【正文】 爭(zhēng)力的，綜采工程技術(shù)人員普遍認(rèn)為目前我過支架的工藝水平尚未達(dá)到 1979 年引進(jìn)的 100套支架的技術(shù)水平，可想落后人家遠(yuǎn)不止 30a。 20 世紀(jì) 90 年代開始，為了提高移架速度滿足工作面高產(chǎn)、高效發(fā)展的需求，我國(guó)在加大常規(guī)手控操縱閥的流量方面取得進(jìn)展，加上綜合 措施，也實(shí)現(xiàn)了平均移架速度小于 12s/架的成績(jī)。其設(shè)計(jì)的圖紙和有關(guān)參數(shù)，可以提供于數(shù)控機(jī)床和光電跟蹤切割機(jī)加工零件時(shí)使用，大大提高了零件的加工精度和制造 質(zhì)量，節(jié)省了人工放樣，加工的工時(shí)，消除一手工操作所產(chǎn)生的誤差。所謂傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是人們?cè)谠O(shè)計(jì)中總是遵循著一定的設(shè)計(jì)理論，憑借著設(shè)計(jì)者本身的經(jīng)驗(yàn)來選擇設(shè)計(jì) 參數(shù)，并借助一些手冊(cè)、圖表、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來完成各種設(shè)計(jì)。近年來促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用的主要因素有三個(gè)方面：即近代科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)需要最適宜的方案、計(jì)劃與信息；電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)化計(jì)算方法的發(fā)展相互促進(jìn)，使優(yōu)化設(shè)計(jì)有了可能；現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求高速度、高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，優(yōu)化才能保證這一任務(wù)的完成。目前，液壓支架研究發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面著手： 1. 液壓支架的結(jié)構(gòu)形式正朝著簡(jiǎn)單實(shí)用方向發(fā)展，如液壓支架的架型明顯地向兩柱掩護(hù)式支架和四柱支撐式掩護(hù)式支架發(fā)展。 4． 對(duì)不穩(wěn)定頂板、松軟底版、地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜等特殊條件，加大投入，研制大量的特殊支架，以適用不同的開采條件。 工作面支護(hù)問題始終是圍繞煤礦生產(chǎn)安全、質(zhì)量、效率的重要問題。一般用于直接頂中等穩(wěn)定以下，頂板周期來壓不強(qiáng)烈的采煤工作面。不插底式配通用型輸送機(jī)，底座前端對(duì)底板比壓大，使用較少。底座，前后連桿和掩護(hù)梁形成四連桿機(jī)構(gòu)，以保持穩(wěn)定的梁端距和承受水平推力。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風(fēng)斷面小。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) ，同時(shí)通過完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。實(shí)踐表明，液壓支架具有支護(hù)性能好，強(qiáng)度高，移架速度快，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)見表 21。 目前使用的液壓支架分為三類，即：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式液壓支架。頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。這類支架適用于直接頂不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的煤層。 圖 21 掩護(hù)式液壓支架的類型 (a) 插腿式支架 (b) 立柱在掩護(hù)梁上非插腿式支架 (c) 立柱在頂梁上非插腿式支架 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 共 65 頁(yè) 支撐掩護(hù)式液壓支架適用范圍很廣，可用于各種頂板條件，尤其用于中等穩(wěn)定以上的頂板條件。 升柱 ： 當(dāng)需要液壓支架上升支護(hù)頂板時(shí)，高壓乳化液進(jìn)入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推動(dòng)活塞上升，是與活塞桿相連的頂梁緊緊接觸頂板。 圖 22 支撐掩護(hù)式液壓支架的類型 (a) 四柱平行支在頂梁上的支架 (b) 四柱交叉支在頂梁上的支架 (c) 兩支柱支在頂梁上，兩柱支在掩護(hù)梁上的支架 中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計(jì)分析及掩護(hù)梁設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 65 頁(yè) 支架的承載過程 支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過程。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(guān)鍵。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。 3 個(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的 3 種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機(jī)”的不同配套關(guān)系。 2． 