畢業(yè)設計(論文)-支撐掩護式液壓支架設計(全套圖紙)

第1章緒論1.1液壓支架的作用和分類1.1.1液壓支架的用途液壓支架是綜采設備的重要組成部分。它能可靠而有效地支撐和控制工作面的頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石進入回采工作面和推進輸送機。它與采煤機配套使用，實現(xiàn)采煤綜合機械化，解決機械化采煤工作中頂板管理落后于采煤工作的矛盾，進一步改善和提高采煤和運輸設備的效能，減輕煤礦工人的勞動強度，最大限度保障煤礦工人的生命安全。液壓支架作為煤礦綜采機械化采煤設備（液壓支架、可彎曲輸送機和采煤機）的重要組成設備之一;在生產過程中，液壓支架的性能的好壞將直接影響煤礦生產的質量,特別是生產過程中對人員的安全保障問題是極為重要的。因此，性能優(yōu)良的液壓支架是技術上先進、經濟上合理、安全上可靠，是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備。1.1.2液壓支架的分類液壓支架的種類很多，分類的依據和方法各不相同。=1\*GB2⑴按支架與圍巖的相互作用關系分類按照液壓支架與圍巖的相互作用關系，目前使用的液壓支架可分為三類，即支撐式、掩護式和支撐掩護式三大類。=1\*GB3①支撐式液壓支架是一個在底座上放置幾根立柱支撐頂梁，通過頂梁支撐頂板的簡單結構基礎上發(fā)展起來的，它是世界上發(fā)展最早的液壓支架。典型的支撐式液壓支架，其頂梁較長，立柱較多，靠支撐作用維護一定的工作空間，而頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。架厚的擋矸簾只起著碎矸石從采空區(qū)涌入工作面的作用。這種類型的支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能，因此適用于頂板堅硬完整，基本頂周期壓力明顯或強烈，底板較堅硬的煤層。但由于立柱的垂直布置，所以支架承受水平力的能力差，在水平力的作用下，支架容易失去穩(wěn)定性。=2\*GB3②掩護式液壓支架掩護式液壓支架是利用立柱、頂梁與掩護梁支護頂板和防止巖石落入工作面。這類支架的頂梁較短，多數支架的立柱只有一排，一般僅有1～2根，多呈傾斜布置，與掩護梁連接或直接連接在頂梁上。立柱通過頂梁支撐頂板。掩護梁與冒落得巖石相接觸，阻止矸石涌入工作面并承受采空區(qū)矸石的載荷。這類支架的支撐力小，但掩護性能和穩(wěn)定性較好，調高范圍大，對破碎頂板的適應性較強，適應于支護部穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的松散破碎頂板。=3\*GB3③支撐掩護式支架支撐掩護式支架是支撐式支架和掩護式支架相結合的一種架型，以支撐為主，但同時又具有掩護作用。這種支架采用了支撐式支架雙排立柱支撐頂梁的結構形式，保證了支撐式支架支撐力大，切頂性能好，工作空間寬敞的優(yōu)點，采用了掩護式支架堅固的掩護梁以及側護板將工作面與采空區(qū)完全隔離開的結構形式，保留了掩護式支架防護性能好，結構穩(wěn)定的長處。因此，支撐掩護式支架適用于直接頂中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，基本頂周期來壓明顯或強烈瓦斯涌出量較大的煤層。=2\*GB2⑵按支架移動方式分類：整體自移式液壓支架，邁步移動式液壓支架。=3\*GB2⑶根據使用地點分類：液壓支架按使用地點的不同可分為工作面支架和端頭支架兩類。1.2液壓支架的構成及原理1.2.1液壓支架的組成液壓支架一般有結構件、執(zhí)行元件、控制元件和輔助裝置四大部分組成。=1\*GB2⑴承載結構件=1\*GB3①頂梁直接與頂板相接觸并承受頂板載荷的支架部分叫頂梁。支架通過頂梁實現(xiàn)支撐、管理頂板功能。頂梁一般由兩種結構形式：一種為整體頂梁，這種頂梁的梁體較長，結構簡單，能順利通過頂板局部冒落凹坑，但對頂板臺階的適應能力差；另一種為分段頂梁，即頂梁分為前梁和后梁兩部分，前梁又可分為伸縮式活動前梁、鉸接式活動前梁或兼而有之的活動前梁。由于分段頂梁鉸接處的縱向間隙和銷軸可以允許各段之間相互有稍許扭轉，因而比整體頂梁容易滿足港督要求。=2\*GB3②掩護梁阻擋采空區(qū)冒落的干濕竄入工作面并承受采空區(qū)冒落矸石的載荷和承受頂板通過頂梁傳遞的水平推力的部件叫掩護梁。掩護梁是掩護式和支撐掩護式支架的特征部件之一。掩護梁與前后連桿、底座共同組成四連桿機構，承受支架的水平分力。當底板不平時，掩護梁還將承受扭轉載荷。掩護梁一般做成箱式整體結構，也有做成左、右對分結構的。=3\*GB3③前后連桿前后連桿只有掩護式和支撐掩護式支架才安設。前后連桿與掩護梁、底座組成的四連桿機構，即可承受支架的水平分力，又可使掩護梁的鉸接點在支架的調高范圍內做近似的直線運動，使支架的梁端距基本保持不變，從而提高了支架控制的可靠性。前后連桿一般采用箱形分體式結構，即左、右各一件。后連桿常常用鋼板將兩個箱形結構連接在一起。=4\*GB3④底座直接與底板相接觸，承受立柱傳來的頂板壓力并將其傳遞至底板的部件叫底座。支架通過底座與推移裝置相連，以實現(xiàn)自身前移和推移輸送機前移。=5\*GB3⑤側護板目前生產的掩護式和支撐掩護式支架都具有較完善的側護裝置，不僅掩護梁兩側有側護板，而且主梁或整體頂梁從前排立柱到頂梁后端的兩側也有側護板。側護板的作用是：a.消除相鄰支架掩護梁和頂梁之間的架間間隙，防止冒落矸石進入支護空間；b.作為支架移架過程中的導向板；c.防止支架降落后傾倒；d.調整支架的間距。支架工作時一側的側護板是固定的，另一側為活動的。制造時，通常兩側側護板做成對稱的；安裝時，可按需要將一側側護板用螺栓或銷子固定在頂梁和掩護梁上。按側護板和掩護梁或頂梁上板面關系，側護板有上復式、埋伏式、抽出式和拆頁式等幾種結構型式。=2\*GB2⑵執(zhí)行元件執(zhí)行元件包括立柱和各種千斤頂。=1\*GB3①立柱支架上凡是支撐在頂梁（或掩護梁）和底座之間直接或間接承受頂板載荷、調節(jié)支護高度的液壓缸稱為立柱。立柱是液壓支架的主要動力元件，可分為單伸縮和雙伸縮兩種。單伸縮立柱調高范圍較小，但結構簡單、成本低；雙伸縮立柱則與之相反。有的立柱兩端還有機械加長段。立柱兩端一般采用球面結合形式與頂梁和底座鉸接。=2\*GB3②千斤頂液壓支架壓缸中除立柱以外均稱為千斤頂，依其功能分別為前梁千斤頂、推移千斤頂、側推千斤頂、平衡千斤頂、護幫千斤頂和復位千斤頂等。由于前梁千斤頂也承受由鉸接前梁傳遞的部分頂板載荷，所以結構與立柱基本相同，只是長度和行程較短，也有人稱它為短柱。平衡千斤頂是掩護式支架獨有的，其兩端分別與掩護梁和頂梁鉸接，主要用于改善頂梁的界定接頂狀況，改變頂梁的載荷分布。當支架設置防倒防滑裝置時，還設有各種防倒、防滑千斤頂和調架千斤頂。=3\*GB2⑶控制元件液壓支架的液壓系統(tǒng)中所使用的控制元件主要有兩大類：壓力控制閥和方向控制閥。壓力控制閥主要有安全閥；方向控制閥主要有液控單向閥、操縱閥等。=1\*GB3①安全閥安全閥是支架液壓控制系統(tǒng)中限定液體壓力的元件。它的作用是保證液壓支架具有可縮性和恒阻性。立柱和千斤頂用的安全閥，可按照立柱和千斤頂的額定工作阻力來調整開啟壓力。當立柱和千斤頂工作腔內的液體壓力在外載荷作用下超過額定工作阻力，即超過安全閥的調定壓力時，工作腔內的壓力液可通過安全閥釋放，達到卸壓目的。