè)向力的作用下，容易發(fā)生立柱傾斜現(xiàn)象。安設(shè)復(fù)位裝置的目的就是為了使支架立柱保持在垂直于頂板的正確位置，使支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有抵抗頂板水平分力的能力。④ 護幫裝置煤層較厚或煤質(zhì)松軟時，工作面煤幫（壁）容易在礦山壓力下崩落，這種現(xiàn)象稱為片幫。工作面片幫使支架頂梁前端的頂板懸露面積增大，引起架前冒頂。我國規(guī)定，煤層采高超過 2.5～2.8m，支架應(yīng)設(shè)護幫裝置，其目的在于防止煤壁片幫或在片幫時互幫板起到遮蔽作用，避免砸傷工作人員或損壞設(shè)備。護幫裝置安設(shè)在支架頂梁前端，由護幫板和護幫千斤頂組成。⑤ 防倒防滑裝置在煤層傾角較大（一般在 15°以上）時，支架需加設(shè)防倒防滑裝置，以免支架降落或前移時傾倒或下滑。防滑裝置一般安設(shè)在兩相鄰支架的底座側(cè)面，防倒裝置一般安設(shè)在兩相鄰支架的頂梁側(cè)面。1.2.2 液壓支架的工作原理內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 6 頁圖 1-1 液壓支架工作原理1——輸送機； 2——推移千斤頂； 3——立柱；4——安全閥； 5——液控單向閥； 6——操縱閥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(zhì)不同的幾個液壓缸來完成。如圖 1-1 所示。⑴ 升柱當需要架上升支護頂板時，高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升。使活塞桿相連接的頂梁緊緊接觸頂板。⑵ 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。⑶ 支架和輸送機前移支架和輸送機的前移，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，然后高壓液體進入千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機的為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當需要推輸送機時，支架支撐頂板后，高壓液進入千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。支架的支撐力與時間的曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖 1-2 所示。支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可以分為三個階段。支架升柱時，此階段為初撐階段 t ；此時支架的初撐力為：0P = D p n （ KN） c4?2 b310?（1.1）式中 D——支架立柱的缸徑，m；內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 7 頁p ——泵站的工作阻力，Mpa；bn——支架立柱的數(shù)量。立柱收縮，此階段為恒阻階段 t ，此時支架的工作阻力為3P= D p n （KN） ， 4?2a310?（1.2）式中 p ——支架安全閥的調(diào)定壓力，Mpa；a其它符號意義同前。支架的工作阻力標志著支架的最大承載能力。1. 3 液壓支架設(shè)計的目的和要求1.3.1 設(shè)計目的采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機械化采煤工作面。而每個綜采工作面平均需要安 200 臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量是很大的。研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。圖 1-2 支架的工作特性曲線內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 8 頁t ——初撐階段； t ——增阻階段； t ——橫阻階段；0 1 2P ——初撐力； P ——工作阻力1 21.3.2 對液壓支架的基本要求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，以便有效的控制頂板，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 100KN 左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為 100KN～150KN，中煤層一般為 150KN 至 250KN，厚煤層一般為300KN～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?qū)挼娜诵械馈?.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)定值。9.要求支架有足夠的剛度，能承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。第 2 章 液壓支架的選型2.1 液壓支架的設(shè)計依據(jù)液壓支架畢業(yè)設(shè)計的原始條件應(yīng)從煤礦現(xiàn)場獲得或由指導(dǎo)教師給出。這些原始條件是液壓支架畢業(yè)設(shè)計的重要依據(jù)。