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中 國 X X 大 學(xué)
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
姓 名： 學(xué) 號(hào)：
學(xué) 院：
專 業(yè)：
設(shè)計(jì)題目： ZZ120000大采高支撐掩護(hù)式液壓支架設(shè)計(jì)
專 題：
指導(dǎo)教師： 職 稱：
20** 年 6 月
摘 要
本論文主要闡述了支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：選架型、總體設(shè)計(jì)、主要零部件的設(shè)計(jì)、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
ZZ12000/30/50支撐掩護(hù)式液壓支架最大工作阻力為12000kN/架，主要基本組成部分有：頂梁，底座，液壓支柱，千斤頂，掩護(hù)梁，四連桿機(jī)構(gòu)等。本文介紹了：液壓支架的組成、工作原理、作用和分類；對重要結(jié)構(gòu)件如前梁、頂梁、底座和鉸接銷軸等進(jìn)行了分析，根據(jù)其常見失效形式、影響因素及基本設(shè)計(jì)要求，給出了重要結(jié)構(gòu)件的受力分析、強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)方法,并對其進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。
關(guān)鍵詞：液壓支架； 四連桿機(jī)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 強(qiáng)度分析
ABSTRACT
The article mainly elaborated the chock shield type hydraulic support design process .The design content includes:Chooses, the system design, the main spare part design,the main spare part examination and the hydraulic system design.
The largest working resistance 0f Chock shield ZZ12000/30/50 is 12000kN/shelf，chock shield major from some following basically partial compositions: top beam, base, hydraulic legs, prop, shield beam and four linkage mechanisms. The followings are introduced in this paper: components, working principle, functions, and types of the hydraulic support; The design of each structure piece is a point. The important structure, such as ex-beam, top-beam, base, hinged pin axis and so on, are analyzed. According to its failures, affecting factors and basic considerations, the design method of the strength and stiffness of the important structure is introduced. the force analysis and strength calculation are introduced.
Keywords：The hydraulic support,four-link mechanism, structure design ; strength analysis
目 錄
1 概述
1.1液壓支架的用途……………………………………………………………3
1.2 液壓支架的組成……………………………………………………………3
1.2.1頂梁…………………………………………………………………3
1.2.2 底座…………………………………………………………………4
1.2.3 掩護(hù)梁…………………………………………………………………4
1.2.4 前后連桿………………………………………………………………4
1.2.5立柱 …………………………………………………………………… 4
1.2.6推移裝置 ………………………………………………………………5
1.2.7活動(dòng)側(cè)護(hù)板 ……………………………………………………………5
1.2.8操縱控制系統(tǒng) …………………………………………………………5
1.3 液壓支架的工作原理………………………………………………………5
1.3.1 支架升降……………………………………………………………6
1.3.2 支架移動(dòng)和推移輸送機(jī)………………………………………………7
1.4 液壓支架架型的分類…………………………………………………7
1.4.1支撐式支架 ……………………………………………………………8
1.4.2掩護(hù)式支架 ……………………………………………………………8
1.4.3支撐掩護(hù)式支架 ………………………………………………………9
2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 液壓支架基本尺寸的確定……………………………………………9
2.1.1 支架高度的確定……………………………………………………9
2.1.2 支架的伸縮比和行程的確定……………………………………10
2.1.3 支架間距的確定………………………………………………………11
