2494 低位放頂煤液壓支架的設計

2494 低位放頂煤液壓支架的設計,低位,放頂煤,液壓,支架,設計 河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 1 -1 緒論1.1 放頂煤支架架型的發(fā)展與演變放頂煤支架是隨著放頂煤開采方法應用而生的，綜合機械化開采應用到放頂煤開采工作面后，使放頂煤開采技術(shù)進入了一個新的發(fā)展階段。由于工作面由液壓支架實現(xiàn)可靠、快速的支護，采用采煤機或刨煤機采煤，放頂煤作業(yè)在安全可靠的工作條件下進行，從而使工作面產(chǎn)量有明顯提高。近年來，綜采放頂煤技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展和廣泛的普及，綜采放頂煤正成為一種高產(chǎn)高效的采煤方法。1957 年，前蘇聯(lián)研制出 KTY 型單輸送機掩護式放頂煤液壓支架，并在庫茲巴斯煤田的托姆烏辛斯克礦使用，開采該礦的 2 號和 4～5 號煤層。煤厚為 9～12m，煤層傾角 5°～18° ，該放頂煤工作面為預先開采頂層煤鋪設人工假頂，然后再采底煤。1963 年，法國研制出用于放頂煤開采的支撐掩護式放頂煤液壓支架，并且于 1964 年在布朗齊礦區(qū)試驗成功。該支架為四柱式，尾梁呈“香蕉”型，其擺動角度由千斤頂控制，配有兩臺輸送機，第二臺輸送機安置于尾梁后部的底板上。放落的煤由第二臺輸送機運輸，結(jié)構(gòu)如圖 1.1。圖 1.1“香蕉”型放頂煤液壓支架自 70 年代開始，法國、前西德、英國等國家陸續(xù)成功研制成功了河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 2 -“開天窗”的支撐掩護式或帶插板的支撐式放頂煤液壓支架。英國研制的“開天窗”式放頂煤液壓支架在掩護梁上開了放頂煤“天窗” ，由液壓千斤頂控制開關(guān)， “天窗” 附近設有攪動桿，以便于冒落頂煤，掩護梁上還有鉆眼孔，供煤硬不落時打眼放炮。第二臺輸送機安置在支架后部底座上，結(jié)構(gòu)如圖 1.2。圖 1.2“開天窗”式放頂煤液壓支架法國針對“香蕉”尾梁式放頂煤液壓支架存在的問題，先后研制成功 MB17×28S、FB21×30S 型放頂煤液壓支架。 MB17×28S 放頂煤液壓支架為四柱掩護式，掩護梁通過液壓千斤頂控制進行伸縮，便于頂煤冒落裝煤。第二臺輸送機放置在底板上，結(jié)構(gòu)如圖 1.3 。FB21×30S 型放頂煤液壓支架為四柱支撐掩護式，掩護梁上設有落煤窗口，由液壓千斤頂控制其開關(guān)，落煤窗口內(nèi)裝有一個用于控制的攪動桿，有助于破碎大塊煤，并有助于頂煤冒落操作。掩護梁上還有圓孔，用以通過此孔將管子伸向采空區(qū)，以便輸送氮或泡沫。掩護梁無四連桿機構(gòu)，而直接與支架底座的尾端相鉸接。在頂梁、掩護梁的側(cè)護板及落煤口處裝有若干噴嘴，以便噴水除塵。第二臺輸送機放置在支架后部底座上，結(jié)構(gòu)如圖 1.4。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 3 -圖 1.3 MB17×28S 放頂煤液壓支架圖 1.4 FB21×30S 型放頂煤液壓支架MB17×28S 和 FB21×30S 型放頂煤液壓支架分別代表了插板式和“開天窗”式放頂煤液壓支架的結(jié)構(gòu)特點。這兩類支架都配有雙輸送機運煤，滾筒采煤機采煤，然后由掩護梁上的窗口或插板放出頂煤。這兩類支架的主要區(qū)別是：插板式放頂煤液壓支架重量較輕，后部空間大，易于排放大塊煤，而且輸送機置于煤層底板上，便于維修。 “天窗”式放頂煤液壓支架重量較大，支架整體穩(wěn)定性好，放頂煤輸送機置于支架底座之上，便于推移和放頂煤。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 4 -80 年代初期，匈牙利研制成功單輸送機前開“天窗”式放頂煤掩護式支架，其結(jié)構(gòu)如圖 1.5。機采煤炭與放落煤炭均采用單輸送機運輸，在實際應用中取得了良好效果。圖 1.5 匈牙利 VHP-732 型“天窗”式放頂煤液壓支架1982 年，煤炭科學研究總院北京開采研究所與沈陽煤炭研究所共同設計，鄭州煤礦機械廠制造的 FY400-14/28 型放頂煤液壓支架是我國首次研制成的放頂煤液壓支架。1984 年在沈陽礦務局蒲河礦投入試驗，開始取得了較好的效果，后來因支架的穩(wěn)定性差，工作面發(fā)火中止了試驗。雖然沒有取得預期的效果，但人們看到了這種新型支架的前景，從此拉開了設計、研制放頂煤液壓支架的序幕。經(jīng)過我國煤炭科技工作者的努力，研制成功了數(shù)十種放頂煤液壓支架。兗州礦務局東灘煤礦使用國產(chǎn)放頂煤液壓支架創(chuàng)造了年產(chǎn) 410 萬 t 的高產(chǎn)高效記錄，這標志著我國放頂煤液壓支架的設計、制造走在了世界前列。我國放頂煤液壓支架發(fā)展從低位放頂煤液壓支架的研制開始，經(jīng)歷了高位、中位，現(xiàn)在又回到低位。最初的放頂煤支架采用的是低位放煤，代表架型是 FY400-14/28 型放頂煤液壓支架，結(jié)構(gòu)如圖 1.6。1987 年平頂山礦務局引進了匈牙利 VHP-732 型放頂煤支架，該支架在緩傾斜工作面河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 5 -試驗，最高月產(chǎn)達 5.5 萬 t，獲得了成功。隨即我國研制成了高位放頂煤液壓支架，結(jié)構(gòu)如圖 1.7。由于其放煤口高、放煤口小、存在頂煤損失大、放煤與采煤機割煤不能平行作業(yè)、效率低等缺點，已基本淘汰。圖 1.6 FY400-14/28 型放頂煤液壓支架圖 1.7 高位放頂煤液壓支架河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 6 -80 年代末 90 年代初，我國研制出中位放頂煤液壓支架，結(jié)構(gòu)如圖1.8。這種支架比單輸送機高位放頂煤液壓支架有所改進，有兩部輸送機，放煤與割煤可以平行作業(yè)，提高了效率，放煤口比高位放頂煤支架有所降低。隨著放頂煤實踐的深入，中位放頂煤支架也暴露出一些突出缺點，主要是放煤口仍然較小，受結(jié)構(gòu)限制，放煤口不能連續(xù)，有背脊損失，采出率低，后部空間狹小，維修和清理浮煤不方便，底座前端比壓大等。針對中位放頂煤液壓支架存在的問題，我國又研制出低位放頂煤液壓支架，其結(jié)構(gòu)如圖 1.9。早期的低位放頂煤液壓支架是由鋪網(wǎng)液壓支架演變而來，其基本結(jié)構(gòu)和鋪網(wǎng)支架類似，只是尾梁上加上了插板，用于放煤，低位放頂煤液壓支架是目前使用效果較好的架型。北京開采所在研究各種支架特點和使用經(jīng)驗基礎上研制出一種反向四連桿低位放頂煤液壓支架，其結(jié)構(gòu)更加合理，用途更加廣泛。