液压支架基本理论分析毕业论文

液压支架基本理论分析毕业论文
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第一章绪论 (1)
1.1国外液压支架的研究现状及发展 (1)
1.2本课题的研究目的和意义 (3)
第二章液压支架基本理论分析 (5)
2.1 液压支架的工作原理 (5)
2.2 液压支架的类型和结构 (7)
2.3 对液压支架的基本要求 (9)
2.4支架的选型设计 (10)
第三章液压支架的整体结构设计 (13)
3.1 支架高度、中心距的确定 (13)
3.2底座长度的确定 (14)
3.3四连杆机构的设计 (15)
3.4顶梁长度计算 (20)
第四章支架主要部件的设计 (22)
4.1支架主要部件的设计要求 (22)
4.2顶梁的设计 (23)
4.3底座的设计 (24)
4.4支架技术参数和立柱的设计 (24)
4.5立柱柱窝位置和受力计算 (31)
4.6 千斤顶技术参数的确定 (33)
第五章支架受力分析与计算 (38)
5.1支架工作状态 (38)
5.2受力计算 (39)
5.3 顶梁载荷分布 (43)
第六章液压支架的强度校核 (45)
6.1 强度条件 (45)
6.2主顶梁的校核 (45)
6.3 掩护梁强度校核 (48)
6.4 底座强度校核 (50)
6.5立柱强度校核 (53)
第七章液压系统设计 (61)
7.1液压支架的液压系统特点 (61)
7.2 液压系统的设计方法 (61)
7.3 千斤顶系统 (62)
7.4乳化液泵站系统 (66)
第八章技术经济分析 (71)
第九章结论 (72)
参考文献 (73)
致谢 (74)
附录一（英文） (75)
附录二（译文） (85)
第一章绪论
1.1国外液压支架的研究现状及发展
地下开采的煤产量主要是利用由液压支架配套的综采设备产出的。

综采设备的研制和广泛的运用，对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作用，而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高，是强有力的促进因素。

加速现代化进程，必须加速煤炭工业企业的建设、改造和革新技术装备的进程，增加地下开采和露天开采的煤产量。

地下开采方法是最复杂和闲难的方法，但是，这种方法在工业发达国家和以煤作为—次能源的地区，仍然普遍应用。

而且，开采优质煤，包括炼焦煤，都是采用地下开采方法。

综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命，从根本上改变了煤炭工业的面貌，综合机械化采煤是20世纪人类科技发展的重要成果。

综合机械化采煤技术在我国的研究试验、使用、发展，彻底改变了我国煤炭工业的面貌，降低了工人的劳动强度，提高了产量、劳动生产率和企业效益，满足了国民经济建设对煤炭的需求，合理的集中生产简化了生产系统，提高了生产安全性。

我国综采技术发展的30多年，使我国的煤炭生产技术水平跨进了世界先进行列，综放技术跃居世界领先地位。

工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。

以液压支架为主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大革命。

不仅从根本上改善了劳动和安全条件，也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了基础。

但是综采设备初期投资高，特别是液压支架占综采设备总投资约60%，因此液压支架的合理选用特显重要。

30多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机CAD 进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。

我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。

制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。

制定有关支架检测标准11项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。

不仅能满足国的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。

为适应我国煤矿综采机械化的发展，国综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。

配套设备的生
产能力达到1500~2 500 t/h，在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产300万吨以上。

新型矿用单体支护设备，采用悬浮式液压技术原理，生产矿用单体支护设备，技术水平达到了国际领先水平，填补了国际空白。

DWX型液压支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无泄漏、无圆弧焊缝等技术和安全特点，具有独创性。

新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来国外单体支护设备一直存在的泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。

解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术，结束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史，开创了中国人发明的第三代单体支护技术设备的历史，并将会长期使用下去。

该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面，是煤矿的重要支护设备。

近10年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距发展。

液压支架另一重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外线遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到6~8s。

我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历
了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，掩护式液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。

1.2本课题的研究目的和意义
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。

为了满足对煤炭增长的日益需要，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。

由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。

为了有效的支护和控制顶板，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。

由于液压支架的类型很多，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。

通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。

通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关容的巩固和理解。

同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。

通过自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析
问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。

现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。

为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅；将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平。

第二章液压支架基本理论分析
2.1 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，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图2.1所示。

图2.1 液压支架工作原理
1—顶梁；2—立柱；3—推移千斤顶；4—安全阀；5—单向筏； 6、7—操纵阀；2.1.1 支架升降
当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀5进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。

当操纵阀处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。

2.1.2支架推移
支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶3来进行的。

移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。

这时，支架以输送机为支点前移。

移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。

若将操纵阀置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。

2.1.3 支架承载过程
支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。

(1) 初撑阶段
在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。

此时支架对顶板的支撑力为初撑力。

(2) 承载增阻阶段
支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。

(3) 恒阻阶段
随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。

当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。

随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。

由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。

此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。

对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。

图2.2 支架的工作特性曲线
由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图 所示，曲线上的0t 、1t 、3t 分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。

上述工作过程表明：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效的支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性决定于立柱、
液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。