2.2 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………………11
2.2.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 …………………………………………………11
2.2.2 四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性 ……………………………………………12
2.2.3四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法……………………………………………13
2.3確定頂梁長度………………………………………………………………17
2.4液壓支架的性能參數(shù)………………………………………………………18
2.4.1 液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度及驗(yàn)算…………………………………………18
2.4.2 液壓支架的初撐力……………………………………………………19
2.4.3 液壓支架的移架力和推溜力………………………………………19
2.4.4 覆蓋率…………………………………………………………………19
2.5 立柱布置 …………………………………………………………………20
2.5.1 立柱數(shù)…………………………………………………………………20
2.5.2 立柱間距………………………………………………………………20
2.5.3 立柱支撐方式…………………………………………………………20
2.6 立柱的計(jì)算 ………………………………………………………………20
2.6.1 單伸縮立柱缸徑的確定………………………………………………20
2.6.2泵站壓力和立柱安全閥的調(diào)整壓力…………………………………21
2.6.3 立柱初撐力的計(jì)算……………………………………………………22
2.7推移千斤頂…………………………………………………………………22
3液壓支架受力分析與計(jì)算
3.1 頂梁的受力分析與計(jì)……………………………………………………25
3.1.1 頂梁載荷分布…………………………………………………………26
3.2 掩護(hù)梁的受力分析與計(jì)算………………………………………………27
3.3 液壓支架的底座設(shè)計(jì)……………………………………………………29
3.3.1 底座的受力分析與計(jì)算………………………………………………29
3.3.2 底座接觸比壓的計(jì)算…………………………………………………30
4 液壓支架部件的安全強(qiáng)度校核
4.1強(qiáng)度條件……………………………………………………………………31
4.2頂梁的強(qiáng)度校核…………………………………………………………32
4.3掩護(hù)梁的強(qiáng)度校核…………………………………………………………36
4.4 底座的強(qiáng)度校核…………………………………………………………39
4.4.1后柱窩處的強(qiáng)度校核…………………………………………………41
4.4.2前連桿處的強(qiáng)度校核…………………………………………………43
4.4.3 Fn受力處的強(qiáng)度校核…………………………………………………45
4.5 立柱強(qiáng)度的計(jì)算 …………………………………………………………47
4.5.1 立柱缸體壁厚計(jì)算 …………………………………………………48
4.5.2 缸體與缸底焊縫強(qiáng)度計(jì)算……………………………………………48
4.5.3油缸的穩(wěn)定性驗(yàn)算……………………………………………………49
4.5.4 驗(yàn)算活柱的穩(wěn)定性……………………………………………………50
4.5.5 立柱活塞桿強(qiáng)度驗(yàn)算…………………………………………………52
4.6 銷軸及耳板的強(qiáng)度校核 …………………………………………………54
4.6.1 頂梁與掩護(hù)梁聯(lián)接處的強(qiáng)度校核……………………………………54
4.6.2 前連桿與底座聯(lián)接處的強(qiáng)度校核……………………………………56
4.6.3 后連桿與底座聯(lián)接處耳板強(qiáng)度校核…………………………………57
5 結(jié)論
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………60
翻 譯
英文原文……………………………………………………………………61
中文譯文……………………………………………………………………67
液壓系統(tǒng) ……………………………………………………………………71
致 謝…………………………………………………………………………72
1 概述
液壓支架是在摩擦支柱和單體液壓支柱等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工作面機(jī)械化支護(hù)設(shè)備，支架與滾筒采煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及膠帶輸送機(jī)等組成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了采、支、運(yùn)等主要工序的綜合機(jī)械化采煤工藝，從而使長壁采煤技術(shù)邁入了一個(gè)新的階段。液壓支架能可靠而有效的支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且可以夠隨著工作面的推進(jìn)而機(jī)械化移動(dòng)，不斷的將采煤機(jī)和輸送機(jī)推向煤壁，從而滿足工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。液壓支架的總重量和初期投資費(fèi)用占工作面整套綜采設(shè)備的60%~70%左右，因此液壓支架是現(xiàn)代采煤技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。
