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河北工程大學畢業(yè)設計
摘 要
采煤綜合機械化，是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展，大幅度提高勞動生產率，實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項戰(zhàn)略措施。綜合機械化不僅產量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動，改善作業(yè)環(huán)境，是煤炭工業(yè)技術的發(fā)展方向。液壓支架是綜合機械化采煤方法中最重要的設備之一。
本論文主要闡述了一般掩護式液壓支架的設計過程。設計內容包括：選架型、總體設計、主要零部件的設計和主要零部件的校核。
由于該煤層厚度適中，選用掩護式液壓支架。煤層厚度介于之間，煤層厚度變化較大，選用調高范圍大且抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。支架采用正四連桿機構，以改善支架受力狀況。頂梁、掩護梁、底座均做成箱體結構；立柱采用雙伸縮作用液壓缸，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。為了提高移架速度，確保對頂板的及時支護，采用錐閥液壓系統(tǒng)。
關鍵詞：液壓支架 四連桿機構 支架選型 推溜 移架
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.
The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design.
Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the 2.5~3.8 rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system.
Key word: The hydraulic pressure support , four-link mechanism , support shaping push forwards the conveyer, advancing the powered support.
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 液壓支架概論 1
1.1 液壓支架的設計目的 1
1.2 液壓支架的使用現(xiàn)狀 1
1.3 國內外液壓支架的差距及今后的發(fā)展趨勢 1
1.4 液壓支架的應用和意義 2
1.5 液壓支架的組成和分類 3
1.5.1 液壓支架的組成 3
1.5.2 液壓支架的分類及特點 3
1.6 液壓支架的工作原理 5
1.7 液壓支架的支護方式 8
第2章 液壓支架整體結構設計 8
2.1 液壓支架的參數要求 8
2.1.1 液壓支架的原始數據 8
2.1.2 液壓支架的基本要求 9
2.1.3 液壓支架的基本參數 9
2.1.4 液壓支架的選型原則 10
2.2 液壓支架主要尺寸的確定 11
2.2.1 液壓支架的高度確定 11
2.2.2 支架的伸縮比確定 12
2.2.3 支架的支護強度 12
2.2.4 支架的間距確定 12
2.2.5 底座長度的確定 13
2.3 液壓支架四連桿機構的確定 14
2.3.1 四連桿機構的作用 14
2.3.2 四連桿機構設計的要求 14
2.3.3 附加力對液壓支架受力的影響 16
2.3.4 兩點之距對支架受力的影響 16
2.3.5 后連桿與掩護梁長度比值對支架受力的影響 16
2.4 液壓支架四連桿機構的設計 17
2.4.1 掩護梁和后連桿長度的確定 17
2.4.2 幾何作圖法作圖過程 19
2.5 液壓支架頂梁結構設計 20
2.5.1 頂梁的基本概念和作用 20
2.5.2 頂梁的結構形式 21
2.5.3 對頂梁長度的影響 23
2.5.4 頂梁的斷面形狀 23
2.5.5 頂梁長度的計算 24
2.5.6 頂梁寬度和底座寬度的確定 26
2.6 液壓支架掩護梁結構設計 26
2.6.1 掩護梁的作用和用途 26
2.6.2 掩護梁的結構型式 26
2.6.3 掩護梁的參數確定 27
2.7 液壓支架側護板結構設計 27
2.7.1 側護板的種類 27
2.7.2 側護板的結構形式 27
2.7.3 側護板尺寸的確定 28
2.8 液壓支架底座結構設計 28
2.8.1 底座的設計要求 28
2.8.2 底座的結構形式 29
2.8.3 底座的參數確定 29
第3章 液壓支架受力分析與計算 30
3.1 鉸接式頂梁掩護式液壓支架的整體受力分析 30
3.2 液壓支架頂梁和掩護梁的受力分析與計算 31
3.2.1 取頂梁為分離體進行受力分析 31
3.2.2 取頂梁和掩護梁為分離體進行受力分析 32
3.2.3 取掩護梁為分離體進行受力分析 32
3.2.4 頂梁的載荷分布 33
3.2.5 頂梁的支護強度 35
3.3 液壓支架底座的受力分析與計算 35
3.3.1 取底座為分離體進行受力分析 35
3.3.2 底座接觸比壓計算 36
第4章 液壓支架的強度校核 37
4.1 校核的材料選擇和基本要求 37
4.2 頂梁的強度校核 38
4.2.1 頂梁的受力情況分析 38
4.2.2 頂梁的強度校核計算 38
4.3 掩護梁的強度校核 40
4.3.1 掩護梁的受力情況分析 40
4.3.2 掩護梁的強度校核計算 40
4.4 底座的強度校核 42
4.4.1 底座的受力情況分析 42
4.4.2 底座的強度校核計算 42
