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1、河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书I摘要摘要本课题主要阐述了液压支架的设计过程。设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计、主要零部件的校核和液压系统的设计。由于设计煤层适中，选用掩护式液压支架。煤层厚度介于 2.53.8m 之间，煤层厚度变化较大，选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。支架采用正四连杆机构，以改善支架的受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用单伸缩液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理的液压支架受力参数、运动参数和结构参数，以及选定液压支架最佳方案等方
2、面综合性的科学技术问题。关键词关键词：液压支架；顶梁；底座；立柱；结构设计河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书IIA ABSTRACTBSTRACTThis paper mainly describes the design process of hydraulic support.Design elements include:chooses,overall design,main spare part design,themain spare part examination and the hydraulic system design.Due to the design of c
3、oal seam is moderate,selection of shield type hydraulicsupport.Coal seam thickness between 2.53.8m,coal seam thickness change isbigger,selection of high and wide range of horizontal thrust is strong and theslope protecting device of shield support.The support uses the four bar linkagemechanism,impro
4、ves the support stress condition.Top beam,a shield beam,abase are made into a box body structure;the column uses the single telescopichydraulic cylinder,front end with a lengthened rod,to meet the minimum andmaximum position bracket height requirements.In the research of hydraulic support,the need f
5、or support for production testingand analysis,to determine a reasonable hydraulic support force parameters,motion parameters and structure parameters,and selected the best scheme ofhydraulic support and other aspects of comprehensive science and technologyissues.Keyword:Hydraulic pressure support；To
6、p beam；Cradle河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书III目目录录一 前言.1二 液压支架基本理论分析.22.1 液压支架的工作原理.22.1.2 支架推移.22.1.3 支架承载过程.32.2 液压支架的类型和结构.52.2.1 支撑式支架.52.2.2 掩护式支架.52.2.3 支撑掩护式支架.62.2.4 特种液压支架.62.3 对液压支架的基本要求有以下几条.72.4 支架的选型设计.72.4.1 设计的原始条件.72.4.2 支架的支护性能与外载荷.82.4.3 影响架型选择的因素.82.4.4 支架架型的确定.9三 液压支架的整体结构设计.113.1 支架高度、中心
7、距的确定.113.1.1 支架高度的确定.113.1.2 支架伸缩比.113.1.3 支架间距.113.2 底座长度的确定.123.2.1 底座长度.123.2.2 底座宽度.123.3 四连杆机构的设计.133.3.1 四连杆机构的作用与缺点.133.3.2四连杆几何特征.143.3.3.四连杆机构各部尺寸的确定.143.4 顶梁长度计算.193.4.1 支架工作方式对顶梁长度的影响.203.4.2 顶梁长度计算.20四 支架主要部件的设计.224.1 支架主要部件的设计要求.224.2 顶梁的设计.234.3 底座的设计.244.3.1 液压支架的底座.244.4 支架技术参数和立柱的设计
8、.24河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书IV4.4.1支护面积.244.4.2 支护强度.254.4.3 确定立柱的技术参数.254.4.4 安全阀压力与立柱工作阻力的确定.274.4.5 支护效率.304.4.6 底座接触比压.304.5 立柱柱窝位置和受力计算.314.5.1 立柱布置.314.5.2 立柱柱窝位置的确定.314.6 千斤顶技术参数的确定.334.6.1 推移千斤顶.334.6.2 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定.344.6.3 侧推千斤顶位置的确定.37五 支架受力分析与计算.395.1 支架工作状态.395.1.1 顶板状态.395.1.2 支架工作状态.395.
