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第 114 页 1 绪论 1.1放顶煤支架架型的发展与演变 放顶煤支架是随着放顶煤开采方法应用而生的，综合机械化开采应用到放顶煤开采工作面后，使放顶煤开采技术进入了一个新的发展阶段。由于工作面由液压支架实现可靠、快速的支护，采用采煤机或刨煤机采煤，放顶煤作业在安全可靠的工作条件下进行，从而使工作面产量有明显提高。近年来，综采放顶煤技术在我国得到了迅速的发展和广泛的普及，综采放顶煤正成为一种高产高效的采煤方法。 1957年，前苏联研制出KTY型单输送机掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克矿使用，开采该矿的2号和4～5号煤层。煤厚为9～12m，煤层倾角5～18，该放顶煤工作面为预先开采顶层煤铺设人工假顶，然后再采底煤。 1963年，法国研制出用于放顶煤开采的支撑掩护式放顶煤液压支架，并且于1964年在布朗齐矿区试验成功。该支架为四柱式，尾梁呈“香蕉”型，其摆动角度由千斤顶控制，配有两台输送机，第二台输送机安置于尾梁后部的底板上。放落的煤由第二台输送机运输，结构如图1.1。 图1.1“香蕉”型放顶煤液压支架 自70年代开始，法国、前西德、英国等国家陆续成功研制成功了“开天窗”的支撑掩护式或带插板的支撑式放顶煤液压支架。英国研制的“开天窗”式放顶煤液压支架在掩护梁上开了放顶煤“天窗”，由液压千斤顶控制开关，“天窗”附近设有搅动杆，以便于冒落顶煤，掩护梁上还有钻眼孔，供煤硬不落时打眼放炮。第二台输送机安置在支架后部底座上，结构如图1.2。 图1.2“开天窗”式放顶煤液压支架 法国针对“香蕉”尾梁式放顶煤液压支架存在的问题，先后研制成功MB1728S、FB2130S型放顶煤液压支架。MB1728S放顶煤液压支架为四柱掩护式，掩护梁通过液压千斤顶控制进行伸缩，便于顶煤冒落装煤。第二台输送机放置在底板上，结构如图1.3 。FB2130S型放顶煤液压支架为四柱支撑掩护式，掩护梁上设有落煤窗口，由液压千斤顶控制其开关，落煤窗口内装有一个用于控制的搅动杆，有助于破碎大块煤，并有助于顶煤冒落操作。掩护梁上还有圆孔，用以通过此孔将管子伸向采空区，以便输送氮或泡沫。掩护梁无四连杆机构，而直接与支架底座的尾端相铰接。在顶梁、掩护梁的侧护板及落煤口处装有若干喷嘴，以便喷水除尘。第二台输送机放置在支架后部底座上，结构如图1.4。 图1.3 MB1728S放顶煤液压支架 图1.4 FB2130S型放顶煤液压支架 MB1728S和FB2130S型放顶煤液压支架分别代表了插板式和“开天窗”式放顶煤液压支架的结构特点。这两类支架都配有双输送机运煤，滚筒采煤机采煤，然后由掩护梁上的窗口或插板放出顶煤。这两类支架的主要区别是插板式放顶煤液压支架重量较轻，后部空间大，易于排放大块煤，而且输送机置于煤层底板上，便于维修。“天窗”式放顶煤液压支架重量较大，支架整体稳定性好，放顶煤输送机置于支架底座之上，便于推移和放顶煤。 80年代初期，匈牙利研制成功单输送机前开“天窗”式放顶煤掩护式支架，其结构如图1.5。机采煤炭与放落煤炭均采用单输送机运输，在实际应用中取得了良好效果。 图1.5 匈牙利VHP-732型“天窗”式放顶煤液压支架 1982年，煤炭科学研究总院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设计，郑州煤矿机械厂制造的FY400-14/28型放顶煤液压支架是我国首次研制成的放顶煤液压支架。1984年在沈阳矿务局蒲河矿投入试验，开始取得了较好的效果，后来因支架的稳定性差，工作面发火中止了试验。虽然没有取得预期的效果，但人们看到了这种新型支架的前景，从此拉开了设计、研制放顶煤液压支架的序幕。经过我国煤炭科技工作者的努力，研制成功了数十种放顶煤液压支架。兖州矿务局东滩煤矿使用国产放顶煤液压支架创造了年产410万t的高产高效记录，这标志着我国放顶煤液压支架的设计、制造走在了世界前列。 我国放顶煤液压支架发展从低位放顶煤液压支架的研制开始，经历了高位、中位，现在又回到低位。最初的放顶煤支架采用的是低位放煤，代表架型是FY400-14/28型放顶煤液压支架，结构如图1.6。1987年平顶山矿务局引进了匈牙利VHP-732型放顶煤支架，该支架在缓倾斜工作面试验，最高月产达5.5万t，获得了成功。随即我国研制成了高位放顶煤液压支架，结构如图1.7。由于其放煤口高、放煤口小、存在顶煤损失大、放煤与采煤机割煤不能平行作业、效率低等缺点，已基本淘汰。 图1.6 FY400-14/28型放顶煤液压支架 图1.7 高位放顶煤液压支架 80年代末90年代初，我国研制出中位放顶煤液压支架，结构如图1.8。