支頂掩護(hù)式液壓支架頂梁、前梁及立柱設(shè)計(jì)【優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)】

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支頂掩護(hù)式液壓支架頂梁、前梁及立柱設(shè)計(jì) 摘要 采煤綜合機(jī)械化，是加速我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展，大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施。綜合機(jī)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動(dòng)，改善作業(yè)環(huán)境，是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。液壓支架是綜合機(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一。 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(guò)程中，前梁、主頂梁、掩護(hù)梁和立柱等結(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， 并且利用三維制圖軟件作三維圖，對(duì)液壓支架進(jìn)行動(dòng)作仿真 ， 更加形象的 講述了這種支架的方案和用途。 關(guān)鍵詞 ： 液壓支架 支護(hù) 頂梁 前梁 液壓支柱或支柱 前言 20世紀(jì) 50年代前，在國(guó)內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中，基本上采用木支柱、木頂梁或金屬摩擦支柱鉸接頂梁來(lái)支護(hù)頂板。 1954 年英國(guó)首次研制出液壓支架，目前，以液壓支架為主體的地下綜采設(shè)備，已逐步向程控、遙控和自動(dòng)化方向發(fā)展。我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)， 在 20 世紀(jì) 60年代也曾研制了幾種液壓支架，但未得到推廣和應(yīng)用。 20世紀(jì) 70 年代我國(guó)從英、德、波蘭和前蘇聯(lián)等國(guó)家引進(jìn)數(shù)十套液壓支架，經(jīng)過(guò)使用、仿制和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，到 20世紀(jì) 80年代以后我國(guó)液壓支架的研制和應(yīng)用獲得了迅速的發(fā)展，相繼研制和生產(chǎn)了 列、 列和 0 多種不同規(guī)格的液壓支架。目前，在國(guó)內(nèi)大、中型礦井中，條件合適的煤層均采用液壓支架進(jìn)行綜合機(jī)械化開(kāi)采。 1980 年起人們?nèi)〉昧藢?duì)白移式液壓支架的研制成功并逐步改進(jìn)完善，進(jìn)而普遍推廣應(yīng)用，使回采工作面采煤過(guò)程中的落煤、裝煤、運(yùn)煤和支護(hù)控頂?shù)裙ば蛉?實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化，煤礦取得了較大綜合效益。到 20 世紀(jì) 90年代初，人們尋找到適合礦區(qū)資源條件的先進(jìn)采煤方法，采用了放頂煤技術(shù)。 低位放頂煤液壓支架是一種支持雙輸送機(jī)的支架架型，支架掩護(hù)梁后部鉸接一個(gè)帶有插板的尾梁，低位放頂煤液壓支架一般為四柱支撐掩護(hù)式支架類型，這種架型有一個(gè)可以上下擺動(dòng)的尾梁（擺動(dòng)幅度 45度左右），因此在擺動(dòng)中可以松動(dòng)煤層，并維持一個(gè)落煤的空間。尾梁中間有一個(gè)液壓控制的插板，可以放煤和破碎大煤塊，并且具有連續(xù)的放煤口。低位放頂煤支架分為小插板是低位放頂煤支架和大插板式低位放頂煤液壓支架。 本文 做的主要工作： 1、基本參數(shù)的確定； 2、四連桿機(jī)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)； 3、頂梁形式的選擇與設(shè)計(jì)； 4、 前梁 的選擇與設(shè)計(jì)； 5、三維仿真；等等 煤炭綜采裝備由液壓支架、采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)構(gòu)成，液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤工作主要設(shè)備，一次性投資占綜采裝備總資金的 70%以上，是綜采工作面實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。液壓支架頂、底板必須適應(yīng)井下工作面煤層環(huán)境，為操作人員提供安全的作業(yè)空間，還要為采、運(yùn)設(shè)備提供有效的動(dòng)力源，決定采運(yùn)設(shè)備的正常推進(jìn)速度。因此，液壓支架是綜采工作面 能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效成敗的關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)過(guò)幾十年的研制和發(fā)展，我國(guó)在液壓支架的設(shè)計(jì)與加工方面取得了重大突破，研制開(kāi)發(fā)了可適應(yīng)不同地質(zhì)條件、不同煤層厚度的多種液壓支架。但我國(guó)綜采機(jī)械化水平總體上是較低的，工作面年單產(chǎn)量大部分在 100 萬(wàn)噸左右，達(dá)到 200～ 300 萬(wàn)噸的工作面較少，盡管有地質(zhì)條件復(fù)雜等客觀原因，但主要原因是裝備水平落后，尤其在 4～ 6m 厚煤層一次采全高高產(chǎn)高效工作面的大采高強(qiáng)力液壓支架設(shè)計(jì)制造上，還處于初級(jí)階段。目前這類支架的大部分使用主要依賴進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，引進(jìn)一套大采高強(qiáng)力液壓支架需 3000 萬(wàn) 歐元以上，并且受到國(guó)外公司價(jià)格壟斷的制約，備件進(jìn)口價(jià)格甚至達(dá)到整機(jī)進(jìn)口時(shí)隨機(jī)備件價(jià)格的 20～ 30 倍。這種國(guó)外一兩家公司壟斷我國(guó)高端液壓支架市場(chǎng)的局面，不但極大的制約了國(guó)產(chǎn)液壓支架行業(yè)的健康發(fā)展，而且還對(duì)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成極大的威脅。高端液壓支架國(guó)產(chǎn)化的必然性主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面 1、進(jìn)口支架購(gòu)置費(fèi)用 購(gòu)買 1 套進(jìn)口液壓支架的價(jià)格加上運(yùn)輸費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、通關(guān)費(fèi) (含關(guān)稅、增值稅及其他報(bào)關(guān)、報(bào)檢手續(xù)費(fèi)、代理費(fèi) )等，約為 1 套國(guó)產(chǎn)支架總費(fèi)用 2～ 3 倍。如果國(guó)產(chǎn)液壓支架性能能夠接近進(jìn)口液壓支架，其性價(jià) 比肯定要優(yōu)于進(jìn)口液壓支架，經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)一目了然。 2、備件供應(yīng)方面 進(jìn)口液壓支架的備件供應(yīng)周期，包括備件的詢價(jià)、生產(chǎn)組織、運(yùn)輸?shù)?，?shì)必要比國(guó)產(chǎn)液壓支架備件供應(yīng)周期要長(zhǎng)，備件費(fèi)用相比較更為昂貴。而備件又具有需求量大。隨時(shí)性及長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，如果使用國(guó)產(chǎn)液壓支架，從備件供應(yīng)上更為經(jīng)濟(jì)和方便。 