中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名：徐广才学号：03101111
学院：机电工程学院
专业：机械工程及自动化
设计题目：支撑掩护式液压支架设计
专题：
指导教师：王启广职称：副教授
二O一四年六月徐州
中国矿业大学毕业设计任务书
学院机电工程学院专业年级机械工程及自动化1级学生姓名徐广才任务下达日期：
毕业设计日期：
毕业设计题目：支撑掩护式液压支架设计
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
1．根据设计参数，确定支架基本类型及其结构参数；
2．完成四连杆机构的参数设计；
3．完成各构件结构设计、受力分析及其强度校核；
4．完成主要部件、组件及主要零件工作图的设计；
5．编写完成整机设计计算说明书
院长签字：指导教师签字：
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：指导教师签字：
年月日
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：
成绩：评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答辩情况
提出问题
回答问题
正
确
基本
正确
有一
般性
错误
有原
则性
错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
本论文主要阐述了一般支撑掩护式液压支架的设计过程。首先，通过对四连杆机构的设计来确定支架的四连杆机构各杆系的长度及其相对空间位置；然后，确定液压支架的性能参数；其次，通过二维软件AuotoCAD来进行结构设计以达到优化；接着，以力学模型为依据，分析了液压支架的顶梁、掩护梁、底座上载荷的作用机理，得到了较为合理的支架载荷的计算公式；再次，结合本次设计的支架，从平面和空间两方面对支架主要结构件进行受力分析；最后对支架主要结构件强进行度效核。
由于该煤层厚度较厚，选用支撑掩护式液压支架。煤层厚度介于3.5m-5.5m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支撑掩护式支架。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。
关键词：液压支架液压四连杆机构采煤支架选型受力分析强度校核
ABSTRACT
The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. In the task,firstly, the optimal values of some parameters of the leading four-bar mechanism are determined. Secondly, ascertain the capability of hydraulic support. Nextly, the model is founded with the two-dimensional software, autoCAD and also do the Simulink, SimMechanics and simple analysis. Then on the base of mechanic model of support-surrounding, the mechanism and loads on the support is decided. The next work, with the condition of the design, the main mechanics of hydraulic support is analyzed and calculated by plane and spatial model. Finally, the under frame, top beam cave shield, wrists and hydraulic column are analyzed by calculation. And draw out all the process drawings.
Because this coal bed thickness is huge, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the 3.5~5.5 rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength.
Keywords：The hydraulic pressure support , hydraulic pressure , four-link mechanism , mining coal, support shaping optimal design mechanics characteristics strength checking
1 绪论 (1)
1.1液压支架的发展历史 (1)
1.2我国液压支架的发展 (2)
1.3 液压支架的用途、分类和结构 (2)
1.3.1 液压支架的用途 (2)
1.3.2 液压支架工作状态及布置 (3)
1.3.3 液压支架的分类 (3)
1.3.4 液压支架结构型式及特点 (4)
1.4液压支架的组成 (6)
1.5液压支架的支护方式 (6)
1.6液压支架的工作原理 (6)
1.6.1支架升降和推移 (7)
1.6.2支架的承载过程 (8)
1.7采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数 (8)
1.7.1 设计目的 (8)
1.7.2 对液压支架的基本要求 (8)
1.8本文做的主要工作 (9)
2 液压支架整体结构设计 (11)
2.1 支架主要尺寸的确定 (11)
2.1.1支架的高度和支架的伸缩比 (11)
2.1.2支架间距和宽度的确定 (11)
2.2底座长度的确定 (12)
2.3顶梁长度的确定 (12)
2.3.1支架工作方式对顶梁长度的影响 (12)
2.3.2顶梁长度计算 (12)
2.4四连杆机构的确定 (13)
2.4.1四连杆机构的作用 (13)
2.4.2四连杆机构的几何特征 (13)
2.4.2四连杆机构的几何算法 (14)
3 液压支架部件设计 (17)
3.1 顶梁 (17)
3.1.1 主要作用 (17)
3.1.2结构型式 (17)
3.1.3顶梁结构和断面形状 (18)
3.2顶梁侧护板 (19)
3.2.1主要作用 (19)
3.2.2侧护板的种类与选择 (19)
3.2.3侧护板的结构型式 (19)
3.3 底座 (20)
