支撑掩护液压支架设计.docx

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支撑掩护液压支架设计

前言

综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。

实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。

我们60年代起支撑式液压支架，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式支架，这些系列化一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。

至今，我国煤矿中使有的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头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上所的位置的支架。

目前使用的液压支架分为三类。

即：

支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。

从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同，所以为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。

本设计论文则设计层煤厚度在3.60米到3.05米，老顶级别为三级，直接顶类别为一类的支撑掩护式液压支架的设计。

其架型特点支柱两排，每排1到2根。

多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。

安的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，这类支架适用于直接顶为中等稳定。

老顶有明显或强烈周期来压。

瓦斯含量较大的中厚或厚煤层中。

因此本设计设计这类支撑掩护式液压支架。

1.液压支架的概述

1.1液压支架的组成和用途

1.1.1液压支架的组成

液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要部分组成。

1.1.2液压支架的用途

在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。

而液压支架是以高液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。

实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。

液压支架与可弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架是技术上先进、经济上合理，安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。

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完成的。

1.2.1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紧紧接触顶板。

1.2.2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。

1.2.3支架和输送机前移

支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成。

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对活塞杆腔，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；当需要推输送机时，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，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。

支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-1所示。

图1-1支架的工作特性曲线

Fig.1-1lineofsupportworkcharacteristic

t0—初撑阶段；t1—增阻阶段；t2—恒阻阶段；

p1—初撑力；p2—工作阻力

支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。

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，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑力阶段t0；支架初撑力后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至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t1；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，使顶板压力减少，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。

1.3液压支架设计目的、要求和设计支架必要的基本参数

1.3.1设计目的

采用综合机械化采煤机械方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。

为了满足对煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化设备，迅速综合机械化采煤工作面（简称综合工作面）。

而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。

由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。

为了有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。

因此，液压支架的设计工作是很重要的。

由于液压支架的类很多，因此其设计工作量也是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。

1.3.2液压支架的基本要求

1）为了满足采煤工艺及地制条件的要求，液压支架是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。

推溜力一般力为100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN～150KN，中厚煤炭一般为150KN至250KN。

厚煤层一般为300KN～400KN。

3）防止性能要好。

4）排矸性能好。

5）要求液压支架能保证采煤工作有足够的通风断面，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，能够承受一事实上不均匀载荷和冲击载荷。

10）在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。

11）要易于拆卸，结构要简单。

12）液压元件要可靠

1.3.3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。

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。

3）瓦斯等级

根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。

4）底板岩性能及小时涌水量

根据底岩性和小时涌水量验算底板比压。

5）工作面煤壁条件

根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。

6）煤层倾角

根据煤层倾角，决定是否选用防滑装置

7）井向罐笼尺寸

根据井向罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。

8）配套尺寸

根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。

1.4液压支架的选型

1.4.1液压支架的支撑力与承载关系

支撑掩护式支架是为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。

主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和承载能力。

所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适用范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图1-2所示

图1-2支撑掩护式支架的受力状况

Fig.1-2bracing cavingshieldpressure

1.4.2液压支架架型的分类

按照液压支架在采煤工作面安装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上所有位置的支架。

目前使用的液压支架在分三类即：

支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。

1）支撑式支架：

支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。

如图1-3，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。

因此底座坚固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。

顶板岩三石则在顶梁后部切断垮落。

这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压力明显或强烈，底板较硬的煤层。

ab

图1-3a—垛式b—节式

Fig.1-3a—corduroy b—divisional

2）掩护式支架：

掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。

如图1-4所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。

这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。

abc

图1-4a—插腿式支架b—立柱支在掩护梁上非插腿式支架

c—立柱支在顶梁上非插腿式支架

Fig.1-4a－supportb－ legpiece onsupport c－legpiece onsupport

3）支撑掩护式支架：

支撑掩护式支架架型主要用：

四柱支在顶梁上（如图1-5a，b所示）；二柱支在顶梁（如图1-5，c所示）一柱或二柱支在掩护梁上。

支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。

它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价贵，不便于运输。

这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中。

abc

图1-5a—四柱平行支在顶梁上支架，b—四柱交叉支在顶梁两柱在掩护梁上支架

c—两柱在顶梁两柱支在掩护梁上支架

1.4.3液压支架选型原则

液压支架的选型,其根本目的是使综采设备适矿井和工作面的条件,投产后能做到高产、高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条件进行选择。

1）液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。

一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。

2）当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强支架一般不宜选用支撑式支架。

3）当煤层厚度达到2.5～2.8mm以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式双伸缩立柱的支架。

4）应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。

在底板较软条件下，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。

5）煤层倾角〈10时，支架可不设倒滑装置15～25度时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机调防滑装置。

