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1、中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）1 摘 要 现代煤矿高效工作面的关键设备液压支架,是煤矿实现采煤、运输和支护等所有工序全部机械化的重要环节。支撑掩护式支架是以支撑为主,掩护为辅的液压支架,用来控制采场顶板下沉断裂及冒落,保证控顶距内顶板完整和必要的回采空间。对支撑掩护式液压支架的结构特点及合理应用等进行了简要介绍。为保证支架的合理工作状态,应尽量缩短降架时间,快速移架,及时支护,并保持足够的支架初撑力在详细分析液压支架初撑力与直接顶相互作用机理的基础上,对支架合理初撑力的确定进行了分析研究,并提出了合理支架初撑力的确定方法。关键词：液压支架、支护、初撑力 中国矿业大学成人教
2、育学院 2011届毕业设计（论文）2 目 录 摘 要.1 目 录.2 1 引言.5 1.1 液压支架发展历史.5 1.2 放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架.6 1.3 采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数.10 1.3.1 采煤工作面对液压支架的设计要求.10 1.3.2 液压支架设计的基本参数.10 1.4 本文做的主要工作.11 2 液压支架整体结构设计.12 2.1 支架主要尺寸的确定.12 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比.12 2.1.2 支架间距和宽度的确定.13 2.2 支架四连杆机构的确定.13 2.2.1 四连杆机构的作用.13 2.2.2 四连杆机构设计的要求.
3、14 2.3 四连杆机构的设计.16 2.4 顶梁长度的确定.25 2.4.1 支架工作方式对顶梁长度的影响.25 2.4.2 顶梁长度计算.25 3 放顶煤液压支架主要结构设计.27 3.1 支架主要部件的设计要求.27 3.2 顶梁的设计.28 3.3 底座的设计.29 3.4 掩护梁和连杆的设计.29 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）3 3.5 放煤口及放煤机构的设计.29 3.6 液压系统的设计.31 3.6.1 液压系统的特点.31 3.6.2 支架的工作机构.32 3.6.3 控制系统.32 3.7 液压支架的主要技术参数.33 3.7.1 支护面积.33 3.
4、7.2 支护强度和支护效率.33 3.7.3 ZFS5000/32/47 放顶煤液压支架性能参数一览表.33 4 立柱结构设计和强度计算.37 4.1 单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定.37 4.1.1 单伸缩立柱缸径的确定.37 4.1.2 泵站压力的确定.38 4.1.3 立柱初撑力的计算.38 4.1.4 立柱工作阻力的计算.38 4.1.5 立柱缸体壁厚的计算.38 4.2 立柱强度验算.39 4.2.1 立柱缸体强度验算.39 4.2.2 立柱活塞杆强度验算.40 5 液压支架受力分析.44 5.1 概述.44 5.1.1 支架工作状态.44 5.1.2 计算载荷的确定.44 5.2
5、支架受力分析与计算.45 5.2.1 主顶梁的受力分析与计算.45 5.2.2 掩护梁的受力分析与计算.47 5.2.3 底座的受力分析与计算.48 5.3 顶梁的载荷分布.50 5.4 底座接触比压.51 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）4 6 液压支架强度计算.53 6.1 强度条件.53 6.2 顶梁强度校核.54 6.3 掩护梁强度校核.58 6.4 底座强度校核.62 6.5 前连杆强度校核.65 6.6 后连杆强度校核.67 结 论.69 参 考 文 献.71 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）5 1 引言 我国煤炭储量十分丰富，1979 年世
6、界能源会议估计我国煤炭资源为 15000 亿吨，其中煤层厚度大于 3.5 米的厚煤层占 40%左右。从采煤工艺看，我国 1972 年开始装备综合机械化采煤，至 1990 年已经达到 29.8%。当时对厚度在 3.55 米的煤层多采用一次采全高工艺，特别是大采高支架，平均单产可超过 3 万吨，最高超过 6 万吨，最高月产 142211 吨。然而，对于厚度大于 5 米的特厚煤层的开采，存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题，尽管分层开采技术较为成熟，但其成本高、工序多，影响效率。1.1 液压支架发展历史 历史地来看，大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机
7、等快速采煤机的使用,木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支设和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦和液压支柱所代替，并以支柱加铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。1954 年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958 年法国试验成功了节式支架。五十年代末，为开采煤层厚超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于 1961 年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了 OMKT