4.5 前后連桿的強度校核 43
4.5.1 前連桿的強度校核計算 43
4.5.2 后連桿的強度校核計算 44
4.6 銷軸和耳座的強度校核 44
4.6.1 耳座的強度校核計算 44
4.6.2 銷軸的強度校核計算 45
第5章 結 論 47
參考文獻 48
致謝 49
50
第1章 液壓支架概論
1.1 液壓支架的設計目的
采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產量、提高經濟效益的必由之路。為了滿足煤炭日益增長的需要，必須大量生產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）。而每個總裁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底板條件、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。為了有效地支護和控制頂板，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是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也是很大的。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 液壓支架的使用現(xiàn)狀
液壓支架的設計、制造和使用，從1854年英國研制成功了液壓支架發(fā)展到現(xiàn)在，已經基本成熟，已經基本成熟，它已經形成了能另適用各種不同煤礦地質條件的各類液壓支架。
從液壓支架的形式來看，有支撐式液壓支架發(fā)展到掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架；從支架的質量來看，有輕型液壓支架和重型液壓支架；從支撐高度來看，有薄煤層液壓支架、中厚煤層分層和厚煤層液壓支架，其中厚煤層液壓支架鼬分厚煤層一次采全高液壓支架、厚煤層分層開采液壓支架和放頂煤液壓支架；從用途來看，有端頭液壓支架和中間液壓支架。所以從液壓支架的現(xiàn)狀開看，液壓支架已經發(fā)展到一個完整的液壓支架體系。從液壓支架的設計來看，由過去的手工設計發(fā)展到全部計算機程序設計?？傊?，隨著時代的發(fā)展的進步，液壓支架設計、制造和使用，將越來越完善、安全、可靠。
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)過日產萬噸甚至班產萬噸的記錄，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、鋪網支架、兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處，但國產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，并減少千斤頂的數量。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。
1.4 液壓支架的應用和意義
隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，國民經濟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技術面貌發(fā)生了巨大的變化。自1954年英國裝備了世界上第一個液壓支架工作面開始，采煤技術實現(xiàn)了綜合機械化。綜合機械化。就是工作面采煤、運輸和支護三大主要生產環(huán)節(jié)都是現(xiàn)機械化。也就是說，采用滾筒式或刨削式等采煤機械落煤與裝煤；工作面重型可彎曲運輸機，以及與之適應的順槽轉載機和可伸縮皮帶運輸機等運煤；自移式液壓支架支護和管理頂板。這幾種設備相互配合，組成了綜合機械化采煤設備。
液壓支架是以高壓液體為動力，由若干液壓元件（油缸和閥件）與一些金屬結構件組合而成的一種支撐和控制頂板的采煤工作面設備，能實現(xiàn)支撐、降落移架和推移運輸機等一整套工序。液壓支架技術上先進，經濟上合理，安全上可靠，當前世界各國都在不斷地提高采煤工作面的綜合機械化水平。
我國于1964年開始研制液壓支架，到目前已經取得可較好的效果。1974年以來，從西德、英國、蘇聯(lián)和波蘭等國引進了許多不同類型的液壓支架。實踐證明，液壓支架具有強度高、支護性能好、移設速度快、安全可靠等優(yōu)點，能使采煤工作面達到高產量、高回采率和高工效，能大大減輕勞動強度，降低成本和掘進率，實現(xiàn)安全生產。
1.5 液壓支架的組成和分類
1.5.1 液壓支架的組成
液壓支架是綜采工作面支護設備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備。
液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。液壓支架按其結構特點和與圍巖的作用關系—“般分為三大類，即支撐式、掩護式(圖1-1)和支撐掩護式(圖1-2) 根據支架各部件的功能和作用，其組成可分為4個部分：
(1) 承載結構件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。
(2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各種動作，產生液壓動力。
(3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。
圖1-2 支撐掩護式液壓支架結構
圖1-1 掩護式液壓支架結構
1 掩護式液壓支架結構 圖1-2 支撐掩護式液壓支架結構
