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中厚煤層支撐掩護式液壓支架設計
摘 要
我課題的研究內容是支撐掩護式液壓支架的總體設計。
現代長壁工作面采煤已經在開采區(qū)使用液壓支架。液壓支架不僅支撐頂板，推動刮板輸送機工作面和自移式支架本身，而且還為相關的采煤設備提供一個安全的工作環(huán)境。因此正確的選擇和應用液壓支架是長壁工作面采煤成功的先決條件。此外，由于對液壓支架需求數量很大，對液壓支架的投資經常要占到長壁采煤工作面初始投資的一半以上。因此，從技術和經濟兩方面的觀點看，液壓支架是長壁采煤工作面設備中十分重要的一部分。
支撐掩護式液壓支架結合了垛式液壓支架和掩護式液壓支架的特點。所以，支撐掩護式液壓支架具有以上兩者所具有的優(yōu)點。
液壓支架作為回采工作面的一種支護設備，液壓支架在工作過程中能否取得良好的支護效果，取決于支架的架型，結構和相關參數。首先，通過進行四連桿機構優(yōu)化設計來確定支架的四連桿機構各桿系的長度；然后，以力學模型為依據，分析了液壓支架的頂梁、掩護梁上載荷的作用機理，得到了較為合理的支架載荷的計算公式；其次，結合設計的支架，從平面和空間兩方面對支架主要結構件進行受力分析；最后對支架主要結構件、連接銷軸進行強度效核,并畫出所有的機械圖。
關鍵詞：支撐掩護式支架；頂梁；四連桿；雙紐線；強度
Design of support?cover?hydraulic?support?for medium?and?thick?coal?seam?support
ABSTRACT
My paper mainly foused on the problem which is design out a type of chock-shield support.
Modern longwall mining employs hydraulic powered supports at the face area. The supports not only holds up the roof, pushes the face chain conveyor, and advances itself, but also provides a safe environment for all associated mining activities. Therefore its successful selection and application are the prerequisite for successful longwall mining. Furthermore, due to the large number of units required, the capital invested for the power support usually accounts for more than half of the initial capital for a longwall face. Therefore both from technical and economic points of view, the powered support is a very important piece of equipment in a long wall face.
The chock shield combines the features of the chocks and the shields. As such it possesses the advantages of both.
The hydraulic support described is a part of the mining industry equipment in the mine, used for protection of working environment in the gallery. It works well or bad at work basing on its support mode, frame and some parameters. In the first step, the optimal values of some parameters of the leading four-bar mechanism are determined by using Visual Basic. Secondly, the base of mechanic model of support-surrounding, the mechanism and loads on the support is decided. The next work, with the condition of the design, the main mechanics of hydraulic support is analyzed and calculated by plane and spatial model. Finally, the under frame, top beam cave shield, wrists and hydraulic column are analyzed by calculation. And draw out all the process drawings.
Key words: chock-shield hydraulic support;canopy; four-bar links; lemiscate;strengt
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 支撐掩護式液壓支架概述 1
1.1 液壓支架的用途 1
1.2 液壓支架的工作原理 1
1.2.1 支架升降 1
1.2.2 支架移動和推移輸送機 3
1.3 液壓支架的分類 4
1.4 液壓支架的組成 4
1.4.1 頂梁 4
1.4.2 底座 5
1.4.3 立柱 5
1.4.4 掩護梁 6
1.4.5 活動側護板 6
1.4.6 連桿 6
1.4.7 操縱控制系統(tǒng) 6
1.5 液壓支架的設計 7
1.5.1 設計目的 7
1.5.2 對液壓支架的基本要求 7
1.5.3 設計液壓支架必需的基本參數 8
1.5.4 堅硬頂板的液壓支架設計 8
1.6 液壓支架的設計動向 9
2 液壓支架的結構設計 11
2.1 液壓支架基本尺寸的確定 11
2.1.1 支架高度和伸縮比 11
2.1.2 支架中心距 13
2.1.3 支架的寬度 13
