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摘要
本設(shè)計研究的是煤礦中應(yīng)用的支撐掩護式液壓支架和液壓支架的底座設(shè)計。支撐掩護式液壓支架在煤炭行業(yè)是一種重要的支護設(shè)備，液壓支架是綜采工作面支護設(shè)備，它的主要用途是支撐煤層的頂部，保證大范圍的通風(fēng)，推移工作配套設(shè)備。
液壓支架主要是以高壓液體作動力、由液壓元件（液壓缸和液壓閥）與金屬構(gòu)件組成一種支撐和管理頂板的自移式設(shè)備，它不僅能實現(xiàn)支撐、切頂和隔離采空區(qū)，而且還能使支架本身前移和推動輸送機。
底座是支架的主要部件，頂板的載荷通過支架傳遞給底座。液壓支架的四連桿機構(gòu)包括底座。支架通過底座和推移的機構(gòu)連接來使配套設(shè)備的移動。底座的結(jié)構(gòu)形式分為分式鉸接底座和鋼性底座。
關(guān)鍵詞：液壓支架；立柱；底座；連桿。
I
Abstract
This design research is used in coal mine support screen type hydraulic support and the base of the hydraulic support design. Support screen type hydraulic support in coal industry is an important supporting device, hydraulic support is the fully mechanized coal face supporting equipment, its main purpose is to support the top of the coal seam, to ensure a wide range of ventilation and goes on working equipment.
Hydraulic support is the high pressure liquid as dynamic, dominated by hydraulic components (hydraulic cylinder and hydraulic valve) and metal component of a roof support and management of the move type equipment, it can not only realize support, cut the top and isolation of mined-out area, but also can make the reach the stents themselves and promote the conveyor.
Base is a major part of the stent, the roof load by stent is passed to the base. Four bar linkage includes base of hydraulic support. Stent through the base and connected to form a complete set of equipment of the mobile. The structure of the base is divided into fraction base hinged and rigid base.
Key words: hydraulic pressure support; column; pedestal; connecting rod。
I
目錄
前言 1
1.液壓支架的概述 2
1.1液壓支架的組成 2
1.2液壓支架的工作原理 2
1.2.1升柱與降柱 2
1.2.3支架和輸送機前移 2
1.3液壓支架設(shè)計目的、要求和設(shè)計支架必要的基本參數(shù) 3
1.3.1設(shè)計目的 3
1.3.2液壓支架的基本要求 3
1.3.3設(shè)計液壓支架必需的基本參數(shù) 4
1.4液壓支架的選型 4
1.4.1液壓支架的支撐力與承載關(guān)系 4
1.4.2液壓支架架型的分類 5
1.4.3 液壓支架選型原則 6
1.4.4 液壓支架設(shè)計的初始條件 6
2.液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 8
2.1液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定 8
2.1.1支護高度 8
2.1.2支架伸縮比 9
2.1.3支架間距和底座 9
2.1.4支護強度 9
2.2液壓支架四連桿機構(gòu)的確定 10
2.2.1四連桿機構(gòu)的作用 10
2.2.2四連桿機構(gòu)的幾何作圖法 11
2.3液壓支架配套設(shè)備和頂梁參數(shù)的確定 13
2.3.1采煤機和運輸機型號的確定 13
2.3.2頂梁結(jié)構(gòu)形式的確定 13
2.3.3對頂梁長度的影響 14
2.3.4頂梁主要尺寸的確定 14
2.4掩護梁的結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定 16
2.4.1掩護梁的結(jié)構(gòu)型式 16
2.4.2掩護梁的參數(shù)確定 17
2.5立柱及主要參數(shù)的確定 17
2.5.1立柱布置 17
2.5.2立柱主要參數(shù)確定 18
2.6千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)確定 20
2.6.1浮動活塞式推移千斤頂?shù)膭幼髟?20
2.6.2 浮動活塞式推移千斤頂 20
2.7側(cè)護板 21
2.7.1側(cè)護板的結(jié)構(gòu)和型式 21
2.7.2側(cè)護板尺寸的確定 22
2.8前梁千斤頂推拉力的確定 22
3液壓支架的受力分析 23
3.1支撐掩護式支架受力分析與計算 23
