掩护式液压支架设计说明书

第1章 概述

1.1液压支架的发展历程

液压支架的设计、制造和使用，从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在，已经基本成熟，它已经形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。

从液压支架的形式来看，有支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架；从支架的质量来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架；从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架，其中厚煤层液压支架又分厚煤层一次全采高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架；从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状来看，液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的体系设计来看，从过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展和进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。

1.2液压支架的工作情况

每个工作面一般由采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。

为了实现顶板即时支护，采用即时支护的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。

1.3液压支架的机构类型

液压支架有许多类型。按围岩的相互作用和维护回采空间的方式，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类；按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式两类；按使用地点不同可分为工作面支架和端头支架两类；工作面支架按煤层厚度和开采方法不同可分为铺联网支架和放顶煤液压支架。

顶梁又称主梁，是支护顶板的直接承载部件，并为立柱、掩护梁及护顶 装置提供联结点。它不但要求具有一定的强度和刚度，而且接触面积要大，并能适应顶板压力的变化。顶梁与顶板尽可能均匀接触，避免因局部接顶而造成顶梁集中受载，损坏支架其他构件。顶梁均设计成多腔室薄壁箱型结构，由上下盖板等钢板焊接而成。为了增强其结构的刚度，上下盖板之间设有加强筋板；顶梁前端呈滑撬状，以较少顶梁与顶板间的移动阻力。

如图1－2所示，掩护式液压支架一般由顶梁、掩护梁、前后连杆、底座、立柱等主要结构件和前梁、侧护板、平衡千斤顶、前梁千斤顶、推移千斤顶等辅助结构件以及各种操纵阀、控制阀、动力液压缸等组成 。

图1－2 支架组成结构

1－前梁 2－顶梁 3－立柱 4－掩护梁 5－前连杆 6－后连杆 7－底座

8－推移装置 9－平衡千斤顶10－前梁千斤顶 11－护帮千斤顶 12－护帮装置

掩护梁是组成液压支架四连杆机构的杆件之一。因此，掩护梁要求具有较高的强度和抗扭强度，其焊缝要求高标准、严要求以免开焊。掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构，它联结着顶梁、前后连杆以及底座，承载才空区矸石的作用载荷以及因顶梁受偏载作用而产生的扭转载荷，起着稳定支架重心并防止采空区矸石进入工作面的作用，既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距基本恒定，又承担了支架在工作过程中的水平分力，以保证支架的工作稳定性，一般掩护梁也设计箱型结构。

底座是钢板焊接的箱型结构， 底座是将顶板载荷传递到底板及固定立柱和前后连杆的承载部件，也是组成支架四连杆机构的杆件之一，它与底板直接接触，将立柱传来的顶板压力传递给底板。底座的后部与前后连杆铰接，前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳，推移千斤顶的另一端与工作面运输机连接，通过推移千斤顶的伸缩，实现推溜和移架行走动作。

1.4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。如图1.1所示

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，另一腔回来，推动活塞上升，使与活塞杆连接的顶梁紧紧接触顶板。

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。

3．支架和输送机前移

支架和输送机的前移，都是由于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；当需要输送机时，支架支撑顶板后，高压液体进入推移千斤顶活塞腔，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。

图1－3液压支架工作原理图

1-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-主供液路 12-主回液路

1.5 设计事项

目的：采用综合机械化采煤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求，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。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求量是很大的。

由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。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。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是大的，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。

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，以便有效的控制顶板，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100kN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100kN～150kN，中厚煤层一般为150kN至250kN，厚煤层一般为300kN～400kN。

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，能够承受一定的不均匀载荷。

10．在满足强度条件下，尽可能减轻支架的重量。

11．要易于拆卸，结构简单。12．液压元件要可靠。

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．底板岩性和小时涌水量：根据底板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，决定是够选用防滑防倒装置。

7．井筒罐笼尺寸：根据井筒罐笼尺寸，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。

1.6 液压支架的分类

液压支架按结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。

1．支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性能好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。

支撑式支架有垛式和节式之分。

（1）节式：节式支架由2～4个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进，

（2）垛式：整个支架为一整体结构，整体移动，通常有4～6根立柱，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。

2．掩护式支架

掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶能力弱；顶梁短，控顶距小；由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性能好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。

3．支撑掩护式支架

支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。

1.7 液压支架的主要结构和用途

液压支架由以下六个主要部分组成：顶梁、立柱、掩护梁和挡矸帘、底座、推移机构、操纵控制系统。

一、顶梁用途：

1．用于支撑维护控顶区的顶板。

2．承受顶板的压力。

3．将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。

二、底座用途：

1．为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。

2．与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。

3．将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。

三、掩护梁用途：

1．掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。

2．掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩。

3．掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。

四、活动侧护板用途：

1．与邻架的顶梁、掩护梁和后连杆的固定侧护板相贴，构成了指甲的挡矸屏障。

2．支架移架时起导向作用。

3．利用侧推千斤顶可调整支架的横向位置或防倒扶正支架。

五、连杆

前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。

1.8 液压支架的液压系统

液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。

一、液压支架传动系统的基本要求

对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。

容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。

二、液压支架的液压传动特点

液压支架的液压传动，与其他机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下：

工作液的压力高（管路内的压力达20～40MPa，立柱内的压力达30～70MPa），流量大（30～150l/min）；在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体为工作介质；液压缸、操纵阀，其他调节和控制装置等总的数量大（高压泵1～6台，液压缸300～1500个，安全阀150～300个，还有同样数量的液控单向阀）；很长的液压管路（200～300m刚性管，500～3000m高压软管）；泵——液压缸传动系统的换算弹性模数较低；根据支架的数目改变液流的参数；所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及他们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序；为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业以及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。

这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即： 液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有其独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独的加以研究。

1.9 液压支架的选型

液压支架的选型原则：

液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面条件，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、技术和设备条进行选择。

1．液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。

2．当煤层厚度超过1.5m，顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。

3．当煤层厚度达到2.5～2.8m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机械加长杆或双伸缩立柱的支架。

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，应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。

5．煤层倾角＜10°时，支架可不设防倒防滑装置；15°～25°时，排头支架应设防滑装置，工作面中部输送机设防滑装置；＞25°时，排头支架应设防倒防滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。

6．对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并优先选用通风断面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，煤层变化大，顶板的允许暴露面积在5～8m2，时间在20min以上时，暂不宜采用综采。

第2章 液压支架的整体结构设计

2.1液压支架的主要结构的确定

已知参数：煤层厚度H=1.5－2m，煤层倾角13°；顶设条件老顶二级，直接顶别二级；底板平整，无影向支架通过的断层。

一、支架高度

支架高度的确定原则，一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，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，然后确定支架高度对于大采高支架，按下式确定支架高度，即：

式中 ：-支架最大高度；-支架最小高度；-煤层最大厚度；-煤层最小厚度；-考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，一般为200～300mm；-顶板最大下沉量，一般取100～200mm；-移架时支架的最小可缩量，一般取50mm；-浮矸、浮煤厚度，一般取50mm.

二、支架的伸缩比

支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值即：

支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大的调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般支架最大高度和最小高度的比值的范围是1.5至2.5。

经计算，该支架的伸缩比为：m=2.2÷1.2=1.83

考虑尽量减轻支架重量，降低造价，可搞系列化，加强支架对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或机械加长杆来增加调高范围。一般根据单位缸长行程来确定，当，可采用单伸缩立柱。

式中：；；

；，

综合考虑本设计采用双伸缩立柱。

三、支架间距

支架间距就是指相邻支架中心线间的距离，按下式计算

$$b_c=B_m+{\text{nc}}_3$$ （2 - 5）

式中：$$b_c$$—支架间距（支架中心距）；$$B_m$$—每架支架顶梁总宽度；

$$c_3$$—相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；

$$n$$—每架所包含的组架或框架数

支架间距$$b_c$$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，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶联结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.50m，千斤顶联结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.50m.