圖 1.8 中位放頂煤液壓支架河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 7 -圖 1.9 低位小插板放頂煤液壓支架1.2 放頂煤液壓支架的特點及適應性分析1.2.1 放頂煤液壓支架的分類按與液壓支架配套的輸送機的臺數(shù)，放頂煤液壓支架可分類如下：插底式單輸送機 不插底式放頂煤液壓支架單鉸接式 開天窗式 雙輸送機 四連桿式前四連桿式插板式 后四連桿式河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 8 -按放煤口位置，放頂煤液壓支架可分類如下：高位（單輸送機開天窗式） 放頂煤液壓支架 中位（雙輸送機開天窗式）低位（雙輸送機插板式）本文重點介紹低位放頂煤液壓支架的特點及適應性。1.2.2 放頂煤液壓支架的安全性及適應性要求采用放頂煤綜采的 4 個重要條件是：地質(zhì)條件適應性，液壓支架選型的正確性，采放工藝的合理性和工作面管理的嚴格性。其中前兩個條件是基礎，后者是保證。顯而易見，要采用放頂煤綜采，其中重要的一項工作是正確選擇放頂煤液壓支架的架型。現(xiàn)階段我國已在急傾斜特厚煤層、緩傾斜中硬厚煤層（f≤3.5） 、 “三軟”厚煤層、傾斜厚煤層（傾角20°≤α≤35°）有了一些放頂煤綜采成功的實例，對于合理選擇放頂煤液壓支架提供了寶貴經(jīng)驗。1. 對緩傾斜中硬煤層放頂煤液壓支架安全性和適應性的要求緩傾斜條件下的放頂煤工作面約占綜放工作面總數(shù)的 70％以上，而且地質(zhì)條件差別大，所以架型選擇余地大。選型時一般根據(jù)以下原則：（1）必須保證放煤效果。能否把煤放下、放好，是緩傾斜中硬厚煤層開采最突出的問題，也是放頂煤液壓支架選型的關(guān)鍵。保證放煤效果，首先是選擇放煤的形式，低位放頂煤支架的放煤口是連續(xù)的，而且放煤口面積大，有利于大塊煤放出，無脊背損失，適用于緩傾斜綜放工作面。（2）保證放落煤的運輸空間。雙輸送機放頂煤液壓支架要有足夠的后部運輸空間，這對緩傾斜中硬煤層長壁放頂煤尤為重要。放煤過程中難免出現(xiàn)大塊煤和矸石，如果處理的不好，可能堵塞運輸通道，損壞設備。同時，空間太小，也影響設備維修，人員通行和安全。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 9 -2．對傾斜厚煤層放頂煤液壓支架安全性和適應性的要求（1）傾斜厚煤層放頂煤液壓支架的技術(shù)關(guān)鍵在于提高其穩(wěn)定和抗扭性能，提高掩護梁的抗扭能力，保證在大傾角下支架能正常工作。（2）支架各部的密閉性要好，尤其是頂梁端部，防止漏煤、冒頂，切實保證頂梁的接頂性，避免倒架。（3）加大支架初撐力，有利于防止頂煤和上覆巖層過早離層，從而防止頂煤垮落切頂線前移，提高支架的支護性能。（4）提高支架防倒、防滑性能。3．對“三軟”厚煤層放頂煤液壓支架安全性和適應性的要求（1）在緩傾斜“三軟”條件下，因為頂梁上方是已破碎的頂煤，斷裂線前傾已深入到煤壁上方，頂梁太短，冒空區(qū)可能達到煤壁附近的上方。因此，高位放頂煤支架不適于“三軟”煤層的放頂煤開采，低位放頂煤支架式較理想的架型。（2）為了防止架前冒頂，要求頂梁（或前梁）端部承載能力大，并且要把支架控頂?shù)娜L范圍最大限度的嚴密封閉起來，有效控制漏頂。除了頂梁外，應注意掩護梁和尾梁的密封性能。（3）在保證對底板合理比壓的前提下，適當加大初撐力，有利于端面頂煤的維護。4．對急傾斜特厚煤層放頂煤液壓支架安全性和適應性的要求急傾斜特厚煤層放頂煤綜采工藝，是指煤層傾角大于 45°、煤層厚度大于 20m 的條件下，把煤層沿水平分成 6～12m 的分段，使用以液壓支架為主體的綜采設備開采的放頂煤采煤法。由于急傾斜特厚煤層礦壓小、工作面短，因此，選擇的支架應具有工作阻力小、體積小、重量輕、推進速度快等優(yōu)點。低位放頂煤液壓支架比較適合急傾斜特厚煤層綜放工作面。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 10 -1.2.3 低位放頂煤液壓支架的特點及適應性分析1.低位放頂煤液壓支架的特點低位放頂煤支架是一種雙輸送機運煤，在掩護梁后部鉸接一個帶有插板的尾梁、低位放煤的支撐掩護式支架。這類支架有一個可以上下擺動的尾梁（擺動幅度在 45°左右）用以松動頂煤，并維持一個落煤空間。尾梁中間有一個液壓控制的放煤插板，用以放煤和破碎大塊頂煤，具有連續(xù)的放煤口。其主要特點如下：(1)由于具有連續(xù)的放煤口，放煤效果好，沒有脊背煤損失，回收率高；(2)和其他支架相比，從煤壁到放煤口的距離最長，經(jīng)過頂梁的反復支撐和在掩護梁上方的垮落，使頂煤破碎較為充分，對放煤極為有利；(3)后輸送機沿底板布置，浮煤容易排出，移架輕快，同時尾梁插板可以切斷大塊煤，使放煤口不易堵塞；(4)低位放煤使煤塵減少；(5)前四連桿低位放頂煤液壓支架的抗扭及抗偏載能力差，支架的穩(wěn)定性較差；(6)尾梁擺動力和向上的擺角較小，破煤和松動頂煤的能力差。這類支架的原始形式是前四連桿式，在礦壓較小的急斜水平分段開采時比較適應，為使這種支架在緩斜長壁工作面發(fā)揮其優(yōu)勢，幾年來作了如下的探索：(1)把四連桿的上連接位置由頂梁上改在掩護梁上，使支架底部和上部的連接位置更接近扭轉(zhuǎn)力矩的作用點，增加了支架強度，減少了支架河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 11 -的損壞，形成了目前在緩斜工作面大量使用的后四連桿式低位放頂煤液壓支架；(2)大幅度加強前四連桿本身以及它與頂梁、底座的聯(lián)接強度，這種作法增加了支架的重量，有的重達 20t 以上，但設計時容易實現(xiàn)加大后部運輸空間和增加破煤能力；(3)增大后部空間和尾梁向上擺動的力，使其在較硬煤層中使用時也可讓頂煤順利放落和運出，如 ZFPS5200/17/32 型支架尾梁端部向上擺動力可達到 500kN，使用效果良好；(4)后四連桿前連桿設計為 Y 型，后連桿設計為 I 型，增大了支架的前、后人行道的寬度并加大了后部的人員工作與維護空間；(5)把后輸送機千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接，改善了運輸狀況。在后輸送機與千斤頂之間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機與千斤頂活塞桿彎曲并防止輸送機和支架下滑。前四連桿式支架和后四連桿式支架相比，前四連桿式支架穩(wěn)定性及抗扭性較差，但其后部空間較大，且重量也輕。2.低位放頂煤液壓支架的適應性前四連桿式支架在急斜水平分段放頂煤綜采中取得成功，如對四連桿及有關(guān)聯(lián)接件再進一步增加強度，成為定型設備，可以不考慮在急斜條件下使用后四連桿式支架。緩斜中硬難放煤層在選型時考慮到低位放頂煤液壓支架的強度低，又無成功的實例，往往選用中位放頂煤液壓支架，但受到放煤口的限制，實際上也未能很好解決其放煤問題。仔細研究各類放煤支架，就會發(fā)現(xiàn)，只有前四連桿式支架具備大幅度擺動掩護梁破煤的條件。有的低位放頂煤液壓支架采取強化四連桿及聯(lián)接銷軸，把擺動掩護梁的千斤頂一端布河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 12 -置在底座上，而不是布置在頂梁上，盡管這種架型尚無滿意的效果，但這種探索無疑是很有意義的。