【正文】 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 液壓支架的 結(jié)構(gòu) 液壓支架的整體結(jié)構(gòu) 1） 支撐式液壓支架的結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng) 支 撐式液壓支架的結(jié)構(gòu)由前探梁、后梁、前梁短柱、立柱、擋 矸 簾、操縱閥、控制閥、復(fù)位千斤頂、推移千斤頂、底座箱等組成。 液壓系統(tǒng)的主要部分是控制閥和操縱閥。 掩護(hù)式液壓支架 的結(jié)構(gòu)由前梁、主梁、 掩護(hù)梁、側(cè)護(hù)板、底座、前后連桿、前梁干斤頂、立柱、操縱閥、控制閥等組成。液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是在前梁千斤頂?shù)某休d腔液路上采用大流量安全閥。如圖 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(duì)頂板的適應(yīng)性差。如圖 所示為剛性頂梁帶餃接式前梁，頂梁由前、后梁餃接有前梁千斤頂 4，用來支撐靠近煤壁處的頂板，同時(shí)還可以使前梁上、變化和增加頂梁前端的支撐能力。如圖 所示為平衡式頂梁。這種頂梁后部和掩護(hù)梁形成三角區(qū)，易被冒落 矸 石堵住，影響支護(hù)效果。用平衡千斤頂 8調(diào)節(jié)頂梁與頂板的接觸面積。 圖 1頂梁 2前梁 3后梁 4掩護(hù)梁 5立柱 6限位千斤頂 7前梁千斤頂 8平衡千斤頂 3） 支撐 掩 護(hù)式液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu) 由于支撐掩護(hù)式液壓支架的結(jié)構(gòu)型式 使 支撐式和掩護(hù)式液壓支架 的結(jié)合 ，所以 支撐掩護(hù)式液壓支架的 頂梁結(jié)構(gòu)可以采用前述 諸 種型式，但應(yīng)當(dāng)根據(jù)頂板條件來選取。 前連桿又分為剛性前連桿和伸縮前連桿，伸縮前連桿用油缸來代替。一種是 — 側(cè)固定另 — 側(cè)活 動(dòng)的側(cè)護(hù)板。但當(dāng)改換工作面開采方向時(shí)，活動(dòng)側(cè)護(hù)板便位于傾斜方向的上方，給調(diào)架、防倒等帶來不便，所以很少采用。通常有兩種類型。它克服了以上兩種側(cè)護(hù)板的缺點(diǎn)，但由于架間側(cè)護(hù)板造成三角帶容易填 入碎矸 ，影響了架間密封效果。如圖 所示的底座用于支撐式液壓支架， 箱 體高度大，便 于 安裝復(fù)位裝置。如圖 、 d所示為前、后兩個(gè)底座 箱 的對(duì)分式，兩者通過銷軸與彈簧鋼板鉸接而成。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，對(duì)底板的不平整適應(yīng)性強(qiáng)。底座與立柱之間連接處用鑄 鋼 球面柱窩接觸．以免因立柱偏斜受偏載，并用限位板和 銷軸限位，防止立柱脫出柱窩。時(shí)，必須考慮液壓支架的防倒、防滑問題。時(shí)，除了在排頭支架采 用防倒防滑裝置以外，還要根據(jù)傾角的大小、支架型式等因素。千斤頂?shù)囊欢伺c需要防倒防滑的支架的頂梁相連，千斤頂另一端與上方的支架底座前下部相連，靠千斤頂?shù)睦ζ鸱赖棺饔?。?dāng)排頭架降 架后，收縮防滑千斤頂，即可將排頭架底座后部往傾斜上方調(diào)整。 掩 護(hù)梁和底座的連接型式 掩護(hù)梁與底座的連接，經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過程。實(shí)踐證明，用四連桿機(jī)構(gòu)的連接方式優(yōu)點(diǎn)較多，故為現(xiàn)代掩護(hù)式液壓支架和 支 撐掩護(hù)式液壓支架所廣泛采用。缸體內(nèi)表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度，一般用鏜滾壓復(fù)合加工缸體內(nèi)表面；活塞是立柱的關(guān)鍵元件，對(duì)它的主要要求是保證密封性能良好，運(yùn)動(dòng)表面能承受外力的沖擊。缸口是缸體與活柱或活塞桿接觸的部位，它裝有密封圈、導(dǎo)向套和缸蓋等主要零件。導(dǎo)向套的材料通常為聚甲醛或銅合金。這類立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整高度方面，缺點(diǎn)是跳高范圍小。這種立柱造價(jià)比雙伸縮立柱低，應(yīng)用廣泛。 