【導(dǎo)讀】主體的設(shè)計與頂梁強度的計算。液壓支架在煤炭行業(yè)是一種非常重要的設(shè)備，它在采煤工作面中為了防止頂板冒頂，維持一定的空間，保證工人安全和各項工作的正常運行，對頂板進行支護。體作為動力，能夠?qū)崿F(xiàn)支撐、切頂、移動液壓支架和推移輸送機等一整套工序。

　　

【正文】 行走；保證支架的穩(wěn)定性。 ZY3200 液壓支架的底座采用分體式鋼性結(jié)構(gòu)。由于中擋底板分體，推移裝 置處的浮煤、浮矸可隨支架移架從后端排到采空區(qū)，不需要人工清理，適 25 應(yīng)高產(chǎn)高效生產(chǎn)要求。 如圖 所示 圖 底座 掩護梁的設(shè)計 ZY3200 型掩護式支架掩護梁采用整體箱形焊接結(jié)構(gòu)，充分考慮了支架復(fù)雜的三維空間受力，以及垮落頂板對梁體可能造成的沖擊破壞，安全系數(shù)大，強度高。掩護梁上端與頂梁鉸接，下部與前、后連桿鉸接。活動側(cè)護板裝在掩護梁的一側(cè)。 如圖 所示： 圖 掩護梁 26 連桿的設(shè)計 前、后連桿是四連桿機構(gòu)中重要的運動和承載部件，與掩護梁和底座的一部分共同組成四連桿機構(gòu)，使支架能承 受圍巖載荷、水平作用力和保持支架穩(wěn)定。對四連桿機構(gòu)進行合適的設(shè)計（長度和角度），能使支架在整個高度范圍內(nèi)梁端距的變化在 50～ 100mm之內(nèi)。 ZY3200 計成雙單連桿，后連桿設(shè)計成整體連桿，如圖 、圖 ，整體連桿由兩根單連桿組焊而成，用在后連桿，抗扭轉(zhuǎn)能力強，銷軸與銷孔最大配合間隙控制在 1mm以內(nèi) ,以增強支架的穩(wěn)定性。為了加強支架后部的擋矸和防轉(zhuǎn)性能，在后連桿上設(shè)置側(cè)護板。 圖 前 連桿 27 圖 整體式后 連桿 頂梁側(cè)護板的設(shè)計 支架側(cè)護板裝置一般由側(cè)護板、彈簧筒、側(cè)推千 斤頂、導(dǎo)向桿和連接銷軸等組成。 主要作用 （ 1）擋矸 可改善頂梁與掩護梁的護頂、防矸性能，隔離控頂區(qū)與采空區(qū)、防止冒落矸石竄入工作面，減少冒矸形成的粉塵； （ 2）導(dǎo)向 在支架移架時起導(dǎo)向作用； （ 3）防倒、調(diào)架 活動側(cè)護板增強了支架側(cè)向穩(wěn)定性，其上設(shè)置的彈簧與千斤頂都起防倒與調(diào)架作用。 側(cè)護板的種類與選擇 頂梁和掩護梁的側(cè)護板有兩種，如圖 所示：一種是一側(cè)固定另一側(cè)活動的側(cè)護板。由于固定側(cè)護板與梁體焊接在一起，既節(jié)省材料又可加固梁體。在設(shè)計時，根據(jù)左右工作面來確定左側(cè)或右 側(cè)為活動側(cè)護板。一般沿傾斜方向的上方為固定側(cè)護板，下方為活 28 動側(cè)護板?；顒觽?cè)護板通過彈簧筒和側(cè)推千斤頂與梁體連接，以保證活動側(cè)護板與鄰架的固定側(cè)護板靠緊。但當改換工作面開采方向時，活動側(cè)護板便位于傾斜方向的上方，對調(diào)架、防倒等帶來不便，所以很少采用。另一種是兩側(cè)皆為活動側(cè)護板。這種側(cè)護板可以適應(yīng)工作面開采方向變化的要求，有利于防倒和調(diào)架。 側(cè)護板的結(jié)構(gòu)型式 圖 側(cè)護板的結(jié)構(gòu)型式 一種是側(cè)護板在頂梁的外側(cè)。