支撑掩护式液压支架doc.docx
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支撑掩护式液压支架doc
目录
一绪论
1.1前言..............................................................4
二液压支架的概述.......................................................5
2.1液压支架的组成和用途..............................................5
2.1.1液压支架的组成...............................................5
2.1.2液压支架的用途...............................................5
2.2液压支架的工作原理................................................5
2.3液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数........................7
2.3.1设计目的.....................................................7
2.3.2液压支架的基本要求............................................7
2.3.3设计液压支架必须的基本参数....................................8
三液压支架的架型特点及选型..............................................9
3.1液压支架的分类及特点...............................................9
3.1.1液压支架架型的分类...........................................9
3.1.2顶板的组成..................................................11
3.1.3支撑掩护式液压支架的支撑力与承载关系........................11
3.2液压支架的选型.....................................................12
3.2.1液压支架的选型原则...........................................12
3.2.2液压支架设计的原始条件.......................................12
3.2.3液压支架的选型过程...........................................12
四支架各部件的结构特点...................................................15
4.1支撑掩护式液压支架的整体结构.......................................15
4.2支撑掩护式液压支架的各部件结构......................................17
4.2.1．液压支架的顶梁..............................................17
4.2.2掩护梁的结构.................................................18
4.2.3侧护板........................................................19
4.2.4底座...........................................................20
4.2.5立柱...........................................................22
4.2.6辅助装置........................................................25
五支撑掩护式液压支架的整体结构尺寸设计.....................................26
5.1支撑掩护式液压支架基本参数确定........................................26
5.1.1液压支架的高度确定..............................................26
5.1.2支架伸缩比......................................................26
5.1.3支架间距........................................................27
5.1.4底座长度........................................................27
5.2液压支架四连杆机构确定...............................................27
5.2.1四连杆机构的作用................................................27
5.2.2四连杆机构尺寸设计..............................................29
六支撑掩护式液压支架顶梁设计..............................................34
6.1顶梁长度的确定.......................................................34
6.1.1工作方式对支架顶梁长度的影响...................................34
6.1.2配套尺寸对顶梁的影响...........................................34
6.1.3长度的计算.....................................................35
6.1.4顶梁其它有关尺寸的确定.........................................35
6.2支撑掩护式液压支架支护技术参数.......................................36
6.2.1支护面积的确定..................................................36
6.2.2支护强度计算....................................................36
6.2.3立柱的技术参数泵站额定工作压力及立柱初撑力确定..................37
6.2.4安全阀压力和立柱工作压力.......................................38.
6.3顶梁的受力分析.......................................................38
6.3.1支撑掩护式液压支架的支护性能及外载荷...........................38
6.3.2顶梁受力分析...................................................39
6.3.3顶梁载荷分布..................................................43
6.3.4实际支护强度..................................................44
6.3.5支护效率......................................................45
结束语..................................................................
参考文献.................................................................