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 （ 3） 雙伸縮雙作用立柱（圖 c）兩級(jí)行程都有液壓力操縱，總行程為 l1 + l2 ，可在較大范圍內(nèi)適應(yīng)煤層厚度的變化，而且可在井下隨時(shí)調(diào)節(jié)，其伸縮比 可 達(dá) 3。按用途分，有推移千斤頂、前梁千斤頂、 側(cè)推千斤頂、平衡千斤頂、護(hù)幫千斤頂、復(fù)位千斤頂、調(diào)架千斤頂、防倒千斤頂和防滑千斤頂?shù)?。立柱最長(zhǎng)約為 4m 左右；千斤頂最大長(zhǎng)度一般為 2m左右。 從前面受力分析得知，液壓支架的架型選擇，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(diǎn)，選擇一種較為合理的架型。 (3)煤層厚度變化大時(shí)，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大 、帶有機(jī)械加長(zhǎng)桿或雙伸縮立柱的掩護(hù)式液壓支 架。 (2)為了移架容易，設(shè)計(jì)時(shí)要使支架底座前部比后部的比壓小。支撐式液壓支架最便宜，其次是掩護(hù)式液壓支架，最貴為支撐掩護(hù)式液壓支架。基本頂來壓強(qiáng)弱取決于垮落帶巖 石 對(duì)采空區(qū)充滿程度 N(N為直接頂厚度 M與采高 h之比 )和基本頂初次來壓步距／ pL 通常按 N 和 pL ，把基本頂分為四級(jí)．見表 。 表 分層厚度表 (2)支架架型和支護(hù)強(qiáng)度的確定。 ， ， 2為增壓 系數(shù)。而在煤壁附 近的主要工作空間的頂板，則處于無立柱支撐狀態(tài)，僅靠支撐力較小的前梁來維護(hù)。開始，支架只承受直接頂壓力 1Q ，作用點(diǎn)近似位于支架頂梁中部，它相當(dāng)于均布載荷。由于支撐式液壓支架前梁無立柱，支撐力小，頂梁后部有 立柱 ，支撐力大，所以這種液壓支架能適應(yīng)中硬以上穩(wěn)定頂板的條件。所以 支 撐式液壓支架不能適應(yīng)破碎不穩(wěn)定頂板。掩護(hù)梁受力：由于頂板破碎，在頂梁華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 后部自由冒落巖石的一部分作用在掩 護(hù) 梁上，對(duì)掩護(hù)梁的作用力可以分解為垂直分力和水平分力，如圖 。掩護(hù)式液壓支架由于立柱少，且呈 傾斜布置，支撐力較小，切頂性較差．受力情況如圖 所示。所以，此種支架不能在 中 等穩(wěn)定以 上 頂板下工作。根據(jù)基本頂和直接頂?shù)姆诸?。根據(jù)瓦斯等級(jí)，按《煤礦安全規(guī)程》第一百 零 五條規(guī)定斷面。根據(jù)煤層傾角，決定是否選用防倒防滑裝置。根據(jù)配套尺寸及支護(hù)方式來計(jì)算頂梁長(zhǎng)度。在采用雙伸縮立 柱 時(shí)，垛式液壓支架的伸縮比為 ； 支撐掩護(hù)式液壓支架 的 伸縮比 為 ；掩護(hù)式液壓支架 的 伸縮比 可達(dá) 。 1K 按下式確定： mn1nL LK L? （ 43） 式中 1K ： 單位缸長(zhǎng)行程 ； mL ： 活塞全部伸出時(shí)立柱的總長(zhǎng)度； nL ： 活塞全部縮回時(shí)立柱的總長(zhǎng)度； mnLL ： 活塞行程 ； 支架的間距確定 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離 ，按下式計(jì)算： e m 3b =B +nc 式中 eb ： 支架間距 (支架中心距 )； mB ： 每架支架頂梁總寬度； 3c ： 相鄰支架 (或框架 )頂梁之間的間隙； n： 相鄰支架包含的組架數(shù)或框架數(shù)，整體自移式支架中 n＝ 1； 整體邁步式華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 支架中 n=2； 節(jié)式組合邁步支架中， n＝支架節(jié)數(shù)。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠空間用于安裝立 柱 、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作行走 ； 保證支架的穩(wěn)定性等。用解析法來確定掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度 。 按四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征要求，選定 1P 、 2P 、 1Q 、 2Q 代人式（ 46），可以求得 AG 的比值。