ZZ72002338型液壓支架設(shè)計(jì)（太原）
ZZ72002338型液壓支架設(shè)計(jì)（太原）,zz72002338,液壓,支架,設(shè)計(jì),太原
畢業(yè)設(shè)計(jì)
ZZ7200/23/38型液壓支架
125011237
麻偉平
機(jī)械工程系
學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：
系 部：
李燁
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
專 業(yè)：
指導(dǎo)教師：
二零一四年 六 月
VI
誠(chéng)信聲明
本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。
本人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
設(shè)計(jì)題目：ZZ7200/23/38型液壓支架
系部：機(jī)械工程系專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)：125011237
學(xué)生：麻偉平 指導(dǎo)教師（含職稱）：李燁（講師）專業(yè)負(fù)責(zé)人：田靜
1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)
主要任務(wù)：各個(gè)零件的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)說明書、繪制液壓系統(tǒng)圖、電子資料一份
主要目標(biāo)：通過對(duì)液壓支架的設(shè)計(jì)，以現(xiàn)在的市場(chǎng)實(shí)際需求出發(fā)，立足于企業(yè)目前的生產(chǎn)實(shí)際情況，保證綜采工作面有正常作業(yè)所需的空間，保證采煤機(jī)、輸送機(jī)配套使用，提高生產(chǎn)效率，改善安全條件以及延長(zhǎng)液壓支架的使用壽命。
2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容
基本要求：液壓系統(tǒng)：合理計(jì)算工作壓力，適當(dāng)選取動(dòng)力部分、執(zhí)行部分以及輔助部分；繪制符合技術(shù)需求液壓系統(tǒng)圖。
內(nèi)容：通過查閱相關(guān)的資料，確定液壓支架總體布局及機(jī)構(gòu)方案。綜合設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算設(shè)計(jì)出合理的零件設(shè)計(jì)，選取合適的部分元件，完成液壓支架設(shè)計(jì)的總裝配圖。
3．主要參考文獻(xiàn)
[1] 丁紹南.液壓支架設(shè)計(jì)[M] .北京:世界圖書出版社,1995
[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 1999
[3] 張家鑒、陳享文、伊長(zhǎng)德.液壓支架[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社 1985
4．進(jìn)度安排
畢業(yè)設(shè)計(jì)各階段名稱
起 止 日 期
1
分析題目，確定設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行開題檢查
2014.12~2014.3.14
2
查閱資料，分析模具，進(jìn)行推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2014.3.15~2014.4.24
3
進(jìn)行中期檢查
2014.4.25
4
整理圖紙，寫出畢業(yè)論文
2014.4.25~2014.5.25
5
進(jìn)行設(shè)計(jì)說明書及圖紙整理，準(zhǔn)備答辯
2014.5.26~2014.6.10
ZZ7200/23/38型液壓支架
摘要:液壓支架主要由以下幾個(gè)基本部分組成：頂梁，掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)，側(cè)護(hù)板，底座，立柱，千斤頂。設(shè)計(jì)要遵從支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等原則。在支撐掩護(hù)式的設(shè)計(jì)過程中，底座、液壓系統(tǒng)和立柱等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。本論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu)，類型，工作原理，特點(diǎn)，目的及要求，對(duì)支撐掩護(hù)式液壓支架作了詳盡的分析和介紹，講述了這種支架的方案和用途。
關(guān)鍵詞：液壓支架，立柱，底座，四連桿機(jī)構(gòu)
ZZ7200/23/38 type hydraulic support
Abstract：Hydraulic support major from some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid, safely reliable etc. principle. In the design course that the type of supports cover type, the design of canopy and caving shield and props is key. This paper has introduced requirement, type, working principle, characteristic, purpose and the structure of hydraulic support, for screening type hydraulic pressure support have made detailed analysis and introduction, have narrated use and the scheme of this kind of support.
Key words: Hydraulic support, column, foundation, 4 linkage mechanisms
目 錄
1前 言 1
2液壓支架類型、選型原則及支撐掩護(hù)式支架的工作原理 2
2.1液壓支架的類型及基本特點(diǎn) 2
2.1.1支撐式液壓支架 2
2.1.2掩護(hù)式液壓支架 3
2.1.3支撐掩護(hù)式液壓支架 4
2.1.4特殊用途的液壓支架 5
2.2液壓支架的選型 6
2.2.1工作面支架 6
2.3支撐掩護(hù)式液壓支架工作原理 6
3液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 8
3.1設(shè)計(jì)目的，要求及必要的基本參數(shù) 8
3.1.1設(shè)計(jì)目的 8
3.1.2設(shè)計(jì)要求 8
3.1.3設(shè)計(jì)液壓支架必需的基本參數(shù) 9
3.1.4液壓支架設(shè)計(jì)的原始條件 10
3.2液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.2.1底座選擇與設(shè)計(jì) 10
3.2.2頂梁的選擇與設(shè)計(jì) 11
3.2.3推移裝置的選擇與設(shè)計(jì) 11
3.2.4立柱的選擇與設(shè)計(jì) 12
3.3液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定 13
3.3.1支護(hù)高度 13
3.3.2支護(hù)面積 14
3.3.3支護(hù)強(qiáng)度 14
3.3.4底板平均接觸比壓 15
3.3.5立柱主要參數(shù)確定 15
3.3.6泵站壓力的確定 17
3.4液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的確定 17