2.2 支架整體機構尺寸確定 13
2.2.1 底座長度 13
2.2.2 確定四連桿機構和掩護梁長度 13
2.2.3 確定頂梁的長度 20
2.2.4 液壓支架的性能參數 21
2.2.5 立柱布置 22
2.2.6 支架在工作面的通風斷面積驗算 23
2.2.7 確定立柱和千斤頂 24
3 液壓支架的受力分析及校核 29
3.1 液壓支架的工作阻力 29
3.2 液壓支架前連桿的受力 31
3.3 支架后連桿的受力 32
3.4 頂梁強度計算 33
3.4.1 頂梁受力情況 33
3.4.2 頂梁強度計算 34
3.5 掩護梁強度計算 35
3.5.1 掩護梁受力情況 35
3.5.2 掩護梁強度計算 36
3.6 底座強度計算 37
3.6.1 底座受力情況 38
3.6.2 強度計算 40
3.6.3 底座接觸比壓計算 42
3.7 立柱強度計算 43
3.7.1 立柱參數 43
3.7.2 計算重疊長度 43
3.7.3 各種系數的計算 45
3.7.4 上活柱的強度核算 46
3.7.5 下活柱的強度核算 47
3.7.6 缸體強度核算 48
3.7.7 立柱的穩(wěn)定裕量驗算 48
3.8 銷軸的設計 49
4 液壓支架的液壓系統(tǒng) 50
4.1 立柱和千斤頂 51
4.2 支架液壓閥 53
4.2.1 液控單向閥 53
4.2.2 安全閥 53
4.2.3 操縱閥 54
4.3 液壓支架的控制方式 54
4.4 液壓系統(tǒng)安裝、調試 55
4.4.1 安裝 55
4.4.2 調試： 59
5 液壓支架的操作和維護 60
5.1 液壓支架的操作維護要求 60
5.2 液壓支架的操作管理事項 60
5.3 液壓支架維護和管理的具體內容 61
結 論 63
參考文獻 64
致 謝 76
1 支撐掩護式液壓支架概述
1.1 液壓支架的用途
在采煤工作面的煤炭生產過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是一高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能實現支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。實踐表明液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產量、提高勞動生產率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術上先進、經濟上合理、安全上可靠，是實現采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備。
1.2 液壓支架的工作原理
液壓支架的主要動作有升架、降架、推移輸送機和移架。這些動作是利用乳化液泵站提供的高壓液體，通過液壓控制不同功能的液壓缸來完成的。每架支架的液壓管路都與工作面主管路并聯(lián)，形成各自獨立的液壓系統(tǒng)，如圖1－1所示，其中液控單向閥和安全閥設在架內，操縱閥可設在本架或鄰架內，前者為本架操作，后者為鄰架操作。
1.2.1 支架升降
支架的升降依靠立柱2的伸縮來實現，其工作過程如下：
1、初撐
操縱閥7處于升柱位置，由泵站輸送來的高壓液體經液控單向閥5進入立柱的下腔，同時立柱的上腔排液，于是活柱和頂梁升起，支撐頂板。當頂梁接觸頂板，立柱下腔的壓力達到泵站的工作壓力后，操縱閥置于中位，液控單向閥5關閉，從而立柱下腔液體被封閉，這就是支架的初撐階段。
圖1-1液壓支架工作原理
1-頂梁；2-立柱；3-輸送機；4-安全閥；5-液控單向閥；6，7-操縱閥 8-乳化液泵；9-推移液壓泵；10-底座；11-后連桿；12-前連桿；13-掩護梁
2、承載
支架初撐后，進入承載階段。隨著頂板的緩慢下沉，頂板對支架的壓力不斷增加，立柱下腔被封閉的液體壓力將隨之迅速升高，液壓支架受到彈性壓縮，并由于立柱缸壁的彈性變形而使缸徑產生彈性擴張，這一過程就是支架的增阻過程。當下腔液體的壓力超過安全閥4的動作壓力時，高壓液體經安全閥4瀉出，立柱下縮，直至立柱下腔的液體壓力小于安全閥的動作壓力時，安全閥關閉，停止泄液，從而使立柱工作阻力保持恒定，這就是恒阻過程。此時，支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調定壓力決定的。
3、卸載
當操縱閥6處于降架位置時，高壓液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥5，立柱下腔排液，于是立柱卸載下降。
圖1-2 液壓支架工作特性曲線
由以上分析可以看出，支架工作時的支撐力變化可分為三個階段，如圖1－2，即：開始升柱至單向閥關閉時的初撐增阻階段，初撐后至安全閥開啟前的增阻階段，以及安全閥出現脈動卸載時的恒阻階段，這就是液壓支架的阻力－時間特性。它表明液壓支架在低于額定工作阻力下工作時，具有增阻性，以保證支架對頂板的有效支撐作用，在達到額定工作阻力時，具有恒阻性；為使支架恒定在此最大支撐力，又具有可縮性，即支架在保持恒定工作阻力下，能隨頂板下沉而下縮。增阻性主要取決于液控單向 立柱的密封性能，恒阻性與可縮性主要由安全閥來實現，因此安全閥、液控單向閥和立柱是保證支架性能的三個重要元件。
1.2.2 支架移動和推移輸送機
支架和輸送機的前移，由底座10上的推移液壓缸9來完成。
需要移架時，先降柱卸載，然后通過操縱閥使高壓液體進入推移液壓缸9的活塞桿腔，活塞腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁。
需要推移輸送機時，支架支撐頂板，高壓液體進入推移活塞缸4的活塞腔，活塞桿腔回液，以支架為支點，活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。
1.3 液壓支架的分類
液壓支架按結構形式劃分，可分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三類。
1、支撐式支架
支撐式支架利用立柱與頂梁直接支撐和控制工作面的頂板。其特點是：立柱多，支撐力大，切頂性能好；頂梁長，通風斷面大，適用于中等穩(wěn)定以上的頂板。
支撐式支架有垛式和節(jié)式之分。
（1）節(jié)式
節(jié)式支架由2～4個框架組成，用導向機構互相聯(lián)系，交替前進，
（2）垛式
整個支架為一整體結構，整體移動，通常有4～6根立柱，可以支撐堅硬與極堅硬的頂板。
2、掩護式支架
