掩護式液壓支架總體及推移千斤頂設計

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1、 前言 綜合機械化采煤是煤礦技術進步的標志，是煤礦增加產(chǎn)量、提高勞動效率、增加經(jīng)濟效益的重要手段。實踐證明大力發(fā)展綜合機械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關鍵的。我們60年代起支撐式液壓支架，至今已能成批制造兩柱掩護式和四柱支撐掩護式支架，這些系列化一般用于緩傾斜中厚煤層及厚煤層分層開采。 至今，我國煤礦中使有的支架類型很多，按照支架采煤工作面安裝位置來劃分有端頭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的位置的支架。 目前使用的液壓支架分為三類。即：支撐式液壓支架、掩護式液壓支架、支撐掩護式液壓支

2、架。從架型的結構特點來看，由于架型的不同，它的支撐力分布和作用也不同；從頂板條件來看，由于直接類別和老頂級別的不同，支架所承受的載荷也不同，所以為了在使用中合理地選擇架型，要對支架的支撐力承載力的關系進行分析，使支架的支撐力能適應頂板載荷的要求。 本設計論文則設計層煤厚度在1.9米到2.6米，老頂級別為二級，直接頂類別為一類的掩護式液壓支架的設計。其架型特點支柱一排，每排2根。多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側，裝有掩護梁和四連桿機構。安的支撐力大，切頂性能好，防護性能好，結構穩(wěn)定，這類支架適用于直接頂為不穩(wěn)定。老頂有明顯或強烈周期來壓。瓦斯含量較大的中厚煤層中。

3、 1 液壓支架的概述 1.1 液壓支架的用途 在采煤工作面的煤炭生產(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作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是以高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能實現(xiàn)支撐、切頂、移動和推移輸送機等一套工序。實踐表明液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快 安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術上先進、經(jīng)濟上合理、安全上可靠，是實

4、現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備。 1.2 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、移四個基本動作，這些動作時利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的幾個液壓缸來完成的。 1) 升柱 當需要支架上升支護頂板時，高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁緊緊接觸頂板。 2) 降柱 當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。 3) 支架和輸送機前移 支架和輸送機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先將柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕?/p>

5、塞桿腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當需要推輸送機時，支架支撐頂板后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。 支架的支撐力與時間的曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-1所示。 圖1-1 支架的工作特性曲線 Fig 1-1 curve support the work of t0—初撐階段； t1—增阻階段； t2—恒阻階段； p1—初撐力； p2—工作阻力 支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可分為三個階段。支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，

6、當增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的液控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐力階段t0；支架初撐力后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直至增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段t1；隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調(diào)正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減少，立柱下腔壓力降低，當?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整值后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限止下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段t2。 1.3 液壓支架架型的分類 根據(jù)支架與圍巖相互作用和維護回采空間的方式，液壓支架可分為：支撐式、掩護式和支撐掩

7、護式支架三類。 1.3.1 支撐式 支撐式支架是利用立柱與頂梁直接支撐和控制采面頂板的。其頂梁較長，立柱較多，而且一般呈垂直布置靠支撐作用來維持一定的工作空間，而頂板 。支撐式支架的架型有垛式支架和節(jié)式支架兩種型式。支架的穩(wěn)定性由支柱的復位裝置來保證。因此底座堅固定，它靠支柱和頂梁的支撐作用控制工作面的頂板，維護工作空間。頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。因此，這類支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能；但采空區(qū)防矸不嚴密，僅適用老頂來壓強烈的和極強烈的、直接頂穩(wěn)定和堅硬的頂板。 1.3.2 掩護式 掩護式支架利用立柱、頂梁與掩護梁來支護頂板和防止巖石落進采面；其立柱較少，而且一般呈傾

8、斜布置，頂梁也較短，而掩護梁直接與冒落的巖石相接觸，主要靠掩護作用來保持一定的工作空間。掩護式支架有插腿式和非插腿式兩種型式。頂梁較短，對頂板的作用力均勻；結構穩(wěn)定，抵抗直接頂水平運動的能力強；防護性能好調(diào)高范圍大，對煤層厚度變化適應性強；但整架工作阻力小，通風阻力大，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。 1.3.3 支撐掩護式 這累支架以支撐為主，掩護為輔，是介于支撐式和掩護式之間的一種形式，靠支撐和掩護作用來維護一定的工作時間。架型主要用：四柱支在頂梁上；二柱支在頂梁；一柱或二柱支在掩護梁上。支柱兩排，每排1-2根，多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側，裝有掩護梁和四連桿機

9、構。它的支撐力大，切頂性能好，防護性能好，結構穩(wěn)定，但結構復雜，重量大，價格昂貴，不便于運輸。這類支架適用于直接頂為中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，老頂有明顯或強烈的周期來壓，瓦斯儲量較大的中厚或厚煤層中。 1.4 液壓支架設計目的、要求和設計支架必要的基本參數(shù) 1.4.1 液壓支架的設計目的 實踐證明，大力發(fā)展綜合機械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關鍵的。為了滿足對煤炭日益增長的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量是很大的。 由于不同采煤工作面的頂?shù)装鍡l件、煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質

10、等的不同，對液壓的要求也不用。為了有效的支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸的液壓支架。因此，液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。 經(jīng)過近30 年的發(fā)展和努力, 我國液壓支架的設計、制造水平在不斷提高, 特別是在緩傾斜中厚煤層的液壓支架方面積累了相當豐富的經(jīng)驗, 架型已基本趨于成熟、完善, 在品種和質量方面與國際先進水平相比差距越來越小。所以, 研制并選用適于我國煤層賦存條件及礦壓特點的液壓支架是十分急需的。 1.4.2 對液壓支架的基本要求 1) 為了滿足采煤工藝及地質條件