3.4.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用 17
3.4.2四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法 20
3.4.3幾何作圖法作圖過程 21
3.4.4四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)選設(shè)計(jì)法 23
3.5支架的主要結(jié)構(gòu)及其作用 24
3.6液壓系統(tǒng) 25
3.6.1液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 26
3.6.2液壓系統(tǒng)的基本要求 26
3.7支架在設(shè)計(jì)中突出的特點(diǎn) 28
4液壓支架的受力分析 28
4.1液壓支架的受力分析與計(jì)算 29
4.1.1對(duì)頂梁進(jìn)行受力分析 30
4.1.2對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行受力分析 31
4.1.3頂梁載荷分布 32
4.1.4支護(hù)強(qiáng)度 33
4.1.5支護(hù)效率 33
4.2液壓支架受力的影響因數(shù) 34
4.2.1立柱傾角對(duì)承載能力的影響 34
4.2.2tanθ值對(duì)支架承載能力的影響 34
4.2.3支架承載能力隨高度的變化 35
4.2.4摩擦系數(shù)的影響 35
結(jié) 論 37
參考文獻(xiàn) 38
致 謝 39
I
1前 言
綜合機(jī)械化采煤是煤礦技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，是煤礦增加產(chǎn)量、提高勞動(dòng)效率、增加經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。實(shí)踐證明大力發(fā)展綜合機(jī)械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關(guān)鍵的。我國(guó)60年代初制造出支撐式液壓支架，至今已能成批制造兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式支架，這些系列化一般用于緩傾斜中厚煤層及厚煤層分層開采。
我國(guó)煤礦中使有的支架類型很多，按照支架采煤工作面安裝位置來劃分有端頭支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡(jiǎn)稱端頭支架，專門安裝在每個(gè)采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所的位置的支架。
目前使用的液壓支架分為三類。即：支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架。從架型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，由于架型的不同，它的支撐力分布和作用也不同；從頂板條件來看，由于直接類別和老頂級(jí)別的不同，支架所承受的載荷也不同，所以為了在使用中合理地選擇架型，要對(duì)支架的支撐力承載力的關(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。
本設(shè)計(jì)論文：巷道高度度在2.6米到3.5米，老頂級(jí)別為Ⅰ、Ⅱ級(jí)，直接頂類別為一類的支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)。其架型特點(diǎn)支柱兩排，每排2根，多呈傾斜布置，裝有掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)。安的支撐力大，切頂性能好，防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
0
太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
2液壓支架類型、選型原則及支撐掩護(hù)式支架的工作原理
2.1液壓支架的類型及基本特點(diǎn)
迄今為止，全國(guó)使用的液壓支架已有幾百種型號(hào)，但其基本型式是相同或相似的。對(duì)液壓支架型式的分類應(yīng)把握其本質(zhì)特征，按照不同的分類原則進(jìn)行分類。這些分類原則互相聯(lián)系又存在矛盾，同一個(gè)支架按照不同的分類原則可劃分在不同類，把這些不同分類結(jié)果，按照一定的主次關(guān)系聯(lián)系起來，就能較全面的反映該支架的基本特征。
液壓支架可按適用的煤層厚度、傾角和支架的控制方式來進(jìn)行分類，但這些分類法均未反應(yīng)出液壓支架的基本特征。因此，目前國(guó)內(nèi)外均按架型結(jié)構(gòu)與圍巖關(guān)系，將液壓支架分為支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)式三大類。
2.1.1支撐式液壓支架
(a)節(jié)式支架 (b)垛式支架
圖2.1 支撐式液壓支架
(1)基本特點(diǎn)
①支撐式支架是早期發(fā)展的液壓支架架型。其中又分為節(jié)式支架(圖a)和垛式支架(圖b)。這種支架的基本特點(diǎn)是:
②立柱靠簡(jiǎn)單的復(fù)位裝置垂直支撐于支架的頂梁與底座之間，支撐效率高。
③支架是一個(gè)不穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，基本不能承受頂板的水平力，支架的穩(wěn)定性差。
④設(shè)有完善的掩護(hù)防漏研裝置。
⑤支撐力的集中作用點(diǎn)離煤壁較遠(yuǎn)，支架切頂力強(qiáng)。
⑥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，成本低。
(2)適應(yīng)范圍
①采高小于2m-2. 5 m
②直接頂穩(wěn)定(3類)或堅(jiān)硬(4類)，老頂來壓明顯(II級(jí))或強(qiáng)烈(III級(jí))。
③工作面傾角l<10°左右;
④目前垛式支架僅少量用于緩傾斜薄煤層中。節(jié)式支架已基本淘汰，應(yīng)用很少。
2.1.2掩護(hù)式液壓支架
(a)支頂型掩護(hù)式 （b)支掩型掩護(hù)式
圖2.2 掩護(hù)式液壓支架
（1）基本特點(diǎn)
①單排立柱支撐。支架支撐力集中作用點(diǎn)離煤壁較近，加之平衡千斤頂?shù)淖饔茫瑢?duì)端面頂板的支撐力較大，可以有效防止端面頂板的早期離層和破壞。
②控頂距小。頂梁較短，對(duì)頂板的反復(fù)支撐次數(shù)少，減少了對(duì)直接頂板的破壞。
③具有掩護(hù)梁、連桿等機(jī)構(gòu)，可以承受頂板的水平力，支架穩(wěn)定性好。
④擋研掩護(hù)性能好。一般都有掩護(hù)梁、活動(dòng)側(cè)護(hù)板等擋研掩護(hù)部件，能可靠地使工作面和采空區(qū)隔離，阻止竄研。
⑤平衡式頂梁，即工作時(shí)以支撐點(diǎn)(支掩式掩護(hù)支架即頂梁與掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)，支頂式則為立柱與頂梁的鉸點(diǎn))附近一個(gè)窄小的范圍為中心，必須保持前后支撐力矩的平衡來維持頂梁的正常工作狀況。這個(gè)窄小的范圍一般稱為受載平衡區(qū)。
⑥立柱一般呈傾斜布置，支掩式支架的立柱支在掩護(hù)梁上，支撐效率較低。但是，支架的調(diào)高范圍化較大。
⑦支架切頂能力一般較小，尤其是支掩型掩護(hù)支架。但是，支頂型掩護(hù)支架的切頂能力較高。
⑧由于控頂距等原因，支掩型掩護(hù)支架的通風(fēng)斷面較小，而支頂型支架則較大。
2.1.3支撐掩護(hù)式液壓支架
(a)支頂型支撐掩護(hù)式 (b)混合型支撐掩護(hù)式
圖2.3 支撐掩護(hù)式液壓支架
（1)基本特點(diǎn)