后四連桿式支架在煤層硬度系數(shù) f＝2 左右，層節(jié)理比較發(fā)育的緩斜厚煤層中使用取得很大成功，如在潞安礦務局五陽煤礦、王莊煤礦和兗州礦務局興隆莊煤礦、鮑店煤礦。這種架型與設計先進的過渡支架配合使用，創(chuàng)出了新水平，被廣泛推廣使用。如石炭井礦務局烏蘭礦將這種支架與過渡支架、端頭支架配套使用，在傾角為 24°的工作面上取得了成功。由此表明了后四連桿式放頂煤液壓支架在緩斜中硬煤層和傾斜厚煤層中均有良好的適應性和使用前景。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 13 -二、液壓支架的結(jié)構(gòu)設計2.1 液壓支架的選型2.1.1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選根據(jù)以往液壓支架設計的經(jīng)驗總結(jié)，考慮到不同架型　和機構(gòu)的支架――圍巖力學相互作用、支撐力矩、底板比壓等特點，可以對掩護式與支撐掩護式結(jié)構(gòu)進行比較。（1）液壓支架的力學特征綜述（見表 2-1）表 2－1 不同結(jié)構(gòu)液壓支架的力學特征比較支架型式 結(jié)構(gòu)特征 主要力學特性支掩式二支柱掩護式 支架承載力較小，底板比壓均勻，主動水平力較大掩護式支頂式二柱支頂掩護式支架承載力大，穩(wěn)定性好，底座尖端比壓較大，對頂板的主動水平力較大，前端支撐力大支頂支掩 四柱（或三柱） 穩(wěn)定性好，抗水平力強，比壓均勻，但支柱能力利用率低支撐掩護式支頂式 四柱 X 型 頂梁合力調(diào)節(jié)范圍大，伸縮比大，承載力高河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 14 -四柱支撐掩護式 承載力大，切頂能力強，比壓較均勻（2）支架選型要素及簡要評價液壓支架結(jié)構(gòu)選型必須考慮的要素及對各類型支架的評價（見表2－2） 。表 2－2 支架類型評價（見下頁）支架類型 支撐式要素 插底掩護式一般掩護式支撐掩護式 垛式 節(jié)式直接頂冒落傾向 優(yōu) 良 良 差 差基本頂周期來壓 差 良 優(yōu) 優(yōu) 良底板壓入傾向 良 差 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu)防煤壁片幫 優(yōu) 良 優(yōu) 差 差通風斷面 差 良 良 差 差頂梁前端支撐力 優(yōu) 良 良 差 差頂梁后段切頂性 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu)對頂板遮蓋率 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差隔絕采空區(qū)能力 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差橫向穩(wěn)定性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差對采高適應性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差支撐效率 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu)支架圍巖適應性支護強度 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu)河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 15 -對傾角適應性 良 優(yōu) 良 良 差2.1.2 液壓支架的架形選擇原則在選擇液壓支架時既要保證對工作面頂板實現(xiàn)可靠的支撐，又要避免過大的設備投資，導致不必要的浪費。因此，液壓支架的正確選型對于工作面經(jīng)濟效益關(guān)系重大。液壓支架架形的選擇，主要取決于液壓支架的力學性能是否適用礦井的頂?shù)装鍡l件和其它地質(zhì)條件。在同時允許選用幾種架形時，應優(yōu)先選用價格便宜的支架，支承式支架最便宜，其次為掩護式。支承式支架適合于穩(wěn)定頂板。掩護式支架適合于中等穩(wěn)定和一般破碎的頂板。支承掩護式支架適合于周期來壓強烈，中等穩(wěn)定和穩(wěn)定頂板。在綜采工作面支架選型時，還應注意下述四點原則：(1) 對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，應優(yōu)先選用二柱掩護式支架。但在底板極松軟條件下，必須嚴格驗算并限制支架底座尖端比壓，不得超過底板容許比壓即極限載荷強度。在此條件下，通常應避免使用重型支架。(2) 對于非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來壓強烈和十分強烈的頂板，應優(yōu)先考慮選取四柱支撐掩護式支架。(3) 眾所周知，三點決定一個平面，由于頂板不平，四柱式支架中總有一根支柱對頂板的實際支撐力很低，因而二柱式掩護支架支撐能力利用率高于四柱式。即二柱式支架對頂板的實際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架，特別是對機道上方頂板的支護強度。（4）在不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架應注意對機道上方的頂板控制，包括增加前任阻力及可伸縮前梁等。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 16 -2.1.3　影響架形選擇的因素液壓支架的選型受到礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設備條件的限制，因此，以上因素都會影響到支架的選型。液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。一般情況下可根據(jù)頂板的級別，由表 3-1-5 見《綜采技術(shù)手冊》 （上冊）中直接選出架型。（1）煤層厚度① 當煤層厚度超過 1.5m，頂板有側(cè)向推力和水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一般不用支承式支架。② 當煤層厚度達到 2.5m～2.8m 以上時，需選擇帶有護幫裝置的掩護式或支承掩護式支架。③ 煤層厚度變化大時，應選擇調(diào)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 假頂分層開采，應選用掩護式支架。（2）煤層傾角① 煤層傾角25°時，排頭支架設防倒滑裝置，工作面中部支架設底調(diào)千斤頂，工作面中部輸送機設置防倒滑裝置。（3）底板強度① 驗算比壓，應使支架底座對底板的比壓不超過底板允許比壓。② 為使移架容易，設計時要使支架底座前部比后部的比壓小。(4) 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，并選用通風端面較大的支承式或支承掩護式支架。