它包括：頂壓、煤層高度（即厚度） 、煤層傾斜度、頂板性質(zhì)，底板強度及平整性、瓦斯含量、年產(chǎn)量等。1.頂壓：頂壓是設(shè)計支架承載能力的依據(jù)，承載能力安全系數(shù)一般取 1.2。2.煤層高度：它與支架設(shè)計的最大支撐高度有關(guān)。若是中厚煤層（1.3～3．5m） ，或較薄的厚煤層（3.5～4.5） ，一次采全高；或較厚的厚煤層（4.5m 以上） ，分層開采，設(shè)計支架的最大支撐高度應(yīng)大于采高。若厚煤層采用放頂煤開采方式，則支架設(shè)計的最大支撐高度只許大于采高即可。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 9 頁3．煤層傾斜度：煤層傾斜角度過大時，支架應(yīng)設(shè)置防滑防倒裝置。4．頂板性質(zhì)：頂板的性質(zhì)影響架型選擇。一般情況下，穩(wěn)定頂板選用支撐式支架；中等穩(wěn)定頂板選用支撐掩護式支架；不穩(wěn)定頂板選用掩護式支架。5．底板強度及平整性：它與移架的順利與否有關(guān)。因此涉及到支架底座的結(jié)構(gòu)形式、底座作用于底板合力的位置（即與支架架型和支架整體結(jié)構(gòu)布局有關(guān)）和推移千斤頂設(shè)置形式等。6．瓦斯含量：若瓦斯含量大，必須考慮支架的通風(fēng)斷面也要大。7．年產(chǎn)量：年產(chǎn)量涉及到采煤機的開采能力和運輸機的運輸能力（即選擇適當型號的采煤機和運輸機） ，因此設(shè)計支架的幾何參數(shù)也應(yīng)與之相應(yīng)配套。2.2 頂板的分類2.2.1 基本概念液壓支架具有支護和控制采煤后暴露的頂板，形成一個工作空間，保證工人和采運設(shè)備進行安全工作。圍巖包括頂板和底板，它們分別位于煤層的正上方和下方。頂板包含偽頂、直接頂和老頂。2.2.2 直接頂分類關(guān)于直接頂?shù)姆诸?，各個國家有其各自的方法。我國對直接頂?shù)姆诸愂且罁?jù)直接頂?shù)膹姸戎笖?shù) D 來劃分的。強度指數(shù) D 反映了直接頂強度的主要指標，即：D=10σ · · 或 D1=10σ· · （ ） 1C2 1C2aMP（2.1）上述系數(shù) D、C1 、C2 的值可由表 2-1 查得。表 2-1 直接頂分類Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ不穩(wěn)定頂板中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅硬 頂板類別指標內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 10 頁主要指標強度指數(shù) D強度指數(shù) D1≤30≤331～703～770～1207～12＞120＞12參考指標直接頂初次垮落步距L1(m)≤8 9～1819～25＞25無直接頂；層厚在 2～5m 以上；σD ＞60～80 MPa；節(jié)理裂隙間距和分層厚度大于 1m的整體巖層我國將直接頂板分為四類如下:1．不穩(wěn)定頂板:為破碎頂板,很容易冒落,隨支架前移而冒落,冒落后基本能充滿采空區(qū)。2．中等穩(wěn)定頂板:移架后隨之垮落,但因厚度不大且局部完整,冒落后不能充滿采空區(qū)。3．穩(wěn)定頂板：難以冒落。4．堅硬頂板：極難冒落。2.2.3 老頂分級老頂來壓的強弱取決于冒落帶充滿采空區(qū)的系數(shù) N(冒落帶巖石對采空區(qū)充滿程度N，即直接頂厚度與采高之比)和老頂初次來壓步距 L2 的大小。N 值用下式表示：N= hH（2.2）式中： h----直接頂?shù)暮穸龋╩） ；H----采高（m） 。根據(jù) N 和 L2 值，將老頂分為四級，如表 2-2 所示。表 2-2 老頂分級級 別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ周 不明顯 明顯 強烈 極強烈內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 11 頁期來壓指 標N＞3～50.3＜N≤3～5=25～2L30(m)0.3＜N≤3～5＞50(2Lm)N≤0.3=25～2L50(m)N≤0.3＞50(2Lm)當充滿采空區(qū)系數(shù) N 越大，老頂初次來壓步距 L2 越小時，老頂周期來壓就越不明顯，作用于液壓支架上的載荷就小而且穩(wěn)定。反之，周期來壓就強烈，作用于支架上的載荷就大，并且有沖擊。2.3 液壓支架的架型選擇從前面的受力分析得知，液壓支架的架形選擇，主要取決于頂板條件和地質(zhì)條件，結(jié)合各類支架的不同性能和特點，選擇一種較為合理的架型。下面簡要介紹影響架型選擇的因素和如何有針對性地進行架型選擇。2.3.1 已知設(shè)計條件1.支架參數(shù) 支撐高度 1.3/3.2(m)有效工作阻力和初撐力 3600/ 2880(KN)2.頂板類型 （1） 直接頂類別 Ⅰ類 屬于不穩(wěn)定頂板（2） 基本頂級別 Ⅲ級 老頂周期來壓強烈 2.3.2 支架架型選擇以及基本參數(shù)的確定A.液壓支架的架型選擇⑴ 選型原則 ：支架選型應(yīng)使支架支護強度與采面礦壓相適應(yīng)，支架結(jié)構(gòu)與煤層賦存條件相適應(yīng)，支護斷面與通風(fēng)相適應(yīng)，液壓支架與采煤機、輸送機等設(shè)備相匹配。