8、 型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅 0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在 OMKT 型掩护式支架的基础上作了许多改进：60 年代末和 70 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）6 了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四
9、连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974 年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入 70 和 80 年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981 年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制
10、出采高为 6m 的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。我国液压支架是从 50 年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.2 放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架 放顶煤采煤方法，就是在开采煤层的底部，或在特厚煤层中部位置，布置采煤工作面，利用工作面矿山压力的作用或辅以爆破等方法，将顶煤破碎并促使其垮落，而后将垮落的顶煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放顶煤采煤方法在很早以前就用于开采厚煤层。如我国以前使用过的高落式采煤法就属于这种采
11、煤方法。在当时，放顶煤开采是不正规的，完全手工式的，而且煤炭损失特别大，长期以来受到严格限制。还有仓储式采煤法、仓房式采煤法也都属于早期的放顶煤开采方法。随着煤炭开采技术的发展，特别是煤矿支护设备的发展，放顶煤采煤法已经发展成为一种正规的采煤方法。我国综采放顶煤开采开始于 1982 年，是由郑州煤矿机械厂、煤炭科学研究 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）7 图 1.1 低位双运输机放顶煤综采示意图 1 放煤口；2 前输送机；3 后输送机 总院北京开采所、沈阳煤研所共同研制的FY40014/28 中位放顶煤支架在沈阳 局蒲河矿安装试验；10 多年来得到了迅速的发展，截止到 19
12、93 年，已经在 13 个省的26 个矿务局 59 个工作面使用，达到了日产万吨，月产 31 万吨，年产 253 万吨的生产水平，成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。实践证明，在特厚煤层开采中，采用放顶煤开采较分层开采等具有明显的优越性，主要有：（1）、煤层掘进量小，掘进费用低、缓和了采掘关系；（2）、减少了搬家倒面次数，节省了综采面设备搬迁、安装的工作量及费用；（3）、较分层开采减少了铺网工序、材料、工资及巷道维护费用等；（4）、对急斜厚煤层，较普通法开采的工作面产量提高 13 倍；（5）、提高了煤炭的块炭率，增加煤炭的售价；（6）、减少了设备的运行费，特
13、别是采煤机，相对减少了吨媒设备折旧费或租赁费；（7）、有利于矿井的集中控制，实现减面、减人、提高工效的目的；（8)、提高劳动生产率，降低成本，比一般回采工效提高 25 倍，经济效益十分显著，吨媒成本一般降低 820 元/吨。基于上述原因，我国放顶媒液压支架从 1984 年至 1992 年上半年已发展到 42 套，32个品种，占世界总数的 66。当然，放顶煤开采也有急待解决的问题，主要是：（1）、煤尘大，比分层开采高出 13 倍，甚至更高；（2）、回采率偏低，一般在 80左右，造成一定的煤炭损失；（3）、自然发火的问题尚未得到很好的解决；（4）、对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大，有局部积聚的危险。因此
14、，煤炭工业部提出要有试点地进行，稳步发展的方针。然而有于放顶煤开采的优点十分突出，并对存在的问题逐步得到解决的同时，使这一新的特厚煤层的开采工艺从东北、西北迅速扩展到华北，1992 年初又推广到华东四个矿务局，并首先在兖州兴隆庄矿创出了月产 11 万吨的好成绩（1994 年月产已达 25 万吨），可以预计，今后将会更快地发展。下面重点介绍放顶煤液压支架的特点及适应性。中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）8 1、放顶煤液压支架的分类 按与液压支架配套的输送机的台数，放顶煤液压支架可分类如下：插底式 单输送机 不插底式 放顶煤液压支架 单铰接式 开天窗式 双输送机 四连杆式 前四连