卸載以后，工作腔內的壓力低于調定壓力時，安全閥自動關閉。在此過程中，可使立柱和千斤頂保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤頂過載損壞。=2\*GB3②液控單向閥液控單向閥是液壓支架的重要元件之一。它的作用是閉鎖立柱或千斤頂的某一腔中的液體，使之承受外載產生的增加阻力，使立柱或千斤頂獲得額定工作阻力。液控單向閥往往和安全閥組合在一起，組成控制閥。=3\*GB3③操縱閥在支架液壓控制系統(tǒng)中用來使液壓缸換向，實現(xiàn)支架各個動作換向（分配）閥，習慣上稱為操縱閥。操縱閥有轉閥和滑閥二種類型。=4\*GB2⑷輔助裝置輔助裝置包括推移裝置、擋矸裝置、復位裝置、護幫裝置、防倒防滑裝置等。=1\*GB3①推移裝置退役裝置是實現(xiàn)支架自身前移和刮板輸送機前移的裝置，由連接頭、框架、推移千斤頂組成。推移千斤頂一端與支架底座相連，另一端通過框架、連接頭與刮板輸送機相連。=2\*GB3②擋矸裝置擋矸裝置由懸掛在頂梁后端的擋矸簾或擋矸板構成，其作用是防止矸石從采空區(qū)涌入工作面。=3\*GB3③復位裝置復位裝置是支撐式支架的特征裝置。這是由于支撐式支架的頂梁、前后立柱和底座恰好形成四桿雙曲柄機構，因而支架的結構是不穩(wěn)定的，在側向力的作用下，容易發(fā)生立柱傾斜現(xiàn)象。安設復位裝置的目的就是為了使支架立柱保持在垂直于頂板的正確位置，使支架的結構穩(wěn)定，具有抵抗頂板水平分力的能力。=4\*GB3④護幫裝置煤層較厚或煤質松軟時，工作面煤幫（壁）容易在礦山壓力下崩落，這種現(xiàn)象稱為片幫。工作面片幫使支架頂梁前端的頂板懸露面積增大，引起架前冒頂。我國規(guī)定，煤層采高超過2.5～2.8m，支架應設護幫裝置，其目的在于防止煤壁片幫或在片幫時互幫板起到遮蔽作用，避免砸傷工作人員或損壞設備。護幫裝置安設在支架頂梁前端，由護幫板和護幫千斤頂組成。=5\*GB3⑤防倒防滑裝置在煤層傾角較大（一般在15°以上）時，支架需加設防倒防滑裝置，以免支架降落或前移時傾倒或下滑。防滑裝置一般安設在兩相鄰支架的底座側面，防倒裝置一般安設在兩相鄰支架的頂梁側面。1.2.2液壓支架的工作原理圖1-1液壓支架工作原理1——輸送機；2——推移千斤頂；3——立柱；4——安全閥；5——液控單向閥；6——操縱閥液壓支架在工作過程中，必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的幾個液壓缸來完成。如圖1-1所示。=1\*GB2⑴升柱當需要架上升支護頂板時，高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升。使活塞桿相連接的頂梁緊緊接觸頂板。=2\*GB2⑵降柱當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。=3\*GB2⑶支架和輸送機前移支架和輸送機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液體進入千斤頂的活塞桿腔，另一腔回液，以輸送機的為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當需要推輸送機時，支架支撐頂板后，高壓液進入千斤頂的活塞腔，另一腔回液，以支架為支點，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。支架的支撐力與時間的曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-2所示。支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可以分為三個階段。支架升柱時，此階段為初撐階段t；此時支架的初撐力為：P=Dpn（KN）（1.1）式中D——支架立柱的缸徑，m；p——泵站的工作阻力，Mpa；n——支架立柱的數量。立柱收縮，此階段為恒阻階段t，此時支架的工作阻力為P=Dpn（KN），（1.2）式中p——支架安全閥的調定壓力，Mpa；其它符號意義同前。支架的工作阻力標志著支架的最大承載能力。1.3液壓支架設計的目的和要求1.3.1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要，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。而每個綜采工作面平均需要安200臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量是很大的。研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。圖1-2支架的工作特性曲線t——初撐階段；t——增阻階段；t——橫阻階段；P——初撐力；P——工作阻力1.3.2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100KN左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100KN～150KN，中煤層一般為150KN至250KN，厚煤層一般為300KN～400KN。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，能承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。第2章液壓支架的選型2.1液壓支架的設計依據液壓支架畢業(yè)設計的原始條件應從煤礦現(xiàn)場獲得或由指導教師給出。這些原始條件是液壓支架畢業(yè)設計的重要依據。它包括：頂壓、煤層高度（即厚度）、煤層傾斜度、頂板性質，底板強度及平整性、瓦斯含量、年產量等。1.頂壓：頂壓是設計支架承載能力的依據，承載能力安全系數一般取1.2。2.煤層高度：它與支架設計的最大支撐高度有關。若是中厚煤層（1.3～3．5m），或較薄的厚煤層（3.5～4.5），一次采全高；或較厚的厚煤層（4.5m以上），分層開采，設計支架的最大支撐高度應大于采高。若厚煤層采用放頂煤開采方式，則支架設計的最大支撐高度只許大于采高即可。3．煤層傾斜度：煤層傾斜角度過大時，支架應設置防滑防倒裝置。4．頂板性質：頂板的性質影響架型選擇。一般情況下，穩(wěn)定頂板選用支撐式支架；中等穩(wěn)定頂板選用支撐掩護式支架；不穩(wěn)定頂板選用掩護式支架。5．底板強度及平整性：它與移架的順利與否有關。因此涉及到支架底座的結構形式、底座作用于底板合力的位置（即與支架架型和支架整體結構布局有關）和推移千斤頂設置形式等。6．瓦斯含量：若瓦斯含量大，必須考慮支架的通風斷面也要大。7．年產量：年產量涉及到采煤機的開采能力和運輸機的運輸能力（即選擇適當型號的采煤機和運輸機），因此設計支架的幾何參數也應與之相應配套。2.2頂板的分類2.2.1基本概念液壓支架具有支護和控制采煤后暴露的頂板，形成一個工作空間，保證工人和采運設備進行安全工作。圍巖包括頂板和底板，它們分別位于煤層的正上方和下方。頂板包含偽頂、直接頂和老頂。2.2.2直接頂分類關于直接頂的分類，各個國家有其各自的方法。我國對直接頂的分類是依據直接頂的強度指數D來劃分的。