(5) 煤層硬度河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 17 -當煤層為軟煤層時，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤層時，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤層時，支架最大采高50N 0.3Lp=25～50N?0.3Lp>50比值 N 應根據(jù)采煤工作面所在位置的地質(zhì)柱狀圖中的 M 和 h 來計算。老頂初次來壓步距 Lp 可根據(jù)現(xiàn)場實測或礦壓顯現(xiàn)特征確定。（2）直接頂類別按表 2－4 來確定Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ指標類別 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(shù)D13 3.1~7 7.1~12 >12 無直接頂,巖層厚度在 2-5 米以上,河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 19 -參考指標直接頂初次垮落步距 l（m）?8 9-18 19-25 >25 ?>60~802.支架架型和支護強度的確定按表 2-5 根據(jù)老頂級別和直接頂類別來確定支架架型,再根據(jù)老頂級別和采高確定支架強度。支護強度被定義為單位支護面積的支護阻力。老頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ直接頂級別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4液壓支架架型 掩護掩護支撐掩護掩護和支撐支撐支掩支掩掩護和支撐掩護和支撐支撐或支掩液壓支架支護強度kN/m2采高 1m采高 2m采高 3m采高 4m294343（245）441（343）539（441）1.3×2941.3×343(245)1.3×441(343)1.3×539(441)1.6×2941.6×3431.6×4411.6×539>2×294>2×343>2×441>2×539應結(jié)合深孔爆破,軟化頂板等措施處理采空區(qū)河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 20 -2.3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設計2.3.1 液壓支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和形式的確定1. 支架高度的確定一般應首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度。對于大采高支架，按下式確定支架高度，即H ＝M 十(200～400)mmmaxH =M -(500～400)mminH ———支架最大高度(mm)；aH ———支架最小高度(mm)；iM ———最大采高(mm)；maxM ———最小采高(mm)inM ＝K Ma1SCM =K Mi2式中 M ——— 煤層平均厚度；CK 、K ———煤層厚度上、下波動系數(shù)，一般取 K ＝1．1～1．3，K1S2 S＝0．8～0．90。對于中厚煤層支架，按下式確定支架高度，即：H ＝M ＋(200～300)maxH ＝M －(300～400)ini對于薄煤層支架，則按下式確定支架高度，即河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 21 -H ＝M ＋(100～200)maxH ＝M －(150～250)ini支架的最大高度與最小高度之差為支架的調(diào)高范圍。調(diào)高范圍越大，支架適用范圍越廣調(diào)高范圍給支架結(jié)構(gòu)設計造成困難，可靠性降低。支架最大高度和最小高度取值應符合表 2－3 支架高度系列單位（ｍ）表 2－6 支撐掩護式液壓支架高度系列表HmaxHminH axHmin1.0 0.5 3.1 1.61.1 0.55 3.2 1.71.2 0.6 3.3 1.81.3 0.65 3.5 1.91.4 0.7 3.8 2.01.5 0.75 4.0 2.11.6 0.8 4.2 2.21.7 0.9 4.5 2.31.8 1.0 4.7 2.42.0 1.1 5.0 2.52.2 1.2 5.3 2.62.5 1.3 5.5 2.72.8 1.4 6.0 2.83.0 1.5綜合以上分析我們在設計過程中取H ＝2800mm ，H =1400mm。maxin2.支架伸縮比河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 22 -支架的伸縮比指其最大與最小高度之比 M= H / H =2maxin(2) 中心距和寬度的確定支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。目前國內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用 1．5m。大采高支架為促高穩(wěn)定性中心距可采用1．75m，輕型支架為適應中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用 1.25ｍ。支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應考慮支架的運輸安裝和調(diào)高要求。支架頂梁一般裝有活動側(cè)護板一般形成170～200mm。當支架中心距為 1.5ｍ時，最小寬度一般 1400～1430mm，最大寬度一般 1570～1600mm。當支架中心距為 1.75ｍ時，最小寬度一般1650～1680mm，最大寬度一般 1850～1880mm。當支架中心距為 1.25ｍ時，如果帶有活動側(cè)護板，最小寬度一般 1150～1180mm，最大寬度一般1320～1350mm；如果不帶活動側(cè)護板，則寬度一般取 1150～1200mm。綜合以上分析我們在設計過程中取中心距 1.5m 寬度取 1.43m3. 支架間距所謂支架間距，就是相鄰兩架中心間的距離，按如下公式計算：b = B + nC式中 b:支架間距B:每架支架頂梁總寬度C:向鄰支架頂梁間的間隙n:每架所包含的組架或框架數(shù)，總體自移式支架 n＝1，整體逐步式支架 n＝2，節(jié)式組合邁步支架 n＝支架節(jié)數(shù)。支架間距 b 主要根據(jù)支架形式，但目前主要根據(jù)刮板運輸機油槽節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接的位置來確定，目前我國刮板運輸機油槽每節(jié)長度為 1.5m,千斤頂連接位置在刮板槽中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 23 -1.5m，此處恰取 1500mm。