15、杆式 插板式 中四连杆式 后四连杆式 按放煤口位置，放顶煤液压支架可分类如下：高位（单输送机开天窗式）放顶煤液压支架 中位（双输送机开天窗式）低位（双输送机插板式）下面重点介绍低位放顶煤液压支架的特点及适应性：2.低位放顶煤支架的特点 下面重点介绍低位放顶煤综采：低位放顶煤综采的显著特征是支架的放煤口位置低、尺寸大。而且是连续的，多为插板式，无脊背煤炭损失，支架的四连杆机构置于支架中间，后输送机置于支架拖板上或直接在底板上。低位放顶煤综采的主要优点为放煤在支架后下方，放煤效果好，煤尘小。后输送机外运煤炭顺利，一般不需清理后方浮煤。支架尾梁还可以摆动，以利提高顶煤的回收率。但低位放顶煤支架的稳定
16、性差，工作面端头的维护较困难。该类支架在窑街矿务局、兖州矿务局鲍店煤矿均取得高产、高效。低位放顶煤综采如图 1.1所示。这是一种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度在 45左右）用以松动顶煤，中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）9 并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。其主要特点如下：(1)由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高；(2)和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶
17、煤破碎较为充分，对放煤极为有利；(3)后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤，使放煤口不易堵塞；(4)低位放煤使煤尘减少；(5)前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差，支架的稳定性较差；(6)尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差。这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种支架在缓斜长壁工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索：(1)把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶
18、煤液压支架；(2)大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达 20t以上，但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力；(3)增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如 ZFPS5200/17/32型支架尾梁端部向上摆动力可达到 500kN，使用效果良好；(4)后四连杆前连杆设计为 Y 型，后连杆设计为 I 型，增大了支架的前、后人行道的宽度并加大了后部的人员工作与维护空间；(5)把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯
19、曲并防止输送机和支架下滑。前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大，且重量也轻。3.低位放顶煤液压支架的适应性 前四连杆式支架在急斜水平分段放顶煤综采中取得成功，如对四连杆及有关联接件再进一步增加强度，成为定型设备，可以不考虑在急斜条件下使用后四连杆式支架。缓斜中硬难放煤层在选型时考虑到低位放顶煤液压支架的强度低，又无成功的实例，中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）10 往往选用中位放顶煤液压支架，但受到放煤口的限制，实际上也未能很好解决其放煤问题。仔细研究各类放煤支架，就会发现，只有前四连杆式支架具备大幅度摆动掩护梁破煤的条件。有
20、的低位放顶煤液压支架采取强化四连杆及联接销轴，把摆动掩护梁的千斤顶一端布置在底座上，而不是布置在顶梁上，尽管这种架型尚无满意的效果，但这种探索无疑是很有意义的。后四连杆式支架在煤层硬度系数 f 2 左右，层节理比较发育的缓斜厚煤层中使用取得很大成功，如在潞安矿务局五阳煤矿、王庄煤矿和兖州矿务局兴隆庄煤矿、鲍店煤矿。这种架型与设计先进的过渡支架配合使用，创出了新水平，被广泛推广使用。如石炭井矿务局乌兰矿将这种支架与过渡支架、端头支架配套使用，在倾角为 24的工作面上取得了成功。由此表明了后四连杆式放顶煤液压支架在缓斜中硬煤层和倾斜厚煤层中均有良好的适应性和使用前景。1.3 采煤工作面液压支架设计
21、要求和设计必要的基本参数 1.3.1 采煤工作面对液压支架的设计要求 为了满足长壁工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求：1.能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2.保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3.应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4.能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。5.