一前言
综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。
实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。
我国液压支架经过30多年的发展，取得显著的成果，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式液压支架，这些系列化液压支架一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开取得显著的成果。
我国煤矿中使用的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。
端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。
中间液压支架是安装在处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。
目前使用的液压支架分为三类。
即：
支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。
从架型的结构特点来看，由于直接类别和老顶级别的不同，所以为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析使支架能适应顶板载荷的要求。
此次设计是对大学所学的知识的综合应用，通过设计使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机的使用的熟练性。
通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高独立为完成工作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。
二液压支架的概述
2.1液压支架的组成和用途
2.1.1液压支架的组成
液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操作控制系统等主要部分组成。
2.1.2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工作正常进行，必须对顶板进行支护，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至呼和控制顶板的设备，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。
液压支架可与弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，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。
2.2液压支架的工作原理
液压支架在工作过程，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供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。
升柱：
当需要液压支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，是与活塞杆相连的顶梁紧紧接触顶板。
降柱：
当需要降柱时，高压乳化液进入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推动活塞下降，顶梁脱离接触接触顶板。
支架和输送机前移：
支架和输送机的前移都是由底座上的推移千斤顶来完成。
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；当需要推移输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶下腔，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。
支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-2所示
支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化可分为三个阶段：
支架升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初承力阶段；支架初撑后，随着顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架安全阀的调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力，此阶段为增阻阶段；随着顶板压力继续增加，是立柱下腔压力超过的安全阀调正压力值时，安全阀打开溢流，立柱下缩，是顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。
2.3液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数
2.3.1设计目的
采用综合机械化采煤机械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要，必须大量生产综合机械化设备，机械化采煤工作面。
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要量是很大的。
由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。
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，因此其设计的工作量也是很大的，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。
2.3.2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，以使有效地控制顶板，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，后煤层一般为300KN～400KN。
3．防矸性能要好。
4．排矸性能好。
5．要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风面积，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，能承受事实上不均衡载荷和冲击载荷。
10．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。
2.3.3设计液压支架必须的基本参数
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《煤矿安全规程》规定，验算通风断面。
4．底板岩性及小时涌水量
根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。
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否选用防滑装置。
7．井向罐笼尺寸
根据井向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。
三液压支架的架型特点及选型
3.1液压支架的分类及特点
3.1.1液压支架架型的分类
按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。
端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。
中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。
目前使用的液压支架分为三类，即：
支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。
1．支撑式液压支架：
支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。
如图2-1所示，
前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。
因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。
顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。