①通常為兩排立柱(少數(shù)為三排)垂直或傾斜支撐。支架支撐力的集中作用區(qū)(或稱力平衡區(qū))離煤壁較遠(yuǎn)，總支撐力高，切頂能力強(qiáng)。
②具有掩護(hù)梁、連桿等穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，可以承受頂板水平力，支架穩(wěn)定性好。
③擋研、掩護(hù)性能好。一般都有掩護(hù)梁、活動(dòng)側(cè)護(hù)板等擋研掩護(hù)部件，能可靠地使工作面與采空區(qū)隔離，阻止竄研。
④控頂距較大，頂梁較長(zhǎng)，對(duì)頂板的反復(fù)支撐次數(shù)相對(duì)較多，易使直接頂破壞，作業(yè)空間和通風(fēng)斷面較大。
2.1.4特殊用途的液壓支架
(1)放頂煤液壓支架
（a）單擺桿式 （b）單鉸接式
圖2.4 放頂煤液壓支架
放頂煤綜采法是近20年興起的特厚煤層機(jī)械化開采的新技術(shù)。放頂煤液壓支架是這種綜采法的主要配套設(shè)備之一。通過多年的實(shí)踐，越來越多的國(guó)家采用了這種技術(shù)，并且認(rèn)為在適宜的條件下，是解決厚及特厚煤層開采的一種經(jīng)濟(jì)，有效的方法。
我國(guó)厚及特厚煤層儲(chǔ)量非常豐富，自80年代初我國(guó)開始研制放頂煤液壓支架，先后在窯街、沈陽、遼源等局使用成功。目前，這種綜采法不僅用于緩傾斜煤層，還成功地用于急傾斜特厚煤層的水平分層開采。2004年盤江礦區(qū)已成功使用放頂煤液壓支架。
(2)鋪網(wǎng)液壓支架
鋪設(shè)金屬網(wǎng)分層假頂是分層綜采的重要工序。在專門的鋪網(wǎng)支架研制使用之前大多采用一般液壓支架，或稍加修改的支架，并在支架的前部鋪頂網(wǎng)。這種方法操作繁瑣且與采煤工序干擾，影響工作面產(chǎn)量和效率，而且鋪設(shè)的網(wǎng)經(jīng)過支架頂梁，掩護(hù)梁后才與底板重合，容易扯網(wǎng)或砸壞，影響鋪設(shè)質(zhì)量。
(3)大傾角液壓支架
當(dāng)工作面傾角增大到35°--55°左右時(shí)，除了工作面設(shè)備和支架本身的防倒防滑問題變得嚴(yán)重以外，工作面煤壁不穩(wěn)定性及端面頂板的及時(shí)維持問題、煤炭運(yùn)輸與人行空間的安全隔離問題、操作人員的行走和安全保護(hù)等問題，要求支架只有不同于一般緩傾斜煤層支架的特殊性能和結(jié)構(gòu)。
(4)端頭液壓支架
工作面端頭位于工作面和順槽的連接處，是行人、運(yùn)輸和通風(fēng)的必經(jīng)之地，多種設(shè)備的會(huì)集處，也是工作面支護(hù)和巷道支護(hù)的交叉地帶。端頭處條件復(fù)雜，位置重要。
目前國(guó)內(nèi)研制的端頭支架主要用在下端頭，主要功能是維護(hù)好巷道和回采工作面交叉口處的頂板，協(xié)調(diào)該處排頭支架、工作面輸送機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備之間的位置和配套關(guān)系;除端頭支架能自移以外，要為轉(zhuǎn)載機(jī)和輸送機(jī)機(jī)頭的移動(dòng)提供動(dòng)力，支架本身應(yīng)有防倒，調(diào)架或適應(yīng)工作面傾角變化的能力，能適應(yīng)左右工作面，換向方便，前梁伸入巷道，起一定的超前支護(hù)作用。
2.2液壓支架的選型
2.2.1工作面支架
工作面支架用量最大，主要有支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式三種形式。它的選型的主要依據(jù)有:工作面頂板的地質(zhì)條件，一般按老頂周期來壓不同把老頂分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)等級(jí);按直接頂?shù)姆€(wěn)定性不同，把其分為4類，應(yīng)根據(jù)工作面頂板的老頂級(jí)別，直接頂類別和底板的不同組合情況選擇架型。
2.2.2端頭支架
工作面端頭支架安裝在工作面和順槽的交接處，要求具有較大的支護(hù)空間，便于人員、設(shè)備進(jìn)出和設(shè)備的安裝，也有支撐式和支撐掩護(hù)式2種型式可供選用。
2.3支撐掩護(hù)式液壓支架工作原理
液壓支架的前探梁和頂梁是箱體焊接結(jié)構(gòu),支撐著工作面頂板,起著防止漏矸冒頂?shù)淖饔谩Ｇ疤搅呵Ы镯敳倏v著前探梁向上和向下擺動(dòng),可以較好適應(yīng)頂板的起伏不平,改善其接頂性能。四根立柱(雙作用單伸縮油缸) 支撐在頂梁與底座之間,立柱與頂梁、底座接觸處為球面鉸,可以改善立柱受力。為了適當(dāng)增大支架的支撐高度,擴(kuò)大適用范圍,根據(jù)需要可在立柱上端加接機(jī)械加長(zhǎng)桿。掩護(hù)梁是由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu),下端通過前、后連桿與底座鉸接成四連桿機(jī)構(gòu),起著穩(wěn)定支架重心和防止采空區(qū)巖石涌入工作面的作用,既能保證支架前梁頂端與煤壁的間距基本恒定,又承擔(dān)了支架在工作過程中的水平分力,以保證支架的工作穩(wěn)定性;底座是鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu),它與底板直接接觸,將立柱傳來的頂板壓力傳遞給底板。底座的后部與前后連桿鉸接,前端焊接有安裝推移千斤頂?shù)穆?lián)結(jié)耳,推移千斤頂?shù)牧硪欢伺c工作面運(yùn)輸機(jī)連接,通過推移千斤頂?shù)纳炜s,實(shí)現(xiàn)推溜和移架行走動(dòng)作。乳化液泵站是液壓支架的心臟,是乳化液泵、乳化液箱和其他附屬設(shè)備的總稱；液壓膠管構(gòu)成支架的“動(dòng)脈”和“靜脈”；操縱閥、安全閥和液控單向閥按規(guī)定的采煤工藝要求實(shí)現(xiàn)各部件的動(dòng)作,以滿足綜合機(jī)械化采煤的需要。
液壓支架是以乳化液泵站的高壓液體為動(dòng)力，通過液控系統(tǒng)，按要求使支架及附屬裝置完成支撐、降柱、移架、推移輸送機(jī)以及防護(hù)等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)工作機(jī)械化。其中卸載、降柱、推移和升柱是液壓支架的主要操作工序，而支架之間的相對(duì)移動(dòng)、支架及部件在空間里保持規(guī)定的位置和前梁伸縮等為輔助操作工序。這些輔助工序可與其中一種主要工序同時(shí)進(jìn)行，或者單獨(dú)進(jìn)行。但調(diào)整支架應(yīng)在降柱后升柱前進(jìn)行，即在移架前后或移架過程中進(jìn)行。液壓支架支撐過程中，在操縱閥關(guān)閉前后(或供液系統(tǒng)關(guān)閉前后)，工作面頂板與支架頂梁的主被動(dòng)關(guān)系發(fā)生了變化。因此支架的支撐過程可分為主動(dòng)支撐(初撐階段)和被動(dòng)支撐階段(承載階段)兩種工況。在液壓支架降柱開始時(shí)，隨著封閉高壓腔的液控單向閥快速開啟，經(jīng)常出現(xiàn)瞬態(tài)的液壓沖擊。故支架的降柱過程可分為卸載沖擊和正常降柱兩種工況。由于卸載降柱、推移和支撐操作工序?qū)χЪ艿囊萍芩俣取⒅ёo(hù)狀態(tài)和支撐性能起著決定性作用。所以在研究支架動(dòng)特性時(shí)，把卸載沖擊、正常降柱、移架、推移輸送機(jī)、主動(dòng)支撐和被動(dòng)支撐作為獨(dú)立的基本工況。
支架液壓系統(tǒng)屬于液壓傳動(dòng)中的泵-缸系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如下圖所示。
圖 2.5 ZZ7200/23/38液壓支架液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)的工作原理:
當(dāng)三位四通閥右位接通，乳化液通過三位四通閥，再經(jīng)過液控單向閥進(jìn)入液壓缸的底部，使液壓缸的活塞伸出，而液壓缸上部的乳化液經(jīng)三位四通閥回到油箱。當(dāng)三位四通閥的左位接通，乳化液通過三位四通閥進(jìn)入液壓缸的上部，使液壓缸的活塞下降。液控單向閥在乳化液的壓力下打開，使液壓缸下部的乳化液通過液控單向閥回到油箱。當(dāng)三位四通閥在中位時(shí)，三位四通閥把進(jìn)液管路隔開，液壓缸不進(jìn)乳化液，而液壓缸下部的乳化液由液控單向閥的作用下不回液，液壓缸不運(yùn)動(dòng)。