支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。当支架中心距为$$1\text{.}5m$$时，最小宽度一般取$$\text{1400}\text{~}\text{1430}\text{mm}$$,最大宽度一般取$$\text{1570}\text{~}\text{1600}\text{mm}$$。当支架中心距为$$1\text{.}\text{75}m$$时，最小宽度一般取$$\text{1650}\text{~}\text{1680}\text{mm}$$，最大宽度一般取$$\text{1850}\text{~}\text{1880}\text{mm}$$。当支架中心距为$$1\text{.}\text{25}m$$时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度一般取$$\text{1150}\text{~}\text{1180}\text{mm}$$，最大宽度一般取$$\text{1320}\text{~}\text{1350}\text{mm}$$。取$$b_c$$=150 mm

四、底座长度

底座是将顶板压力传递到地板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，应考虑如下方面：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。通常，掩护式液压支架底座的长度取3.5倍的移架步距（一个移架步距为0.6m），即2.1m左右。

2.2四连杆机构的设计

一、作用1．梁端护顶：鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动，故可选定双纽线的近似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接近于保持等距，当梁端距处于允许值范围之内时，借此可以保证梁端顶板维护良好。

2．挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件，又是承载件，为了承受采空区内破碎岩石所赋予的载荷，掩护梁一般做成整体箱形结构，具有一定强度。由于它处在隔离采空区的位置，故可以起到良好的挡矸作用。

3．抵抗水平力 观测表明：综采面给予支架的外载，不但有垂直于煤层顶板的分力，而且还有沿岩层层面指向采空区方向（或指向煤壁方向）的分力，这个水平推力由液压支架的四连杆机构承受，从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。

4．提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体，在支架承载阶段，其稳定程度较高。

四连杆机构在具有以上诸作用的同时，也有一些缺点。首先，支架在工作过程当中，四连杆机构必须承受很大的内力，从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加；其次，由于四连杆机构对顶板产生一个水平力（又称水平支撑力），因此对支架的工作性能将产生不良影响。

二、要求

图2－1 四连杆机构

1．对支架在跳高范围内梁端距的大小有重要影响。四连杆机构应能控制顶梁与掩护梁铰接点运动轨迹(呈双纽线)、使其在支架调高范围内的偏差一般不大于70mm；

2．影响支架支撑效率。一般在支架工作工作高度范围内，四连杆机构瞬心距立柱的垂直距离越大越有利；

3．双纽线轨迹变化对支架垂直支撑力有重要影响；

4．双纽线轨迹影响连杆、掩护梁等连接部位的受力情况。通常认为轨迹曲线应向前偏摆，即支架由高位置降下时，轨迹曲线逐渐靠近煤壁；

5．为保证支架的稳定性，后连杆的水平夹角Q一般不超过85度，最小角度应以连杆机构与底板不干涉为准；

6．一般应尽可能加大掩护梁的背角。厚煤层支架取大值，薄煤层支架取小值。对支撑掩护式支架应加大背角。对坚硬难冒顶板的支架，掩护梁背角应尽可能大；

7．掩护梁长度与掩护梁上前、后连杆铰接点间距应保持一定的比例(4：1～16：1)，这不仅对支架受力，而且对调高范围也有影响，一般凭经验选取

三、几何特征

图2.－2 四连杆机构特征图

（1）支架在最高位置时，≤$${\text{52}}^{°}\text{~}\text{62}°$$，即：$$0\text{.}\text{91}\text{~}1\text{.}\text{08}$$弧度；≤$${\text{75}}^{°}\text{~}\text{85}°$$即1.31～1.48弧度；支架在最底位置时，保证$${\text{25}}^{°}$$。

（2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I =0.45~0.61;支撑掩护式为I = 0.61~0.82。

（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为0.22～0.3。

（4）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mm以下最好在30mm以下。

（5）支架在最高位置时的应小于0.35，在优化设计中，对掩护式支架最好小于0.16，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。

四、四连杆机构的设计方法

四连杆机构的设计的主要方法有：几何作图法、优选法等。本设计鉴于各种方法的优缺点，采用了几何作图法求解的方式来求解。

几何作图法按如下步骤进行：

(1)确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离，一般同类型支架用类比法来确定，关于这两个尺寸的大小和对支架受力的影响，后面进行专门研究。

(2)掩护梁和后连杆长度的确定。用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。

图2－3掩护梁和后连杆长度的确定

设 ；

；

；

；

。

从几何关系出发可以列出如下两式：

（2- 6）

（2- 7）

将式（2- 6）和式（2- 7）联立可得

（2- 8）

以上关系式说明支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座地面的距离。

按四连杆机构几何特征要求，选定代入式（2- 8），可求得的比值。由于支架型式不同，一般的比值按一下范围来取。

掩护式液压支架： =0.45～0.61

支撑掩护式液压支架：=0.61～0.82

支架最高位置时的计算高度为：

（2- 9）

根据的比值和式（2- 9）可以求得掩护梁的长度G 和后连杆长度A，经过取整后，再重新计算出的角度，这几个参数就确定了。

(3)几何作图法作图过程。用几何作图法确定四连杆机构的各部分尺寸，具体操作法如下：

图2－4 液压支架四连杆机构的几何作图法

作图步骤如下：

1）确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座底面略高200～250mm。

2）过O点作与底座底面平行的水平线H-H线。

3）过O点作于H-H线的夹角为Q1的斜线。

4）在此斜线上截取线段oa,oa长度等于A，a点即为后连杆与掩护梁的铰点。

5）过a点作于H-H线有交角的斜线，以a点为圆心，以G半径作弧交此斜线与一点

，此点为掩护梁与顶梁的铰点。

，此点为掩护梁与顶梁的铰点。

6）过

点作H-H线的平行线F-F线，则H-H线与F-F线的距离为，为液压支架最高位置时的计算高度。

点作H-H线的平行线F-F线，则H-H线与F-F线的距离为，为液压支架最高位置时的计算高度。

7）以a点为圆心，以（0.22～0.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交与一点b，为前连杆上铰点的位置。

8）过点作F-F线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，

点在此直线上滑动）。

点在此直线上滑动）。

9）在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。

10) 取

线中间某一点

，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端点运动轨迹的形状、变化宽度等）。

11) 以O点为圆心，Oa为半径作圆弧。

12) 以

点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点,此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。

13) 以

点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点

,此点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。

14) 连接、，并以点为圆心，ab长为半径，交上于点，以点为圆心，ab长为半径做圆弧，交上一点。则三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。

15) 连接，为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。

16) 分别作垂直平分线，其交点c即为前连杆下铰点,bc为前连杆的长度。

17) 过c点作向H-H线作垂线，交于点d，则线段为液压支架四连杆机构。

2.3 顶梁长度的确定

一、支架工作方式对支架顶梁长度的影响

支架工作方式对支架顶梁长度影响最大，见图2.5所示。

图2－5支架工作方式

从图2－5中可以看出，先移架后推溜方式(又称即时支护方式)要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式(又称滞后支护方式)要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推淄的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支护新暴露的顶板，做到及时支护。

因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600mm。

当采用即时支护方式时．一般大采高支架梁端距应取350～480mm，中厚煤层支架梁端距应取280－340mm．薄煤层支架梁端距应取200－300mm。 顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深(滚筒宽度)、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素的制约。

二、顶梁长度计算的有关因素

设备配套尺寸与支架顶架长度有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm，这个距项叫空顶距。另外在输送机铲煤板前也留有一定距离。一般为135～150mm左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，以此来计算顶梁长度。

四、顶梁长度的计算

掩护式支架顶梁长度计算

顶梁长度=[配套尺寸+底座长度+

]-[

+300+$$e$$]+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距（mm）

式中：配套尺寸—参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定；底座长度—底座前端至后连杆下铰点之距；

e—支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；

$$Q_1$$

、

$$P_1$$

—支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。

配套尺寸=800+200+240+730+360=2330 mm。

经计算可得顶梁长3237mm。

2.4 支护面积

支架的支护面积按下式计算：$$F_c=(L+C)(B+K)$$

式中：$$F_c$$－支架支护面积（m2）；$$L$$－支架顶梁的长度（m）；

－梁端距 （m），一般取0.28～0.34 m；B – 支架宽度 （m）；

－架间距（m）；$$F_c=$$（3.237+0.35）（1.55+1.5）=10.94（m2）

q=441 kN/ m2

第3章 液压支架部件结构

支架的主要结构：ZY4800/22/42掩护式液压支架主要由金属结构件、液压元件二大部分组成。金属结构件有：顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、推杆及侧护板等。液压元件主要有：立柱、各种千斤顶、液压控制元件（操纵阀、单向阀、安全阀等）、液压辅助元件（胶管、弯头、三通等）等。

3.1顶梁

一、用途：1．用于支撑维护控顶区的顶板。

2．承受顶梁的压力。

3．将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。

二、结构形式

顶梁的结构形式见表3－1。

如表3－1所示，支架常用顶梁形式有3种：整体顶梁、铰接项梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。

表3－1 顶梁的结构形式

1．整体顶梁

整体顶梁的特点是：结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端文撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。简单的整体刚性顶梁的结构外形如下图所示。

图3－1(a)为掩护式支架的整体刚性顶梁，图3－1 (b)为支撑掩护式的整体刚性顶梁，整体刚性顶梁为宽面板式箱形结构件。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端(800－1000mm)。

(a)掩护式支架整体顶梁 (b)支撑掩护式刚性整体顶梁

图3－1 整体顶梁结构

2．铰接式顶梁

铰接式顶梁如图3－2所示。在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般要留有100～150mm间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。