4、底座長度底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(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：支架對底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)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)定性等。通常，掩護式支架的底座長度取 3．5 佰的移架步距(一個移架步距為 o．6m)，即 2．1m 左右；支撐掩護式支架的底座長度取 4 倍的移架步距，即 2．4m 左右。5. 頂梁尺寸① 頂梁長度頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深(滾筒寬度)、刮板輸送機尺寸、配套關(guān)系及立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護方式等因素的制約。減小頂梁長度，有利于減小擰頂面積，增大支護強度。減少頂板反復支護次數(shù)，保持支架結(jié)構(gòu)緊湊，減輕重量。掩護式支架，由于一般用于破碎頂板，應將頂板長加以控制，使空頂區(qū)范圍內(nèi)的重復支承次數(shù)不超過 4～5 次，頂梁長度為 1.5～2.5m,最大 3m?？捎霉饺缦?頂梁長度＝[配套尺寸＋底座尺寸＋A·cos ]-[G·cos +300+e]1θ 1P式中： 配套尺寸＝600＋392＋730＋350＝2072mmA:完全伸出的擺桿千斤頂長度（mm）G:頂梁與掩護梁鉸接處到掩護梁與擺桿千斤頂鉸接處的距離（mm）e:支架由高到低頂梁前端最大位移量（mm）河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 24 -、 ：支架在最高位置時，分別為后連桿與水平面及掩護梁與水平面1θ P的夾角 ＝71°， ＝35°θ 1按條件取底座長度大約為 2.4m頂梁長度 L=2072mm+2400mm+1968.3mm×cos71°－[1091mm×+300mm+30mm] =3889.1mm取整得 L＝3890mm② 頂梁寬度頂梁寬度根據(jù)支架間距和架形來定，架間間隙為 0.2m 左右。其中寬面頂梁一般為 1.4～1.59m,節(jié)式支架一般為 0.4～0.6m,此處取 1430mm。③ 頂板覆蓋率 ζζ= ×100﹪()Blcj?式中B:頂梁的寬度(㎡)l:支架頂梁長度 (m)ｊ:支架間距 (m)對破碎機頂板：覆蓋率 s 值應達到 85﹪～95﹪，故掩護式支架裝可移動側(cè)護板，以維護架間的間隙，中等穩(wěn)定頂板覆蓋率 ζ 值為75﹪～85﹪，穩(wěn)定側(cè)護板覆蓋率為 60﹪～70﹪。支架控頂距 L 為支架頂梁長度加頂梁前端與煤壁間距。次處 ζ=(3890 ×1430)/[(3890+300)×(1430+200)]=81﹪6. 立柱布置① 立柱數(shù)河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 25 -此支撐掩護式支架為四柱② 支承方式此處掩護式支架采用傾斜布置，這樣可以克服一部分水平力，并能提高范圍。一般立柱與頂梁夾角小于 30°，前排立柱與豎直平面的夾角小于 ，后排立柱與垂直平面的夾角小于 。7? 3??③ 立柱間距立柱間距的選擇原則為有利于工作部件合理布置的情況下，采用較小的柱間距，立柱間距小，可減小控頂距，但工人行走不便。其余主要尺寸見下圖所示：圖　2－2　　支架主要尺寸2.3.2 液壓支架的總體布置（1） 支架整體機構(gòu)尺寸的確定① 按照以前的支架設計經(jīng)驗,確定支架底座長度 l=2400mm。a1a2河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 26 -② 按確定四連桿機構(gòu)尺寸的方法,確定四連桿及掩護梁。③ 根據(jù)工作方式及設備配套尺寸確定頂梁長度 l=5209mm。④ 確定立柱布置確定立柱布置可以用類比法,其確定原則考慮支架的穩(wěn)定性及支架的合力作用位置綜合進行考慮,我們知道,作用位置超前易產(chǎn)生啃底現(xiàn)象 ,所以一般盡量使合力位置向后移。支架頂梁只支承兩柱時,上柱窩位置在頂梁后部,一般頂梁前端與后端之比為 2.2～2.4:1 此處取 2.3:1,而下柱窩的位置根據(jù)立柱的角度來定。一般掩護式支架的立柱與底座垂線的夾角為 q,小于 30°。(2) 側(cè)護板尺寸的確定① 頂梁側(cè)護板側(cè)向?qū)挾?按支升降高度和移架步距來定。即考慮到一架升起,另一架降柱時,要保證兩側(cè)護板不離開,同時考慮到支架降柱后要前移,為防止頂梁后部側(cè)護板離開,所以頂梁側(cè)護板要加寬,加寬的寬度為頂梁后部起大于一個步距,即大于 600㎜。② 掩護梁側(cè)護板的側(cè)向?qū)挾?主要考慮移架步距,一般比一個步距大100mm,即側(cè)護板寬度大于 700mm,當一架固定另一架前移時,兩架支架之間能封閉.同時又考慮到降架前移時,原不動支架的掩護梁的側(cè)護板不至于離開,所以掩護梁側(cè)護板下部要加寬。③ 頂梁與掩護梁側(cè)護板的上部寬度,與活動側(cè)護板行程有關(guān).④ 頂梁和掩護梁的連接部位及側(cè)護板在次的連接部位,在考慮動作可靠的情況下,盡量減小間隙,加強密封性。2.3.3　支架的主要結(jié)構(gòu)(1) 前梁前梁為一鋼板焊接件，它可以向上擺動 15°，向下擺動 15°，從而改善了前梁與頂板的接觸狀況。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 27 -采高大于 2.5m 的支架，為了防止煤壁片幫和房子煤壁向人行道一側(cè)片落，保護人的安全，一般要采用護幫裝置。本支架采用四連桿回轉(zhuǎn)式護幫裝置，該裝置由長桿、短桿、護幫板和前梁組成四連桿機構(gòu)，能使護幫板回轉(zhuǎn) 180°，支護頂板時的支撐力能達到 10～20kN 。其缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜。(2) 主頂梁頂梁用于支撐維護控頂區(qū)的頂板，承受頂板壓力，將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經(jīng)底座傳到底板。圖　2-3　　頂梁筋板焊接方式這里采用前后鉸接式頂梁。整個頂梁分前梁和主頂梁兩部分。前梁由前梁千斤頂支撐，對頂板的適應性較好。鉸接前梁端部的支撐力決定于前梁千斤頂?shù)闹瘟?。一般梁的支撐力，未伸出前?100~160kN。主頂梁為焊接箱式結(jié)構(gòu)。中間以兩根主骨架為主體，在主骨中焊接四個柱窩。在頂梁兩側(cè)裝有側(cè)護板，根據(jù)工作面方向不同可使一側(cè)固定，另一側(cè)活動。要使側(cè)護板固定，只要把彈簧套筒收回，用銷子銷在銷孔中。為了防止銷子脫出，用擋板固定。如果銷不住，側(cè)護板就在彈簧作用下伸出。頂板采用的鋼板厚度為 30mm，筋板厚度為 30mm。