1、 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 1 摘 要 本文主要阐述了一般掩护式液压支架的设计过程。设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计、主要零部件的校核和液压系统的设计。 由于该煤层厚度适中，选用掩护式液压支架。煤层厚度介于 m8.35.2 之间，煤层厚度变化较大，选用调高范围大且抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。支架采用正四连杆机构，以改善支架受力状况。顶梁、掩护梁、底座均做成箱体结构；立柱采用双伸缩作用液压缸，以增加工作行程来满足支架调高范围的需要。推移千斤顶采用框架结构，以减少推溜力和增大移架力。 为了提高移架速度，确保对顶板的及时支护，采用锥阀
2、液压系统。 关键词：液压支架 选型 设计 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 2 矿井液压支架选型设计（掩护式） 目 录 1 概述 5 1.1 液压支架的组成和分类 5 1.2 液压支架的工作原理 8 1.3 液压支架的支护方式 11 1.4 支架选型的基本参数 12 2 总体设计 14 2.1 选架型 14 2.2 液压支架基本参数的确定 16 2.3 采煤机、液压支架和输送机的配套 19 2.4 四连杆机构设计 21 2.5 顶梁长度的确定 28 2.6 立柱及柱窝位置的确定 29 2.7 平衡千斤顶位置的确定 33 2.8 其它千斤顶位置的确定 36 3 支
3、架的受力计算 39 3.1 液压支架受力分析 39 3.2 确定支架的支护强度 40 3.3 底座接触比压计算 40 3.4 支架支护效率 40 4 液压支架的主要部件的设计 42 4.1 前梁 43 4.2 主顶梁 43 4.3 掩护梁 44 4.4 前、后连杆 45 4.5 底座 45 4.6 立柱 46 4.7 千斤顶 47 5 主要零、部件的强度校核 49 5.1 校核的基本要求 49 5.2 前梁的校核 50 5.3 主顶梁的校核 52 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 3 5.4 掩护梁的强度校核 55 5.5 底座强度校核 57 5.6 销轴和耳座
4、的强度校核 59 5.7 立柱强度校核 62 6 液压系统设计 68 6.1 液压支架的液压系统的简介 68 6.2 液压支架的液压 系统拟订 69 6.3 液压元件的选取 71 6.4 液压控制系统 72 结束语 76 参考文献 77 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 4 1、 概 述 1.1 液压支架的组成和分类 1.1.1 液压支架的组成 液压支架是综采工作面支护 设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。 液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系 “般分为三大类，即支撑式、掩护式 (图
5、 1-2)和支撑掩护式 (图 1-3) 根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为 4 个部分： (1) 承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。 (2) 液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。 (3) 控制元部件，包括液压系统操纵阀、单 向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。 图 1-2 掩护式液压支架结构 图 1-3 支撑掩护式液压支架结构 (4) 辅助装置，如推移装置、护帮 (或挑梁 )装置、伸缩梁 (或插板 )装置、活动侧护板
6、、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。 1.1.2 液压支架的分类及特点 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 5 按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤 工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面所有位置的支架。 中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式。 1 支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架（图 1-4 a）和节式支架（图 1-
7、4 b）两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由 32 个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。 节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在 m4 左右；立柱多，一般是 64根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。 支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。
8、由上可知，支 撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。 此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。 (a) (b) 图 1-4 支撑式支架结构形式 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 6 a 垛式支架 b 节式支架 2 掩护式支架（如图 1-2） 其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移 千斤顶、操纵阀等组成。 它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推
9、力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为 3.0mm 左右。 掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。 由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。 3
10、 支撑掩护式支架（如图 1-3） 其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。 支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发 展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适应各种顶底板条件。 此种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。 它的缺点是：结构复杂，成本较高。 支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。 4 特种液压支架 山 西煤炭职工联合大学太
11、原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 7 特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支 架等。 1.2 液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来实现完成的。如图 1-5 示 1. 升柱 当需要支架上升支护顶板时。高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁接触顶板。 2. 降柱 当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。 图 1-5 液压支架工作原理 1-
12、顶梁 2 -立柱 3 -底座 4 -推移千斤顶 5 -安全阀 6 -液控单向阀 7 、 8 -操纵阀 9 -输送机 10 -乳化液泵 11-主供液管 12 -主回液管 3. 支架和输送机前移 支架和运输机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点，缸体 前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推运输机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，是活塞杆伸出，把运输机推向煤壁。 支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图 1-6 所示： 支架立柱工作时，其支撑力随时间的变
13、化过程可分为三个阶段 0t -初撑阶段； 1t -增阻阶段； 2t -恒阻阶段； 1P -初撑力； 2P -工作阻力 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 8 （ 1）初撑阶段 支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力 时，泵站自动卸载，支架的夜控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段 0t ， 此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为 32 104 nPDP bc KN (1.1) 图 1-6 支架的工作特性曲线 式中 D-支架立 柱的缸径， m ； bP -泵站的工作压力， MPa
14、 ； n -支架立柱的数量。 由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。 （ 2）承载增阻阶段 支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段 1t 。 （ 3）恒阻阶段 随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，山 西煤炭职工
15、联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 9 安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段 2t 。此时支架对顶板的支撑 力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。支撑式支架的工作组力为 32 104 nPDP a KN (1.2) 式中 aP -支架安全阀的调定压力 MPa ； 支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。 对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。 支架的工作阻力是支架的一个重要参数， 它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶
16、板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即 310 FPq MPa (1.3) 式中 F 支架的支护面积， 2m 。 1.3、液压支架的支护方式 综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。 3 个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的 3 种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。 1 即时支护 般循环方式为：割煤一移架一推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是，顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。 2 滞后支护 一般循环方式为：割煤一推溜一移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较
17、长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整 的顶板。 3 复合支护 般循环方式为：割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架。 复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求，目前应用较少。 山 西煤炭职工联合大学太原分校 -13 级成人大专机电班毕业设计 10 1.4 支架选型的基本参数 1.4.1 对液压支架的基本要求 1. 为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以便有效地控制顶板，保证合理的下沉量。 2. 液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为 KN100 左右；移架力按 煤
18、层厚度而定，薄煤层一般为 KNKN 150100 ,中厚煤层一般为 KNKN 250150 ,厚煤层一般为KNKN 400300 。 3. 防矸性能要好。 4. 排矸性能要好。 5. 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。 6. 为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。 7. 调高范围要大，照明和通讯方便。 8. 支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。 9. 要求支架有足够的刚度， 能够承受一定得不均匀载荷和冲击载荷。 10. 满足强度条件下，尽可能的减轻支架重量。 11. 要易于拆卸，结构要简单。 12. 液压元件要可靠。 1.4.2 设计液压支架必需的基本参数 1. 顶板条件 根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。 给定参数：老顶 I 级直接顶 2 级 2. 最大和最小采高 根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。 给定煤层厚度： 2.53.8m 3. 瓦斯等级