3.2液壓支架受力的影響因素 29
3.2.1支架高度對支架受力的影響 29
3.2.2摩擦系數(shù)對支架受力的影響 29
3.2.3前梁千斤頂?shù)耐评χЪ艿氖芰τ绊?29
3.2.4tgθ值支架受力的影響 29
4 液壓支架的底座設(shè)計 30
4.1底座的結(jié)構(gòu)型式及尺寸確定 30
4.1.1 底座的結(jié)構(gòu)型式 30
4.1.2底座主要尺寸的確定 31
4.2液壓支架的底座受力分析及計算 31
4.3液壓支架底座接觸比壓計算 33
4.3.1底座平均接觸比壓 33
4.3.2底座最大、最小接觸比壓 34
4.4對底座設(shè)計的要求及減少底座前端比壓的措施 36
4.4.1對底座設(shè)計的要求 36
4.4.2減少底座前端比壓的措施 36
4.5底座的強度計算 36
5 總結(jié) 44
6 技術(shù)經(jīng)濟分析總結(jié) 45
致謝 46
參考文獻 47
附錄A 48
附錄B 52
前言
綜采是煤礦開采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。從80年代末迄今為止，高校完全機械化采煤在世界主要采煤機，特別是美國、澳大利亞、德國、英國和南非。高產(chǎn)綜采工作面效率不斷刷新，新技術(shù)不斷更新。
液壓支架是綜采工作面配套設(shè)備，主要作用是支撐煤層的頂部，確保廣泛的通風(fēng)，推移工作配套設(shè)備。液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。液壓支架按其結(jié)構(gòu)特點和與圍巖的作用關(guān)系分為三大類，即支撐式、掩護式和支撐掩護式。液壓支架架型選擇，主要取決于頂?shù)装宓臈l件和礦井的地質(zhì)條件。
本論文設(shè)計煤層厚度在2.5m到3.5m，老頂級別為三級，直接頂類別為二類的支撐掩護式液壓支架的設(shè)計。其架型特點支柱兩排，每排一到二根。支架多呈傾斜安裝，有掩護梁和四連桿機構(gòu)，支撐力大，切頂性能好，防護性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這類支架適用于直接頂為中等穩(wěn)定。老頂有明顯或強烈周期來壓。瓦斯含量較大的中厚或厚煤層中。因此設(shè)計這類支撐掩護式液壓支架。
1.液壓支架的概述
1.1液壓支架的組成
根據(jù)液壓支架各部件的功能和作用，可由4部分組成：
（1） 承載結(jié)構(gòu)件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和跨落巖石的載荷。
（2） 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各種動作，產(chǎn)生液壓動力。
（3） 控制元件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥等，以及管路、液壓、電控元件。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。
（4） 輔助裝置，如推移裝置、護幫裝置、伸縮梁裝置等。這些裝置是為了實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。
1.2液壓支架的工作原理
液壓支架基本動作包括升柱、降柱、移架、推溜，這這些動作過程通過液壓傳動技術(shù)來實現(xiàn)的。
1.2.1升柱與降柱
支架的升降依靠立柱伸縮來實現(xiàn)。
1.2.3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。當(dāng)需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂對活塞桿腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當(dāng)需要推輸送機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊?，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。
工作阻力隨時間的變化可由支架特性曲線表示。如圖1-1所示。
將操縱閥置于升柱位置，由泵站排出的高壓液體經(jīng)管路、操縱閥和液控單向閥進入立柱的下腔，同時立柱上腔回液。立柱升起撐緊在頂、底板之間。當(dāng)立柱下腔壓力達到泵站工作壓力時，初撐階段(t0)結(jié)束；初撐結(jié)束后，將操縱閥手把置于中間位置，立柱下腔的工作液體的被液控單向閥封閉。隨著頂板下沉，立柱下腔液體壓力升高，立柱的推力也隨之增大。這是支架的增阻階段（t1）；當(dāng)立柱下腔液體的壓力達到安全閥的調(diào)定壓力時，安全閥開啟溢流，立柱收縮，支架隨頂板下降。當(dāng)立柱下腔壓力低于調(diào)定壓力時，安全閥關(guān)閉。這就是支架的恒阻階段（t2）。
t0—初撐階段； t1—增阻階段； t2—恒阻階段；
p1—初撐力； p2—工作阻力
圖1-1 支架的工作特性曲線
Fig.1-1 line of support work characteristic?
1.3液壓支架設(shè)計目的、要求和設(shè)計支架必要的基本參數(shù)
1.3.1設(shè)計目的
在煤炭開采的工作面為了保證人員的安全和防止煤層的掉落，需要對頂板進行支護。用于煤礦工作面的支護設(shè)備，經(jīng)歷了木支柱到液壓支架等幾個發(fā)展階段。目前，我國主要用單體液壓支柱和液壓支架來完成支護任務(wù)。
1.3.2液壓支架的基本要求
（1）要求液壓支架有合理的初撐力和工作阻力。
（2）要求液壓支架有足夠的推溜力和移架力。
（3）防止性能要好。
（4）排矸性能好。
（5）要求液壓支架要有足夠的通風(fēng)，稀釋有毒氣體，保證人員安全。
（6）為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?