这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。
2．掩护式液压支架：
掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。
如图2-2所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。
这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。
3．支撑掩护式液压支架：
支撑掩护式液压支架是在支撑是液压支架和掩护式
液压支架的基础上发展起来的一种架型。
它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。
而且，采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构，使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。
支撑掩护式液压支架适用范围很广，可用于各种顶板条件，尤其用于中等稳定以上的顶板条件。
其缺点是：
结构复杂，重量大，价格较贵。
不同结构形式的支撑掩护式液压支架，其主要区别是立柱的布置方式不同。
具体分类方法及及型式如图2-3所示
3.1.2顶板的组成
回采工作面的顶板，根据岩层和煤层的相对位置及特征，可以分三类：
1．伪顶：
直接位移煤层上方使极易垮落的一层岩石。
它通常使灰质页岩和泥质页岩，厚度一般不大于0.3～0.5米，经常随采随冒。
有些岩层不出现伪顶。
为顶对支护设备的使用一般没影响。
2．直接顶：
是指位于伪顶或直接位于煤层上方的一层或几层岩层，厚度一般不大，不很坚硬，常由泥质页岩、页岩、沙质页岩等组成。
一般随回柱或移架而冒落。
直接顶的稳定性对支护方式及架型选择由决定性的影响。
3．老顶：
是指位于直接顶之上厚而坚实、节理裂隙和层理都不发育的整体岩层。
通常由砂岩、石灰岩或砂砾岩等构成。
老顶常能在采空区维持很大悬露面积而不随直接顶一起垮落，其垮落步距的长短对支护设备的载荷大小由决定性影响。
3.1.3支撑掩护式液压支架的支撑力与承载关系
3．支撑掩护式液压支架支撑力分布与承载的关系及适用范围
图2-8支撑掩护式液压支架支撑力分布
支撑掩护式液压支架是为了改善支撑式液压支架和掩护式液压支架的性能和对顶板的适应性而设计的，主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的支撑力和承载能力。
所以此种支架介于以上两种支架之间，增强了适用范围，适用于顶板较坚硬、顶板压力较大顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图2-8所示
3.2液压支架的选型
3.2.1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合矿井和工作面的条件，投产后能够做到高产、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、技术和设备条件进行选择。
1．液压支架架型的选择首先要适合于顶板。
一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。
2．当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，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、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式支架。
4．应使支架对地板的接触比压不超过地板允许的抗压强度。
在地板较软条件下，应选用抬地板装置的支架或插腿掩护式支架。
°
5．煤层倾角小于10°时，液压支架可以不设防倒防滑装置。
倾角在10°～15°（支撑式液压支架取下限，掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架取上限）以上时，应选用带有防滑装置的液压支架。
倾角在18°以上时，应选用同时带有防滑防倒装置的液压支架。
6．对瓦斯涌出量大的工作面，应符合《煤矿安全规程》要求，并优先选择通风面积大的支撑式或支撑掩护液压支架。
7．当煤层为软煤时，支架最大高度一般应≤2.5m；中硬煤时，支架最大高度一般≤3.5m；硬煤，支架最大高度＜5m。
8．同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。
支撑式液压支架最便宜，其次是掩护式液压支架，最贵为支撑掩护式液压支架。
3.2.2液压支架设计的原始条件
基本（老）顶级别:
三级
直接顶级别:
三级
采高:
2.5m～3.2m
3.2.3液压支架的选型过程
1．确定直接顶和基本顶类别
1）顶板分类
（1）直接顶分类
我国将缓倾斜煤层回采工作面的直接顶分为四类：
一．不稳定顶板即破碎顶板，很容易冒落，冒落能基本充满采空区。
泥质页岩、再生顶板等属于这一类。
二．中等稳定顶板：
这类顶板强度较高，但由大量节理裂隙，局部较完整，厚度不大，冒落后不能充满采空区，一般支护设备前移后随即冒落。
砂质页岩、粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。
三．稳定顶板即完整顶板：
不易发生局部冒落。
砂岩顶板、坚硬的砂质页岩顶板属于这一类顶板。
四．坚硬顶板：
极难冒落的砂岩、坚硬砂质页岩等属于这一类顶板。
表2-1基本顶级别
基本顶级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
基本顶来压
不明显
明显
强烈
极强烈
指标
N=3～5
0.3＜N≤3～5
LP=25～50
0,3＜N≤3～5
LP＞50
N≤0.3
LP=25～50
N≤0.3
LP＞50
注：
1.比值N应根据采煤工作面所在位置的地质柱状图中的M和h来计算。
2.基本顶初次来压步距LP可根据现场实测或矿压显示特征确定。
（2）老顶分级
老顶根据周期来压明显与否分为四级：
I级顶板，周期来压不明显；II级顶板，周期来压明显；III级顶板，周期来压强烈；IV级顶板，周期来压极强烈。
老顶周期来压越不明显，作用于支架上的载荷就越小，而且稳定。
反之，周期来压越强烈，作用于支护设备上的载荷就越小，且有冲击。
表2-2老顶级别
类别
指标
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
不稳定顶板
中等稳定顶板
稳定顶板
坚硬顶板
主要指标
强度指数D1
l=3
l≤8
l=3.1～7
l=9～18
l=7.1～12
l=19～25
l＞12
l＞25
无直接顶，岩层厚度在2～5m以上
σ＞60～80
参照指标
直接顶初次垮落步距
l/m
表中按右式计算：
=岩石单向抗拉强度（Mpa）
=节理裂隙影响系数；
=分层厚度影响系数。
表2-3节理裂隙间距表
节理裂隙间距表
l/m
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
c1
0.3
0.32
0.34
0.37
0.39
0.41
0.43
0.46
0.48
0.50
0.52
0.55
表2-4分层厚度表
分层厚度表
Hx/m
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
C2
0.24
0.25
0.27
0.29
0.3
0.32
0.33
0.35
0.36
0.38
0.39
0.41
表2-5支架架型确定参数
支架架型确定参数
基本顶级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接顶级别
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
液压支架架型
掩护
掩护
支撑
掩护
掩护或支撑
支撑
支掩
支掩
支撑或支掩
支撑或支掩
支撑（采高小于2.5m）
或支掩（采高大于2.5m）
支架支护强度/（）
采高1m
采高2m采高3m采高4m
294
343（245）
441（343）
539（441）
1.3×295
1.3×343（245）
1.3×441（343）
1.3×539（441）
1.6×295
1.6×343
1.6×441
1.6×539
＞2×295
＞2×343
＞2×441
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