1.1液壓支架的用途
在采煤工作面的生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工作人員安全和各項(xiàng)作業(yè)正常進(jìn)行，必須對頂板進(jìn)行支護(hù)。而液壓支架是以高壓液體為動(dòng)力，由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的支護(hù)和控制頂板的設(shè)備，它能實(shí)現(xiàn)支撐、切頂、移動(dòng)和推移輸送機(jī)等一套動(dòng)作。實(shí)踐表明液壓支架有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓支架與可彎曲輸送機(jī)和采煤機(jī)組成綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對提高采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是在技術(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。
1.2液壓支架的組成
液壓支架由頂梁、底座、掩護(hù)梁、前后連桿、立柱、推移裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、操縱控制系統(tǒng)等部分組成。
1.2.1 頂梁
作用：
1）用于支撐維護(hù)控頂區(qū)的頂板。
2）承受頂板的壓力。
3）將頂板載荷通過立柱、掩護(hù)梁、前后連桿經(jīng)底座傳到底板。
要求：
1）頂梁應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，即使在接觸應(yīng)力分布不均勻的情況下也不致被壓壞。
2）頂梁應(yīng)有足夠的剛度，以承受扭力。
3）頂梁對頂板的覆蓋率高。
4）頂梁能適應(yīng)頂板的起伏變化。
1.2.2 底座
作用：
1）為支架的其他結(jié)構(gòu)件和工作機(jī)構(gòu)提供安設(shè)的基礎(chǔ)。
2）與前后連桿和掩護(hù)梁一起組成四連桿機(jī)構(gòu)。
3）將立柱和前后連桿傳遞的頂板壓力傳遞給底板。
要求：
1）底座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。
2）底座對底板的起伏變化適應(yīng)性好。
3）底座與底板的接觸面積大，以減小底座對底板的接觸比壓，避免支架陷入底板。
4）底座應(yīng)有足夠的地方來安設(shè)立柱、推移裝置以及液壓控制裝置。
5）底座要能把落入支架內(nèi)的碎矸排棄到采空區(qū)中。
1.2.3 掩護(hù)梁
作用：
1）掩護(hù)梁承受頂梁部分載荷和掩護(hù)梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座。
2）阻擋并承載采空區(qū)冒落的矸石，承受頂板水平推力、側(cè)向力和傳遞扭轉(zhuǎn)載荷，并保持支架整體的穩(wěn)定性。
3）掩護(hù)梁和頂梁（包括側(cè)護(hù)板）一起 ，構(gòu)成了支架完善的支撐和掩護(hù)體，完善了支架的掩護(hù)和擋矸能力。
1.2.4 前后連桿
前后連桿是四連桿機(jī)構(gòu)中重要的運(yùn)動(dòng)和承載部件，與掩護(hù)梁和底座的一部分共同組成四連桿機(jī)構(gòu)，使支架能承受圍巖載荷、水平作用力和保持穩(wěn)定。其四連桿機(jī)構(gòu)的作用：
1）通過四連桿機(jī)構(gòu)，使支架頂梁端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，從而使用使支架前端頭離煤距離大大減小，提高了管理頂板性能。
2）能承受較大的水平力。
1.2.5 立柱
作用：
1）支撐頂梁，承受載荷的作用。
2）調(diào)節(jié)支架的高度，使支架的高度滿足工作面的要求。
3）立柱設(shè)置有大流量安全閥，以避免頂板沖擊壓力造成支架過載較大。
1.2.6推移裝置
作用：
1）將輸送機(jī)推向煤壁，保證作業(yè)循環(huán)。
2）將液壓支架拉向煤壁方向，及時(shí)支護(hù)頂板。
3）框架或推桿與底座導(dǎo)向通道共同作為支架、輸送機(jī)移動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向，起一定的防滑作用。
1.2.7活動(dòng)側(cè)護(hù)板
用途：
（1） 與鄰架的頂梁、掩護(hù)梁和后連桿的固定側(cè)護(hù)板相貼，構(gòu)成了支架的擋矸屏障。
（2） 支架移架時(shí)起導(dǎo)向作用。
（3） 利用側(cè)推千斤頂可調(diào)整支架的橫向位置或防倒扶正支架。
1.2.8操縱控制系統(tǒng)
液壓支架由不同數(shù)量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥用以實(shí)現(xiàn)升柱、降柱、移架、推溜等動(dòng)作。雖然支架的液壓缸種類、數(shù)量很多，但其液壓系統(tǒng)都是采用多執(zhí)行元件的并聯(lián)系統(tǒng)。
對于液壓支架的操縱控制系統(tǒng)傳動(dòng)裝置，應(yīng)具備以下基本要求：
采用結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備外形尺寸小，能遠(yuǎn)距離的傳送大的能量；
能承受較大載荷；沒有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；在爆炸危險(xiǎn)和含塵的空氣里保證安全工作；動(dòng)作迅速；操作調(diào)節(jié)簡單；過載及損壞保護(hù)簡單。