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 12 頁⑵ 選型主要依據(jù)：所選采面的煤層狀況，頂?shù)装寮安蓞^(qū)的地質(zhì)條件，以及各不同的支架類型所具有的不同的性能和特點。 ⑶ 影響架型選擇的因素a.頂板直接頂?shù)念悇e與老頂?shù)募墑e對支架選型起主導(dǎo)作用。在回采工作面頂板分類方案中給出了不同頂板條件下液壓支架架型選擇的建議，可以參照：表 1-1。一般，頂板愈不穩(wěn)定，應(yīng)選擇支撐合力愈靠近煤壁、頂板愈短、頂梁前端支撐力較高的支架型式。例如支撐掩護式或支撐式掩護支架等，一般采用即時支護方式。必要時應(yīng)設(shè)置鉸接或可伸縮的前探梁等裝置，以保證較小的梁端距；架間有較完善的擋矸密封裝置。相反，頂板愈穩(wěn)定，一般老頂來壓也明顯，則應(yīng)選擇頂梁后端支撐力較高的架型。例如支撐掩護式或支撐式支架。必要時，可采用滯后支護方式和比較簡單的架間密封。對堅硬難冒頂板則應(yīng)使掩護梁盡可能陡立，支架應(yīng)有抗沖擊措施。b.底板⑴ 底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架底座的結(jié)構(gòu)和支撐面積。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 0.98 MPa左右） 。如果尖端比壓大于容許比壓，則需要改變支架結(jié)構(gòu)參數(shù)或另選架型⑵ 對于松軟底板，可以考慮如下建議：① 在配套設(shè)備許可情況下，采用插腿式掩護支架。② 一般不宜采用分體底座、靴式底座等。只有在采用底座抬起裝置和措施時，才可以考慮用分體底座。⑶ 煤層厚度① 厚度超過 2.5ｍ，頂板有側(cè)向推力或水平推力時，應(yīng)選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。② 厚度達到 2.5m 至 2.8m 以上時，需要選擇帶有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。③ 煤層厚度變化大時，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護式，帶有機械加長桿或雙伸縮立柱的支架。④ 假頂分層開采，應(yīng)選用掩護式支架。⑷ 煤層傾角內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 13 頁① 傾角在 10 度至 15 度（支撐式支架取下限，掩護式支架和支撐掩護式支架取上限）以上時選用帶有防滑裝置的支架。② 傾角在 18 度以上時，應(yīng)選用同時帶防滑防倒裝置的支架。如表 2-3 所示，支架架型。⑸ 底板強度① 驗算比壓，應(yīng)使支架底座對底板的比壓不超過底板的允許比壓。② 為了移架容易，設(shè)計時要使支架底座前部比后部比壓小。⑹ 瓦斯含量對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)斷面較大的支撐式或支撐掩護式支架。 表 2-3 支架架型選擇老頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ直接頂類別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4支架架型掩護式 掩護式 支撐式 掩護式掩護式 支撐式 支掩式 支掩式 支掩式支撐式 支掩式支撐式 支掩式 支撐式（采高＜2.5m）支掩式（采高＞2.5m）支架支護強度 (mpa)采 高 (m)1234300350（250）450（350）550（450）1.3×3001.3×350(250)1.3×450(350)1.3×550(450)1.6×0.301.6×0.351.6×0.451.6×0.55＞2.0×300＞2.0×350＞2.0×450＞2.0×550應(yīng)結(jié)合深孔爆破軟化頂板等措施處理采空區(qū)。注: ⑴ 表中括號內(nèi)的數(shù)字系掩護式支架頂梁上的支護強度。⑵ 1.3、1.6、2 為增壓系數(shù)。⑶ 表中采高為最大采高 。⑺ 地質(zhì)構(gòu)造斷層十分發(fā)育，煤層厚度變化過大，頂板的允許暴露面積和時間在 5—8 平方米和 20 分鐘以下時，暫時不宜使用綜采。⑻ 設(shè)計成本內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 14 頁在同時允許選用幾種架型時應(yīng)優(yōu)先選用價格便宜的支架。支撐式支架最便宜，其次是掩護式，最貴的是支撐掩護式支架。B.液壓支架架型的選擇液壓支架架型的選擇，主要取決于液壓支架的力學(xué)性能能否適應(yīng)礦井的頂?shù)装鍡l件和地質(zhì)條件。具體選擇可根據(jù)原煤炭部（81）煤科字第 429 號文件關(guān)于試用《緩傾斜煤層工作面頂板分類》和已知條件來選取架型按表 2-3 根據(jù)老頂級別和直接頂類別來確定支架架型，再根據(jù)老頂級別和采高確定支護強度。支護強度被定義為單位支護面積的支護阻力（或叫支架的工作阻力） 。根據(jù)以上各參考條件以及已知的設(shè)計條件（頂?shù)装宓刭|(zhì)條件）結(jié)合表 2-3，選 ZY型支撐掩護式支架，其支護強度為 1.6×0.45Mpa。