同時(shí)為了防止當(dāng)采煤機(jī)向支架內(nèi)傾斜時(shí)，采煤機(jī)滾筒不截割頂梁，又考慮到采煤機(jī)截割時(shí)，不一定把煤壁截割成一垂 直平面，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，要求頂梁前端距煤壁最小距離為 300mm ，這個(gè)距離叫空頂距。 2）頂梁長(zhǎng)度的計(jì)算 (1)掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式液壓支架頂梁長(zhǎng)度計(jì)算 頂梁長(zhǎng)度＝ (配套尺寸十底座長(zhǎng)度十 4cos 1Q )一 Gcos1P +300+e+掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)至頂梁后端點(diǎn)的距離 式中 ： 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)備配套團(tuán)冊(cè)確定 。掩護(hù)式液壓支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調(diào)高范圍。立柱間距是就支撐式和支撐掩護(hù)式液壓支架而言 的 ，即前、后柱的間距。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，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華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 底座對(duì)底板的比壓分布 ， 使支架能適應(yīng)工作面條件的要 求，以此來確定立柱上、下柱窩的位置。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)度力向按線性規(guī)律變化，沿支架寬度方向均勻分布。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 。 圖 下柱窩位置計(jì)算圖 按幾何關(guān)系列出下列公式進(jìn)行計(jì)算 21c o s c o sx x A x G???? ? ? ? （ 410） 2 3 2tanxH ?? （ 411） 將 （ 411） 代入 （ 410） 得 1 1 3 2c o s c o s ta nx x G A H? ? ??? ? ? ? （ 412） 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 式中 3 2 3()nH H h h? ? ? 1? ：支架最低位置時(shí)，后連桿與水平面夾角 2? ：支架最低位置時(shí)，立柱傾角 ? ：支架最低位置時(shí)，掩護(hù)梁與水平面夾角 （ 2)支撐式和支撐掩護(hù)式液壓支架柱窩位置的確定 ①根據(jù)支撐力分布與頂板載荷相一致的原則，通過受力分析計(jì)算，確定柱窩合力作用點(diǎn)位量。 為了保證支架工作的可靠性，支架的支撐力分布 (包括立柱的支撐力和平衡千斤頂?shù)耐屏蚶Φ?)，必須適應(yīng)頂板載荷分布。當(dāng)頂梁后端出現(xiàn)空頂時(shí)，頂梁前端載荷加大，頂板載 荷合力作用點(diǎn)位置前移，此時(shí)平衡千斤頂受推，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點(diǎn)位置在頂梁后端 倍頂梁長(zhǎng)度處進(jìn)行計(jì)算。 1 8 1 2 8 2 7 1 1 1 2 1 2 1 1 10 , sin c o s ( ) c o s ( ) sin ( ) 0ttM F x p L p h h p L L p h h F W h? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? （ 414） 式中 ： tp ：平衡千斤頂?shù)耐?、拉?(推力取“十”、拉力取“一” ) W：頂板與頂粱之間的 摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 ； 1L ：立柱柱窩中心至平衡千斤頂上鉸點(diǎn)的距離， m； 2L ：平衡千斤頂上鉸點(diǎn)至頂梁和掩護(hù)梁鉸點(diǎn)的距離， m； X：支護(hù)阻力合力作用點(diǎn)位置； 1?? ：支 架在最高位置時(shí)的立柱傾角； 2?? ：支架在最高位置時(shí)平衡千斤頂傾角 (為使平衡千斤頂與掩護(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， 2?? 可以取支架在最高位置時(shí)頂梁上平面和掩護(hù)梁的夾角 )； 7h ：平衡千斤頂活塞桿鉸點(diǎn)至頂梁頂面的距離。