11、的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。 2) 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為100KN左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100KN～150KN，中厚煤層一般為150KN～250KN，厚煤層一般為300KN～400KN。 3) 防矸性能要好。 4) 排矸性能要好。 5) 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面，從而保證人員呼吸，稀釋有害氣體等安全方面的要求。 6) 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠寬的人行道。 7) 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。 8) 支架穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。 9) 要求支架

12、有足夠的剛度，能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。 10) 在滿足強度條件下，盡可能減輕支架重量。 11) 要易于拆卸，結構要簡單。 12) 液壓元件要可靠。 1.4.3 設計液壓支架必需的基本參數(shù) 1) 頂板條件 根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，對支架進行選型。 2) 最大和最小采高 根據(jù)最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。 3) 瓦斯等級 根據(jù)瓦斯等級，按保安規(guī)程規(guī)定，險算通風斷面。 4) 底板巖性及小時涌水量 根據(jù)底板巖性和小時涌水量驗算底板比壓。 5) 工作面煤壁條件 根據(jù)工作面煤壁條件，決定是否用護幫裝置。 6) 煤層傾角 根據(jù)煤層

13、傾角，決定是否用防倒放滑裝置。 7) 井筒罐籠尺寸 根據(jù)井筒罐籠尺寸，考慮支架的運輸外形尺寸。 8) 配套尺寸 根據(jù)配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度。 1.5 支架類型的選擇 1.5.1 煤層厚度 1）厚度超過2.5m，頂板由傾向推力或者水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一般不宜用支撐式支架。 2）厚度達到2.5m至2.8m以上時，需要選擇帶有護幫裝置的掩護式或者支撐掩護式支架。 3）煤層厚度變化大時，應選擇調(diào)高范圍較大的掩護式，帶有機械加強桿或者雙伸縮立柱的支架。 1.5.2 煤層傾角 1）傾角在至（支撐式支架取下限，掩護式和支撐掩護式取上限）以上時，應選用帶有

14、防滑裝置的支架。 2）傾角在以上時，應選用同時帶有防滑倒裝置的支架。 1.5.3 底板強度 1）驗算比壓，應使支架底座對底板的比壓不超過底板允許的比壓。 2）為使移架容易，設計時要使支架底座前部比后部比壓小。 1.5.4 瓦斯含量 對瓦斯涌出量大的工作面，應符合保安規(guī)程的要求，并選用通風斷面較大的支撐式或者支撐掩護式支架。 1.5.5 地質構造 斷層十分發(fā)育，煤層厚度變化過大，頂板的允許暴露面積和時間在5～8和20min以下時，暫不宜使用綜采。 1.5.6 設備成本 在同時允許選用幾種架型時，應優(yōu)先選用價格便宜的支架。支撐式支架最便宜，其次時掩護式，最貴的為支撐掩護

15、式支架。 2 液壓支架整體結構及尺寸的確定 2.1 液壓支架基本技術參數(shù)的確定 2.1.1 原始條件 掩護式液壓支架，煤層厚度為1.9～2.6m，老頂為Ⅱ級，直接頂為1類，移架力300KN，推運輸機220KN。 2.1.2 液壓支架基本技術參數(shù) 1)支護高度 支架高度的確定原則，應根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)的地質條件的變化等因素來確定，其最大與最小高度為： 式中：??； 說明：支架計算高度為支架高度減去掩護梁上鉸點至頂梁頂面之距和后連桿下鉸點至底座底面之距。 式中參

16、數(shù)如下： —— 支架最大高度； —— 支架最小高度； —— 支架最高位置時的計算高度； —— 支架最低為之時的計算高度； —— 掩護梁上鉸點至頂梁頂面之距，取100mm； —— 后連桿下鉸點至底座底面之距，取200mm； —— 煤層最大厚度（最大采高）； —— 煤層最小厚度（最小采高）； —— 考慮偽頂、煤皮冒頂落后仍有可靠初撐力所需要的支撐高度，取250mm； —— 頂板最大下沉量，取100mm； —— 移架時支架的最小可靠量，一般取50mm； —— 浮矸石、浮煤厚度，一般取50m

17、m。 2)支架伸縮比 支架的伸縮比值最大與最小支架高度之比值即： 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區(qū)，所以，支架應具有較大的伸縮比。一般取值范圍為1.5～2.5，煤層較薄時應選用大值。 3)支護強度 插值法： = =433.16 式中參數(shù)如下： —— 當支架最大采高為時，支架應有的支護強度（）； —— 在架型選擇表2-1中與低于但與之相鄰的采高相對應的支護強度（）； —— 在架型選擇表2-1中與高于但與之相鄰的采高相對應的支護強度（）； —— 所對應的采高(m)； —— 所對應的采

18、高(m)。 表2－1適應不同類級頂板的架型和支護強度 Tab 2-1 roof level to adapt to different types of aircraft type and intensity of support 老頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 直接頂類別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 液壓支架類型 掩護 掩護 支撐 掩護 掩護或支撐 支撐 支撐 支掩 支撐或支掩 支撐或支掩 支撐（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m） 液壓支架支護強度 采高1m 采高2m 采高3m 采高4m 2