滯后支護(hù) 一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。 復(fù)合支護(hù)的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)。 (3) 防矸性能要好。 (7) 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。 (11) 要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。 3． 瓦斯等級(jí) 根據(jù)瓦斯等級(jí)，按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，驗(yàn)算通風(fēng)斷面。 7． 井向罐籠尺寸 根據(jù)井向罐籠尺寸考慮支架的運(yùn)輸外形尺寸。煤層傾斜角小于 15度，支護(hù)強(qiáng)度、底板抗壓強(qiáng)度、泵站壓力、安全閥調(diào)定壓力 40MPa。 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 礦情況老頂級(jí)別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 直接頂類別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架類型 掩護(hù)式 掩護(hù)式 支撐式 掩護(hù)式 掩護(hù)或支撐掩護(hù)式 支 撐 式 支撐掩護(hù)式 支撐掩護(hù)式 掩護(hù)或支撐掩護(hù)式 掩護(hù)或支撐掩護(hù)式 支撐式 采高小于 時(shí) 支撐掩 護(hù)式 采高大于 時(shí) 支架支護(hù)強(qiáng)度 MPa 采高m 1 ? ? 2? 0.249 應(yīng)結(jié)合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū) 2 （ ） ? （ ） ? 2? 0.343 3 （ ） ? （ ） ? 2? 0.441 4 （ ） ? （ ） ? 2? 0.539 中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計(jì)分析及掩護(hù)梁設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 65 頁(yè) 允許有 5%? 的波動(dòng)范圍。對(duì)于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，為了維護(hù)機(jī)道上方的頂板，應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的80%。 支架間距和寬度的確定 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。 本次設(shè)計(jì) 取 支架的中心距為 。 當(dāng)支架中心距為中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計(jì)分析及掩護(hù)梁設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 65 頁(yè) 時(shí)，最小寬度一般取 1400～ 1430mm， 最大寬度一般取 1570～ 1600mm。本次設(shè)計(jì)取底座長(zhǎng)。由于它處在隔離采空區(qū)的位置，故可以起到良好的擋矸作用 。首先，支架在工作過程當(dāng)中，四連桿機(jī)構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸的加大和重量的增加；其次，華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 共 65 頁(yè) 由于四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)頂板產(chǎn)生一個(gè) 水平力（又稱水平支撐力），因此對(duì)支架的工作性能將產(chǎn)生不良影響 。前后連桿上絞點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為 I?1 ～ 。同時(shí)底板阻止底座向后移，使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而增加了頂梁前端的支護(hù)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。ae =G ； 39。一般同一類型的支架采用歐冠類比法來 確定。 設(shè)： G — 掩護(hù)梁的長(zhǎng)度； A — 后連桿的長(zhǎng)度； 2L — e’點(diǎn)引垂線到后連桿下鉸點(diǎn) 的距離； 1H — 支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度； 2H — 支架最低位置時(shí)的計(jì)算高度。 (2) 過 O點(diǎn)作于底座地面平行的水平線 HH線。） 的斜線，以 a點(diǎn)為圓 心，以 G（ 2300mm）為半徑作圓弧交此斜線于一點(diǎn) e‘ ，此點(diǎn)為掩護(hù)梁與頂梁的鉸點(diǎn)。在此斜線上截取線段 oa 〞 . oa 〞的長(zhǎng)度等于 A， a?? 點(diǎn)為支架降到最低位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。 (11) 以 e’’為圓心，掩護(hù)梁長(zhǎng) ae’（ 即 G 得長(zhǎng)度為 2300mm） 為半徑作弧，交與前面圓弧上一點(diǎn) a’，此點(diǎn)為液壓支架降到中間某一位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。 (14) 連接 a’O、 a’’O，為液壓支架降到中間某一位置和最低位置時(shí)后連桿的位置。 支架工作方式對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 支架工作方式對(duì)支架頂梁長(zhǎng)度 有 很大影響。 