支撐掩護(hù)式液壓支架設(shè)計(jì)

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內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 1 頁(yè)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(shè) 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(jìn) 入 回 采 工 作 面 和 推 進(jìn) 輸 送 機(jī) 。 它 與 采 煤 機(jī) 配 套 使 用 ，實(shí) 現(xiàn) 采 煤 綜 合 機(jī) 械 化 ， 解 決 機(jī) 械 化 采 煤 工 作 中 頂 板 管 理 落 后 于 采 煤 工 作 的 矛 盾 ， 進(jìn) 一步 改 善 和 提 高 采 煤 和 運(yùn) 輸 設(shè) 備 的 效 能 ， 減 輕 煤 礦 工 人 的 勞 動(dòng) 強(qiáng) 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(jī)械化采煤設(shè)備（液壓支架、可彎曲輸送機(jī)和采煤機(jī)）的重要組成設(shè)備之一;在生產(chǎn)過(guò)程中，液壓支架的性能的好壞將直接影響煤礦生產(chǎn)的質(zhì)量,特別是生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)人員的安全保障問(wèn)題是極為重要的。因此，性能優(yōu)良的液壓支架是技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、安全上可靠，是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的主要設(shè)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(jù)和方法各不相同。⑴ 按支架與圍巖的相互作用關(guān)系分類按照液壓支架與圍巖的相互作用關(guān)系，目前使用的液壓支架可分為三類，即支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式三大類。① 支撐式液壓支架是一個(gè)在底座上放置幾根立柱支撐頂梁，通過(guò)頂梁支撐頂板的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 2 頁(yè)其頂梁較長(zhǎng)，立柱較多，靠支撐作用維護(hù)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(jiān)硬完整，基本頂周期壓力明顯或強(qiáng)烈，底板較堅(jiān)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 掩護(hù)式液壓支架 掩護(hù)式液壓支架是利用立柱、頂梁與掩護(hù)梁支護(hù)頂板和防止巖石落入工作面。這類支架的頂梁較短，多數(shù)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(hù)梁連接或直接連接在頂梁上。立柱通過(guò)頂梁支撐頂板。掩護(hù)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(hù)性能和穩(wěn)定性較好，調(diào)高范圍大，對(duì)破碎頂板的適應(yīng)性較強(qiáng)，適應(yīng)于支護(hù)部穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的松散破碎頂板。③ 支撐掩護(hù)式支架支撐掩護(hù)式支架是支撐式支架和掩護(hù)式支架相結(jié)合的一種架型，以支撐為主，但同時(shí)又具有掩護(hù)作用。這種支架采用了支撐式支架雙排立柱支撐頂梁的結(jié)構(gòu)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(diǎn)，采用了掩護(hù)式支架堅(jiān)固的掩護(hù)梁以及側(cè)護(hù)板將工作面與采空區(qū)完全隔離開(kāi)的結(jié)構(gòu)形式，保留了掩護(hù)式支架防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的長(zhǎng)處。因此，支撐掩護(hù)式支架適用于直接頂中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，基本頂周期來(lái)壓明顯或強(qiáng)烈瓦斯涌出量較大的煤層。⑵ 按支架移動(dòng)方式分類：整體自移式液壓支架，邁步移動(dòng)式液壓支架。⑶ 根據(jù)使用地點(diǎn)分類：液壓支架按使用地點(diǎn)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(gòu)成及原理1.2.1 液壓支架的組成液壓支架一般有結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件和輔助裝置四大部分組成。⑴ 承載結(jié)構(gòu)件① 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(guò)頂梁實(shí)現(xiàn)支撐、管理頂板功能。頂梁一般由兩種結(jié)構(gòu)形式：一種為整體頂梁，這種頂梁的梁體較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 3 頁(yè)簡(jiǎn)單，能順利通過(guò)頂板局部冒落凹坑，但對(duì)頂板臺(tái)階的適應(yīng)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(dòng)前梁、鉸接式活動(dòng)前梁或兼而有之的活動(dòng)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(zhuǎn)，因而比整體頂梁容易滿足港督要求。② 掩護(hù)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(guò)頂梁傳遞的水平推力的部件叫掩護(hù)梁。掩護(hù)梁是掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的特征部件之一。掩護(hù)梁與前后連桿、底座共同組成四連桿機(jī)構(gòu)，承受支架的水平分力。當(dāng)?shù)装宀黄綍r(shí)，掩護(hù)梁還將承受扭轉(zhuǎn)載荷。掩護(hù)梁一般做成箱式整體結(jié)構(gòu)，也有做成左、右對(duì)分結(jié)構(gòu)的。③ 前后連桿前后連桿只有掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架才安設(shè)。前后連桿與掩護(hù)梁、底座組成的四連桿機(jī)構(gòu)，即可承受支架的水平分力，又可使掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)在支架的調(diào)高范圍內(nèi)做近似的直線運(yùn)動(dòng)，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(jié)構(gòu)，即左、右各一件。后連桿常常用鋼板將兩個(gè)箱形結(jié)構(gòu)連接在一起。④ 底座直接與底板相接觸，承受立柱傳來(lái)的頂板壓力并將其傳遞至底板的部件叫底座。支架通過(guò)底座與推移裝置相連，以實(shí)現(xiàn)自身前移和推移輸送機(jī)前移。⑤側(cè)護(hù)板目前生產(chǎn)的掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架都具有較完善的側(cè)護(hù)裝置，不僅掩護(hù)梁兩側(cè)有側(cè)護(hù)板，而且主梁或整體頂梁從前排立柱到頂梁后端的兩側(cè)也有側(cè)護(hù)板。側(cè)護(hù)板的作用是：a.