19、94 343(245) 441(343) 539(441) 1.3294 1.3343（245） 1.3441（343） 1.3539(441) 1.6249 1.6343 1.6441 1.6539 ＞2249 ＞2343 ＞2441 ＞2539 應結合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū) 注：（1）表中括號內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)掩護式支架頂梁上的支護強度。 （2）1.3、1.6、2為增壓系數(shù) （3）表中采高為最大采高。 4)支架間距 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心之間的距離。用bc表示。支架間距bc要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送

20、機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)刮板輸送機溜槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定，我國刮板運輸機溜槽每節(jié)長度為1.5 m，千斤頂連接位置在刮板槽槽幫中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5米，本設計取bc=1.5 m。 2.2 底座設計 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。因此，底座除了滿足一定的剛度和強度要求外，還要求對底板起伏不平的適應性要強，對底板接觸比壓要小，要有足夠的空間能安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其它輔助裝置，要便于人員操作行走；能起一定的擋矸排矸作用；要有一定的重量，以保證支架的穩(wěn)定性等。 2.2.1 底座長度 在設計支架的底座長度

21、時，應考慮以下幾個方面：支架對底板的接觸比壓要小；支架內(nèi)部應有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撐掩護式支架對底座長度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本次設計底座為2.1m。 2.2.2 底座主要尺寸的確定 1) 底座長度 通過比較，取底座長度為2100mm. 2) 底座寬度 支架底座寬度一般為1.1～1.2m。為提高橫向穩(wěn)定性，減少對底板的比壓，厚煤層支架可達1.3m左右；放頂媒支架為1.3～1.4m。底座中間安裝推移裝置的槽子寬度，與推移

22、裝置的結構和千斤頂缸徑有關，一般為0.3～0.38m。 通過比較，本設計取底座長度取2100mm；寬度為1300mm。 2.3 四連桿機構的設計 2.3.1 四連桿機構的作用 四連桿機構是掩護式支架和支撐掩護式支架的最重要部件之一。其作用概括起來主要有兩個，其一是當支架由高到低變化時，借助四連桿機構使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。 下面通過四連桿機構動作過程的幾何特征進一步闡述其作用。這些幾何特征是四連桿機構動作過程的必然結果。 1）支架高度在最大和最小（2900m

23、m～3200mm）范圍內(nèi)變化時，如圖2-1所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬度e應小于或等于70mm，最好在30mm以下。 2）支架在最高位置和最低位置(1600mm～2900mm)時,頂梁與掩護梁的夾角P后連桿與底平面的夾角Q，如圖3-1所示,應滿足如下要求: 支架在最高位置時,,;支架在最底位置時,為有利矸石下滑,防止矸石停留在掩護梁上,根據(jù)物理學摩擦理論可知,要求,如果綱和矸石的摩擦系數(shù)W=0.3,則.而Q角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離,防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降，一般去，在特殊情況下需要角度較小時，可提高后連桿下絞點的高度。 3）從圖3-1可知掩護梁與頂

24、梁絞點和瞬時中心O之間的連線與水平的夾角Q。設計時，要使Q角滿足tanQ的范圍，其原因是Ｑ角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。 圖2－1四連桿機構幾何特征 Fig 2-1 Geometric characteristics of four-bar linkage 4）頂梁前端點運動軌跡雙鈕線向前凸的一段為支架最佳工作段，如圖2-1所示的h段。其原因是頂板來壓時，立柱讓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板阻止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針轉動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座

25、前端比壓減少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應減少，所以減輕了掩護梁外負載。 從以上分析得知，為使支架受力合理和工作可靠，在設計四連桿機構的運動軌跡時，應盡量使e值減少。當已知掩護梁和后連桿的長度后，在設計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構，如圖2-2所示： 圖2－2掩護梁和后連桿構成曲柄滑塊機構 Fig 2-2 after the cover-link beams and constitute a slider-crank mechanism 2.3.2 掩護梁和后連桿長度的確定 用解析法來確定掩護梁和后連桿的長度，如圖2－3所示。 圖2－3 掩護梁和后

26、連桿計算圖 Fig 2-3 Connecting the cover of the calculation after the beams and map 設： G —— 掩護梁長度（mm） A —— 后連桿長度（mm） 其中：—支架最高位置時，掩護梁與頂梁夾角(度) —支架最低位置時，掩護梁與頂梁夾角(度) —— 支架最高位置時，后連桿與底平面夾角（度） —— 支架最低位置時，后連桿與底平面夾角（度） 按四連桿機構的幾何特征要求： 1）支架在最高位置時，；。 2）后連桿與掩護梁的比值，掩護式支架為。 3） 前、后連桿上的鉸點之距與掩護梁的比值為。 4）點的運動軌跡

27、呈近似雙紐線，支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度，最好在30mm以下。 5）支架在最高位置時值應小于0.35。 圖2－4 四連桿機構幾何特征圖 Fig 2-4 Geometric characteristics of four-bar linkage map 支架在最高位置時選定，由于支架型式不同，對于掩護式支支架,一般A/G的比值按以下范圍來?。? A/G=0.45～0.61,取A/G=0.53 支架在最高位置時有： （2-1） 因此掩護梁長度為： 后連桿長度