(4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動側護板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。
1.5.2 液壓支架的分類及特點
按液壓支架在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（圖1-3 a）和節(jié)式支架（圖1-3 b）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)式支架由個框節(jié)組成，移架時，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，其長度多在左右；立柱多，一般是根，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，故切頂性能好；對頂板重復支撐的次數多，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時都已基本不再采用。
2. 掩護式支架（如圖1-1）
其主要由前梁、主梁、掩護梁和側護板、底座、前后連桿、前梁千斤頂、推移千斤頂、操縱閥等組成。
(a) (b)
圖1-3支撐式支架結構形式
—垛式支架 —節(jié)式支架
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（如圖1-2）
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，可適應各種頂底板條件。
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。
4. 特種液壓支架
特種液壓支架是為了滿足某些特殊的要求而發(fā)展起來的液壓支架，在結構形式上仍屬于以上某種液壓支架。包括放頂煤支架等。
1.6 液壓支架的工作原理
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。如圖1-4示
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。
圖1-4 液壓支架工作原理
-頂梁 -立柱 -底座 -推移千斤頂 -安全閥 -液控單向閥 、-操縱閥 -輸送機 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管
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的活塞桿腔，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的活塞腔，另一腔回液，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1-5所示：
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
-初撐階段； -增阻階段； -恒阻階段；-初撐力；-工作阻力
（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，支架的夜控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段，
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）
圖1-5 支架的工作特性曲線
式中 --支架立柱的缸徑，；
--泵站的工作壓力，；
--支架立柱的數量。
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，當低于安全閥壓力調整之后，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，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，。
1.7 液壓支架的支護方式
綜采工作面的主要生產工序有采煤、移架和推溜。 3個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關系。
1 即時支護
—般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機”的配套關系。即時支護的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應用最廣泛的支護方式。
2 滯后支護
一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。
3 復合支護
—般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。
復合支護的特點是：支護滯后時間短，但增加了反復支撐次數。可適用于各種頂板條件，但支架操作次數增加，不能適應高產高效要求，目前應用較少。
第2章 液壓支架整體結構設計
2.1 液壓支架的參數要求
2.1.1 液壓支架的原始數據
基本（老）頂級別: Ⅰ級
直接頂級別:2
支撐高度:2.5m～5.0m
工作阻力和初撐力3500～3600/2000～2500(kN)
2.1.2 液壓支架的基本要求
1. 四連桿機構應進行優(yōu)化設計，使支架梁端距變化小，支架受力狀態(tài)最佳，結構上既滿足工作空間要求，又能承受足夠的縱向、橫向力及扭矩。
2. 前梁無論是伸縮式或是挑梁式，都應能及時支護頂板。前梁由前梁千斤頂控制，可上、下擺動。與頂板保持良好的接觸，維護機道上方頂板。伸縮梁靠伸縮千斤頂和前梁作相對滑移．用以及時支護新暴露的頂板。