掩護式支架利用立柱、短頂梁支撐頂板，利用掩護梁來防止巖石落入工作面。其特點是：立柱少，切頂能力弱；頂梁短，控頂距??；由前后連桿和底座鉸接構成的四連桿機構使抗水平力的能力增強，立柱不受橫向力；而且使板前端的運動軌跡為近似平行于煤壁的雙紐線，梁端距變化??；架間通過側護板密封，掩護性能好；調高范圍大，適用于松散破碎的不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的頂板。
3、支撐掩護式支架
支撐掩護式支架具有支撐式的頂梁和掩護式的掩護梁，它兼有切頂性能和防護作用，適于壓力較大、易于冒落的中等穩(wěn)定或穩(wěn)定的頂板。
根據使用條件，支撐掩護式支架的前、后排立柱可前傾或后傾，傾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架適用于薄煤層。
1.4 液壓支架的組成
液壓支架由以下六個主要部分組成：
頂梁、底座、立柱、掩護梁、活動側護板、推移機構、操縱控制系統(tǒng)
1.4.1 頂梁
用途：
1、用于支撐維護控頂區(qū)的頂板；
2、承受頂板的壓力；
3、．將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經底座傳到底板。
要求：
1、頂梁應有足夠的強度，即使在接觸應力分布不均勻的情況下也不致被壓壞；
2、頂梁應有足夠的剛度，以承受扭力；
3、頂梁對頂板的覆蓋率高；
4、頂梁能適應頂板的起伏變化。
1.4.2 底座
用途：
1、為支架的其他結構件和工作機構提供安設的基礎；
2、與前后連桿和掩護梁一起組成四連桿機構；
3、將立柱和前后連桿傳遞的頂板壓力傳遞給底板。
要求：
1、底座應有足夠的強度和剛度；
2、底座對底板的起伏變化適應性好；
3、底座與底板的接觸面積大，以減小底座對底板的接觸比壓，避免支架陷入底板；
4、底座應有足夠的地方來安設立柱、推移裝置以及液壓控制裝置；
5、底座要能把落入支架內的碎矸排棄到老塘中。
1.4.3 立柱
用途：
1、支撐頂梁，承受載荷的作用；
2、調節(jié)支架的高度，使支架的高度滿足工作面的要求；
3、立柱設置有大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。
1.4.4 掩護梁
用途：
1．掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座；
2．掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩；
3．掩護梁和頂梁（包括活動側護板）一起 ，構成了支架完善的支撐和掩護體，完善了支架的掩護和擋矸能力。
1.4.5 活動側護板
用途：
1、消除相鄰支架掩護梁和頂梁之間的架間間隙，防止冒落的矸石進入支護空間；
2、作為支架移架過程中的導向板；
3、防止支架降落后傾倒；
4、調整支架的間距。
1.4.6 連桿
前后連桿是四連桿機構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，使支架能承受圍巖載荷、水平作用力和保持穩(wěn)定。其四連桿機構的作用：
1、通過四連桿機構，使支架頂梁端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使用使支架前端頭離煤距離大大減小，提高了管理頂板性能；
2、能承受較大的水平力。
1.4.7 操縱控制系統(tǒng)
液壓支架由不同數量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實現升柱、降柱、移架、推溜等動作。雖然支架的液壓缸（立柱和千斤頂）種類、數量很多，但其液壓系統(tǒng)都是采用多執(zhí)行元件的并聯(lián)系統(tǒng)。
對于液壓支架的操縱控制系統(tǒng)傳動裝置，應具有以下基本要求：采用結構比較簡單，設備外形尺寸小，能遠距離的傳送大的能量；能承受較大載荷；沒有復雜的傳動機構；在爆炸危險和含塵的空氣里保證安全工作；動作迅速；操作調節(jié)簡單；過載及損壞保護簡單。
容積式液壓傳動可最大限度的滿足這些要求，因此，所有液壓支架均采用這種傳動。
1.5 液壓支架的設計
1.5.1 設計目的
采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產量、提高經濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需求，必須大量生產綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需求量是很大的。
由于不同采煤工作面的頂板條件、煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質等的不同，對液壓支架的要求也不同。為了有效地支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸液壓支架。因此，液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也是大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
1.5.2 對液壓支架的基本要求
1．為了滿足采煤工藝及地質條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效的控制頂板，保證合理的下沉量。
2．液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為100左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100～150，中厚煤層一般為150～250，厚煤層一般為300～400。
3．防矸性能要好。
4．排矸性能要好。
5．要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
6．為了操作和生產的需要，要有足夠寬的人行道。
7．調高范圍要大，照明和通訊方便。
8．支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。
9．要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定的不均勻載荷。
10．在滿足強度條件下，盡可能減輕支架的重量。
11．要易于拆卸，結構簡單。
12．液壓元件要可靠。
1.5.3 設計液壓支架必需的基本參數