28、為：A=0.53G= 998.33mm 取整得：G＝1884mm，A＝998mm。 2.3.3 幾何作圖法作圖過程 用幾何作圖法確定四連桿機構的各部尺寸，具體作法如圖2－5所示。 具體作圖步驟如下： 1) 確定后連桿下鉸點O點的位置，使它比底座面略高200mm。 2) 過O點作與底座面平行的水平線H—H線。 3) 過O點作與H—H線的夾角為Q1的斜線。 4) 在此斜線截取線段，長度等于A,a點為支架在最高位置時后連桿與掩護梁的鉸點。 5) 過a點作與H—H線有交角P1的斜線，以a點為圓心，以G點為半徑作弧交些斜線一點e′此點為掩護梁與頂梁的鉸點。 6) 過e′點作H—H

29、線的平行線，則HH線與F—F線的距離為H1，為液壓支架的最高位置時的計算高度。 7) 以a點為圓心，以0.23G長度為半徑作弧，在掩護梁上交一點b,為前連桿上鉸點的位置。 8) 過O點作與H—H線夾角為Q2的斜線。 9) 在此斜線上截取線段〞. 〞的長度等于A，a〞點為支架降到最低位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。 10) 過a〞點作與H—H線有交角P2的斜線，以a〞點為圓心，以G為半徑作弧交些斜線一點e〞，此點為支架在最低位置時，頂梁與掩護梁的鉸點。 11) 以a〞為圓心以0.24G長度為半徑作弧，在掩護梁上交一點b〞，為支架在最低位置時前連桿上鉸點的位置。 12) 取〞線之間一點e

30、〞為液壓支架降到此高度時掩護梁與頂梁鉸點。 13) 以O為圓心，為半徑圓弧。 14) 以e〞點為圓心，掩護梁長ˊ為半徑作弧，交前圓弧上一點aˊ，以點為液壓支架降到中間某一位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。 15) 以ˊ連線，并以aˊ點為圓心，ab長為半徑作弧，交〞上一點bˊ點。則b， bˊ,b〞三點為液壓支架在三個位置時 ，前連桿上鉸點。 16) 由b， bˊ,b〞三點確定的圓心C，為前連桿下鉸點位置。 17) 過C點H－H線作垂線，交點d，則線段,,,,和為液壓支架四連桿機構。 18) 按以上初步求出的四連桿機構的幾何尺寸，再用幾何作圖法畫出液壓支架掩護梁與頂梁鉸點eˊ的運動軌跡，只

31、要逐步變化四連桿機構的幾何尺寸，便可以畫出不同的曲線，再按四連桿機構的幾何特征進行校核，最終選出較優(yōu)的四連桿機構尺寸。 圖2－5 液壓支架四連桿機構的幾何作圖法 Fig 2-5 Hydraulic stent geometric four-bar linkage mapping 應用幾何作圖法得出四連桿各參數(shù)如下： ， ， 0.338 后連桿長度A=998mm 掩護梁長度G=1884mm 前連桿長度C=1139.56mm 前后連桿下鉸點底座投影距離E=551mm 前連桿下鉸點高度D=549mm 支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度。 2.4 頂梁

32、 頂梁是與頂板直接接觸的構件，除滿足一定的剛度和強度要求以外，還要保證支護頂板的需要。 2.4.1 頂梁的作用及用途 頂梁作用是支護頂板一定面積的直接承載部件，并為立柱、掩護梁、護頂裝置等提供必要的連接點。 用途：a.用于支撐維護控頂區(qū)的頂板。 b.承受頂板的壓力。 c.將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經(jīng)底座傳到底板。 2.4.2 頂梁的結構型式的確定 掩護式支架頂梁結構形式如下圖所示： 圖2－6 掩護式支架頂梁結構方式 Fig 2-6 Top cover stent mode beam structure 1－頂梁；2－前梁；3－后梁；4－掩護梁；5－立柱

33、；6－限位千斤頂；7－前梁千斤頂；8－平衡千斤頂 圖2－6 a平衡式頂梁，頂梁1較短，與其下部的掩護梁鉸接，因為它能在頂板凹凸變化時自取平衡，所以叫平衡式頂梁頂梁鉸接點前、后段的比例近似為（按載荷分布近似為三角行設計）。這種頂梁后部和掩護式形成三角區(qū)，易被冒落釬石堵住，影響支護效果。 圖2－6 b為潛入式頂梁，頂梁后端為扇形結構掩護梁可潛入扇形結構內(nèi)，消除了三角區(qū)。 圖2－6 c為鉸接式頂梁，頂梁1為整體結構，頂梁后端直接與掩護梁4鉸接，取消了三角區(qū)，立柱直接支撐在頂梁上，用平衡千斤頂8調(diào)節(jié)頂梁與頂板的接觸面積。 圖2－6 d為帶前梁的鉸接式頂梁，由前梁千斤頂7調(diào)節(jié)前梁就角度，可提高前

34、梁前端的支撐能力，改善前梁前端的支控效果。 圖2－6 e帶伸縮前梁的鉸接式頂梁，可及時支護頂板，較少頂板的暴露時間。 鉸接式頂梁加伸縮和擺動前梁，為圖2－6 d和2－6 e兩種型式的結合，由前梁千斤頂調(diào)節(jié)前梁角度，并在前梁內(nèi)加伸縮前探梁。 圖2－7鉸接式頂梁 Fig 2-7 articulated roof beam 綜合上述本設計選擇鉸接式頂梁，如圖2－7。頂梁1為整體結構，頂梁后端直接與掩護梁4鉸接，取消了三角區(qū)，立柱直接支撐在頂梁上，用平衡千斤頂8調(diào)節(jié)頂梁與頂板的接觸面積。OY型掩護式支架就采用此種結構。 2.4.3 頂梁斷面形狀 頂梁都為箱式結構，一般由鋼板焊接而成