22、最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。1.3.2 液压支架设计的基本参数 1.顶板条件 根据老顶 1 级和直接顶的分类 2。中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）11 根据最大 4500 和最小采高 3500，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3.瓦斯等级 根据瓦斯等级-瓦斯涌出量大，按保安规程规定，验算通风断面。4.底板岩性及小时涌水量 根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。5.工作面煤壁条件 根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。6.煤层倾角 根据煤层倾角-急斜特厚煤层，决定是否选用防倒防滑装置。7.井筒罐笼尺寸 根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外
23、形尺寸。8.配套尺寸 根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.4 本文做的主要工作 毕业设计名称：放顶煤液压支架设计 参数如下：（1）要求工作阻力 500t。（2）最大采高 4.5m，最小采高 3.5m。（3）急斜特厚煤层,瓦斯涌出量大.本次设计主要工作如下：四连杆机构的设计、各个结构件的结构设计、各结构件的受力分析及强度校核、液压立柱的设计及支架液压电液控制系统统原理设计。中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）12 2 液压支架整体结构设计 2.1 支架主要尺寸的确定 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比 一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。由于我国急斜煤
24、层煤层厚度都比较大，煤层厚度在2080m之间，所以按厚煤层高度的确定原则来确定该放顶煤液压支架的高度。maxmaxMH（200300）（2.1）minminMH（300400）（2.2）式中：maxH支架最大高度（mm）；minH支架最小高度（mm）；maxM最大采高（mm）；minM最小采高（mm）。本设计最大采高maxM4500mm,取支架最大高度 maxH45002004700mm 则支架的最小高度 minH3500-3003200mm 调高范围为 1500mm 支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即：mmaxminHH (2.3)代入有关数据，得 m=32004700=1.47
25、 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）13 2.1.2 支架间距和宽度的确定 所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算：3cmbBn C （2.4）式中：cb支架间距（支架中心距）；mB每架支架顶梁总宽度；3C相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；n 每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架 n=1；整体迈步式支架n=2；节式迈步支架，n=支架节数。支架间距cb要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为 1.5m,千斤顶连结块位置
26、在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为 1.5m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用 1.75m,轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用 1.25m。本次设计取支架的中心距为1.5m。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。其中宽面顶梁一般为1200mm1500mm，节式支架一般为400mm600mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1380mm,最大宽度为1550mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。2.2 支架四连杆机构的确定 2.2.1 四连
27、杆机构的作用 1梁端护顶 鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内时，借此可以保证梁端顶板维护良好。2挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）14 内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作用。3抵抗水平力 观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向
28、煤壁方向）的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。4 提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响。2.2.2 四连杆机构设计的要求 1.支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好为30mm以
29、下。2.支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图2.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，P5262，Q7585；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求tan PW，如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3，则P=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使P25为宜。而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取Q2530，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。3.从图2.1中可知，掩护梁与顶梁铰点e和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为。设计时
30、，要使角满足tan0.35的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。4.应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2.1所示的h段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板阻止底座向后移，使整个支架产生中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）15 顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。从以上分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的
31、运动轨迹时，应尽量使e值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以了，如图2.2。e1hPQoe=30图2.1 四连杆机构几何特征图 e图 2.2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）16 2.3 四连杆机构的设计 四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计鉴于各种方法的优缺点，采用了计算机求解的方式来求解。在计算之前，先确定几个值。根据以往的设计经验，取顶梁与掩护梁的绞点至上顶板的距离为400mm,要求双
32、纽线的偏摆量为30mm,后连杆下绞点至底座的距离为900mm。采用电算法。1.目标函数的确定 为了减少附加力，必须使得tan有较小值。同时，为有效的控制顶板，要求支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。2.四连杆机构的几何特征 四连杆机构的几何特征，如图 2.3 所示。（1）支架在最高位置时，1P52 62，即：0.911.08弧度；1Q7585即1.311.48弧度；支架在最低位置时，保证P 125。（2）后1连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为 I=0.450.61
33、;支撑掩护式为I=0.610.82。（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为I 10.220.3。（4）e点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度70e mm以下。（5）支架在最高位置时的tan应小于0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。3.四连杆机构各部尺寸的计算 四连杆机构各部参数如图 2.3 所示，图中的1H为支架在最高位置时的计算高度。令：o a2=A;ab=B;ab=C;cd=D;2o d=E;ae=G;eb=F;1Jo=S;Je=L;AIG;中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）17 abIae1;tan=SL=U e图 2.