这种支架比单输送机高位放顶煤液压支架有所改进，有两部输送机，放煤与割煤可以平行作业，提高了效率，放煤口比高位放顶煤支架有所降低。随着放顶煤实践的深入，中位放顶煤支架也暴露出一些突出缺点，主要是放煤口仍然较小，受结构限制，放煤口不能连续，有背脊损失，采出率低，后部空间狭小，维修和清理浮煤不方便，底座前端比压大等。针对中位放顶煤液压支架存在的问题，我国又研制出低位放顶煤液压支架，其结构如图1.9。早期的低位放顶煤液压支架是由铺网液压支架演变而来，其基本结构和铺网支架类似，只是尾梁上加上了插板，用于放煤，低位放顶煤液压支架是目前使用效果较好的架型。北京开采所在研究各种支架特点和使用经验基础上研制出一种反向四连杆低位放顶煤液压支架，其结构更加合理，用途更加广泛。 图1.8 中位放顶煤液压支架 图1.9 低位小插板放顶煤液压支架 1.2 放顶煤液压支架的特点及适应性分析 1.2.1放顶煤液压支架的分类 按与液压支架配套的输送机的台数，放顶煤液压支架可分类如下 插底式 单输送机 不插底式 放顶煤液压支架 单铰接式 开天窗式 双输送机 四连杆式 前四连杆式 插板式 后四连杆式 按放煤口位置，放顶煤液压支架可分类如下 高位（单输送机开天窗式） 放顶煤液压支架 中位（双输送机开天窗式） 低位（双输送机插板式） 本文重点介绍低位放顶煤液压支架的特点及适应性。 1.2.2放顶煤液压支架的安全性及适应性要求 采用放顶煤综采的4个重要条件是地质条件适应性，液压支架选型的正确性，采放工艺的合理性和工作面管理的严格性。其中前两个条件是基础，后者是保证。显而易见，要采用放顶煤综采，其中重要的一项工作是正确选择放顶煤液压支架的架型。现阶段我国已在急倾斜特厚煤层、缓倾斜中硬厚煤层（f≤3.5）、“三软”厚煤层、倾斜厚煤层（倾角20≤α≤35）有了一些放顶煤综采成功的实例，对于合理选择放顶煤液压支架提供了宝贵经验。 1. 对缓倾斜中硬煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 缓倾斜条件下的放顶煤工作面约占综放工作面总数的70％以上，而且地质条件差别 大，所以架型选择余地大。选型时一般根据以下原则 （1）必须保证放煤效果。能否把煤放下、放好，是缓倾斜中硬厚煤层开采最突出的问题，也是放顶煤液压支架选型的关键。保证放煤效果，首先是选择放煤的形式，低位放顶煤支架的放煤口是连续的，而且放煤口面积大，有利于大块煤放出，无脊背损失，适用于缓倾斜综放工作面。 （2）保证放落煤的运输空间。双输送机放顶煤液压支架要有足够的后部运输空间，这对缓倾斜中硬煤层长壁放顶煤尤为重要。放煤过程中难免出现大块煤和矸石，如果处理的不好，可能堵塞运输通道，损坏设备。同时，空间太小，也影响设备维修，人员通行和安全。 2．对倾斜厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 （1）倾斜厚煤层放顶煤液压支架的技术关键在于提高其稳定和抗扭性能，提高掩护梁的抗扭能力，保证在大倾角下支架能正常工作。 （2）支架各部的密闭性要好，尤其是顶梁端部，防止漏煤、冒顶，切实保证顶梁的接顶性，避免倒架。 （3）加大支架初撑力，有利于防止顶煤和上覆岩层过早离层，从而防止顶煤垮落切顶线前移，提高支架的支护性能。 （4）提高支架防倒、防滑性能。 3．对“三软”厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 （1）在缓倾斜“三软”条件下，因为顶梁上方是已破碎的顶煤，断裂线前倾已深入到煤壁上方，顶梁太短，冒空区可能达到煤壁附近的上方。因此，高位放顶煤支架不适于“三软”煤层的放顶煤开采，低位放顶煤支架式较理想的架型。 （2）为了防止架前冒顶，要求顶梁（或前梁）端部承载能力大，并且要把支架控顶的全长范围最大限度的严密封闭起来，有效控制漏顶。除了顶梁外，应注意掩护梁和尾梁的密封性能。 （3）在保证对底板合理比压的前提下，适当加大初撑力，有利于端面顶煤的维护。 4．对急倾斜特厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 急倾斜特厚煤层放顶煤综采工艺，是指煤层倾角大于45、煤层厚度大于20m的条件下，把煤层沿水平分成6～12m的分段，使用以液压支架为主体的综采设备开采的放顶煤采煤法。由于急倾斜特厚煤层矿压小、工作面短，因此，选择的支架应具有工作阻力小、体积小、重量轻、推进速度快等优点。低位放顶煤液压支架比较适合急倾斜特厚煤层综放工作面。 1.2.3低位放顶煤液压支架的特点及适应性分析 1.低位放顶煤液压支架的特点 低位放顶煤支架是一种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度在45左右）用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。