(3) 掩護梁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。還承受對支架水平作用力及偏載扭矩。掩護梁和頂梁（包括活動河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 28 -側(cè)護板）一起，構(gòu)成了支架完善的支撐和掩護體，完善了支架的掩護和擋矸性能。掩護梁為款面板式箱形結(jié)構(gòu)件。焊接方式與頂梁相似，掩護梁上鉸接座與頂梁鉸接，下端通過前、后連桿與底座鉸接。掩護梁上的側(cè)護板的裝配方式與頂梁相同。(4) 底座底座為支架的其它結(jié)構(gòu)件和工作機構(gòu)提供安設的基礎，與前、后連桿和掩護梁一起組成四連桿機構(gòu)，將立柱和前、后連桿傳遞的頂板壓力傳給底板。本底座是由鋼板焊接成的箱形整體結(jié)構(gòu)。在底座前端中間焊接有過橋它可以起到對底座的加強作用，另外還要用于固定推移千斤頂，將其一端固定在底座上。除了滿足一定的剛度和強度外，對底板不平的適應性要強，對底板的接觸比壓要??；有足夠的空間安裝立柱液壓控制裝置，推移裝置和其它輔助裝置；便于人員操作行走，起一定的擋煤作用，考慮排煤能力，有一定的重量，以保證支架的穩(wěn)定性能等。采用整體式底座：這種底座是用鋼板焊接成的箱式結(jié)構(gòu)，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，底座的前端做成滑靴形，以減小支架的移動阻力，同時底座后部重量大于前部避免移架時底座啃底，底座與立柱之間連接處用鑄剛球面柱窩接觸，以免因立柱偏斜受偏載，并用限位板和銷柱限位，防止立柱脫出柱窩。在整體式底座后部中間底板去掉一塊，增加底座后部比壓，同時有利排煤。(5) 立柱該立柱為一單伸縮雙作用油缸，為了適應頂?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。為了補充立柱液壓行程的不足，加設有機械加長段。在煤層厚度變河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 29 -化不大的工作面，可在安裝時一次將加長桿調(diào)節(jié)到所需要的高度，在回采工作中可不再調(diào)節(jié)加長桿的長度。加長桿的調(diào)節(jié)長度為 900mm，分 3擋，每擋 300mm。加長桿的拉出辦法：① 根據(jù)采高的要求首先確定加長桿所需伸出的長度，然后把操縱閥打到升柱位置，伸出長度稍大于所需長度；② 用單體支柱或圓木撐住頂梁；③ 拆卸開口銷、銷軸、擋套和卡環(huán)；④ 把操縱閥打到降柱的位置，使立柱下降，加長桿即可伸出，直到所需要的高度；⑤ 裝上卡環(huán)、擋套和銷軸及開口銷?？s短加長桿的方法：① 決定了縮短加長桿的數(shù)值以后，調(diào)節(jié)活柱高度，使加長桿的銷軸中心高于導向套頂端的距離；② 用單體支柱或圓木撐住梁頂；③ 拆除開口銷、銷軸、擋套和卡環(huán)、④ 伸出活柱，使加長桿縮進活柱套管，直到所需的高度；⑤ 裝上卡環(huán)、擋套、銷軸和開口銷。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 30 -圖　2－4 帶機械加長的雙作用單伸縮立柱1－機械加長段；2－卡環(huán)；3－擋套；4－開口銷；5－活柱；6－ 缸體； 7－活塞；圖　2－5(a) 立柱的缸口結(jié)構(gòu)1－橡膠防塵圈；2－導向環(huán)；3－擋圈；4－蕾型圈；5、6－O 型圈和擋圈；7－方形鋼絲河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 31 -圖　　2－5（b）　　立柱活塞部分結(jié)構(gòu)1－活柱；2－限位套；3－活塞頭；4－導向環(huán)；5－鼓形密封圈；6－內(nèi)卡鍵；7－外卡鍵；8－卡箍；(6)千斤頂在 ZFS4000/14/28 型液壓支架上有推移千斤頂、護幫千斤頂、側(cè)推千斤頂、前梁千斤頂?shù)?。都是采用外供液固定活塞式千斤頂。圖　2－6　　推移千斤頂結(jié)構(gòu)圖1－活塞桿；2－防塵圈；3－鋼絲擋體；4－蕾型圈；5、6－O 型圈、擋圈；7－管接頭；8－活塞頭；9－O 型圈； 10－蕾型密封圈；11－擋圈；12－壓緊帽；13－缸河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 32 -體2.3.4 主要參數(shù)的確定1．支護面積：支架得支護面積按如下進行計算Fc = B(L + m)Fc： 支護面積（㎡）L： 頂梁長度（m）m: 移架后頂梁前端至煤壁的距離，一般 m=284mm則 Fc＝1430×（3890＋300）＝5991700mm 2＝ 5.99㎡2．支護強度支護強度是指支架對單位面積頂板提供的工作阻力，按下式計算：q= ()SPnmKL?式中 P——立柱總工作阻力(N)；K ——支護效率；SL ——支架中心距(mm)；PL ——梁端距(mm)；nL ——頂梁長度(mm)。mK 按下式計算：SK =QPQ——支架對頂板的垂直作用合力Fc＝5.99㎡P=4000KNK =1.1SL =1500 mmPL =300 mmnL =3890 mmm計算得 q＝0.68MP a河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 33 -支撐式支架 K ＝1；支撐掩護式支架一般為 K ＝0.8～1.1；支頂掩護式S S支架一般為 K ＝0.7～0.98；支掩掩護式支架一般 K ＝0.5～0.8；3. 底板平均接觸比壓平均比壓按下式計算= (MPa)0PdBL式中 ：平均比壓 （MPa）P：支架工作阻力 （N）:底座長度 （m）dL：底座當量寬度（m）B4. 確定立柱和千斤頂?shù)囊?guī)格1> 立柱缸體內(nèi)徑按下式進行= （cm）EDbR4PK3.1 式中 ：立柱缸體內(nèi)徑 （cm）P: 立柱的工作阻力 （kN）：泵站工作壓力 （MPa）pRK ：一般在 0.52～0.78 之間，對于不穩(wěn)定頂板向上取限，穩(wěn)定頂板向下取b限。這里取 K 為 0.65。b根據(jù) 1984 年我國正式發(fā)布的《礦用液壓立柱、千斤頂、柱徑系列》MT94－84 煤礦工業(yè)部標準。鑒于所計算數(shù)據(jù)取 D =200 mm2查表得柱徑為 d＝φ185mmP=4000KN=2.4dL=1.5B求得 ＝ 1.24MPa0PP=4000KN=32MPapRK =0.65b求得 ＝180 mmED取 ＝220 mm0河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 34 -初撐力 ＝ （kN）1cxF4π 23D10ap?－式中 ：缸體內(nèi)徑 （m）E：單位換算值30－工作阻力 P＝ （kN）4π 2310anp?－式中 為安全閥的調(diào)定壓力，也是缸體內(nèi)的壓力。anp因為 p=4000kN選用安全閥開啟壓力為 =31.8MPaanp2> 千斤頂?shù)挠嬎愫土⒅嗤?。