34、3 四连杆机构参数图(1)后连杆与掩护梁长度的确定 如图2.3所示，当支架在最高位置时的H1值确定后，掩护梁长度G为：111sinsinHGPIQ（）（）（2.5）后连杆长度为：AI G （2.6）前后连杆上绞点之距为：BIG1 （2.7）前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为：FGB （2.8）从式（2.5）至式（2.8），可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对变量规定相应的步长如下：1P的步长为0.34弧度；1Q的步长为0.34弧度；1I的步长为0.02；I的步长，支撑掩护式为0.042。若上述四个变量各向前迈出五步，经排列组合变得到625组数据。（2）后连杆下绞点至坐标原点之距为1E
35、，如图2.4所示 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）18 图 2.4 四连杆机构几何关系（3）前连杆长度及角度的确定 当支架高度变化时，掩护梁上绞点,e的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽度和角尽量小，可把,e点的轨迹视为理想直线，当然实际上并非如此。但是，我们可以做到支架高度变化时，有三点在一条直线上，如图2.4所示，即：支架在最高和最低以及中间某一位置的三点。当支架的最高和最低位置确定后，在直线上的最高和最低点就确定了。根据设计经验，当,e点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连杆与掩护梁的夹角由大于90到小于90变化，在夹角变化过程中，一定有一位置使后连杆与掩护梁呈垂直
36、状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位置的点。1）1b点坐标 当支架在最高位置时的计算高度为1H，此时1b点的坐标为：11cosxFP（）（2.9）111sinyHFP（）（2.10）2）2b点坐标 支架在最低位置时的计算高度为2H，此时2b的坐标为：22cosxFP（）（2.11）中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）19 222sinsinyBP（）+A（Q）（2.12）根据四连杆机构的几何特征要求，支架降到最低位置时，22530Q 为计算方便225Q，即 0.436 弧度。根据几何关系2P为：2212212cosarctancosGEAQPEAQ（
37、）（）（2.13）3）3b点坐标 当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，3b点坐标为：33cosxFP（）（2.14）333sinsinyBPAQ（）（）（2.15）式中 P3由下式进行计算：132221arctanarctan2EAPGGAE（）（2.16）332QP （2.17）4）c点坐标 根据图2.4所示，支架在三个位置时四连杆机构几何关系确定后，c点就是以1b、2b、3b这三点为圆的圆心。所以，123cbcbcb为前连杆的长度。因此，可以用圆的方程求得前连杆长度。即：2211ccCxxyy（）（）（2.18）上式中cx、cy为c点坐标，可以按下列方程联立求得:222211
38、33ccccxxyyxxyy（）（）（）（）（2.19）22223322ccccxxyyxxyy（）（）（）（）（2.20）由式（2.19）和式（2.20）得：2222222231312323233131233123()()()()2()()()()cxxyyyyxxyyyyxxxyyyyxx （2.21）中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）20 2222222223233121312331233123()()()()2()()()()cxxyyxxxxyyxxyxxyyyyxx （2.22）令:22223131Mxxyy （2.23）N 22222323xxyy （2.24）
39、T312331232()()()()xxyyyyxx （2.25）把式（2.23）到式（2.25）带入式(2.22)式得：2331()()cMyyNyyxT （2.26）3123()()cNxxMxxyT （2.27）c点坐标求出后，前连杆的长度和角度就可以确定了。（4）前连杆下绞点的高度D和四连杆机构的底座长度E。当前连杆c点坐标确定后，D和E的长度为：cDy （2.28）1cEEx （2.29）4.四连杆机构的优选 按上述方法可求出很多组四连杆机构，并非所有的值都可以用，故要优选。优选的方法是给定约束条件，对所计算出的各组值进行筛选，最终选出一组最优的值来。其约束条件是根据四连杆机构的几何