3液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)目的，要求及必要的基本參數(shù)
3.1.1設(shè)計(jì)目的
ZZ7200/23/38型支撐掩護(hù)式液壓支架是一種的“高起點(diǎn)、高質(zhì)量、高可靠性”的新型巷道支架。該支架主要使用在采區(qū)內(nèi)、工作面前方停采線處預(yù)置的切槽巷道內(nèi)，與兩側(cè)順槽方向一致、按1.5米中心距逐架布置在切槽巷道內(nèi)，支撐和管理該切槽巷道的頂板。該支架只起支護(hù)頂板作用，不需要推溜、移架和側(cè)護(hù)等功能。
當(dāng)采區(qū)采完、工作面內(nèi)支架推移到本支架所在的切槽巷道準(zhǔn)備拆工作面支架時(shí)，依靠本支架對(duì)周圍頂板的支護(hù)管理、維護(hù)出一個(gè)安全拆工作面支架的工作區(qū)域，確保工作人員的安全。
沒有本支架之前，預(yù)置拆架的切槽巷道只能靠假設(shè)頂棚或鋪網(wǎng)錨桿支護(hù)巷道頂板，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、工作效率低且成本高。本支架的應(yīng)用對(duì)增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)起著非常重要的作用。該架型已在神華和晉城等礦井使用，對(duì)全面提升現(xiàn)代化礦井的綜合機(jī)械化水平、提高生產(chǎn)率、保障礦井生產(chǎn)人員的操作安全等方面，效能尤為明顯。因此，巷道液壓支架的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。
3.1.2設(shè)計(jì)要求
(1)為了滿足采煤工藝及地質(zhì)條件的要求,液壓支架要有足夠的初承力和工作阻力,以便有效的控制頂板,保證其合理的下沉量。
(2)要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
(3)為了工作面液壓支架在本支架下的拆卸的需要,要有足夠?qū)挼目臻g。
(4)調(diào)節(jié)范圍要大,照明和通訊方便。
(5)支架要求有足夠的剛度,能夠承受一定的不均衡載荷和沖擊載荷。
(6)支架穩(wěn)定性要好,底座最大比壓小于規(guī)定值。
(7)在滿足強(qiáng)度條件下,盡可能減輕支架重量。
(8)要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。
3.1.3設(shè)計(jì)液壓支架必需的基本參數(shù)
(1)頂板條件
根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸悾瑢?duì)支架進(jìn)行選型。
(2)最大和最小采高
根據(jù)最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護(hù)強(qiáng)度。
(3)瓦斯等級(jí)
根據(jù)瓦斯等級(jí)，按保安規(guī)程規(guī)定，驗(yàn)算通風(fēng)斷面。
(4)底板巖性能及小時(shí)涌水量
根據(jù)底巖性和小時(shí)涌水量驗(yàn)算底板比壓。
(5)工作面煤壁條件
根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護(hù)幫裝置。
(6)煤層傾角
根據(jù)煤層傾角，決定是否選用防滑裝置
(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。
(8)配套尺寸
根據(jù)配套尺寸及支護(hù)方式來計(jì)算頂梁長(zhǎng)度。
3.1.4液壓支架設(shè)計(jì)的原始條件
老頂 Ⅰ、Ⅱ級(jí) 直接頂 1、2類 巷道高度 2.6-3.5m
表3.1 適應(yīng)不同類級(jí)頂板的架型和支護(hù)強(qiáng)度
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
架
型
掩護(hù)式
掩護(hù)式
支撐式
掩護(hù)式
掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式
支撐式
支撐掩護(hù)式
支撐掩護(hù)式
支撐或支撐掩護(hù)式
支撐或支撐掩護(hù)式
采高＜2.5m時(shí)用支撐式
采高＞2.5m時(shí)用支撐掩護(hù)式
支
護(hù)
強(qiáng)
度KN/M
支架采高m
1
294
1.3×294
1.6×294
＞2×294
應(yīng)結(jié)合深孔
爆破，軟化
頂板等措施
處理采空區(qū)
2
343（245）
1.3×343(245)
1.6×343
＞2×343
3
441(343)
1.3×441(343)
1.6×441
＞2×441
4
539(441)
1.3×539(441)
1.6×539
＞2×539
3.2液壓支架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1底座選擇與設(shè)計(jì)
液壓支架底座最常用的形式有3種，即整體剛性底座、底分式剛性底座和鉸接分體底座。在本次設(shè)計(jì)中我們采用整體剛性底座，在其中擋前部一般有一高度為50~100mm的小箱體結(jié)構(gòu)，中檔后部上方為箱形結(jié)構(gòu)，推移千斤頂一般安裝在箱形體下面，整體剛性底座立柱柱窩前一般要設(shè)計(jì)一過橋，以提高底座的整體剛性和抗扭能力，整體剛性底座的整體剛度和強(qiáng)度很好，底座面積大，從而有利于減小對(duì)底板的比壓。
由前面的設(shè)計(jì)，我們可以了解和理解一下尺寸;
底座長(zhǎng)2180mm，寬1400mm，前后連桿鉸合處的垂直中心距為426mm，水平中心距為545 mm后連桿的離地中心距為950mm，兩立柱的中心距為895mm，巷道液壓支架的底座長(zhǎng)度不需要根據(jù)移架步距確定，綜合所有因數(shù)我們?nèi)〉鬃L(zhǎng)2180mm。
3.2.2頂梁的選擇與設(shè)計(jì)
頂梁直接與頂板接觸，支撐頂板，是支架的主要承載部件之一，支架常用的頂梁形勢(shì)有3種：即整體頂梁、鉸接頂梁和楔形結(jié)構(gòu)頂梁。本設(shè)計(jì)中我們采用整體頂梁，整體頂梁有效地支護(hù)機(jī)道上方的頂板，防止工作面片幫冒頂。頂梁長(zhǎng)5100mm，寬為1460mm。頂梁后與掩護(hù)梁鉸接，鉸接處到頂梁的距離為350mm。兩立柱中心距為1120mm。
3.2.3推移裝置的選擇與設(shè)計(jì)
推移裝置有推移桿、推移千斤頂和連接頭等主要零部件組成，其中推移桿是決定推移裝置的形式和性能的關(guān)鍵部件。推移桿的常用形勢(shì)有正拉式短推桿和倒拉式長(zhǎng)推桿兩種。
正拉式短推桿是由鋼板組焊而成的箱形結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、重量輕，因而被廣泛采用，但對(duì)煤、矸的處理更加不易，而且還存在理論上的缺陷。
目前的推移機(jī)構(gòu)多采用倒拉式長(zhǎng)推桿整體式或兩節(jié)短推桿鉸接式結(jié)構(gòu)，其拉架力大。推桿都采用鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度非常好。長(zhǎng)推桿整體式推移裝置在工作面傾角大的情況下，有利于防止輸送機(jī)支架的下滑，但在工作面難以更換；鉸接式長(zhǎng)推桿推移裝置可以在上、下、左、右四個(gè)方向擺動(dòng)，兼有短推桿和雙推移桿的雙種特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用鉸接式短推桿機(jī)構(gòu)。
3.2.4立柱的選擇與設(shè)計(jì)