3、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)方面 液壓支架在使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到一些技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)必不可少。進(jìn)口設(shè)備廠家的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)工作受到諸如邀請(qǐng)函傳遞、服務(wù)工程師旅途遠(yuǎn)、語(yǔ)言溝通等方面的限制，難以滿足生產(chǎn)需要。 4、長(zhǎng)期發(fā)展方面 國(guó)外技術(shù)先進(jìn)、符合要求的液壓支架生產(chǎn)商相對(duì)較少，如適合神東礦區(qū)生產(chǎn)的國(guó)外液壓支架制造廠家僅二三家。長(zhǎng)期單一地使用進(jìn)口液壓支架，造成煤炭企業(yè)對(duì)國(guó)外少數(shù)制造廠的依賴。在煤炭行情轉(zhuǎn)好，煤礦設(shè)備轉(zhuǎn)向賣方市場(chǎng)的今天，國(guó)外液壓支架廠家由于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手少，支架價(jià)格漲幅較大，這對(duì)于依賴進(jìn)口設(shè)備的煤炭企業(yè)勢(shì)必產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力。而且對(duì)國(guó)內(nèi)液壓支架的發(fā)展會(huì)形成惡性循環(huán)。 鑒于以上分析，使用國(guó)產(chǎn)化液壓支架，替代進(jìn)口液壓支架已成為必然發(fā)展趨勢(shì)。 因此，國(guó)產(chǎn)化液壓支架的研制、生產(chǎn)，以逐步替代進(jìn)口液壓支架，已成為使用進(jìn)口支 架的煤炭企業(yè) 所面臨的普遍問(wèn)題。 國(guó)液壓支架的發(fā)展 及存在的問(wèn)題 國(guó)液壓支架的發(fā)展 我國(guó) 20 世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始研制液壓支架電液控制系統(tǒng)， 1991 年有關(guān)生產(chǎn)廠家研制出支架電液控制系統(tǒng)，有關(guān)研究院所研制出全套電液控制液壓支架。由于種種原因，未能推廣開(kāi)。 我國(guó)研制液壓支架電液控制系統(tǒng)起步較晚，雖然對(duì)液壓支架電液控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)歷了十幾年的時(shí)間，但進(jìn)展緩慢，目前處于進(jìn)一步完善階段，還沒(méi)有在井下推廣使用。從我國(guó)已研制出的支架電液控制系統(tǒng)來(lái)看，也還處于單架和成組程序控制的初步階段，而液壓支架與采煤機(jī)、輸送機(jī) 聯(lián)動(dòng)的全工作面自動(dòng)化控制還處在探討研制階段。目前。國(guó)內(nèi)的神東集團(tuán)、兗礦集團(tuán)、鐵煤集團(tuán)、開(kāi)灤集團(tuán)已引進(jìn)國(guó)外電液控制支架得到了成功的應(yīng)用．取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效的關(guān)鍵設(shè)備，也是今后的發(fā)展方向，這是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和煤炭生產(chǎn)高產(chǎn)高效集約化發(fā)展的需要，是煤炭生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的必然結(jié)果。 國(guó)綜采技術(shù)發(fā)展中存在的問(wèn)題 （ 1）我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，老礦井受生產(chǎn)系統(tǒng)制約，綜采效率難以發(fā)揮。我國(guó)大部分礦井井型較小，生產(chǎn)系統(tǒng)不適應(yīng)集中生產(chǎn)的要求。巷道斷面小，支護(hù) 質(zhì)量差，掘進(jìn)設(shè)備落后，進(jìn)度慢，運(yùn)輸系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，輔助運(yùn)輸落后。工作面長(zhǎng)度、采煤機(jī)截深、采區(qū)長(zhǎng)度等工作面參數(shù)都比較小。 （ 2）職工隊(duì)伍素質(zhì)差，許多綜采隊(duì)以農(nóng)民輪換工為主，文化基礎(chǔ)差，隊(duì)伍不穩(wěn)定。管理水平低，管理模式落后，管理層次多，扯皮現(xiàn)象嚴(yán)重。 （ 3）煤炭企業(yè)普遍經(jīng)濟(jì)效益較差，負(fù)擔(dān)重，技術(shù)改造任務(wù)難度大，資金投入嚴(yán)重不中，以致發(fā)展后勁不足，一些礦井沒(méi)有設(shè)備更新能力，機(jī)械給出現(xiàn)倒退局面。 （ 4）小煤窯濫采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重。一方面造成對(duì)國(guó)有煤礦的市場(chǎng)沖擊，成為影響綜采發(fā)展的一個(gè)消極因素。 （ 5）科研投入嚴(yán)重不足?？蒲?單位創(chuàng)收成為主要目標(biāo)，技術(shù)攻關(guān)力量不足，科研成果低水平循環(huán)現(xiàn)象嚴(yán)重。 （ 6）由于受價(jià)格和基礎(chǔ)工業(yè)水平的影響，我國(guó)煤機(jī)制造質(zhì)量、產(chǎn)品性能和可靠性距世界先進(jìn)水平還有較大差距。特別是采煤機(jī)、工作面輸送機(jī)、液壓支架電液控制技術(shù)、采區(qū)供電技術(shù)、工況監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)等，與國(guó)際先進(jìn)水平相比不存在較大差距。 壓支架的發(fā)展動(dòng)向 及研究動(dòng)態(tài) 壓支架的發(fā)展動(dòng)向 近幾年來(lái)，為適應(yīng)采煤綜合機(jī)械化的發(fā)展需要，液壓支架獲得了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了很多類型，據(jù)統(tǒng)計(jì)，它的結(jié)構(gòu)型式已達(dá)數(shù)百種。每架支架的支柱從 1 根 到 8 根，支撐力從 50噸到 800噸，支架適應(yīng)煤層厚度的范圍由 至更厚的煤層，適應(yīng)煤層傾角由 0o到 45o，甚至 70o左右。在緩傾斜薄及中厚煤層中，液壓支架已獲得廣泛應(yīng)用，但是由于煤層賦存條件復(fù)雜，支架的結(jié)構(gòu)還不夠完善，設(shè)備需要管理和操作經(jīng)驗(yàn)，所以液壓支架的使用范圍仍受到限制。 為了改進(jìn)支架的支護(hù)性能，提高它對(duì)不同礦山地質(zhì)條件的適應(yīng)性，擴(kuò)大使用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，目前液壓支架有下列幾方面的發(fā)展動(dòng)向： （ 1） 其他型式的支架，應(yīng)用逐漸減少。 1976年國(guó)際采礦設(shè)備 展覽會(huì)展出的 89 種液壓支架中，有 80%是掩護(hù)式支架，這些支架的主要特點(diǎn)是：采用四連桿機(jī)構(gòu)，使梁端和煤壁 之間的距離基本保持恒定；支柱支在頂梁上，提高了支架的工作阻力；頂梁和掩護(hù)梁鉸接，取消了兩者間易被矸石堵塞的三角區(qū)；掩護(hù)梁和頂梁的主梁部分均裝設(shè)側(cè)護(hù)板，提高了支架的防護(hù)能力；采用整體自移式，便于支架操作和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 （ 2） 著重解決擴(kuò)大使用范圍的問(wèn)題。目前，各國(guó)正在研制大傾角、大采高、大截深和薄煤層支架，并使支架和采煤機(jī)更好地配合。近幾年來(lái)，國(guó)外正在研制一次截深 時(shí)，為擴(kuò)大支架適應(yīng)的高度范圍，廣泛采用雙伸縮式支柱。 （ 3） 提高支架的處撐力，很多國(guó)家使用的泵站壓力已達(dá)到 300公斤 /平方厘米以上。 （ 4） 始采用“多芯管”先導(dǎo)式鄰架控制的操縱方式。 （ 5） 一步改善操作條件，支架控制正在向自動(dòng)控制方向發(fā)展。目前，分組程序控制已開(kāi)始使用，全工作面的自動(dòng)控制還處在研究階段 。 壓支架的研究動(dòng)態(tài) 為了進(jìn)一步改善支架性能和提高移架速度，還須迅速研制并推廣大流量支 架用閥、大通徑液壓膠管、初撐力保證閥或自動(dòng)增壓閥以及高壓變?nèi)榛罕?。須加快電液控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和支架供液系統(tǒng)和液控系統(tǒng)的優(yōu)化。還須開(kāi)發(fā)研究等壓雙伸縮立柱和能夠克服剛性四連桿機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)的新架型等。此外，對(duì)于綜采放頂煤工作面，移架速度問(wèn)題不是十分突出。但無(wú)論是分層開(kāi)采還是放頂煤開(kāi)采，對(duì)降低工作面供液系統(tǒng)的壓力，提高支架初撐力的要求還是十分迫切。由此可見(jiàn)，自動(dòng)增壓初撐系統(tǒng)有一定的應(yīng)用前景。氣垛支架以其整體性能好、穩(wěn)定性好、抗沖擊載荷能力強(qiáng)、初期投資少和操作維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在薄煤層和急傾斜煤層支護(hù)中已經(jīng)取得了一席之地。 變流量變壓力乳化液泵等新產(chǎn)品的研制，將會(huì)大大改善支架供液系統(tǒng)的特性。 針對(duì)影響移架速度的因素分析和提高移架速度的方法和途徑，已有不少文獻(xiàn)給予論述，指出影響移架速度的主要因素有系統(tǒng)的額定流量和額定壓力、供液系統(tǒng)管路的通徑及閥件的過(guò)流量、液壓支架立柱升降行程和推移千斤頂?shù)男谐?、立校活柱直徑與活塞直徑的比值、支柱及頂梁重量等；而提高移架速度的主要措施有：增加泵站流量、采用電液自動(dòng)控制、利用大流量閻件、改進(jìn)液壓支架的進(jìn)液和回液系統(tǒng)。目前液壓支架移架速度的計(jì)算方法僅為靜態(tài)汁算，只反映了移架動(dòng)作的操作時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間。對(duì) 于動(dòng)態(tài)特性較差的支架液壓系統(tǒng)、其得架動(dòng)作過(guò)程所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)靜態(tài)計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間。要保證實(shí)施煤炭工業(yè)部關(guān)于初撐力的規(guī)定要求 (達(dá)到設(shè)計(jì)韌撐力的 80％以上 )，往往需要保證 30 關(guān)于液壓支架初撐力問(wèn)題存在的原因以及解決這 — 問(wèn)題的方法和途徑，一些文獻(xiàn)從不同的角度給予了大量的探討。文獻(xiàn)指出泵站實(shí)際調(diào)定壓力較低只有一定的波動(dòng)、遠(yuǎn)距離供液壓力損失嚴(yán)重、頂?shù)装宀黄椒锤∶汉透灥挠绊?、不能保證液壓支架的初撐時(shí)間以及多人操作或多架同時(shí)操作等因素是導(dǎo)致液壓支架初撐力本足不均的主要原因；而增大 大校直徑和數(shù)目、提高泵站壓力、采用雙供液系統(tǒng)、監(jiān)油工作面支護(hù)質(zhì)量、增設(shè)韌撐力保證閥等提高切撐力的方法相措施都存在著一定的不足。為了提高移架速度，就很難保證初撐時(shí)間，從而不能保證初撐力達(dá)到規(guī)定要求?？梢?jiàn)提高移架速度和提高液壓支架初撐力之間存在著矛盾。 電液控制技術(shù)在液壓支架上的應(yīng)用能夠提高液壓支架的自動(dòng)化程度和移架速度 (將不同工序或不同支架的操作時(shí)間間隔縮短到最小程度 )，能夠?qū)崿F(xiàn)定壓初撐和遠(yuǎn)距離程序控制等功能。帶壓移架控制系統(tǒng)可以以實(shí)現(xiàn)液比支架卸載扣移架工序的同步化相自動(dòng)化，改善了液壓支架的支護(hù)特性和 控頂效果，消除了液壓支架的升降行程，故在一定程度上可提高移架速度。二柱掩護(hù)支架因立柱數(shù)目少、操作簡(jiǎn)便、侈架速度快等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。然而平衡干斤頃及其連接耳座的損壞問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。初撐增壓閥的研究和開(kāi)發(fā)，可用于解決初撐力問(wèn)題，同時(shí)有助于解除高壓力和大流量的制約關(guān)系。但體積和重量過(guò)大、在支架上難以設(shè)置等因素，是初撐增壓閥難以得到應(yīng)用的根本原因。 電液控制技術(shù)、帶壓移架控制系統(tǒng)、初撐增壓閥的研究和應(yīng)用，旨在改善液壓支架的支護(hù)特性、提高移架速度和初撐力。二柱掩護(hù)支架的大量使用也是 與該架型移架速度快有關(guān)。由此可見(jiàn)，移架速度和初撐力問(wèn)題是研究和設(shè)計(jì)液壓支架及其液壓系統(tǒng)的核心問(wèn)題。要從根本上解決這兩個(gè)相互制約的核心問(wèn)題，還需要從研究液壓支架及其液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性為突破口。 基于液壓支架在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和研究動(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為研究液壓支架及其液控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)持性，分析決定液壓支架支護(hù)持性二核心要素 (移架速度和切撐力 )之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，解除大流量與高壓力的相互制約關(guān)系是亟待解決的重大問(wèn)題。 壓支架的分類 支架和圍巖的相互作用 ，液壓支架可分為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù) 式三類。 （ 1）支撐式支架： 圖 1一種典型的支撐式支架，它有較長(zhǎng)的頂梁，較多的支柱，并呈垂直布置，支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位機(jī)構(gòu)來(lái)保證，因此有堅(jiān)固的箱式底座。它靠支柱與頂梁的支撐作用，控制工作面的頂板，維護(hù)工作空間，而頂板巖石則在頂梁后部切斷跨落。這種類型的支架具有交大的支撐能力和良好的切頂性能，因此適應(yīng)于頂板堅(jiān)硬完整，周期壓力明顯或強(qiáng)烈，底板也較硬的煤層中。 圖 1撐式支架 （ 2）掩護(hù)式支架： 圖 1－ 2是掩護(hù)式支架的典型結(jié)構(gòu)之一，它的頂梁較短，支柱一排，一般僅 1～ 2 根，多呈傾斜布置與 掩護(hù)梁連接或直接與頂梁相連接。它靠支柱和頂梁支撐頂板，而掩護(hù)梁只與冒落矸石相接觸，防止矸石涌入工作面，以維護(hù)一定的工作空間。這種類型的支架，有良好的防矸掩護(hù)性能，主要適用于頂板中等穩(wěn)定和破碎，底板也較軟的煤層中。 圖 1護(hù)式支架 （ 3）支撐掩護(hù)式支架：支撐掩護(hù)式支架是介于支撐式和掩護(hù)式之間的一種架型。它的特點(diǎn)是，支柱兩排，每排 1～ 2 根，多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu) （見(jiàn)圖 1－ 3） 。這類支架靠支撐和掩護(hù)作用來(lái)維護(hù)工作空間，兼有支撐式和掩護(hù)式支架的優(yōu)點(diǎn)，適 用于頂板穩(wěn)定和中等穩(wěn)定，有較明顯的周期壓力，底板中等穩(wěn)定的煤層中。 圖 1撐掩護(hù)式支架 支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式等三類支架中，對(duì)照采煤工藝對(duì)支架的要求來(lái)看，掩護(hù)式支架具有很多特點(diǎn)和較廣的適用范圍。