（7）調(diào)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）要求液壓支架能承受住一定的載荷。
（10）應(yīng)盡量減輕液壓支架的重量。
（11）要求液壓支架結(jié)構(gòu)簡易。
（12）要求液壓元件要可靠。
1.3.3設(shè)計液壓支架必需的基本參數(shù)
（1）頂板條件
根據(jù)頂板分為直接頂和老頂分類。
（2）最大和最小采高
根據(jù)煤層的采高計算出最大和最小的采高，還有支護強度。
（3）瓦斯等級
根據(jù)瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，驗算通風(fēng)斷面。
（4）底板巖性能及小時涌水量
根據(jù)底巖性和小時涌水量驗算底板比壓。
（5）工作面煤壁條件
根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。
（6）煤層傾角
是否選用防滑裝置根據(jù)煤層傾角。
（7）井向罐籠尺寸
根據(jù)井向罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。
（8）配套尺寸
根據(jù)配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度。
1.4液壓支架的選型
1.4.1液壓支架的支撐力與承載關(guān)系
支撐掩護式支架是為了提高支撐式和掩護式液壓支架的性能和對頂板的適應(yīng)性而設(shè)計的。主體部分接近垛式，支架后部有四連桿機構(gòu)和掩護梁，提高了支架的穩(wěn)定性和防護性，提高了支架的支護和承載能力。所以，此種支架介于以上兩種支架的中間狀態(tài)，提高了適用范圍，適用于頂板較堅硬，頂板壓力較大或頂板破碎的各種煤層，其受力狀況如圖1-2所示
圖1-2支撐掩護式支架的受力狀況
Fig.1-2 bracing caving shield pressure
1.4.2液壓支架架型的分類
按在采煤工作面的安裝位置來劃分，液壓支架分為端頭支架和中間支架。端頭液壓支架適用于綜采工作面上下出口，即工作面和上下順槽接合處的液壓支架。中間液壓支架是除了端頭支架以外的液壓支架。中間支架按其結(jié)構(gòu)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，切頂性好；頂梁長，通風(fēng)斷面大，適用于中等穩(wěn)定以上的頂板。支撐式又有剁式和節(jié)式之分。
a b
圖1-3 a—垛式 b—節(jié)式
Fig.1-3 a—corduroy? b—divisional
（2）掩護式支架
掩護式支架的特點是：立柱少、切頂能力弱；頂梁短，控頂距?。徽{(diào)高范圍大，適用于松散破碎的不穩(wěn)定或中穩(wěn)定的頂板。掩護式支架分有插底式和非插底式。
a b c
圖1-4 a—插底式支架 b—立柱支在掩護梁上非插底式支架
c—立柱支在頂梁上非插底式支架
Fig.1-4 a－support b－leg piece on support? c－leg piece on support?
（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，用于壓力較大、易于冒落的中等穩(wěn)定或穩(wěn)定的頂板。
a b c
圖1-5 a—四柱平行支在頂梁上支架 b—四柱交叉支在頂梁兩柱在掩護梁上支架
c—兩柱在頂梁兩柱支在掩護梁上支架
Fig.1-5 a—parallel to the four pillars on the top beam bracket
b—Four column with cross in the top beam two column on the cover beam bracket
c—Two columns in the top beam and column on the cover beam bracket
1.4.3 液壓支架選型原則
影響架型選擇的因素：
（1）煤層厚度（2）煤層傾角（3）底板強度（4）瓦斯含量（5）地質(zhì)構(gòu)造（6）設(shè)備成本
1.4.4 液壓支架設(shè)計的初始條件
煤層厚度（m） 2.5—3.5 老頂級別 Ⅲ 直接頂類別 Ⅱ
老頂級別
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接頂類別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
架
型
掩護式
掩護式
支撐式
掩護式
掩護式或支撐掩護式
支撐式
支撐掩護式
支撐掩護式
支撐或支撐掩護式
支撐或支撐掩護式
采高＜2.5m時用支撐式
采高＞2.5m時用支撐掩護式
支
護
強
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
表1-1適應(yīng)不同類級頂板的架型和支護強度
Table 1-1 level to adapt to the different classes of roof rack type and supporting intensity
注：表中括號內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)掩護式支架頂梁上的支護強度。
2.液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
2.1液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定
2.1.1支護高度
根據(jù)采煤層的厚度來確定支架的最大高度和最小高度
其最大與最小高度為：
＋S1 (mm) (2-1)
(mm) (2-2)
式中：
—支架最大高度,mm
—支架最小高度,mm
—煤層最大高度，=3500 mm
—煤層最小高度，=2500 mm
S1—考慮偽項冒落后初撐力所需要支撐高度，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100 mm
a— 移架時最小可縮量，一般取50 mm
δ—浮矸石、俘煤厚度，一般取50 mm
由式2—1可得
3500＋200=3700 mm
由式2—2可得
2500－100－50－50=2300mm
所以?。?