35、。為加強結構的剛度，在上下蓋板之間焊有加強筋板，構成封閉式棋盤型。頂梁前端呈滑撬式或圓弧形，以減少移架阻力。在頂梁下面焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側有孔，用鋼絲繩或銷軸把立柱和頂梁連接起來，支撐掩護式支架在頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護梁上的銷孔相連。 掩護梁的結構為鋼板焊接的箱式結構，在掩護梁上端與頂梁鉸接，下部焊有與前后連桿鉸接的耳座，有的支架在掩護梁上有立柱柱窩?；顒觽茸o板裝在掩護梁的兩側。 從側面看掩護梁，其形狀有直線型和折線型兩種。 按頂梁的斷面形成，還可以把頂梁分為如下結構： 1）閉式頂梁 閉式頂梁為頂梁上、下蓋板與筋板焊接成封閉型如圖2－8 一種為立筋凸出型，如圖圖2－8所

36、示，增加了焊接強度；另一種為立凹下，焊接后使用頂梁平整，但是焊接強度不如前一種，如圖2－9 圖2－8 頂梁筋板焊接圖 Fig 2-8 Top beam welding ribs map 2）開式頂梁 開式頂梁結構如下圖： 圖2－9 頂梁式立開筋型式 Fig 2-9 Open the top beam reinforcement type legislation 開式頂梁的結構特點：可減輕頂梁的重量，增強頂梁的抗彎強度。 對于掩護式和支撐掩護式支架，為了便于側護板能自由伸縮，要在頂梁頂面上加焊一塊比側護板稍厚的鋼板，稱為頂板，如圖2－10所示，同時增強了頂梁的結構強度。

37、 圖2－10頂梁斷面 Fig 2-10 Top beam cross-section 2.4.4 頂梁主要尺寸的確定 1)掩護式頂梁長度Lg的計算： 頂梁長度＝[配套尺寸＋底座長度＋]－[]＋掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之距（mm） =3126mm 式中：配套尺寸取1972mm。 底座長度 —— 底座前端至后連桿下鉸點之距取2100mm e —— 支架由高到低頂梁前端點最大變化距離取45mm 、 —— 支架在最高位置時，分別為后連桿和掩護梁與水平面的夾角 2)梁面積A A

38、= （2-2） 式中： —— 頂梁長度mm —— 頂梁寬度mm,在本次設計中頂梁寬度為1440mm 代入公式（2-11）得 A=31261440=4501440≈4.5 3)支架的支護面積Fc (2-3) 式中： —— 支護面積 Δ —— 移架后頂梁前端點到煤壁的距離 m,一般Δ= —— 支

39、架間距（支架中心距），一般為1.5m 代入公式(4-1)得： = 1500(3126＋345)=5204500 =5.2 4)支架的理論支護阻力F1 （2-4） 式中: F1 —— 支架的理論支護阻力（KN） —— 支護面積 （） —— 支護強度 （KN/） 支架在最高處的理論支護阻力為： =5.2433.16=2252.43（KN） 5)

40、頂板覆蓋率δ δ=A/100% （2-5） 式中： δ —— 頂板覆蓋率 A —— 頂梁面積 —— 支護面積 代入2-5公式得： δ=4.5/5.2100%=86.5% 覆蓋率應該滿足頂板性質的要求，一般，不穩(wěn)定的頂板；中等穩(wěn)定頂板；穩(wěn)定頂板為；堅硬頂板。 2.5 側護板 2.5.1 側護板的選擇 頂梁和掩護梁的側護板有兩種： 1）一側固定另一側活動的側護板，由于固定側護板與梁體焊接在一起，可節(jié)省原梁體的側板，既節(jié)省材料又可加固梁體。在設計時，根據(jù)左右工作面來確定左側或右側為活動側護板。一般沿傾斜方向的上方為固定側

41、護板，下方為活動側護板?；顒觽茸o板通過彈簧筒和側推千斤頂與梁體連接，以保證活動側護板與鄰架的固定側護板靠緊。但當改換工作面開采方向時，活動側護板便位于傾斜方向的上方，對調(diào)架、防倒等帶來不便，所以很少采用。 2）兩側皆為活動側護板。這種側護板可以適應工作面開采方向變化的要求，有利于防倒和調(diào)架。 本設計取兩側皆為活動側護板的類型。 2.5.2 側護裝置的作用 1)消除相鄰支架掩護梁和頂梁間的間間隙，防止冒落矸石進入支護空間； 2)防止支架移架的傾倒； 3)防止支架的傾倒； 4)調(diào)整支架間距 2.5.3 側護板的結構型式 如圖2－11所示，這種型式克服了當頂板被冒落矸石壓住時，

42、影響側護板伸縮的缺點，但支架承受偏載時，側護板裝置受力很大。 圖2－11側護板的機構形式 Fig 2-11 sideguard agency forms 2.5.4 側護板尺寸的確定 頂梁側護板的側向寬度，按支架升降高度和推移步距來確定。即：考慮到當一架升起，另一架降柱時，要保證相鄰兩架側護板不脫離接觸。同時考慮到支架降柱后要前移，為防止頂梁后部側護板脫離接觸，頂梁側護板后部要加寬，加寬的長度一般為頂架后部起大于一個步距，即大于600mm。 掩護梁側護板的側面寬度，主要考慮移架步距，一般比一個步距大100mm，即相當700mm。當一架固定，另一架前移時，兩架之間能封閉，同時又考