图3－2 铰接式顶梁结构

1－前梁 ；2－前梁千斤顶 ；3－顶梁

铰接前梁图3－3(a)与顶梁3－3(b)如下图：

(a)铰接前梁 (b) 铰接顶梁

图3－3 铰接前梁与顶梁结构

3．楔形结构梁

楔形结构梁如图3－4所示。楔形梁1和后梁4通过销轴铰接，楔形梁的楔臂与顶粱间夹有楔块2，楔块2后端与楔形千斤顶铰接，而千斤顶则铰接于顶梁上。

图3－4 楔形结构梁

1．楔形梁 2．楔块 3．楔形梁斤顶 4．后梁

楔形结构梁利用构件间摩擦自锁原理，通过楔块2与楔形梁1和顶梁4之间的摩擦作用，使楔形梁1、楔块2和后梁4在受载时保持为－个整体，如同整体刚性顶梁。这样，该梁就具有整体刚件顶梁前端支护力大的优点。由于楔形梁1与后梁4为铰接结构，今操作楔形梁千斤顶伸出或缩回时带动楔块前后移动，从而使楔形梁1绕铰轴上下摆动，其摆动范围取决于楔块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰接顶梁小，因而该梁又具有铰接顶梁的灵活性。此外，在运输时，楔形梁1可以放到下垂位置，缩短了运输尺寸，从而方便运输和安装。

综上所述，结合这次设计的实际，选择了整体式顶梁。

三、顶梁结构和断面形状

各类顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘型。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂矸帘之用。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来，掩护式支架和支撑掩护式支架在顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。

按顶梁的断面形状，还可以把顶梁分成如下结构形式：

1．闭式顶梁

闭式顶梁为顶梁上、下盖板与筋板焊接成封闭型，如图3－5所示。

一种为立筋凸出型，如图3－5(a)所示，增加了焊接强度；另一种为立筋凹下，焊接后使顶梁平整，但焊接强度如前一种，如图3－5(b)。

图3－5 顶梁闭式立筋型式

2．开式顶梁

开式顶梁结构如图3－6所示。

图3－6 顶梁开式立筋型式

开式顶梁的特点，可减轻顶梁重量，增强顶梁的抗弯强度。

对于掩护式和支撑掩护式支架，为便于侧护板能自由伸缩，要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板稍厚的钢板，称为顶板，如图3－7中a，同时也增强了顶梁的结构强度。

图3－7 顶梁断面

3.2顶梁侧护板

支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。

一、主要作用：1．挡矸。可改善顶梁与掩护梁的护顶、防矸性能，隔离控顶区与采空区、防止冒落矸石窜入工作面，减少冒矸形成的粉尘；

2．导向。在支架移架时起导向作用；

3．防倒、调架。活动侧护板增强了支架侧向稳定性，其上设置的弹簧与千斤顶都起防倒与调架作用。

二、支架侧护板形式的选择

支梁侧护板装置一般由侧护板、弹簧简、侧护千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。支架常用的活动侧护板形式有3种，即直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。

1．直角式单侧活动侧护板

直角式单侧活动侧护板如图3－8所示，一侧为固定侧护板，一侧为活动侧护板。固定侧护板即是梁的边筋板，可增加梁体强度，减轻支架重量。直角式单侧活动侧护板适用于上作面倾角较小（

以下）的缓倾斜煤层或水平煤层，具有挡矸密封性好和导向性好的特点。

图3－8 直角式单侧活动侧护板

2．直角式双侧可调的活动侧护板

直角式双侧可调的活动侧护板如图3－9所示，可根据工作面倾角方向，调整一侧固定．另一侧活动，适应性强，可用于各种支架

图3－9 直角式双侧可调的活动侧护板

3．折页式活动侧护板

折页式活动侧护板如图3－10所示．它的主要特点是结构简单，千斤顶可以布置在梁体的外侧，便于拆装和维修。但挡矸、密封性差，易形成矸石漏泄，且移架时导向性差。主要用于顶板比较稳定或坚硬条件的支撑掩护式支架，且只能安装于顶梁。

图3－10 折页式活动侧护板

1－活动上侧护板；2－活动上侧护板；3－顶杆；4－千斤顶；5－固定侧护板

顶梁侧护板高度一般取250～500mm，薄煤层支架取下限，大采高支架取上限。掩护梁侧护板和后连杆侧护板高度一般根据支架最大高度时，侧护板水平尺寸等于移架步距加100～200mm搭接量的原则确定。

综上所述，结合这次设计的实际，直角式单侧活动侧护板。

3.3底座形式的选择

底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的部件，除了满足一定的刚度和强度外，还要求对底板接触比压要小，其主要作用包括：

1）为立柱、液压控制装置、推移装置及其他辅助装置给以合理安装位置；

2）给工作人员创造良好的工作环境；

3）具有一定的排矸挡矸作用；

4）保证了支架的稳定性。

底座的结构形式可分为整体式和分体式，分体式底座由左右两部分组成，排矸性能好，对底板起伏不平的适应性强，但与底板接触面积小。整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定性好，强度高，不易变形，与底板接触面积大，比压小，但底座中部排矸性能稍差。

本支架底座为整体式底座，前端过桥，后部箱形结构把左右两部分连为一体，具有很高的强度和刚度。

一、结构形式及特点：支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。

1．整体刚性底座

整体刚性底座如图3－11所示，中挡前部一般有一高度50～100mm小箱形结构，中挡后部上方为箱形结构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座立柱柱窝的一般要设计一过桥．以提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好。底座接底面积大，有利于减小对底板的比压，但中挡推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架。

2．底分式刚性底座

底分式刚性底座如图3－12所示。底座底板是中分式的，中挡维移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，小挡后部上方为箱形结构。由于底分式刚性底座中挡底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不需要人工情理．适应高产高效要求，但减少了底座接底面积，增大了对底板的比压，目前，高产高效工作面液压支架一般均采用分体刚性底座。

图3－12 底分式刚性底座

3．铰接分体式底座

图3－13 铰接分体式底座

如图3－13所示，铰接分体底座分为左右相对独立的两部分，从中档处铰接，左右底座在垂直方向可相对错动，无刚性约束。这种底座对底板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但支架的整体刚性有所降低。

根据以上的分析，结合这次设计的实际，采用整体式刚性底座。

二、柱间距和筋扳配置

支架柱间距是指两排立柱间的距离。柱间距和筋板配置要考虑支架的中心距、立柱缸径、推移装置的宽度等因素。合理确定柱间距和筋板配置，是支架结构设计的重要任务。柱间距与各部件筋板配置关系如图3－14所示。

图3－14 柱间距与各部件筋板配置关系

三、推移装置的形式选择

推移装置的要求是：1．以较小的力推移输送机(80～200kN)。以较大的力拉移支架(150～500kN)。

2．为适应支架和输送机可能出现的相对位置变化，推移装置前部在推科过程十平和垂直方向能有一定的摆动范围。

3．工作中推移千斤顶不承受侧向力，而是让推移杆或框架承受，以保证工作的可靠性。

4．在拉架过程中推移装置和支架底座之间应缸有较好的导向性能。

推移装置由推移杆、推移千斤顶和连接头等主要零部件组成，其中推移杆是决定推移装置形式和性能的关键部件。推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆两种。

①．短推移杆：短推移杆一般结构如图3－15所示，是由钢板组焊而成的箱形结构件，结构简单可靠，重量轻，被广泛应用。

图3－15 短推移杆

②．长推移杆

长推移杆常用形式有框架式、整体箱式和铰接式。一般框架式长推移杆结构如图3－16所示，它由前后两段组成，前段为箱式结构，后段为双杆式结构和导向块。当推移千斤顶缸径超过4140mm时，双杆式结构强度难以保证，可靠性下降。框架式长推移杆适用于中型以下的支架。

图3－16 长推移杆

整体箱式长推移杆，一般是由钢板组焊而成的整体箱式结构件，如图3－17所示。它的结构简单、可靠性好、防止支架和输送机下滑的性能好，但在工作面难以更换，因此，必须保证其有足够大的安全系数。整体箱式长推移杆在多种高效工作面使用，未发现损坏。

如图3－18所示，铰接式长推移杆一般由前后两段箱式结构件组成，中间通过十字连接头铰接，可以上、下、左、右摆动。它解决了整体箱式长推杆不便更换的缺点，兼有短推移杆和长推移杆的双重特点。