=3700mm
=2300mm
2.1.2支架伸縮比
支架的伸縮比最大支架高度與最小支架高度之比值即：
由于液壓支架可能被安裝在不同采高的采煤工作面。所以，支架應(yīng)具有較大的伸縮比，一般范圍1.5至2.5。初選使用單伸縮立柱，KS值一般為1.6左右。
2.1.3支架間距和底座
支架間距，bc表示。支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。液壓支架中心距大部分采用1.5m，本設(shè)計取bc=1.5 m。
所謂底座，就是將頂板壓力傳遞到底板的穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計支架的底座的時，要考慮：地板的接觸比壓要小一點；便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性等。本次設(shè)計底座為2.4m。
2.1.4支護強度
本次設(shè)計中支撐掩護式支架的支護強度qx可用插入法求得，按下式計算：
(2-3)
式中：
—支架名義支護強度。（kN/m2）
—采高所對應(yīng)的支護強度,見表1—1
—采高所對應(yīng)的支護強度,見表1—1
—對應(yīng)的采高(m),見表1—1
—對應(yīng)的采高(m),見表1—1
—支架的結(jié)構(gòu)高度，在，之間
對應(yīng)最大結(jié)構(gòu)高度=3.1m時
=3m =705.6kN/m2
=4m =862.4KN/m2
將各數(shù)據(jù)代入式（2—3）得采高最大時支架支護強度
=815.36KN/m2
2.2液壓支架四連桿機構(gòu)的確定
2.2.1四連桿機構(gòu)的作用
四連桿機構(gòu)是液壓支架的穩(wěn)定機制，保證底座的穩(wěn)定性，承受和傳遞載荷；保持支架的整體剛度。所以，對于液壓支架的研究主要就是針對四連桿機構(gòu)的研究。
（1） 支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角P和后連桿與底座的夾角Q，如圖2-1所示，支架在最高位置時,P≤52°～62°，Q≤75°～85°；在最底位置時P≥25°，Q≥25°～30°。
（2） 掩護梁與水平線之間的夾角為θ。設(shè)計時，tanθ≤0.35的范圍。
（3） 頂梁前梁頂端軌跡雙曲線是支架的工作階段。
圖2-1四連桿機構(gòu)幾何特征
Fig.2-1fore rods geometry feature line
如圖2-1分析得出，為了使支架受力均勻和穩(wěn)定，應(yīng)該使e值較小。當(dāng)知道掩護梁和后連桿的長度后，在設(shè)計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構(gòu)，如圖2-2所示（實際上液壓支架四連桿機構(gòu)屬雙搖桿機構(gòu)）
圖2-2掩護梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)
Fig.2-2 caving lock piece and rod mechanism?
2.2.2四連桿機構(gòu)的幾何作圖法
用四連桿機構(gòu)設(shè)計的幾何作圖法來確定掩護梁和后連桿的長度，如圖2-3所示。
圖2-3 掩護梁和后連桿計算圖
Fig.2-3 caving lock piece?and after rod map
設(shè): G—掩護梁長度（mm）
—后連桿長度（mm）
L2—e’點引垂線到后連桿下鉸點之距（mm）
H1—支架最高位置時的計算高度，求得
H1=H大－220－150=3700－220－150=3330（mm）
其中:220（mm）是后連桿下鉸點與底平面之距
150（mm）是掩護梁上鉸點與頂梁之距
—支架最小計算高度。由下式求得
=-220－160=2300－220－150=1930（mm）
其中:P1 —支架在最高位置時，掩護梁和頂梁夾角(度)
P2—支架在最低位置時，掩護梁和頂梁夾角(度)
Q1 —支架在最高位置時，后連桿和底平面夾角（度）
Q2—支架在最低位置時，后連桿和底平面夾角（度）
從幾何關(guān)系可以列出如下兩式：
(2-4)
(2-5)
將以上兩式聯(lián)立可得：
(2-6)
說明：
根據(jù)四連桿幾何特征，選定P1,Q1,P2,Q2代入（2-6）式，得出A/G比值，因為支架型式不同，一般A/G的比值按以下范圍來取。
支撐掩護式液壓支架，A/G的值滿足以下范圍：
支架在最高位置時有：
(2-7)
因此掩護梁長度為：
(2-8)
后連桿長度為：
(2-9)
根據(jù)A/G的比值和（2-7）式算出掩護梁的長度G和后連桿長度A，取整后，再重新算出P1,Q1,P2,Q2的角度，這些參數(shù)就確定了。
圖2-4
Fig.2-4
按照以上作圖步驟，利用CAXA計算機繪圖軟件，作出液壓支架四桿機構(gòu)位置及尺寸。
應(yīng)用幾何作圖法得出四連桿各參數(shù)如下：
，,，,
0.3,后連桿長度A=1415mm,掩護梁長度G=2283mm,前連桿長度C=1463mm,
前后連桿下鉸點底座投影距離Ldo=680mm,前連桿下鉸點高度Lcd=538mm,支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度。
設(shè)計支架在最高位置時，因為支架型式不同，對于支撐掩護式液壓支架,一般A/G的比值按如下范圍來?。?