消除相鄰支架掩護(hù)梁和頂梁之間的架間間隙，防止冒落矸石進(jìn)入支護(hù)空間；b.作為支架移架過(guò)程中的導(dǎo)向板；c.防止支架降落后傾倒；d.調(diào)整支架的間距。支架工作時(shí)一側(cè)的側(cè)護(hù)板是固定的，另一側(cè)為活動(dòng)的。制造時(shí)，通常兩側(cè)側(cè)護(hù)板做成對(duì)稱的；安裝時(shí)，可按需要將一側(cè)側(cè)護(hù)板用螺栓或銷子固定在頂梁和掩護(hù)梁上。按側(cè)護(hù)板和掩護(hù)梁或頂梁上板面關(guān)系，側(cè)護(hù)板有上復(fù)式、埋伏式、抽出式和拆頁(yè)式等幾種結(jié)構(gòu)型式。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 4 頁(yè)⑵ 執(zhí)行元件執(zhí)行元件包括立柱和各種千斤頂。① 立柱支架上凡是支撐在頂梁（或掩護(hù)梁）和底座之間直接或間接承受頂板載荷、調(diào)節(jié)支護(hù)高度的液壓缸稱為立柱。立柱是液壓支架的主要?jiǎng)恿υ?，可分為單伸縮和雙伸縮兩種。單伸縮立柱調(diào)高范圍較小，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；雙伸縮立柱則與之相反。有的立柱兩端還有機(jī)械加長(zhǎng)段。立柱兩端一般采用球面結(jié)合形式與頂梁和底座鉸接。② 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(cè)推千斤頂、平衡千斤頂、護(hù)幫千斤頂和復(fù)位千斤頂?shù)?。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(jié)構(gòu)與立柱基本相同，只是長(zhǎng)度和行程較短，也有人稱它為短柱。平衡千斤頂是掩護(hù)式支架獨(dú)有的，其兩端分別與掩護(hù)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(dāng)支架設(shè)置防倒防滑裝置時(shí)，還設(shè)有各種防倒、防滑千斤頂和調(diào)架千斤頂。⑶ 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 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?shù)念~定工作阻力來(lái)調(diào)整開(kāi)啟壓力。當(dāng)立柱和千斤頂工作腔內(nèi)的液體壓力在外載荷作用下超過(guò)額定工作阻力，即超過(guò)安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，工作腔內(nèi)的壓力液可通過(guò)安全閥釋放，達(dá)到卸壓目的。卸載以后，工作腔內(nèi)的壓力低于調(diào)定壓力時(shí)，安全閥自動(dòng)關(guān)閉。在此過(guò)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(guò)載損壞。② 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?shù)哪骋磺恢械囊后w，使之承受外載產(chǎn)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 操縱閥在支架液壓控制系統(tǒng)中用來(lái)使液壓缸換向，實(shí)現(xiàn)支架各個(gè)動(dòng)作換向（分配）閥，習(xí)慣上稱為操縱閥。操縱閥有轉(zhuǎn)閥和滑閥二種類型。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 5 頁(yè)⑷ 輔助裝置輔助裝置包括推移裝置、擋矸裝置、復(fù)位裝置、護(hù)幫裝置、防倒防滑裝置等。① 推移裝置退役裝置是實(shí)現(xiàn)支架自身前移和刮板輸送機(jī)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(guò)框架、連接頭與刮板輸送機(jī)相連。② 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(gòu)成，其作用是防止矸石從采空區(qū)涌入工作面。③ 復(fù)位裝置復(fù)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(jī)構(gòu)，因而支架的結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在側(cè)向力的作用下，容易發(fā)生立柱傾斜現(xiàn)象。安設(shè)復(fù)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有抵抗頂板水平分力的能力。④ 護(hù)幫裝置煤層較厚或煤質(zhì)松軟時(shí)，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(guó)規(guī)定，煤層采高超過(guò) 2.5～2.8m，支架應(yīng)設(shè)護(hù)幫裝置，其目的在于防止煤壁片幫或在片幫時(shí)互幫板起到遮蔽作用，避免砸傷工作人員或損壞設(shè)備。護(hù)幫裝置安設(shè)在支架頂梁前端，由護(hù)幫板和護(hù)幫千斤頂組成。⑤ 防倒防滑裝置在煤層傾角較大（一般在 15°以上）時(shí)，支架需加設(shè)防倒防滑裝置，以免支架降落或前移時(shí)傾倒或下滑。防滑裝置一般安設(shè)在兩相鄰支架的底座側(cè)面，防倒裝置一般安設(shè)在兩相鄰支架的頂梁側(cè)面。1.2.2 液壓支架的工作原理內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 6 頁(yè)圖 1-1 液壓支架工作原理1——輸送機(jī)； 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(guò)程中，必須具備升、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓乳化液通過(guò)工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來(lái)完成。如圖 1-1 所示。⑴ 升柱當(dāng)需要架上升支護(hù)頂板時(shí)，高壓乳化液進(jìn)入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動(dòng)活塞上升。使活塞桿相連接的頂梁緊緊接觸頂板。⑵ 降柱當(dāng)需要降柱時(shí)，高壓液進(jìn)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。⑶ 支架和輸送機(jī)前移支架和輸送機(jī)的前移，都是由底座上的推移千斤頂來(lái)完成的。當(dāng)需要支架前移時(shí)，先降柱卸載，然后高壓液體進(jìn)入千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機(jī)的為支點(diǎn)，缸體前移，把整個(gè)支架拉向煤壁；當(dāng)需要推輸送機(jī)時(shí)，支架支撐頂板后，高壓液進(jìn)入千斤頂?shù)幕钊唬硪磺换匾?，以支架為支點(diǎn)，使活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。支架的支撐力與時(shí)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(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化過(guò)程可以分為三個(gè)階段。支架升柱時(shí)，此階段為初撐階段 t ；此時(shí)支架的初撐力為：0P = D p n （ KN） c4?2 b310?（1.1）式中 D——支架立柱的缸徑，m；內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 7 頁(yè)p ——泵站的工作阻力，Mpa；bn——支架立柱的數(shù)量。