9、1.3 支架受力.395.2 受力计算.405.3 顶梁载荷分布.43六 液压支架的强度校核.456.1 强度条件.456.2 主顶梁的校核.456.2.1 主顶梁的弯距计算.456.2.2 主顶梁的强度计算.466.2.3 安全系数.476.3 掩护梁强度校核.486.3.1 掩护梁受力情况.486.3.2 掩护梁强度计算.496.3.3 安全系数.506.4 底座强度校核.506.5 立柱强度校核.546.5.1 预算缸筒内径和缸壁厚度.546.5.2 计算重叠长度.546.5.3 各段的弯矩.566.5.4 加长杆强度核算.576.5.5 活柱强度核算.586.5.6 缸体强度核算.59
10、七 液压系统设计.61河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书V7.1 立柱和千斤顶.617.2 支架液压阀.627.2.1 液控单向阀.627.2.2 安全阀.637.2.3 操纵阀.637.2.4 液压支架液压阀的密封技术分析.647.3 液压支架液压原理图.657.4 液压支架的控制方式.667.4.1 手动控制.667.4.2 自动控制.677.5 液压系统安装、调试、保养.677.5.1 安装：.677.5.2 调试：.767.5.3 保养：.777.6 液压系统的设计方法.79八 结论.79参 考 文 献.81致谢.82附录.83外文资料与中文翻译.83.河南理工大学万方科技学院
11、本科毕业设计说明书1一 前言随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需要量的日益增加，煤矿开采，特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大的变化。自 1954 年英国装备了世界上第一个液压支架工作面开始，采煤技术实现了综合机械化。综合机械化。就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都是现机械化。也就是说，采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤；工作面重型可弯曲运输机，以及与之适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤；自移式液压支架支护和管理顶板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备。液压支架是一高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推
12、移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书2二 液压支架基本理论分析2.1 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动
13、作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图 2.1 所示。图 2.1 液压支架工作原理1顶梁；2立柱；3推移千斤顶；4安全阀；5单向筏；6、7操纵阀；2.1.12.1.1 支架升降支架升降当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀 5 进入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。2.1.22.1.2 支架推移支架推移河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书3支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶 3 来进行的。移架
14、时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。2.1.32.1.3 支架承载过程支架承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。(1)初撑阶段在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀 6 立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。
15、此时支架对顶板的支撑力为初撑力。(2)承载增阻阶段支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。(3)恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀 5 的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的
16、计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书4由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图 所示，曲线上的0t、1t、3t分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。上述工作过程表明：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效的支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性决定于立柱、液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小
17、。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，通常单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即FPq 310MPa(式 2.1)河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书5式中F支架的支护面积，2m2.2 液压支架的类型和结构液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。2.2.12.2.1 支撑式支架支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机联接并互为支点整体前移。节式支
18、架由 23 个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用与支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在 4m左右；而且立柱多，一般 46 根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。2.2.
19、22.2.2 掩护式支架掩护式支架掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。掩护式河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书6支架的立柱较少，除少数掩护式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为 3.0mm 左右。掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑
20、力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。2.2.32.2.3 支撑掩护式支架支撑掩护式支架支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适用于各种顶底板条件。支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：支