第 3 章 支架性能分析及其主要工作參數(shù)的確定3.1 支架支護性能分析液壓支架屬于空間桿系機構(gòu)，在支架的工作過程中，各構(gòu)件常受到偏心與復(fù)合載荷，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 15 頁其受力情況比較復(fù)雜。為簡化計算和安全可靠起見，通常把支架看成為平面桿系機構(gòu)，以支架的最大工作阻力為依據(jù)，按最壞的工作情況下受垂直集中載荷的方式進行受力分析和計算，其合力的大小和作用點依據(jù)其具體結(jié)構(gòu)和取隔離體的方法來確定。3.1.1 影響支撐力的因素（1）當支架升降時，L、L 1、α、θ、h、c、β 都會發(fā)生變化，從而引起支架支撐效率的變化，必須合理設(shè)計支架的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，保證支架在升降高度的范圍內(nèi)支撐效率的變化不能太大。（2）立柱的傾斜角 α 越大，可以增大其升降范圍提高了其對煤層厚度的適應(yīng)性，但使其支撐效率降低了。為此一般限制支架在最高位時 α 為 10o左右，在最低位時 α 應(yīng)小于或等于 20o。這樣不僅支撐效率波動小，同時使立柱盡量靠近頂梁與掩護梁的鉸接點，以縮短 L1的距離，而增大支撐效率。（3）適當增大掩護梁的傾斜角 β 來減小 W 力也可提高支撐力。支架在最高位時，β=50 o～60 o，在最低位時，β 不得小于 10o。（4）四連桿機構(gòu)的瞬心應(yīng)盡量接近頂梁平面，有助于減少支撐力的波動，一般限制θ≤6 o～9 o。有條件，最好進行四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。3.1.2 支架所受水平力支架上受的水平力有兩個方面：即由外載荷作用產(chǎn)生的水平力和支架本身結(jié)構(gòu)造成的水平力。前者是必然的，后者在于架型結(jié)構(gòu)。外載荷作用產(chǎn)生的水平力由頂板載荷和掩護梁載荷產(chǎn)生：頂板載荷的作用使頂梁向老塘側(cè)傾斜如圖 3-7 所示，這樣，頂板除給頂梁一個垂直分力 Rcosα 外，還給頂梁施加一個指向老塘的滑動力 Rsinα，因頂梁傾角 α 很小，所以可近似地把該滑動力看成頂板給支架向后的水平力。另外，冒落的矸石作用在掩護梁上，也會對支架產(chǎn)生向前的水平推力，如圖 3-7 所示，其大小取決于外載荷的大小、作用方式、掩護梁的傾角 β、矸石冒落的高度 H 等，其計算如下：β·sinβ （KN） （3.1）'210cosgHTKWt?沖式中： ----矸石以沖擊方式作用在掩護梁斜面而產(chǎn)生的水平力（KN） ；沖內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 16 頁K----矸石對掩護梁作用方式系數(shù)，一般 K=0～1，大塊矸石作用時取最大值；W‘、t、H----冒落矸石的重量、沖擊作用時間、沖擊高度（T、S、m） ；g----重力加速度 g=9.8m/ ；2sβ----掩護梁與頂梁水平面間的夾角（度） 。圖 3-7 頂板和矸石分別對頂梁和掩護梁產(chǎn)生的水平力支架本身結(jié)構(gòu)引起的水平力主要與立柱的布置方式和保護支架的穩(wěn)定機構(gòu)有關(guān)。立柱布置方式引起的水平力的大小取決于立柱工作阻力、傾斜角度、立柱數(shù)量等。而保護支架穩(wěn)定機構(gòu)引起的水平力與其不穩(wěn)定程度有關(guān)。 3.1.3 支架的側(cè)向力在斜煤層中，由于頂板層理發(fā)育，頂板離層或破碎等原因，頂板對支架有著側(cè)向推力的作用，如圖 3-8 所示，其大?。簣D 3-8 頂板受側(cè)向力圖 3-8 頂板對支架的側(cè)向推力圖 3-8 頂板對支架的側(cè)向推力內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 17 頁γ （KN） （3.2）TRtg??側(cè)式中：R----支架對頂板的支撐阻力（KN） ；γ----煤層傾角（度）有已知條件可取最大值 15 度。由此可以算出側(cè)向力為 =1206(KN)T側(cè)由于立柱采用球面鉸接連接，故此側(cè)向力施到四連桿機構(gòu)上，呈現(xiàn)出翻轉(zhuǎn)力矩為：γ （KN·m） （3.3）MTHRtg??側(cè)式中：H----支架的支撐高度（m） 。 3980（KN·m）M?因此，對于上述傾斜煤層中使用的支架必須設(shè)置防倒和防滑裝置。3.1.4 支撐掩護式支架受力支撐掩護式支架結(jié)合了支撐式支架支撐力大和掩護式支架掩護性能好等優(yōu)點，因此對頂板的適應(yīng)性能強，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。同樣用前述取隔離的方法，對該類支架進行受力分析：3.1.4.1 直接支撐的支撐掩護式支架其受力情況如圖 3-9 所示。通過取隔離體的方法計算出頂梁上載荷 R 的大小及其作用點的位置 x 分別為：（KN）1212[coss ]cRPWftg L????????（ Pin+si） tg-（3.4）（m） （3.5）1122x??（ L+co）3.1.4.2 混合支撐的支撐掩護式支架其受力分析如圖 3-10 所示。同樣用取隔離體的方法計算出頂梁上載荷 R 的大小及其作用點的位置 x 分別為： 21 2[coscosLRPftg??????（ -） P（KN） （3.6）12]W?（ in+i） tg-（m） （3.7）cosxLR??