立柱收縮，此階段為恒阻階段 t ，此時(shí)支架的工作阻力為3P= D p n （KN） ， 4?2a310?（1.2）式中 p ——支架安全閥的調(diào)定壓力，Mpa；a其它符號(hào)意義同前。支架的工作阻力標(biāo)志著支架的最大承載能力。1. 3 液壓支架設(shè)計(jì)的目的和要求1.3.1 設(shè)計(jì)目的采用綜合機(jī)械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。為了滿足對(duì)煤炭日益增長(zhǎng)的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機(jī)械化采煤工作面。而每個(gè)綜采工作面平均需要安 200 臺(tái)液壓支架，可見(jiàn)對(duì)液壓支架的需要量是很大的。研制和開(kāi)發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。圖 1-2 支架的工作特性曲線內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 8 頁(yè)t ——初撐階段； t ——增阻階段； t ——橫阻階段；0 1 2P ——初撐力； P ——工作阻力1 21.3.2 對(duì)液壓支架的基本要求1.為了滿足采煤工藝及地質(zhì)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(fēng)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(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?.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(shè)計(jì)依據(jù)液壓支架畢業(yè)設(shè)計(jì)的原始條件應(yīng)從煤礦現(xiàn)場(chǎng)獲得或由指導(dǎo)教師給出。這些原始條件是液壓支架畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。它包括：頂壓、煤層高度（即厚度） 、煤層傾斜度、頂板性質(zhì)，底板強(qiáng)度及平整性、瓦斯含量、年產(chǎn)量等。1.頂壓：頂壓是設(shè)計(jì)支架承載能力的依據(jù)，承載能力安全系數(shù)一般取 1.2。2.煤層高度：它與支架設(shè)計(jì)的最大支撐高度有關(guān)。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(kāi)采，設(shè)計(jì)支架的最大支撐高度應(yīng)大于采高。若厚煤層采用放頂煤開(kāi)采方式，則支架設(shè)計(jì)的最大支撐高度只許大于采高即可。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 9 頁(yè)3．煤層傾斜度：煤層傾斜角度過(guò)大時(shí)，支架應(yīng)設(shè)置防滑防倒裝置。4．頂板性質(zhì)：頂板的性質(zhì)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(hù)式支架；不穩(wěn)定頂板選用掩護(hù)式支架。5．底板強(qiáng)度及平整性：它與移架的順利與否有關(guān)。因此涉及到支架底座的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)布局有關(guān)）和推移千斤頂設(shè)置形式等。6．瓦斯含量：若瓦斯含量大，必須考慮支架的通風(fēng)斷面也要大。7．年產(chǎn)量：年產(chǎn)量涉及到采煤機(jī)的開(kāi)采能力和運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力（即選擇適當(dāng)型號(hào)的采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)） ，因此設(shè)計(jì)支架的幾何參數(shù)也應(yīng)與之相應(yīng)配套。2.2 頂板的分類2.2.1 基本概念液壓支架具有支護(hù)和控制采煤后暴露的頂板，形成一個(gè)工作空間，保證工人和采運(yùn)設(shè)備進(jìn)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(guān)于直接頂?shù)姆诸悾鱾€(gè)國(guó)家有其各自的方法。我國(guó)對(duì)直接頂?shù)姆诸愂且罁?jù)直接頂?shù)膹?qiáng)度指數(shù) D 來(lái)劃分的。強(qiáng)度指數(shù) D 反映了直接頂強(qiáng)度的主要指標(biāo)，即：D=10σ · · 或 D1=10σ· · （ ） 1C2 1C2aMP（2.1）上述系數(shù) D、C1 、C2 的值可由表 2-1 查得。表 2-1 直接頂分類Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ不穩(wěn)定頂板中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅(jiān)硬 頂板類別指標(biāo)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 10 頁(yè)主要指標(biāo)強(qiáng)度指數(shù) D強(qiáng)度指數(shù) D1≤30≤331～703～770～1207～12＞120＞12參考指標(biāo)直接頂初次垮落步距L1(m)≤8 9～1819～25＞25無(wú)直接頂；層厚在 2～5m 以上；σD ＞60～80 MPa；節(jié)理裂隙間距和分層厚度大于 1m的整體巖層我國(guó)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(jiān)硬頂板：極難冒落。2.2.3 老頂分級(jí)老頂來(lái)壓的強(qiáng)弱取決于冒落帶充滿采空區(qū)的系數(shù) N(冒落帶巖石對(duì)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(lái)壓步距 L2 的大小。N 值用下式表示：N= hH（2.2）式中： h----直接頂?shù)暮穸龋╩） ；H----采高（m） 。根據(jù) N 和 L2 值，將老頂分為四級(jí)，如表 2-2 所示。表 2-2 老頂分級(jí)級(jí) 別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ周 不明顯 明顯 強(qiáng)烈 極強(qiáng)烈內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 11 頁(yè)期來(lái)壓指 標(biāo)N＞3～50.3＜N≤3～5=25～2L30(m)0.3＜N≤3～5＞50(2Lm)N≤0.3=25～2L50(m)N≤0.3＞50(2Lm)當(dāng)充滿采空區(qū)系數(shù) N 越大，老頂初次來(lái)壓步距 L2 越小時(shí)，老頂周期來(lái)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(lái)壓就強(qiáng)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(zhì)條件，結(jié)合各類支架的不同性能和特點(diǎn)，選擇一種較為合理的架型。下面簡(jiǎn)要介紹影響架型選擇的因素和如何有針對(duì)性地進(jìn)行架型選擇。2.3.1 已知設(shè)計(jì)條件1.支架參數(shù) 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(jí)別 Ⅲ級(jí) 老頂周期來(lái)壓強(qiáng)烈 2.3.2 支架架型選擇以及基本參數(shù)的確定A.液壓支架的架型選擇⑴ 選型原則 ：支架選型應(yīng)使支架支護(hù)強(qiáng)度與采面礦壓相適應(yīng)，支架結(jié)構(gòu)與煤層賦存條件相適應(yīng)，支護(hù)斷面與通風(fēng)相適應(yīng)，液壓支架與采煤機(jī)、輸送機(jī)等設(shè)備相匹配。