其主要特点如下 1由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高； 2和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎较为充分，对放煤极为有利； 3后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤，使放煤口不易堵塞； 4低位放煤使煤尘减少； 5前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差，支架的稳定性较差； 6尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差。 这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种支架在缓斜长壁工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索 1把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架； 2大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达20t以上，但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力； 3增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如ZFPS5200/17/32型支架尾梁端部向上摆动力可达到500kN，使用效果良好； 4后四连杆前连杆设计为Y型，后连杆设计为I型，增大了支架的前、后人行道的宽度并加大了后部的人员工作与维护空间； 5把后输送机千斤顶耳座与底座的联接改为活联接，改善了运输状况。在后输送机与千斤顶之间增加了结构件推杆，以避免后输送机与千斤顶活塞杆弯曲并防止输送机和支架下滑。 前四连杆式支架和后四连杆式支架相比，前四连杆式支架稳定性及抗扭性较差，但其后部空间较大，且重量也轻。 2.低位放顶煤液压支架的适应性 前四连杆式支架在急斜水平分段放顶煤综采中取得成功，如对四连杆及有关联接件再进一步增加强度，成为定型设备，可以不考虑在急斜条件下使用后四连杆式支架。 缓斜中硬难放煤层在选型时考虑到低位放顶煤液压支架的强度低，又无成功的实例，往往选用中位放顶煤液压支架，但受到放煤口的限制，实际上也未能很好解决其放煤问题。仔细研究各类放煤支架，就会发现，只有前四连杆式支架具备大幅度摆动掩护梁破煤的条件。有的低位放顶煤液压支架采取强化四连杆及联接销轴，把摆动掩护梁的千斤顶一端布置在底座上，而不是布置在顶梁上，尽管这种架型尚无满意的效果，但这种探索无疑是很有意义的。 后四连杆式支架在煤层硬度系数f＝2左右，层节理比较发育的缓斜厚煤层中使用取得很大成功，如在潞安矿务局五阳煤矿、王庄煤矿和兖州矿务局兴隆庄煤矿、鲍店煤矿。这种架型与设计先进的过渡支架配合使用，创出了新水平，被广泛推广使用。如石炭井矿务局乌兰矿将这种支架与过渡支架、端头支架配套使用，在倾角为24的工作面上取得了成功。由此表明了后四连杆式放顶煤液压支架在缓斜中硬煤层和倾斜厚煤层中均有良好的适应性和使用前景。 2 液压支架的整体结构尺寸设计 2.1 支架高度、支架间距和底座长度的确定 2.1.1支架高度和支架的伸缩比 1.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 2.1 2.2 式中 支架最大高度,mm； 支架最小高度, mm； 煤层最大厚度, mm； 煤层最小厚度, mm； 考虑伪顶、煤皮冒落后仍有可能初撑力所需要的支撑高度，一般取mm； 顶板最大下沉量，一般取mm； 移架时支架的最小可缩量，一般取mm； 浮矸石、浮煤厚度，一般取mm。 本次设计给定支架最大高度mm，最小高度mm。 2.支架的伸缩比 支架的伸缩比是指支架的最大与最小高度值之比，即 2.3 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。由于液压支架的使用寿命要求较长，并可能被安装在不同的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式支架为 2.5；掩护式支架可达 3。一般范围是1.5 至 2.5，煤层较薄时选大值。但考虑尽量减轻重量采用单伸缩油缸或带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，当范围内可采用单伸缩。 