43、慮到降架前移時，原不動的掩護梁側護板下部不致脫開。所以，掩護梁側護板下部要加寬。 頂梁和掩護梁側護板的頂面寬度，與活動側護板的行程有關。由兩臺相鄰支架的架間距離來確定。 頂梁和掩護梁側護板的連接，在考慮動作靈活可靠的情況下，應盡量減少間隙，加強密封性。 2.6 立柱 立柱是支架的承載構件，它長期處于高壓受力狀態(tài)，它除應具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，還必須有足夠的抗壓、抗彎強度，良好的密封性能，結構要簡單，并能適應支架的工作要求。 1) 初選立柱類型為單伸縮雙作用活塞式立柱，如圖2－12。此種類型的立柱具有結構簡單、成本低等優(yōu)點。 2) 立柱的布置：掩護式支架為傾斜布置，這

44、樣可以克服一部分水平力，并能增大調(diào)高范圍。一般支架在最高工作位置時立柱軸線與頂梁的垂線夾角在，在最低位置時應小于 。本設計中立柱的根數(shù)為兩根。 3) 立柱間距為1～1.5m。 4) 支撐方式為四柱平行支在頂梁上。一般立柱軸線與頂梁的垂線夾角小于(支架在最低位置時)，由于夾角小，所以有效支撐能力大。 5) 立柱缸體內(nèi)徑 （2-6） = = 20.35cm =203.5mm 式中 ： —— 立柱數(shù)目 —— 支架承受

45、的理論支護阻力（KN）:[KN] —— 立柱在支架在最低位置時軸線與頂梁的垂線夾角小于取 —— 安全閥正壓力，本設計中選用的安全閥為型， 查標準表取 代回原公式可求得： ，所以可行。 表2－1立柱缸體內(nèi)徑的標準值 Tab 2-1 Column diameter cylinder of the standard value 50 63 80 100 110 125 140 （145） 160 180 200 （210） 220 （230） 250 表2－2單伸縮立柱的缸徑、柱徑組配合關系 Tab 3-2 telescopic column

46、of single-bore, with the relationship between column diameter group 缸體 內(nèi)徑 （mm） 250 220 200 180 160 140 125 活柱 外徑 （mm） 240 210 190 185 170 130 130 105 工作 阻力 (KN) 2352 1960 1764 1372 784 784 588 額定 工作 壓力 (MPa) 50 51.6 58.4 56.1 50.7 51.9 50 推薦 選用 管材 缸體

47、 29928 27332 24528 21925 19422 18024 15020 鋼材 規(guī)格 （mm） 活柱 24526 21925 20024 19425 18024 15920 14018 115元鋼材 根據(jù)查表得：活柱外徑 210 工作阻力 1960 額定工作壓力 51.6 泵站壓力 32.6 缸體外徑 273mm

48、立柱缸體壁厚 2.6.1 立柱的初撐力與泵站額定工作壓力 立柱初撐力按下式進行計算 (KN) (2-7) (KN) 式中： —— 泵站額定工作壓力減去從泵站到支架沿城壓力損失后的值。（泵站額定工作壓力Pb即由上述查得，本設計取）。 2.6.2 安全閥壓力與立柱工作阻力的確定 安全閥的動作壓力即為支架安全閥的調(diào)整壓力Pa=40MPa。 立柱工作阻力P2按下式進行計算 (KN) 因為，則此安全閥可行。 當泵站和安全閥都選定后，立柱的初撐力和工作阻力便已確定，液

49、壓支架的設計和使用經(jīng)驗表明，初撐力與工作阻力間應滿足一定關系，即：。過小，不能有效地支撐頂板，過大，易壓碎頂板。目前這個關系有增加的趨勢，掩護式支架取=過為宜。 2.6.3 立柱位置的確定 1)立柱布置 掩護式支架為二柱。 支撐方式:掩護式支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調(diào)高范圍。一般立柱軸線與頂梁的垂線夾角小于（支架在最低工作位置時），由于角度較大，可使調(diào)高范圍增加。同時由于頂梁較短，立柱傾角加大可以使頂梁柱窩位置前移，使頂梁前端支護能力增大。 2)立柱間距 立柱間距指支撐式和支撐掩護式支架而言即前，后柱的間距。立柱間距的選擇原則為有利于操作，行人和部件合理

50、布置。支撐式和支撐掩護式支架的立柱間距為1～1.5m。 3)立柱柱窩位置的確定 a、掩護式支架柱窩位置的確定: 掩護式液壓支架立柱上、下柱窩位置的確定，對液壓支架能否正常工作，極為重要。為此，在設計時，必須根據(jù)頂板載荷分布和底板條件，先確定支架頂梁的支撐力分布和底座對底板的比壓分布，使支架能適應工作面條件的要求，從此來確定立柱上，下柱窩的位置。 b、立柱上柱窩位置的確定: 液壓支架立柱上柱窩位置的確定原則，從理論上分析，要使頂梁支撐力分布與頂梁載荷分布一致。但頂板載荷分布復雜，分布規(guī)律因支架頂梁與頂板的接觸情況而異。為了簡化計算，假定頂梁與頂板均勻接觸，載荷沿頂梁長度方向按線性規(guī)律變