雖然掩護(hù)式支架單位工作面長(zhǎng)度上的支撐能力不如其余兩種，但由于控頂距小單位面積上的支撐力較大，能對(duì)頂板進(jìn)行有效的支撐；還有有效的擋矸裝置，能更好的適應(yīng)破碎頂板的支護(hù)需要；支架本身為一定的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，抗水平力性能好，且便于支架前移；支架的結(jié)構(gòu)和液壓系數(shù)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，管理維修容易；支架調(diào)高范圍較 大，對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)性強(qiáng)。所以，掩護(hù)式支架在使用中已取的良好的經(jīng)濟(jì)效果，使用范圍正在擴(kuò)大。 移動(dòng)方式 ，液壓支架可分為整體自移式和邁進(jìn)式兩類。 （ 1）整體自移式：支架成整體結(jié)構(gòu)，因而整體移動(dòng)。掩護(hù)式，和部分支撐式支架，均采用這種移架方式。 （ 2）邁進(jìn)式：邁進(jìn)式支架又可分為交互前移式和提步前移式兩種。 利用主副架護(hù)為著力點(diǎn)交互推拉前移的方式，架間安裝推移千斤頂和導(dǎo)向裝置。一般節(jié)式支架常用這種移架方式。 采取頂梁不大量下降，提腿跨步的方式。例如，蘇 2型支撐掩護(hù)式支架，移架時(shí)沿著支撐柱頂板的臨架頂梁推移。還有一種是滑行頂梁式支架，移架時(shí)本架頂梁在內(nèi)部滑移。 據(jù)使用地點(diǎn)的不同 ，液壓支架又可分為工作面支架和端頭支架兩類。 上述各類支架均為工作面支架，用來(lái)支護(hù)工作面的頂板。端頭支架，則用在工作面兩端與順槽的連接處，由于此處的機(jī)械設(shè)備較多，需要占有的工作空間大，同時(shí)又是人員的安全出口，要求端頭支架能很好的和各設(shè)備相配合，達(dá)到有效的支護(hù)懸露面積較大的頂板。因此，端頭支架在結(jié)構(gòu)上具有特殊性。 壓支架的應(yīng)用及意義 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭需要量的日益增加，煤礦開(kāi)采，特別是采媒工作面的生產(chǎn)技術(shù)面貌發(fā)生了巨大變化。自 1945年英國(guó)裝備了世界上第一個(gè)液壓裝置開(kāi)始，采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化。綜合機(jī)械化采煤，就是工作面采煤、運(yùn)輸和支護(hù)三大主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。也就是說(shuō)，采用滾筒式或刨消式等采煤機(jī)械落媒與裝媒；工作面重型可彎曲運(yùn)輸機(jī)，以及與之適應(yīng)的順槽傳載機(jī)和可伸縮皮帶運(yùn)輸機(jī)等運(yùn)煤；自移式液壓支架支護(hù)和管理頂板。這幾種設(shè)備相互配合，組成了綜合機(jī)械化采煤設(shè)備。 液壓支架是以高壓液體為動(dòng)力，由 若干液壓元件（油缸和閥件）與一些金屬結(jié)構(gòu)件組成的一種支撐和控制頂板的采煤工作面設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)支撐、降落移架和推移運(yùn)輸機(jī)等一整套工序。液壓支架技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理，安全上可靠，當(dāng)前世界各國(guó)都在不斷的提高采煤工作面的機(jī)械化水平。 我國(guó)于 1964年開(kāi)始研制液壓支架，已先后試制了 、 、 等多種形式的液壓支架，并在開(kāi)灤、大同、陽(yáng)泉、鶴壁、徐州、銅川、義馬、淮北等局礦進(jìn)行了試驗(yàn)和使用，取得了較好的效果。 1974 年以來(lái)以德國(guó)、英國(guó)蘇聯(lián) 和波蘭等國(guó)引進(jìn)了許多不同類型的液壓支架。實(shí)踐證明，液壓支架具有強(qiáng)度高、支護(hù)性能好、移設(shè)速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，能使采煤工作面得到高采量、高回采率和高工效，能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低成本和掘進(jìn)率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。 理及 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本 章介紹液壓支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和架型的選取，而 對(duì) 液壓支架受力分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性等內(nèi)容將不做介紹。 壓支架的組成及工作原理 壓支架的組成 圖 1－ 3為液壓支架的一種典型結(jié)構(gòu)，它由頂梁（包括前梁 1和主梁 2）、支柱 5、掩護(hù)梁 4、底座 8、推移裝置 9、閥件、管路 系統(tǒng)、連接部件及各種附屬裝置等組成。頂梁和底座通過(guò)數(shù)根支柱支撐在頂?shù)装逯g，構(gòu)成一個(gè)可以活動(dòng)的承載構(gòu)件，支護(hù)頂板，維護(hù)工作空間。綜合各種類型液壓支架的結(jié)構(gòu)它的組成可歸結(jié)為承載結(jié)構(gòu)件、動(dòng)力油缸、控制操縱元件、輔助裝置和工作液體五部分。 （ 1）承載結(jié)構(gòu)件：包括頂梁、掩護(hù)梁和底座等。 接與頂板（包括鎂錠、分層假頂?shù)龋┫嘟佑|，并承受頂板巖石載荷的支架部件叫頂梁。它也為支柱、掩護(hù)梁和擋矸裝置等提供連接點(diǎn)。頂梁除整體結(jié)構(gòu)形式外，一般由若干段組成，接它對(duì)頂板的支護(hù)作用和位置，可分為主梁、前梁和尾梁。如果頂梁在 前后支柱間鉸接也可稱為前梁和后梁。 b 掩護(hù)梁上部直接于頂梁鉸接，下部直接或簡(jiǎn)接（通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)）與底座鉸接。 c 底座：直接和底板（包括分層煤底等）相接觸，傳遞頂板壓力到底板的支架部件叫底座。底座除為支柱、掩護(hù)梁提供連接點(diǎn)外，還要安設(shè)千斤頂?shù)炔考? （ 2）動(dòng)力油缸：包括支柱和各種千斤頂 架上凡是支撐在頂梁（或掩護(hù)梁）和底座只間，直接和間接承受頂板載荷的主要油缸叫支柱。支柱是支架的主要承載部件，支架的支撐力和支撐高度，主要取決于支柱的結(jié)構(gòu)和性能。 架上除支柱以外的各種油缸都叫千斤頂，如前 梁千斤頂、推移千斤頂、調(diào)架千斤頂，還有平衡、復(fù)位、側(cè)推和護(hù)幫千斤頂，完成著推移運(yùn)輸機(jī)、移設(shè)支架和支架 的調(diào)整等各項(xiàng)動(dòng)作。 （ 3）控制操縱元件：包括控制閥（即液控單向閥和安全閥）、操縱閥等各種閥件和管件。這些元件是保證支架獲得足夠的支撐力、良好的工作特性以及實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作所需的液壓元件，它的種類和數(shù)量，隨支架結(jié)構(gòu)和動(dòng)作要求的不同而異。 （ 4）輔助裝置：支架上除上述三項(xiàng)構(gòu)件以外的其它構(gòu)件，都可歸入輔助裝置，它包括推移裝置、復(fù)位裝置、擋矸裝置、護(hù)幫裝置、防倒防滑裝置、照明和其它附屬裝置等。 （ 5）工作液體：這時(shí)傳遞 泵站能量，使液壓支架能有效工作的工作介質(zhì)。液壓支架的工作液體是乳化液。 壓支架的工作原理 （ 1）液壓支架自動(dòng)移設(shè)的原理：液壓支架以高壓液體為動(dòng)力，通過(guò)各種動(dòng)力油缸的伸縮，使支架完成升起、降落、行走和推移運(yùn)輸機(jī)等各種動(dòng)作，以便支架隨工作面不斷推進(jìn)而反復(fù)支撐、前移和調(diào)整。 圖 1－ 4 是一個(gè)最簡(jiǎn)單的液壓支架的工作系統(tǒng)示意圖。下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作過(guò)程分別加以敘述。 旋轉(zhuǎn)式操縱閥轉(zhuǎn)到降柱位置，打開(kāi)供液閥時(shí)，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥和油管，進(jìn)入支柱活塞桿腔，同時(shí)也進(jìn)入液控單向閥 的控制管路，打開(kāi)液控單向閥，支柱活塞腔的油液經(jīng)油管、液控單向閥和操縱閥，流回主回液管，支柱卸載下降。 