经计算，该支架的伸缩比。 2.4 单位缸长行程； 活塞全部伸出时立柱的总长度，mm； 活塞全部缩回时立柱的总长度，mm； 活塞行程，mm。 由支架的最大、最小高度，可得活塞的行程为 1500mm；而活塞全部缩回时立柱的总长，暂用支架的最小高度 1700mm。由此，可以得到 支柱应采用双伸缩立柱，但考虑其制造成本及放顶煤液压支架工作条件，选择单伸缩机械加长立柱。 2.1.2支架间距（支架中心距） 支架中心距一般等于工作面刮板输送机一节溜槽的长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用1.5m和1.75m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。 而一般支架间距，按下式计算 2.5 式中 支架间距支架中心距，mm； 每架支架顶梁宽度，mm； 相邻支架或框架顶梁之间的间隙，mm； 每架所包含的组架的组数或框架数； 整体自移式支架 n1， 整体迈步式支架n2， 节式迈步支架n支架节数。 支架间距bc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槽帮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1.5m、1.75m,千斤顶联结块位置在溜槽长度的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m或1.75m。本文取1.5m。 2.1.3底座长度 底座起将顶板压力传递到底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；保证支架保持稳定性。 通常掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距（一个移架步距为0.6m）， 即2.1m左右，支撑掩护式支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。 本文设计支架为支撑掩护式，估取底座长度为2400mm，在结构设计中根据结构要求修改为3000mm。 2.2 四连杆机构的作用及其几何作图法设计 2.2.1四连杆机构的作用 1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线，从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。 2、能承受较大的水平力。 2.2.2四连杆机构的几何特征 1、支架从最高高度降到最低高度时，如图2.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度mm，最好为30mm以下 2、支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图2.1所示，应满足以下要求 支架在最高位置时，P≤ ～，Q≤ ～；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，,如果按钢和矸石的摩擦系数为,即,求得；为了安全可靠在最低工作位置时，应使为宜，而Q角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能降下来，一般取，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。 3、由图2.1可知，掩护梁与顶梁铰点E1和瞬时中心O之间的连线与水平线的夹角为θ，设计时，要使范围内，主要原因是θ角直接影响附加力Qy的数值大小。 图2.1 四连杆机构几何特征 4、支架工作段要求曲线向前凸的一段，如图2.1所示的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有向煤壁移动的趋势，对于保持梁端顶板处于挤压状态有利，防止顶板产生离层或断裂，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区，同时使底板对底座的作用力向后移，底座前端比压减少，可防止啃底，有利于移架，再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由连杆来克服，所以减轻了掩护梁的受力。 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取曲线向前凸的一段，所以当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时，只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，进行作图计算就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图2.2所示。 