3. 頂梁。頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。它可多次反復支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側護板，活動側裝有千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸及調節(jié)支架間距。若四連桿機構與頂梁鉸接，要有可靠的鉸接支座。
4. 掩護梁。它用于承受部分煤、矸載荷，防止其竄入后輸送機的工作空間，保證支架、后輸送機正常運行。根據不同的支架類型，掩護梁有伸縮插板式和在下端鉸接一伸縮尾梁式，它裝有側護板．作用與頂梁側護板相同。掩護梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。
5. 底座。其作用是將支架承受的頂板壓力和側向力傳至底板。它既要有足夠的強度和剛度，又應滿足底板比壓不超限。保證支架整體穩(wěn)定性的關鍵是在底座上鉸接四連桿機構，在底座中間設置有推移裝置，側面設置拉后輸送機的千斤頂和推移桿。
6. 推移裝置。此機構關系到支架能否正常推移，由千斤頂和推移桿組成。推移桿結構有長推桿或是由兩部分短推移桿組成。
7. 尾梁。四連桿機構與掩護梁鉸接的支架，在掩護梁下鉸接一可轉動的伸縮插板尾梁，用以放煤、保證放煤高度及維護工作空間。對于大塊煤可利用插板進行破碎。尾梁裝有側護板，作用與頂梁、掩護梁的側護板相同。
8. 液壓控制系統(tǒng)及立柱、千斤頂。液壓系統(tǒng)由各液壓件、管路系統(tǒng)組成，它應保證立住、千斤頂完成支架要求的各種性能，并達到設計技術參數。
2.1.3 液壓支架的基本參數
1. 頂板條件。根據基本頂和直接頂的分類，對支架進行選型。
2. 最大和最小采高，。根據最大和最小采高，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。根據瓦斯等級，按《煤礦安全規(guī)定》弟一百零五條規(guī)定，驗算通風。
4. 底板巖性及小時涌水量，根據底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
5. 工作面煤壁條件。分居工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
6. 煤層傾角。根據煤層傾角，決定是否選用防倒防滑裝置。
7. 井筒灌籠尺寸。根據井筒灌籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。
8. 配套尺寸。根據配套尺寸及方式來計算頂梁長度。
2.1.4 液壓支架的選型原則
1．概述
從液壓支架架型的結構特點結構特點來看，由于架型的不同，它的支撐力分布和作用也不同；從頂板的條件來看，由于直接頂類別和基本頂級級別不同，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，要對支架的支撐力與承載的關系進行分析，使支架的支撐力能適應頂板載荷的要求。
2．影響架型選擇的因素
液壓支架的架型選擇，主要取決于頂板條件和地質條件，結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架型選擇。
（1）煤層厚度
1）當煤層厚度超過2.5m時，頂板有側向推力和水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。
2)當煤層厚度達到2.5～2.8m以上時，需要選擇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，應選擇調高范圍較大、帶有機械加長桿或雙伸縮立柱的掩護式支架。
4)假頂分層開采，應選用掩護式液壓支架。
（2）煤層傾角
1）煤層傾角小于10°時，液壓支架可以不設防倒防滑裝置。傾角在～15°（支撐式液壓支架取下限，掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架取上限）以上時，應選用帶有防滑裝置的液壓支架。
2）傾角在18°以上時，應選用同時帶有防滑防倒裝置的液壓支架。
（3）瓦斯含量
對瓦斯涌出量大的工作面，應符合《煤礦安全規(guī)程》要求，并優(yōu)先選擇通風面積大的支撐式或支撐掩護液壓支架。
（4）底板強度
1）驗算比壓，應使支架底座對底板的比壓不超過底板的容許比壓。
2）為了移架容易，設計時要使底座的比壓不超過底板的容許比壓。
（5）設備成本
同時允許選用幾種架型時，應優(yōu)先選用價格便宜的支架。支撐式液壓支架最便宜，其次是掩護式液壓支架，最貴為支撐掩護式液壓支架。
2.2 液壓支架主要尺寸的確定
2.2.1 液壓支架的高度確定
支架的高度確定應所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內地質條件的變化等因素來確定，其最大與最小最小高度為
??；
式中 ——支架最大高度；
——支架最小高度；
——支架最高位置時的計算高度；
——支架最低為之時的計算高度；
——掩護梁上鉸點至頂梁頂面之距；取200mm；
——后連桿下鉸點至底座底面之距；取1000mm；
——煤層最大厚度（最大采高）；
——煤層最小厚度（最小采高）；
——考慮偽頂、煤皮冒頂落后仍有可靠初撐力所需要的支撐高度，取250mm；
——頂板最大下沉量，取150mm；
——移架時支架的最小可靠量，一般取50mm；
——浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm.