內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 18 頁支撐掩護式支架的適用性很廣，可用于頂板堅硬、壓力較大或破碎的各種煤層。但與支撐式和掩護式支架相比，造價較高。支撐掩護式支架受力分布情況如圖 3-11 所示。圖 3-9 直接支撐的支撐掩護式支架圖 3-10 混合支撐的支撐掩護式支架內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 19 頁圖 3-11 支撐掩護式支架的受力分布圖由于直接支撐的支撐掩護支架的支撐效率比較高，而兩柱式支架的工作空間比較大，設(shè)計比較簡單，所以在此選用兩柱式的支架。3．2 支架主要工作參數(shù)的確定液壓支架主要工作參數(shù)包括：支護強度 q、工作阻力 P、初撐力 、支架高度 H、伸'縮系數(shù) K、梁端距 c、梁端支撐力 R1、移架力 F1和推溜力 F2等。3.2.1 支護強度 q支護強度表示支架單位支護面積上所承受的力。所設(shè)計支架支護強度的大小直接影響支架的重量、成本和其使用范圍。設(shè)計支架支護強度可以按照表 2-6 給出的推薦值或現(xiàn)場測量頂板壓力情況外，還可以通過計算來確定。其計算式如下：（ ） （3.8）22110qkH?????（ T/m） =kaMP式中：k1----作用于支架上頂板巖石厚度系數(shù)。H ----采高（m） ；γ----巖石容重，一般取 2.3 T/ m2。我國取 k1=5，西德取 k1=5.2，日本取 k1=5，英國取 k1=5～7，蘇聯(lián)取 k1=6～8，印度取 k1=5，美國取 k1=16，波蘭取 k1=6；由上述可見，國內(nèi)外對液壓支架支護強度都是按巖石自重法來確定其大小的。其特點是：都用采高的倍數(shù)和巖石容重的乘積來表示，區(qū)別在于因煤層條件不同而取不內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 20 頁同的系數(shù)。因此，采高越大，支護強度也越大。由上章表 2-1 可以按國家標準選取支護強度為 0.684—0.756Mpa,在此取 q=0.7Mpa。3.2.2 工作阻力 P工作阻力是指支護強度 q 與支護面積 F 的乘積，即為支架對頂板的總支撐力， （支護面積 F 應(yīng)按前邊圖 2-7 和式 2-4 計算） 。它是支架的重要參數(shù)。支架的結(jié)構(gòu)尺寸、強度和支撐能力都取決于工作阻力。為確保支架有效、安全地工作，必須使其工作阻力與頂板載荷相適應(yīng)，即：P≤R （3.9）式中：P----支架具有的工作阻力（KN） ；R----支架工作時需承受的頂板載荷（KN） 。由上述可見，確定支架的工作阻力實際上是確定支架需要承受頂板的載荷。頂板載荷應(yīng)根據(jù)礦山壓力的大小來決定。由于影響礦山壓力和其顯現(xiàn)規(guī)律的因素很多，如巖石性質(zhì)、煤層厚度、煤層傾斜角、煤層硬度、工作面長度、控頂距、推進速度、落煤方式等，所以對頂板載荷至今仍無更科學(xué)的計算方法。目前多用現(xiàn)場分析和觀察，進行近似估算或折算。通?？紤]到初撐效率時（由于頂梁和掩護梁鉸接，立柱有傾斜） ，已知有效工作阻力為 3600KN，取支撐效率為 0.8，可以算出總的工作阻力 P=4500KN。3.2.3 初撐力支架的初撐力是指在泵站的工作壓力下，支架對頂板最初的支撐能力。它也是支架的一個重要參數(shù)。初撐力的大小取決于泵站壓力，立柱數(shù)量和立柱的缸徑，其最大值由泵站溢流閥所限定，即：（KN/架） （3.10）2140bnDP????式中：P b ----泵站的工作壓力（MP a） ；其余符號同前。初撐力的選擇級為重要，它對直接頂?shù)钠茐淖饔煤头€(wěn)定性、支架與圍巖之間的平衡狀態(tài)，以及支架本身的工作狀態(tài)都有決定性的影響。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 21 頁選擇較大的初撐力能使支架很快達到工作阻力，減少頂板下沉，防止頂板過早離層破碎。因此，在堅硬、中硬或破碎頂板中，應(yīng)選用較高的初撐力。特別對于掩護式支架，高初撐力是其能否控制住破碎頂板的關(guān)鍵。而當頂板較軟時，初撐力必須控制在頂板極限強度語序的范圍內(nèi)，否則，將引起頂板過早破壞。由于地質(zhì)條件和開采技術(shù)的差別，目前各國選用的初撐力也不盡相同，我國早期由于液壓支架泵站壓力低，僅取（0.3～0.5）P，近幾年已達到 0.8P 以上；西德?。?.7～0.85）P；蘇聯(lián)取 0.5P；日本取（0.7～0.8）P。在此取 0.8P，所以2880（KN） 。1?3.2.4 支架高度 H 和伸縮系數(shù) K支架高度的正確選擇是支架能否正常工作關(guān)鍵。支架的高度主要由煤層的最大和最小采高決定，因此應(yīng)根據(jù)采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件變化情況和煤層等因素來確定。其最大與最小高度為：（mm） （3.11）max1Hhs??（mm） （3.12）ini2a?式中：H max 、H min ----支架的最大和最小結(jié)構(gòu)高度（mm） ；hmax 、h min ----煤層的最大和最小厚度（mm） ；s1 ----前排立柱處頂板的最小下沉量（mm） ；s2 ----后排立柱處頂板的最小下沉量（mm） ；a ----移架時，支架的最小可伸縮量，一般取 。