40、体特征要求，以及支架的结构关系，通过对国内外现有支架的调查统计，得出的约束条件如下：（1）前后连杆的比值范围 根据现有资料的调查统计，前后连杆的比值CA0.91.2范围。（2）前连杆的高度不宜过大，一般应使15HD。（3）E的长度，一般应使E1H4.5.（4）对掩护式支架应使tan的值U 0.16；对支撑掩护式支架0 2U.tan的值按下面的方法进行计算。如图2.5所示，为支架在最高位置时的几何关系。（1）a1点坐标 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）21 4x=11cosEAQ （2.30）41sinyAQ （2.31）（2）2o点55(,)x y坐标为1(,0)E（3）1
41、cb直线的斜率：111ccyyKxx （2.32）（4）2o a直线的斜率：45245yyKxx （2.33）由于 c、b1、o1在同一条直线上，因此，1cb和 1 1bo直线的斜率相同，所以1 1bo直线的斜率为：61161yyKxx （2.34）同理直线1 1ao的斜率为 64264yyKxx （2.35）联立（2.34）、（2.35）得：1 11244612K xyK xyxKK （2.36）61611yK(xx)y （2.37）中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）22 图 2.5 顺心位置图 令：6Lx （2.38）6SHy （2.39）则：t a nSUL （2.40
42、）5.近似双纽线轨迹的绘制 为了能计算和看出优选的一组值的e值，以及双纽线的凸弧段长度，要求打印出顶梁前端的坐标值画出双纽线轨迹来。（1）四连杆机构的方程 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）23 图 2.6 四连杆机构方程图 从图 2.6 可知，在任一个4Q角位置时，d 点的 x 坐标值应满足下列方程 44coscoscosAQEBPC （2.41）B 点的 y 坐标值应满足下列方程 4sinsinsinAQBCD4P （2.42）由式（2.42）得：44sinsinsinAQBPDC （2.43）将式（2.43）代入式（2.41）得：442442coscossinsin1A
43、QEBPAQBPDCC （2.44）将式（2.44）整理得：222224444442cos2sincos22cossin2sin20ABDCEA EQA DQPE BA BQPA BQB D (2.45)中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）24 令：4c o sZP ;24sin1PZ 422cosKE BA BQ (2.46)42sin2JA BQB D (2.47)22222442cos2sinRABDCEA EQA DQ (2.48)将式(2.46)式（2.48）代入式（2.45）可得：210RZ KJZ (2.49)则式（2.49）可变成以 Z 为变量之方程，得：222
44、22222K RK RKJRJZKJ (2.50)不合题意之根已舍去。当2222220KRKJRJ时，式（2.50）才有意义。在图 2.6 中e点任一位置时之坐标 x,y 可写成：44coscosxAQGP (2.51)44sinsinyAQGP (2.52)其中，4arccosPZ 则 241a r c t a nZPZ 式（2.51）和式（2.52）就是液压支架四连杆机构的曲线方程。根据四连杆机构的几何特征要求，支架由高到低，4Q=8525,即：1.48rad0.436rad。所以在4Q变化范围内可以画出一条近似双纽线的轨迹来。如果在这个变化范围内按间隔0.087rad,可以算出 x,y
45、值表，y 的变化相当于支架计算高度的变化，则 x 的变化相当于顶梁前端距煤壁之距变化，所以 e 值为支架高度变化范围内，相应的maxminxx，凸弧段的长度为支架的结构高度有高到低时，x 值渐增所对应的 y 值相减，即：凸弧段长度 hhh大小 式中，中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）25 大h支架最大高度所对应的 y 值；h小支架由高到低，x 值渐增，增加到极限位置所对应的 y 值。2.4 顶梁长度的确定 2.4.1 支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（及时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小