立柱是支架的最重要的承壓部件，在支架正常工作時(shí)，一般處于高壓受力狀態(tài)，他的工作性能直接影響整個(gè)支架的工作狀態(tài)，因此設(shè)計(jì)時(shí)，要求具有合理的工作組力和可靠的工作性能外，還必須有足夠的抗壓、抗彎強(qiáng)度，良好的密封性能，并能適應(yīng)支架的要求。其中單作用又分為活塞式支活柱式、雙作用分為單伸縮、單伸縮帶機(jī)械加長(zhǎng)桿，雙伸縮、三伸縮等。
該立柱為一單伸縮雙作用油缸，為了適應(yīng)頂?shù)装宓淖兓透纳破涫芰顩r，立柱兩端均采用球面結(jié)構(gòu)，以便更好地承受頂板壓力。
圖3.1 雙作用單伸縮立柱
(1)立柱布置
①立柱數(shù)
目前過內(nèi)支撐式支架立柱數(shù)為2～6根，常用為4根；掩護(hù)式支架為2柱；支撐掩護(hù)式支架為4柱。
②支撐方式
支撐式支架立柱為垂直布置。掩護(hù)式支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調(diào)高范圍。一般立柱軸線與頂梁的垂線夾角小于30o（支架在最低位置時(shí)），由于角度較大，可使調(diào)高范圍增加。同時(shí)由于頂梁較短，立柱傾角加大可以使頂梁柱窩位置前移，使頂梁前端支護(hù)能力增大。支撐掩護(hù)式支架，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求呈傾斜或直立布置，一般立柱軸線與頂梁垂線夾角小于10o（支架在最高位置時(shí)），由于夾角較小，有效支撐能力較大。
③立柱間距
立柱間距指支撐式和支撐掩護(hù)式支架而言即前、后柱的間距。立柱間距的選擇原則為有利于操作、行人和部件合理布置。支撐式和支撐掩護(hù)式支架的立柱間距為1～1.5m。
④立柱類型
立柱按動(dòng)作方式，分為單作用和雙作用；按結(jié)構(gòu)分類，分為活塞式和活柱式；按伸縮方式分為單身縮和雙伸縮
a b c
d e f
圖3.2 立柱類型
單作用活塞式；b—單作用柱塞式；c—雙作用活塞式；d、e、f—雙伸式
3.3液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定
3.3.1支護(hù)高度
支架高度確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來確定，其最大與最小高度為：
＋S1 (mm) (式3.1)
（mm） (式3.2)
式中：---支架最大高度 mm
---支架最小高度 mm
---巷道最大高度 =3600 mm
---巷道最小高度 =2500 mm
S1---考慮偽項(xiàng)煤冒落時(shí)，仍有可靠支撐力所需要的支撐高度，一般采取200-300mm，S1取200 mm，
S2---頂板最大下沉量是，一般取100～200 mm，S2取200 mm，
a--- 移架時(shí)支架的最小可縮量，一般取50 mm，
δ---浮矸石、俘煤厚度，一般取50 mm，
由式3-1可得
3600＋200=3800 mm
由式3-2可得
2500－100－50－50=2300mm
所以?。?
=3800mm
=2300mm
3.3.2支護(hù)面積
支架得支護(hù)面積按如下進(jìn)行計(jì)算
Fc = B(L + m) (式3.3)
其中：Fc--支護(hù)面積（㎡）
B—頂梁寬度（m）
L--頂梁長(zhǎng)度（m）
m--移架后頂梁前端至煤壁的距離，一般m=284mm
則 Fc＝1460×（5100＋284）＝7.86㎡
3.3.3支護(hù)強(qiáng)度
本次設(shè)計(jì)中支撐掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度可用插入法求得，按下式計(jì)算：
(式3.4)
式中： —支架名義支護(hù)強(qiáng)度。（KN/m2）
—采高所對(duì)應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度
—采高所對(duì)應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度
—對(duì)應(yīng)的采高(m)
—對(duì)應(yīng)的采高(m)
—支架的結(jié)構(gòu)高度，在，之間。
對(duì)應(yīng)最大結(jié)構(gòu)高度=3.8m時(shí)
=3m =705.6KN/m2
=4m =862.4KN/m2
將各數(shù)據(jù)代入式（3-3）得采高最大時(shí)支架支護(hù)強(qiáng)度
=705.6＋(862.4-705.6)=831.4 KN/m2
3.3.4底板平均接觸比壓
平均比壓按下式計(jì)算
= () (式3.5)
式中 ：平均比壓 （）
P：支架工作阻力 （N）
:底座長(zhǎng)度 （mm）
：底座當(dāng)量寬度（mm）
3.3.5立柱主要參數(shù)確定
1．立柱缸體內(nèi)徑和活塞外徑
a.立柱缸體內(nèi)徑的確定
(式3.6)
式中： D—立柱缸體內(nèi)徑mm
F1—支架承受的理論支護(hù)阻力KN
n—每架支架立柱數(shù)
Pa—安全閥的正壓力，Pa=40mpa
—立柱最大傾角（度）
代入公式（3-4）得
Dd==248mm
查表取整為250mm。
2．立柱初撐力和工作阻力
a.初撐力
(式3.7)
式中： —立柱初撐力 KN
— 泵站壓力 =31.5 (Mpa)
代入公式（3-5）得
=3.14/4×2502×31.5=6185（KN）
b.立柱工作阻力
=π/4×Da2×Pa (式3.8)
式中： —立柱工作阻力， KN
Pa —安全閥調(diào)整壓力，取Pa=36.7Mpa，
代入公式（3-6）得
=3.14/4×2502×36.7=1789(KN)
39
3.3.6泵站壓力的確定
泵站壓力的確定按照立柱和千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫π枰_定為：
P = 31.5MPa
表3.2 ZZ7200/23/38液壓支架的主要參數(shù)：
Z Z7200/23/38型液壓支架
高度
2300~3800
mm
中心距
1500
mm
寬度
1460
mm
初撐力
6185
KN
工作阻力
7200
KN
支護(hù)強(qiáng)度
0.8~0.85
MPa
底板前端比壓
1.87~1.95
MPa
適應(yīng)采高
1900~3600
mm
泵站壓力
31.5
MPa
支架重量
17600
Kg
操作方式
手動(dòng)快速 本架控制
立柱
缸徑/柱徑
250/230
mm
行 程
1500
mm
初撐力
1545
KN
工作阻力
1800
KN
3.4液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的確定
3.4.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用
四連桿機(jī)構(gòu)是掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架的最重要的部件之一。其作用概括起來主要有兩個(gè)：一是支架由高到低變化時(shí)，借助四連桿機(jī)構(gòu)的頂梁前端的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點(diǎn)于煤壁間距離的變化大大減少，提高了管理頂板的性能；二是使支架能承受較大的水平力[5]。
下面通過四連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程的幾何特征進(jìn)一步闡述其作用。這些幾何特征是四連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程的必然結(jié)果。
(1）支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時(shí)，如圖2.3所示，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度e應(yīng)小于或等于70mm，最好在30mm以下。
(2）支架在最高位置和最低位置時(shí),頂梁與掩護(hù)梁的夾角P后連桿與底平面的夾角Q，如圖2.3所示,應(yīng)滿足如下要求:
