【正文】 益，滿足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)煤炭的需求，合理的集中生產(chǎn)簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)安全性。 加速現(xiàn)代化進(jìn)程，必須加速煤炭工業(yè)企業(yè)的建設(shè)、改造和革新技術(shù)裝備的進(jìn)程，增加地下開采 和露天開采的煤產(chǎn)量。 在研制液壓支架時(shí)，需要對(duì)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。支架除了要有效的對(duì)頂板進(jìn)行有效支撐，還要實(shí)現(xiàn)升、降、推移四個(gè)步驟。 I 摘要 本課題主要論述了液壓支架的主要設(shè)計(jì)過程。支架采用四連桿機(jī)構(gòu)，改善支架的受力狀況，縮小支架的升降過程中頂梁前端前后移動(dòng)的距離。本設(shè)計(jì)主要從支架的工作原理這手，然后進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及校核。地下開采方法是最復(fù)雜和閑難的方法，但是，這種方法在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和以煤作為 — 次能源的地區(qū)，仍然普遍應(yīng)用。我 國(guó)綜采技術(shù)發(fā)展的 30 多年，使我國(guó)的煤炭生產(chǎn)技術(shù)水平跨進(jìn)了世界先進(jìn)行列，綜放技術(shù)躍居世界領(lǐng)先地位。但是綜采設(shè)備初期投資高，特別是液壓支架占綜采設(shè)備總投資約 60%，因此液壓支架的合理選用特顯重要。制定有關(guān)支架檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 11項(xiàng)，建立了各項(xiàng)支架檢測(cè)手段，造就了一支研究、制造和使用液壓支架的龐大隊(duì)伍 。配套設(shè)備的生產(chǎn)能力達(dá)到 1500~2 500 t/h， 在適宜的煤層和礦井條件下，綜采工作面可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn) 300 萬噸 以上。解決了深部煤礦開采沖擊地壓條件下回采工作面頂板支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)束了由德國(guó)人發(fā)明的第二代單體支護(hù)設(shè)備的歷史，開創(chuàng)了中國(guó)人發(fā)明的第三代單體支護(hù)技術(shù)設(shè)備的歷史，并將會(huì)長(zhǎng)期使用下去。 我國(guó)自 1973 年開始大規(guī)模引進(jìn)德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的綜采設(shè)備，經(jīng)歷了消化、吸收和改進(jìn)提高的過程，到目前已形成了較完整的設(shè)計(jì)、制造和科研體系，掩護(hù)式液壓支架的制造和采煤技術(shù)已有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。為了有效的支護(hù)和控制頂板，必須設(shè)計(jì)出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。通過對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，加深和鞏固機(jī)械原理的相關(guān)內(nèi)容；通過對(duì)液壓支架受力的分析和強(qiáng)度的校核，加深對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課理論力學(xué)和材料力學(xué)及專業(yè)課機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容的鞏固和理解。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，我們應(yīng)立足變傳統(tǒng)的、僵化的、單純的畢業(yè)設(shè)計(jì)為培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)、提高創(chuàng)新能力、樹立團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、強(qiáng)化計(jì)算機(jī)運(yùn)用等多維兼容性畢業(yè)設(shè)計(jì) 。 圖 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； 7— 操縱閥； 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。這時(shí)，支架以輸送機(jī)為支點(diǎn)前移。 (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。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉。對(duì)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。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。 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。 支撐式支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：頂梁較長(zhǎng)，其長(zhǎng)度多在 4m 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。 