1．頂板條件
根據老頂和直接頂的分類，對支架進行選型。
2．最大和最小采高
根據最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。
3．瓦斯等級
根據瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風斷面。
4．底板巖性和小時涌水量
根據底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
5．工作面煤壁條件
根據工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
6．煤層傾角
根據煤層傾角，決定是夠選用防滑防倒裝置。
7．井筒罐籠尺寸
根據井筒罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。
8．配套尺寸
根據配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度。
1.5.4 堅硬頂板的液壓支架設計
堅硬頂板工作面頂板不易冒落，直接頂或基本頂懸頂時間長。一但冒落，瞬間頂板壓力顯著增大，支架立柱安全閥來不及釋放，立柱可能遭破壞。因此，對堅硬頂板液壓支架設計的要求是：
1、根據直接頂和基本頂的巖性、分類級別、截高及配套設備，確定支護強度和工作阻力，支架要有足夠切頂能力。
2、應盡量減小掩護梁長度，增大掩護梁與水平夾角，減小掩護梁在水平線上的投影長度。如有的支架在低位狀態(tài)時，掩護梁與垂線夾角仍有30左右，相當于一般支架在高位狀態(tài)時的掩護梁夾角。如果在工作高度時，掩護梁大部分都能被頂梁所遮蓋是較為理想的。另外，掩護梁結構設計，除保證必要的強度和剛度之外，還要具有抗沖擊能力。
3、支架掩護梁間的密封可嚴些，頂梁架間密封要求不十分嚴格，因為頂梁間漏矸的可能性較小。
4、支架立柱應設置大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。為此，安全閥流量的選擇應考慮立柱缸徑、沖擊載荷來壓程度。對于有沖擊載荷的頂板，如不采取頂板處理措施，立柱應安設置一大一小兩個安全閥以確保支架的安全
5、考慮沖擊載荷影響，支架結構件安全系數應提高，至少應比通常支架安全系數提高20%。
6、應考慮支架可能承受的水平方向沖擊力。支架結構件設計時，摩擦系數取值應考慮f=0.3時水平力對支架強度的影響。
1.6 液壓支架的設計動向
21 世紀是以網絡信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時期，也是是煤礦以高效集約化生產為特征的新時期，為了滿足高產綜采工作面生產發(fā)展的需要，就煤炭綜采而言，國外主要產煤國家從未停止過依靠更大的技術投入取得采煤更高經濟效益的努力。我們也必須抓緊研制和推廣電液控制系統(tǒng)。液壓支架實現自動控制后，就可有效地克服上述缺點，實現對支架的電液控制，而且有多種控制方式可供選擇，人員可在較安全的地方集中對整個工作面的支架進行遠程控制或程序控制。現在世界上已經有70 多個電液自動化控制工作面。工作面的技術設備又正在以迅猛之勢向前發(fā)展。我們不能依賴老實進口，我們要自己研制，否則和我國產煤大國的地位也是極不相稱的。
我國液壓支架經過20 多年的發(fā)展， 盡管取得了顯著成績， 在雙高礦井建設中出現過日產萬噸、甚至班產超萬噸的記錄， 但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾， 有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網支架、兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處， 但國產液壓支架技術含量偏低， 電液控制閥可靠性差，所用鋼材一般為16Mn ，最好的屈服極限才700 ， 液壓系統(tǒng)壓力在35 以下，流量在200 以內，供液管Φ25～Φ32 ，回液管Φ25～Φ50 ， 最快移架速度10～12 (井下實際應用有時在20 以上) ， 工作阻力更是相對較低。
今后10 年， 我國的液壓支架將朝技術含量大、鋼板強度高、移架速度快(6～8) 和電液控制閥的方向發(fā)展， 對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力， 盡量采用整體可靠推桿和抬底座機構，并減少千斤頂的數量。另外，將普遍采用額定壓力為40 、額定流量為400 的高壓大流量乳化液泵站， 以適應快速移架的需要； 系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液， 保證支架有足夠的壓力達到初撐力，保證支架接頂位置準確。ZY 兩柱掩護式支架的比重將大大增加， 缸徑將增至Φ360 ， 端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。所以，今后除應繼續(xù)針對我國國情和煤層具體條件，開發(fā)一些新架型、新品種外，還應在改進支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫。
作為一種回采工作面的支護設備，液壓支架的架型、結構與相關參數，必須與回采工作面的頂、底板條件和煤層條件相適應，才能取得良好的支護效果。由于地下開采條件的復雜性和多樣性，因此，盡管國內外對液壓支架己經過了近半個世紀的研究和應用，出現了數十種不同的結構架型，但至今為止，也僅能在緩傾斜中厚以下煤層中獲得了較為成功的應用，對于傾斜、急傾斜或厚煤層中的液壓支架尚處在研究和試驗階段。即使對于緩傾斜中厚煤層的液壓支架，其結構、性能與控制方式如何更適應不同的生產條件，仍需不斷的改進和研究。目前，液壓支架設計研究取得重要進展，主要在以下方面：
1、 設計理論和方法有了突破。煤炭科學研究總院北京開采研究所對支架力學持性進行了深入的研究，提出了液壓支架三維力學模型的計算方法，克服了傳統(tǒng)平面力系計算方法的缺陷，提出了液壓支架總體結構參數優(yōu)化設計方法，開發(fā)出液壓支架設計計算通用軟件系統(tǒng)，并廣泛應用，使我國液壓支架設計計算提高到一個新水平。
2、 完成液壓支架計算機模擬試驗的研究。把有限元方法成功地用于液壓支架的研究，建立了液壓支架整體有限元模型，開發(fā)出SSTS液壓支架模擬試驗計算機仿真軟件系統(tǒng)，大大提高了液壓支架設計的可靠性，廣泛應用于液壓支架設計研究，達到國際先進水平， 為我國液壓支架打入國際市場發(fā)揮了重要作用。