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 12 頁(yè)⑵ 選型主要依據(jù)：所選采面的煤層狀況，頂?shù)装寮安蓞^(qū)的地質(zhì)條件，以及各不同的支架類型所具有的不同的性能和特點(diǎn)。 ⑶ 影響架型選擇的因素a.頂板直接頂?shù)念悇e與老頂?shù)募?jí)別對(duì)支架選型起主導(dǎo)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(yīng)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(hù)式或支撐式掩護(hù)支架等，一般采用即時(shí)支護(hù)方式。必要時(shí)應(yīng)設(shè)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(lái)壓也明顯，則應(yīng)選擇頂梁后端支撐力較高的架型。例如支撐掩護(hù)式或支撐式支架。必要時(shí)，可采用滯后支護(hù)方式和比較簡(jiǎn)單的架間密封。對(duì)堅(jiān)硬難冒頂板則應(yīng)使掩護(hù)梁盡可能陡立，支架應(yīng)有抗沖擊措施。b.底板⑴ 底板承受支架的全部載荷，對(duì)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(jié)構(gòu)和支撐面積。選型時(shí)，要驗(yàn)算底座對(duì)底板的接觸比壓，其值要小于底板的允許比壓（對(duì)于砂巖底板，允許比壓為 1.96～2.16MPa，軟底板為 0.98 MPa左右） 。如果尖端比壓大于容許比壓，則需要改變支架結(jié)構(gòu)參數(shù)或另選架型⑵ 對(duì)于松軟底板，可以考慮如下建議：① 在配套設(shè)備許可情況下，采用插腿式掩護(hù)支架。② 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(shí)，才可以考慮用分體底座。⑶ 煤層厚度① 厚度超過(guò) 2.5ｍ，頂板有側(cè)向推力或水平推力時(shí)，應(yīng)選用抗扭能力強(qiáng)的支架，一般不宜選用支撐式支架。② 厚度達(dá)到 2.5m 至 2.8m 以上時(shí)，需要選擇帶有護(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。③ 煤層厚度變化大時(shí)，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護(hù)式，帶有機(jī)械加長(zhǎng)桿或雙伸縮立柱的支架。④ 假頂分層開(kāi)采，應(yīng)選用掩護(hù)式支架。⑷ 煤層傾角內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 13 頁(yè)① 傾角在 10 度至 15 度（支撐式支架取下限，掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架取上限）以上時(shí)選用帶有防滑裝置的支架。② 傾角在 18 度以上時(shí)，應(yīng)選用同時(shí)帶防滑防倒裝置的支架。如表 2-3 所示，支架架型。⑸ 底板強(qiáng)度① 驗(yàn)算比壓，應(yīng)使支架底座對(duì)底板的比壓不超過(guò)底板的允許比壓。② 為了移架容易，設(shè)計(jì)時(shí)要使支架底座前部比后部比壓小。⑹ 瓦斯含量對(duì)瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合保安規(guī)程的要求，并選用通風(fēng)斷面較大的支撐式或支撐掩護(hù)式支架。 表 2-3 支架架型選擇老頂級(jí)別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ直接頂類別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4支架架型掩護(hù)式 掩護(hù)式 支撐式 掩護(hù)式掩護(hù)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(hù)強(qiáng)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(yīng)結(jié)合深孔爆破軟化頂板等措施處理采空區(qū)。注: ⑴ 表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字系掩護(hù)式支架頂梁上的支護(hù)強(qiáng)度。⑵ 1.3、1.6、2 為增壓系數(shù)。⑶ 表中采高為最大采高 。⑺ 地質(zhì)構(gòu)造斷層十分發(fā)育，煤層厚度變化過(guò)大，頂板的允許暴露面積和時(shí)間在 5—8 平方米和 20 分鐘以下時(shí)，暫時(shí)不宜使用綜采。⑻ 設(shè)計(jì)成本內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 14 頁(yè)在同時(shí)允許選用幾種架型時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜的支架。支撐式支架最便宜，其次是掩護(hù)式，最貴的是支撐掩護(hù)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(xué)性能能否適應(yīng)礦井的頂?shù)装鍡l件和地質(zhì)條件。具體選擇可根據(jù)原煤炭部（81）煤科字第 429 號(hào)文件關(guān)于試用《緩傾斜煤層工作面頂板分類》和已知條件來(lái)選取架型按表 2-3 根據(jù)老頂級(jí)別和直接頂類別來(lái)確定支架架型，再根據(jù)老頂級(jí)別和采高確定支護(hù)強(qiáng)度。支護(hù)強(qiáng)度被定義為單位支護(hù)面積的支護(hù)阻力（或叫支架的工作阻力） 。根據(jù)以上各參考條件以及已知的設(shè)計(jì)條件（頂?shù)装宓刭|(zhì)條件）結(jié)合表 2-3，選 ZY型支撐掩護(hù)式支架，其支護(hù)強(qiáng)度為 1.6×0.45Mpa。第 3 章 支架性能分析及其主要工作參數(shù)的確定3.1 支架支護(hù)性能分析液壓支架屬于空間桿系機(jī)構(gòu)，在支架的工作過(guò)程中，各構(gòu)件常受到偏心與復(fù)合載荷，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 15 頁(yè)其受力情況比較復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算和安全可靠起見(jiàn)，通常把支架看成為平面桿系機(jī)構(gòu)，以支架的最大工作阻力為依據(jù)，按最壞的工作情況下受垂直集中載荷的方式進(jìn)行受力分析和計(jì)算，其合力的大小和作用點(diǎn)依據(jù)其具體結(jié)構(gòu)和取隔離體的方法來(lái)確定。3.1.1 影響支撐力的因素（1）當(dāng)支架升降時(shí)，L、L 1、α、θ、h、c、β 都會(huì)發(fā)生變化，從而引起支架支撐效率的變化，必須合理設(shè)計(jì)支架的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，保證支架在升降高度的范圍內(nèi)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(duì)煤層厚度的適應(yīng)性，但使其支撐效率降低了。為此一般限制支架在最高位時(shí) α 為 10o左右，在最低位時(shí) α 應(yīng)小于或等于 20o。這樣不僅支撐效率波動(dòng)小，同時(shí)使立柱盡量靠近頂梁與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)，以縮短 L1的距離，而增大支撐效率。