21、撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。2.2.42.2.4 特种液压支架特种液压支架特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，在结构型式仍属于上述某种基本架型。河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书72.3 对液压支架的基本要求有以下几条1.为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以便有效地控制顶板，保证合理的下沉量
22、。2.液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为 100kN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为 100kN150kN，中厚煤层一般为150kN 250kN，厚煤层一般为 250kN 400kN。3.防矸性能要好。4.排矸性能要好。5.要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有毒气体等安全方面的要求。6.为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。7.调高范围要大，照明和通讯方便。8.支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定植。9.要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。10.在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。11.要易于拆卸，结构要简单
23、。12.液压元件要可靠。2.4 支架的选型设计2.4.12.4.1 设计的原始条件设计的原始条件煤层厚度：H1.83.2 米；顶设条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板平整，无影响支架通过的断层。工作面配套设备：采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ730/320。煤层倾斜角小于 15 度，支护强度、底板抗压强度、泵站压力、安全阀调定压力 40MPa。河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书82.4.2 支架的支护性能与外载荷由液压支架的工作状态知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力，还受有平行于顶
24、梁的摩擦力。垂直于顶梁的力由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板反作用力。为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，概述如下：把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布；通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力计算；产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产
25、生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数 W，一般取 0.150.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。2.4.3 影响架型选择的因素(1)煤层厚度煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层厚度大于 2.52.8m（软煤取下限，硬煤取上限）时，应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。(2)煤层倾角河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书9煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑象。当
26、煤层倾角大于 1015时，应设防滑和调架装置，当倾角超过 18时，应同时具有防滑防倒装置。(3)底板性质底板承受支架的全部载荷，对支架的底板影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压(对于砂岩底板，允许比压为 1.962.16MPa，软底板为 0.98MPa 左右)。(4)瓦斯涌出量对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。(5)地质构造地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在 582m和 20min 以下时，暂不宜采用液压支架。(6)设备成本在满足
27、要求的前提下，应选用价格便宜的支架。2.4.4 支架架型的确定从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接顶类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同。所以，为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力、采煤高度与承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。根据煤层厚度 1.83.2 米，属于中厚煤层。支架的适应高度为 1.53.5米煤质条件老顶 II 级、直接顶 II 级，底板平整，无影响支架通过的断层，河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书10根据表 2.1 初步选定为掩护式两柱液压支架。表 2.1 支架架型的选择注：括号内的
28、数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，可根据本矿情况允许有5%的波动范围。表中 1.3、1.6、2 分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶给出最低值 2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。老顶级别直接顶类别12312312344支架类型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式掩护或支撑掩护式掩护或支撑掩护式支撑式采高小于 2.5m时支撑掩护式采高大于 2.5m时支架支护强度MPa采高m10.2941.30.2941.60.29420.249应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区20.343（0.245）1.30.343（0.245）1.60.34320.
29、34330.441（0.343）1.30.441（0.343）1.60.44120.44140.539（0.441）1.30.539（0.441）1.60.53920.539河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书11三 液压支架的整体结构设计3.1 支架高度、中心距的确定3.1.1 支架高度的确定支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为：1ShHmm（式 3.1）2ShHnn（式 3.2）hm煤层最大采高，hn煤层最小采高S1伪顶冒落的最大厚度，一般取 0.20.3m2S顶板最大下沉量，一般取 100200mma移架时支架的最小可缩