所以这些元件是支架的关键液压元件
通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。

支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。

但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。

因此，通常单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。

即
F
P
q =
310-⨯ MPa (式2.1) 式中 F —支架的支护面积，2m
2.2 液压支架的类型和结构
液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。

2.2.1 支撑式支架
支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式。

垛式支架每架为一整体，与输送机联接并互为支点整体前移。

节式支架由2~3个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用与支架相连的推移千斤顶推移。

节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。

支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在4m 左右；而且立
柱多，一般4~6根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。

以平平推力和防止矸石窜入支架的工作空间。

支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。

由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。

2.2.2 掩护式支架
掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。

底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。

立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。

掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。

这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。

通常顶梁较短，一般为3.0mm左右。

掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。

但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。

由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。

2.2.3 支撑掩护式支架
支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。

因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适用于各种顶底板条件。

支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。

这种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用围广。

它的主要缺点是：结构复杂，成本较高。

支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。

也可倒八字形布置和交叉布置。

通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。

2.2.4 特种液压支架
特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，在结构型式仍属于上述某种基本架型。

2.3 对液压支架的基本要求
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 ~250kN，厚煤层一般为250kN~ 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、稀释有毒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植。

9.要求支架有足够的刚度，能够承受一定的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。

2.4支架的选型设计
2.4.1设计的原始条件
煤层厚度：H＝1.8~3.2米；顶设条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层。

工作面配套设备：采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ－730/320。

煤层倾斜角小于15度，支护强度、底板抗
压强度、泵站压力、安全阀调定压力40MPa。

2.4.2支架的支护性能与外载荷
由液压支架的工作状态知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。

在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力，还受有平行于顶梁的摩擦力。

垂直于顶梁的力由支架的工作阻力来平衡。

在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板反作用力。

为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，概述如下：
把支架简化成一个平面杆系结构。

为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布；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；立柱和短柱按最大工作阻力计算；产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，—是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。

顶梁和顶板的静摩擦系数W，一般取0.15~0.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。

2.4.3 影响架型选择的因素
(1) 煤层厚度
煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。

当煤层厚度大于 2.5~2.8m（软煤取下限，硬煤取上限）时，应选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。

当煤层厚度变化较大时，应选用调高围大的支架。

(2) 煤层倾角
煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑象。

当煤层倾角大于10 ~15 时，应设防滑和调架装置，当倾角超过18 时，应同时具有防滑防倒装置。

(3) 底板性质
底板承受支架的全部载荷，对支架的底板影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。

选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压(对于砂岩底板，允许比压为1.96~2.16MPa，软底板为0.98MPa左右)。

(4) 瓦斯涌出量
对于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。

(5) 地质构造
地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间
m和20min以下时，暂不宜采用液压支架。

分别在5~82
(6) 设备成本
在满足要求的前提下，应选用价格便宜的支架。

2.4.4 支架架型的确定
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，由于直接顶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、采煤高度与承载的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。

根据煤层厚度1.8~3.2米，属于中厚煤层。

支架的适应高度为1.5~3.5米煤质条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层，根据表2.1初步选定为掩护式两柱液压支架。

表2.1支架架型的选择
注：①括号的数字是掩护式支架的支护强度。

表中所列支护强度在选用时，可根
±%的波动围。

据本矿情况允许有5
②表中1.3、1.6、2分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级老顶的分级增压系数；Ⅳ级老顶给
出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。

第三章 液压支架的整体结构设计
3.1 支架高度、中心距的确定
3.1.1支架高度的确定
支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区围地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为：
1S h H m m +≥ （式3.1）
αδα--+≤2S h H n n （式3.2）
h m
—煤层最大采高，
h
n
—煤层最小采高
S
1
—伪顶冒落的最大厚度，一般取0.2~0.3m
2
S —顶板最大下沉量，一般取100~200mm
a —移架时支架的最小可缩量，一般取50mm
δ
a
—矸、浮煤厚度，一般取50mm
本设计采高1.8~3.2m,取支架高度为1.5~3.5m 3.1.2支架伸缩比
支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为：
n
m
H H m =
（式3.3） 代入数据得m=2.33。

3.1.3支架间距
所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。

按下式计算：
3c m b B n C =+⋅ （式3.4）
式中： c b —支架间距（支架中心距）；
m B —每架支架顶梁总长度；
3C —相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；
n —每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架。

支架间距c b 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连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为
1.5m,千斤顶连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1.5m 。

本次设计取支架的中心距为1.5m 。

3.2底座长度的确定
3.2.1底座长度
底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。

在设计支架的底座长度时，应考虑如下诸方面：支架对底板的接触比压要小；支架部应有足够的空间用于安装立柱，液压控制控制装置、推移装置和其他辅助装置；使于人员操作相行走，保证支架的稳定性等。

通常，掩护式支架的底座长度
职3.5倍的移架步距(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右；支撑掩护式
支架的底座长度取4倍移架步距，即2.4m左右。

本次设计取底座长2.18m。

3.2.2 底座宽度
支架底座宽度一般为1.1~1.2m。

为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架可加大到1.3m左右，放顶煤支架为1.3~1.4m。

底座中间
安装推移装置的槽子宽度与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为300~380mm。

宽度取1350mm。

3.3四连杆机构的设计
3.3.1四连杆机构的作用与缺点
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围之时，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。