6）对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。

7）当煤层为软煤时，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤时，支架最大采高＜5m

8）在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。

9）断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露5～8m

时间在20min以上时，暂不宜采用综采。

10）特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。

1.4.4液压支架设计的原始条件

1）老顶级别Ⅲ（强烈）

0.350N≤0.3Lp=25～50

2）直接顶类别Ⅱ（稳定顶板）

强度指数D17.1～12

直接顶初次垮落步距L1（m）=19—25

表中按下式计算：

D1=σ*c1*c2（Mpa）

σ—岩石单向抗压强度（Mpa）；

C1—节理裂隙影响系数；

C2—分层厚度影响系数；

C1取0.41；c2取0.32

采高3.5m，液压支架支护强度1.6*441kN/㎡（支架工作阻力），煤层厚度（m）3.60~3.05老顶级别Ⅲ直接顶类别Ⅰ

表1-1适应不同类级顶板的架型和支护强度

Tab1-1Adaptivediffentcapofroofandmodelholdingstrength

老顶级别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

直接顶类别

1

2

3

1

2

3

1

2

3

4

4

架

型

掩护式

掩护式

支撑式

掩护式

掩护式或支撑掩护式

支撑式

支撑掩护式

支撑掩护式

支撑或支撑掩护式

支撑或支撑掩护式

采高＜2.5m时用支撑式

采高＞2.5m时用支撑掩护式

支

护

强

度KN/M

支架采高m

1

294

1.3×294

1.6×294

＞2×294

应结合深孔

爆破，软化

顶板等措施

处理采空区

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

注：

（1）表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。

（2）1.3、1.6、2为增压系数。

2.液压支架的整体结构尺寸设计

2.1液压支架基本技术参数的确定

2.1.1支护高度

支架高度确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为：

＋S1（mm）（2-1）

（mm）（2-2）

式中：

---支架最大高度，mm

---支架最小高度，mm

---煤层最大高度，

=3.60m

---煤层最小高度，

=3.05m

S1---考虑伪项煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200-300mm，S1取250mm，

S2---顶板最大下沉量是，一般取100～200mm，S2取100mm，

a---移架时支架的最小可缩量，一般取50mm，

δ---浮矸石、俘煤厚度，一般取50mm，

由式2—1可得

3600＋250=3850mm

由式2—2可得

3050－100－50－50=2850mm

所以取：

=3850mm

=2850mm

2.1.2支架间距

所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。

用bc表示。

支架间距bc要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板运输机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5米，本设计取bc=1.5m。

2.1.3底座长度

所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。

在设计支架的底座长度时，应考虑以下几个方面：

支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作和行走；保证支架的稳定性等。

通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。

本次设计底座为2.4m。

2.1.4支护强度

本次设计中支撑掩护式支架的支护强度

可用插入法求得，按下式计算：

（2-3）

式中：

—支架名义支护强度。

（KN/m2）

—采高

所对应的支护强度，见表1—1

—采高

所对应的支护强度，见表1—1

—

对应的采高（m）,见表1—1

—

对应的采高（m）,见表1—1

—支架的结构高度，在

，

之间。

对应最大结构高度

=3.85m时

=3m

=705.6KN/m2

=4m

=862.4KN/m2

将各数据代入式（2—3）得采高最大时支架支护强度

=705.6＋（862.4-705.6）

=838.88KN/m2

2.2液压支架四连杆机构的确定

2.2.1四连杆机构的作用

四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要的部件之一。

其作用概括起来主要有两个：

一是支架由高到低变化时，借助四连杆机构的顶梁前端的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端点于煤壁间距离的变化大大减少，提高了管理顶板的性能；二是使支架能承受较大的水平力。

下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用。

这些几何特征是四连杆机构动作过程的必然结果。

1）支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2—1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好在30mm以下。

2）支架在最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图2-1所示,应满足如下要求:

支架在最高位置时,P=520～620,Q=750～850;支架在最底位置时,为有利矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知,要求tgP＞W,如果纲和矸石的摩擦系数W=0.3,则P=16.70.而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一顶距离,防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般去Q=250～300，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下绞点的高度。

3）从图2-1可知掩护梁与顶梁绞点e’和瞬时中心O之间的连线与水平的夹角Q。

设计时，要使Q角满足tgQ

的范围，其原因是Ｑ角直接影响支架承受附加力的数值大小。

图2-1四连杆机构几何特征

Fig.2-1forerodsgeometryfeature line

4）顶梁前端点晕运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最佳工作段，如图2-1所示的h段。

其原因是顶板来压时，立柱让下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。

同时底板阻止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减少，防止啃底，有利移架。

水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁外负载。

2.2.2优化过程

目标函数的确定

根据附加力对液压支架受力影响的分析，为减少附加力，必须使U=TAN（THETA）有较小值。

同时，为有效地支控顶板，要求支架由高到低变化时，顶梁前端点与煤壁距离的变化要小。

而支架在某一高度时的THETA角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。

所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。

四连杆机构的几何特征

四连杆机构的几何特征如下图所示。

1）支架在最高位置时：

P1=0.91-1.08弧度；

Q1=1.31-1.48弧度。

（2）后连杆与掩护梁的比值，支撑掩护式支架为I=0.61-0.82.