图3－17 整体箱式长推移杆

图3－18 铰接式长推移杆

3.4 掩护梁

掩护梁上部与顶梁铰接，下部与前后连杆相连，经前后连杆与底座连为一个整体，是支架的主要连接和掩护部件，其主要作用包括：

1）承受顶板给支架的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；

2）掩护梁与前后连杆、底座形成四连杆机构，保证梁端距变化不大。

3）阻挡后部落煤前窜，维护工作空间。

另外，由于掩护梁承受的弯距和扭矩较大，工作状况恶劣，所以掩护梁必须具有足够的强度和刚度。

本支架的掩护梁为整体箱形断面结构，用钢板拼焊而成，为保证掩护梁有足够的强度，在它与顶梁、前后连杆部件都有加强板，在相应的危险断面和危险焊缝处也都有加强板。

掩护梁也设计有可活动侧护板，其作用和功能和顶梁侧护相同。

前、后连杆上下分别与掩护梁与底座铰接，共同形成四连杆机构。

第4章 液压支架部件参数的确定

4.1掩护梁及后连杆

液压支架在最高位置时，掩护梁与水平面夹角,

后连杆与水平面夹角；

在最低位置时，；

由几何关系得

(4 - 1)

(4 - 2)

联立式（4-1）和式（4-2）求得：掩护梁：G=2704mm；后连杆：A=1623mm

根据几何作图法得：前连杆长1628mm；掩护梁上两个铰点距离620mm；

前连杆下铰点至底面 665mm

4.2立柱的技术参数

立柱的缸体内径按下式进行计算：

(cm)

式中：$$D_d$$―立柱缸体内径（cm）；―支架承受的理论支护阻力（kN）；

―每架支架立柱数，2根；$$p_a$$―安全阀调正压力（MPa），按产品样本选取。这里选择40Mpa的

安全阀；$$a$$―立柱最大倾角, (支架降到最低工作位置时，$$\alpha$$角最大)$$\alpha$$=10°；本支架中，$$F$$=4825kN，$$n$$=2，$$p_a$$=40MPa，$$a$$=10°

则有

=27.9（cm）

则立柱额定工作压力：39.4 （MPa）

本支架选双伸缩立柱，尺寸如下：外缸内径：280mm；中缸外径：260mm；

中缸内径：210mm；活柱外径：190mm。

4.3 立柱的初撑力和实际压力

一、初撑力：$$P_1=\frac{{\mathit{\pi D}}_{d^2}}{4\times \text{10}}\cdot p_b$$(kN) (4－3)

式中$$p_b$$－泵站额定工作压力(MPa)，这里取$$p_b$$=31.5MPa。

则有：$$P_1=\frac{{\mathit{\pi D}}_{d^2}}{4\times \text{10}}\cdot p_b=\frac{3\text{.}\text{14}\times {\text{280}}^2}{\text{4000}}\times \text{31}\text{.}5=$$1938 (kN)

二、实际压力：取安全阀的调整压力40Mpa。

立柱的工作阻力2462（kN）；

液压支架的设计和使用经验表明，初撑力与工作阻力间应满足一定关系，即p1=(0.35~0.7)p2。掩护式液压支架取p1=0.7p2左右为宜。

4.4立柱柱窝位置的确定

确定原则；(1)根据支撑力分布与顶板载荷相一致的原则，通过受力分析计算，确定著我合力作用点的位置。(2)根据前后立柱间行人及初撑力的均匀分布的要求，初步确定前后立柱间的距离为1010mm。(3)考虑到支撑效率，立柱的倾角不宜太大，最高位置时立柱倾角不小于。取顶梁为分离体，受力情况如图：

对A点取距；

式中：；

；

；

—立柱工作阻力，kN；

—顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面的距离，m；

—立柱上柱窝中心至顶梁顶面的距离，m；

—立柱在最高位置时的倾角，（ °）。

其中：4825 kN ；W=0.3 ； ；。

则有X=1.014 m。

4.5推移千斤顶的参数确定

推移千斤顶采用平面短杆式推移方式，其缸体内径为：

式中：$$D_t$$－推移千斤顶缸体内径(cm)；$$P_b^{}$$－泵站额定工作压力(MPa)；

—推移千斤顶的移架力，在薄煤层中=100～150kN；中厚煤层中=150～250kN；厚煤层中=300～400kN。

取=200kN；$$P_b^{}$$=31.5Mpa 。 经计算求得：=8.9cm

由以上计算出来的推移千斤顶缸体内径，再按千斤顶公称承载力与内径匹配关系选取缸径为100mm,杆径70mm,推力245kN,拉力127 kN的千斤顶。缸体和活塞杆的材料80/85圆钢。缸体尺寸为121×14。

推移千斤顶的行程与推移步距有关，当推移步距为600mm时，推移千斤顶的行程为700～750mm,按规定取700mm或750mm。

4.6平衡千斤顶的参数确定

平衡千斤顶铰接于顶梁与掩护梁之间。

(1)平衡千斤顶的拉力计算

或

（kN）

平衡千斤顶的拉力，按作用在立柱上铰点到掩护梁后端这部分面积上的高度为支架最大采高的岩石重量来计算。

取顶梁和掩护梁为分离体，对瞬心O点取矩列平衡方程式即∑Mo=0得

$$p_L＝\frac{p_Y\times s}{b}$$ （kN）而 $$p_Y=H\times L\times B\times r$$ （kN）

式中：$$p_Y$$――作用在立柱上铰点到掩护梁后端这部分面积上，高度为支架最大采高的岩石重量；s――力­­Pc至瞬心O点的距离；

b――立柱至瞬心O点的距离； H――支架的最大采高；

B――支架宽度；L――岩体的计算长度；r――岩体容重 r＝26kN/$$m^3$$；

再取顶梁为分离体，对g点去矩列平衡方程式，即∑Mg=0得

$$p_{拉}＝\frac{p_L\times e}{d}$$ （Kg）

式中：$$p_{拉}$$――平衡千斤顶拉力（取负），推力（取正）；

e――立柱到顶梁后铰点的距离；d――平衡千斤顶到顶梁后铰点的距离。

$$p_Y\text{＝H}\times L\times B\times r$$＝4×2.684×1.5×26＝418（kN）；

$$p_L＝\frac{p_Y\times s}{b}$$＝$$\frac{\text{418}\times 0\text{.}\text{615}}{3\text{.}\text{03}}＝$$85（kN）；$$p_{拉}＝$$$$\frac{p_L\times e}{d}$$＝$$\frac{\text{85}\times 1\text{.}\text{016}}{0\text{.}\text{545}}＝$$158（kN）；

(2)平衡千斤顶的推力计算

平衡千斤顶的推力,假设支架支撑合力作用点分顶梁前后段长度为2:1,用这个比例关系计算平衡千斤顶的推力.即:$$X=l/3$$－K代入支架在最高位置时，取顶梁为分离体对g点取矩求出的公式，即：

$$P_{推}＝\frac{\raisebox{1ex}{$P_Y\times l$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\text{－P}}_L\times e}{d}$$

d――平衡千斤顶到顶梁后铰点的距离；e――立柱到顶梁后铰点的距离；

l――顶梁总长度；

$$P_{推}＝\frac{\raisebox{1ex}{$P_Y\times l$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.{\text{－P}}_L\times e}{d}$$$$＝\frac{\raisebox{1ex}{$\text{418}\times \text{3237}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.－\text{85}\times \text{1016}}{\text{545}}$$＝669（KN）

(3)平衡千斤顶的缸径计算

＝14.6（cm）

由以上计算出来的平衡千斤顶缸体内径，再按千斤顶公称承载力与内径匹配关系选取缸径为160mm,杆径100mm,推力637kN,拉力382kN的千斤顶。

第五章 液压支架的受力分析

5.1液压支架工作状态

1．顶板状态

在采煤工作面中，当煤被采空后，就会出现一定的空间，由于受上部岩层压力，出现高离和裂缝，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就越大。而顶板冒落实是有一定的过程的，一般可分为三个阶段：开始时顶板处于无压状态，此时顶板较完整，而且没有下沉，成为无压状态；但经一定时间后，顶板就会下沉，通常称为老顶来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉是由一定的周期性的，所以成为老顶板来压状态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。

2．液压支架的工作状态

支架在这三种状态下式如何工作的呢？只要看支架的实际工作情况就可以知道，开始支架以初撑力支撑顶板，此时为无压状态；当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增加，当增加到大于安全阀调整压力时，安全阀打开，使立柱下腔压力下降，称为立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如果继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称为压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现象；当支架前移后，此时顶板处于无支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架在工作过程中的三种状态。

3．支架受力

液压支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区浅载移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板反力，其中顶板合力的垂直分力$$F$$由支架工作阻力来克服，所以我在计算支架的工作载荷时按支架的工作阻力来确定。

5.2计算载荷的确定

液压支架实际受载荷情况很复杂，顶梁和底座上的载荷既非集中载荷，又非均匀载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算，作如下规定：