支架在最高位置時(shí),P=520～620,Q=750～850;支架在最底位置時(shí),為有利矸石下滑,防止矸石停留在掩護(hù)梁上,根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知,要求tanP＞W(wǎng),如果鋼和矸石的摩擦系數(shù)W=0.3,則P=16.70.而Q角主要考慮后連桿底部距底板要有一頂距離,防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降，一般去Q=250～300，在特殊情況下需要角度較小時(shí)，可提高后連桿下絞點(diǎn)的高度。
(3）從圖2.3可知掩護(hù)梁與頂梁絞點(diǎn)e’和瞬時(shí)中心O之間的連線與水平的夾角Q。設(shè)計(jì)時(shí)，要使Q角滿足tanQ的范圍，其原因是Ｑ角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。
圖3.3 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征
(4）頂梁前端點(diǎn)暈運(yùn)動(dòng)軌跡雙鈕線向前凸的一段為支架最佳工作段，如圖2.3所示的h段。其原因是頂板來壓時(shí)，立柱讓下縮，使頂梁有向前移的趨勢(shì)，可防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。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少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應(yīng)減少，所以減輕了掩護(hù)梁外負(fù)載。
從以上分析得知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)盡量使e值減少。當(dāng)已知掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度后，在設(shè)計(jì)時(shí)只要把掩護(hù)梁和后連桿簡(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖2.4所示（實(shí)際上液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)屬雙搖桿機(jī)構(gòu)）
圖3.4 掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
3.4.2四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法
四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何作圖法按如下步驟進(jìn)行。
(1）確定掩護(hù)梁上絞點(diǎn)至頂梁面之距和后連桿下絞點(diǎn)至底座底面之距。
一般按同類型支架用類比來確定，關(guān)于這兩個(gè)尺寸的大小對(duì)支架受力的影響，后面進(jìn)行專門研究。
(2）掩護(hù)梁和后連桿長(zhǎng)度的確定
用解析法來確定掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度
圖3.5 掩護(hù)梁和后連桿計(jì)算圖
設(shè) ：G---掩護(hù)梁長(zhǎng)度（mm） A---后連桿長(zhǎng)度（mm）
L2--e’點(diǎn)垂直線到后連桿下鉸點(diǎn)之距（mm）
H1—支架最大計(jì)算高度，由下式求得
H1=H大－220－150=3800－220－150=3430（mm）
其中： 220（mm）是后連桿下鉸點(diǎn)與底平面之距；
150（mm）是掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)與頂梁上平面之距
—支架最小計(jì)算高度。由下式求得
=-220－160=2300－220－150=1930（mm）
其中：P1 —支架最高位置時(shí)，掩護(hù)梁與頂梁夾角(度)
P2—支架最低位置時(shí)，掩護(hù)梁與頂梁夾角(度)
Q1 —支架最高位置時(shí)，后連桿與底平面夾角（度）
Q2—支架最低位置時(shí)，后連桿與底平面夾角（度）
從幾何關(guān)系可以列出如下兩式：
G.cosP1-A.cosQ1=L (式3.9)
G.cosP2-A.cosQ2=L (式3.10)
將以上兩式聯(lián)立可得：
(式3.11)
說明：
支架計(jì)算高度為支架高度減去掩護(hù)梁上絞點(diǎn)至頂梁頂面之距和后連桿下絞點(diǎn)至底座底面之距。
按四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征要求，選定P1,Q1,P2,Q2代入 (式3.11)式，可以求得A/G的比值，由于支架型式不同，一般A/G的比值按以下范圍來取。
對(duì)于支撐掩護(hù)式支支架，A/G值應(yīng)滿足如下范圍：
A/G=0.61～0.82
支架在最高位置時(shí)有：
(式3.12)
因此掩護(hù)梁長(zhǎng)度為：
(式3.13)
后連桿長(zhǎng)度為：
A=G(A/G) (式3.14)
根據(jù)A/G的比值和 (式3.14)可以求得掩護(hù)梁的長(zhǎng)度G和后連桿長(zhǎng)度A，經(jīng)過取整后，再重新算出P1,Q1,P2,Q2的角度，這幾個(gè)參數(shù)就確定了。
3.4.3幾何作圖法作圖過程
用幾何作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)的各部尺寸，具體作法如圖2.6所示。
具體作圖步驟如下：
(1)確定后連桿下鉸點(diǎn)O點(diǎn)的位置，使它比底座面略高200～250mm（或類比同類型支架確定）
(2)過O點(diǎn)作與底座面平行的水平線H—H線。
(3)過O點(diǎn)作與H—H線的夾角為Q1的斜線。
(4)在此斜線截取線段，長(zhǎng)度等于A,a點(diǎn)為支架在最高位置時(shí)后連桿與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)。
(5)過a點(diǎn)作與H—H線有交角P1的斜線，以a點(diǎn)為圓心，以G點(diǎn)為半徑作弧交些斜線一點(diǎn)e′此點(diǎn)為掩護(hù)梁與頂梁的鉸點(diǎn)。
(6)過e′點(diǎn)作H—H線的平行線F—F，則F—F線與H—H線的距離為H1，為液壓支架的最高位置時(shí)的計(jì)算高度。
(7)以a點(diǎn)為圓心，以（0.22～0.3）G長(zhǎng)度為半徑作弧，在掩護(hù)梁上交一點(diǎn)b,為前連桿上鉸點(diǎn)的位置。
(8)過O點(diǎn)作與H—H線夾角為Q2的斜線。
(9)在此斜線上截取線段〞. 〞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)。
(10)過a〞點(diǎn)作與H—H線有交角P2的斜線，以a〞點(diǎn)為圓心，以G為半徑作弧交些斜線一點(diǎn)e〞，此點(diǎn)為支架在最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)。
(11)以a〞為圓心以（0.22～0.3）G長(zhǎng)度為半徑作弧，在掩護(hù)梁上交一點(diǎn)b〞，為支架在最低位置時(shí)前連桿上鉸點(diǎn)的位置。
(12)取〞線之間一點(diǎn)e〞為液壓支架降到此高度時(shí)掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)。
(13)以O(shè)為圓心，為半徑圓弧。
(14)以e〞點(diǎn)為圓心，掩護(hù)梁長(zhǎng)ˊ為半徑作弧，交前圓弧上一點(diǎn)aˊ，以點(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)。