壓支架卸載后，操縱閥轉(zhuǎn)到移架位置，打開(kāi)供液閥時(shí)，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥和油管進(jìn)入到推壓千斤頂?shù)幕钊麠U腔，同時(shí)也進(jìn)入液控油路，打開(kāi)液控單向閥，而活塞腔的油液經(jīng)油管、液控單向閥和操縱閥流回主回液管，推移千斤頂收縮，以運(yùn)輸機(jī)為支點(diǎn)，拉架前移。運(yùn)輸機(jī)靠相鄰的推移千斤頂來(lái)固定，千斤頂由液控單項(xiàng)閥緊鎖。 圖 1-4 液壓支架移到新的位置后，應(yīng)及時(shí)升柱，以支撐新暴露的頂板。操縱閥轉(zhuǎn)到 升柱位置， 打開(kāi)供液閥，高壓液體由主進(jìn)液管進(jìn)入，經(jīng)操縱閥到液控單向閥，進(jìn)入到推 移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，支柱活塞矸腔的油液，同時(shí)也進(jìn)入液控油路，經(jīng)油管和操縱閥流 回主回液管，活塞和頂梁升起，支撐頂板。 當(dāng)液壓支架前移并重新支撐后，操縱閥轉(zhuǎn)到推移位置，打開(kāi)供液閥時(shí)，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥、液控單向閥進(jìn)入到推壓千斤頂?shù)幕钊麠U腔，活塞桿腔的油液經(jīng)油管和操縱閥流回主回液管，推移千斤頂?shù)幕钊麠U伸出，以液壓支架為支點(diǎn)，把運(yùn)輸機(jī)推移到新的工作位置。 在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于具體支架的動(dòng)作，根據(jù)該支架的結(jié)構(gòu)和需要來(lái)確定。 （ 2）液壓支架的支撐承載能力：液壓支架的支撐承載能力是指液壓支架與頂板之間相互力學(xué)原理，它包括初撐增阻、承載增阻和恒阻三個(gè)工作階段。 a. 初撐增阻階段：在升柱過(guò)程中，從頂梁接觸頂板起，至支柱活塞腔的油液壓力達(dá)到泵站的工作壓力時(shí)，松開(kāi)手把，停止供液，液控單向閥立即關(guān)閉，閥球封閉了支柱活塞腔的油液，這就是支架的初撐階段。此時(shí)支柱和支架對(duì)頂板產(chǎn)生的支撐力稱為初撐力。 支柱初撐力： 2 ()4 1 0 0 0?? 噸支架初撐力：c ()cF n f ???＝ 噸站的工作壓力（公斤 /l 厘米 2） D－支柱缸體徑經(jīng)（厘米） n－每架支架的支柱數(shù) ? －支撐效率（垜式支架 ? ＝ 1） 支架初撐力的大小，取決于泵站的工作壓力，支架支柱數(shù)和支柱缸體的內(nèi)徑以及架型等。實(shí)際上支柱初撐后，活塞腔的油液壓力由于阻力損失、操作情況和閥的靈敏度等原因，往往低于泵站工作壓力。 b. 承載增阻階段：支架初撐后，隨頂板的下沉，支柱活塞腔被封閉的油液受到 壓縮，油液壓力繼續(xù)升高，呈現(xiàn)承載增阻狀態(tài)。這時(shí)由于支柱缸徑增大，油液被壓縮而體積縮小，即使乳化液沒(méi)有任何漏損，安全閥并未動(dòng)作卸載，支柱總長(zhǎng)度也降縮短。這個(gè)縮短量可用下式計(jì)算： 22222d[ ( ) ] ( ) l ?? ? ? ? ＋ 厘 米－ 式中： P? －支柱由初撐力起到達(dá)工作阻力時(shí)，支柱內(nèi)壓力得增值（公斤 /） ? －乳化液的體積壓縮系數(shù)，近似取水的壓縮系數(shù) ? ＝ l －支柱內(nèi)壁壓縮液柱的高度（厘米） E －鋼材的彈性系數(shù) 0E ?＝ （公斤 /l 厘米 2） ? －剛才的泊松比 ? ＝ －支柱缸體外徑（厘米） d－支柱缸體內(nèi)徑（厘米） 這個(gè)縮短量是有彈性的，如果作用在支柱上的載荷，反過(guò)來(lái)從工作阻力減小到 初撐力時(shí)，支柱仍會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。因此，這個(gè)支柱長(zhǎng)度上的縮短量，稱為支柱的彈性可縮量。 根據(jù)開(kāi)灤局井下實(shí)測(cè)，在各種不同的初撐力、工作阻力喝才高的情況下， 支柱的彈性可縮量在 6～ 10圍內(nèi)。這個(gè)彈性可縮量會(huì)使支柱工作還未達(dá)到工作阻力之前，就造成頂板的下沉，有可能使巖石離層，對(duì)頂板管理是不利的。經(jīng)試驗(yàn)證明，減小支柱的彈性可縮量，對(duì)改善頂板管理起著重要的作用。具體措施是，使用高壓乳化液泵，提高支柱初撐力；改善單向閥的質(zhì)量，要能及時(shí)關(guān)閉也路；注意操作方法，使支柱下腔盡可能達(dá)到泵站的工作壓力。 c. 恒阻階段：支架承載后，如果完全支撐住頂板，不允許頂板下沉，需要有強(qiáng)大的支撐力。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于頂板壓力有時(shí)相當(dāng)巨大，想設(shè)計(jì)出能抗住巨大頂板壓力，而一點(diǎn)也不讓壓的支架是及困難的，實(shí)際上也沒(méi)有這種必要。 都使支架能隨頂板下沉?xí)r，有一定的可縮量，但又保持一定的支撐力不敢于使頂板任意下沉而造成破壞冒落。要求支架即具有一定的支撐力，又具有可縮性。液壓支架的這種特性，是由支柱的安全閥來(lái)控制的。在頂板壓力增大時(shí)，支柱活塞腔被封閉的油液壓力就迅速升高，當(dāng)壓力值超過(guò)安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，支柱活塞腔的高壓液體經(jīng)安全閥泄出 ，支柱降縮，支柱活塞腔的液體壓力減小，這就是支架的“讓壓” 特性；當(dāng)壓力小于安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，安全閥又關(guān)閉，停止卸液，支柱活塞腔的液體又被封閉，支架恢復(fù)正常工作。由于安全閥動(dòng)作壓力的限制，支柱呈現(xiàn)出恒阻特性，此時(shí)支柱和支架承受的最大載荷稱為工作阻力。 支柱工作阻力： 24 1 0 0 0 ? ?? 噸 支架工作阻力： F n f ???＝ 噸式中： 全閥的動(dòng)作壓力（公斤 /厘米 2） 支架的工作阻力取決 于安全閥的動(dòng)作壓力、支架支柱數(shù)、支柱缸體內(nèi)徑和架型等。 安全閥使支柱具有恒定的設(shè)計(jì)工作阻力，同時(shí)又使支柱在承受大于設(shè)計(jì)工作阻力的頂板壓力時(shí)，可隨頂板的下沉而下縮，這就是液壓支架的恒阻性和可縮性。未防止安全閥頻繁動(dòng)作而失效，應(yīng)使支架的工作阻力大于正常的頂板壓力，也就是說(shuō)，在工作生產(chǎn)過(guò)程中，支架還沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)工作阻力之前，就已前移到新的支撐位置。 工作阻力時(shí)液壓支架的一個(gè)基本參數(shù)，用來(lái)表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長(zhǎng)短和間距大小不同，并不能完全反應(yīng)支架對(duì)頂板的支撐力，因此常采用表示單位面積頂板上所受 支架工作阻力值大小的支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)，來(lái)比較支架的支護(hù)性能。 支架支護(hù)強(qiáng)度： 22 (噸 米 ）式中： A－支架的支護(hù)面積（米 2） 由上可知，支柱或支架工作時(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化是，支架升起，頂梁開(kāi)始接觸頂板至液控單向閥關(guān)閉時(shí)的初撐增阻階段 撐結(jié)束至安全閥卸載前的承載增阻階段 種變化過(guò)程反應(yīng)了支架的支撐力和時(shí)間之間的關(guān)系 （圖 1－ 5）。 圖中虛線表示，有些支架的支柱并未達(dá)到額定的工作阻力值就已降柱前移，支架前移后按原過(guò)程重新支撐。 圖 1述工作過(guò)程表明：液壓支 架在額定工作阻力值以下工作時(shí)，具有增阻性，以保證支架 頂板的有效支撐作用；當(dāng)支架支撐力超過(guò)額定工作阻力值時(shí)，支架隨頂板下沉而下縮，使支架保持恒定的工作阻力，即具有可縮性和恒阻性。