A/G=0.61～0.82,取A/G=0.62
因此掩護梁長度為：
后連桿長度為：A=0.62G= 1415mm
取整得：G＝2283mm，A＝1415mm。
2.3液壓支架配套設(shè)備和頂梁參數(shù)的確定
2.3.1采煤機和運輸機型號的確定
根據(jù)配套尺寸關(guān)系，在設(shè)計中配套采煤機和運輸機型號：
采煤機：KWB-3RVW型 運輸機：SGZ-730/320型
配套尺寸的確定
配套尺寸 E= 680+315+825+450=2270（mm）
2.3.2頂梁結(jié)構(gòu)形式的確定
頂梁是液壓支架的主要承載的部分，液壓支架通過頂梁來支撐頂板和管理頂板，頂梁應(yīng)該具有一定的強度。
支撐掩護式支架的頂梁較長 ，為了改善頂梁的接頂狀況，增大梁端支撐力，這類支架采用分段組合式頂梁，它有以下幾種組合型式：
(a)鉸接分體式頂梁
如圖2—7 a所示，這種頂梁分為前梁和后梁兩部分。這種頂梁的接頂性能好，也加大了靠近煤壁頂板的支撐能力。
(b)伸縮鉸接式頂梁
它是在鉸接分體頂梁的前梁上套上可伸縮的梁，這種梁具有鉸接分體頂梁的優(yōu)點，還可以超前支護，防止片幫。
(c)整體剛性頂梁
這種頂梁結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較輕，但對頂板不平的適應(yīng)能力差，接頂不理想。多用于頂板比較平整、穩(wěn)定，很少出現(xiàn)片幫現(xiàn)象的采煤工作面。
a b
1—前梁 2—后梁 3—前梁千斤頂 4—前梁伸縮千斤頂
圖2-4 支撐掩護式頂梁的結(jié)構(gòu)形式
Fig.2-4 bracing caving shield construction
以上三種頂梁型式比較，本設(shè)計選用鉸接分體頂梁的型式。
2.3.3對頂梁長度的影響
(1)液壓支架工作方式對支架頂梁長度的影響
液壓支架的工作對頂梁長度的影響很大，先移架后推溜的方式（又稱及時支護方式）需要的頂梁長度有較大；先推溜后移架方式（又稱滯后支護方式）支持模式需要短的頂梁長度。先移架后推溜時頂梁的長度需要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為600mm。
(2)頂梁長度受配套尺寸的影響
設(shè)備配套尺寸和液壓支架頂梁長度有著直接關(guān)系。為了防止當(dāng)采煤機向液壓支架內(nèi)側(cè)傾斜時，采煤機的滾筒不截割煤壁，考慮到采煤機切割時，不一定把煤壁剪出成一個垂直面，所以在設(shè)計，頂梁前端距煤壁最小距離為300mm，這個距離叫空頂距。另外在輸送機鏟煤板前也留有一定距離。一般為135～150mm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。因此，所有的配套設(shè)備包括采煤機和輸送機，都要在頂梁掩護之下工作，以此來計算出頂梁的長度。
2.3.4頂梁主要尺寸的確定
(1)頂梁長度Lg
頂梁長度=[配套尺寸＋底座長度＋A×cosQ1]－[G×cosP1＋300＋e]+100 (2-10)
式中：配套尺寸為2270 mm，底座長度為2400 mm，P1=580 ，Q1=800
代入公式（2-10）中得
Lg=2270＋2400＋1415 ×cos800－2283×cos580-300-50+100=3454mm
取整為3454mm。
(2)頂梁面積A
A=Lg×B （2-11）
式中：Lg—頂梁長度mm,
B---頂梁的寬度mm,在設(shè)計中頂梁的寬度選為1600mm,
代入公式（2-11）得
A=3454×1600=5.52 m2
(3)支護面積Fc
Fc = Bc(Lg＋Δ)m2 （2-12）
式中：Fc—支護面積 m2
Δ—移架后頂梁的前端點到煤壁距離 m,一般Δ=0.3+e
Bc—支架間距（支架中心距），一般為1.5m
代入公式(2-12)得：
Fc = 1500×(3454＋300+50)=5.71 m2
(4)支架的理論支護阻力F1
F1=Fc×q （2-13）
式中: F1—支架的理論支護阻力，kN
Fc—支護面積 m2
q—支護強度 kN/m2
支架在最高處理論支護阻力為：
F1=5.71×815.36=4655.71（kN）
(5)頂板覆蓋率δ
δ=A/Fc×100% （2-14）
式中：δ—頂板覆蓋率
A—頂梁面積 m2
Fc—支護面積 m2
代入式（2—14）得
δ=5.52/5.71×100%=96.7%
(6)頂梁其它有關(guān)尺寸的確定
確定立柱上絞點，前梁千斤頂絞點、前后梁絞點、掩護梁與頂梁絞點位置（包括水平方向和垂直方向）各尺寸如圖2-6所示。
2.4掩護梁的結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定
2.4.1掩護梁的結(jié)構(gòu)型式
掩護梁的結(jié)構(gòu)形式如圖2-7所示。
圖2-6 支架結(jié)構(gòu)尺寸總圖
Fig.2-6 hydropost geometry map
1—頂梁；2—掩護梁；3—立柱；4—前連桿；5—后連桿；6—底座；
7—限位千斤頂梁的結(jié)構(gòu)型式；
圖2-7 掩護梁結(jié)構(gòu)型式
Fig.2-7 caving lock piece mechanism method?