2.2.2支架的伸縮比確定
支架的伸縮比指最大支架高度與最小支架高度之比值為：
由于液壓支架的使用壽命較長，并可能被安裝在不同采高工作面，所以支架應具有較大的伸縮比。在采用雙伸縮立柱時，垛式液壓支架的伸縮比為1:9；支撐掩護式液壓支架為2.5；掩護式液壓支架可達3.0一般范圍是1.5~2.5，煤層較薄時選較大值。但考慮盡量減輕支架重量，降低造價，可搞系列化支架，加強支架對頂底板的適應性，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高范圍。
2.2.3 支架的支護強度
=
=490
式中：——當支架最大采高為時，支架應有的支護強度；
——與低于但與之相鄰的采高相對應的支護強度；
——與高于但與之相鄰的采高相對應的支護強度；
——所對應的采高；
——所對應的采高。
2.2.4 支架的間距確定
支架間距就是相鄰兩支架中心線的距離。
支架間距要根據支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)中部槽相連，因此目前主要根據輸送機中部槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定。我國刮板輸送機中部槽每節(jié)長度為1.5m，千斤頂連接塊位置在中部槽中間位置，所以除節(jié)式和邁步式液壓支架，支架間距一般為1.5m。
2.2.5 底座長度的確定
所謂底座，就是將頂板壓力傳遞到底板的穩(wěn)固支架的部件。在設計支架的底座長度時，應考慮以下幾個方面：支架對底板的接觸比壓要?。恢Ъ軆炔繎凶銐虻目臻g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，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撐掩護式支架對底座長度取4倍的移架步距，即2.4m左右。
表2-1適應不同類級頂板的架型和支護強度
老頂級別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接頂類別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
架
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
采高＜2.5m時用支撐式
采高＞2.5m時用支撐掩護式
支
護
強
度KN/M
支架采高m
1
294
1.3×294
1.6×294
＞2×294
應結合深孔
爆破，軟化
頂板等措施
處理采空區(qū)
2
343（245）
1.3×343(245)
1.6×343
＞2×343
3
441(343)
1.3×441(343)
1.6×441
＞2×441
4
539(441)
1.3×539(441)
1.6×539
＞2×539
注：（1）表中括號內數字系統(tǒng)掩護式支架頂梁上的支護強度。
（2）1.3、1.6、2為增壓系數
2.3 液壓支架四連桿機構的確定
2.3.1 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。其作用概括起來主要有兩個：其一是當支架由高到低變化時，借助四連桿機構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。
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。
2.3.2 四連桿機構設計的要求
1.支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，最好為以下；
2.支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，，；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，根據物理學摩擦理論可知，要求，如果剛和矸石的摩擦系數，則，為了安全可靠，最低工作位置應使為宜。而角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取,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,滿足。原因是角直接影響支架承受附加力的數值大小。
4.應取頂梁前端點運動軌跡雙紐線向前凸的一段為支架工作段，如圖2—1所示的h段。
圖2-1 四連桿機構幾何特征