3、 技術規(guī)范和標淮化建設取得重要進展。我們已先后制定液壓支架系列技術標準17項，成為國際上液壓支架標準較完善的國家之一，促進了液壓支架技術的發(fā)展。
4、 計算機輔助設計(CAD)有了較大發(fā)展。開發(fā)了CAD工作站和微機CAD系統(tǒng)，建成了較完整的液壓支架數據庫和通用件國庫，并正在逐步實現支架設計CAD化。
5、液壓支架控制系統(tǒng)有了重大進步。根據我國國情研制的全液壓手動控制快速移架系統(tǒng)的廣泛應用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由過去的20～ 30，提高到9～12。
6、 新架型研制成績顯著，架型結構進一步完善。新型高可靠性支架，反向四連桿高產高效低位放頂煤支架，適應中小煤礦的單一煤層開采用輕型支架和輕型單擺桿放頂煤支架均取得成功。
基于以上進展，液壓支架的研究與發(fā)展方向是：
1、 在己有支架設計與應用經驗的基礎上，研究支架的智能化設計方法和結構與參數的優(yōu)化，進一步提高支架設計的科學性、可靠性和結構性能的優(yōu)化性。
2、 研究特殊煤層使用的液壓支架，以適應不同的開采條件。
3、 研究新型元件與材質，以減輕支架重量，提高支架的性能和使用壽命。
4、 研究支架的遙控、程序控制和性能自動監(jiān)測，為回采工作面的半自動化與自動化創(chuàng)造條件。
2 液壓支架的結構設計
2.1 液壓支架基本尺寸的確定
2.1.1 支架高度和伸縮比
支架高度的確定原則，應根據所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內地質條件的變化等因素來確定，其最大和最小高度為：
式中
—支架最大高度， ；
—支架最小高度 ；
—煤層最大高度，?。?
—煤層最小高度， ；
—考慮偽頂，煤皮冒落后，仍有可靠初撐力所需要的支撐力高度，一般最200～300，取 ；
—頂板最大下沉量，一般100～200mm，取；
a—移架時支架的最大可縮量，一般取；
δ—浮矸石，浮煤厚度，一般??；
支架伸縮比
一般范圍內采用單伸縮立柱，
所以應采用雙伸縮立柱。
2.1.2 支架中心距
考慮液壓支架配套使用SGB-764/264型刮板輸送機，該刮板運輸機溜槽每節(jié)長度為1.5，因此，取中心距為1.5。
2.1.3 支架的寬度
支架的寬度應考慮支架的運輸，安裝和調架要求，支架頂梁上裝有活動側護板，側護板的行程一般為170～200，取200.
支架的最小寬度，一般為1400～1430，取1400；
支架的最大寬度，一般為1570～1600，取1600。
2.2 支架整體機構尺寸確定
2.2.1 底座長度
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)定支架的作用。在設計支架底座的長度時，應考慮如下方面：支架對底板的接觸比壓要小；支架內部應有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性。
因此，取底座長度為2900 。
2.2.2 確定四連桿機構和掩護梁長度
2.2.2.1 四連桿機構的作用
1、通過四連桿機構，使支架頂梁端點的運動軌跡呈近似雙曲線，從而使支架頂梁前端的端頭離煤壁距離大大減小，提高了管理頂板的性能。
2、能承受較大的水平力。
2.2.2.2 四連桿機構的幾何特征
1、支架從最高高度降到最低高度時，如圖2－1所示，頂梁端點運動軌跡的
大寬度，最好為30以下。
圖2-1 四連桿機構幾何特征圖
2、支架在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角P和后連桿與底平面的夾角Q，如圖2－1所示，應滿足以下要求：
支架在最高位置時，P≤ ～，Q≤ ～；支架在最低位置時，考慮矸石便于下滑，以防矸石停留在掩護梁上，根據物理學摩擦理論可知，,如果按鋼和矸石的摩擦系數為,即：,求得；為了安全可靠在最低工作位置時，應使為宜，而Q角主要考慮掩護梁底部距底板要有一定的距離，防止支架后部冒落的巖石卡住后連桿，使支架不能降下來，一般取。
3、由圖2-1可知，掩護梁與頂梁鉸點E’和瞬時中心O之間的連線與水平線的夾角為Q，設計時，要使范圍內，主要原因是Q角直接影響附加力Qy的數值大小。
4、支架工作段要求曲線向前凸的一段，如圖2－1所示的h段，其原因為當頂板來壓時，立柱讓壓而下縮，使頂梁有前移的趨勢防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向老塘，同時底板陰止底座向后移；使整個支架產生順時針轉動的趨勢，從而增加了前梁端部的支護力，防止頂梁前端頂板冒落又可以使底座前端比壓減小，可防止啃底，有利移架，再則減少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩護梁來地克服，所以減輕了掩護梁的受力。
圖2-2 掩護梁和后連桿構成的曲柄滑塊機構
從以上分析得知，為使支架受力合理和工作可靠，在設計四連桿機構的曲線運動軌跡時，應盡量使支架的工作段要取曲線向前凸的一段，所以當已知掩護和后連桿的長度后，從這個觀點出發(fā)，在設計時，只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構，進行作圖計算就可以了，其掩護梁和后連桿構成的曲柄滑塊機構如圖2－2所示。
從圖2－2可以看出，當掩護梁和后連桿已知，只要找到前連桿的長度和位置就可以了，其具體作法是順時針轉動后連桿，使支架最高位置時的E’點向下作近似直線運動，在掩護梁上定有一點在運動中有一段近似圓弧軌跡。只要找到這個圓弧軌跡的曲率半徑和曲率中心，就可以找到前連桿的位置和長度了。從這個觀點出發(fā)，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩護梁上前連桿上鉸點所作的運動軌跡上，任找?guī)c，把掩護梁上前連桿上鉸點連線的垂直平分線所交的點為前連桿的下鉸點，這樣四連桿機構就可以確定了
2.2.2.3 四連桿機構的幾何作圖法
首先用解析法確定掩護梁和后連桿的長度，如圖2－3所示。
L—掩護梁長度；
—后連桿長度；
—E’點垂直線到后連桿下鉸點之距；
—支架最高位置時的計算高度；
—支架最低位置時的計算高度；
圖2-3 掩護梁和后連桿計算圖
從幾何關系可以列出:
將以上兩式聯(lián)立解得：
按四連桿機構的幾何特征所要求的角度，
選定：；
；
；
。
支架在最高位置時的值為：
因此掩護梁的長度為：
?。骸 ?