（3）適當(dāng)增大掩護(hù)梁的傾斜角 β 來(lái)減小 W 力也可提高支撐力。支架在最高位時(shí)，β=50 o～60 o，在最低位時(shí)，β 不得小于 10o。（4）四連桿機(jī)構(gòu)的瞬心應(yīng)盡量接近頂梁平面，有助于減少支撐力的波動(dòng)，一般限制θ≤6 o～9 o。有條件，最好進(jìn)行四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.1.2 支架所受水平力支架上受的水平力有兩個(gè)方面：即由外載荷作用產(chǎn)生的水平力和支架本身結(jié)構(gòu)造成的水平力。前者是必然的，后者在于架型結(jié)構(gòu)。外載荷作用產(chǎn)生的水平力由頂板載荷和掩護(hù)梁載荷產(chǎn)生：頂板載荷的作用使頂梁向老塘側(cè)傾斜如圖 3-7 所示，這樣，頂板除給頂梁一個(gè)垂直分力 Rcosα 外，還給頂梁施加一個(gè)指向老塘的滑動(dòng)力 Rsinα，因頂梁傾角 α 很小，所以可近似地把該滑動(dòng)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(hù)梁上，也會(huì)對(duì)支架產(chǎn)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(hù)梁的傾角 β、矸石冒落的高度 H 等，其計(jì)算如下：β·sinβ （KN） （3.1）'210cosgHTKWt?沖式中： ----矸石以沖擊方式作用在掩護(hù)梁斜面而產(chǎn)生的水平力（KN） ；沖內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 16 頁(yè)K----矸石對(duì)掩護(hù)梁作用方式系數(shù)，一般 K=0～1，大塊矸石作用時(shí)取最大值；W‘、t、H----冒落矸石的重量、沖擊作用時(shí)間、沖擊高度（T、S、m） ；g----重力加速度 g=9.8m/ ；2sβ----掩護(hù)梁與頂梁水平面間的夾角（度） 。圖 3-7 頂板和矸石分別對(duì)頂梁和掩護(hù)梁產(chǎn)生的水平力支架本身結(jié)構(gòu)引起的水平力主要與立柱的布置方式和保護(hù)支架的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)有關(guān)。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(shù)量等。而保護(hù)支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)引起的水平力與其不穩(wěn)定程度有關(guān)。 3.1.3 支架的側(cè)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(duì)支架有著側(cè)向推力的作用，如圖 3-8 所示，其大?。簣D 3-8 頂板受側(cè)向力圖 3-8 頂板對(duì)支架的側(cè)向推力圖 3-8 頂板對(duì)支架的側(cè)向推力內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 17 頁(yè)γ （KN） （3.2）TRtg??側(cè)式中：R----支架對(duì)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(cè)向力為 =1206(KN)T側(cè)由于立柱采用球面鉸接連接，故此側(cè)向力施到四連桿機(jī)構(gòu)上，呈現(xiàn)出翻轉(zhuǎn)力矩為：γ （KN·m） （3.3）MTHRtg??側(cè)式中：H----支架的支撐高度（m） 。 3980（KN·m）M?因此，對(duì)于上述傾斜煤層中使用的支架必須設(shè)置防倒和防滑裝置。3.1.4 支撐掩護(hù)式支架受力支撐掩護(hù)式支架結(jié)合了支撐式支架支撐力大和掩護(hù)式支架掩護(hù)性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)頂板的適應(yīng)性能強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。同樣用前述取隔離的方法，對(duì)該類支架進(jìn)行受力分析：3.1.4.1 直接支撐的支撐掩護(hù)式支架其受力情況如圖 3-9 所示。通過(guò)取隔離體的方法計(jì)算出頂梁上載荷 R 的大小及其作用點(diǎn)的位置 x 分別為：（KN）1212[coss ]cRPWftg L????????（ Pin+si） tg-（3.4）（m） （3.5）1122x??（ L+co）3.1.4.2 混合支撐的支撐掩護(hù)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(jì)算出頂梁上載荷 R 的大小及其作用點(diǎn)的位置 x 分別為： 21 2[coscosLRPftg??????（ -） P（KN） （3.6）12]W?（ in+i） tg-（m） （3.7）cosxLR??內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 18 頁(yè)支撐掩護(hù)式支架的適用性很廣，可用于頂板堅(jiān)硬、壓力較大或破碎的各種煤層。但與支撐式和掩護(hù)式支架相比，造價(jià)較高。支撐掩護(hù)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(hù)式支架圖 3-10 混合支撐的支撐掩護(hù)式支架內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 19 頁(yè)圖 3-11 支撐掩護(hù)式支架的受力分布圖由于直接支撐的支撐掩護(hù)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(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，所以在此選用兩柱式的支架。3．2 支架主要工作參數(shù)的確定液壓支架主要工作參數(shù)包括：支護(hù)強(qiáng)度 q、工作阻力 P、初撐力 、支架高度 H、伸'縮系數(shù) 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(hù)強(qiáng)度 q支護(hù)強(qiáng)度表示支架單位支護(hù)面積上所承受的力。所設(shè)計(jì)支架支護(hù)強(qiáng)度的大小直接影響支架的重量、成本和其使用范圍。設(shè)計(jì)支架支護(hù)強(qiáng)度可以按照表 2-6 給出的推薦值或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量頂板壓力情況外，還可以通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。其計(jì)算式如下：（ ） （3.8）22110qkH?????（ T/m） =kaMP式中：k1----作用于支架上頂板巖石厚度系數(shù)。H ----采高（m） ；γ----巖石容重，一般取 2.3 T/ m2。我國(guó)取 k1=5，西德取 k1=5.2，日本取 k1=5，英國(guó)取 k1=5～7，蘇聯(lián)取 k1=6～8，印度取 k1=5，美國(guó)取 k1=16，波蘭取 k1=6；由上述可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度都是按巖石自重法來(lái)確定其大小的。其特點(diǎn)是：都用采高的倍數(shù)和巖石容重的乘積來(lái)表示，區(qū)別在于因煤層條件不同而取不內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 20 頁(yè)同的系數(shù)。因此，采高越大，支護(hù)強(qiáng)度也越大。