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。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。 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。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。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。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，中厚煤層一般為 150kN ~250kN，厚煤層一般為 250kN~ 400kN。 6. 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈? 10. 在滿足強(qiáng)度條件下，盡可能減輕支架重量。工作面配套設(shè)備：采煤機(jī)： MXA300/，刮板輸送機(jī)： SGZ－730/320。垂直于頂梁的力由支架的工作阻力來平衡。頂梁和頂板的靜摩擦系數(shù) W， 一般取 ~；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) 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。 (4) 瓦斯涌出量 對(duì)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。所以，為了在使用中合理地選擇架型，要對(duì)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。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5? %的波動(dòng)范圍。按下式計(jì)算： 3cmb B n C? ? ? （式 ） 式 中： cb — 支架間距（支架中心距）； mB — 每架支架頂梁總長(zhǎng)度； 3C — 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 。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要?。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) 11 定性等。為提高橫向穩(wěn)定性和減小對(duì)底板比壓，厚煤層支架可加大到 ，放頂煤支架為 ~。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。 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。 ~62176。 （ 2）后 1連桿與掩護(hù)梁的比值，掩護(hù)式支架為 I =~。e 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70e? mm以下。 ab =B 。 39。 1Jo =S 。 39。 具有四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架從問世以來，經(jīng)過長(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。支架工作時(shí)，受到頂板載荷的作用，有下縮趨勢(shì)。 從頂板管理方面分析，頂梁向煤壁方向移動(dòng)比頂梁向采空區(qū)方向移動(dòng)有利。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。支架的 橫向載荷只能靠四連桿機(jī)構(gòu)承受。水平偏移量不允許超過 75mm。 3)由 H 作一斜線 HC 與水平線成 ? 角，必須使 ? o15 。 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。作 D 和 F 連線的垂直二等分線，在垂直二等分線上取 G 點(diǎn)，必須使 DG 成為最長(zhǎng)桿，又使 GJDC,這樣 CD 就是最短桿。39。22 、 39。3 點(diǎn)，使 1 39。這 樣， I、 39。如果差別太大，要改變四連桿的尺寸或角度，以上述的過程畫出 I~H 間的軌跡，使近似于直線。 注意， CDH 上的 D點(diǎn)，可以不在 CH 連線上。先移架后推溜方式（及時(shí)支護(hù)）要求頂梁有較大長(zhǎng)度；先推溜后移架方式（滯后支護(hù)）要求頂梁長(zhǎng)度較小。 cos( 1Q )][G )][2300cos( 53176。 頂梁寬度的決定，除用上式計(jì)算外，還要考慮到整體支架與一節(jié)溜槽長(zhǎng)度相匹配的問題。 （ 2）前梁由前梁千斤頂控制，可上下擺動(dòng) 15176。拉架時(shí)收回，還可在移架后支護(hù)煤壁，以防止片幫。 （ 4）掩護(hù)梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。 （ 6）推移裝置 此機(jī)構(gòu)關(guān)系到支架能否正常推移，由千斤頂和推移桿組成。頂梁有鉸 18 接耳座與四連桿機(jī)構(gòu)的上連桿聯(lián)接，此外還設(shè)有所需千斤頂?shù)亩?，如前梁、掩護(hù)梁千斤頂耳座。 其機(jī)構(gòu)與一般掩護(hù)式支架相同，梁體由鋼板焊成箱式結(jié)構(gòu)件，設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求同上，安全系數(shù) n 大于 ，側(cè)護(hù)板設(shè)計(jì)要考慮降架式不與鄰架側(cè)護(hù)板脫離接觸。