后連桿長度為：
取：
前后連桿上鉸點之間的距離L’為：
一般，
具體作圖步驟如下：
圖2-4 四連桿幾何作圖法原理圖
1、確定后連桿下鉸點O點的位置，使它大體比底座略高，一般為200～250，考慮太低安裝銷子困難，太高底座又笨重。
2、過O點作水平線H－H線與底座相平行。
3、過O點作一條直線與水平線H－H線相交其交角為。
4、以O點為圓心，以為半徑作圓，與該直線相交于A點，即為后連桿與掩護梁的上鉸點。
5、過A點作一條直線與水平線H－H線相交其交角為。
6、以A點為圓心，以L為半徑作圓，與該直線相交于E’點，即為掩護梁、與頂梁的鉸點。
7、過E’點作一條直線與水平線H－H平行的F－F直線，則H－H線與F－F線的距離為h，即為液壓支架最高位置的計算高度。
8、以A點為圓心，以0.25倍的L為半徑作圓，，即為前連桿的上鉸點。
9、過E’點作F－F線的垂線。假設在液壓支架升降過程中，E’點近似在此直線上滑動。
10、在垂線上作液壓支架在最低位置時，頂梁與掩護梁的鉸點為E’’’。
11、取E’E’’’中點為E’’點，為液壓支架在降到中間位置時，掩護梁與頂梁的鉸點。
12、以O點為圓心，以為半徑作圓弧。
13、以E’’點為圓心，以掩護梁長L為半徑作圓，與圓弧相交于A’點，此點為液壓支架在降到中間位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。
14、以E’’’點為圓心，以掩護梁長L為半徑作圓，與圓弧相交于A’’點，此點為液壓支架在最高位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。
15、。并以A’點為圓心，以0.25倍的L為半徑作圓，與E’’A’相交于B’點。以A’’點為圓心，以0.25倍的L為半徑作圓，與E’’’A’’相交于B’’點。即B、B’、 B’’三個點為液壓支架在三個位置時的前連桿的上鉸點。
16、連接A’O、A’’O，為液壓支架降到中間位置和最低位置時，后連桿的位置。
17、分別作BB’和B’B’’的垂直平分線交于C點，即為前連桿的下鉸點，BC為前連桿的長度。
16、過點C向H－H線作垂線，交于D點。則AO、AB、BC、CD為液壓支架的四連桿機構。
按以上步驟作圖，結果如圖2-5所示。
圖2-5 四連桿機構的作圖結果
2.2.3 確定頂梁的長度
頂梁長度：
式中：
B—液壓支架的配套尺寸；
液壓支架的配套設備有：MG－300型采煤機，SGB764/264型刮板輸送機。其配套尺寸如圖2－6所示。
圖2-6 液壓支架與配套設備的關系圖
A—后連桿長度， ；
G—掩護梁長度， ；
e—支架由高到低頂梁前端最大位移量，??；
C—梁端距，
考慮由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤機的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距。中厚煤層液壓支架梁端距在280～340，取??；
—液壓支架在最高位置時，后連桿與水平面的夾角。
由前面知，
—液壓支架在最高位置時，掩護梁與水平面的夾角。
由前面知，
取
2.2.4 液壓支架的性能參數
2.2.4.1 液壓支架的支護強度
支護強度：
式中：
K—作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般為5～8。
取
M—截割高度，m。取最大截割高度，
ρ—巖石密度，一般取
2.2.4.2 液壓支架的工作阻力
支架支撐頂板的有效工作阻力為：
式中：
Fc—支架的支護面積，
式中：
L—支架頂梁長度， ??；
C—梁端距， ??；
B—支架頂梁寬度， ??；
K—架間距， 。
2.2.4.3 液壓支架的初撐力
初撐力的大小對支架的支護性能和成本都有很大影響。較大的初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為（0.6～0.8）倍的工作阻力。
取初撐力為 ：
2.2.4.4 液壓支架的移架力和推溜力
移架力與支架結構、質量、煤層厚度、頂板性質等有關。一般中厚煤層支架的為移架力150～300，取移架力為 250 ；
推溜力一般為100～150，取推溜力為150 。
2.2.5 立柱布置
該液壓支架采用雙伸縮立柱，立柱數目為4。