頂梁長(zhǎng)度計(jì)算 掩護(hù)式支架頂梁長(zhǎng)度計(jì)算 (如圖 35)： 頂梁長(zhǎng) 度 =[配套尺寸 +底座長(zhǎng)度 +Acos（ 1Q ） ]? [Gcos（ 1P ） +300+e]+掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)至 頂梁后端點(diǎn)之距（ mm） 配套尺寸 — 參考原煤炭部煤炭科學(xué)研究院編制的綜采設(shè)備配套圖冊(cè)確定； 底座長(zhǎng)度 — 底座前端至后連桿下鉸點(diǎn)之距，支架底座長(zhǎng)度可取 2100mm； e— 支架由高到低頂梁前端點(diǎn)最大變 化距離，根據(jù)范圍可取 20mm； 1Q 、 1P — 支架在最高位置時(shí)，分別為后連桿和掩護(hù)梁與水平面的夾角； A、 G— 分別為后連桿和掩護(hù)梁長(zhǎng)度。 )＋ 300+65]+100=2910mm 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 27 頁(yè) 共 65 頁(yè) 圖 35配套尺寸圖 頂梁 寬度 計(jì)算 頂梁不僅必須滿足支架的工作阻力的要求，還要使頂梁覆蓋住頂板，以減少矸石的冒落。 故頂梁寬取 。它可多次反復(fù)支撐頂煤。 它既要有足夠的強(qiáng)度和剛度，又應(yīng)滿足底板比壓不超限。 頂梁設(shè)計(jì) 頂梁的功能 頂梁是支架的主要承載結(jié)構(gòu)件之一，它有以下主要功能： （ 1） 支撐維護(hù)和覆蓋頂板，為工作面創(chuàng)造安全的工作空 間 。 1. 鉸接式頂梁 鉸接頂梁的前段稱為前梁，后段為主梁，一般簡(jiǎn)稱頂梁。對(duì)于分體梁，也要提高伸縮梁千斤頂?shù)耐评?，與前梁千斤頂?shù)耐评ζヅ?。頂梁?duì)頂板載荷的平衡能力較強(qiáng)。一般上翹 1～ 3176。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，在上下蓋板之間焊有加強(qiáng)筋板，構(gòu)成封閉式棋盤型。 按頂糧的斷面形狀，還可以把頂梁分成如下結(jié)構(gòu)形式： 1. 閉式頂梁 閉式頂梁為頂梁上、下蓋板與筋板焊接成封閉型，如圖 41 所示。 鑒于以上比對(duì)，本次設(shè)計(jì)選取開式頂梁。 （ 4） 有一定的擋矸與排矸能力。因此，底座除了滿足一定的剛度和強(qiáng)度要求外，還要求對(duì)底板起伏不平的適應(yīng)性要強(qiáng)，對(duì)底板接觸比壓要小，要有足夠的空間能安裝立柱、液壓裝置、 推移裝置和其它輔助裝置，要便于人員操作行走；能起一定的擋 矸 排 矸 作用；要有一定的重量，以保證支架的穩(wěn)定性等。 (4) 使用于地板比較松軟，采高與傾角較大以及頂板穩(wěn)定或頂板來壓較強(qiáng)烈等條件 。 本次設(shè)計(jì)采用圖 43 示的底座結(jié)構(gòu)。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 33 頁(yè) 共 65 頁(yè) 圖 43 底座 底座參數(shù)的確定 1. 底座長(zhǎng)度的確定 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。工作面傾角大，采高大或者底板松軟時(shí)，宜取上限。由于實(shí)際最大采高不一定正好和表 所列采高相同，所以要用插值法重新計(jì)算。其中， Y 1F B型 ap =40 MPa； Y 2F 型 ap =30~60 MPa； m? — 立柱最大傾角 (度 )， (支架降到 最低工作位置時(shí)， m? 角最大 )。bp 為 30 MPa，代入公式得立柱初撐力為： 4 10tbDPP??? ?? ? 4 23 30 12 46 .34 10tP k N?? ? ?? 安全閥壓力與立柱工作阻力的確定 1. 安全閥壓力 安全閥的調(diào)整壓力，按選定后的立柱缸體內(nèi)徑 eD 和支架承受的理論支護(hù)阻力 mF1 來確定。 2. 立柱工作阻力 2P 按下式進(jìn)行計(jì)算： ae PDP 10422 ??? ? kN （ 47） 將各數(shù)值代入公式得立柱工作阻力 2P 為： 6 6 140104 22 ?????P kN 表 42 支架工作阻力數(shù)值圓整標(biāo)準(zhǔn)（ MT16987）（ KN） 1200 1600 2020 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 5600 6400 7200 8000 9000 10000 12020 查表 42圓整取支架工作阻力為 3200kN，則 P2=1600kN。一般要求滿足下式。為了保證導(dǎo)向長(zhǎng)度，過分增大導(dǎo)向套長(zhǎng)度和活塞寬度都是不適宜的，最好在活塞上不裝一個(gè)距離套，距離套的寬度有所需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度決定。缸體的外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。在厚煤層開采中，為了增大支架對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)性，常需使支架的伸縮比較大。目前，在國(guó)內(nèi)外一些大高度的新型支架上日益采用伸縮式立柱。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(shí)），由于角度較大，可是調(diào)高范圍增加 。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定頂梁與頂板均勻接觸，載荷沿頂梁長(zhǎng)度方向按線性規(guī)律變化，沿支架寬度方向均布。此時(shí)認(rèn)為支架頂梁承受集中載荷 1F 在頂梁 1/3 處，取頂梁為分離體，受力情況如圖 46 所示。40bt PFD ?? ? 移 mm （ 49） 式中 移F — 推移千斤頂?shù)囊萍芰Α? 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 41 頁(yè) 共 65 頁(yè) 表 43 推移千斤頂缸