這種類型側(cè)護板又有三種型式，圖 a，頂梁上無頂板，側(cè)護板易被冒落矸石壓住， 影響側(cè)護板的伸縮；圖 、 c，在頂梁上加設(shè)頂板，克服了以上的缺點，但支架承載時，側(cè)護板裝置受力很大。 另一種是鉸接式側(cè)護板，如圖 d 所示。它克服了以上兩種側(cè)護板的缺點，但由于架間側(cè)護板造成三角帶容易填入碎矸，影響架間密封效果。 所以綜合考慮各個方面， ZY3200 型掩護式支架采用圖 b 所示的側(cè)護板。可以根據(jù)工作面傾角方向調(diào)整一側(cè)固定，另一側(cè)活動，適應(yīng)性強。如圖 所示： 圖 活動側(cè)護板 頂梁側(cè)護板高度一般取 250～ 500mm，薄煤層支架取下限，掩護梁側(cè)護板和后連桿側(cè)護板高度一般根據(jù)支架最大高度時，側(cè)護板水平尺寸一般按移架步距加 100～ 200mm 搭接量的原則來確定。 29 立柱設(shè)計 支架的各部分尺寸確定以后，可以對其進行詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計。好的結(jié)構(gòu)不但可以使支架外形美觀，還可以改善支架的受力狀況，使支架受力更合理，能承受更大的外載荷 。 本章在第二章的基礎(chǔ)上對支架進行更進一步的設(shè)計。 立柱尺寸確定 一級 立柱的缸體內(nèi)徑： 14000cosdaFD nP??? mm 式中： 1F —— 支架工作阻力， kNF 36001 ? ； n—— 每架支架立柱數(shù)， n=2； aP —— 安全閥調(diào)整壓力， aa MPP 35? ； ? —— 立柱最大傾角，（支架降到最低位置時 α 角最大）， ?28?? 。 14000cosdaFD nP??? ?28c o 3 6 0 04 0 0 0 ??? ?? mm272? 圓整取 mm280 取 一級 缸 /柱徑： 280/200 mm ； 二級 缸 /柱徑： 260/180 mm ； 缸筒材料采用 27SiMn 無縫鋼管 。 屈服極限： MPas 835?? ； 安全系數(shù)：取 2n? ； 允用應(yīng)力： ? ? sn?? ? 2835? ? MPa 缸筒 所需最小厚度 ： ? ?? ? ???????????? ppD ??? ???????? ??? ???? 11? mm 考慮到需要安裝導(dǎo)向套，選取缸筒內(nèi)壁厚度為 30 20?? mm 二級 立柱的 工作壓力 已知二級缸徑為 200mm，按下式可求得二級缸內(nèi)的壓力： 12 224000 cosadFP nD??? mm 式中： 1F —— 支架 工作阻 力， kNF 36001 ? ； n—— 每架支架立柱數(shù)， n=2； 2D —— 二級缸內(nèi)徑 ， mmD 20xx ? ； ? —— 立柱最大傾角，（支架降到最低位置時 α 角最大）， ?28?? 。 12 224000 cosadFP nD??? ?28c o s20xx 36004000 2 ??? ?? ? MPa65? 二級缸 筒 所需最小厚度 ： ? ?? ? ???????????? ppD ??? ???????? ??? ???? mm15? 考慮到需要安裝導(dǎo)向套，選取缸筒內(nèi)壁厚度為 20?? mm 雙伸縮立柱動作原理 雙伸縮立柱動作原理如下： 31 圖 雙伸縮立柱的工作原理圖 高壓液體從 B進入立柱下腔，把中缸推起，同時中缸上腔液體從 A 排出； 當中缸全部升起時，由于中缸下腔壓力增大而使單向閥打開，液體進入中缸內(nèi)部，把活柱推起，同時中缸上腔液體從 A排出； 需要降柱時，使液體從 A進入立柱，同時進入中缸上腔和立柱上腔，由于中缸底部單向閥無法打開，所 以活柱不能縮回。