51、化，沿支架寬度方向分布。把支架的空間桿系結構簡化成平面桿系結構。同時為偏于安全，可以認為頂梁前端載荷為零，載荷沿頂梁長度方向想后越來越大呈三角形分布，并按集中載荷計算，所以，支架支撐力分布也為三角形，以此計算立柱上柱窩位置。此時認為支架頂梁承受集中載荷F1在頂梁1/3初，取頂梁為分離體，受力情況如圖2－13所示： 圖2－13頂梁受力分析 Fig 2-13 Stress Analysis of Top Beam 對A點取矩： （2-8） （2-9） 式中 :

52、 —— 立柱上柱窩至頂梁和掩護梁鉸點之距（m） F1 ——支架支護阻力（KN）， （KN） Q ——支架最大支護強度（） Fc ——支護面積（） Lg ——頂梁長度（不包括頂梁與掩護梁鉸點至頂梁后端之距）（m） Pt ——立柱工作阻力之和（KN） ——頂梁和掩護梁鉸點至頂梁頂面之距（m） ——立柱上柱窩中心至頂梁頂面之距（m） ——立柱在最高位置時的傾角（度） 已知： ； ； ； ； ； ； ； 代入公式2-9得： =0.756m 立柱全部伸長時的長度： 立柱全

53、部縮回時的長度： 式中: ——單位缸長行程 ——活塞全部伸出時立柱的總長度 ——活塞全部縮回時立柱的總長度 ——活塞的行程 所以采用單伸縮雙作用液壓缸是可行的。 c、立柱下柱窩位置的確定: 立柱下窩位置得確定，要由利于移架，使底座前端比壓小，同時考慮柱前行人和支架得調(diào)高范圍以及下窩柱與前連桿下鉸點的距離，一般按支架最低工作位置時，立柱最大傾角應按小于來考慮。 按幾何關系計算立柱下柱窩位置： 代入數(shù)據(jù)： 式中: ——支架最小高度 G ——掩護梁長度 A ——后連桿長度 ——支架最低位置時，后連桿與水平面的夾角 ——

54、支架最低位置時，立柱傾角 ——支架最低位置時，掩護梁與水平面的夾角 2.7 千斤頂技術參數(shù)確定 2.7.1 平衡千斤頂?shù)淖饔迷砼c用途 平衡千斤頂，也稱穩(wěn)定千斤頂、角位移千斤頂或者頂梁補償千斤頂。平衡千斤頂式一種外供液的雙作用千斤頂。當高壓液從缸體下部進入千斤頂活塞腔（下腔）時，推出活塞桿撐緊頂梁，此時環(huán)形腔（上腔） 內(nèi)液體從缸體上部回到回油路。反之，當高壓液進入環(huán)形腔收回活塞桿時，活塞腔回液。由此可見平衡千斤頂?shù)睦碚撟饔檬浇柚睦⑸?，使得寬而長的頂梁較好的接頂，調(diào)節(jié)頂梁與頂板的接觸角度，克服頂梁仰頭、翹尾，使頂梁盡量保持與頂?shù)装迤叫械剡M行工作。所以平衡千斤頂鉸接于頂梁和掩護

55、梁之間，使掩護式支架構成穩(wěn)定的結構；通過它可以調(diào)節(jié)頂梁呈水平狀態(tài)或者所需要的角度，使相鄰的支架保持良好的密封狀態(tài)，還可以利用雙向控制閥，使平衡千斤頂呈推力或者拉力，適應頂板載荷的變化。 本設計平衡千斤頂為雙作用液壓缸。 2.7.2 平衡千斤頂對頂梁受載的影響 平衡千斤頂作用之一是調(diào)節(jié)頂板對頂梁作用力得合力位置，使得頂梁與頂板接觸嚴密。觀測表明，平衡千斤頂?shù)貌僮鳎ㄉ锨换蛘呱锨还┮海敯迮c支架相互平衡得合力作用點油顯著影響。 平衡千斤頂上腔供液，可是合力作用點后移，載荷垂直分力增加，合力與垂線夾角減小，支撐效率增大，可以達到1.05以上，有利于適應老頂來壓。 平衡千斤頂下腔供液，可使

56、合力作用點前移載荷垂直分力減小，載荷水平分力增大，即合力與垂線夾角加大，支撐效率降低（0.65～0.8），可以改善支架對斷面頂板得維護。 平衡千斤頂上、下腔均部供液時的特征介于以上兩者之間。 合力作用點主要取決于頂板運動狀態(tài)和立柱壓力，一般處在立柱與頂板鉸點之間平均載荷呈三角分布。如下圖2－14；2－15表示平衡千斤頂供液方式對頂梁載荷分布的影響。上腔供液合力作用點位于立柱后方，靠近頂梁與掩護梁鉸接點；下腔供液相反，合力作用點位于立柱前方，靠近頂梁前端。 總之，采用不用的供液方式操作平衡千斤頂，可以改變頂梁載荷合力點的位置和方向，可影響支架支撐效果，改善支架適應頂板的能力。 圖2－

57、14 平衡千斤頂上腔給液頂梁載荷分布 Fig 2-14 jack balanced solution to the top of the cavity beam load distribution 圖2－15平衡千斤頂下腔給液頂梁載荷分布 Fig 2-15 balanced jack cavity to the fluid under the top beam load distribution 2.7.3 平衡千斤頂技術參數(shù)確定 平衡千斤頂缸體內(nèi)徑的計算： [cm] （2－14）