1.3液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過程中，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工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來完成的。如圖所示：每架支架的液壓管路都與工作面主管路并聯(lián)，形成各自獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，如圖1-1所示，其中液控單向閥和安全閥設(shè)在架內(nèi)，操縱閥可設(shè)在本架或鄰架內(nèi)，前者為本架操作，后者為鄰架操作。
圖1-1 液壓支架工作原理圖
1-頂梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤頂；5-安全閥；6-液控單向閥；
7，8-操縱閥；9-輸送機(jī)；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管
1.3.1支架升降
支架的升降依靠立柱2的伸縮來實(shí)現(xiàn)，其工作過程如下：
1、初撐
如圖1-1所示，操縱閥8處于升柱位置，由泵站輸送來的高壓液體經(jīng)液控單向閥6進(jìn)入立柱的下腔，同時(shí)立柱的上腔排液，于是活柱和頂梁升起，支撐頂板。當(dāng)頂梁接觸頂板，立柱下腔的壓力達(dá)到泵站的工作壓力后，操縱閥置于中位，液控單向閥6關(guān)閉，從而立柱下腔液體被封閉，這就是支架的初撐階段。
2、承載
支架初撐后，進(jìn)入承載階段。隨著頂板的緩慢下沉，頂板對支架的壓力不斷增加，立柱下腔被封閉的液體壓力將隨之迅速升高，液壓支架受到彈性壓縮，并由于立柱缸壁的彈性變形而使缸徑產(chǎn)生彈性擴(kuò)張，這一過程就是支架的增阻過程。當(dāng)下腔液體的壓力超過安全閥5的動(dòng)作壓力時(shí)，高壓液體經(jīng)安全閥5瀉出，立柱下縮，直至立柱下腔的液體壓力小于安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉，停止泄液，從而使立柱工作阻力保持恒定，這就是恒阻過程。此時(shí)，支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。
3、卸載
當(dāng)操縱閥8處于降架位置時(shí)，高壓液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開液控單向閥6，立柱下腔排液，于是立柱卸載下降。
圖1-2 液壓支架工作特性曲線
由以上分析可以看出，支架工作時(shí)的支撐力變化可分為三個(gè)階段，如圖1-2，即：開始升柱至單向閥關(guān)閉時(shí)的初撐增阻階段t0，初撐后至安全閥開啟前的增阻階段t1 ，以及安全閥出現(xiàn)脈動(dòng)卸載時(shí)的恒阻階段t2 ，這就是液壓支架的阻力-時(shí)間特性。它表明液壓支架在低于額定工作阻力下工作時(shí)，具有增阻性，以保證支架對頂板的有效支撐作用，在達(dá)到額定工作阻力時(shí)，具有恒阻性；為使支架恒定在此最大支撐力，又具有可縮性，即支架在保持恒定工作阻力下，能隨頂板下沉而下縮。增阻性主要取決于液控單向閥和立柱的密封性能，恒阻性與可縮性主要由安全閥來實(shí)現(xiàn)，因此安全閥、液控單向閥和立柱是保證支架性能的三個(gè)重要元件。
1.3.2支架移動(dòng)和推移輸送機(jī)
支架和輸送機(jī)的前移，由底座3上的推移液壓缸4來完成。
需要移架時(shí)，先降柱卸載，然后通過操縱閥使高壓液體進(jìn)入推移液壓缸4的活塞桿腔，活塞腔回液，以輸送機(jī)為支點(diǎn)，缸體前移，把整個(gè)支架拉向煤壁。
需要推移輸送機(jī)時(shí)，支架支撐頂板，高壓液體進(jìn)入推移活塞缸4的活塞腔，活塞桿腔回液，以支架為支點(diǎn)，活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。
1.4 液壓支架架型的分類
按照液壓支架在采煤工作面安裝位置來劃分，有有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個(gè)采煤工作面的兩端；中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所有位置的支架。
目前使用的液壓支架在分三類：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架。
1.4.1 支撐式支架
支撐式支架的架型有垛式支架和節(jié)式支架兩種。如圖1-3所示，前梁較長，立柱較多并呈垂直分布，支架的穩(wěn)定性由立柱的復(fù)位裝置來保證。它依靠立柱和頂梁的支撐作用控制工作面的頂板，維護(hù)工作空間。頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。
這類支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能，適用于頂板堅(jiān)硬完整、周期壓力明顯或強(qiáng)烈、底板較硬的煤層。
a 垛式 b 節(jié)式
圖1-3支撐式支架
1.4.2掩護(hù)式支架
掩護(hù)式支架有插腿式和非插腿式兩種型式。如圖1-4所示，頂梁較短，對頂板的作用力均勻；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抵抗直接頂水平運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng)；防護(hù)性能好調(diào)高范圍大，對煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)。整架工作阻力小，通風(fēng)阻力大，工作空間小。這類支架適用于直接頂不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的煤層。