所以，可用兩個(gè) x代人式 (414)進(jìn)行計(jì)算，求出兩個(gè)人 2L 值來，再取兩個(gè)人 2L值的平均值即可。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取如下兩種情況：假設(shè)平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部伸出 時(shí)頂梁和掩護(hù)梁成 180? 角；平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部縮回時(shí)，支架恰好在最高位置。平衡干斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護(hù)梁上的位置，如圖 。 1)側(cè)推千斤頂控制方式 (1)無鎖緊回路且不操作時(shí)，側(cè)推千斤頂處于浮動(dòng)狀態(tài)，靠彈簧筒的彈簧力控制活動(dòng)側(cè)護(hù)板與鄰架的間隙。優(yōu)點(diǎn)為防矸、防倒效果好。在掩護(hù)梁上 — 般僅在中間布置一個(gè)側(cè)推千斤頂，兩端各對(duì)稱布置一個(gè)彈簧簡(jiǎn)。 四孔式 —— 中間兩孔安裝側(cè)椎千斤頂，側(cè)面兩孔布置彈簧筒。因此必須驗(yàn)算通風(fēng)斷面積。 2qQKQ = mC沼采 （ 421） 式中 K：通風(fēng)不均勻系數(shù)．一般取 K= qC ：《煤礦安全規(guī)程》第一目零五條允許的甲烷 (俗稱沼氣 )含量一般取 qC =1% 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 第 5 章 液壓支架的受力分析 為設(shè)計(jì)計(jì)算方便，對(duì)支架的外載荷和支架本身簡(jiǎn)化，先概括如下 ： （ 1）把支架簡(jiǎn)化成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)，為偏于安全，計(jì)算時(shí)把外載荷視為集中載荷。所以，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)，使掩護(hù)梁偏于安全。頂梁和頂板的靜摩擦力系數(shù) W一般取 。已知立柱工作阻力 a b m np p F F F ?、 ， 求 、 、 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 圖 鉸接式頂梁支架受力 圖 首先取前梁為分離體，如圖 。 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 40 圖 鉸接式頂梁支架受力 圖中 tspp、 為己知，需求從 11FF?和 及作用點(diǎn)位置。 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 41 圖 頂梁和掩護(hù)梁分離體 對(duì) O 點(diǎn)取矩，可求得 1F 的表達(dá)式，將此 此式與（ 55）聯(lián)立，解 1F 如下 ： ? ?3 1 3 1 8 2 2 2 2133( c o s s in ) s in c o s ( )tkp L h p L h hF L W h? ? ? ?? ? ? ?? ? （ 56） 從式 56)可知：當(dāng) sp 為“十” (平衡千斤項(xiàng)為推力 )且 W＝ 0時(shí)， 1F 有最小值。所以，在驗(yàn)算掩護(hù)梁和前、后連桿強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按此種情況進(jìn)行。所以在驗(yàn)算底座強(qiáng)度時(shí)，按此條件進(jìn)行 。由于頂板與頂梁接觸情況不同，載荷實(shí)際分布很復(fù)雜。 圖 頂梁三角形載荷分布 頂梁前端比壓 2q 為 o．頂梁后端比壓 3q 計(jì)算式如下 華北科學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 45 313 2 *103mFq B ?? （ 512） 當(dāng)23ggLLx??時(shí)，載荷呈梯形分布，如圖 所示。于是可求出支架實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度： 31 *10()gcFq Lb ?? ?? （ 514） 支撐式液壓支架隨支架支撐高度不同，其支護(hù)面積和工作阻力不變，故其支護(hù)強(qiáng)度不變。則在設(shè)計(jì)支架時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算底板的比壓。