（1）整體直線形掩護梁
掩護梁一般都為整體箱型結(jié)構(gòu)，這類掩護梁整體性能好，強度高。從側(cè)面上看，掩護梁上輪廓線形狀為直線型，目前廣為使用。
（2） 整體折線形掩護梁
從側(cè)面看，掩護梁上輪廓線為折線型，相對地增加了工作的空間，但當(dāng)液壓支架傾斜時架間密封性差，加工工藝差，目前應(yīng)用的少。
所以本次設(shè)計選用整體直線形掩護梁。
2.4.2掩護梁的參數(shù)確定
（1）掩護梁的長度G
從前面的四連桿機構(gòu)可知，掩護梁的長度為2283mm。
（2）掩護梁寬度By
本次設(shè)計掩護梁寬度和頂梁寬度一樣，所以掩護梁的寬度為1600mm。
（3）掩護梁上前后連桿鉸點位置
通過對比，可以得出前后連桿鉸點位置（水平和垂直方向）具體尺寸可以通過圖2—6中掩護梁長度可知。
2.5立柱及主要參數(shù)的確定
2.5.1立柱布置
（1）立柱數(shù)
現(xiàn)代過內(nèi)支撐式支架立柱數(shù)一般為4根；掩護式支架為2柱；支撐掩護式支架為4柱。
（2）支撐方式
支撐式液壓支架立柱是垂直布局。掩護式液壓支架呈傾斜狀，因為它可以克服一部分水平力，并能夠增加調(diào)高范圍。一般立柱軸線與頂梁的垂線夾角小于300（支架在最低位置時），角度較大，增加調(diào)高范圍。同時由于頂梁較短，加大立柱傾角能夠使頂梁柱窩位置往前移，使頂梁前端支護能力增大。支撐掩護式支架，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100（支架在最高位置時），由于夾角較小，所以有效支撐能力較大。
（3）立柱間距
立柱間距指支撐式和支撐掩護式液壓支架來說即前、后柱的間距。支撐式和支撐掩護式支架的立柱間距為1～1.5m。
（4）立柱類型
立柱根據(jù)動作方式分為單作用與雙作用；根據(jù)結(jié)構(gòu)來分類，分為活塞式與活柱式；根據(jù)伸縮方式分為單伸縮與雙伸縮，如圖2-10所示。
a b c
d e f
a— 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
圖2-8 立柱類型
Fig.2-8 coal sorting
2.5.2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
（2-15）
式中： —立柱數(shù)目
—支架承受的理論支護阻力（KN）:[KN]
—立柱在液壓支架在最低位置時軸線與頂梁的垂線夾角取
—安全閥正壓力，本設(shè)計中選用的安全閥為型，
代入公式（2-15）得
Dd=
查表取整為200mm。
代回原公式可求得：
，所以可行。
50
63
80
100
110
125
140
（145）
160
180
200
（210）
220
（230）
250
表2－1立柱缸體內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)值
Table 2-1 column cylinder inner diameter standard values
缸體
內(nèi)徑
（mm）
250
220
200
180
160
140
125
活柱
外徑
（mm）
240
210
190
185
170
130
130
105
工作
阻力
(KN)
2352
1960
1764
1372
784
784
588
額定
工作
壓力
(MPa)
50
51.6
58.4
56.1
50.7
51.9
50
推薦
選用
管材
缸體
299×28
273×32
245×28
219×25
194×22
180×24
150×20
鋼材
規(guī)格
（mm）
活柱
245×26
219×25
200×24
194×25
180×24
159×20
140×18
115元鋼材
表2－2單伸縮立柱的缸徑、柱徑組配合關(guān)系
Table 2-2 single telescopic column diameter, column diameter group cooperation relationship
(2)立柱初撐力和工作阻力
(a)初撐力
(2-16)
式中： —— 泵站額定工作壓力減去從泵站到支架沿城壓力損失后的值。（泵站額定工作壓力Pb，本設(shè)計?。?。
(b)立柱工作阻力
(2-17)
因為，則此安全閥可行。
2.6千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)確定
浮動活塞式推移千斤頂， 因為掩護式和支撐掩護式液壓支架的重量較大,為了增大移架力,就要提高缸徑或者增加供液壓力。如果使用直接推移方式的話，在提高移架力的過程同時，推溜力也將有所增加，這樣就有可能推壞溜槽，所以為了解決這個問題，就要設(shè)計成移架力大于推溜力的方式，浮動活塞方式就是滿足這樣的結(jié)構(gòu)形式。
2.6.1浮動活塞式推移千斤頂?shù)膭幼髟?
活塞腔進液，活塞桿腔回液，因為活塞空套在活塞桿上，活塞推到前方，活塞桿在壓力液作用下推溜，活塞桿面積小，推溜力小。移架時，活塞桿腔進液，缸體前移而移架，因為活塞桿腔環(huán)形面積大于活塞桿面積，所以移架力大于推溜力。
2.6.2 浮動活塞式推移千斤頂
(1)浮動活塞式推移千斤頂推移千斤頂?shù)母左w內(nèi)徑按下兩式聯(lián)立求得
(2-18)
(2-19)
式中： Dt—推移千斤頂缸體內(nèi)徑 mm
dt—推移千斤頂活塞桿直徑 mm
—推移千斤頂移架力，KN，一般取,本次選為200kN
—推移千斤頂推溜力，KN 一般取
P—推移千斤頂處泵站來壓 P=32.6Mpa，取為32Mpa
將代入2-19公式得
dt=63.08mm
將代入2-18公式得
Dt=109.25mm
式中Dt、 dt取整標(biāo)準(zhǔn)值為 Dt= 110mm，dt=63mm。
(2)推移千斤頂?shù)耐屏锪鸵萍芰?