a 插腿式支架 b 立柱支在掩護(hù)梁上非插腿式支架 c 立柱支在頂梁上非插腿式支架
圖1-4 掩護(hù)式支架
1.4.3支撐掩護(hù)式支架
支撐掩護(hù)式支架架型主要有：四柱支在頂梁上；二柱支在頂梁；一柱或二柱支在掩護(hù)梁上。支柱兩排，每排1-2根，多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu)。它的支撐力大、切頂性能好、護(hù)性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、貴、不便于運(yùn)輸。
這類支架適用于直接頂中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，老頂有明顯或強(qiáng)烈的周期來壓，瓦斯儲(chǔ)量較大的中厚或厚煤層。
2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 液壓支架基本尺寸的確定
2.1.1 支架高度的確定
支架高度的確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來確定，其最大和最小高度為
?。╩m） (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，mm；
—— 煤層最小高度，mm；
—— 考慮偽頂，煤皮冒落后，仍有可靠初撐力所需要的支撐力高度，一般最200～300 mm，取s1=300mm；
——頂板最大下沉量，一般100～200mm，取s2=200mm；
a ——移架時(shí)支架的最大可縮量，一般取a=50mm；
δ —— 浮矸石，浮煤厚度，一般取δ=50mm；
由式（2-1）和（2-2）得
=4700+300
=5000
=3300-200-50-50
=3000 mm
2.1.2支架的伸縮比和行程的確定
支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值，即
（2-3）
由式（2-3）得
由于液壓支架的使用壽命較長，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)3.0。一般范圍是1.5~2.5，煤層較薄時(shí)選大值。考慮盡量減輕支架質(zhì)量，降低造價(jià)，可進(jìn)行系列化，加強(qiáng)支架對頂?shù)装宓倪m應(yīng)性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或帶機(jī)械加長桿來增加調(diào)高范圍。一般根據(jù)單位缸長行程K1來確定，當(dāng)K1＜0.7范圍內(nèi)時(shí)可采用單伸縮。
（2-4）
由式（2-4）得
式中:
K1——單位缸長行程,mm；
Lm——活塞全部伸出時(shí)立柱的總長度,mm；
Ln——活塞全部縮回時(shí)立校的總長度,mm；
Lm-Ln——活塞行程,mm。
所以采用單伸縮立柱加機(jī)械加長桿。
2.1.3 支架間距的確定
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
式中：
bc——支架間距(支架中心距),mm；
Bm——每架支架頂梁總寬度,mm；
c3——相鄰支架(或框架)頂梁之間的間隙,mm；
n——相鄰支架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＝2；節(jié)式組合邁步支架n＝支架節(jié)數(shù)。
支架間距bc要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的報(bào)移千斤頂都與工作面輸送機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜榴每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定，我國刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長度為1.5m，千斤頂連接塊位置在每節(jié)溜槽中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5m。
該液壓支架配套使用SGZ-1000/1050-W型刮板輸送機(jī)，該刮板運(yùn)輸機(jī)溜槽每節(jié)長度為1.5m，支架寬度的確定應(yīng)考慮支架的運(yùn)輸安裝和調(diào)高要求，該支架中心距為1750mm，支架寬度為1640~1770mm。
2.2 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1四連桿機(jī)構(gòu)的作用
1、通過四連桿機(jī)構(gòu)，使支架頂梁端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙曲線，從而使支架頂梁前端的端頭離煤壁距離大大減小，提高了管理頂板的性能。
2、能承受較大的水平力。
2.2.2四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征
1、 支架從最高高度降到最低高度時(shí)，如圖2－1所示，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度mm，最好為30mm以下。 圖2－1 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征圖
2、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，如圖2－1所示，應(yīng)滿足以下要求：
支架在最高位置時(shí)，P1=～，即0.91～1.08弧度；Q1=～，即1.31～1.48弧度。
后連桿與掩護(hù)梁的比值，掩護(hù)式支架為I=0.45～0.61；支撐掩護(hù)式支架為I=0.61～0.82。
前、后連桿上鉸點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為I1=0.22～0.3。