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負荷。
從以上分析得知，為使支架受力合理和工作可靠，在設計四連桿機構的運動軌跡時，應盡量使e值減少。當已知掩護梁和后連桿的長度后，在設計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構，如圖2-2所示（實際上液壓支架四連桿機構屬雙搖桿機構）
圖2-2 掩護梁和后連桿構成曲柄滑塊機構
2.3.3 附加力對液壓支架受力的影響
值的大小對附加力影響很大，值大，支架承受的附加力大，對支架受力不利。所以在優(yōu)化四連桿機構時，盡可能使值小些。為此，可以令支架由高到低時，頂梁前端運動軌跡近似直線為目標函數，從而可以使角變小，值和附加力都變小。而且頂梁前端點運動軌跡的變化寬度也可以較小，有利支控頂板。
值方向與摩擦力引起的附加力無關，而與立柱傾角引起的附加力有關，在立柱前傾時：當瞬心點在下時，值為正，附加力為負；當瞬心點在上時，值為負，附加力為正。所以在優(yōu)化時，為減少附加力，盡可能使支架的工作段，在ab段。
2.3.4 兩點之距對支架受力的影響
增加掩護梁上鉸點至頂梁面之距和后連桿下鉸點至底座底面之距，都可以使角減小，附加力減小，反之，角增加，附加力也增加。
2.3.5 后連桿與掩護梁長度比值對支架受力的影響
圖2-3 四連桿示意圖
當夾角、和的比值不變，改變或不變延長后連桿長度等方法，來增加的比值，可以使角減小，附加力減小，對支架受力有利；當改變角使的比值增加，對角變化不大，所以適當增加的比值，可以減少掩護梁長度和對支架受力有利。
在掩護式支架和支撐掩護式支架中，后連桿和掩護梁長度的比值，關系到掩護梁的長度，對支架的重量和受力有著直接的影響，所以在設計時，應盡量在滿足支架工作需要情況下，縮短掩護梁長度，減輕支架重量，減少支架受力。
前后連桿上鉸點與掩護梁長度比值對支架受力影響
改變的比值，對角影響很大，如果這個比值適當，可使角減小，值減小，附加力減小，掩護梁和前后連桿受力也減小。的比值一般在0.22～0.3之間比較合適。
2.4 液壓支架四連桿機構的設計
2.4.1掩護梁和后連桿長度的確定
掩護梁和后連桿距離的確定。用解析法來確定掩護梁和后連桿的長度，如圖2-4所示。
圖2-4 掩護梁和后連桿計算圖
設：G---掩護梁長度（mm）
A— 后連桿長度（mm）
其中：P1 —支架最高位置時，掩護梁與頂梁夾角(度)
P2—支架最低位置時，掩護梁與頂梁夾角(度)
Q1 —支架最高位置時，后連桿與底平面夾角（度）
Q2—支架最低位置時，后連桿與底平面夾角（度）
從幾何關系出發(fā)可以列出如下公式：
聯(lián)立兩式可得：
（2.1）
按四連桿機構幾何特征要求，選定P1、P2、Q1、Q2代入上式可以求得的比值，由于支架形式不同，一般的比值按以下范圍來取。
掩護式液壓支架： =0.45～0.61
支撐掩護式液壓支架： =0.61～0.82
支架最高位置時的計算高度為：
（2.2）
根據的比值和上式可以求得掩護梁的長度G和后連桿長度A，經過取整后計算出的角度，確定這幾個參數。
由已知參數計算：
H1=Hm-200-230=5000-200-1000=3800mm
設定：
P1=60° P2=25°
Q1=80° Q2=32°
由式5-6可得：
=0.61
將H1、P1、Q1、A=0.7G 代入上式可得：
3800=Gsin60°+0.61Gsin80°
G=2590mm
A=0.61G=1580mm
2.4.2 幾何作圖法作圖過程
用幾何作圖法確定四連桿機構的各部尺寸，具體作法如圖2-5所示。
具體作圖步驟如下：
1)確定后連桿下鉸點O點的位置，使它比底座面略高200
2)過O點作與底座面平行的水平線H—H線。
3)過O點作與H—H線的夾角為Q1的斜線。
4)在此斜線截取線段，長度等于A,a點為支架在最高位置時后連桿與掩護梁的鉸點。
5)過a點作與H—H線有交角P1的斜線，以a點為圓心，以G點為半徑作弧交些斜線一點e′此點為掩護梁與頂梁的鉸點。
6)過e′點作H—H線的平行線，則HH線與F—F線的距離為H1，為液壓支架的最高位置時的計算高度。
7)以a點為圓心，以0.22G長度為半徑作弧，在掩護梁上交一點b,為前連桿上鉸點的位置。
8)過O點作與H—H線夾角為Q2的斜線。
9)在此斜線上截取線段〞. 〞的長度等于A，a〞點為支架降到最低位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。