立柱間距指支撐式和支撐掩護式支架而言即前、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。支撐式支架和支撐掩護式支架的立柱間距為1～1.5。本支架立柱間距選1。
對于支撐掩護式支架，前柱窩一般近似在頂梁后部三分之二處，而下柱窩的位置根據立柱的角度來確定，一般立柱與底座垂線的夾角а角要小于，其具體位置如圖2-7所示。
圖2-7 立柱定位簡圖
2.2.6 支架在工作面的通風斷面積驗算
采煤工作面的過風量與采煤工作面的通風斷面積相關，采煤工作面的通風斷面積不應過小。但在工作面中安裝液壓支架后，通風斷面積明顯減小。因此必須驗算通風斷面積。一般按工作面允許風速進行驗算。根據保安規(guī)程規(guī)定，工作面風速應小于5。
采煤工作面風速：
式中：
V—工作面風速，；
—支架在采煤工作面的通風斷面積，；
Q—采煤工作面所需風量，。
式中：
—通風不均系數，一般取=1.5；
—保安規(guī)程允許的朝氣含量，一般取；
—沼氣涌出量所需要的風量，；
式中：
—日產量，=3000 T；
q—每分鐘產生一噸煤沼氣涌出量，一般取=10， 。
則有:
＜5，這樣支架在工作面的通風斷面積滿足要求。
2.2.7 確定立柱和千斤頂
2.2.7.1 立柱的尺寸
立柱采用雙伸縮液壓缸
立柱的缸體內徑：
式中：
F—支架承受的理論總載荷力，F＝5611.5?。?
n—每架支架立柱數，n=4；
Pa—安全閥調整壓力，Pa=40 ；
α—立柱最大傾角，（支架降到最低位置時α角最大），α=。
參考表2－1
取 一級 缸/柱徑：230/220??；
二級 缸/柱徑：180/160 ；
公稱承載力：1800
表2-1 雙伸縮立柱缸、柱徑匹配關系
序號
一級 缸/柱徑
()
二級 缸/柱徑
()
公稱承載力
?。ǎ?
1
250/240
200/185
2200
2
230/220
180/160
1800
3
200/190
160/130
1400
4
180/170
140/120
1100
5
160/150
120/105
800
6
140/130
105/85
500
缸筒內壓力為：
式中：
F—支架承受的理論總載荷力，F＝5611.5??；
n—每架支架立柱數，n=4；
D—一級缸內徑，D＝230 。
缸筒材料采用27SiMn無縫鋼管
屈服極限： ；
安全系數：取??；
允用應力：
缸筒內壁厚度：
考慮到在液壓缸中處需要安裝導向套，選取缸筒內壁厚度為
2.2.7.2 立柱的初撐力
立柱的初撐力：
式中：
—一級缸內徑，??；
—泵站壓力，。
2.2.7.3 立柱的工作阻力
立柱的工作阻力：
式中：
—一級缸內徑， ；
—安全閥額定工作壓力， ?！ ?
在0.35～0.7之間滿足要求。
2.2.7.4 移架千斤頂的尺寸
移架千斤頂采用單伸縮液壓缸
移架千斤頂的缸體內徑：
式中：
F—移架力，F＝250??；
—泵站壓力，；
參考表2－2
表2-2 千斤頂缸、桿徑匹配關系
序號
缸 徑
()
柱 徑
()
推 力
（）
拉 力
（）
1
140
85
485
306
2
125
75
386
265
3
100
60
247
158
4
80
45
158
108
5
63
45
98
48
取 缸徑：125??；
柱徑：75 ；
推力：386??；
拉力：265 。
缸筒內壓力為：
式中：
F—移架力，F＝250?。?
D—缸筒內徑，D＝125 。
缸筒材料采用27SiMn無縫鋼管
屈服極限： ；
安全系數：取 ；
允用應力：
缸筒內壁厚度：
考慮到在液壓缸中處需要安裝導向套，選取缸筒內壁厚度為
2.2.7.5 移架千斤頂的行程
移架千斤頂的行程與推移步距的關，推移步距為600，所以移架千斤頂的行程一般為700～750。
取 行程為750。
3 液壓支架的受力分析及校核
3.1 液壓支架的工作阻力
假設掩護梁上沒有負載，其摩擦系數為。
液壓支架在最高位置時，每根立柱的工作阻力為：
取頂梁和掩護梁為隔離體，忽略頂梁與掩護梁的鉸點到頂梁之間的距離，并作出瞬時中心O，求得在第四象限中，如圖3-1所示。
液壓支架的工作阻力為：
式中：
—摩擦系數，；
、—兩根立柱的工用阻力，；
θ—直線OE與不平線的交角，；
—前立柱與豎直線的交角，；
—后立柱與豎直線的交角，。
的作用位置為：
式中：
—前立柱上柱窩到頂梁與掩護梁的鉸點的距離，?。?
—后立柱上柱窩到頂梁與掩護梁的鉸點的距離，?。?