30、量，一般取 50mma矸、浮煤厚度，一般取 50mm本设计采高 1.83.2m,取支架高度为 1.53.5m3.1.2 支架伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为：nmHHm（式 3.3）代入数据得 m=2.33。3.1.3 支架间距河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书12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（式 3.4）式中：cb支架间距（支架中心距）；mB每架支架顶梁总长度；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。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
31、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。本次设计取支架的中心距为 1.5m。3.2 底座长度的确定3.2.13.2.1 底座长度底座长度底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱，液压控制控制装置、推移装置和其他辅助装置；使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度职 3.5 倍的移架步距(一个移架步距为 0.
32、6m)，即 2.1m 左右；支撑掩护式支架的底座长度取 4 倍移架步距，即 2.4m 左右。本次设计取底座长2.18m。3.2.23.2.2 底座宽度底座宽度河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书13支架底座宽度一般为 1.11.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架可加大到 1.3m 左右，放顶煤支架为 1.31.4m。底座中间安装推移装置的槽子宽度与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为300380mm。宽度取 1350mm。3.3 四连杆机构的设计3.3.13.3.1 四连杆机构的作用与缺点四连杆机构的作用与缺点(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
33、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
34、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。河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书143.3.23.3.2四连杆几何特征四连杆几何特征（1）支架在最高位置时，1P=5262，即：0.911.08弧度；1Q=7585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
35、.450.61;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0.16。3.3.3.3.3.3.四连杆机构各部尺寸的四连杆机构各部尺寸的确定确定四连杆机构各部参数如图 3.1 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;abIae1;tan=SL=U河南理工大学
36、万方科技学院本科毕业设计说明书15ea图 3.1 四连杆机构参数图1、四连杆的作用四连杆机构是现代液压支架主要的稳定机构，其主要作用是保证支架纵向和横向的稳定性；承受和传递载荷以及保持液压支架的整体刚度等。对于四连杆的选择形式，大多数都是采用前整体后单的形式，这样可以增加尾部的空间。具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践考验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了支撑式支架稳定性和力学持性的缺陷，成为液压支架技术发展史上的一个重要里程碑。现代掩护式和支撑掩护式支架都用前后连杆把掩护梁和底座连结在一起，这样组成的双摇杆四连杆机构可使支架升降时保持比较稳定的梁端距，即要求掩护梁和顶梁的铰接
37、点的运动轨迹近似为一条直线，故称底座、前连杆、后连杆和掩护梁组成的机构为近似直线机构，从而得到一个近似相等的端面距，以提高管理顶板性能，使支架能承受较大的水平力。液压支架升降时，顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，既有顶梁与掩护梁的铰点 E 的轨迹所决定，其轨迹如图 3.2 所示：河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书16图 3.2 升降柱运动轨迹2、支架四连杆机构的运动轨迹支架在最大高度和最小高度范围内运动时，E 点的运动轨迹呈 3 种形式：双向摆动(ABCD 段)、单向向后摆动(BC 段)和单向向前摆动(AB 段和CD 段)。选择不同的四连杆参数可以使 E 点轨迹处于上述 3 种曲线段
38、。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当 E 点轨迹处于 AB段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当 E 点轨迹处于 BC 段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数使支架工作段内，E 点轨迹处于 AB 段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到要求
39、是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使E 点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度 3080mm。液压支架的纵向稳定性完河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书17全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件，不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。3、四杆机构之间的关系掩护式和支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构形成的条件是：最短杆 C 和最长杆之和小于其余两杆长度之
40、和，而最短杆为上连杆（掩护梁），最短杆的对边 a 为固定杆（底座），即：Cbo15。在 J 点作角，再取 JC 一定长度与 HC 交于 C 点，C 点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。4)以 J 为圆心，JC 为半径画一圆弧ab。以 I 为圆心，以 HC 的长度为半径画圆弧与 ab 弧交于 E 点。C 点和 E 点就是后连杆在支架为最小高度和最大高度时的极限位置。5)在 CH 上取一长度 CD，必须使 CDDC,这样 CD 就是最短杆。而且要使 CDDGx3Lg时，载荷呈梯形分布，如图 5.5 所示。顶梁前端比压为：321210)26(mBLgLgxFqM Pa（式 5.9）顶梁后端比压为：3213