50am?支架伸縮系數(shù)是支架的最大結(jié)構(gòu)高度與最小結(jié)構(gòu)高度的比值（設(shè)計任務(wù)書上已經(jīng)給出最大和最小結(jié)構(gòu)高度） ，即：（3.13） maxin3.2.461HK??式中：H max ----支架最大結(jié)構(gòu)高度，應(yīng)比最大采高大 200mm 左右（考慮頂板下沉的影響） ；Hmin ----支架最小結(jié)構(gòu)高度，應(yīng)比最小采高小 250～350mm 左右（考慮浮煤的影響）對于薄煤層，頂板下沉和浮煤的影響較小，可使支架的最大、最小高度接近于煤層內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 22 頁的最大、最小厚度。立柱的伸縮系數(shù) k 反映了支架結(jié)構(gòu)高度對煤層厚度變化的適應(yīng)能力。如果 k 過大，在設(shè)計中難以實現(xiàn)。一般，對于單伸縮立柱的支架，k 值不小于 1.6；對于雙伸縮立柱的支架，k 取 1.9；四柱掩護式支架和支撐式支架，k 取 2.5；兩柱掩護式支架，k 可達到3；薄煤層使用的支架，k 值取大些。在此 k 取 2.5。3.2.5 梁端距梁端距即移架后梁端到煤壁的距離，通常指不考慮煤壁片幫、煤壁歪斜或移架不足等因素影響的理論值。生產(chǎn)實踐證明：決定支護效果的是頂梁前端到煤壁的距離，即梁端距越小，即使冒頂洞穴也不多。對于破碎頂板，梁端距不應(yīng)超過 100mm，但實際上很難實現(xiàn)。我國綜采實踐認為：梁端距的大小對支架前頂板的冒落情況有很大影響，尤其是破碎頂板，梁端距過大，會使頂板難以控制。但是，梁端距過小則易產(chǎn)生采煤機滾筒割頂梁事故。因為在輸送機向采空區(qū)方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或運輸機推移量不足時，采煤機的上滾筒和頂梁之間的距離就會減少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250～300mm，最大不超過 400mm。由于已知條件已經(jīng)給出頂板條件不穩(wěn)定，為破碎頂板，所以梁端距應(yīng)該取為 100mm。3.2.6 移架力 和推溜力1F2移架阻力與支架 v 結(jié)構(gòu)、重量、煤層厚度以及頂板、底板等條件有關(guān)，特別是后幾種條件的變化差別較大，很難計算，依據(jù)實踐經(jīng)驗，通常在薄煤層中取 100～150KN，在中厚煤層中取 150～250KN，在厚煤層中取 300～400KN。由已知條件知，煤層為中厚煤層，所以選擇移架力為 250KN。推溜力應(yīng)克服向煤壁推移運輸機的阻力，一般取推溜力為 100KN 左右。當泵站壓力確定之后，設(shè)計移架和推溜所用上作用千斤頂?shù)耐屏屠Ψ謩e為：活塞腔： （KN） 21340bDP????（3.14）活塞桿腔： （KN） 21340b?（ -）（3.15）式中：P b----泵站的工作壓力（MP a） ；內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 23 頁D1----千斤頂缸體內(nèi)徑（mm） ；D2----千斤頂活塞桿直徑（mm） 。第 4 章 液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計4.1 整體結(jié)構(gòu)的確定4.1.1 支架高度和支架伸縮比內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 24 頁已知設(shè)計條件已給出支架的最大支撐高度和最小支撐高度分別為 3.2，1.3。由上一章分析和計算知支架的伸縮比是最大與最小高度之比值即：m = H / H = 3.2/1.3= 2.46 (4.1)n由于液壓支架的使用壽命較長，并可能被安裝在不同采高的采煤工作面，所以，支架應(yīng)具有較大的伸縮比。在采用雙伸縮立柱時，垛式支架的伸縮比為 1.9；支撐掩護式支架為 2.5；掩護式支架可達 4。一般范圍是 1.5 至 2.5，煤層較薄時選大值。但考慮盡量減輕支架的重量，降低造價，可搞系列化，加強支架對頂板的適應(yīng)性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或帶機械加長桿來增加調(diào)高范圍。在此根據(jù)上述條件選擇為 2.5。4.1.2 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b =B +nc (4.2)cm3式中 b ——支架間距（支架中心距） ，cB ——每架支架頂梁的總寬度，mc ——相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙，3n ——每架所包含的組架或框架數(shù)，整體自移式支架 n = 1；整體邁步式支架 n = 支架節(jié)數(shù)。支架間距 b 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c機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機溜槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為 1.5m，千斤頂連接塊位置在溜槽中長的中間,所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架中心距一般為 1.5m。