該底座整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，與底板接觸面積大，比壓小。 支架技術(shù)參數(shù)和立柱的設(shè)計(jì) 支護(hù)面積 支架的支護(hù)面積按下式計(jì)算： )( ??? LgbF cc mm （式 ） 19 式中 cF — 支護(hù)面積， mm； ?— 移架后頂梁前 端點(diǎn)到煤壁的距離 (m )，一般 ? =+e 將各數(shù)值代入公式 ()得支架的支護(hù)面積為： )( ??cF ＝ 支護(hù)強(qiáng)度 支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算可借助表 ，首先按表 根據(jù)老頂級(jí)別和直接頂類別確定支架架型，再根據(jù)老頂級(jí)別和采高確定支護(hù)強(qiáng)度。 xq （式 ） 代入數(shù)值得 1F =2910kN 確定立柱的技術(shù)參數(shù) 立柱缸徑按下式進(jìn)行計(jì)算： madd pnFD ?? c o s40 1?? mm （式 ） 式中 dD — 立柱缸體內(nèi)徑， cm； 1F — 支架承受的理論支護(hù)阻力， kN； xc qFF ??1 kN dn — 每架支架立柱數(shù)； ap — 安全閥調(diào)整壓力， MPa，按產(chǎn)品樣本選取 (或參考同類支架選取 )。 取泵站額定工作壓力 bp ( MPa)減去從泵站到支架沿程壓力損失后的值 39。取 Pa=40MPa。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 C取缸內(nèi)徑的 ~ 倍。 圖 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。對(duì)于掩護(hù)式支架而言，用支護(hù)效率來評(píng)價(jià)立柱工作阻力轉(zhuǎn)為支架工作阻力的有效程度，效率 ? 按下式計(jì)算： 23 tPF1?? %9132020910 ?? （ ） ? 值與支架的架型、結(jié)構(gòu)尺寸和支架高度有關(guān)， ? 值過大或過小都不好。 底座接觸比壓 頂板對(duì)支架的巨大載荷有整臺(tái)支架傳到底板，在支架底座與底板接觸處將具有一定的比壓。 結(jié)論：該底座比壓在允許范圍內(nèi)。此時(shí)，單伸縮立柱就難以滿足要求。本設(shè)計(jì)采用單伸縮加長(zhǎng)桿立柱結(jié)構(gòu)。同時(shí)又與頂梁較短，立柱傾角較大可以使頂梁柱窩位置 24 前移，是頂梁前端支護(hù)能力增大。把支架的空間桿系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化成平面桿系結(jié)構(gòu)。對(duì) A 取距，可算得 x 圖 頂梁受力分析 ??c os)(s in3 12111ttPhhPWhFLgFx ????? （式 ） 式中： x－立柱上柱窩至頂梁和掩護(hù)梁鉸點(diǎn)之距； 1F －支架支護(hù)阻力； q－支架最大支護(hù)強(qiáng)度； cF －支護(hù)面積； Lg－頂梁長(zhǎng)度； tp －支護(hù)工作阻力之和； 1h －頂梁和掩護(hù)梁鉸點(diǎn)至頂梁頂面之距； 2h －立柱上柱窩中心至頂梁頂面之距； ? －立柱在最高位置時(shí)的傾角。在薄煤層中 移F =100~150 kN；中厚煤層中移F =150~250 kN；厚煤層中 移F =300~400 kN。 取頂梁為分離體如圖所示，對(duì) a 點(diǎn)取距有： 圖 頂梁受力圖 0)(s i n )(c os)(c oss i n 11121 21117282281 ???? ????? WhFhhP LLphhPLPF t t? ??? （式 ） 8p — 平衡千斤頂推力 /拉力 W — 頂板與頂梁之間的摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 1? — 支架在最高位置時(shí)立柱傾角 2? — 支架在最高位置時(shí)平衡千斤頂傾角 為保證平衡千斤頂與掩護(hù)梁不發(fā)生干涉，保證支架在不同高度時(shí)平衡千斤頂與掩護(hù)梁平行，可以取在最高位置時(shí)頂梁上平面與掩護(hù)梁的夾角。74 XLL ?? （式 ） 上式中 X 由下式進(jìn)行計(jì)算 )/)(90s i n()( 2172172239。對(duì)于掩護(hù)型支架， 1a =209mm 。防止 頂板巖石從架間冒落，移架時(shí)摩擦阻力小。優(yōu)點(diǎn)為防矸、防倒效果好。 在掩護(hù)梁上一般僅在中間一個(gè)側(cè)推千斤頂，兩端各對(duì)稱 布置一個(gè)彈簧筒。 三孔式 — 中間孔安裝側(cè)推千斤頂，兩側(cè)對(duì)稱安裝彈簧筒。 支架工作狀態(tài) 支架在這三種狀態(tài)下是這樣工作的：開始支架以初撐力支撐頂板，此時(shí)為無壓狀態(tài)；當(dāng)周期來壓時(shí)，頂板下沉，使立柱下腔 壓力增大，當(dāng)增大到大于安全閥調(diào)正壓力時(shí)，安全閥被打開，使立柱下腔壓力下降，稱為立柱讓壓狀態(tài)，使支架以工作阻力支護(hù)頂板；如果繼續(xù)來壓，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，稱為壓死狀態(tài)，這是在設(shè)計(jì)和使用中必須注意避免的現(xiàn)象；當(dāng)支架前移后，此時(shí)頂板處于無支護(hù)狀態(tài)，頂板就要冒落，這就是液壓支架在工作過程中的三種狀態(tài)。 圖 鉸接式頂梁支架受力 31 首先取頂梁為分離體： 圖 頂梁分離體受力 各力對(duì) a 點(diǎn)取矩，可寫出 1F 作用點(diǎn)的位置 x 的表達(dá)式： 121211211228228 )(s i n)(c o s)(c o ss i n F WhFhhPllPhhPlP