而由于高壓液體把液控單向閥 K打開，因而中缸可以縮回。當中缸縮回到最低位置時，靠外力把單向閥 M 頂開，此時，活柱縮回，完成降柱過程。 5 液壓支架頂梁受力分析及強度計算 液壓支架頂梁受力分析 液壓支架的結(jié)構(gòu)和支架液壓系統(tǒng)必須保證液壓支架具有完全適應(yīng)頂板變化的性能。采 32 煤機采過一個截深之后，支架前移一個步距，支護新暴露出來的頂板。此時，頂板尚無下沉現(xiàn)象，支架以“初撐力”支撐頂板。此后，頂板開始破碎和下沉或斷裂，支架支撐加大，直至立柱下腔壓力達到 安全閥整定值，安全閥釋放，立柱下縮。稱此現(xiàn)象為液壓支架的“讓壓”現(xiàn)象。這時立柱以“工作阻力”支護頂板。隨著頂板壓力不斷加大，立柱就要不斷“讓壓”下縮。為避免立柱完全縮回，支架出現(xiàn)“壓死 ” 現(xiàn)象，采煤工作面的生產(chǎn)循環(huán)英保證在“壓死”前就前移。 由上述可知，支架承受的外載荷是頂板下沉行成的。在頂板下沉過程中，支架的頂梁與頂板有相對滑動的現(xiàn)象，支架不僅受有垂直于頂梁的力，還受有平行于頂梁的摩擦力。設(shè)垂直于頂梁的力為 1F ， 1F 由支架的工作阻力來平衡。在支架承載過程中，支架底板承受工作面底板的反作用力。 為了設(shè)計計算方便，要對支架的外載荷和支架本身進行簡化，現(xiàn)概述如下： （ 1） 把支架簡化成一個平面系機構(gòu)。為偏于安全，在計算時把外載荷視為載荷。 （ 2） 金屬結(jié)構(gòu)件按直梁理論計算。 （ 3） 頂梁、底座與頂?shù)装灞徽J為均勻接觸，載荷沿支架長度按線形規(guī)律分布，沿支架寬度方向為均布。 （ 4） 通過分析和計算可知，掩護梁上矸石的作用力，只能使支架實際支護阻力降低。所以，在強度計算 時不計，使掩護梁偏于安全。 （ 5） 立柱和短柱按最大工作阻力計算。 （ 6） 產(chǎn)生作用在頂梁上的水平力的情況有兩種，一是支架讓壓回縮，頂梁前端點運動軌跡近似為雙紐線，頂梁與頂板間產(chǎn)生相對位移，頂板給予頂梁水平摩擦力；另一種是由于頂板向采空區(qū)方向移動，使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平摩擦力。頂梁和頂板的靜摩擦系數(shù) W 一般取 ～ 。 （ 7） 按不同支護高度時各部件最大受力值進行強度校核。 （ 8） 各結(jié)構(gòu)件的強度校核，除按理論支護阻力校核危險斷面外，還要按原煤炭部標準 MT－ 8684《液壓支架型式試驗技術(shù)規(guī)范 》的各種加載方式，以支架的額定工作阻力逐一校核，超過額定工作阻力 10％的超載試驗，將由安全系數(shù)來保證強度。 當支架支撐在頂板和底板之間時，無論取其整體或是某部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)。隨著支架高度的變化，支架各個部件所受的力也隨之變化。進行某一部件的強度校核時，應(yīng)取其受力最大時的高度。為簡便計算，以下均在支架的最高位置進行各部分的受力計算 。 取頂梁為分離體，如圖所示： 33 圖 頂梁的受力分析 對 a 點取矩可以寫出 x 的表達式： ? ? ? ? ? ?121211211228228 s i nc o sc o ss i n F WhFhhPLLPhhPLPx ttk ???????? ???? (51) 再取頂梁和掩護梁作為分離體 ，如圖 。