3.3.1主要作用 (20)
3.3.2底座的结构型式、特点与选择 (20)
3.4推移装置 (20)
3.5立柱和千斤顶的设计 (21)
3.5.1 立柱的类型 (21)
3.6喷雾降尘系统的设计 (22)
3.6.1喷雾降尘系统的组成 (22)
3.6.2设计原则 (22)
3.7液压支架的主要技术参数 (22)
3.7.1支护面积 (22)
3.7.2支护强度和支护效率 (22)
4 立柱和千斤顶的设计与验算 (24)
4.1双伸缩立柱缸径和工作阻力的确定 (24)
4.1.1双伸缩立柱缸径的确定 (24)
4.1.2安全阀压力的确定 (24)
4.1.3泵站压力的确定 (25)
4.1.4立柱初撑力的计算 (25)
4.1.5立柱工作阻力的计算 (25)
4.1.6立柱缸体壁厚的计算 (26)
4.2立柱强度和稳定性验算 (26)
4.2.1立柱主要尺寸的确定 (26)
4.2.3.缸体与缸底焊缝强度验算 (28)
4.2.4立柱稳定性验算 (29)
4.3 前梁千斤顶参数的确定 (31)
5 液压支架受力分析 (33)
5.1概述 (33)
5.1.1支架工作状态 (33)
5.1.2计算载荷的确定 (33)
5.2支架受力分析与计算 (34)
5.2.1前梁的受力分析与计算 (34)
5.2.2主顶梁的受力分析与计算 (36)
5.2.3底座的受力分析与计算 (37)
5.3顶梁的载荷分布 (38)
5.4底座接触比压 (39)
6 液压支架强度计算 (42)
6.1强度条件 (42)
6.2顶梁强度校核 (42)
7液压支架的使用、维护与发展趋势 (48)
7.1 液压支架操作维护要求 (48)
7.2 液压支架操作 (48)
7.3 液压支架操作管理事项 (48)
7.4 维护和管理的具体内容 (49)
7.5 液压支架的故障及排除 (50)
7.5.1 结构件和连接销轴 (50)
7.5.2 液压系统及液压元件 (50)
7.6 液压支架的发展趋势 (52)
结论 (54)
参考文献 (55)
翻译部分 (56)
致谢 (64)
1 绪论
采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约为综采设备总重量的80%-90%，其费用约占综采设备总费用的60%-70%。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。
依靠科技进步，建设高产高效矿井，实现煤矿生产的机械化、自动化和安全高效，是煤炭工业发展的根本出路。改革开放以来，我国煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，开采工艺及装备水平不断提高，机械化程度逐年上升，安全生产状况显著改善，高产高效记录不断刷新。一大批创新科研成果不断涌现并推广应用，使我国煤矿开采技术跻身世界先进行列。
1.1液压支架的发展历史
液压支架的发展从20世纪50年代开始。
1954年，英国研制出剁式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。
1958年法国试验成功了节式支架。
五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并与1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起剁式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。
为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT 形掩护式支架的基础上作了许多改进：
1、利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。
2、利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。
3、将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。
4、1964年，英国国家煤炭局实施的液压支架试验规范；1965年，F.Dobson等人研制的刚性底座都促进了液压支架的进一步发展。
60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的
底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。
进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。
1.2我国液压支架的发展
1959年10月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。1961年设计了“本溪-Ⅱ型”支架，并制造出样机进行井下试验。1965年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1967年，太原煤炭研究所首次研究出四组迈步式支架，经修改后于1972年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下试验。1970年又为大同矿务局设计了TZ-140型支架，在此基础上研制出TZ-Ⅰ支架，开发了TZ-IB、TZ-Ⅱ、TZ-Ⅲ、TZ-Ⅳ和TZ-Ⅴ型等液压支架。1973年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。此外，有关院校、研究所和制造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如ZY-3、WKM-400、BZZB、KD-280和FX-440等。这些液压支架由于受到多种因素的限制，虽然使用效果不佳，几乎全被淘汰，但为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974年和1979年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了48套和100套综采设备。国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。到1983年末，全国在籍的各类支架共31990架。其中，国产支架64套，其性能质量和使用效果都是早期支架所不能比拟的。从70年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出30余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。其中，20多种支架已通过鉴定，五种支架获奖。