1．把支架简化成一个平面杆系结构，同时为偏于安全，按集中载荷进行计算。

2．金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。

3．顶梁、底座与顶底板认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律，沿支架宽度方向为均匀分布。

4．通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全。

5． 立柱和短柱按最大工作阻力来计算。

6．作用在顶梁上水平力的产生有两种情况：一种是由于支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双纽线，所以顶梁与底板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘积，其方向与顶梁产生位移方向趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向老塘的水平力，最大水平力值与上相通。顶梁与顶板的静摩擦系数$$f$$，目前国内一般取0.2～0.3。

7．支架各部件受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。

8．各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按《液压支架形式试验技术规范》的各种加载方式，以及支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10%的超载试验，将由安全系数来保证。

5.3液压支架的受力分析

支架的受力分析与计算，是按理论力学中一物体受几个力作用下处于平衡状态时，所受的合力矩之和为零的原理来进行分析和计算得。所以当支架支撑后在处于平衡状态时，取整体或某一部件为分离体也处于平衡状态，其合力和合力矩为零。即：满足静力平衡的充分必要条件为，各力在x轴上的投影之和为零，各力在y轴上的投影之和为零，各力对某点取矩之和为零，下面根据这一理论对支架进行受力分析和计算。

据此把支架简化为平面杆系进行受力分析和计算。

整体受力如图5－1所示。图中Pt和P8为已知，需求、及作用点位置。

图5－1顶梁支架受力

如图5－2所示。各力对a点取矩，可写出F1作用点的位置x的表达式：

式中 P8－平衡千斤顶的推、拉力（推力时，受力方向向上；拉力时相反）。

图5－2 顶梁分离体受力

再取顶梁和掩护梁为分离体，如图5－3所示对0点取矩，可求得的表达式，将此式与（5－1）式联立，解出如下：

图5－3 顶梁和掩护梁分离体

再把$$F_1$$代入x的式中，x可解出。

全部按支架在最高工作位置来取数据，将$$P_8=P_{拉}=$$158kN，，$$l_1=$$626mm,$$l_2=$$388 mm,$$l_3=$$2372 mm，$$h_1=$$240mm,$$h_2=$$140mm,$$h_3=$$153mm，$$P_t=$$4924 kN，$${\alpha }_1=\text{10}°$$，$$l_1+l_2=$$1014 mm, 代入式（4－2）得

$$F_1=\begin{array}{c}\{\text{4924}\times \left[\text{2072}\times \text{cos}\text{10}°-\text{153}\times \text{sin}\text{10}°\right]+\}\end{array}\{\}/(\text{2072}-0\text{.}3\times \text{153})$$=4921 kN

然后求x得值。将数据$$P_8=P_{拉}=$$158 kN，$${\alpha }_2=\text{43}°$$，$$l_2=$$388mm，$$h_1=$$240mm,$$h_2=$$140mm,$$h_3=$$153mm，$$P_t=$$2462kN，$${\alpha }_1=\text{10}°$$，$$l_1+l_2=$$1014mm, $$F_1=$$4921 kN，代入式（5－1）得：

x= [669×sin43°×388+669×cos43°×(240－140)+

4924×cos10°×1014+4924×sin10º×(240+140)+4921×0.3×140]/4921=1153mm

当为“+”（平衡千斤顶为推力）且时，力有最小值。

当为“－”（平衡千斤顶为拉力）且＝0.3时，力有最大值。

所以，在验算顶梁强度时，按平衡千斤顶受拉且＝0.3时进行计算。若这个条件强度计算能满足，其他条件都能满足。

由图5－2写出x方向和y方向的力系平衡方程，再由此解出顶梁与掩护梁铰点的内力xa和ya：

已知$$P_t=$$4924kN，$${\alpha }_1=\text{10}°$$，$$P_8=P_{推}=$$669kN，$${\alpha }_2=\text{43}°$$，$$F_1=$$4929kN，,代入式（5－3）和（5－4）得：

$$X_a=\text{4924}\times \text{sin}\text{10}\text{°+}\text{669}\times \text{cos}\text{43}°-\text{4921}\times 0\text{.}3=$$-110（kN）

$$Y_a=\text{4924}\times \text{cos}\text{10}\text{°+}\text{669}\times \text{sin}\text{43}°-\text{4921}=$$405 （kN）

从式中可以看出，当取“+”值，即平衡千斤顶为推力时，、有最大值，掩护梁受力最大，同时前、后连杆受力也最大。所以，在验算掩护梁和前、后连杆强度时，应按此种情况进行。

取掩护梁为分离体，写出力系x方向和y方向的平衡方程，解出

、

为：

图5－4 掩护梁分离体

=

=

KN

=

=

KN

底板对底座的支反力与大小相等。作用点的位置可以由整体支架为分离体（如图3－5）求出。

图 5－5 整体支架分离体受力

对点取矩，整理后有：

取＝－＝－158kN,时最大。

＝1.257（m）

5.4顶梁载荷分布

在把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。由于顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线形分布。

设顶梁长为，顶板的集中载荷为，其作用点距顶梁一端为。

（1）当时，载荷分布为三角形。如图5－4所示。

图5－6 顶梁三角形载荷分布

（2）当时，载荷呈梯形分布，如图5-4所示。

图5－7 顶梁梯形载荷分布

本次设计$$\frac{1}{3}{l}_g\le x=1\text{.}\text{153}\le \frac{1}{2}{l}_g$$,载荷为三角形分布。

顶梁前端比压为：

$$q_2=\frac{F_1(6\text{x－}2L_g)}{L_{g^2}\times B_m}\times {\text{10}}^{－3}=\frac{\text{4921}\times (6\times 1\text{.}\text{153}-2\times 3\text{.}\text{237})}{3\text{.}{\text{237}}^2\times 1\text{.}\text{55}}\times {\text{10}}^{-3}=$$0.076 (MPa)

顶梁后端比压为：

$$q_3=\frac{F_1(4L_g－6x)}{L_{g^2}\times B_m}\times {\text{10}}^{－3}=\frac{\text{4921}\times (4\times 3\text{.}\text{237}-6\times 1\text{.}\text{153})}{3\text{.}{\text{237}}^2\times 1\text{.}\text{55}}\times {\text{10}}^{-3}=$$1.832 (MPa)

式中：$$q_2$$－顶梁前端比压（MPa）；$$q_3$$－顶梁后端比压（MPa）；

$$l_g$$－顶梁长度（3.237 m）；$$F$$－顶梁承受最大载荷 4921 kN；

$$x$$－合力作用点位置 1.153 m；$$B$$－顶梁宽度 1.55 m。

顶板最大比压为$$q_3=$$1.832 MPa。

5.5 支护强度

支架的结构设计结束，其结构尺寸已定。再经受力分析，其外载荷也已确定。于是可以求出支架的实际支护强度如下式：

$$q=\frac{F_1}{\left(L_g+V\right)b_c}\cdot {\text{10}}^{-3}$$ (MPa)

式中：$$b_c$$—支架支护宽度（支架间距）；△—空顶距；

$$L_g$$—顶梁长度；F1—顶梁的集中载荷；

$$$$已知$$F_1=\text{4921}\text{KN}$$，$$L_g=$$3.237 m，$$\Delta =0\text{.}\text{45}m$$，$$b_c=1\text{.}5m$$，代入上式得

$$q=\frac{F_1}{(L_g+\Delta )b_c}\cdot {\text{10}}^{-3}$$=0.89 (MPa)

5.6底座接触比压计算

顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度，则在设计支架时，应验算底板的比压。

验算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。本支架使用带有过桥的分式底座。该底座的特点有：底座分左右对称的两部分，上部用过桥或箱形结构固定连接，这种底座在刚性、稳定性和强度等方面基本上与整体刚性底座相同；安装推移装置通道的底板不封闭，排矸性能好、有利于保证推移装置的正常工作；底座面积小，一般不宜用在底板松软条件；适用于支撑掩护式、掩护式或垛式等各类支架，在底板比压小的条件下，广为采用。

顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度，则在设计支架时，应验算底板的比压。

验算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。本支架使用带有过桥的整体刚性底座。该底座的特点有：底座分左右对称的两部分，上部用过桥或箱形结构固定连接，以提高整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座接底面积大，有利于减小对底版的比压，但推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，用于软底板条件下工作面支架。

计算底板比压时，首先计算底板与底座的接触面积。盖支架底座结构如下图：

图5—8 底座面积

则其与底板的接触面积$$A$$为：

$$A_d=L_d\times B_d{\text{－l}}_1\times h1=2\text{.}\text{378}\times 1\text{.}\text{354}－0\text{.}\text{376}\times 0\text{.}\text{212}=$$3.14 (m2)