46、。这是因为采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护，因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600 mm。本次设计采用及时支护方式。2.4.2 顶梁长度计算 11coscos300AQGPe 顶梁长度 配套尺寸底座长度 (2.53)式中：配套尺寸参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定；底座长度底座前端至后连杆下铰点之距。e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；1Q、1P支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。急斜特厚煤层放顶煤综采选用的配套设备如下：采煤
47、机为 MGD150/NW 型；前输送机为 SGZ 764/264 型；后输送机为 SGW-40T 型。经过计算得该支架的顶梁长度为 5237mm 如图 2.7 所示。中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）26 图 2.7 顶梁长度示意图 中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）27 3 放顶煤液压支架主要结构设计 此类低位放顶煤支架的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶、底板状况，矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况、硬度和开采方法等，支架总体技术参数的确定应满足：(1)工作阻力、支护强度的要求；(2)稳定性要好，抗扭能力强；(3)顶梁、掩护梁以至尾梁密封性
48、能好；(4)拉架力大，走得动；(5)能放煤，出煤易控制，(6)液压系统简单合理；(7)喷雾降尘装置可靠实用。这样在设计支架各个部件时，不仅要满足强度要求，还要总体性能好。低位放顶煤支架的主要结构有前梁（伸缩式和挑梁式）、顶梁、掩护梁、尾梁、前连杆、后连杆、底座推移装置、立柱及各种千斤顶、液压控制系统等组成。3.1 支架主要部件的设计要求 各部件设计要求要满足总体配套的要求，就是应满足采煤机、双输送机和支架配套的空间要求，支架前部能及时支护，后部便于放顶煤；应有喷雾降尘装置，为防止煤的自燃发火应安装必要的辅助装置。同时，为适应急斜特厚煤层分段开采，支架本身采用中四连杆机构1，增加了支架的纵向稳定
49、性，并使梁端距变化较小，放煤增设摆动伸缩式尾梁，以调整工作空间和放煤口大小，改善掩护梁受力状况，应使顶梁较长，以利顶煤在矿压作用下能较好的压碎。各部件设计的基本要求：（1）四连杆机构应进行优化设计，使支架梁端距变化小，支架受力状态最佳，结构上既满足工作空间要求，又能承受足够的纵向、横向力及扭矩。（2）前梁由前梁千斤顶控制，可上下摆动 15，与顶板保持良好的接触，维护机道上方顶板。挑梁是和前梁铰接的可翻转支护板，由防片帮千斤顶控制，可及时支护，并超过水平线上挑 3 5，拉架时收回，还可在移架后支护煤壁，以防止片帮。（3）顶梁 顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。它可多次反复支撑顶煤，
50、以利于放煤。顶梁装有侧护板，活动侧装有千斤顶和弹簧，防止架间漏煤、矸及调节支架间距。1 液压支架中，凡四连杆机构和顶梁与底座铰接的顶梁四连杆机构，简称为中四连杆机构。中国矿业大学成人教育学院 2011届毕业设计（论文）28（4）掩护梁受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。（5）底座 底座是将支架承受的顶板压力和侧向力传至底板。它既要 有足够的强度和刚度，又应满足底板比压不超限。保证支架整体稳定性的关键是在底座上铰接四连杆机构，在底座中间设置有推移装置，侧面设置拉后输送机的千斤顶和推移杆。（6）推移装置 此机构关系到支架能否正常推移，由千斤顶和推移杆组成。推移杆结构有长推杆或是由两部分短推移杆