支架本身的增阻性取決于液控單向閥和支柱的密封性能，可縮性和恒阻性則由安全閥的溢流性能決定。因此，液控安全閥、單向閥、支柱這三個(gè)部件，是保證支架性能的關(guān)鍵元件。 通過(guò)上述，對(duì)液壓支架的工結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，可初步確定液壓支架 圖 1壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 度的確定 一般首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度。支架的最大高度與最小高度的之差為支架的調(diào)高范圍。調(diào)高范圍越大，支架的適用范圍越廣，但過(guò)大的調(diào)高范圍會(huì)給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成困難，可靠性降低。 該參數(shù)以給出，取支架高度（米）： 中心距和寬度的確定 支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長(zhǎng)度。目前國(guó)內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用 1.5 m。大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用 型支架為適應(yīng)中小煤礦工作 面快速般家的要求，中心距可采用 本設(shè)計(jì)中也取中心距（米）： 架寬度是指，頂梁的最大和最小寬度。寬度的確定應(yīng)考慮支架的運(yùn)輸、安裝和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板一般行程為 170～ 200支架中心距為 小寬度一般取 1400～ 1430大寬度一般取 1570～ 1800 若取側(cè)護(hù)板行程為 180可選支架寬度為： 最小寬度： 1410 最大寬度： 1800 梁端距和頂梁長(zhǎng)度的確定 所謂梁端距是指移 架后頂梁端部至煤壁的距離（如 圖 2端距是考慮由于工作面頂板起伏不平造成的運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)的傾斜，以及采煤機(jī)割煤時(shí)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離。支架高度越大，梁端距也應(yīng)越大。 當(dāng)采用即時(shí)支護(hù)時(shí)，一般大采高支架梁端距應(yīng)取 350～ 480厚煤層支架梁端距應(yīng)取 280～ 340煤層支架梁端距應(yīng)取 200～ 300 現(xiàn)取梁端距： 00?圖 2壓支架尺寸關(guān)系 頂梁長(zhǎng)度受支架形式、配套采煤截深、刮板輸送機(jī)尺寸、配套關(guān)系及立柱缸徑、通道要求、底座長(zhǎng)度、支護(hù)形式等的制約。 )(01513 ????? 當(dāng)采用及時(shí)支護(hù)方式時(shí)： 現(xiàn)根據(jù)支護(hù)面積、支架最大寬度得： 6 ?梁形式的選擇 支架常用頂梁形式有三種：整體頂梁、鉸接頂梁和楔形結(jié)構(gòu)頂梁。鉸接頂梁的前段稱為前梁，后段稱為主梁，一般簡(jiǎn)稱頂梁。 (1) 整 體頂梁 整體頂梁（ 圖 2特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 可靠性好；頂梁對(duì)頂板載荷的平衡能力較強(qiáng)；前端支撐力較大；可以設(shè)置全長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護(hù)效果，減少架間漏矸。為改善接頂效果和補(bǔ)償焊接變形，整體頂梁前端（ 800～ 100, 一般上翹 1～ ?3 。 圖 2體頂梁 (2) 鉸接式頂梁 鉸接式頂梁如圖 2前梁千斤頂?shù)耐评?，前梁可以上下擺 動(dòng)，對(duì)不平頂板 的適應(yīng)性較強(qiáng)。運(yùn)輸時(shí)可以將前梁放下與頂梁垂直，以減少運(yùn)輸尺寸。前梁千斤頂必須有足夠的支撐力的聯(lián)接強(qiáng)度。前 梁上不宜設(shè)置側(cè)護(hù)板。為了順 利移架，前梁間一般要留有 100～ 500而增加了破碎頂板漏矸的可能性。 圖 2接頂梁 1. 前梁； 2. 前梁千斤頂； 3. 頂梁 (3) 楔形頂梁 楔形結(jié)構(gòu)梁如圖 2 形梁 1和后梁 4通過(guò)銷軸鉸接，而千斤頂鉸接 于頂梁上。 楔形結(jié)構(gòu)梁利用構(gòu)件間摩擦自鎖原理，通過(guò)楔塊 2 與楔形梁 1 和頂梁 4 之間的摩擦作用，使楔形梁 1、楔塊 2和后梁 4在受載時(shí)保持為一個(gè) 剛性頂梁，這樣，該 梁宜具有整體剛性頂梁前端支護(hù)力 大的優(yōu)點(diǎn)。由于楔形梁 1與后梁 4為鉸接結(jié) 構(gòu)，當(dāng)操作楔形梁千斤頂伸出或縮回時(shí)帶動(dòng)楔形塊前后移動(dòng)，從而使楔形梁 1繞鉸軸上下擺動(dòng)，其擺動(dòng)范圍取決于楔形塊的行程和楔角的大小。由于擺動(dòng)范圍較鉸接頂梁小，因而該梁不具有鉸接頂梁的靈活性。此外，在運(yùn)輸時(shí)楔形梁 1可以放到下垂位置，縮短了運(yùn)輸尺寸， 從而方便運(yùn)輸和安裝。現(xiàn)根據(jù)常用液壓支架頂梁形式各自特點(diǎn)， 本文選取鉸接式頂梁 。 圖 21. 楔形梁； 2. 楔塊； 3. 楔形梁千斤頂； 4. 后 梁 梁的設(shè)計(jì)影響因素與設(shè)計(jì)原則 頂梁是 液壓支架的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)需遵循一定的原則，以及豐富的經(jīng)驗(yàn) 。 設(shè)計(jì)原則如下表 表 2構(gòu)參數(shù) 影響因素與設(shè)計(jì)原則 長(zhǎng)度 1. 機(jī)道寬度是指采煤機(jī)與輸送機(jī)配套后最大外緣寬度，它取決于它們的寬度、附件（如擋煤板、電纜）寬度，以及采煤機(jī)與輸送機(jī)的相對(duì)位置 2. 支護(hù)方式 滯后支護(hù)方式頂梁長(zhǎng)度比及時(shí)支護(hù)方式要短一個(gè)移動(dòng)步距的長(zhǎng)度。及時(shí)支護(hù)支架如果帶伸縮梁， 則支架主頂梁（包括前頂梁）的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，比滯后支護(hù)方式相同；當(dāng)伸縮梁伸出時(shí)、頂梁總長(zhǎng)度相當(dāng)于及時(shí)支護(hù)時(shí)的長(zhǎng)度 3. 立柱布置 對(duì)支架頂梁長(zhǎng)度影響較大。前排立柱的位置應(yīng)考慮與機(jī)道之間留人行空間或安全間隙。掩護(hù)式或支撐式支架，前排立柱可 以前傾布置，以減少頂梁前部懸臂長(zhǎng)度。單排立柱的掩護(hù)式支架，應(yīng)該保證使柱頭在底座上的投影位置距底座前端 的距離足夠大，滿足對(duì)地板比壓的要求。但也不能使該距離過(guò)大，以免使頂梁太長(zhǎng)。 前后排立柱的間距主要考慮行人等因素，縮短后排立柱與頂梁、掩護(hù)梁鉸點(diǎn)的距離，或者使后排立柱支撐在掩護(hù)梁上，這有利于縮短支撐掩護(hù)式支架頂梁長(zhǎng)度。 4. 掩護(hù)式支架頂梁，以柱頭鉸點(diǎn)（支定式）或頂梁掩護(hù)梁鉸點(diǎn)（支撐式）為界分為前后兩段。為了保證頂梁前端對(duì)頂板的支撐力，對(duì)剛性頂梁，理論上頂梁前后段長(zhǎng)度比不應(yīng)超過(guò) 2:等結(jié)構(gòu)，頂板條件比較穩(wěn)定時(shí)，可以適當(dāng)加大該比值，以縮短頂梁總長(zhǎng)度，但比值不宜超過(guò) 5. 通風(fēng)需要 當(dāng)工作面沼氣涌出量大時(shí)，需要加長(zhǎng)頂梁、滿足通風(fēng)斷面的要求 6. 采煤工藝的需要 特殊采煤工藝支架某些功能的需要（如充填工作面支架，分層鋪網(wǎng)支架），或者采煤機(jī)截深加大時(shí)，支架頂梁都要相應(yīng)地加大 7. 根據(jù)目前我國(guó)綜采配套情況，不同架型支架頂梁長(zhǎng)度如下： 支頂掩護(hù)式 2~3m 支撐掩護(hù)式 3~4m 寬度 1. 主要取決于支架中心距、頂板穩(wěn)定性及是否帶活動(dòng)側(cè)護(hù)板等因素 2. 