58、式中： —— 平衡千斤頂?shù)耐屏?88（KN） —— 平衡千斤頂?shù)耐屏?95（KN） —— 根據(jù)上述＝40 代入公式2-14得： ＝13.68cm＝136.8mm 查表2－3得平衡千斤頂缸體內(nèi)徑取，外徑為168mm。 表2－3千斤頂缸體內(nèi)徑 Tab2-3 jack cylinder diameter 缸徑（mm） 160 140 125 100 80 63 50 桿徑（mm） 140 100 85 100 85 70 70 (63） 50 45 45 40 32 泵壓（MPa） 32.6 推力（KN） 637 490 3

59、92 245 157 98 63 拉力（KN） 1500 382 445 234 304 284 127 157 98 103 48 58 40 推薦材料規(guī)格（mm） 缸 19422 16820 14614 12114 10214 8311 / 桿 15217 105元鋼 95元鋼 110 105元鋼 95元鋼 85元鋼 80 85元鋼 70元鋼 / / / / / 平衡千斤頂活塞桿外徑的計算：

60、 （2－15） 式中： —— 活塞桿外徑。 代入公式2-15得： ＝6.2cm＝62mm 查2－3表可得＝85mm，泵壓取32.6MPa。 2.7.4平衡千斤頂位置的確定 1）平衡千斤頂安裝位置的確定原則 為保證支架工作的可靠性，支架的支撐力分布（包括立柱的支撐力和平衡千斤頂?shù)耐屏蛘呃Φ龋?，必須適應頂板載荷分布。當立柱的上、下柱窩位置確定后，就可以根據(jù)頂板載荷分布來確定平衡千斤頂?shù)奈恢?，現(xiàn)按照兩種情況進行分析。 當頂梁前端出現(xiàn)空頂時，頂梁后端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受到拉力，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端0.

61、27倍頂梁長度處來進行計算。 當后端出現(xiàn)空頂區(qū)時，頂梁前端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置前移，此時平衡千斤頂受到推力，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端0.35倍頂梁長度處進行計算。 2）平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 平衡千斤頂在拉力時，取，平衡千斤頂在推力時，取 圖2－16 頂梁和掩護梁分離體 Fig 2-16 cover the top beams and beam separator 圖2－17 頂板分離體受力圖 Fig 2-17 separator by the roof trying to （2－16）

62、 式中： —— 平衡千斤頂?shù)耐?、拉力（推力取“＋?、拉力取“－” ） W —— 頂板與頂梁之間的摩擦系數(shù)，計算時取0.3 —— 支架在最高位置時的立柱傾角 —— 支架在最高位置時，平衡千斤頂?shù)膬A角；為使平衡千斤頂與掩護梁不發(fā)生干涉，保證支架在不同高度時，平衡千斤頂與掩護梁平行，可以取支架在最高位置時頂梁上平面和掩護梁的夾角，即 —— 平衡千斤頂活塞桿鉸點至頂梁頂面之距，當支架降到頂梁和掩護梁成時，為使平行千斤頂不與掩護梁干涉，所以按照下列計算： （m） （2－17） 式中 ： —— 掩護梁厚度

63、取230mm —— 平衡千斤頂外徑（mm） —— 平衡千斤頂外徑和掩護梁之間的間隙，一般取30～50mm —— 立柱柱窩中心至平衡千斤頂上鉸點之距（mm） —— 平衡千斤頂上鉸點至頂梁和掩護梁鉸點之距 x —— 支護阻力合力作用點的位置。 代入（2－17）式可得： 平衡千斤頂在拉力時： 得 平衡千斤頂在推力時： 得 則 3）平衡千斤頂行程計算 圖2－18 支架在最高位置時的L4 Fig 2-18 bracket the highest position in the L4 圖2－19 L5計算圖 Fig 2-19

64、 L5 calculation chart 為了防止平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或者平衡千斤頂本身被拉壞，對平衡千斤頂?shù)男谐逃腥缦乱螅寒斨Ъ茉谧罡呶恢脮r，頂梁不能下擺；支架在最低位置時，頂梁能上擺，或者頂梁和掩護梁近似成。為了簡化計算，取如下兩種情況：假設平衡千斤頂?shù)幕钊可斐鰰r，頂梁成；平衡千斤頂?shù)幕钊靠s回時，支架恰好在最高位置 。 平衡千斤頂行程 上式中由下式進行計算： （2-18） 表2－4液壓缸活塞行程系列 Tab 2-4 Series of hydraulic cylinder pist

65、on stroke 第一系列 第二系列 第三系列 第一系列 第二系列 第三系列 50 450 63 500 80 550 90 600 100 110 700 125 750 140 800 160 900 170 925 185 950 200 1000 220 1050 240 1150 260

66、 1250 280 1300 300 320 350 400 查表行程最終取S＝320mm。 4） 平衡千斤頂在掩護梁上的位置的確定 平衡千斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護梁上的位置如下圖所示： 圖2－20 a1、b1示意圖 Fig 2-20 a1, b1 diagram 式中： —— 當活塞全部縮回時，缸體上鉸點至活塞上部之距，如圖2－20所示，取。 —— 當活塞全部縮回時，活塞桿鉸點至活塞桿腔出油孔中心線之距，如圖2－20所示，取 通過和的計算，平衡千斤頂在掩護梁上的位置就確定了。 5） 掩護梁類型 掩護梁是支架的掩護構件，它有承受冒落矸石的載荷和頂板通過頂梁傳遞的水平載荷引起的彎矩，掩護梁的用途，掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座。掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩。掩護梁和頂梁（包括