強度指數D反映了直接頂強度的主要指標，即：D=10σ··或D1=10σ··（）（2.1）上述系數D、C1、C2的值可由表2-1查得。表2-1直接頂分類類類別指標ⅠⅡⅢⅣ不穩(wěn)定頂板中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅硬頂板主要指標強度指數D強度指數D1≤30≤331～703～770～1207～12＞120＞12無直接頂；層厚在2～5m以上；σD＞60～80MPa；節(jié)理裂隙間距和分層厚度大于1m的整體巖層參考指標直接頂初次垮落步距L1(m)≤89～1819～25＞25我國將直接頂板分為四類如下:1．不穩(wěn)定頂板:為破碎頂板,很容易冒落,隨支架前移而冒落,冒落后基本能充滿采空區(qū)。2．中等穩(wěn)定頂板:移架后隨之垮落,但因厚度不大且局部完整,冒落后不能充滿采空區(qū)。3．穩(wěn)定頂板：難以冒落。4．堅硬頂板：極難冒落。2.2.3老頂分級老頂來壓的強弱取決于冒落帶充滿采空區(qū)的系數N(冒落帶巖石對采空區(qū)充滿程度N，即直接頂厚度與采高之比)和老頂初次來壓步距L2的大小。N值用下式表示：N=（2.2）式中：h----直接頂的厚度（m）；H----采高（m）。根據N和L2值，將老頂分為四級，如表2-2所示。表2-2老頂分級級別ⅠⅡⅢⅣ周期來壓不明顯明顯強烈極強烈指標N＞3～50.3＜N≤3～5=25～30(m)0.3＜N≤3～5＞50(m)N≤0.3=25～50(m)N≤0.3＞50(m)當充滿采空區(qū)系數N越大，老頂初次來壓步距L2越小時，老頂周期來壓就越不明顯，作用于液壓支架上的載荷就小而且穩(wěn)定。反之，周期來壓就強烈，作用于支架上的載荷就大，并且有沖擊。2.3液壓支架的架型選擇從前面的受力分析得知，液壓支架的架形選擇，主要取決于頂板條件和地質條件，結合各類支架的不同性能和特點，選擇一種較為合理的架型。下面簡要介紹影響架型選擇的因素和如何有針對性地進行架型選擇。2.3.1已知設計條件1.支架參數支撐高度1.3/3.2(m)有效工作阻力和初撐力3600/2880(KN)2.頂板類型（1）直接頂類別Ⅰ類屬于不穩(wěn)定頂板（2）基本頂級別Ⅲ級老頂周期來壓強烈2.3.2支架架型選擇以及基本參數的確定A.液壓支架的架型選擇=1\*GB2⑴選型原則：支架選型應使支架支護強度與采面礦壓相適應，支架結構與煤層賦存條件相適應，支護斷面與通風相適應，液壓支架與采煤機、輸送機等設備相匹配。=2\*GB2⑵選型主要依據：所選采面的煤層狀況，頂底板及采區(qū)的地質條件，以及各不同的支架類型所具有的不同的性能和特點。=3\*GB2⑶影響架型選擇的因素a.頂板直接頂的類別與老頂的級別對支架選型起主導作用。在回采工作面頂板分類方案中給出了不同頂板條件下液壓支架架型選擇的建議，可以參照：表1-1。一般，頂板愈不穩(wěn)定，應選擇支撐合力愈靠近煤壁、頂板愈短、頂梁前端支撐力較高的支架型式。例如支撐掩護式或支撐式掩護支架等，一般采用即時支護方式。必要時應設置鉸接或可伸縮的前探梁等裝置，以保證較小的梁端距；架間有較完善的擋矸密封裝置。 相反，頂板愈穩(wěn)定，一般老頂來壓也明顯，則應選擇頂梁后端支撐力較高的架型。例如支撐掩護式或支撐式支架。必要時，可采用滯后支護方式和比較簡單的架間密封。對堅硬難冒頂板則應使掩護梁盡可能陡立，支架應有抗沖擊措施。b.底板=1\*GB2⑴底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架底座的結構和支撐面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓，其值要小于底板的允許比壓（對于砂巖底板，允許比壓為1.96～2.16MPa，軟底板為0.98MPa左右）。如果尖端比壓大于容許比壓，則需要改變支架結構參數或另選架型=2\*GB2⑵對于松軟底板，可以考慮如下建議：=1\*GB3①在配套設備許可情況下，采用插腿式掩護支架。=2\*GB3②一般不宜采用分體底座、靴式底座等。只有在采用底座抬起裝置和措施時，才可以考慮用分體底座。=3\*GB2⑶煤層厚度=1\*GB3①厚度超過2.5ｍ，頂板有側向推力或水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。=2\*GB3②厚度達到2.5m至2.8m以上時，需要選擇帶有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。=3\*GB3③煤層厚度變化大時，應選擇調高范圍較大的掩護式，帶有機械加長桿或雙伸縮立柱的支架。=4\*GB3④假頂分層開采，應選用掩護式支架。=4\*GB2⑷煤層傾角=1\*GB3①傾角在10度至15度（支撐式支架取下限，掩護式支架和支撐掩護式支架取上限）以上時選用帶有防滑裝置的支架。=2\*GB3②傾角在18度以上時，應選用同時帶防滑防倒裝置的支架。如表2-3所示，支架架型。=5\*GB2⑸底板強度=1\*GB3①驗算比壓，應使支架底座對底板的比壓不超過底板的允許比壓。=2\*GB3②為了移架容易，設計時要使支架底座前部比后部比壓小。=6\*GB2⑹瓦斯含量對瓦斯涌出量大的工作面，應符合保安規(guī)程的要求，并選用通風斷面較大的支撐式或支撐掩護式支架。表2-3支架架型選擇老頂級別ⅠⅡⅢⅣ直接頂類別12312312344支架架型掩護式掩護式支撐式掩護式掩護式支撐式支掩式支掩式支掩式支撐式支掩式支撐式支掩式支撐式（采高＜2.5m）支掩式（采高＞2.5m）支架支護強度(mpa)采高(m)1234300350（250）450（350）550（450）1.3×3001.3×350(250)1.3×450(350)1.3×550(450)1.6×0.301.6×0.351.6×0.451.6×0.55＞2.0×300＞2.0×350＞2.0×450＞2.0×550應結合深孔爆破軟化頂板等措施處理采空區(qū)。注:=1\*GB2⑴表中括號內的數字系掩護式支架頂梁上的支護強度。=2\*GB2⑵1.3、1.6、2為增壓系數。=3\*GB2⑶表中采高為最大采高。=7\*GB2⑺地質構造斷層十分發(fā)育，煤層厚度變化過大，頂板的允許暴露面積和時間在5—8平方米和20分鐘以下時，暫時不宜使用綜采。=8\*GB2⑻設計成本在同時允許選用幾種架型時應優(yōu)先選用價格便宜的支架。支撐式支架最便宜，其次是掩護式，最貴的是支撐掩護式支架。B.液壓支架架型的選擇液壓支架架型的選擇，主要取決于液壓支架的力學性能能否適應礦井的頂底板條件和地質條件。具體選擇可根據原煤炭部（81）煤科字第429號文件關于試用《緩傾斜煤層工作面頂板分類》和已知條件來選取架型按表2-3根據老頂級別和直接頂類別來確定支架架型，再根據老頂級別和采高確定支護強度。支護強度被定義為單位支護面積的支護阻力（或叫支架的工作阻力）。根據以上各參考條件以及已知的設計條件（頂底板地質條件）結合表2-3，選ZY型支撐掩護式支架，其支護強度為1.6×0.45Mpa。第3章支架性能分析及其主要工作參數的確定3.1支架支護性能分析液壓支架屬于空間桿系機構，在支架的工作過程中，各構件常受到偏心與復合載荷，其受力情況比較復雜。為簡化計算和安全可靠起見，通常把支架看成為平面桿系機構，以支架的最大工作阻力為依據，按最壞的工作情況下受垂直集中載荷的方式進行受力分析和計算，其合力的大小和作用點依據其具體結構和取隔離體的方法來確定。