對(duì)掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架、頂梁寬度可參見(jiàn)下表 頂梁寬度（ m） 中心距（ m） 無(wú)活動(dòng)護(hù)板 有活動(dòng)護(hù)板 右） 右） 右） . 對(duì)支撐式支架、頂梁寬度可適當(dāng)減小。剁式支架： 頂梁寬度 =支架中心距 取 200～ 300 節(jié)式支架或分式頂梁剁式支架、條梁寬度視中心距、架間和梁間間隙（可取 200～300）而定 厚度 1. 滿足強(qiáng)度要求 在選定鋼材之后，由強(qiáng)度計(jì)算確定 2. 滿足行人、通風(fēng)斷面要求 中厚煤層以上支架， 頂梁厚度可以適當(dāng)加高。但對(duì)薄煤層支架，為滿足行人及通風(fēng)斷面的要求，應(yīng)盡可能減薄頂梁的厚度 3. 要考慮在滿足強(qiáng)度、行人等要求的前提下適當(dāng)增大頂梁高度，減少鋼材消耗。應(yīng)盡可能采用通用鋼材，改善經(jīng)濟(jì)性 前梁擺動(dòng)角 為適應(yīng)頂板起伏、臺(tái)階及局部冒頂?shù)惹闆r， 前梁上擺角，一般為 10o～ 20o 前梁下擺角，一般為 15o～ 30o 下擺角過(guò)小，會(huì)造成頂板下凸時(shí)前后梁呈剛性連接而損壞 伸縮梁行程 一般等于移動(dòng)步距，但也可根據(jù)支護(hù)方式等因素而確定 材料分析 壓立柱 柱形勢(shì)及優(yōu)缺點(diǎn) 液壓立柱是液壓支架承載與實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作 的主要液壓元部件。常用的立柱結(jié)構(gòu)型式及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表 3 3壓立柱型式及優(yōu)缺點(diǎn) 型式 優(yōu)缺點(diǎn) 全液壓 1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整高度方便，為液壓無(wú)級(jí)式 單伸縮雙作用 2. 調(diào)高范圍小 機(jī)械加長(zhǎng) 1. 調(diào)高范圍比全液壓?jiǎn)紊炜s立柱大 2. 比采用雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì) 3. 有級(jí)調(diào)高，因此調(diào)整較復(fù)雜。如果在操作管理上不加注意，就可能產(chǎn)生支架壓死與頂空等現(xiàn)象。因此，一般只適用于工作面采高變化不大的情況 雙伸縮雙作用 全液壓不泄油 1. 調(diào)高范圍比單伸縮立柱大 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求高 ，成本高 3. 操作靈活方便 全液壓小孔泄油 1. 基本特點(diǎn)同上。但省去了活柱上的接口和管路，而在二級(jí)缸缸壁上采用小孔結(jié)構(gòu)泄油，因而管路 與結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 2. 由于小孔泄油造成油液損失，影響操作人員的安全 3. 多用于薄煤層的短立柱中 機(jī)械加長(zhǎng) 1. 調(diào)高范圍比全液壓雙伸縮立柱更大，多用于薄煤層支架 2. 比三伸縮立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì) 3. 有級(jí)調(diào)高。操作管理應(yīng)注意 壓支架立柱的結(jié)構(gòu) 液壓缸一般由活塞、缸體、缸蓋和活塞桿等部分組成。立柱和千斤頂在結(jié)構(gòu)上的差異在于活塞桿直徑差別較大。這是因?yàn)榱⒅惺茼敯遢d荷較大，而迫降力較少，故 活柱多采用空心結(jié)構(gòu)，以便增大活柱直徑，保證足夠的剛度和強(qiáng)度。而千斤頂則要求盡可能縮小推拉力差距，以滿足工作需要，故活塞桿在保證一定剛度和強(qiáng)度的前提下，盡量做得細(xì)些為好。其他部分的結(jié)構(gòu)基本相同。 1）活塞 活塞是液壓缸的關(guān)鍵部件，對(duì)它的主要要求是保證密封性能良好，運(yùn)動(dòng)面能承受力的沖擊和振動(dòng)等?；钊梢耘c活套，也可以與活柱成為一體?；钊习惭b有密封元件，密封元件主要是密封圈。密封圈有 O 型、 Y 型、 V 型和活塞環(huán)密封等。最近廣泛使用鼓形和蕾形密封圈。 2）導(dǎo)向套 導(dǎo)向套裝在缸體的上端，它在活柱或千斤頂 活塞桿伸縮時(shí)起導(dǎo)向作用。導(dǎo)向套與活塞桿表面既要緊密接觸，又要?jiǎng)幼黛`活，而且要承受住外部載荷對(duì)活塞桿的橫向壓力、彎曲、振動(dòng)等產(chǎn)生的影響。 導(dǎo)向套與缸體的連接方式常用下列三種： （ 1）用螺紋連接。螺紋連接方式比較簡(jiǎn)單，但在井下使用久了易生銹，拆卸不方便； （ 2）用壓緊帽和固定鋼絲連接。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但裝拆麻煩； （ 3）用鋼絲擋圈固定連接。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，但要求活塞桿外徑與缸體內(nèi)徑 之間有比較大的空間，所以在千斤頂上使用較多。 3）缸體 活柱和活塞桿是立柱和千斤頂傳遞機(jī)械力的重要部件，它要承受壓力 、彎曲等載荷的作用，必須耐磨和耐腐蝕。它們可用合金無(wú)縫鋼管或圓鋼制成。為了防止在礦井條件下表面生銹和腐蝕，在它們表面要鍍銅或鍍鉻，在井下使用時(shí)要注意保護(hù)。 載結(jié)構(gòu)件材料及工藝 載結(jié)構(gòu)件材料分析 材料是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，據(jù)下表可知，本文選取頂梁的材料為 16材料具有可焊性好，焊后無(wú)需熱處理等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，強(qiáng)度高，應(yīng)用普遍 表 3載結(jié)構(gòu)件材料及工藝 主要零部件名稱 常用材料 δ a（ (工藝特點(diǎn) 備注 頂梁，掩護(hù)梁 ，底座、連桿 1680～350 可焊性 好、焊后無(wú)需熱處理 應(yīng)用最為普遍 1550～470 可焊性差、焊接時(shí)需要預(yù)熱，工藝?yán)щy 主要用于某些強(qiáng)力支架或薄煤層支架 1400 柱帽、連接座 500 70 350 一般需要調(diào)制處理，鑄造缺陷較多，要嚴(yán)格控制質(zhì)量 用于形狀復(fù)雜的零部件，也可用于重要結(jié)構(gòu)件、如連桿、底座等 銷軸 405 40050 360 750 900 調(diào)制處理 用于結(jié)構(gòu)部件之間的連接 載結(jié)構(gòu)件加工工藝 工藝是機(jī)械制造的一個(gè)非常重要的部分，一臺(tái)好的機(jī)器離不開(kāi)工藝的合理安排，選擇合適的工藝是一個(gè)設(shè)計(jì)者應(yīng)該著重研究的地方，但是工藝的安排又充滿了難度和挑戰(zhàn)，沒(méi)有最好的工藝設(shè)施，只有更好的工藝方案。 表 3載件加工工藝 工序 工藝特點(diǎn) 裝備 準(zhǔn)備 1. 整形調(diào)直 2. 清洗去繡，也可在下料后進(jìn)行 調(diào)直機(jī) 清洗去繡設(shè)備 下料 1. 氣割 2. 剪切、沖壓 3. 開(kāi)坡口 4. 切削加工 各種氣割設(shè)備 剪板機(jī)、沖壓機(jī)、壓力機(jī) 坡口機(jī)、氣割機(jī) 切削加工機(jī)床 拼裝 使各零件定位，保證相互之間的位置與精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求 拼裝專用胎具、電焊機(jī)等 焊接 1. 為保證焊接質(zhì)量，需根據(jù)材料選擇合適的焊條 2. 目前大多采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊與手工電弧焊 3. 為減少焊接變形，應(yīng)保證一定的焊接順序，并采取相應(yīng)地措施 4. 對(duì)可焊性差的材料需要預(yù)熱 電焊機(jī) 焊后處理 1. 對(duì)要求精度與形位公差比較嚴(yán)格的連接孔進(jìn)行焊后整體鏜孔 2. 對(duì)某些結(jié)構(gòu)件在焊接后的變形進(jìn)行調(diào)整 3. 