千斤頂?shù)耐屏屠τ嬎愎潭ɑ钊角Ы镯數(shù)耐屏Π聪率接嬎悖?kN)23410tRFDp?π＝固定活塞式千斤頂?shù)睦Π聪率接嬎悖海╧N）231 R4dp10π＝ （ － ）式中 D：千斤頂缸體內(nèi)徑 （m）d：千斤頂活塞桿的外徑 （m）：泵站壓力 （MPa）pR由于 D>d，所以固定活塞式千斤頂?shù)耐屏Υ笥诶?。擺桿千斤頂5. 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 = 32MPa＝170mmtd=40MPaanp計算得 ZFS4000/14/28 支撐掩護式液壓支架技術(shù)參數(shù)如下：支架河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 35 -形式 支撐掩護式操作方式 鄰架操作高度 1.4～2.8 m寬度 1.43 m初撐力 2508 kN工作阻力 4000 kN支護寬度 1.5 m支護強度 0.68 kPa底座面積 3.6 2底座比壓 1.24 MPa重量 11200 Kg泵站工作壓力 32 MPa立柱(4 根)缸徑 180 mm活柱直徑 170 mm行程 750 mm初撐力 628 kN降拉力 121 kN工作阻力 1000 kN擺桿千斤頂（2 根）缸徑 63 mm活柱桿直徑 45 mm河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 36 -行程 800 mm工作阻力 85.3 KN最高位置與水平面的夾角 35 ?最低位置與水平面的夾角 65短柱（前梁千斤頂） （1 根）缸徑 140 mm活塞桿直徑 105 mm行程 140 mm初撐力 226 kN拉力 99 kN工作阻力 588.6 kN前梁端部最大支撐力 127.5 kN前梁向上擺角 15 °前梁向下擺角 19 °推移千斤頂（1 根）缸徑 168 mm活塞桿直徑 110 mm行程 700 mm推力 360 kN拉力 633 kN河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 37 -側(cè)推千斤頂（4 根）缸徑 80 mm活塞桿直徑 45 mm推力 75 kN拉力 51.5 kN行程相應為 250 mm2.4 擬定液壓系統(tǒng)本支架的液壓系統(tǒng)，由乳化液泵站，主進，主回液膠管，各種液壓元件，立柱及各種千斤頂?shù)冉M成。液壓系統(tǒng)原理：本支架操作方式采用鄰架操作控制，使用快速接頭拆裝方便，性能可靠。本支架液壓系統(tǒng)所使用的乳化液，是由乳化油和水配制而成的，乳化油的配比濃度為 5％，使用乳化液應注意以下幾點：(1) 定期檢查濃度，濃度過高增加成本，濃度太低，可能造成液壓元件銹蝕，影響液壓元件的密封和使用壽命(2) 防止污染，定期清理乳化液箱和支架過濾器(3) 防凍：乳化液的凝固點為零下三度左右，與水一樣也具有凍結(jié)膨脹性，乳化液受凍后，不但體積膨脹 ，穩(wěn)定性也受影響，乳化液地面配制和冬季運輸時要注意防凍。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 38 -液壓支架液壓系統(tǒng)圖 2-71— 側(cè)推千斤頂 2－前梁千斤頂 3－推溜千斤頂 4－插板千斤頂 5－伸出梁千斤頂6－后立柱千斤頂 7－前立柱千斤頂 8－擺桿千斤頂ZY4000/17/35 型液壓系統(tǒng)的特點是:(1) 支架上的大部分液壓元件(除前梁千斤頂控制閥和雙向鎖外)都裝在閥組的座架上,支架本身只有兩根高壓軟管,這樣既便于操作,又能保證支柱間有寬敞的人行道。(2) 操縱閥 ZC 型組合操縱閥,前柱.后柱及前梁千斤頂可單獨操作,也可同時操作。(3) 前梁千斤頂活塞腔與活塞桿腔之間連接一個大流量安全閥,在升河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 39 -前梁與升柱同時操作時,對前梁加以保護,并使前梁有較大的支撐力。(4) 液壓系統(tǒng)中設有頂梁活動側(cè)護板和掩護梁側(cè)護板千斤頂液路，通過兩片操縱閥可單獨操縱兩個千斤頂?shù)纳炜s。(5) 為在厚煤層工作面中防止片幫，液壓系統(tǒng)中還設有護幫千斤頂，在護幫千斤頂?shù)囊郝飞线B接著雙向鎖，對護幫千斤頂?shù)幕钊慌c活塞桿腔分別進行相互閉鎖。(6) 支柱和前梁千斤頂?shù)幕钊灰郝飞?，設有測壓閥，根據(jù)工作需要，可隨時進行壓力測定，了解支架受力情況。三、支架的強度計算3.1 支架的工作狀態(tài)(1) 頂板狀態(tài)在采煤工作面中，當煤被采出后，就會出現(xiàn)一定的空間，由于上部巖從壓力，出現(xiàn)離從和裂隙，如果不及時支護，頂板就要冒落，不支護的時間越長，危險就越大，而頂板冒落時有一定過程的，一般分為三個河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 40 -階段，開始頂板處于無壓狀態(tài)，次時頂板較完整，而且沒有下沉，通常稱為老頂來壓，次時頂板并不破裂，且這種下沉帶有一定的周期，所以稱為老頂周期來壓狀態(tài)，如不及時支護，頂板就會破裂而冒落，此時叫冒落狀態(tài)。(2) 支架工作狀態(tài)開始支架以初承力支承頂板，此時為無壓狀態(tài)，當周期來壓時，頂板下沉，使立柱下腔壓力增加，當增加到大于安全閥調(diào)定正壓力時，安全閥被打開，使立柱下腔壓力下降，稱立柱讓壓狀態(tài)，使支架以工作阻力支護頂板；如繼續(xù)來壓，就要不斷讓壓，所以立柱要有一定的向下行程，如沒有向下行程，稱壓死狀態(tài)，這是在設計和使用中，必須要注意避免的現(xiàn)象。(3) 支架受力支架在工作面受力是由于頂板下沉，同時又有向采空區(qū)移動的趨勢，使頂梁受合力和底座受底板壓力，其中頂板合力的垂直分力，由支架工作阻力來克服，所以我們在計算支架的工作載荷 F 時按支架的工作阻力來確定。3.2 支架載荷的確定液壓支架實際受載荷情況很復雜，頂梁和底座上的載荷即非集中載荷又非均布載荷，分布規(guī)律隨著支架與頂?shù)装宓慕佑|情況而變化，為簡化計算作如下規(guī)定。(1) 把支架化簡成一個平面桿系結(jié)構(gòu)，同時為防于安全，按集中載荷進行計算。(2) 金屬結(jié)構(gòu)件按材料力學上的直梁理論來計算。(3) 頂梁，底座與頂?shù)装逭J為均勻接觸，載荷沿支架長度方向按線性規(guī)律，沿支架寬度方向為均布。河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 41 -(4) 通過分析和計算可知，掩護梁上煤塊的作用力，只能使支架實際支護阻力降低，所以在計算強度時不計。(5) 立柱和短柱按最大工作阻力來計算。(6) 作用在頂梁上水平力的產(chǎn)生有二種情況：一種是支架在承載讓壓時，由于頂梁前端運動軌跡為雙扭線，所以頂梁與頂板有產(chǎn)生位移的趨勢，水平力為頂梁合力與靜摩擦系數(shù)的乘積，其方向與頂梁產(chǎn)生位移方向趨勢相反；另一種是由于頂板向采空區(qū)方向移動，使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平力，最大水平力值與上相同。