图2.2 掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构 从图2.2可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了，其具体作法是顺时针转动后连杆，使支架最高位置时的E1点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁上前连杆上铰点所作的运动轨迹上，任找几点，把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了。 2.2.3四连杆机构的几何作图法 1.确定掩护梁上绞点与顶梁顶面之距和后连杆下铰点与底座底面之距 掩护梁上绞点与顶梁顶面之距根据支架最大高度确定,一般支架取150～200mm，重型支架取210～260mm。本文取150mm。 后连杆下铰点与底座底面之距根据支架最小高度确定，薄煤层支架取150～250mm，中厚煤层支架取250～450mm，大采高支架取450～600mm。本文取450mm。 2.掩护梁和后连杆长度确定 首先用解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图2.3所示。 掩护梁长度； 后连杆长度； 过E1点的垂直线到后连杆下铰点之距； 支架最高位置时的计算高度； mm 支架最低位置时的计算高度； mm 从几何关系可以列出 2.6 2.7 将以上两式联立解得 2.8 按四连杆机构的几何特征所要求的角度，选定 ； 。 ； 。 图2.3 掩护梁和后连杆计算示意图 支架在最高位置时的值为 2.9 因此掩护梁的长度为 mm 取 mm 后连杆长度为 mm 取mm 一般， 故取mm 根据掩护梁长度和后连杆长度重新计算出 ； 。 ； 。 图2.4 液压支架四连杆机构几何关系图 3.几何作图法作图过程 作图步骤如下 （1）、确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座略高，一般为200～250mm，考虑太低安装销子困难，太高底座又笨重。根据支架结构取450mm。 （2）、过O点作水平线H－H线与底座相平行。 （3）、过O点作一条直线与水平线H－H线相交其交角为。 （4）、以O点为圆心，以L1为半径作圆，与该直线相交于A点，即为后连杆与掩护梁的上铰点。 （5）、过A点作一条直线与水平线H－H线相交其交角为。 （6）、以A点为圆心，以L为半径作圆，与该直线相交于E1点，即为掩护梁、与顶梁的铰点。 （7）、过E1点作一条直线与水平线H－H平行的F－F直线，则H－H线与F－F线的距离为h1，即为液压支架最高位置的计算高度。 8、以A点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，即为前连杆的上铰点。 9、过E1点作F－F线的垂线。假设在液压支架升降过程中，E1点近似在此直线上滑动。 10、在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点为E3。 11、取E1E3中点为E2点，为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与顶梁的铰点。 12、以O点为圆心，以为半径作圆弧。 13、以E2点为圆心，以掩护梁长L为半径作圆，与圆弧相交于A1点，此点为液压支架在降到中间位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 14、以E3点为圆心，以掩护梁长L为半径作圆，与圆弧相交于A2点，此点为液压支架在最高位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 15、以A1点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，与E2A1相交于B1点。以A2点为圆心，以0.25倍的L为半径作圆，与E3A2相交于B2点。即B、B1、B2三个点为液压支架在三个位置时的前连杆的上铰点。 16、连接A1O、A2O，为液压支架降到中间位置和最低位置时，后连杆的位置。 17、分别作B B1和B1 B2的垂直平分线交于C点，即为前连杆的下铰点，BC为前连杆的长度。 18、过点C向H－H线作垂线，交于D点。则AO、AB、BC、CD为液压支架的四连杆机构。 