然后计算底座对底板的平均比压如下：

$$q_0=\frac{F_1}{A_d}\times {\text{10}}^{－3}=\frac{\text{4921}}{3\text{.}\text{14}}\times {\text{10}}^{－3}=$$1.567 (MPa)

由于底座凹凸不平或底座下垫有碎矸，底座对底板的比压很不均匀。为简化计算而又不失其有效性，假设底座对底板均匀接触且载荷为线形分布。

图5－9 底座三角形比压分布

如图5－9所示，底座前端比压$$q_4$$，后端比压$$q_5$$为0。

为求$$q_4$$，应先求出底座的集中载荷$$F_1$$的作用点的位置$$n_d$$。

当$$n_d\le \frac{L_d}{3}$$时，底座前端比压$$q_4$$为：$$q_4=\frac{2F_1^{}}{3n_{d}b}\cdot {\text{10}}^{-3}$$(MPa)

当$$\frac{L_d}{2}\ge n_d\ge \frac{L_d}{3}$$时，底座载荷呈梯形分布，如图5-6所示。此时底座前端的比压为：$$q_4=\frac{F_1^{}(4L_d-6n_d)}{L_{d^2}b}\cdot {\text{10}}^{-3}$$(MPa) ；$$q_5=\frac{F_1^{}(6n_d-2L_d)}{L_{d^2}b}\cdot {\text{10}}^{-3}$$(MPa)

求出底座的最大比压之后，要与底板允许比压进行比较。

图5－10 底座梯形比压分布

图5－11整体支架分离体

由图5－11所示为：

已知$$L_d=$$2.378m，$$X^{}=$$1.257 m,代入式（5-11）得：$$n_d=$$2.378-1.257 =1.121

由于时，因此底座载荷呈梯形分布，如图5-8所示。

图5－12 底板梯形比压分布

此时底座两端比压为：

$$q_4=\frac{F_1^{}(4L_d-6n_d)}{L_{d^2}b}\cdot {\text{10}}^{-3}=$$

1.791 （MPa）

$$q_5=\frac{F_1^{}(6n_d-2L_d)}{L_{d^2}b}\cdot {\text{10}}^{-3}=$$

1.266 （MPa）

因此，底板最大的比压为1.792MPa。

查综采技术手册中的综合地质条件，可知液压支架的底座尖端对底板岩层的比压（＝1.8 MPa），小于工作面底板的允许比压（底板类别I，允许比压<3.0MPa；底板类别II，允许比压＝3.0～6.0MPa；底板类别III，允许比压＝6.1～9.1MPa；其它类别允许比压更大）。因此，底板适用。

5.7支护效率

整台支架的工作阻力是由立柱工作阻力产生的。用支护效率来评价立柱工作阻力的有效程度，支护效率按下式计算：

值与支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，值过大或过小都不好。

由于支架的工作阻力由立柱工作阻力之和的垂直分力及掩护梁和前、后连杆来承担，而立柱的工作阻力之和不变，当值过大，说明掩护梁和前、后连杆承载增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当值过小，说明立柱的工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段内，掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90％以上。已知＝4921kN，＝4924kN代入式中得：

$$\eta =\frac{F_1}{P_t}=\frac{\text{4921}}{\text{4924}}=\text{99}\text{.}9\text{\%}$$

计算结果表明立柱的阻力可以充分发挥，而又不过大，支护效率合适。

第六章 液压支架的强度校核

6.1强度条件

在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。前面的内容已经给出了支架主要零部件受力分析和负荷的计算方法，但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及其使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也是有其特殊性的。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及失效形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变化，强度条件也必须作相应调整。下面简单介绍我国液压支架强度计算中的强度条件：

1.强度校核均以材料的屈服极限$${\sigma }_s$$计算安全系数。

2.结构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件:

（1）各结构件通常采用16Mn等普通低和金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而成，取$${\sigma }_s=\text{280}$$

MPa。

（2）各销轴均采用40Cr等合金结构钢，取屈服极限$${\sigma }_s=\text{785}$$MPa

（3）活塞杆均采用45号钢，取屈服极限$${\sigma }_s=\text{367}\text{.}2$$MPa

（4）结构件、销轴和活塞杆的强度条件为:

$$n=\frac{{\sigma }_s}{{\sigma }_{\text{max}}}\ge [n]$$

式中$${\sigma }_{\text{max}}$$－危险断面计算出的最大应力，MPa

$$[n]$$－许用安全系数

1．缸体材料采用27SiMn无缝钢管，取抗拉强度$${\sigma }_b=\text{980}$$MPa，强度条件为：

$$n=\frac{{\sigma }_b}{[\sigma ]}\ge [n]$$

式中$$[\sigma ]$$－缸体许用应力，MPa；

$$[n]$$－许用安全系数，取3.5～4。

4．焊条抗拉强度取$${\sigma }_b=\text{561}$$MPa，其强度条件为：

$$n=\frac{{\sigma }_b}{\sigma }\ge [n]$$

式中$$\sigma$$－计算出的焊缝许用应力；

$${\sigma }_b$$－按焊条类型来定。

5．许用挤压应力按下式计算：

$$[{\sigma }_c]=0\text{.}\text{75}{\sigma }_s$$

6．安全系数

安全系数如表6－1所示。

表6－1 安 全 系 数 表

注：（1）顶梁、底座安全系数为1.1，主要考虑加载时，工作阻力1.1倍，掩护梁、连杆、销轴等不能进行加载强度校核，为偏于安全取1.3。

（2）如果各结构件计算出来的安全系数偏大时，可按标准钢材厚度减薄，或减少加强筋数量和筋板高度，以减轻支架重量，降低成本。根据计算结果表明，改变结构件高度对强度影响较大，而改变结构件的钢板厚度对强度影响较小，在设计时可根据结构件的具体情况酌情处理。

6.2强度校核

一、顶梁强度校核

1. 顶梁受力情况

图6－1顶梁平面受力图

图中其它已知数据：$$P_8=\text{669}$$kN，$${\alpha }_1=\text{48}°$$，$$\alpha =\text{10}°$$，$$F_1=\text{4921}$$kN，$$X_a=-\text{110}$$kN, $$Y_a=\text{405}$$kN, $$P_t=\text{4924}$$kN

现从左向右对A、D、B、C点求最大力矩。

顶梁前端弯矩为0kN·m，A、D、B、C四点弯矩依次为：

kN·m

kN·m

kN·m

kN·m

$$M_C$$最大，说明顶梁应按此处进行强度校核。

图6－2 顶梁C处横截断面

2. 形心计算

结构件的形心位置：

惯性矩：

每个零件中心到截面形心的距离为：

每个零件对截面形心的惯性矩：

对图6－2列出有关形心参数如表6－2。

表 6－2 顶梁B处各构件的形心参数

表6－2中数据代入式中得：

＝0.16 (m)

表6－2中的数据代入式中得：

=3.841×10－3（m4）

3. 弯曲应力

=$$\frac{\text{450}\times {\text{10}}^3\times (0\text{.}\text{346}-0\text{.}\text{16})}{3\text{.}\text{841}\times {\text{10}}^{-3}}$$=$$\text{21}\text{.}\text{79}\times {\text{10}}^6$$(Pa)=21.79 (MPa)

4. 安全系数

选材为16Mn，$${\sigma }_s=\text{280}$$MPa

安全系数$$n=\frac{{\sigma }_s}{\sigma }=\frac{\text{280}}{\text{21}\text{.}\text{79}}=\text{12}\text{.}\text{84}$$

查表6－1知，，说明顶梁设计合适。

二、底座强度校核

1. 底座受力情况

图6－3 底座平面力系受力

底座具体外形见设计图纸。A、D两点为底座最前部分与底板接触的一点和底座最后部分与底板接触的一点。假设底座两端铰支，则底座受力如图6－3。

图6－3中已知数据：，$${\alpha }_3=\text{58}°$$,$${\alpha }_4=\text{75}°$$,$$F_5=\text{564}$$kN，$$F_6=\text{2479}$$kN,$$P_t=\text{4924}$$kN。

底座受力如图6－3所示。现在求支点A的反力，对D点取$$\sum D=0$$，即

将以上数据代入上面的方程求得：

$$R_A=-\text{2466}$$（kN）

对各点求弯矩：

$$M_A=0$$（kN·m）

$$M_B=-R_A\times 1\text{.}\text{037}-P_t\text{sin}\text{10}°\times 0\text{.}\text{301}=$$2230 （kN·m）

$$\begin{array}{c}\text{Mc}=-R_A\times (1\text{.}\text{037}+0\text{.}\text{662})+P_t\text{cos}\text{10}°\times 0\text{.}\text{662}-P_t\text{sin}\text{10}°\times 0\text{.}\text{301}\\ +F_5\text{cos}\text{58}°\times 0\text{.}\text{856}=\text{7398}\end{array}$$（kN·m）