10)過a〞點作與H—H線有交角P2的斜線，以a〞點為圓心，以G為半徑作弧交些斜線一點e〞，此點為支架在最低位置時，頂梁與掩護梁的鉸點。
11)以a〞為圓心以0.22G長度為半徑作弧，在掩護梁上交一點b〞，為支架在最低位置時前連桿上鉸點的位置。
12)取〞線之間一點e〞為液壓支架降到此高度時掩護梁與頂梁鉸點。
13)以O為圓心，為半徑圓弧。
14)以e〞點為圓心，掩護梁長ˊ為半徑作弧，交前圓弧上一點aˊ，以點為液壓支架降到中間某一位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。
15)以ˊ連線，并以aˊ點為圓心，ab長為半徑作弧，交〞上一點bˊ點。則b， bˊ,b〞三點為液壓支架在三個位置時 ，前連桿上鉸點。
16)由b， bˊ,b〞三點確定的圓心C，為前連桿下鉸點位置。
17)過C點H－H線作垂線，交點d，則線段,,,,和為液壓支架四連桿機構。
18)按以上初步求出的四連桿機構的幾何尺寸，再用幾何作圖法畫出液壓支架掩護梁與頂梁鉸點eˊ的運動軌跡，只要逐步變化四連桿機構的幾何尺寸，便可以畫出不同的曲線，再按四連桿機構的幾何特征進行校核，最終選出較優(yōu)的四連桿機構尺寸。
圖2-5 液壓支架四連桿機構的幾何作圖法
結論：后連桿長度A=1580mm
掩護梁長度G=2590mm
前連桿長度C=1600mm
前后連桿下鉸點底座投影距離E=600mm
前連桿下鉸點高度D=1500mm
2.5 液壓支架頂梁結構設計
2.5.1 頂梁的基本概念和作用
頂梁是與頂板直接接觸的構件，除滿足一定的剛度和強度要求以外，還要保證支護頂板的需要。
頂梁作用是支護頂板一定面積的直接承載部件，并為立柱、掩護梁、護頂裝置等提供必要的連接點。
用途：a.用于支撐維護控頂區(qū)的頂板。
b.承受頂板的壓力。
c.將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經底座傳到底板。
2.5.2 頂梁的結構形式
1．支撐式液壓支架的頂梁結構
支撐式液壓支架頂梁結構形式如圖2-6所示。如圖a所示為整體剛性頂梁。頂梁為一整體，剛性大，承載能力較好，但對頂板適應性差。
圖2-6支撐式液壓支架的頂梁類型
1-前梁；2-后梁；3-尾梁；4-前梁千斤頂；5-前梁伸縮千斤頂
2
如圖b，c所示為鉸接式頂梁，由前梁和后梁組成，分別由前、后排立柱支撐。其中，b為全鉸式，它能適應支架頂梁上方前后頂板的變化，但當頂板出現(xiàn)凹坑時，頂梁易成人字形，影響支撐效果和切頂性能。半餃式頂梁如圖c所示，它克服了全鉸式的缺點，當中部頂板出現(xiàn)凸起時，使前、后梁向上翹；當頂板出現(xiàn)凹坑時，由于鉸接點下部有平整碰頭阻止，支架頂梁仍保持平整位置。
4
如圖d所示為剛性頂梁帶鉸接式前梁，頂梁由前、后梁鉸接，在鉸接前梁處安裝有前梁千斤頂，用來支撐靠近煤壁處的頂板，同時還可以使前梁上下擺角適應頂板起伏變化和增加頂梁前端的支撐能力。
為了使冒落的頂板矸石滑向采空區(qū)，保護擋矸簾，還可以增設尾梁，如圖e所示。
如圖f所示為不帶伸縮前梁的剛性頂梁，伸縮千斤頂式頂梁伸縮，由于前梁可以及時伸出支護暴露的頂板，從而允許固定頂梁減小長度，也可以用前梁千斤頂和伸縮千斤頂配合使用，使前梁既可以伸縮，也可以上下擺動。
2．掩護式液壓支架的頂梁結構
掩護式液壓支架的頂梁結構型式如圖2-7所示
如圖a所示為平衡頂梁頂梁較短，與其下部的的掩護梁鉸接。因為它能在頂板凹凸變化時自取平衡，所以叫平衡式頂梁，頂梁鉸接點前、后側面的比例接近于2：1（按載荷分布近似三角形設計）。這種頂梁后部和掩護梁形成三角區(qū)，易被冒落矸石堵住，影響支護效果。為此，在頂梁后部加設擋矸板。
如圖b所示為潛入式頂梁，頂梁后端為扇形結構，掩護梁可潛入扇形結構內，消除三角區(qū)。
如圖c所示為鉸接式頂梁，頂梁為整體結構，頂梁后端直接與掩護梁鉸接，取消三角區(qū)，立柱直接支撐在頂梁上。平衡千斤頂調節(jié)頂梁的接觸面積。
圖2-7 掩護式液壓支架定量的類型
1-頂梁；2-前梁；3-后梁；4-掩護梁；5-立柱；6限位千斤頂；7前梁千斤頂
8-平衡千斤頂
如圖d所示為帶前梁的鉸接式頂梁，由前梁千斤頂調節(jié)前梁角度，可以提高前梁前端的支撐能力，改善前梁前端的支控效果。本設計采用鉸接式頂梁。
如圖e所示為帶伸縮前梁的鉸接式頂梁，可及時支護頂板，減少頂板的暴露時間。
鉸接式頂梁加伸縮和擺動前梁，為如圖d、e所示兩種型式的結合型，由前梁千斤頂調節(jié)前梁角度，并在前梁內加伸縮前探梁。
3．支撐掩護式液壓支架的頂梁結構