（3）前后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为I1=0.22-0.3.

（4）e`点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度e<70mm最好在30mm以下。

（5）支架在最高位置时的TAN（THETA）的值应小于0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。

2.2.3四连杆机构各部尺寸的计算

1）后连杆与掩护梁长度的确定

当支架在最高位置时的H1值确定后，掩护梁长度G为：

G=H1/（SIN（P1）+I*SIN（Q1））；

后连杆长度为：

A=I*G；

前,后连杆上铰点之距为:

B=I1*G;

前连杆上铰点至掩护梁上铰点之矩为:

F=G-B;

对各变量规定相应的步长:

P1的步长为0.034弧度;

Q1的步长为0.034弧度;

I1的步长为0.02弧度;

I的步长为0.042弧度;

2）后连杆下铰点至坐标原点之距

E1=G*COS（P1）-A*COS（Q1）;

3）前连杆长度及角度的确定

为使顶梁上铰点的运动轨迹最大宽度和THETA角尽量小,我们将支架在最高和最低点以及后连杆与掩护梁成90度角时顶梁上铰点的坐标定在一条垂直的直线上。

（下面B1，B2，B3分别为此3点对应的前连杆与掩护梁的铰点，C为前连杆下铰点）

（a）B1点坐标：

X1=F*COS（P1）

Y1=H1-F*SIN（P1）

（b）B2点坐标：

X2=F*COS（P2）

Y2=B*SIN（P2）+A*SIN（Q2）

其中，Q2=0.436

P2由几何关系求出。

（c）B3点坐标：

X3=F*COS（P3）

Y3=B*SIN（P3）+A*SIN（Q3）

其中

P3=

Q3=

（d）C点坐标：

Xc=（M*（Y2-Y3）-N*（Y3-Y1））/T

Yc=（N*（X3-X1）-M*（X2-X3））/T

其中，M=X32-X12+Y32-Y12

N=X22-X32+Y22-Y32

T=2[（X3-X1）（Y2-Y3）-（Y3-Y1）（X2-X3）]

4）前连杆下铰点的高度D和前、后连杆下铰点在底座上的投影距离：

D=Yc

E=E1-Xc

2.2.4四连杆机构的优选

1）前，后连杆的比值范围：

C/A=0.9-1.2。

2）前连杆的高度：

D

3）E的长度：

E

4）TAN（THETA）〈0.2。

TAN（THETA）=S/L=U。

其中，L=X6

S=H1-Y6

X6，Y6为掩护梁速度瞬心的坐标，通过几何关系可求出

2.2.5求掩护梁上铰点轨迹坐标

X=-A*COS（Q4）+G*COS（P4）

Y=A*SIN（Q4）+G*SIN（P4）

其中Q4为后连杆与底座夹角，

P4为掩护梁与顶梁夹角。

P4=arcCOS（Z）；

Z=

J=2ABsinQ4-2BD

K=2EB+2ABcosQ4

R=A2+B2+D2-C2+E2+2AEcosQ4-2ADsinQ4

 

2.2.6C语言程序编制

程序框图

2.2.7源程序

#include

#include

main（）

{

Doubleh1,h2,p1,q1,i,i1,g,a,b,f,e1,x1,y1,q2,p2,x2,y2,p3,q3,

x3,y3,m,n,t,xc,yc,c,o,d,e,x4,y4,x5,y5,k1,c1,k2,x6,y6,l,s,u,xx,xi,q4,k,j,r,ex,z,p4,x,y;

scanf（"%lf,%lf",&h1,&h2）;/*输入h1,h2*/

for（p1=0.91;p1<=1.08;p1=p1+0.034）/*设p1,q1,i,i1*/

for（q1=1.31;q1<=1.48;q1=q1+0.034）

for（i=0.61;i<=0.82;i=i+0.042）

for（i1=0.22;i1<0.3;i1=i1+0.02）

{g=h1/（sin（p1）+i*sin（q1））;/*计算g,a,b,f*/

a=i*g;

b=i1*g;

f=g-b;

e1=g*cos（p1）-a*cos（q1）;/*计算b1,b2,b3,c点坐标*/

x1=f*cos（p1）;

y1=h1-f*sin（p1）;

q2=0.436;

p2=atan（sqrt（fabs（g*g-（e1+a*cos（q2））*（e1+a*cos（q2））））/

（e1+a*cos（q2）））;

x2=f*cos（p2）;

y2=b*sin（p2）+a*sin（q2）;

p3=3.14/2-atan（a/g）-atan（e1/sqrt（g*g+a*a-e1*e1））;

q3=3.14/2-p3;

x3=f*cos（p3）;

y3=b*sin（p3）+a*sin（q3）;

m=x3*x3-x1*x1+y3*y3-y1*y1;

n=