(a)推溜力
(b)移架力
2.7側(cè)護板
2.7.1側(cè)護板的結(jié)構(gòu)和型式
側(cè)護板的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。通常采用兩種類型。
一種是側(cè)護板在頂梁的外側(cè)。這種類型側(cè)護板又有三種型式，圖2-9a，頂梁上無頂板，側(cè)護板易被冒落矸石壓住，影響側(cè)護板的伸縮；圖2-9b、c，在頂梁上加設(shè)頂板，克服了以上的缺點，但支架承受偏載時，側(cè)護板裝置受力很大。
另一種是鉸接式側(cè)護板，如圖2-9d、所示。它克服了以上兩種側(cè)護板的缺點，但由于架間側(cè)護板造成三角帶容易填入碎矸，影響架間密封效果。
圖2-9 側(cè)護板結(jié)構(gòu)的形式
Fig.2-9 mining sorting mechanism?method
2.7.2側(cè)護板尺寸的確定
（1）頂梁側(cè)護板側(cè)向?qū)挾?
頂梁測護板側(cè)向的寬度，根據(jù)液壓支架的升降高度和推移步距來確定。即：當(dāng)前一架升起時，另一架降柱時，需要保證相鄰兩架之間側(cè)護板不能夠脫離接觸，同時又要考慮到支架降柱后需要向前前移動，為了防止頂梁后部側(cè)護板脫離了接觸，所以頂梁的側(cè)護板后部需要加寬，加寬長度一般為從頂梁的后部起大于一個移架的步距。
（2）掩護梁側(cè)護板側(cè)向?qū)挾?
掩護梁的側(cè)護板側(cè)面寬度，需要考慮移架的步距，一般比一個移架的步距大100mm，當(dāng)一個架固定，另一架前移時，兩架之間才能封閉，同時考慮到降架前移時，掩護梁側(cè)護板的下部不至于脫開，所以在掩護梁的下部需要加寬。
（3）頂梁與掩護梁的側(cè)護板的上部寬度和活動側(cè)護板的行程有關(guān)系，從兩臺相鄰支架距離的確定。本次設(shè)計選用頂梁和掩護梁測擴板上部寬度為200mm。
（4）本次設(shè)計兩側(cè)活動的側(cè)護板活動方式。
2.8前梁千斤頂推拉力的確定
(2-20)
3液壓支架的受力分析
3.1支撐掩護式支架受力分析與計算
當(dāng)液壓支架撐牢在頂?shù)装逯g時，取其整體或某一部件為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此，把支架簡化成平面桿系進行受力分析和計算。
支架整體受力如圖3-2所示
圖3-1支撐掩護式整體受力
Fig.3-1 bracing caving shield lining resistance?
（1）取前梁為分離體進行受力分析，如圖3-3所示。
圖3-2前梁分離體受力
Fig.3-2 lock piece liberation map
求a點的內(nèi)力 ,Y和Fm為 ：
（3-1）
式中： Xa—前梁a梁點所受水平力，KN待求
Pk—前梁千斤推力。P=298.45KN
β—前梁千斤頂水平傾角， β=00
代入公式（3-1）得
（3-2）
式中： —前梁千斤頂鉸接點距頂梁距離 取330mm
—前后梁鉸點距頂梁距離 取95mm
—前梁長度 取900mm
代入公式（3-2）得
（3-3）
式中： Y—前梁點受垂直力 kN
Fm—前梁千斤頂所受集中力 kN
β—前梁千斤頂水平傾角 β=00
代入公式（3-3）得
Ya=77.93KN
（1） 取后梁為分離體進行受力分析，如圖3-4所示
（3-4）
（3-5）
式中：
—后梁所受集中力 kN
—后梁所集中力 kN?
ω—頂梁千斤頂板摩擦系數(shù)，ω=0.3
—前排立柱的合力 =2514（kN）
—后排立柱的合力，P=2514（kN）
—的反作用力
—的反作用力
—后梁b點所受垂直力，kN
圖3-3后梁分離體受力
Fig.3-3 aving shield pressure
由式(3-4)和(3-5)聯(lián)立，求Fn
整理得
（3-6）
式中：θ—瞬心角（度）
代入公式（3-6）得 Fn=5289.23(kN)
由式（3-4）得 x=1171.93(kN)
由式（3-5）得 y=358.29(kN)
x= （3-7）
式中：
x —后梁集中力作用點與頂梁后端之距 mm
h7—掩護梁與頂梁鉸點與頂梁上表現(xiàn)之距， h7=150mm
L4—前排立柱上鉸點與頂端后端之距， L4=1425mm
L5—后排立柱上鉸點與頂梁后端之距， L5=600mm
h4—前排立柱上鉸點與頂梁上表面之距， h4=200mm
h5—后排立柱上鉸點與頂梁上表面之距 ， h5=200mm
L2—前排立柱上鉸點與前后梁鉸點之距 ， L2=1007mm
代入公式（3-7）得
X=961.93(mm)
（3）取掩護梁為分離體進行受力分析。如圖3-5所示。寫出連桿受力F,的表達式。
圖3-4掩護梁分離體受力
Fig.3-4 caving lock piece?liberation?pressure
（3-8）
式中：
F6—后連桿力； KN
α4—后連桿與水平面的夾角；度