（kN·m）

由计算知最大弯矩发生在后连杆窝处。危险断面在离柱窝中心201mm。如

断面如图6-4：

图6－4底座D处横截断面

对图6－4列出有关形心参数如表6－3。

表 6－3 底座D处各构件的形心参数

表6－3中数据代入公式：形心

＝0.059（m）

表6－3中的数据代入公式得：

=7.165×10－3（m4）

3. 弯曲应力

=$$\frac{\text{12863}\times {\text{10}}^3\times (0\text{.}\text{186}-0\text{.}\text{059})}{7\text{.}\text{165}\times {\text{10}}^{-3}}$$=227.99 (MPa)

4. 安全系数

选材为16Mn，$${\sigma }_s=\text{280}$$MPa

安全系数$$n=\frac{{\sigma }_s}{\sigma }=\frac{\text{280}}{\text{227}\text{.}\text{99}}=1\text{.}\text{23}$$

查表6－1知，=1.1，说明底座设计合适。

三、立柱强度校核

液压支架立柱的强度验算，包括油缸的稳定性验算，活塞杆和缸体的强度验算等内容。

在双伸缩立柱的稳定性验算时，假定活柱与中缸全部伸出，立柱承受最大同心载荷的情况下进行验算，其方法是把活柱与中缸的当量惯性矩相当单伸缩中活柱的惯性矩来计算，再用单伸缩求油缸稳定性的方法来进行验算。

1．油缸的稳定性验算

油缸稳定性条件：

式中：――活柱与中缸的当量惯性矩；――油缸稳定的极限力；

――油缸的最大工作阻力；稳定性条件适用范围：

（1）计算

==63938741 (mm4)

=

=128786609 (mm4)

=

=245807081 (mm4)

式中：

；

；

；

；

；

；

；

（2）计算活柱与中缸的当量惯性矩及

== 84277051 (mm4)

=1256+1156=2412 （mm）

式中：――活柱全部伸出活柱端部销孔至活柱与中缸连接处；

――中缸全部伸出活柱与中缸连接处至中缸与外缸连接处之距；

――活柱端部销孔至最大挠度处之距；

（1）根据及查液压传动设计手册中极限力图得到的数值

――中缸全部伸出中缸与外缸连接处至底缸销孔之距

=1.708 ==0.6

图中没有，有和，可以取平均值。

1.6和时，取得；

2 和时，取得。

取平均值，

将代入

5.69

（kN）

已知4924（kN），所以适用。

稳定性条件适用范围：

(mm)

已知mm，可知， 成立。

2．活塞杆强度计算

在承受同心轴向力的最大载荷情况下，油缸的挠度：

活塞杆与导向套处的最大配合间隙；

活塞与缸体处的最配合间隙； 双伸缩时为

；

双伸缩时为

； 双伸缩时

；

活塞杆全部外伸时，导向套前端到活塞滑动面末端的距离；

活塞杆最大推力； 液压缸自重；

液压缸轴线与水平面的夹角。

活塞杆与导向套的配合间隙，mm；活塞与缸体处的配合间隙，mm；=3750mm；P=4924 KN；

；

4508KN。

78.65 mm

油缸的最大挠度

：

当

时：

当

时：

当

时：

；

。

式中 E-钢材的弹性模数，；

-（双伸缩时）；

-（双伸缩时）。

=

=

=9.42

=0.65

=3.37 mm

双伸缩时，= ， = ，则活塞杆的合应力为

式中：A-活塞杆面积；W-活塞杆断面模数；

-考虑加长杆和活柱的配合间隙，当单边偏向受力时产生的最大偏差。

27632

670390

=178.45

活塞杆的材料为，，

安全系数：

3缸体厚度验算

（1）缸体厚度校核

缸体厚度：

由于，按中等壁厚刚体公式计算。

—缸内的工作压力，40； —强度系数，无缝钢管；

—记入管壁公差及腐蚀的附加厚度，一般取，

安全系数：

—缸体材料为$$\text{27}\text{SiMn}$$无缝钢管时，

一般取$$3\text{.}5\text{~}4$$，现取4。

由上式得：

mm

19.87 mm

，

，缸体厚度满足要求。

（2）缸体与缸底焊接强度按下式计算：

35.56 Mpa

式中：—环形焊接内径；—环形焊接外径；—焊接效率，=0.7。

安全系数：

式中：—焊缝抗拉强度，取其为

第七章 液压系统

液压支架不仅需要有良好的结构以适应所工作的煤层地质条件，而且还要配备完善而可靠的液压系统及液压元件来实现支架的优良工作性能。液压支架的液压系统属于泵缸开式系统。动力源是乳化液泵，执行元件是各种液压缸。系统回液流入乳化液箱，然后由泵吸入并增压，经各种控制元件供给各个液压缸，。乳化液泵站通常安装在工作面下顺槽，可随工作面一起向前推进。泵站通过沿工作面全长敷设的主供液管和主回液管，向各个支架供给高压乳化液，接收低压回液。工作面中每个支架的液压控制回路多数完全相同，通过截止阀连接与主管路，相对独立。其中任一支架发生故障进行检修时，可关闭该架与主管路连接的截止阀，不会影响其他支架工作。

本支架的液压系统，由乳化液泵站、主进液管、主回液管、各种液压元件、立柱及各种用途千斤顶组成。操纵方式采用邻架操作，使用快速接头胶管和U形卡及O形密封圈，拆装方便，性能可靠。

在主进回液和到操纵阀之间，装有截止阀、过滤器、平面截止阀可根据需要接通和关闭某架液路，可以不停泵维修某架胶管及液压元件，过滤器能过滤主进液管来的高压液，防止脏物杂质进入架内管路系统。

本支架液压系统所使用的乳化液，是由乳化油与水配制而成的，乳化油的配比浓度5%，使用乳化液应注意以下几点：

1）定期检查浓度，浓度过高增加成本，浓度太低，可能造成液压元件锈蚀，影响液压元件的密封。

2）防止污染，定期（两个月左右）清理乳化液箱；

3）防冻，乳化液的凝固点为-3°左右，与水一样也具有冻结膨胀性，乳化液受冻后，不但体积膨胀，稳定性也受影响，因此，乳化液地面配制和运输时要注意防冻。

7.1 立柱和千斤顶

在液压支架中，用于承受顶板载荷，调节支护高度的液压缸称为立柱。液压支架的立柱多数是单伸缩双作用单活塞杆式液压缸。除立柱外，支架中其余的液压缸称为千斤顶，依其功能分别叫做前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，结构与立柱基本相同，只是长度和形成较短，所以也有人叫它前梁短柱。通常支架中各类千斤顶是单伸缩双作用作用液压缸，只有复位千斤顶和伸缩前探梁的千斤顶是单作用液压缸。

悬浮式立柱控制回路如图4-1：

图7－1悬浮式立柱控制回路

千斤顶控制回路如图4-2：

图7－2千斤顶控制回路

7.2 支架液压阀

液压支架的液压控制系统中所使用的控制元件有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀，方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀和液控分配换向阀等。

一、液控单向阀

夜控单向阀在支架液压系统中主要用来闭锁液压缸中的液体，使之承载。它是大多数支架立柱必不可少的控制元件之一。

对液控单向阀的要求：1.密封可靠，特别是锁紧立柱下腔液路的液控单向阀，需长时间保持绝对密封；2.动作灵敏，尤其要求关闭及时，保证刚刚锁紧的液压缸中的压强等于泵站供液压强；3.流动阻力小；4．工作寿命长，能保证工作面推进800～1000米不需要更换；5.结构简单。

支架常用的液控单向阀按其密封副形势可分为平面密封型、锥面密封型和球面密封型。

二、安全阀

安全阀是支架液压控制系统中必不可少的限定压强的元件。立柱安全阀可以防止支架的主要承载结构件过负荷，确保顶板岩层在不高于规定的工作阻力作用下沉降。

对立柱安全阀的要求：关闭时必须完全封闭；能够稳定溢流的溢流量范围大，在顶板缓慢下沉时的微小流量(30~40mL/min以下) 工况下，启闭压强差不大于整定压强的5～10%，以保证支架的恒阻性。在顶板急剧下沉的大流量(30~50mL/min)工况下，被封闭的液体压强升高值不大于整定压强的25%。

三、操纵阀

在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作的手动换向阀，习惯上称为操纵阀。按压力液通过操纵阀后的用途不同，可分为全流量操纵阀和先导液压操纵阀。四、液压支架液压阀的密封技术分析