頂梁與頂板的靜摩擦系數(shù) f ，目前國內(nèi)一般取 0.2～0.3。(7) 支架各部分受力，按不同支護高度時受力最大值進行強度校核。(8) 各種結(jié)構(gòu)件的強度校核，除按理論支護阻力校核危險端面外，還要按《液壓支架形式試驗技術(shù)規(guī)范》的各種加載方法，以支架的額定工作阻力逐一校核，超過額定工作阻力 10％的超載試驗，將由安全系數(shù)來保證強度。3.3 支架受力分析支架的受力分析與計算，是按理論力學中一個物體受幾個力的作用下處于平滑狀態(tài)時，所受力和力矩之和為零的原理來進行分析和計算的。即以當支架支承后在處于平衡狀態(tài)時，取整體或某一個部分為分離體也處于平衡狀態(tài)，其合力和合力矩為零。即滿足靜力平衡的充分必要條件為各力在 x 上的投影之和為零，各力在 y 上的投影之和為零;各力對某點取矩之和為零。下面就根據(jù)這一理論對支架簡化成平面桿系進行受力分析和計算。直接撐頂?shù)闹窝谧o式支架各支撐點受力計算：假設頂梁受以集中載荷 （一般去 100~160KN） ，水平分力 。mFmfF河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 42 -掩護梁上載荷的合力為 ，前排立柱工作阻力為 ,后排立柱工作阻力rFaP為 。bP前梁分離體受力分析： 如右圖 3-1=0aM?* = * + *（ - ）mF1Lmf1hkP21h(1)=0 x= + mfaXkP(2)=0yF?+ = 0 maY(3)聯(lián)立（1）~（3）式計算得=786KN = -754KN = -160KNkPaXaY河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 43 -(4)后梁分離體受力分析： 如右圖 3-2圖 3-2=0EM???????111673122 6574sincossincoaaa bbbKaXhPhLxFhXYx xLLx???????????? ???（5）掩護梁受力分析： '0BM?河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 44 -859sinrdFLL????0X?' 46sicosrdbF?（6） 0y?' 46cossinrdbYF???（7）再對后梁進行分析; 如上圖 3-2聯(lián)立公式（5）~（7）計算得；1dFkN?'3.bX84Yk?河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 45 -0X??321sinsinsinCaKbabFfPxPx???????（8） 0y?132coscscosaaCbbFYPFPY???????（9）聯(lián)立（8） （9）解得;46CKN?02aFk把解得的值代入（4）解得： 76.3xm?3.3.1　各主要參數(shù)的影響支撐掩護式支架在工作過程中，各主要部件的受力是變化的，其影響因素有諸多方面。(1) 立柱傾角對承載能力的影響由于掩護式和支撐掩護式支架的立柱大部分是傾斜布置的，傾角又隨著支架的高度變化，所以支架的承載能力的大小也隨著支架的高?度而變化?，F(xiàn)在 對承載能力的影響。?立柱支撐在頂梁，當立柱的工作阻力為 ，傾BPa河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 46 -角為 時，顯然支架的承載能力與 COS 有直接的關(guān)系。因為?BP?COS ≤1，因此立柱傾斜布置將使支架的承載能力降低。 角和 COS?之間的關(guān)系表示在右圖中。由圖看到，當 0.95，支?架的承載能力降低值不等大于５％。當>26 時，COS <0.90，所以支架承載能力將顯著的減小。因此叢支架承載能力的角度看，立柱傾角不要大于 18 。但是，有些支架為了使高度變化的范圍增大，角往往大于 30?。(2) tgθ 值對支架承載能力的影響在以上各式中有多項公式包含 tgθ，分析如下：O 點是瞬時中心，隨著支架高度的變化，O 點　的位置也發(fā)生變化，tgθ 也跟著發(fā)生變化。當 O 點在頂梁上方時，tgθ 取正值。當 O 點在頂梁下方時 tgθ 取負值。tgθ 值增加，附加力增加。當摩擦系數(shù) W＝0.3，tg θ=0.1 時，附加力可達支架名義工作阻力的 30％。所以 tgθ 值過大對支架受力不利。在支架的工作高度范圍內(nèi)，一般把 tgθ 值控制在 0.35 以下，從而把附加力控制在支架名義工作阻力的 10％范圍內(nèi)。 （詳細分析間《液壓支架》課本張家鑒 主編此處不再贅述）最后，必須指出，tgθ 不僅對承載能力有影響，而且對各受力部件有影響，并相當復雜，因此 tgθ 是大是小，由具體情況而定。(3) 支架承載能力隨高度的變化由支架載荷 的計算式直到，其中 、 、 是隨高度而變化的，因AP??l此支架的支撐力也就隨著高度而變化。在調(diào)高范圍內(nèi)，支架的承載能力在兩側(cè)的高度內(nèi)比較小。一般情況下，掩護式支架常用加大立柱的傾角河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 47 -來擴大支架的調(diào)高范圍。而 角越大，支架的承載能力越小。所以支架?的調(diào)高范圍越大，承載力變化越大。但是支架在設計中一般都要按可能的最大承載力來設計，顯然這就使支架不能發(fā)揮應有的作用，在很大的一段承載范圍內(nèi)就要大材小用。所以設計掩護式或支撐掩護式支架時，應特別注意使支架承載力在整范圍內(nèi)的變化盡量小。另外指出，支撐式支架的支護高度對支架受力沒有影響，而掩護式和支撐掩護式支架，由于支護高度的變化，使立柱的支撐角度、平衡千斤頂?shù)慕嵌取⒀谧o梁和四連桿機構(gòu)的角度等的不同，使受力也不同。在進行強度計算時，要以頂梁承受最大負荷時的支護高度為依據(jù)，按此時的工況進行受力分析。(4) 摩擦系數(shù)的影響① 對支架承載能力的影響　　摩擦系數(shù)對支架承載能力的影響表現(xiàn)在 項中。產(chǎn)生水平載荷的原因很多，所以它的大小和方向也是根1tg??據(jù)具體情況而變化。但是，它的極限值卻可以用頂梁和頂板支間產(chǎn)生相對滑動時的極限摩擦力求得。即壁系數(shù)斷裂極限值 等于頂梁和頂板maxf的摩擦系數(shù)。所以此值的大小在 0～ 范圍內(nèi)變化。maxf水平載荷的方向可以只考慮向后作用，也就是從煤壁向老塘的方向作用。加入頂梁上受向前的水平載荷，很容易使支架向前傾倒，這種趨勢使頂梁對于頂板向前滑動，則水平載荷又變成向后作用。 值在f中隨承載能力有很大影響。只有 tgθ 值很小時， 才能忽略不1tg?? ftg?計。② 對連桿受力影響　　由連桿受力 和 的計算式可以看出，摩cpDP河南理工大學萬方科技學院畢業(yè)設計- 48 -擦力對連桿受力的影響表現(xiàn)在 和 項中。當支架升高時，AcfPSin?ADfi和 就逐漸增大， 和 也就逐漸變大。因此，隨著支架的c?DciD高度，摩擦力對連桿的影響逐漸增大