支架在最高位置時(shí)的值tanθ小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.16，對支撐掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.2。
前、后連桿的比值范圍：C/A=0.9～1.2。
前連桿的高度不宜過大，一般應(yīng)使D＜H1/5。
支架降到最低位置時(shí)，Q2≥～。
3、由圖2-1可知，支架在最高位置時(shí)，掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)E’和瞬時(shí)中心O之間的連線與水平線的夾角為θ，設(shè)計(jì)時(shí)，要使范圍內(nèi)，對掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.16，對支持掩護(hù)式支架最好應(yīng)小于0.2。
4、支架工作段要求曲線向前凸的一段，如圖2－1所示的h段，其原因?yàn)楫?dāng)頂板來壓時(shí)，立柱讓壓而下縮，使頂梁有前移的趨勢防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)，同時(shí)底板陰止底座向后移；使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢，從而增加了前梁端部的支護(hù)力，防止頂梁前端頂板冒落又可以使底座前端比壓減小，可防止啃底，有利移架，再則減少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩護(hù)梁來地克服，所以減輕了掩護(hù)梁的受力。
圖2－2 掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
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)的曲線運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前凸的一段，所以當(dāng)已知掩護(hù)和后連桿的長度后，從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把掩護(hù)梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行作圖計(jì)算就可以了，其掩護(hù)梁和后連桿構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖2－2所示。
從圖2－2可以看出，當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿已知，只要找到前連桿的長度和位置就可以了，其具體作法是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)后連桿，使支架最高位置時(shí)的E’點(diǎn)向下作近似直線運(yùn)動(dòng)，在掩護(hù)梁上定有一點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中有一段近似圓弧軌跡。只要找到這個(gè)圓弧軌跡的曲率半徑和曲率中心，就可以找到前連桿的位置和長度了。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩護(hù)梁上前連桿上鉸點(diǎn)所作的運(yùn)動(dòng)軌跡上，任找?guī)c(diǎn)，把掩護(hù)梁上前連桿上鉸點(diǎn)連線的垂直平分線所交的點(diǎn)為前連桿的下鉸點(diǎn)，這樣四連桿機(jī)構(gòu)就可以確定了
2.2.3四連桿機(jī)構(gòu)的幾何作圖法
四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何作圖法按如下步驟進(jìn)行。
（1）確定掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)至頂梁頂面的距離和后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面的距離
一般同類型支架用類比法來確定，關(guān)于這兩個(gè)尺寸的大小對支架受力的影響，后面進(jìn)行專門研究。
（2）確定掩護(hù)梁和后連桿長度
用解析法來確定掩護(hù)梁和后連桿的長度，如圖2—3所示
圖2－3 四連桿機(jī)構(gòu)特征圖
設(shè) G——掩護(hù)梁長度，mm；
A——后連桿長度，mm；
L2 ——e'點(diǎn)引垂線到后連桿下鉸點(diǎn)之距，mm；
H1——架最高位置時(shí)的計(jì)算高度，mm；
H2——架最低位置時(shí)的計(jì)算高度，mm。
從幾何關(guān)系可以列出以下兩式：
(2-5)
(2-6)
將式(2-5)、(2-6)聯(lián)立解得：
(2-7)
令 ，支撐掩護(hù)式支架：
支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度為：
根據(jù)的值和上式可以求得掩護(hù)梁的長度 G和后連桿長度A，經(jīng)過取整后，再重新算出、、、的角度。
按四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征所要求的角度選定：
(2-8) 掩護(hù)梁的長度為
mm；
后連桿的長度為
A= I×G =1839 mm；
（3）幾何作圖法作圖過程
具體作圖步驟如下：
1、確定后連桿下鉸點(diǎn)O點(diǎn)的位置，使它大體比底座略高，取400mm，考慮太低安裝銷子困難，太高底座又笨重。
2、過O點(diǎn)作水平線H－H線與底座相平行。
3、過O點(diǎn)作一條直線與水平線H－H線相交其交角為Q1。
4、在此斜線上截取線段,長度等于Ａ，ａ點(diǎn)即為后連桿與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)。