41、10)64(mBLgxLgFqM pa（式 5.10）由于 x=0.77 小于3Lg所以载荷分布为三角形。将1F=3242 KN，mB=1.4m，x=0.77m 代入公式(5.10)得顶梁后端比压：1.21077.04.133242233qM Pa河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书45六 液压支架的强度校核6.1 强度条件在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度汁算是极为必要的。前面数章的内容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方法。但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制
42、造工艺以及大致形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应调整。强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数如表 6.1 所示。表 6.1 支架安全系数安全系数前梁底座顶梁掩护梁前连杆n1.11.11.11.31.3安全系数后连杆主要轴缸体焊缝活塞杆n1.31.33.343.341.46.2 主顶梁的校核主顶梁的校核6.2.16.2.1 主顶梁的弯距计算主顶梁的弯距计算假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力如图 6.1（a）所示：由上面求出 F 为 3242kN，距离铰接点 770mm。做主顶梁的受力及力矩图 6.1 所示：河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书4
43、6图 6.1（a）顶梁受力图图 6.1（b）顶梁弯矩图由图可知：maxM3200sin150.26+3200cos150.03=308.07N/m主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图 6.2 所示：图 6.2 最大弯矩断面图6.2.26.2.2 主顶梁的强度计算主顶梁的强度计算(1)形心位置各板件计算数据如表 6.2 所示：河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书47表 6.2 各板件计算数据件号123456789数量122422221nF2cm139.273.627.852.226.840.3235.226.256ny0.82.415.815.81529.229.229.219
44、.1nJ4cm29.715.72133.74812.21107.48.65.65.64968结构件的形心位置为：nnncFyFy)(=8.152.5248.158.2724.26.7328.02.139 1.19562922.3522.2932.4022.2932.402158.2628.2726.7329.13562.2622.35232.4028.2622.524=14.23cm(2)惯性矩)(2cnnnyyFJJ=6.737.15 2)23.148.0(2.1397.292)23.144.2(28.15(6.754812 4)23.148.15(3.407.2133 22)23.142+
45、)23.1142.29(2.355.7 2)23.1429(32.406.8 222)23.141.19(2.2649682=125318.64cm（3）弯曲应力98.62466.12531823.1435(1092.376)18(5maxmax）zcJyMkN/2cm6.2.36.2.3 安全系数安全系数河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书48钢板材料选取 16Mn，s=34335 KN/2cm5.598.624634335maxnns满足强度要求。6.3 掩护梁强度校核6.3.16.3.1 掩护梁受力情况掩护梁受力情况掩护梁的受力分析如图 6.3 所示处理后的力学模型由受力图可以看出
46、掩护梁的危险截面在前连杆与掩护梁铰接处，故需校核此危险截面的弯曲强度。此处截面的弯曲强度为：5.14343.0sin588sin6maxGFM2mkN 图 6.3 掩护梁受力分析图主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图 6.4 所示：河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书49图 6.4 最大弯矩断面图6.3.26.3.2 掩护梁强度计算掩护梁强度计算(1)形心位置各板件计算数据如表 6.3 所示：表 6.3 掩护梁板件数据件号1234567数量1242122面积cm2151.290.8879.668.821.54040形心位置 cm0.68.214.615.315.328.627
47、.6结构件的形心位置为：FyFynnnc)(代入数据得：cy13.3cm（2）惯性矩2)(yyFJcnnnJ123abJn4cm将数据代入公式，算得总惯性矩为：3.81813.93657.21829.36297.19012.855442.24405nZJJ河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书50=58210.34cm（3）弯曲应力4.59903.58210)3.136.37(105.143)6.37(5maxmaxzcJyMkN/2cm6.3.3 安全系数钢板材料选取 16Mn，s=34335 KN/2cm7.54.599034335maxnns满足强度要求。6.4 底座强度校核底座通过
48、立柱，前后连杆支撑支架的顶梁及掩护梁，是支架的主要承压部件，主要对其压力强度进行校核，基本不受弯矩影响。底座的受力分析见图 6.5 示。(a)底座受力图河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书51(b)底座弯矩图图 6.5 底座受力情况图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出，由0M得0cossinsinsincos321DDDCCCCCBBBBBAPHpHplPHpllR由上式求得前端的支反力为1）最高位置时的情况：)cossinsinsincos(1321DDDCCCCCbBBbBAPHPHPlPHpllR=ooo55sin3997.015sin320021.015cos32
49、0019.1(18.21oo78cos5884.055sin39604.0=1590.42mkN BBBABPHLLRMsin)(21=1748.45mkN CCCBBBbBAPHPHllPllRMCcossincos)()(3231=oo55cos39604.093.17315cos)97.019.1(320021.142.1590=1404.82mkN 9.4878cos5884.0cosoDDDDPHMmkN 河南理工大学万方科技学院本科毕业设计说明书52在最低位置时的情况：oooAR13sin3997.028sin320021.028cos320019.1(18.21oo18cos58
50、84.013sin39604.0=1296.46mkN 48.31599.01296BM98.1598mkN ooCM13cos39604.048.31528cos22.0320021.146.129665.1239mkN 7.223cosDDDDPHMmkN 表 6.4 相应位置对应的弯矩弯矩位置MbKNmMcKNm最高位置1748.51404.8最低位置15991239.7由表 6.4 中可知，最大弯矩发生在立柱的柱窝处。但是柱窝处专门焊接了柱窝，断面加强。危险断面在离柱窝中心 250mm 处，如图 6.6 所示。该处弯矩为98.182842.159015.115.1ARMmkN 图 6.