由上章表 2-1 可以按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取支護(hù)強(qiáng)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(hù)強(qiáng)度 q 與支護(hù)面積 F 的乘積，即為支架對(duì)頂板的總支撐力， （支護(hù)面積 F 應(yīng)按前邊圖 2-7 和式 2-4 計(jì)算） 。它是支架的重要參數(shù)。支架的結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)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(yīng)，即：P≤R （3.9）式中：P----支架具有的工作阻力（KN） ；R----支架工作時(shí)需承受的頂板載荷（KN） 。由上述可見(jiàn)，確定支架的工作阻力實(shí)際上是確定支架需要承受頂板的載荷。頂板載荷應(yīng)根據(jù)礦山壓力的大小來(lái)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(zhì)、煤層厚度、煤層傾斜角、煤層硬度、工作面長(zhǎng)度、控頂距、推進(jìn)速度、落煤方式等，所以對(duì)頂板載荷至今仍無(wú)更科學(xué)的計(jì)算方法。目前多用現(xiàn)場(chǎng)分析和觀察，進(jìn)行近似估算或折算。通?？紤]到初撐效率時(shí)（由于頂梁和掩護(hù)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(duì)頂板最初的支撐能力。它也是支架的一個(gè)重要參數(shù)。初撐力的大小取決于泵站壓力，立柱數(shù)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）2140bnDP????式中：P b ----泵站的工作壓力（MP a） ；其余符號(hào)同前。初撐力的選擇級(jí)為重要，它對(duì)直接頂?shù)钠茐淖饔煤头€(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。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 21 頁(yè)選擇較大的初撐力能使支架很快達(dá)到工作阻力，減少頂板下沉，防止頂板過(guò)早離層破碎。因此，在堅(jiān)硬、中硬或破碎頂板中，應(yīng)選用較高的初撐力。特別對(duì)于掩護(hù)式支架，高初撐力是其能否控制住破碎頂板的關(guān)鍵。而當(dāng)頂板較軟時(shí)，初撐力必須控制在頂板極限強(qiáng)度語(yǔ)序的范圍內(nèi)，否則，將引起頂板過(guò)早破壞。由于地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)的差別，目前各國(guó)選用的初撐力也不盡相同，我國(guó)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(dá)到 0.8P 以上；西德?。?.7～0.85）P；蘇聯(lián)取 0.5P；日本?。?.7～0.8）P。在此取 0.8P，所以2880（KN） 。1?3.2.4 支架高度 H 和伸縮系數(shù) K支架高度的正確選擇是支架能否正常工作關(guān)鍵。支架的高度主要由煤層的最大和最小采高決定，因此應(yīng)根據(jù)采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件變化情況和煤層等因素來(lái)確定。其最大與最小高度為：（mm） （3.11）max1Hhs??（mm） （3.12）ini2a?式中：H max 、H min ----支架的最大和最小結(jié)構(gòu)高度（mm） ；hmax 、h min ----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(shí)，支架的最小可伸縮量，一般取 。50am?支架伸縮系數(shù)是支架的最大結(jié)構(gòu)高度與最小結(jié)構(gòu)高度的比值（設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)上已經(jīng)給出最大和最小結(jié)構(gòu)高度） ，即：（3.13） maxin3.2.461HK??式中：H max ----支架最大結(jié)構(gòu)高度，應(yīng)比最大采高大 200mm 左右（考慮頂板下沉的影響） ；Hmin ----支架最小結(jié)構(gòu)高度，應(yīng)比最小采高小 250～350mm 左右（考慮浮煤的影響）對(duì)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內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 22 頁(yè)的最大、最小厚度。立柱的伸縮系數(shù) k 反映了支架結(jié)構(gòu)高度對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)能力。如果 k 過(guò)大，在設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)。一般，對(duì)于單伸縮立柱的支架，k 值不小于 1.6；對(duì)于雙伸縮立柱的支架，k 取 1.9；四柱掩護(hù)式支架和支撐式支架，k 取 2.5；兩柱掩護(hù)式支架，k 可達(dá)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(chǎn)實(shí)踐證明：決定支護(hù)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(duì)于破碎頂板，梁端距不應(yīng)超過(guò) 100mm，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。我國(guó)綜采實(shí)踐認(rèn)為：梁端距的大小對(duì)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(guò)大，會(huì)使頂板難以控制。但是，梁端距過(guò)小則易產(chǎn)生采煤機(jī)滾筒割頂梁事故。因?yàn)樵谳斔蜋C(jī)向采空區(qū)方向歪斜，底版沿走向方向有下凹或運(yùn)輸機(jī)推移量不足時(shí)，采煤機(jī)的上滾筒和頂梁之間的距離就會(huì)減少，甚至相碰。所以，梁端距通常取250～300mm，最大不超過(guò) 400mm。由于已知條件已經(jīng)給出頂板條件不穩(wěn)定，為破碎頂板，所以梁端距應(yīng)該取為 100mm。3.2.6 移架力 和推溜力1F2移架阻力與支架 v 結(jié)構(gòu)、重量、煤層厚度以及頂板、底板等條件有關(guān)，特別是后幾種條件的變化差別較大，很難計(jì)算，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)克服向煤壁推移運(yùn)輸機(jī)的阻力，一般取推溜力為 100KN 左右。當(dāng)泵站壓力確定之后，設(shè)計(jì)移架和推溜所用上作用千斤頂?shù)耐屏屠Ψ謩e為：活塞腔： （KN） 21340bDP????（3.14）活塞桿腔： （KN） 21340b?（ -）（3.15）式中：P b----泵站的工作壓力（MP a） ；內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 23 頁(yè)D1----千斤頂缸體內(nèi)徑（mm） ；D2----千斤頂活塞桿直徑（mm） 。第 4 章 液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)4.1 整體結(jié)構(gòu)的確定4.1.1 支架高度和支架伸縮比內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 24 頁(yè)已知設(shè)計(jì)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(jì)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)n由于液壓支架的使用壽命較長(zhǎng)，并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。