4.1.3 底座長度底座是將頂板壓力傳遞到底版和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計支架的底座長度時，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對頂板的接觸比壓要?。恢Ъ軆?nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性等。通常支撐掩護式支架的底座長度取 4 倍的移架步距（一個移架步距為 0.6m） ，即 2.4m 左右。取底座長度：2.4m。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 25 頁支架底座寬度一般為 1.1～1.3 m。取底座寬度：1.3 m。4.2 四連桿機構(gòu)的作用及幾何特征4.2.1 四連桿機構(gòu)的作用四連桿機構(gòu)是掩護式支架和支撐掩護式支架的重要部件之一。其作用概括起來主要有兩個，其一是當支架由高到低的變化時，借助四連桿機構(gòu)使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。4.2.2 四連桿機構(gòu)的幾何特征⑴支架高度在最大和最小范圍變化時，如圖 4-1 所示，頂梁前端點運動軌跡的最大寬度 e 應(yīng)大于或等于 70mm，最好為 30mm 以下。圖 4-1 四連桿的幾何特征圖⑵支架在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角 P 和后連桿與底平面的夾角 Q，應(yīng)滿足如下要求：支架在最高位置時，P ≤ 52°～ 62°，Q ≤ 75°～ 85°；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，阻止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求 tgP W，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù) W = 0.3，則 P = 16.7°而 Q 角主要考慮后連桿底部距底板要有一定的距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取 Q ≥ 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。⑶從圖 4-1 可知，掩護梁與頂梁鉸點和瞬時中心之間的連線與水平線的夾角為，θ內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 26 頁設(shè)計時要使 a 角滿足 tgθ≤0.35 的范圍，其原因為 θ 角直接影響支架承受附加力的數(shù)值的大小。圖 4-2 四連桿的幾何特征⑷ 應(yīng)取頂梁前端點運動軌跡雙紐線向前凸的一段為支架的工作段。其原因是當頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使支架有向前移的趨勢，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)。同時底板阻止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針的轉(zhuǎn)動趨勢，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，有利于移架。水平力的合力也相應(yīng)減小，所以減輕了掩護梁的外載荷。 從以上分析得知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計四連桿機構(gòu)的運動軌跡時，應(yīng)盡量是 e 值減小，取雙紐線向前凸的一段為支架的工作段。所以，當已知掩護梁和后連桿的長度后，從這個觀點出發(fā)，在設(shè)計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構(gòu)，運用作圖法就可以了，如圖 4-2 所示（實際上液壓支架四連桿機構(gòu)屬雙搖桿機構(gòu)） 。圖 4-3 掩護梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 27 頁GH1H 2A2?16LQ2?4.2.3 掩護梁和四連桿長度的確定 一、掩護梁和四連桿的性能要求由于掩護梁與底座間構(gòu)成一個雙搖桿四桿機件。所以掩護梁的長度設(shè)計首先應(yīng)滿足一定的運動條件，其次是要盡量獲得良好的受力狀態(tài)。它們可歸結(jié)為以下設(shè)計要求。（1）應(yīng)滿足采高范圍要求；（2）支架升降過程中的梁端距的變動量 70～100mm；?（3）掩護梁的速度瞬心與鉸點 A 的連線與水平線的夾角 應(yīng)小于 ，如圖 4-9，最??9大不能超過 ，以限制支架支撐力的波動量小于 %。?19 5?（4）掩護梁總長不要大于兩搖桿在掩護梁上鉸接點距離的 4 倍，即 。14L?（5）掩護梁的傾角 不宜太小，支架在最低位置時， 應(yīng)大于 ，一般取 左右，???0?5以免被矸石壓死，難于移架；支架在最高位置時， 可達 ～ ，以減少堆積在掩護?5?6梁上的矸石，提高支撐效率，減小移架阻力。