液压支架是采煤机械中的支护设备，经过大修在井下一般可使用五年，但是液压支架中各种液压阀的使用寿命却很低，长的3个月，短的只有几个星期，国外解决的途径和办法是增加系统的过滤精度和提高乳化液的质量，但收效不大。以英国某液压阀为例，虽然加工精度及整个液压系统的过滤精度都比较高，但因使用寿命低，已在我国面临淘汰。

1. 影响液压阀密封性能的主要因素

密封元件损坏的主要因素是工作液中的杂质。这些杂质在密封元件间研磨，使阀产生泄漏。因此，国外曾提出相应等级的液压元件，应采用相应精度的过滤器。他们认为5µM的油泵密封元件，如果采用过滤精度为3／µM的过滤器，寿命可比采用10µM的提高10倍。但液压支架用阀，工作环境十分恶劣。在采煤工作面，油管总长1000多米，接头插口多达4000多个，液箱无特殊的防尘设施。乳化液中有大量的漂浮杂质，在立柱缸底和阀腔，留有较多的煤粉、岩粒和铁屑。进液阀芯和阀座，由于开启关闭比较频繁，液体流速高，密封很快就会失效。实践证明减少支架液压系统液体的污染杂质，是十分困难的，有人曾经设想在乳化液泵站采用高压过滤器，同时在每台支架进口处增加小型过滤器。但在工作中很快被堵塞，形成断流。

另一方面，随着液压支架技术的发展。对阀的使用性能和阀的使用寿命提出了更高的要求。目前，在装有120目时的过滤器和磁过滤装置的条件下，用通过被测试阀的乳化液的总流量和阀的启闭次数，来计量阀的寿命。但实际上室内型式试验与井下实际工作结果相差很大。现在许多国家的形式实验，增加了抗污染要求，有的是在乳化液中掺入适当的煤粉，有的是加入机械杂质。

为此，需要使用新型的、抗污染能力强的、适合于井下工作条件的密封副。

2 .液压阀密封材料的历史及现状

阀芯和阀座接触面的泄漏，是工作液体分子挤入的结果。影响密封效果的主要原因是阀芯和阀座的接触比压、不平度及压差。当阀芯与阀座的接合面以P力压紧，工作液体分子以F力挤入，密封材料会产生弹性变形。如果密封副总抗力大于分子斥力，则密封有效，否则就会形成泄漏。

早期的液压支架，运动副之间没有其他密封措施，是金属直接接触密封，即要求密封副接触平面吻合，具有较高的加工精度，否则必须加大密封副的结合力，使接触表面产生塑性变形，堵塞泄漏通道。

7.3 液压支架的控制方式

一、手动控制

目前液压支架多采用手动邻架控制。操作人员随采煤机前进，依次站在被移支架倾斜上方的支架里进行操作，使被移支架完成各个必要的动作。

1．全流量控制

全流量控制目前是支架的基本控制方式。它使用全流量操纵阀，根据操作人员的要求，直接向液压缸工作腔输入压力液，实现支架的各个动作。在采取邻架控制时的全流量控制系统，过架管路除了主管路外，还有许多控制管路因而行人不便，系统可靠性不高，维护工作量大。

2．先导液压控制

先导液压控制近年来在支架液压控制系统中发展很快。它是通过先导液压操纵阀将操作人员的命令变成液压指令，再由液控分配阀完成向液压缸工作腔供给压力的任务。因为先导控制需要传输的不是流量而是液压，所以先导控制管可以做的很细小，于是必须过架的许多先导控制管可以用一根直径不大的多芯管来代替，并且简化了支架在井下工作面的安装，系统可靠性增加。

二、自动控制

手动控制的操作速度受到人员在工作面行走速度限制。特别是在薄煤层工作中，操作人员花费在从一个支架行走到另一个支架的时间较长，体力消耗也很大。因此，手动控制液压支架使高效采煤机械的工作能力不能充分发挥出来。所以，研制和开发自动控制系统是液压支架进一步发展的方向之一。

目前，液压支架的自动控制大部分都处于试验阶段。这是因为地下工作条件复杂多变，在工作条件的监控方面，在人机之间和采煤机与支架之间的完善联系还有大量工作要做。总的趋势是采用带有电脑控制的电液先导液压控制系统。分配阀多采用安全火花型电液控制分配阀，监控装置多转换成电信号输入电脑指令系统。

7.4 液压系统安装前

液压系统在安装前，应按照有关技术资料做好各项准备工作。

1、技术资料的准备与熟悉 ：液压系统原理图、电气原理图、管道布置图、液压元件、辅件、管件清单和有关元件样本等，这些资料都应准备齐全，以便工程技术人员对具体内容和技术要求逐项熟悉和研究。

2、物资准备： 按照液压系统图和液压件清单，核对液压件的数量，确认所有液压元件的质量状况。尤其要严格检查压力表的质量，查明压力表交验日期，对检验时间过长的压力表要重新进行校验，确保准确可靠。

3、质量检查 ：液压元件在运输或库存过程中极易被污染和锈蚀，库存时间过长会使液压元件中的密封件老化而丧失密封性，有些液压元件由于加工及装配质量不良使性能不可靠，所以必须对元件进行严格的质量检查。

7.5 液压系统拟订

根据支架的工作原理，做出液压系统如下图7－41所示：

立柱或千斤顶的具体操作过程如下：

(1) 立柱的操作：操纵手柄，使三位四通阀处于左位，此时高压油液经单向阀进入立柱下腔，而立柱上腔油液接低压油液O，立柱上腔回油，从而前后立柱升起；操纵手柄，使三位四通阀处于右位，立柱下腔回液，从而前后立柱降下。

(2)抬底千斤顶的操作：操纵手柄，使三位四通阀处于左位，高压油液经单向阀进入抬底千斤顶的活塞腔，而抬底千斤顶的活塞杆腔接低压油液，抬底千斤顶的活塞杆腔油液经油管回到油箱，抬底千斤顶伸出；操纵手柄，使三位四通阀处于右位，抬底千斤顶的活塞腔接低压油液回油，抬底千斤顶被收回。

(3) 护帮板的前摆与收回：操纵手柄，使三位四通阀处于左位，高压油液经单向阀进入护帮板千斤顶的活塞腔，而护帮板千斤顶的活塞杆腔接低压油液，护帮板千斤顶的活塞杆腔油液经油管回到油箱，护帮板千斤顶摆动；操纵手柄，使三位四通阀处于右位，护帮板千斤顶的活塞腔接低压油液回油，护帮板千斤顶被收回。

(4) 侧护板的伸出与收回：操纵手柄，使三位四通阀处于左位，高压油液经单向阀进入侧护板千斤顶的活塞腔，而侧护板千斤顶的活塞杆腔接低压油液，侧护板千斤顶的活塞杆腔

图7－3液压系统回路图

1-平衡千斤顶、2-立柱千斤顶、、3-推移千斤顶、4、5-侧护板千斤顶、

6-护帮千斤顶、7-抬底千斤顶、8-双向锁、9-操作阀

油液经油管回到油箱，侧护板千斤顶伸出；操纵手柄，使三位四通阀处于右位，侧护板千斤顶的活塞腔接低压油液回油，侧护板千斤顶被收回。

(5) 推溜与移架：操纵手柄，使三位四通阀处于左位，推移千斤顶的活塞腔接低压油液回油，使推移千斤顶的活塞杆推动支架前移。

参考文献

[1] 鲁忠良，景国勋，肖亚宁。液压支架设计使用安全辨析。煤炭工业出版社。

[2] 邢福康等编著.煤矿支护手册.北京：煤炭工业出版社，1993

[3] 李锋，刘志毅.现代采掘机械.北京：煤炭工业出版社，1987

[4]《综采技术手册》编委会.综采技术手册（上）.北京：煤炭工业出版社，2001

[5]《综采技术手册》编委会.综采技术手册（下）.北京：煤炭工业出版社，2001

[6] 张家鉴等编.液压支架.北京：煤炭工业出版社，1985

[7] 王建国. 机械制图. 呼市：内蒙古大学出版社,2002

[8] 刘鸿文主编.《材料力学》.第四版.高等教育出版社，2004

[9] 成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2004

[10] 单丽云等编著.工程材料.徐州：中国矿业大学出版社，2000

[11] 哈尔滨工业大学理论力学教研组编.《理论力学》.第五版.高等教育出版社，2002版

[12] 甘永立.几何量公差与检测.上海：上海科学技术出版社，2001

[13] 徐灏.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2003

结 论

参考文献

附录

致谢

液压支架设计开题报告

液压支架修理工岗位职责

液压支架岗位职责（共20篇）

液压支架维修岗位职责（共9篇）

液压教学设计（共8篇）