在采用雙伸縮立柱時(shí)，垛式支架的伸縮比為 1.9；支撐掩護(hù)式支架為 2.5；掩護(hù)式支架可達(dá) 4。一般范圍是 1.5 至 2.5，煤層較薄時(shí)選大值。但考慮盡量減輕支架的重量，降低造價(jià)，可搞系列化，加強(qiáng)支架對(duì)頂板的適應(yīng)性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或帶機(jī)械加長(zhǎng)桿來(lái)增加調(diào)高范圍。在此根據(jù)上述條件選擇為 2.5。4.1.2 支架間距所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離，按下式計(jì)算b =B +nc (4.2)cm3式中 b ——支架間距（支架中心距） ，cB ——每架支架頂梁的總寬度，mc ——相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙，3n ——每架所包含的組架或框架數(shù)，整體自移式支架 n = 1；整體邁步式支架 n = 支架節(jié)數(shù)。支架間距 b 要根據(jù)支架型式來(lái)確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送c機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來(lái)確定，我國(guó)刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度為 1.5m，千斤頂連接塊位置在溜槽中長(zhǎng)的中間,所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架中心距一般為 1.5m。4.1.3 底座長(zhǎng)度底座是將頂板壓力傳遞到底版和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對(duì)頂板的接觸比壓要?。恢Ъ軆?nèi)部應(yīng)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。通常支撐掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取 4 倍的移架步距（一個(gè)移架步距為 0.6m） ，即 2.4m 左右。取底座長(zhǎng)度：2.4m。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 25 頁(yè)支架底座寬度一般為 1.1～1.3 m。取底座寬度：1.3 m。4.2 四連桿機(jī)構(gòu)的作用及幾何特征4.2.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用四連桿機(jī)構(gòu)是掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架的重要部件之一。其作用概括起來(lái)主要有兩個(gè)，其一是當(dāng)支架由高到低的變化時(shí)，借助四連桿機(jī)構(gòu)使支架頂梁前端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點(diǎn)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(jī)構(gòu)的幾何特征⑴支架高度在最大和最小范圍變化時(shí)，如圖 4-1 所示，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度 e 應(yīng)大于或等于 70mm，最好為 30mm 以下。圖 4-1 四連桿的幾何特征圖⑵支架在最高位置時(shí)和最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的夾角 P 和后連桿與底平面的夾角 Q，應(yīng)滿足如下要求：支架在最高位置時(shí)，P ≤ 52°～ 62°，Q ≤ 75°～ 85°；支架在最低位置時(shí)，為有利于矸石下滑，阻止矸石停留在掩護(hù)梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求 tgP W，如果鋼和矸石的摩擦系數(shù) 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(shí)，可提高后連桿下鉸點(diǎn)的高度。⑶從圖 4-1 可知，掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)和瞬時(shí)中心之間的連線與水平線的夾角為，θ內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 26 頁(yè)設(shè)計(jì)時(shí)要使 a 角滿足 tgθ≤0.35 的范圍，其原因?yàn)?θ 角直接影響支架承受附加力的數(shù)值的大小。圖 4-2 四連桿的幾何特征⑷ 應(yīng)取頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡雙紐線向前凸的一段為支架的工作段。其原因是當(dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，立柱讓壓下縮，使支架有向前移的趨勢(shì)，可防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時(shí)底板阻止底座向后移，使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，從而增加了頂梁前端的支護(hù)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(yīng)減小，所以減輕了掩護(hù)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(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)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(dāng)已知掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度后，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)只要把掩護(hù)梁和后連桿簡(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，運(yùn)用作圖法就可以了，如圖 4-2 所示（實(shí)際上液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)屬雙搖桿機(jī)構(gòu)） 。圖 4-3 掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 27 頁(yè)GH1H 2A2?16LQ2?4.2.3 掩護(hù)梁和四連桿長(zhǎng)度的確定 一、掩護(hù)梁和四連桿的性能要求由于掩護(hù)梁與底座間構(gòu)成一個(gè)雙搖桿四桿機(jī)件。所以掩護(hù)梁的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足一定的運(yùn)動(dòng)條件，其次是要盡量獲得良好的受力狀態(tài)。它們可歸結(jié)為以下設(shè)計(jì)要求。（1）應(yīng)滿足采高范圍要求；（2）支架升降過(guò)程中的梁端距的變動(dòng)量 70～100mm；?（3）掩護(hù)梁的速度瞬心與鉸點(diǎn) A 的連線與水平線的夾角 應(yīng)小于 ，如圖 4-9，最??9大不能超過(guò) ，以限制支架支撐力的波動(dòng)量小于 %。?19 5?（4）掩護(hù)梁總長(zhǎng)不要大于兩搖桿在掩護(hù)梁上鉸接點(diǎn)距離的 4 倍，即 。14L?