(15)以ˊ連線，并以aˊ點(diǎn)為圓心，ab長(zhǎng)為半徑作弧，交〞上一點(diǎn)bˊ點(diǎn)。則b， bˊ,b〞三點(diǎn)為液壓支架在三個(gè)位置時(shí) ，前連桿上鉸點(diǎn)。
(16)由b， bˊ,b〞三點(diǎn)確定的圓心C，為前連桿下鉸點(diǎn)位置。
(17)過C點(diǎn)H－H線作垂線，交點(diǎn)d，則線段,,,,和為液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)。
(18)按以上初步求出的四連桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸，再用幾何作圖法畫出液壓支架掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)eˊ的運(yùn)動(dòng)軌跡，只要逐步變化四連桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸，便可以畫出不同的曲線，再按四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征進(jìn)行校核，最終選出較優(yōu)的四連桿機(jī)構(gòu)尺寸。
圖3.6 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法
按以上作圖步驟，作四組不同的連桿機(jī)構(gòu)幾何分析圖分別求出相關(guān)的參數(shù)和尺寸。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可以把硬紙按1：10或1;5的比例剪成掩護(hù)梁和前、后連桿三個(gè)板塊，再根據(jù)前連桿下鉸點(diǎn)C點(diǎn)的位置，前、后連桿長(zhǎng)度，曲線最大寬度，曲線的形狀以及θ角的要求，不斷調(diào)整三個(gè)板快的位置，一直找到合適的幾何尺寸為止。
3.4.4四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)選設(shè)計(jì)法
掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)尺寸，直接影響著液壓支架的工作性能和受力狀況。為此，如何優(yōu)選設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)尺寸的意義重大。
(1)目標(biāo)函數(shù)的確定根據(jù)附加力對(duì)支架受力影響的分析，為減少附加力，必須使tanθ有較小值。同時(shí)，為有效地支控頂板，要求支架由高到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)與煤壁距離的變化要小。而支架在某一高度時(shí)的θ角，恰好是頂梁前端點(diǎn)的雙紐線軌跡上切線與頂梁垂線間的夾角。所以，只要令支架由高度到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似成直線為目標(biāo)函為輸，這兩項(xiàng)要求都能滿足。
(2)約束條件是根據(jù)tanθ值的要求和支架的結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系定出來的
①前后連桿的比值范圍。根據(jù)現(xiàn)有支架調(diào)查統(tǒng)計(jì)，前后連桿的比值C/A=0.9～1.2范圍
②前連桿機(jī)構(gòu)高度不宜過大，一般應(yīng)使D＜H1/5
③前后連桿下鉸點(diǎn)的水平距離E的長(zhǎng)度，一般應(yīng)使E＜H1/4.5
④對(duì)掩護(hù)式支架應(yīng)tanθ＜0.2
3.5支架的主要結(jié)構(gòu)及其作用
ZZ7200/23/38型支撐掩護(hù)式液壓支架主要由金屬建構(gòu)件、液壓元件及直屬零件三大部分組成。
金屬建構(gòu)件主要有：頂梁、掩護(hù)梁、前、后連桿、底座等。
液壓元件主要有：立柱、液壓控制元件（換向閥、單向閥、安全閥等）、液壓輔助元件（膠管、彎頭、三通等）等。
直屬元件主要有：各種銷軸等。
(1)頂梁
頂梁直接與頂板接觸，支撐頂板，是支架的主要承載部件之一，其主要作用包括：
①承載頂板巖石及煤的載荷
②反復(fù)支撐頂煤，可對(duì)比較堅(jiān)硬的頂煤起破碎作用
③為回采工作面提供足夠的安全空間
該支架頂梁為整體式結(jié)構(gòu)，可以有效地支護(hù)機(jī)道上方的頂板，防止工作面片幫冒頂。頂梁采用鋼板拼焊箱形變斷面結(jié)構(gòu)。
(2)掩護(hù)梁
掩護(hù)梁上部與頂梁鉸接，下部與前后連桿相連，經(jīng)前后連桿與底座連為一個(gè)整體，是支架的主要連接部件，其主要作用包括：
①承受頂板給與的水平分力和側(cè)向力，增加支架的抗扭性能。
②掩護(hù)梁與前后連桿、底座形成四連桿機(jī)構(gòu)，保證梁端距變化不大。
本支架的掩護(hù)梁為整體箱形變斷面結(jié)構(gòu)，用鋼板拼焊而成，為保證掩護(hù)梁有足夠的強(qiáng)度，在它與頂梁、前后連桿連接部位都焊有加強(qiáng)板，在相應(yīng)的危險(xiǎn)斷面和危險(xiǎn)焊縫處也都有加強(qiáng)板。
(3)底座
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)定支架的部件，除了滿足一定的剛度和強(qiáng)度外，還要求對(duì)底板起伏不平的適應(yīng)能力要強(qiáng)，對(duì)底板接觸比壓要小，其主要作用包括：
①為立柱、液壓控制裝置及其他輔助裝置形成安裝空間
②為工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境
③具有一定的排矸擋矸作用
④保證支架的穩(wěn)定性
底座的結(jié)構(gòu)為整體式，是用鋼板焊接成的箱式結(jié)構(gòu)，整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，不易變形，與底板接觸面積大，比壓小。
(4)前后連桿
前、后連桿上下分別與掩護(hù)梁與底座鉸接，共同形成四連桿機(jī)構(gòu)，其主要作用包括：
①使支架在調(diào)高范圍內(nèi)，頂梁前端與煤壁的距離（梁端距）變化盡可能小，更好地支護(hù)頂板。
②承受頂板的水平分力和側(cè)向力，使立柱不受側(cè)向力。
本支架前連桿為整體單耳連桿，下連桿為整體雙耳連桿，均為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不但有很強(qiáng)的抗拉抗壓性，而且有一定的抗扭能力。
(5)立柱
立柱把頂梁和底座連接起來，承受頂板的載荷，是支架的主要承載部件，要求有足夠的強(qiáng)度，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。
本支架立柱為單伸縮立柱，是有缸體、活柱、導(dǎo)向套、加長(zhǎng)桿、及各種密封件組成。
立柱初承力通常是指立柱大腔在泵站壓力下的支撐能力。初承力的大小，直接影響支架的支護(hù)性能，合理地選擇支架的初承力，可以減緩頂板的下沉，對(duì)頂板有利。本支架的立柱缸徑為ф250，初承力1545KN。
立柱的工作阻力，是指在外載荷作用下，立柱大缸下腔壓力增壓，當(dāng)壓力超過控制立柱的安全閥調(diào)定壓力時(shí)，安全閥泄液，立柱開始卸載，此時(shí)立柱所承受的能力即為工作阻力。立柱的工作阻力為1800KN。
立柱的降柱力是指立柱上腔注入高壓液而獲得的回縮能力。立柱的降柱力為237KN。
3.6液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)是利用泵站的高壓乳化液來控制立柱、千斤頂和閥等元件，實(shí)現(xiàn)支架的支護(hù)性能和各種動(dòng)作。
3.6.1液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
本液壓系統(tǒng)主要由立柱、各種閥和高壓膠管及管路附件等組成，其主要特點(diǎn)如下：
(1)采用大流量系統(tǒng)。立柱操縱閥流量為400L，架間主供液管均為Φ25，主回液管均為Φ38，主管路至操縱閥進(jìn)、回液管為Φ16，立柱上腔膠管為Φ10、下腔膠管為Φ16。