按以上步骤作图，结果如图2.5所示。 图2.5 液压支架四连杆机构作图结果 最终确定四连杆机构的各项尺寸为 AO 1201 mm AB 429 mm BC 1481 mm CD 342 mm 2.2.4基于SolidWorks Motion的梁端曲线模拟 根据上述计算得到的四连杆机构尺寸，在SolidWorks中建立简单的机构模型，如图2.6所示。 图2.6 支架四连杆机构简化模型 给支架顶梁顶面加一线性马达，运动距离为1500mm，并设置顶梁前端面的XY方向位移图解以及其运动轨迹，结果如图2.7,2.8。 图2.7 顶梁前端面的XY方向位移图解 图2.8 顶梁前端面运动轨迹 由图2.7可知，顶梁前端面双纽线宽带为1254-121539mm，符合要求。 2.3顶梁长度的确定 根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。 2.3.1支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜的方式（及时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小。这是因为采用先移架后推溜的工作方式时，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长一个移架步距，一般为600mm。 本文所设计的支架要适应各种复杂的顶板情况，采用先推溜后移架的方式，但在推溜之前，挑梁要伸出，起到即时支护的作用，挑梁伸出的长度为800mm。 2.3.2顶梁参数的计算 所谓梁端距是指移架后顶梁端部至煤壁的距离 C ，如图2.9所示。梁端距是考虑由于工作面底板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。支架高度越大，梁端距也应越大。 图2.9 液压支架尺寸关系 （1）掩护式与支撑掩护式支架顶梁长度的计算 顶梁长度[配套尺寸底座长度A*cos（Q1）]-[G*cos（P1）300e]掩护梁与顶梁铰接点至顶梁后端点之距（mm） 式中 配套尺寸6704357642102079mm（MG200/475-W采煤机配套尺寸，详见图2.10） 底座长度底座前端至后连杆下铰点之距 2400mm e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离 39mm Q1，P1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 故顶梁长度为 取为4000mm。 图2.10 MG200/475-W型采煤机配套尺寸 （2）顶梁宽度 由于取中心距为1.5m，有活动侧护板顶梁宽度取值范围为1.41.6m，本次设计取支架顶梁的最小宽度为1420mm,最大宽度为1590mm,选取单侧活动侧护板，亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。 顶梁宽度根据支架间距和架型来定，架间间隙为0.2m左右。其中宽面顶梁一般为1.2～1.5 m。 这里取顶梁宽度为1390mm（不包括活动侧护板）。 （3）顶梁覆盖率δ 顶板覆盖率按下式计算 2.10 式中 顶梁覆盖率； 顶梁宽度（包括侧护板伸出宽度），mm； 顶梁总长度，mm； 梁端距，mm； 相邻顶梁间间隙。 稳定顶板覆盖率δ值要求为60～70，对于中等稳定顶板覆盖率δ值要求为75～85，对于破碎顶板，覆盖率δ指应达到85～95。 此设计的顶梁覆盖率 2.4立柱位置的确定 2.4.1立柱数 目前国内支撑式支架立柱为2～6，常用为4；掩护式支架为2柱；支撑掩护式为4柱式。该液压支架采用单伸缩机械加长立柱，为支撑掩护式，故立柱数目取为4。 2.4.2支撑方式 本设计为支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱与顶梁垂线夹角小于，由于夹角较小，有效支撑能力较大。故前排立柱取，后排立柱垂直布置。 2.4.3立柱间距 指对支撑式和支撑掩护式支架而言前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操作、行人和部件合理布置。支撑式支架和支撑掩护式支架的立柱间距为1～1.5m。本支架立柱间距选1m。 2.5通风断面的验算 采煤工作面的过风量有一定要求。在过风量一定时，采煤工作面的通风断面积不应过小。但在工作面中安装液压支架后，通风断面积明显减小。因此必须验算通风断面积。一般按工作面允许风速进行验算。根据安全规程规定，工作面风速应小于5m/s。 采煤工作面风速计算按下式进行。 