总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。
1.3 液压支架的用途、分类和结构
1.3.1 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，必须对顶板支护。而液压支架是以高压液体作为动力，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。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤设备，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。
1.3.2 液压支架工作状态及布置
图1-1所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时支护，常采用先移架后推溜的方式。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。
A-A截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（B-B截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（C-C 截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（D-D截面），以便完成下一个动作过程。
随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作效率。
图1-1 液压支架在工作面布置示意图
1－采煤机2－液压支架3－传送带输送机4－转载机5－刮板输送机
6－主进液管7－主回液管8－乳化液泵9－乳化液箱10－端头支架11－单体液压支柱
1.3.3 液压支架的分类
液压支架分类的方式很多，主要可以按照支架与围岩的相互作用关系、立柱布置方式、使用条件和结构特点等来分类。
1、按使用条件分类
表1-1详细表示了支架按使用条件分类情况。
表1-1 按使用条件分类表分类标准具体分为
使用高度厚煤层一次采全高支架（≥3.5m）中厚煤层支架（1.3m＜h＜3.5m）薄煤层支架（≤1.3m）
使用倾角
缓倾斜工作面支架（≤25°）
倾斜工作面支架（25°＜α＜45°）倾斜工作面支架（≥45°）
采煤工艺
放顶煤支架
机械铺（连）网支架
充填支架
使用地点
排头支架端头支架工作面支架顺槽超前支架
2、按主要结构特点（表1-2）
表1-2 按主要结构特点分类
分类标准具体分为分类标准具体分为
调高机构四连杆式
控制方式
本架控制
单铰点式邻架控制
摆杆式
成组控制和顺槽
控制
配套方式
插腿式
组合方式
单架式不插腿式组合式
1.3.4 液压支架结构型式及特点
根据用途和在采煤工作面的安装位置，液压支架分为两大类，即端头支架和中间支架。
端头支架安装在采煤工作面两端与顺槽连接处。由于此处顶板悬露面积较大，综采设备较多，又是人员的安全出口，要求端头支架不仅能支护顶板，而且要与端面处的各种机械设备相适应。因此，端头支架具有特殊性。一般来说，它的顶梁较长，支护空间较大，具有较大的支撑力，并兼有支撑和锚固作用，其整体性和结构强度均较高。
中间支架安装在除端头支架以外的采煤工作面的全部作业位置。其作业是确保采煤工作面人员与设备的安全，并实现顶板管理与支护以及采煤作业过程机械化。因此，一方面，要求中间支架工作可靠，使用方便，易于制造和运输，在整个服务年限内使用费用的总和最低；另一方面，要求中间支架的结构即及布置方式采场围岩的运动规律，与其支护的工作面顶板压力相适应，兼有支撑和掩护作用－既能支撑住采煤工作面下沉的顶板，又能防止矸石涌入工作面。液压支架的分类主要是对中间支架进行分类。
中间支架按其结构及与围岩相互作用方式可分为:支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类，如图1-3。后两类又统称为掩护型液压支架。
1、支撑式液压支架支撑式液压支架是利用立柱与顶梁直接支撑和控制采煤工作面顶板的，没有掩护梁。其顶梁较长，立柱较多，一般呈垂直布置，联结着顶梁和底座，无法承受水平作用力，这是此种支架的最大弱点；靠立柱支撑顶梁来维持一定的工作空间；顶板岩石则在顶梁后部垮落。这类支架的特点是：具有较大的工作阻力和良好的切顶性能，通风面积大；采区防矸不严密；由于顶梁较长，对顶板重复支撑次数多；适用于老顶来压强烈的或直接顶稳定和坚硬的顶板。按其结构和工作方式的不同，支撑式液压支架又可分为垛式和节式两种。
2、掩护式液压掩护式液压支架是利用立柱、顶梁、及掩护梁来支撑顶板和防止顶板岩石涌入工作面。其顶梁较短，立柱较少，一般呈倾斜布置，联结着顶梁和底座或掩护梁和底座；掩护梁直接与冒落的矸石接触，靠其掩护作用来维持一定工作空间；顶板岩石则在掩护梁后部垮落。掩护式液压支架的特点是:调高范围大，适应煤层厚度变化的能力强，调高比一般可达2.3左右，甚至超过了3；支撑煤壁合力靠近煤壁，能较好的维护裸露的顶板；顶梁短，减少了反复支撑顶板的次数，有利于保持顶板的完整；架间密封较严，能有效的防止窜矸露矸；由于采用了四连杆机构，支架抗侧向能力大，稳定性好，立柱不承受水平作用力；立柱少，移架速度快；平衡千斤顶可以来调节顶梁的工作状态，提高支架对不同顶板的适应性，能适用倾角较大的煤层；重量轻，长度小，便于运输和安装；造价低。减少了整套综采设备的投资。由于掩护式液压支架的这些优点，目前它已经成为世界各主要产煤大国研制和使用的重点架型。
图1-3 液压支架结构型式
a) 支撑式b) 掩护式c) 支撑掩护式
1－前探梁2－顶梁及其侧护板3－掩护梁及其侧护板4－前连杆5－后连杆
6－底座7－立柱8－推移千斤顶9－平衡千斤顶10－操纵阀与控制阀
11－护帮机构12－护帮千斤顶13－前梁千斤顶14－挡矸帘
3、支撑掩护式液压支架顾名思义，支撑掩护式液压支架是以支撑为主，掩护为辅，兼有掩护式和支撑式液压支架的结构特点的一种支架。它利用支撑和掩护的双重作用来维持一定的工作空间。这类支架的特点式：立柱较多，垂直支撑或立柱倾角较小，工作阻力大，切顶性能较好；采用掩护梁，架间密封，挡矸掩护性能好；采用四连杆机构，能承受侧向力；适用范围较宽。
1.4液压支架的组成
根据各部件的功能，液压支架的组成可归纳为五个部分见表1-3。
1.5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。具体的循环方式见表1-4。
1.6液压支架的工作原理
液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图1-3所示