5過ａ點(diǎn)作與H－H線有交角ａ１的斜線，以ａ為圓心，以G為半徑作弧交此斜線于點(diǎn)，此點(diǎn)為掩護(hù)梁、與頂梁的鉸點(diǎn)。
6、 過點(diǎn)作一條直線與水平線H－H平行的F－F直線，則H－H線與F－F線的距離為H，即為液壓支架最高位置的計(jì)算高度。
7、 以ａ點(diǎn)為圓心，以（0.22～0.3）G長度為半徑作弧，在掩護(hù)梁上交于點(diǎn)b，為前連桿上鉸點(diǎn)的位置。
8、 過點(diǎn)作F－F線的垂線(認(rèn)為液壓支架由高到低變化時(shí)，點(diǎn)在此直線上滑動(dòng))。
9、在垂線上作液壓支架在最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的鉸點(diǎn)。
10、取線中間某一點(diǎn)為液壓支架降到此高度時(shí)掩護(hù)梁與頂梁的鉸點(diǎn)（液壓支架由高到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為近似雙紐線，中間這一點(diǎn)的位置直接影響頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀和變化寬度等）。
11、以O(shè)點(diǎn)為圓心，為半徑作圓弧。
12、以點(diǎn)為圓心，掩護(hù)梁長為半徑作弧，交前面圓弧上一點(diǎn)，此點(diǎn)為液壓支架降到中間某一位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。
13、以點(diǎn)為圓心，掩護(hù)梁長為半徑作弧，交最前面圓弧上一點(diǎn)，此點(diǎn)為支架降到最低位置時(shí)，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)。
14、連接、，并以點(diǎn)為圓心，長為半徑作弧，交上一點(diǎn)點(diǎn)；以點(diǎn)為圓心，長為半徑作弧，交上一點(diǎn)，則b、、b"三點(diǎn)為液壓支架在三個(gè)位置時(shí)，前連桿的上鉸點(diǎn)。
15、連接、為液壓支架降到中間某一位置和最低位置時(shí)后連桿的位置。
16、分別作和’的垂直平分線交于C點(diǎn)，即為前連桿的下鉸點(diǎn)，bc為前連桿的長度。
17、過點(diǎn)c向H－H線作垂線，交于d點(diǎn)。則、、液壓支架的四連桿機(jī)構(gòu)。
18、按以上初步求出的四這桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸用幾何作圖法畫出液壓支架掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)e'的運(yùn)動(dòng)曲線，只要逐步變化四連桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸，便可以畫出不同的曲線來，再按液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征進(jìn)行校核，最終選出較優(yōu)的四連桿機(jī)構(gòu)尺寸來。
按以上步驟作圖，結(jié)果如圖2-4所示。
圖2-4 四連桿機(jī)構(gòu)的作圖結(jié)果
通過四連桿機(jī)構(gòu)作圖得：
mm
ab=783 mm
do=751 mm
cd=983 mm
bc=1651 mm
2.3 確定頂梁的長度
頂梁長度：
掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式支架頂梁長度計(jì)算
頂梁長度=[配套尺寸+底座長度+AcosQ1]-[GcosP1+C+e]+掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)至頂梁后端點(diǎn)之距
(2-9)
式中：
底座長度 L1=4300 mm
B——液 壓支架的配套尺寸；
該液壓支架的配套設(shè)備有：MG750/1910-WD型采煤機(jī)，SGZ-1000/1050-W型刮板輸送機(jī)。其配套尺寸如圖2－6所示。
B=1000+400+1000+290=2690 mm ；
A——后連桿長度，A=1839 mm；
G——掩護(hù)梁長度，G=3013 mm；
e——支架由高到低頂梁前端最大位移量，e=30 mm；
C——梁端距，
考慮由于工作面頂板起伏不平造成輸送機(jī)和采煤機(jī)的傾斜，以及采煤機(jī)割煤時(shí)垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距。要求頂梁前端距煤壁最小距離為300mm；
——液壓支架在最高位置時(shí)，后連桿與水平面的夾角。
由前面知，
P1——液壓支架在最高位置時(shí)，掩護(hù)梁與水平面的夾角。
由前面知，
由式（2-9）得
=5477mm
取整5480 mm
2.4 液壓支架的性能參數(shù)
2.4.1液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度及驗(yàn)算
支護(hù)強(qiáng)度
q=P/F (2-10)
式中：
P——支架支撐頂板的有效工作阻力 12000kN；
F——每臺(tái)支架的支護(hù)面積
F=(L+C)(B+K) (2-11)
式中：
L——支架頂梁長度；
C——梁端距；
B——支架頂梁寬度；
K——架間距；
由式（2-10）（2-11）得
F=（5480+300）（1640+110）
=10.115 m2
q=P/F
=12000×103/(10.115×106)
=1.186 Mpa
支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算：
已知該支架的支護(hù)強(qiáng)度為 1.0～1.2 Mpa
1.0
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