3.2 液壓支架前連桿的受力
前連桿的受力為：
式中：
—前連桿與水平線的交角，；
—后連桿與水平線的交角，。
結果中的“－”號，表示前連桿的受力方向與圖中的方向相反，即前連桿受拉力作用。
3.3 支架后連桿的受力
后連桿的受力為：
式中：
—前連桿與水平線的交角，；
—后連桿與水平線的交角，。
結果中的“－”號，表示前連桿的受力方向與圖中的方向相反，即前連桿受壓力作用。
3.4 頂梁強度計算
3.4.1 頂梁受力情況
頂梁承受一集中載荷，其受力圖如圖3－2所示。因上面已求出為6400，距離鉸結點832.6。最大彎矩為：
圖3－2 頂梁受力圖
頂梁做成等斷面箱式機構，再最大彎矩處的斷面如圖3－3所示。
圖3－3 最大彎矩處的斷面圖
3.4.2 頂梁強度計算
a．形心位置
各板件的計算數據列于表3－1中。
表3－1 頂梁各板件計算數據
件 號
1
2
3
4
5
數 量
1
1
4
2
1
31200
25200
12500
11500
6600
510
535
250
28.5
8.5
機構件的形心位置為：
b．慣性矩
c．彎曲應力
d. 安全系數
3.5 掩護梁強度計算
3.5.1 掩護梁受力情況
由前面已經求出掩護梁上前后連桿的銷軸處受力為-5731和-5954，其受力圖表示于圖3－4。最大彎矩處發(fā)生在前連桿處，其值為：
圖3-4 頂梁受力圖
最大彎矩處的斷面表示于圖3－5中
圖3－5 前連桿處斷面
3.5.2 掩護梁強度計算
a．形心位置
各板件的計算數據列于表3－2中。
機構件的形心位置為：
表3－2 掩護梁各板件計算數據
件 號
1
2
3
4
數 量
4
4
1
1
7900
3950
10500
47100
207.5
207.5
373
15
b．慣性矩
c．彎曲應力
d．安全系數
3.6 底座強度計算
頂板對支架的巨大載荷經由整臺支架傳到底板，在支架底座與底板接觸處將具有一定的比壓。由于底板巖性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗壓強度。則在設計支架時，應驗算底板的比壓。
底板與底座的接觸面積：
式中
—底座的長度；
—底座的寬度
底座對底板的平均比壓：
代入數據求得平均比壓：
3.6.1 底座受力情況
假設底座兩端支撐，各點的力都已經求出，其受力圖表示于圖3－6?，F在求支點A的反力。
，即：
圖3－6 底座受力圖
式中
由式可以求出支反力
圖3－7 后柱窩處斷面
各點的彎矩：
在C處彎矩雖然大，但是側板較高。所以校核后柱窩處的斷面強度，其斷面（柱窩簡化）表示于圖3－7。
3.6.2 強度計算
a．形心位置
各板件的計算數據列于表3－3中。
表3－3 底座各板件計算數據
件 號
1
2
3
4
5
數 量
4
2
4
1
2
37200
9400
16000
9250
12000
710
850
1130
567.5
10
機構件的形心位置為：
b．慣性矩
c．彎曲應力
d．安全系數
3.6.3 底座接觸比壓計算
頂板對支架的巨大載荷經由整臺支架傳到底板，在支架底座與底板接觸處將具有一定的比壓。由于底板巖性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗壓強度，則在設計支架時，應驗算底板的比壓。
驗算底板比壓時，首先計算底板與底座的接觸面積。本支架使用帶有過橋的整體剛性底座。該底座的特點有：底座分左右對稱的兩部分，上部用過橋或箱形結構固定連接，以提高整體剛性和抗扭能力。整體剛性底座的整體剛度和強度好，底座接底面積大，有利于減小對底版的比壓，但推移機構處易積存浮煤碎矸，清理較困難，用于軟底板條件下工作面支架。
表3-4 幾種較軟巖石底板允許比壓
底板巖性
Rc()
[P] ()
V<2
V=2.5
V>5
粘質可塑頁巖
1
0.5
0.5～0.3
0.3～0.15
可塑頁巖 灰質頁巖
2
1.5～2.0
1.0～0.5
0.5～0.3
沙質 灰質 泥漿頁巖
4
3.0～2.0
2.0～1.0
1.0～0.3
注：Rc—底板抗壓入強度 ()
V—礦井小時涌水量，()。涌水量大，巖石變軟，降低了允許比壓
[P]—允許比壓 ()
幾種軟巖底板的允許比壓如表3-1所示，使用該液壓支架的底板為3.7的砂質頁巖，涌水量V<2.5。
因此：
?。?
計算底板比壓時，首先計算底板與底座的接觸面積。底板與支架底座的接觸面結構如圖3-8所示。
則其與底板的接觸面積為：
然后計算底座對底板的平均比壓如下：
安全系數：
圖3—8 底座面積
3.7 立柱強度計算
3.7.1 立柱參數
采用乳化液泵的壓力為33.8。選取初撐力與阻力比值＝0.69。已知立柱內徑為＝211.8，材料為2SiMn無縫鋼管，。阻力為1287.3，初撐力為1868.7。安全系數選取1.5，許用應力為。缸壁厚度 。
3.7.2 計算重疊長度
最小導向長度用式4－35來計算，即：
式中 ——液壓行程，根據立柱實際長度的需求，液壓行程定為2500。
考慮了活塞厚度和導向套厚度，取