由于支撐掩護式液壓支架的結構介于支撐式和掩護式液壓支架之間，所以，支撐掩護式液壓支架的頂梁結構可采用前述諸種型式，但應根據頂板條件來選取。
2.5.3 對頂梁長度的影響
1)支架工作方式對支架頂梁長度的影響
支架工作方式對支架頂梁長度的影響很大，從液壓支架的工作原理可以看出，先移架后推溜方式（又稱及時支護方式）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式（又稱滯后支護方式）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，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，先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為600mm。
2)配套尺寸對頂梁長度的影響
設備配套尺寸與支架頂梁長度有直接關系。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，同時考慮到采煤機截割時，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在設計時，要求頂梁前端距煤壁最小距離為300mm，這個距離叫空頂距。另外在輸送機鏟煤板前也留有一定距離。一般為135～150mm左右，也是為了防止采煤機截割煤壁不齊，給推移輸送機留有一定的距離。除此而外，所有配套設備包括采煤機和輸送機，均要在頂梁掩護之下工作，在此來計算頂梁長度。
2.5.4 頂梁的斷面形狀
各類頂梁都為箱式結構，一般由鋼板焊接而成。為加強結構的剛度，在上下蓋板之間焊有加強筋板，構成封閉式棋盤型頂梁。頂梁前端呈滑撬式或圓弧形，移減少移架阻力。支撐式液壓支架后焊接有掛簾板，作為掛擋矸簾用。在頂梁下面含有鑄鋼柱窩，柱窩兩側有孔，孔用鋼絲繩或銷軸不立柱和頂梁連接起來。掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架在頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護梁上的銷孔相連。按頂梁的斷面形狀，還可以把頂梁分成如下結構式：
1）閉式頂梁
頂梁上下蓋板與筋板焊接成封閉型，如圖(2-8)所示：
圖2-8頂梁筋板焊接圖
2）開式頂梁
開式頂梁結構如圖所示其特點為減輕頂梁重量，曾強頂梁抗彎強度。如圖(2-9)所示：
圖 2-9開式頂梁結構圖
對于掩護式和支撐掩護式支架，為便于側護板自由伸縮，要在頂梁頂面上加焊一塊比側護板稍厚的鋼板，稱為頂板，如圖（2-10）所示：
圖2-10 頂梁斷面
根據上述頂梁各種型式我選擇封閉焊頂板的型式，如圖上圖所示。
2.5.5 頂梁長度的計算
掩護式與支撐掩護式頂梁長度的計算公式為
頂梁長度＝[配套尺寸＋底座長度＋]－[]＋掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之距（mm）
式中： 底座長度—底座前端至后連桿下鉸點之距；
e—支架又高到低頂梁前端點最大變化距離；
Q1、P1—支架在最高位置時，分別為后連桿與掩護梁與水平面的夾角。
采煤機選用MLS3-170型；輸送機采用DGWD-180型；配套尺寸由圖冊得為2173mm。底座長度=2800mm，e=30mm，掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之距=100mm。
其它參數可從上述中得：
1)頂梁長度=(2173+2800+1580cos25°)-（2590cos60+300+e）+100=4310
綜上所述圓整得到頂梁長度=4300mm。
2)頂梁面積A
A=Lg×B （2.3）
式中： Lg—頂梁長度mm,
B---頂梁寬度mm,在本次設計中頂梁寬度為1500mm,
代入公式得
A=4300×1500=6450000mm2=6.45m2
3)支護面積Fc
Fc = Bc(Lg＋Δ)m2 （2.4）
式中：Fc—支護面積 m2 ，
Δ—移架后頂梁前端點到煤壁的距離 m,一般Δ=0.33
Bc—支架間距（支架中心距），一般為1.5m
代入公式得：
Fc = 1500(4300＋330)=6900000mm2 =6.945m2
4)支架的理論支護阻力F1
F1=Fc×q （2.5）
式中: F1—支架的理論支護阻力，kN
Fc—支護面積 m2
q—支護強度 kN/M2
支架在最高處的理論支護阻力為：
F1=6.945×490=3403.05 (kN)
5)頂板覆蓋率δ
δ=A/Fc×100%