（6）掩護梁與前搖桿的夾角 ，以免出現(xiàn)死角。?130max??（7）前、后搖桿都向采空區(qū)傾斜，前搖桿與水平面夾角的最大值 〈 ，后搖桿1??80與水平面夾角的最大值 ，一般取 ～ ，這樣支架整體受力比較合理，其?801???2???8結(jié)構(gòu)尺寸也較緊湊。用解析法來確定掩護梁和后連桿的長度，如圖 4－4 所示。1內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 28 頁圖 4－4 掩護梁和后連桿計算圖可設(shè)：G――為掩護梁長度； A――為后連桿的長度；――為 點引垂線到后連桿下鉸點之距； 6L'e――為支架最高位置時的計算高度；1H――為支架最低位置時的計算高度；2從幾何關(guān)系可以列出如下兩式：利用 和 估計 G、A 和 ，用如下解析法：（如圖 4-6）126L(4.3)111sinsiH??????222(4.4)611cossLGA???22???聯(lián)立上述后兩式可得：(4.5)12cos?GA說明：支架計算高度為支架高度減去掩護梁上鉸點之頂梁面之距和后連桿鉸點至底座底面之距。按四連桿機構(gòu)和掩護梁的幾何特征要求，選定 代入上式，分別取上述2121??、、、四者值經(jīng)過調(diào)整，可求出兩者之間的比值為 0.7。符合支撐掩護式支架的 0.61～0.82?GA支架在最高位置的計算高度為：= GsinP1 + AsinQ1; (4.6)1H根據(jù) 的值,由式（4-8）就可以求出掩護梁的長度 G＝2127mm 和后連桿長度GA內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 29 頁A＝1419mm。二、四連桿機構(gòu)的尺寸設(shè)計1. 優(yōu)化設(shè)計法首先確定設(shè)計變量，如圖 4—5，可取 L1、L2(即 A)、L3、L4 、L5、L6 和 L(即 G)七個參數(shù)為設(shè)計變量。再根據(jù)支架使用的實際情況，設(shè)定幾個評價支架優(yōu)劣的指標，并建立目標函數(shù)，目標函數(shù)的建立可考慮以下幾個方面：圖 4-5 四桿機構(gòu)的機構(gòu)圖（1）在支架的整個調(diào)高范圍內(nèi)；梁端距變化最小。（2）在支架的整個調(diào)高范圍內(nèi)，掩護梁受力最小，桿長較小，彎矩較小。 （3）在確保安全的條件下，支架的重量最輕。 （4）構(gòu)件斷面的配置優(yōu)化，充分利用材料的彈性變形來控制構(gòu)件的承載能力。根據(jù)鄭州煤機廠的設(shè)計經(jīng)驗：對于四桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，一般取三個目標函數(shù)，七個設(shè)計變量，至多二十六個約束方程，就能基本滿足工程設(shè)計人員的要求。由于畢業(yè)設(shè)計的時間限制，可選定目標函數(shù)，七個設(shè)計尺寸也可先設(shè)定一、兩個或設(shè)定兩、三個尺寸的對應(yīng)關(guān)系，約束方程也可適當少取，約束方程可利用幾何條件，以及前面提到的運動條件和受力條件寫出。優(yōu)化問題的解法可參考有關(guān)的工具書，也可利用手頭的程序來確定解法。在求解之前，可按經(jīng)驗、類比和一些簡單的幾何條件，設(shè)定求解的初始值。初始值應(yīng)為可行域中的一點。2. 圖解法圖樣法直觀、簡單，但只要涉及試湊的問題往往都比較麻煩，因此常將它與解析法合用，再加一定的經(jīng)驗和類比，問題的解總是可以找到的。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第 30 頁作圖過程如下：（1）選頂梁與掩護梁的鉸接點擬作頂梁前端點，它的高度變化范圍就好似支架的調(diào)高范圍，它在調(diào)高范圍內(nèi)的水平偏移量就是梁端距變化量。等到四連桿機構(gòu)的尺寸確定之后，再考慮頂梁和立柱，于是支架的基本結(jié)構(gòu)就定出來了。（2）根據(jù)支架的調(diào)高范圍，作 m-m 垂線，在 m-m 線上標出頂梁與掩護梁的鉸接點的最高位置 A1 和最低位置 。并在 m-m 線上取 Q 點，使 Q= =3000mm， Q= 2A1A1H2A=2000mm， 和 為最大采高和最小采高。在 Q 點作 m-m 垂線 x-x。2H1H（3）在 和 點作水平線和斜線，使斜線與水平線的交角為 ， ，1A2 ?501???6.2在斜線上取長 L，得 C1、C2 點，它們是掩護梁與后搖桿的鉸接點。在 x-x 線上作QD= =1000mm，D 點是后搖桿與底座的鉸接點。連接 CD 就是后搖桿，現(xiàn)在再根據(jù)作圖情6況驗算 角和 角，調(diào)整各值，直到基本滿意為止。??（4） 在 AC 線上找一點 B，使 AC ，再利用以往的設(shè)計經(jīng)驗，取C4?=1328mm， =1419mm。 B 點是前搖桿與掩護梁的鉸接點，B 點的運動軌跡應(yīng)是一段圓弧，3L2其曲率中心就是前搖桿固定鉸點 E。（5）到此連桿機構(gòu)的 A、B、C、D、E 等 5 個鉸點就初步定出，下面的工作就是進一步調(diào)整 E，B 倆點的位置，調(diào)整的目標是控制 A 點運動軌跡的水平偏移量 〈70～100㎜，?其方法是把后搖桿的擺角分成若干份，做出掩護梁上 B 點和 A 點的一系列相應(yīng)位置，使圖 4-6 四連桿機構(gòu)作圖圖 4-10 四連桿機構(gòu)作圖EQ D