3.1.1影響支撐力的因素（1）當支架升降時，L、L1、α、θ、h、c、β都會發(fā)生變化，從而引起支架支撐效率的變化，必須合理設計支架的結構和參數，保證支架在升降高度的范圍內支撐效率的變化不能太大。（2）立柱的傾斜角α越大，可以增大其升降范圍提高了其對煤層厚度的適應性，但使其支撐效率降低了。為此一般限制支架在最高位時α為10o左右，在最低位時α應小于或等于20o。這樣不僅支撐效率波動小，同時使立柱盡量靠近頂梁與掩護梁的鉸接點，以縮短L1的距離，而增大支撐效率。（3）適當增大掩護梁的傾斜角β來減小W力也可提高支撐力。支架在最高位時，β=50o～60o，在最低位時，β不得小于10o。（4）四連桿機構的瞬心應盡量接近頂梁平面，有助于減少支撐力的波動，一般限制θ≤6o～9o。有條件，最好進行四連桿機構的優(yōu)化設計。3.1.2支架所受水平力支架上受的水平力有兩個方面：即由外載荷作用產生的水平力和支架本身結構造成的水平力。前者是必然的，后者在于架型結構。外載荷作用產生的水平力由頂板載荷和掩護梁載荷產生：頂板載荷的作用使頂梁向老塘側傾斜如圖3-7所示，這樣，頂板除給頂梁一個垂直分力Rcosα外，還給頂梁施加一個指向老塘的滑動力Rsinα，因頂梁傾角α很小，所以可近似地把該滑動力看成頂板給支架向后的水平力。另外，冒落的矸石作用在掩護梁上，也會對支架產生向前的水平推力，如圖3-7所示，其大小取決于外載荷的大小、作用方式、掩護梁的傾角β、矸石冒落的高度H等，其計算如下：β·sinβ（KN）（3.1）式中：----矸石以沖擊方式作用在掩護梁斜面而產生的水平力（KN）；K----矸石對掩護梁作用方式系數，一般K=0～1，大塊矸石作用時取最大值；W‘、t、H----冒落矸石的重量、沖擊作用時間、沖擊高度（T、S、m）；g----重力加速度g=9.8m/；β----掩護梁與頂梁水平面間的夾角（度）。圖3-7頂板和矸石分別對頂梁和掩護梁產生的水平力支架本身結構引起的水平力主要與立柱的布置方式和保護支架的穩(wěn)定機構有關。立柱布置方式引起的水平力的大小取決于立柱工作阻力、傾斜角度、立柱數量等。而保護支架穩(wěn)定機構引起的水平力與其不穩(wěn)定程度有關。3.1.3支架的側向力在斜煤層中，由于頂板層理發(fā)育，頂板離層或破碎等原因，頂板對支架有著側向推力的作用，如圖3-8所示，其大?。簣D3-8頂板受側向力圖3-8頂板對支架的側向推力圖3-8頂板對支架的側向推力γ（KN）（3.圖3-8頂板受側向力圖3-8頂板對支架的側向推力圖3-8頂板對支架的側向推力式中：R----支架對頂板的支撐阻力（KN）；γ----煤層傾角（度）有已知條件可取最大值15度。由此可以算出側向力為=1206(KN)由于立柱采用球面鉸接連接，故此側向力施到四連桿機構上，呈現(xiàn)出翻轉力矩為：γ（KN·m）（3.3）式中：H----支架的支撐高度（m）。3980（KN·m）因此，對于上述傾斜煤層中使用的支架必須設置防倒和防滑裝置。3.1.4支撐掩護式支架受力支撐掩護式支架結合了支撐式支架支撐力大和掩護式支架掩護性能好等優(yōu)點，因此對頂板的適應性能強，在國內外得到了廣泛的應用。同樣用前述取隔離的方法，對該類支架進行受力分析：3.1.4.1直接支撐的支撐掩護式支架其受力情況如圖3-9所示。通過取隔離體的方法計算出頂梁上載荷R的大小及其作用點的位置x分別為：（KN）（3.4）（m）（3.5）3.1.4.2混合支撐的支撐掩護式支架其受力分析如圖3-10所示。同樣用取隔離體的方法計算出頂梁上載荷R的大小及其作用點的位置x分別為：（KN）（3.6）（m）（3.7）支撐掩護式支架的適用性很廣，可用于頂板堅硬、壓力較大或破碎的各種煤層。但與支撐式和掩護式支架相比，造價較高。支撐掩護式支架受力分布情況如圖3-11所示。圖3-9直接支撐的支撐掩護式支架圖3-10混合支撐的支撐掩護式支架圖3-11支撐掩護式支架的受力分布圖由于直接支撐的支撐掩護支架的支撐效率比較高，而兩柱式支架的工作空間比較大，設計比較簡單，所以在此選用兩柱式的支架。3．2支架主要工作參數的確定液壓支架主要工作參數包括：支護強度q、工作阻力P、初撐力、支架高度H、伸縮系數K、梁端距c、梁端支撐力R1、移架力F1和推溜力F2等。3.2.1支護強度q支護強度表示支架單位支護面積上所承受的力。所設計支架支護強度的大小直接影響支架的重量、成本和其使用范圍。設計支架支護強度可以按照表2-6給出的推薦值或現(xiàn)場測量頂板壓力情況外，還可以通過計算來確定。其計算式如下：（）（3.8）式中：k1----作用于支架上頂板巖石厚度系數。H----采高（m）；γ----巖石容重，一般取2.3T/m2。我國取k1=5，西德取k1=5.2，日本取k1=5，英國取k1=5～7，蘇聯(lián)取k1=6～8，印度取k1=5，美國取k1=16，波蘭取k1=6；由上述可見，國內外對液壓支架支護強度都是按巖石自重法來確定其大小的。其特點是：都用采高的倍數和巖石容重的乘積來表示，區(qū)別在于因煤層條件不同而取不同的系數。因此，采高越大，支護強度也越大。由上章表2-1可以按國家標準選取支護強度為0.684—0.756Mpa,在此取q=0.7Mpa。3.2.2工作阻力P工作阻力是指支護強度q與支護面積F的乘積，即為支架對頂板的總支撐力，（支護面積F應按前邊圖2-7和式2-4計算）。它是支架的重要參數。支架的結構尺寸、強度和支撐能力都取決于工作阻力。為確保支架有效、安全地工作，必須使其工作阻力與頂板載荷相適應，即：P≤R（3.9）式中：P----支架具有的工作阻力（KN）；R----支架工作時需承受的頂板載荷（KN）。由上述可見，確定支架的工作阻力實際上是確定支架需要承受頂板的載荷。頂板載荷應根據礦山壓力的大小來決定。由于影響礦山壓力和其顯現(xiàn)規(guī)律的因素很多，如巖石性質、煤層厚度、煤層傾斜角、煤層硬度、工作面長度、控頂距、推進速度、落煤方式等，所以對頂板載荷至今仍無更科學的計算方法。目前多用現(xiàn)場分析和觀察，進行近似估算或折算。通常考慮到初撐效率時（由于頂梁和掩護梁鉸接，立柱有傾斜），已知有效工作阻力為3600KN，取支撐效率為0.8，可以算出總的工作阻力P=4500KN。3.2.3初撐力支架的初撐力是指在泵站的工作壓力下，支架對頂板最初的支撐能力。它也是支架的一個重要參數。初撐力的大小取決于泵站壓力，立柱數量和立柱的缸徑，其最大值由泵站溢流閥所限定，即：（KN/架）（3.10）式中：Pb----泵站的工作壓力（MPa）；其余符號同前。初撐力的選擇級為重要，它對直接頂的破壞作用和穩(wěn)定性、支架與圍巖之間的平衡狀態(tài)，以及支架本身的工作狀態(tài)都有決定性的影響。選擇較大的初撐力能使支架很快達到工作阻力，減少頂板下沉，防止頂板過早離層破碎。因此，在堅硬、中硬或破碎頂板中，應選用較高的初撐力。特別對于掩護式支架，高初撐力是其能否控制住破碎頂板的關鍵。而當頂板較軟時，初撐力必須控制在頂板極限強度語序的范圍內，否則，將引起頂板過早破壞。由于地質條件和開采技術的差別，目前各國選用的初撐力也不盡相同，我國早期由于液壓支架泵站壓力低，僅取（0.3～0.5）P，近幾年已達到0.8P以上；西德取（0.7～0.85）P；蘇聯(lián)取0.5P；日本取（0.7～0.8）P。在此取0.8P，所以2880（KN）。3.2.4支架高度H和伸縮系數K支架高度的正確選擇是支架能否正常工作關鍵。