（5）掩護(hù)梁的傾角 不宜太小，支架在最低位置時(shí)， 應(yīng)大于 ，一般取 左右，???0?5以免被矸石壓死，難于移架；支架在最高位置時(shí)， 可達(dá) ～ ，以減少堆積在掩護(hù)?5?6梁上的矸石，提高支撐效率，減小移架阻力。（6）掩護(hù)梁與前搖桿的夾角 ，以免出現(xiàn)死角。?130max??（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1??80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?801???2???8結(jié)構(gòu)尺寸也較緊湊。用解析法來(lái)確定掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度，如圖 4－4 所示。1內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 28 頁(yè)圖 4－4 掩護(hù)梁和后連桿計(jì)算圖可設(shè)：G――為掩護(hù)梁長(zhǎng)度； A――為后連桿的長(zhǎng)度；――為 點(diǎn)引垂線到后連桿下鉸點(diǎn)之距； 6L'e――為支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度；1H――為支架最低位置時(shí)的計(jì)算高度；2從幾何關(guān)系可以列出如下兩式：利用 和 估計(jì) G、A 和 ，用如下解析法：（如圖 4-6）126L(4.3)111sinsiH??????222(4.4)611cossLGA???22???聯(lián)立上述后兩式可得：(4.5)12cos?GA說(shuō)明：支架計(jì)算高度為支架高度減去掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之頂梁面之距和后連桿鉸點(diǎn)至底座底面之距。按四連桿機(jī)構(gòu)和掩護(hù)梁的幾何特征要求，選定 代入上式，分別取上述2121??、、、四者值經(jīng)過(guò)調(diào)整，可求出兩者之間的比值為 0.7。符合支撐掩護(hù)式支架的 0.61～0.82?GA支架在最高位置的計(jì)算高度為：= GsinP1 + AsinQ1; (4.6)1H根據(jù) 的值,由式（4-8）就可以求出掩護(hù)梁的長(zhǎng)度 G＝2127mm 和后連桿長(zhǎng)度GA內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 29 頁(yè)A＝1419mm。二、四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)1. 優(yōu)化設(shè)計(jì)法首先確定設(shè)計(jì)變量，如圖 4—5，可取 L1、L2(即 A)、L3、L4 、L5、L6 和 L(即 G)七個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。再根據(jù)支架使用的實(shí)際情況，設(shè)定幾個(gè)評(píng)價(jià)支架優(yōu)劣的指標(biāo)，并建立目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的建立可考慮以下幾個(gè)方面：圖 4-5 四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)圖（1）在支架的整個(gè)調(diào)高范圍內(nèi)；梁端距變化最小。（2）在支架的整個(gè)調(diào)高范圍內(nèi)，掩護(hù)梁受力最小，桿長(zhǎng)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(gòu)件斷面的配置優(yōu)化，充分利用材料的彈性變形來(lái)控制構(gòu)件的承載能力。根據(jù)鄭州煤機(jī)廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般取三個(gè)目標(biāo)函數(shù)，七個(gè)設(shè)計(jì)變量，至多二十六個(gè)約束方程，就能基本滿足工程設(shè)計(jì)人員的要求。由于畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間限制，可選定目標(biāo)函數(shù)，七個(gè)設(shè)計(jì)尺寸也可先設(shè)定一、兩個(gè)或設(shè)定兩、三個(gè)尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，約束方程也可適當(dāng)少取，約束方程可利用幾何條件，以及前面提到的運(yùn)動(dòng)條件和受力條件寫(xiě)出。優(yōu)化問(wèn)題的解法可參考有關(guān)的工具書(shū)，也可利用手頭的程序來(lái)確定解法。在求解之前，可按經(jīng)驗(yàn)、類比和一些簡(jiǎn)單的幾何條件，設(shè)定求解的初始值。初始值應(yīng)為可行域中的一點(diǎn)。2. 圖解法圖樣法直觀、簡(jiǎn)單，但只要涉及試湊的問(wèn)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(jīng)驗(yàn)和類比，問(wèn)題的解總是可以找到的。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）第 30 頁(yè)作圖過(guò)程如下：（1）選頂梁與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)擬作頂梁前端點(diǎn)，它的高度變化范圍就好似支架的調(diào)高范圍，它在調(diào)高范圍內(nèi)的水平偏移量就是梁端距變化量。等到四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸確定之后，再考慮頂梁和立柱，于是支架的基本結(jié)構(gòu)就定出來(lái)了。（2）根據(jù)支架的調(diào)高范圍，作 m-m 垂線，在 m-m 線上標(biāo)出頂梁與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)的最高位置 A1 和最低位置 。并在 m-m 線上取 Q 點(diǎn)，使 Q= =3000mm， Q= 2A1A1H2A=2000mm， 和 為最大采高和最小采高。在 Q 點(diǎn)作 m-m 垂線 x-x。2H1H（3）在 和 點(diǎn)作水平線和斜線，使斜線與水平線的交角為 ， ，1A2 ?501???6.2在斜線上取長(zhǎng) L，得 C1、C2 點(diǎn)，它們是掩護(hù)梁與后搖桿的鉸接點(diǎn)。在 x-x 線上作QD= =1000mm，D 點(diǎn)是后搖桿與底座的鉸接點(diǎn)。連接 CD 就是后搖桿，現(xiàn)在再根據(jù)作圖情6況驗(yàn)算 角和 角，調(diào)整各值，直到基本滿意為止。??（4） 在 AC 線上找一點(diǎn) B，使 AC ，再利用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取C4?=1328mm， =1419mm。 B 點(diǎn)是前搖桿與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)，B 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)是一段圓弧，3L2其曲率中心就是前搖桿固定鉸點(diǎn) E。（5）到此連桿機(jī)構(gòu)的 A、B、C、D、E 等 5 個(gè)鉸點(diǎn)就初步定出，下面的工作就是進(jìn)一步調(diào)整 E，B 倆點(diǎn)的位置，調(diào)整的目標(biāo)是控制 A 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(hù)梁上 B 點(diǎn)和 A 點(diǎn)的一系列相應(yīng)位置，使圖 4-6 四連桿機(jī)構(gòu)作圖圖 4-10 四連桿機(jī)構(gòu)作圖EQ D