其他保證最終質(zhì)量的修補(bǔ)措施 鏜床、調(diào)直機(jī)、壓力機(jī)、電焊機(jī)等 壓支架三維仿真 件簡(jiǎn)介 美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司 (稱 最新一代 件，它包含許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，是一套設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件包，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)。 能強(qiáng)大，可用于機(jī)械設(shè)計(jì)、功能仿真、加工制造和數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，為用戶提供了目前功能最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境。 發(fā)展歷程 世界上最成功 985年成立于波士頓，1988年發(fā)布了 件的第一個(gè)版本，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為全球 軟件鏟平的總設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了 械設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件的新發(fā)展。 面世后 以其優(yōu)異的使用性能獲得了眾多 歷 10 余年的發(fā)展和，技術(shù)上逐步成熟，已經(jīng)成為當(dāng)前三維建模軟件的領(lǐng)軍者。 引入了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。在 每個(gè)版本都有代表性的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想。 并行工程（ 念的產(chǎn)物，為現(xiàn)金的 行工程是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程（包括制造過(guò)程和支持過(guò)程）進(jìn)行并行、集成化處理的系統(tǒng)方法和綜合技術(shù)、它要求產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)始就考慮到產(chǎn)品全生命周期內(nèi)各階段的因素（如功能、制造、裝配、作業(yè)、調(diào)度、質(zhì)量、成本、維護(hù)與用戶需求等），并得到解決，從而使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段便具有良好的可制造性、可裝配性、可維護(hù)性及回收再生等方 面的特性，最大限度地減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造時(shí)間。 數(shù)化、基于特征和全相關(guān)的三維設(shè)計(jì)概念，這種概念改變了機(jī)械 傳統(tǒng)觀念，逐漸成為當(dāng)今世界機(jī)械 域的新標(biāo)準(zhǔn)。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)出來(lái)的第三代 品，該軟件提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境，將產(chǎn)品涉及到生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程集成到一起，讓更多用戶能同時(shí)參與到某一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)了所謂的并行工程。 心設(shè)計(jì)思想 隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多種 3D 模型的表達(dá)方法，主要有以下幾種： （ 1） 該表達(dá)方法采用布爾運(yùn)算 (并、交、減 )，將一些簡(jiǎn)單的三維幾何基元 (如立方體、圓柱體、環(huán)、錐體 )加以組合、變化成復(fù)雜的三維模型實(shí)體。優(yōu)點(diǎn)是易于控制存儲(chǔ)的信息量，所得到的實(shí)體真實(shí)有效，并且能方便地修改它的形狀：缺點(diǎn)是可用于產(chǎn)生和修改實(shí)體的算法有限，構(gòu)成圖形的計(jì)算量很大，比較費(fèi)時(shí)。 （ 2） 該 法根據(jù)頂點(diǎn)、邊和面構(gòu)成的表面來(lái)精確地描述三維模型實(shí)體。優(yōu)點(diǎn)是能快速地繪制立體或線框模型；缺點(diǎn)是它的數(shù)據(jù)是以表格形式出現(xiàn)的，空間占用量大，修改設(shè)計(jì)不如 得到的實(shí)體不一定總是真實(shí)有效，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的孔洞和顛倒現(xiàn)象，描述缺乏唯一性。 （ 3） 對(duì)于自由曲面，難于用傳統(tǒng)的幾何基元來(lái)進(jìn)行描述，可用參數(shù)表達(dá)法。該方法借助參數(shù)化線條、貝塞爾曲線和 B 線條來(lái)描述自由曲面，它的每一個(gè) X、 Y、 Z 坐標(biāo)都呈參數(shù)化形式。各種參數(shù)表達(dá)格式的差別僅在于對(duì)曲線的控制水平，即局部修改曲線而不影響臨近部分的能力以及建立幾 何體模型的能 力 。 第 1 個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 E 采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)和加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。其主要特性如下： 全相關(guān)性： 有模塊都是全相關(guān)的。在 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處進(jìn)行修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)?；谔卣鞯膮?shù)化造型： 用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素，例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等，易于使用、裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都可以使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過(guò)這些特征設(shè)置參數(shù)，然后修改參數(shù)很容易進(jìn)行多次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)管理 模塊的開(kāi)發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了 特的全相關(guān)功能，因而使之成為可能。 裝配管理： 夠利用一些直觀的命令，很容易的把零件裝配起來(lái)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 基于軟件 液壓支架整機(jī)的三維實(shí)體建模一般采用自下向上的方法，即先依據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸建立各部件的三維模型，然后再按照它們彼此之間的裝配和約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝，最后形成一臺(tái)完整的機(jī)器。 很顯然，對(duì)液壓支架各部件的精確建模和正確定義各部件之間的裝配關(guān)系是完成液壓支架整體建模的關(guān)鍵。 壓支架的三維建模 基于軟件 E，對(duì)梁加寬式液壓支架進(jìn)行三維建模，其基本原則是由二維草圖，配合幾何約束和尺寸約束，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、挖孔等方式生成三維立體圖。幾何約束用來(lái)控制二維草圖上形體的相對(duì)位置，尺寸約束用來(lái)驅(qū)動(dòng)草圖對(duì)象的尺寸。本論文對(duì)液壓支架基本結(jié)構(gòu)暫以 梁及立柱 為例闡述利