支架的高度主要由煤層的最大和最小采高決定，因此應根據采區(qū)范圍內地質條件變化情況和煤層等因素來確定。其最大與最小高度為：（mm）（3.11）（mm）（3.12）式中：Hmax、Hmin----支架的最大和最小結構高度（mm）；hmax、hmin----煤層的最大和最小厚度（mm）；s1----前排立柱處頂板的最小下沉量（mm）；s2----后排立柱處頂板的最小下沉量（mm）；a----移架時，支架的最小可伸縮量，一般取。支架伸縮系數是支架的最大結構高度與最小結構高度的比值（設計任務書上已經給出最大和最小結構高度），即：（3.13）式中：Hmax----支架最大結構高度，應比最大采高大200mm左右（考慮頂板下沉的影響）；Hmin----支架最小結構高度，應比最小采高小250～350mm左右（考慮浮煤的影響）對于薄煤層，頂板下沉和浮煤的影響較小，可使支架的最大、最小高度接近于煤層的最大、最小厚度。立柱的伸縮系數k反映了支架結構高度對煤層厚度變化的適應能力。如果k過大，在設計中難以實現(xiàn)。一般，對于單伸縮立柱的支架，k值不小于1.6；對于雙伸縮立柱的支架，k取1.9；四柱掩護式支架和支撐式支架，k取2.5；兩柱掩護式支架，k可達到3；薄煤層使用的支架，k值取大些。在此k取2.5。3.2.5梁端距梁端距即移架后梁端到煤壁的距離，通常指不考慮煤壁片幫、煤壁歪斜或移架不足等因素影響的理論值。生產實踐證明：決定支護效果的是頂梁前端到煤壁的距離，即梁端距越小，即使冒頂洞穴也不多。對于破碎頂板，梁端距不應超過100mm，但實際上很難實現(xiàn)。我國綜采實踐認為：梁端距的大小對支架前頂板的冒落情況有很大影響，尤其是破碎頂板，梁端距過大，會使頂板難以控制。但是，梁端距過小則易產生采煤機滾筒割頂梁事故。因為在輸送機向采空區(qū)方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或運輸機推移量不足時，采煤機的上滾筒和頂梁之間的距離就會減少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250～300mm，最大不超過400mm。由于已知條件已經給出頂板條件不穩(wěn)定，為破碎頂板，所以梁端距應該取為100mm。3.2.6移架力和推溜力移架阻力與支架v結構、重量、煤層厚度以及頂板、底板等條件有關，特別是后幾種條件的變化差別較大，很難計算，依據實踐經驗，通常在薄煤層中取100～150KN，在中厚煤層中取150～250KN，在厚煤層中取300～400KN。由已知條件知，煤層為中厚煤層，所以選擇移架力為250KN。推溜力應克服向煤壁推移運輸機的阻力，一般取推溜力為100KN左右。 當泵站壓力確定之后，設計移架和推溜所用上作用千斤頂的推力和拉力分別為：活塞腔：（KN）（3.14）活塞桿腔：（KN）（3.15）式中：Pb----泵站的工作壓力（MPa）；D1----千斤頂缸體內徑（mm）；D2----千斤頂活塞桿直徑（mm）。液壓支架整體結構尺寸設計4.1整體結構的確定4.1.1支架高度和支架伸縮比已知設計條件已給出支架的最大支撐高度和最小支撐高度分別為3.2，1.3。由上一章分析和計算知支架的伸縮比是最大與最小高度之比值即：m=H/H=3.2/1.3=2.46(4.1)由于液壓支架的使用壽命較長，并可能被安裝在不同采高的采煤工作面，所以，支架應具有較大的伸縮比。在采用雙伸縮立柱時，垛式支架的伸縮比為1.9；支撐掩護式支架為2.5；掩護式支架可達4。一般范圍是1.5至2.5，煤層較薄時選大值。但考慮盡量減輕支架的重量，降低造價，可搞系列化，加強支架對頂板的適應性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或帶機械加長桿來增加調高范圍。在此根據上述條件選擇為2.5。4.1.2所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離，按下式計算b=B+nc(4.2)式中b——支架間距（支架中心距），B——每架支架頂梁的總寬度，c——相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙，n——每架所包含的組架或框架數，整體自移式支架n=1；整體邁步式支架n=支架節(jié)數。支架間距b要根據支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據輸送機溜槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為1.5m，千斤頂連接塊位置在溜槽中長的中間,所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架中心距一般為1.5m4.1.3底座是將頂板壓力傳遞到底版和穩(wěn)固支架的部件。在設計支架的底座長度時，應考慮如下諸方面：支架對頂板的接觸比壓要?。恢Ъ軆炔繎凶銐虻目臻g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)定性等。通常支撐掩護式支架的底座長度取4倍的移架步距（一個移架步距為0.6m），即2.4m左右。取底座長度：2.4m。支架底座寬度一般為1.1～1.3m。取底座寬度：1.3m。4.2四連桿機構的作用及幾何特征4.2.1四連桿機構的作用四連桿機構是掩護式支架和支撐掩護式支架的重要部件之一。其作用概括起來主要有兩個，其一是當支架由高到低的變化時，借助四連桿機構使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。4.2.2四連桿機構的幾何特征=1\*GB2⑴支架高度在最大和最小范圍變化時，如圖4-1所示，頂梁前端點運動軌跡的最大寬度e應大于或等于70mm，最好為30mm以下。圖4-1四連桿的幾何特征圖=2\*GB2⑵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，應滿足如下要求：支架在最高位置時，P≤52°～62°，Q≤75°～85°；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，阻止矸石停留在掩護梁上，根據物理學摩擦理論可知，要求tgP>W，如果鋼和矸石的摩擦系數W=0.3，則P=16.7°而Q角主要考慮后連桿底部距底板要有一定的距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取Q≥25°～30°，在特殊情況下需要角度較小時，可提高后連桿下鉸點的高度。=3\*GB2⑶從圖4-1可知，掩護梁與頂梁鉸點和瞬時中心之間的連線與水平線的夾角為，θ設計時要使a角滿足tgθ≤0.35的范圍，其原因為θ角直接影響支架承受附加力的數值的大小。圖4-2四連桿的幾何特征=4\*GB2⑷應取頂梁前端點運動軌跡雙紐線向前凸的一段為支架的工作段。其原因是當頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使支架有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板阻止底座向后移，使整個支架產生順時針的轉動趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利于移架。