(2)支架采用的乳化液，是是由乳化油水配制而成的，乳化油的配比濃度為5%，使用乳化油應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
①定期檢查濃度，濃度過高增加成本；濃度太低可能造成液壓元件腐蝕，影響液壓元件的密封。
②防止污染，定期（一個(gè)月左右）清理泵站乳化液箱。
③乳化液的PH值須在7~9范圍內(nèi)。
④防凍：乳化液的凝固點(diǎn)在-3度左右，與水一樣乳化液也具有凍結(jié)膨脹性，乳化液受凍后，體積穩(wěn)定性受影響。因此，乳化液地面配制和運(yùn)輸過程中注意防凍。
⑤乳化油必須滿足“MT76-83?液壓支架用乳化油?”標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，即：
表3.3乳化油按對(duì)水質(zhì)硬度的適應(yīng)性選取相應(yīng)的牌號(hào)
牌號(hào)
M-5
M-10
M-15
M-T
適應(yīng)水質(zhì)硬度(毫克當(dāng)量/升)
≤5
>5, ≤10
>10, ≤15
≤15
配制液壓支架用乳化液的水質(zhì)應(yīng)符合下列條件:
無色、無臭、無懸物和機(jī)械雜質(zhì)；PH值在6~9范圍內(nèi)；氯離子含量不大于5.7毫克當(dāng)量/升;硫酸根離子的含量不大于8.3毫克當(dāng)量/升。
3.6.2液壓系統(tǒng)的基本要求
對(duì)于液壓支架的傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本要求：
(1)采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備外形尺寸比較小，能遠(yuǎn)距離的傳遞大的能量；
(2)能承受較大的載荷；沒有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
(3)再有爆炸危險(xiǎn)和含塵的空氣里保證工作安全；
(4)動(dòng)作迅速；
(5)操作、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單；
(6)過載及損壞保護(hù)簡(jiǎn)單；
針對(duì)我們本次設(shè)計(jì)的液壓支架，其液壓系統(tǒng)有以下兩部分系統(tǒng)組成：即立柱系統(tǒng)和千斤頂系統(tǒng)。
本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)圖：
圖3.7 ZZ7200/23/38液壓支架的液壓系統(tǒng)
3.7支架在設(shè)計(jì)中突出的特點(diǎn)
支架在設(shè)計(jì)中突出了以下特點(diǎn)：
(1)支架工作阻力大，對(duì)頂板的支撐效果好；
(2)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定支架的總體參數(shù)和主要部件的結(jié)構(gòu)尺寸，并利用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核，以提高支架的可靠性；
(3)本支架四連桿參數(shù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，受力較小，空頂距變化較小；
(4)頂梁為整頂梁相對(duì)較長(zhǎng)，支架通風(fēng)斷面大，操作空間大；
(5)支架底座為整體式剛性底座，底座比壓小，強(qiáng)度高；
(6)液壓系統(tǒng)采用400升大流量操縱閥，提高了支架工作循環(huán)時(shí)間。
4液壓支架的受力分析
由液壓支架的工作狀態(tài)可知，支架承受的外載荷是頂板下沉形成的。在頂板下沉過程中，支架頂梁與頂板有相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，支架不僅受有垂直于頂梁的力 ，還受平行頂梁的力。
為了設(shè)計(jì)方便，要對(duì)支架的載荷和支架本身進(jìn)行簡(jiǎn)化，現(xiàn)概述如下：
(1)把支架簡(jiǎn)化成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)，為了偏于安全，計(jì)算時(shí)把外載荷視為集中載荷。
(2)金屬結(jié)構(gòu)件按直梁理論計(jì)算。
(3)頂梁、底座與頂板被認(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長(zhǎng)度方向接線規(guī)律分布，沿寬度方向均勻分布。
(4)通過分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁頂矸石的作用為只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降底，所以在受力計(jì)算時(shí)不計(jì)使掩護(hù)梁偏于安全。
(5)立柱和短柱按最大工作阻力計(jì)算。
(6)產(chǎn)生作用在頂梁水平力的情況有兩種：一種是由于支架讓壓回縮，頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡為近似雙紐線，頂梁與頂板在產(chǎn)生相對(duì)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(dòng)，使支架頂梁受指向采空區(qū)的水平摩擦力。頂梁和頂板的靜摩擦系數(shù)W一般取0.15～0.3。
(7)按不同支護(hù)高度時(shí)各部件最大受力值進(jìn)行強(qiáng)度校核。
(8)各結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核，除按理論支護(hù)阻力校核危險(xiǎn)斷面外，還要按原煤炭部標(biāo)準(zhǔn)MT86-84《液壓支架型式試驗(yàn)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核，超過額定工作阻力10%的超載試驗(yàn)，將由安全系數(shù)來保證強(qiáng)度。
4.1液壓支架的受力分析與計(jì)算
當(dāng)支架撐牢在頂?shù)装逯g時(shí)，取其整體或某一部件為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此，把支架簡(jiǎn)化成平面桿系進(jìn)行受力分析和計(jì)算。
支架整體受力如圖3.1所示
圖4.1 支撐掩護(hù)式整體受力
4.1.1對(duì)頂梁進(jìn)行受力分析
對(duì)頂梁進(jìn)行受力分析如圖所示。
圖4.2 頂梁受力
(式4.1）
(式4.2）
式中：—后梁所受水平集中力 KN
—后梁所受垂直集中力 KN
ω—頂梁千斤頂板摩擦系數(shù) ， ω=0.3
—前排立柱的合力 =3600（KN）
P—后排立柱的合力，P=3600（KN）
由式(4-1)和(4-2)聯(lián)立，求Fm
=tanθ=
整理得:
(式4.3）
式中： θ—瞬心角（度）
代入公式（4-3）得
Fm=｛3600×cos 3°-3600× cos 4°+（3600×sin3°-3600×sin4°)tan15°｝
=4854.5(KN)
由式 (式4.1）得
Xe=6854.5×0.3+3600×sin4°-3600×sin3°
=2098.56(KN)
由式(式4.2）得
Ye=6854.5-3600cos3°-3600cos4°
=563.64 (KN)
4.1.2對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行受力分析
取掩護(hù)梁為分離體進(jìn)行受力分析。如圖所示。寫出連桿受力F,的表達(dá)式。
圖4.3 掩護(hù)梁分離體受力
(式4.4）
式中：
F—后連桿力， KN
a—后連桿與水平的夾角； 度
a—前連桿與水平面的夾角；度
—的反作用力。
代入公式(式4.4）得
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