α5—前連桿與水平面的夾角；度
—的反作用力。
代入公式（3-8）得
（3-9）
式中： F—前連桿力，kN
代入公式（3-9）得
（4）頂梁載荷分布
把頂梁所受頂板的載荷求出后，就可以進一步計算出載荷在頂梁上面的分布情況。由于頂板與頂梁接觸情況不同，載荷實際分布很復(fù)雜。為了使計算方便，假設(shè)頂梁與頂板均勻接觸并且載荷為線性分布。
設(shè)頂梁長為Lg頂板的集中載荷為F1,其作用點距頂梁一端為X。
圖3-5頂梁三角形載荷分布
Fig.3-5 lock piece?triangular pressure
當(dāng)Lg/3時，載荷分布為三角形，如圖3-6所示
頂梁前端比壓q2為零，后端比壓q3為:
×10 (3-10)
式中： q3—頂梁后端比壓, MPa
Bm—頂梁寬度，Bm=1600mm
代入公式（3-10）得
（5）支護強度
液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，它的結(jié)構(gòu)尺寸已確定。再經(jīng)過受力分析，它的外載荷也已確定。因此可計算出液壓支架的實際支護強度如下式：
（3-11）
式中： Lg—頂梁長度， mm
Bm —頂梁寬度， mm
Δ—頂梁前端至煤壁的距離，mm
代入公式（3-11）得
0.869MPa
（6）支護效率
整臺液壓支架的工作阻力是從立柱工作阻力產(chǎn)生的。對掩護式支架和支撐掩護式支架而言，兩者并不是相等的。根據(jù)支護效率來評價立柱工作阻力轉(zhuǎn)為支架工作阻力的有效程度，支護效率η按下式計算：
(3-12)
式中: P—支架的名義工作阻力,KN
η－支護效率
η值與支架的架型、結(jié)構(gòu)尺寸和支架高度有關(guān)，η值過大或過小都不好。
以為支架的工作阻力F1是立柱工作阻力之和的垂直分力以及掩護梁和前、后連桿來共同承擔(dān)的，而立柱的工作阻力之和不變，當(dāng)η值過大時，表示掩護梁和前、后連桿受載增大，對于掩護梁和前、后連桿有不利的影響；所以當(dāng)η值過小時，說明立柱工作阻力不能充分發(fā)揮性能。一般要求在液壓支架工作段過程中，支撐掩護式支架因為立柱傾角較小，所以η值應(yīng)在95%～105%之間；
3.2液壓支架受力的影響因素
掩護式和支撐掩護式支架在工作過程中，各個部件的受力是變化的，它的影響因素有許多的方面。當(dāng)進行支架設(shè)計時，需要注意到以下這些因素及其影響的規(guī)律，找出主要部件受力最大的狀態(tài)。
3.2.1支架高度對支架受力的影響
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?、掩護梁的四連桿的角度等的不同，使支架受力也不同。
3.2.2摩擦系數(shù)對支架受力的影響
液壓支架在工作過程中，頂梁與頂板、底座與底板以及掩護梁與它上面的矸石之間均存在著相對運動，因此在相對運動兩者之間產(chǎn)生摩擦力。這摩擦力的大小與摩擦系數(shù)W有關(guān)，并且直接影響支架受力、支護效率等。
3.2.3前梁千斤頂?shù)耐评χЪ艿氖芰τ绊?
液壓支架在實際的工作過程中，前梁千斤頂?shù)耐屏屠κ亲兓?。按支架在如下工況時進行計算：支護高度為頂梁承受最大合力時的高度值，矸石作用力0，摩擦系數(shù)W=0.3，并且按前梁千斤頂產(chǎn)生的推力和拉力兩種情況分別進行支架的受力計算，研究結(jié)果得出，前梁千斤頂產(chǎn)生拉力時，頂梁后端比壓增大，能夠增加切頂能力，底座比壓分布狀態(tài)較好，這樣連桿受力較??；當(dāng)頂梁千斤頂產(chǎn)生推力時，頂梁合力的作用點向前前移，將使頂梁前端支撐能力提高，底座前端的比壓增大，連桿受力也將增加。
3.2.4 tgθ值支架受力的影響
tgθ值對支架受力的影響，tgθ值增加，附加力也提高。當(dāng)摩擦系數(shù)w=0.3，tgθ=1時，附加力可高達支架名義工作阻力的30%。因此，tgθ值過大對于液壓支架受力有不利的影響。在支架的工作高度范圍內(nèi)，一般把tgθ值控制在0.35以下，把附加力控制在支架名義工作阻力的10%范圍下。
4 液壓支架的底座設(shè)計
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，還要求對底板起伏不平的適應(yīng)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、推移裝置和其它輔助裝置，要便于人員操作；能起一定的擋矸排矸作用等。
4.1底座的結(jié)構(gòu)型式及尺寸確定
4.1.1 底座的結(jié)構(gòu)型式
（1）整體剛性底座
底座用鋼板焊接成的箱形結(jié)構(gòu)，底部封閉。具有較強的強度、穩(wěn)定性好、對底板比壓小的特點；缺點是排矸性能差。該底座適用于底板比較松軟、采高與傾角較大以及頂板穩(wěn)定的采煤工作面。
（2）分式剛性底座
底座分為左右