水平力的合力也相應減小，所以減輕了掩護梁的外載荷。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運動軌跡時，應盡量是e值減小，取雙紐線向前凸的一段為支架的工作段。所以，當已知掩護梁和后連桿的長度后，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，運用作圖法就可以了，如圖4-2所示（實際上液壓支架四連桿機構屬雙搖桿機構）。圖4-3掩護梁和后連桿構成曲柄滑塊機構4.2.3掩護梁和四連桿長度的確定一、掩護梁和四連桿的性能要求由于掩護梁與底座間構成一個雙搖桿四桿機件。所以掩護梁的長度設計首先應滿足一定的運動條件，其次是要盡量獲得良好的受力狀態(tài)。它們可歸結為以下設計要求。（1）應滿足采高范圍要求；（2）支架升降過程中的梁端距的變動量<70～100mm；（3）掩護梁的速度瞬心與鉸點A的連線與水平線的夾角應小于，如圖4-9，最大不能超過，以限制支架支撐力的波動量小于%。（4）掩護梁總長不要大于兩搖桿在掩護梁上鉸接點距離的4倍，即。（5）掩護梁的傾角不宜太小，支架在最低位置時，應大于，一般取左右，以免被矸石壓死，難于移架；支架在最高位置時，可達～，以減少堆積在掩護梁上的矸石，提高支撐效率，減小移架阻力。（6）掩護梁與前搖桿的夾角，以免出現(xiàn)死角。（7）前、后搖桿都向采空區(qū)傾斜，前搖桿與水平面夾角的最大值〈，后搖桿與水平面夾角的最大值，一般取～，這樣支架整體受力比較合理，其結構尺寸也較緊湊。用解析法來確定掩護梁和后連桿的長度，如圖4－4所示。QGAHHQGAHH圖4－4掩護梁和后連桿計算圖可設：G――為掩護梁長度；A――為后連桿的長度；――為點引垂線到后連桿下鉸點之距；――為支架最高位置時的計算高度；――為支架最低位置時的計算高度；從幾何關系可以列出如下兩式：利用和估計G、A和，用如下解析法：（如圖4-6）(4.3)(4.4)聯(lián)立上述后兩式可得：(4.5) 說明：支架計算高度為支架高度減去掩護梁上鉸點之頂梁面之距和后連桿鉸點至底座底面之距。按四連桿機構和掩護梁的幾何特征要求，選定代入上式，分別取上述四者值經過調整，可求出兩者之間的比值為0.7。符合支撐掩護式支架的0.61～0.82支架在最高位置的計算高度為：=GsinP1+AsinQ1;(4.6)根據的值,由式（4-8）就可以求出掩護梁的長度G＝2127mm和后連桿長度A＝1419mm。二、四連桿機構的尺寸設計1.優(yōu)化設計法首先確定設計變量，如圖4—5，可取L1、L2(即A)、L3、L4、L5、L6和L(即G)七個參數為設計變量。再根據支架使用的實際情況，設定幾個評價支架優(yōu)劣的指標，并建立目標函數，目標函數的建立可考慮以下幾個方面：圖4-5四桿機構的機構圖（1）在支架的整個調高范圍內；梁端距變化最小。（2）在支架的整個調高范圍內，掩護梁受力最小，桿長較小，彎矩較小。（3）在確保安全的條件下，支架的重量最輕。（4）構件斷面的配置優(yōu)化，充分利用材料的彈性變形來控制構件的承載能力。根據鄭州煤機廠的設計經驗：對于四桿機構的優(yōu)化設計，一般取三個目標函數，七個設計變量，至多二十六個約束方程，就能基本滿足工程設計人員的要求。由于畢業(yè)設計的時間限制，可選定目標函數，七個設計尺寸也可先設定一、兩個或設定兩、三個尺寸的對應關系，約束方程也可適當少取，約束方程可利用幾何條件，以及前面提到的運動條件和受力條件寫出。優(yōu)化問題的解法可參考有關的工具書，也可利用手頭的程序來確定解法。在求解之前，可按經驗、類比和一些簡單的幾何條件，設定求解的初始值。初始值應為可行域中的一點。2.圖解法圖樣法直觀、簡單，但只要涉及試湊的問題往往都比較麻煩，因此常將它與解析法合用，再加一定的經驗和類比，問題的解總是可以找到的。作圖過程如下：（1）選頂梁與掩護梁的鉸接點擬作頂梁前端點，它的高度變化范圍就好似支架的調高范圍，它在調高范圍內的水平偏移量就是梁端距變化量。等到四連桿機構的尺寸確定之后，再考慮頂梁和立柱，于是支架的基本結構就定出來了。（2）根據支架的調高范圍，作m-m垂線，在m-m線上標出頂梁與掩護梁的鉸接點的最高位置A1和最低位置。并在m-m線上取Q點，使Q==3000mm，Q==2000mm，和為最大采高和最小采高。在Q點作m-m垂線x-x。DEQ圖4-6四連桿機構作圖DEQ圖4-6四連桿機構作圖圖4-10四連桿機構作圖（3）在和點作水平線和斜線，使斜線與水平線的交角為，，在斜線上取長L，得C1、C2點，它們是掩護梁與后搖桿的鉸接點。在x-x線上作QD==1000mm，D點是后搖桿與底座的鉸接點。連接CD就是后搖桿，現(xiàn)在再根據作圖情況驗算角和角，調整各值，直到基本滿意為止。（4）在AC線上找一點B，使AC，再利用以往的設計經驗，取=1328mm，=1419mm。B點是前搖桿與掩護梁的鉸接點，B點的運動軌跡應是一段圓弧，其曲率中心就是前搖桿固定鉸點E。（5）到此連桿機構的A、B、C、D、E等5個鉸點就初步定出，下面的工作就是進一步調整E，B倆點的位置，調整的目標是控制A點運動軌跡的水平偏移量〈70～100㎜，其方法是把后搖桿的擺角分成若干份，做出掩護梁上B點和A點的一系列相應位置，使B點的軌跡為一圓弧時，A點的雙紐線軌跡的水平偏移量〈70～100㎜。這個作圖過程要反復進行，調整好E和B點位置，其重點是E點位置，在E點位置調整時還要使〈～，。直到E、B點位置滿意為止。由作圖得出的值為，符合要求。（6）檢驗個極限位置時，有關角度值是否滿足要求。當四連桿機構設計的較好時，A點運動軌跡與m-m線的第三個交點A3，如圖4－6，A3點應略高于A1、的中點.支架實際的最大高度和最小高度是否滿足設計要求.為便于找到合適的E點位置,可大膽的抬高E點和D點的位置,這樣E點和D點都可在x—x線的上方去找,底座設計時加一個較高的支座即可。一般E點距地面高度可取到300～1200㎜，D點距地面高度可取到30～50㎜。4.3頂梁的確定4.3.表4-1配套設備制造廠家MLS--170采煤機雞西煤機公司SGD-740/180刮板輸送機西北煤機廠4.3支架工作方式對支架頂梁長度的影響很大，圖4-5支架工作方式比較從圖4-5可以看出，先移架后推溜方式（又稱及時支護方式）要求頂梁有較大的長度；先推溜后移架方式（又稱滯后支護方式）要求頂梁長度較短。這是因為采用先移架后推溜的工作方式時，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后，支架能及時前移，支控新暴露的頂板，做到及時支護。因此，先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為600mm。4.3.3設備配套尺寸與支架頂梁長度有直接的關系。為了防止當采煤機向支架內傾斜時，采煤機滾筒不截割頂板，同時考慮到采煤機截割時，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在設計時，要求頂梁前端距煤壁最小距離為400mm，這個距離叫空頂距。另外在輸送機采煤板前也留有一定距離。一般為145-150mm左右，也是為了防止采煤機截割煤壁不齊，給推移輸送機留有一定的距離。初此之外，所有配套設備包括采煤機和輸送機，均要在頂梁掩護之下工作，以此來計算頂梁長度。