對 O 點取矩可求得 1F 的表達式。將此式與上式聯(lián)立解出如下： ? ?? ?33222813131 c o ss i n)s i nc o s( WhL hhLPhLPF kt ? ????? ??? (52) 34 圖 頂梁和掩護梁 的受力分析 當 8P 為正 且 0?W , 1F 有最小值；當 8P 為負 且 0?W , 1F 有最大值。取 1F 為最大值時進行梁的強度校核 。 ? ?? ? 6 4 o s30s i n6 3 8 1)10s i o s8 6 (3 6 0 01 ?? ??????????? ????F kNF 37401 ? 將求的 1F 代入 (51)求出 x ? ? ????????? 3740 o i n381x ? ?3 7 4 0 7 4 i n3 6 0 s3 6 0 0 ???????? ?? ?x 列出水平方向和垂直方向的力系平衡方程，再由此解出頂梁和掩護梁的鉸接內(nèi)力 ax 和 ay kNWFPPx ta o s49910s i n3600c o ss i n 1281 ??????????? ???? kNFPPy ta 55374030s i n49910c o s3600s i nc o s 1281 ????????? ???? 則合力 ? ? kNF 855565 22 ???? ,與水平線的夾角是 ?406555arc tan ??? 。 從 ax 和 ay 的式子中可以看出，當 8P 為正 ，即平衡千斤頂為推力時 , ax 和 ay 有最大值，掩護梁受力最大，同時前后連桿受力也最大，所以驗算掩護梁和前后連桿強度時，也應(yīng)按此種情況進行。 35 液壓支架 頂梁 的強度計算 強度條件 在液壓支架的研制、試驗過程中， 各構(gòu)件的強度計算是極為必要的。前面的內(nèi)容已經(jīng)給出了支架主要零部件受力分析和負荷的計算方法，但是由于液壓支架的結(jié)構(gòu)特點、外載荷特點以及其使用條件的特殊性，在強度計算中的強度條件也是有其特殊性的。當然強度條件要以現(xiàn)階段液壓支架所選用的材料、制造工藝以及失效形式等為依據(jù)，隨著時間的推移，如果上述諸點有變化，強度條件也必須作相應(yīng)調(diào)整。下面簡單介紹我國液壓支架強度計算中的強度條件： s? 計算安全系數(shù)； 、銷軸、活塞桿的屈服極限及強度條件； (1).各結(jié)構(gòu)件采用 16Mn 低合金高強度 結(jié)構(gòu) 鋼，并由具有標準厚度的鋼板焊接而成，取 345?s? MPa； (2).各銷軸均采用 35CrMo 等合金結(jié)構(gòu)鋼，取屈服極限 835?s? MPa； (3).活塞桿均采用 27SiMnTi 鋼，取屈服極限 835?s? MPa； (4).結(jié)構(gòu)件、銷軸和活塞桿的強度條件為： max??sn? ≥ [n] （ 53） 式中 ， max? — 危險斷面計算出的最大應(yīng)力， MPa； ][n — 許用安全系數(shù) 。 1． 缸體材料采用 27SiMn 無縫鋼管，取抗拉強度 1000?b? MPa，強度條件為 ][??bn?≥ [n] （ 54） 式中 ， ][? — 缸體許用應(yīng)力， MPa； ][n — 許用安全系數(shù)，取 ～ 4。 4. 焊條抗拉強度取 561?b? MPa，其強度條件為： ??bn? ≥ [n]