4.3.4頂梁長度計算支撐掩護式支架頂梁長度的計算頂梁長度＝【配套尺寸＋底座長度＋Acos(Q1)】－【Gcos(P1)+400+e】＋掩護梁于頂梁鉸點至頂梁后端點之距（mm）(4.7)式中：配套尺寸——參考原煤炭部煤炭研究院編制的綜采設備配套圖冊確定；底座長度——底座前端至后連桿鉸點之距；e——支架由高到低頂梁前端點最大變化距離；Q1、P1——如圖4-1所示，支架最高位置時，分別為后連桿和掩護梁水平面的夾角；代入數據就可以計算到頂梁的長度為：3.5m4.3.5頂梁寬度支架寬大，可以加快支架的移架的速度，提高支架的橫向的穩(wěn)定性，但是對頂板起伏的適應性差，且需增大立柱的工作阻力。我國規(guī)定支架的標準的中心距為1.5m；掩護式和支撐掩護式支架包括側板在內的頂梁寬度為1.4m到1.6m左右（1.44m為支架正常工作的寬度，1.6m為調架時側護板伸出后的最大寬度）。4.4立柱和千斤頂位置確定4.4.1立柱的布置=1\*GB2⑴立柱數目前國內支撐式支架立柱數為2～6根，通常為4根；掩護式支架為二柱；支撐掩護式支架為通常為四柱，但為了制造和設計方便，在達到受力要求的情況下可以選擇兩柱式的，現(xiàn)在一些企業(yè)已經在設計和使用了。=2\*GB2⑵支撐方式支撐式支架為垂直布置。掩護式支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調高范圍。一般立柱軸線與頂梁的垂線夾角小于40o（支架在最低工作位置時），由于角度較大，可使調高范圍增加。同時由于丁量較短，立柱傾角加大可以使頂梁柱窩位置前移，使頂梁前端支護能力增大。支撐掩護式支架，根據結構要求呈傾斜或直立布置，一般立柱的軸線與頂梁的垂線夾角小于10o（支架在最高工作位置時），由于夾角較小，有效支撐能力較大。4.4.2立柱柱窩位置的確定（1）立柱上柱窩位置的確定液壓支架立柱上柱窩的確定原則，從理論上分析，要使頂梁支撐力分布與頂板載荷分布一致，但頂梁載荷復雜，分布規(guī)律同支架頂梁與頂板的接觸情況而異。為簡化計算，假定頂梁與頂板均勻接觸，載荷沿頂梁長度方向按線形規(guī)律變化，沿支架寬度方向均布。把支架的空間桿系結構，簡化為平面桿系結構。同時偏于安全，可以認為頂梁前端載荷為零，載荷沿長度方向向后越來越大呈三角形分布，并按集中載荷計算。所以支架支撐力分布也為三角形，以此計算立柱上柱窩的位置，認為支架頂梁承受集中載荷F1在頂梁1/4處，取頂梁為分離體，受力情況如圖4-6所示。對A點取矩：(4.8)圖4-6頂梁受力分析式中x——立柱上柱窩至頂梁和掩護梁鉸點之距（m）F——支架支護阻力（KN）L——頂梁長度（不包括頂梁與掩護梁鉸點至頂梁后端之距）（m）P——立柱工作阻力之和（KN）h——頂梁和掩護梁鉸點至頂梁頂面之距（m）h——立柱上柱窩中心至頂梁頂面之距(m)——立柱在最高位置的傾角（度）設計尺寸如下：F=4600KN,L=4000mm,P=4500KN,h=170mm,h=180mm,=10°代入計算得x=0.769m,取整為x=0.77。因為又已知條件知道，頂板為破碎頂板，可以按上述原則進行確定，支架能充分發(fā)揮初撐力和工作阻力，能有效控制頂板。（2）立柱下柱窩位置的確定立柱下柱窩位置的確定，要有利于移架，使底座前端比壓小，同時考慮柱前行人和支架的調高范圍以及下柱窩與前連桿下鉸點的距離，一般按支架在最低工作位置時，立柱最大傾角應小于40度來計算，具體計算如圖4-7所示。圖4-7下柱窩位置計算圖按幾何關系列出的下述諸公式進行計算。++Acosa1=x’+Gcos（4.9）=tg（4.10）將式（4-11）帶入（4-10）式，可得：（4.11）式中=1424mm。—支架最低位置時，后連桿與水平面夾角，由上述作圖知為62.7度；—支架最低位置時，立柱傾角，其值為30度；—支架最低位置時，掩護梁與水平面夾角其值為25.6度。將上述數據帶入可得=948mm。4.4.3=1\*GB2⑴平衡千斤頂位置確定應按下述方法確定：為了保證支架工作的可靠性，支架的支撐力分布（包括立柱的支撐力和平衡千斤頂的推力或拉力等），必須適應頂板載荷分布。當立柱的上、下柱窩位置確定后，就可以根據頂板載荷分布來確定平衡千斤頂的位置?，F(xiàn)按兩種情況進行分析。當頂梁前端出現(xiàn)空頂時，頂梁后端的載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受拉，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端0.27倍頂梁長度處來計算。當頂梁后端出現(xiàn)空頂時，頂梁前端的載荷加大，頂板載荷合力作用點位置前移，此時平衡千斤頂受推，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端0.45倍頂梁長度處來計算。=2\*GB2⑵平衡千斤頂在頂梁上位置的確定取頂梁為分離體如圖4-8所示圖4-8頂梁分離體受力圖取(4.12)式中——平衡千斤頂的推拉力（推力為“+”、拉力取“-”）W——頂板與頂梁之間的摩擦系數，計算時取0.3——支架在最高位置時立柱的傾角——支架在最高位置時平衡千斤頂的傾角為使平衡千斤頂與掩護梁不發(fā)生干涉，保證支架在不同高度時平衡千斤頂與掩護梁平行，可以取支架在最高位置時頂梁上平面和掩護梁的夾角為=50度。h——平衡千斤頂活塞桿鉸點至頂梁頂面之距，當支架降到頂梁和掩護梁成180°時，為使平衡千斤頂不與掩護梁發(fā)生干涉，所以可以按下式進行計算：(4.13)式中B——掩護梁厚度（m）D——平衡千斤頂外徑——平衡千斤頂外徑與掩護梁間之間隙，一般取0.04～0.05mL——立柱柱窩中心至平衡千斤頂上鉸點之距（m）L——平衡千斤頂上鉸點至頂梁和掩護梁鉸點之距X——支護阻力合力作用點的位置。平衡千斤頂在拉力時，取X=0.27L；平衡千斤頂在推力時，取X=0.45L。式中L為頂梁的長度。已知h=450mmL=2127mm=10°=50°P=+612KN或P=-540KN代入數值計算得：L=0.418m和L=0.542m取平均值得L=440mm.4.4.4側推千斤頂位置的確定側推千斤頂伸出時，使活動側護板外移，可密閉架間間隙，起到防矸、導向、防倒和調架等作用；側推千斤頂縮回時，使活動側護板回縮，可減少移架阻力。=1\*GB2⑴側推千斤頂控制方式=1\*GB3①無鎖緊回路且不操作時，側推千斤頂處于浮動狀態(tài)，靠彈簧筒的彈簧力控制活動側護板與鄰架的間隙。為防止頂板巖石從架間冒落，移架時摩擦阻力小。ZY型掩護式支架每個彈簧筒的彈簧力為17.2KN，這種結構的缺點在于防矸、防倒效果與彈簧式差不多。=2\*GB3②有鎖緊回路時，用液控單向閥鎖緊。優(yōu)點為防矸、防倒效果好。缺點在于移架時要操縱千斤頂，使移架操作復雜化，而且架間易掉矸。=2\*GB2⑵側推千斤頂的布置由于頂梁在頂板載荷作用下，要求側推千斤頂的推拉力要大，才能靈活操作頂梁側護板。因此在頂梁上一般布置兩個側推千斤頂，兩個彈簧筒。在掩護梁上一般僅在中間有一個側推千斤頂，兩端各對稱布置一個彈簧筒。由于在頂梁和掩護梁上焊有橫筋板，則側推千斤頂安裝位置要與橫筋板相適應。一般為對稱布置，這樣可以使側護板受力平衡。4.5通風斷面的驗算采煤工作面的過風量有一定要求。在風量一定時，采煤工作面的通風面積不應過小。但在工作面中安裝液壓支架后，通風面積明顯減小。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，工作面的風速應小于5m/s。采煤工作面風速計算按下式進行。V=m/s(4.14)式中V——工作面風速（m/s）A——支架在采煤工作面的通風斷面積（m）Q采——采煤工作面所需風量（m/min）Q采=m/min(4.15)K——通風不均勻系數，一般取K=1.5C——保安規(guī)程允許的沼氣含量，一般取C=1%Q沼=T——日產量（T）q——一分鐘生產一噸煤沼氣涌出量，一般取q=14（m/min）已知：A=4.9mT=670t/h則有：Q沼===6.51（m/min）(4.16)Q采===976.5（m/min）(4.17)V===4.17(m/s)(4.18)V<5m/s,合乎保安規(guī)程規(guī)定。液壓支架部件設計5.1頂梁掩護式支架頂梁結構型式如圖5-1所示。圖5-1a為平衡式頂梁。頂梁1較短，與其下部的掩護梁5鉸接。因為它能在頂板凹凸變化時自取平衡，所以叫平衡頂梁。頂梁鉸接點前、后段的比例近似為2：1。這種頂梁后部和掩護梁形成區(qū)，易被冒落矸石堵住，影響支護效果，為此，在頂梁后部加設擋矸板。圖5-1b為潛入式頂梁，頂梁后端為扇形結構，掩護梁可潛入扇形結構內，消除了三角區(qū)。圖5-1c為鉸接式頂梁，頂梁1為整體結構，頂梁后端直接與掩護梁5鉸接，取消了三角區(qū)，立柱直接支撐在頂梁上。用平衡千斤頂8調節(jié)頂梁與頂板的接觸面積。QY型掩護式支架就采用這種結構，所以該支架使用此種頂梁。圖5-1d為帶前梁的鉸接式頂梁，由前梁千斤頂7調節(jié)前梁角度，可提高前梁前端的支撐能力，改善前梁前端的支控效果。圖5-1e為帶伸縮前梁的鉸接式頂梁，可及時支護頂板，減少頂板的暴露時間。鉸接式頂梁加伸縮和擺動前梁，為圖5-1d和e兩種型式結合型，由前梁千斤頂調節(jié)前梁角度，并在前梁內加伸縮前探梁。圖5-1掩護式支架頂梁結構型式5.2掩護梁和四連桿結構5.2.1掩護梁掩護梁的結構為鋼板焊接的箱式結構，在掩護梁上端與頂梁鉸接，下部焊有與前、后連桿的耳座。有的支架在掩護梁上焊有立柱柱窩?；顒觽茸o板裝在掩護梁的兩側。掩護式、支撐掩護式支架掩護梁主要功能有：=1\*GB3①將頂梁承受的部分頂板壓力通過連桿或鉸點傳遞給底座；=2\*GB3②用以隔離采空區(qū)、阻止其冒落矸石涌入工作面；掩護梁上的活動側護板，進一步完善了這種功能；=3\*GB3③承受采空區(qū)冒落矸石的壓力，并將它傳遞至頂梁、連桿和底座。從側面看掩護梁，其形狀有直線型、折線型兩種。整體式直線型圖5-2整體直線型特點與適用條件：=1\*GB3①整體性好、強度大，加工簡單，工藝性好=2\*GB3②從側面看、掩護梁上輪廓線形狀為直線形。當支架歪斜時，架間密封性比折線形掩護梁好=3\*GB3③用于支撐掩護式支架時，立柱不支撐在掩護梁上，因而這種掩護梁的受力和結構比較簡單整體折線形圖5-3整體折線型特點與適用條件：=1\*GB3①當支架歪斜時，折線形掩護梁的架間密封性差。折線形掩護梁加工工藝性差。=2\*GB3②用于早期的支掩式掩護梁支架以及其他某些支架，目前應用較少。ZY型液壓支架選擇整體式直線型掩護梁。5.2.2四連桿機構四連桿機構有兩種結構型式。整體式:圖5-4整體式圖5-4為前、后連桿整體式結構型式。圖5-5為前連桿是單桿、后連桿是整體的結構型式。前連桿后連桿圖5-5前后連桿結構分體式:圖5-6分體式特點與適用條件：=1\*GB3①由在支架寬度方向上兩個（個別分為四個）獨立的，尺寸與形狀相同或對稱的桿件組成=2\*GB3②大多為鋼板焊成的箱形結構件、也可用厚鋼板制成實體件或者采用鑄鋼件=3\*GB3③尺寸小、加工運輸簡單、穩(wěn)定性好，因此是目前我國掩護式與支撐掩護式支架前、后連桿所采用的主要型式,QY型掩護式支架選擇此種結構形式。=4\*GB3④對于高度較大支架，可在后連桿后部焊有擋矸板由上述分析以及相同類別的支架的類比，所設計的支架選擇為圖5-5所示前連桿是單桿、后連桿是整體的結構型式。5.3底座底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。因此，底座除了滿足一定的剛度和強度要求外，還要對底板起伏不平的適應性要強，對底板接觸比壓要小，要有足夠的空間能安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置，要便于人員操作與行走；能起一定的擋矸和排矸作用；要有一定的重量，以保證支架的穩(wěn)定性等。底座的結構型式如圖5-7所示，通常有三種類型。=1\*GB2⑴整體式整體式底座是用鋼板焊接成的箱式結構，整體性強，穩(wěn)定性好，強度高，不易變形，與底板接觸面積大，比壓小。圖5-7a所示的底座用于支撐式支架，箱體高度大，便于安裝復位裝置。圖5-7b所示的底座高度低，占用空間小，一般用于掩護式或支撐掩護式支架。所以選用此種底座。=2\*GB2⑵對分式。如圖5-7c、d、e所示。=3\*GB2⑶底靴式如圖5-7f所示。由已經計算的數據和支架的整體性能考慮，選擇圖5-7b所示的整體式液壓支架。圖5-7底座的結構型式5.4立柱和千斤頂5.4立柱是支架的承壓構件，它長期處于高壓受力狀態(tài)，它除應具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，還必須有足夠的抗壓、抗彎強度，良好的密封性能，結構要簡單，并能適應支架的工作要求。立柱的結構型式如圖5-8所示。圖5-8立柱的結構型式=1\*GB2⑴單伸縮雙作用立柱（如圖5－8a）只有一級行程，伸縮比一般為1.6左右。這類立柱結構簡單、調整高度方面，缺點是跳高范圍小。=2\*GB2⑵單伸縮機械加長段立柱（如圖5－8b）總行程為液壓行程l與機械行程l之和。這類立柱的調高范圍較大，可在較大范圍內適應煤層厚度的變化。但機械行程只能在地面根據煤層的最大厚度調定。這種立柱造價比雙伸縮立柱低，應用廣泛。所以選用此種立柱。為需要增加支架最大高度時，可以先拆下四根立柱中對角線上的兩根立柱上機械加長桿的卡環(huán)，操作支架升柱，支架頂梁升起，帶動機械加長桿從立柱中拔出，當達到所調高度時，再把這兩根機械加長桿的卡環(huán)固定。把支架降至原來高度，拆下另兩根機械加長桿的卡環(huán)，用同樣的方法使這兩根機械加長桿達到與前兩根相同的高度為止。=3\*GB2⑶雙伸縮雙作用立柱（如圖5－8c）兩級行程都有液壓力操縱，總行程為l+l，可在較大范圍內適應煤層厚度的變化，而且可在井下隨時調節(jié)，其伸縮比克達3。但這類立柱造價高、結構復雜。根據立柱的伸縮系數k=2.5，它反映了支架結構高度對煤層厚度變化的適應能力。如果k過大，在設計中難以實現(xiàn)。一般，對于單伸縮立柱的支架，k值不小于1.6；對于雙伸縮立柱的支架，k取1.9；四柱掩護式支架和支撐式支架，k取2.5；對于伸縮系數大于1.6的應用雙伸縮立柱。在此選用雙伸縮的兩柱式支架。5.4（1）工作負載的計算立柱和前梁千斤頂的工作負載按工作阻力計算，由頂梁的受力分析獲得，計算時要接它們的最大安裝傾角考慮。推移千斤頂的工作負載，要考慮到溜槽、支架的自重，煤層的最大傾角（支架能工作的煤層最大傾角），頂、底板摩擦力和是否帶移架來計算。其余千斤頂的工作負載，可按支架結構的受力分析值計算。（2）活塞桿直徑d對于液壓支架的液壓缸，一般取桿徑d為：d=0.707D(mm)（5.1）式中：D——缸徑內徑（mm）。（3）缸筒內徑D對立柱和前梁千斤頂的缸筒內徑，一般可按下式計算：(mm)（5.2）式中：R——每個液壓缸所承受的最大載荷荷值，這個值可由頂梁的受力分析得到（kN）；p