2.11 式中 工作面风速，m/s； 支架在采煤工作面的通风断面积，mm2； 采煤工作面所需风量，m3/min 2.12 通风不均系数，一般取1.5 安全规程允许的瓦斯含量，一般取1 2.13 日产量，； 每分钟生产一吨煤的沼气涌出量，一般取 计算, 则有 ，合乎安全规程规定。 3 液压支架的部件结构设计 液压支架各个部件的结构形式与工作面的顶底板条件和支架结构形式有关，选择时根据支架的结构和工作面顶底板条件，对各个部件的结构进行分析，最后择优选择。本文所设计液压支架为支撑掩护式后四连杆低位放顶煤液压支架。 3.1 顶梁 顶梁是工作面顶板直接接触的部件，除要满足一定的刚度和强度要求外，还要保证支护顶板的需要，如足够的顶板覆盖率；同时要适应顶板的不平整性，避免因局部应力而引起损坏。 3.1.1用途 （1）用于支撑、维护和覆盖顶板，为工作面创造安全的工作空间； （2）将立柱的支撑力传递至顶板，并给予合理地分布；对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用；对无立柱空间的顶板起支撑作用； （3）为护帮、防倒装置等提供依托； （4）将顶板载荷通过立柱经底座传到底板。 3.1.2结构形式 支架常用顶梁形式有3种整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。 （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；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少支架间漏矸。简单的整体刚性顶梁的结构外形如图3.1所示。 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，一般上翘。 图3.1 整体顶梁 （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。 1-前梁；2-前梁千斤顶；3-顶梁。 图3.2铰接式顶梁结构 铰接前梁与顶梁如下图 图3.3a 铰接前梁 图3.3b 铰接顶梁 （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。 楔形结构梁利用构件间的摩擦自锁原理，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，该梁就具有整体刚性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，令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绕销轴上下摆动，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，因此这种顶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。 1． 1-楔形梁；2-楔块；3-楔形梁斤顶；4-后梁。 图3.4 楔形结构梁 本文所设计的液压支架，为了要适应复杂的顶板情况，所以采用铰接式顶梁。而前梁则采用挑梁的型式，以起到即时支护的作用，结构如图3.5。 图3.5 本文支架顶梁 3.2 立柱 立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力状态，它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须有足够的抗压、抗弯强度，良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。 立柱按动作方式，可分为单作用和双作用；按支架种类，可分为活塞式和活柱式；按伸缩方式，可分为单伸缩和双伸缩。 本支架在设计中采用了单伸缩式机械加长立柱，该立柱结构简图如图3.6。 图3.6 本文单伸缩式机械加长立柱 立柱的结构由缸体、活塞、缸口、活柱和机械加长杆等组成。 缸体是立柱的承压部件。一般用27SiMn无缝钢管制成。缸体内表面是活塞的密封表面，所以要求很高的加工精度。 活塞是立柱的关键元件，对它的主要要求是保证密封性能良好，运动表面能承受外力的冲击。 活塞可以套在活柱上，或直接焊接在活柱上。用钢制作活塞时，可在活塞上安装导向环与缸体内径配合。导向环多用塑料制品，也有用铜合金制成。在不承受横向力或横向力很小的情况下，可以用保护密封圈的尼龙挡圈兼做导向环。 活塞靠密封圈密封，密封圈有O型、Y型、U型、V型、鼓型、蕾型等。鼓型密封圈是两个夹布U型橡胶圈压制而成的整体实心密封圈，它和两个L型导向环一起使用，适用于工作压力19.6～58.8MPa，在压力小于24.5MPa时，可以不加挡圈。它可用于各种活塞上的双向密封。 蕾型密封圈是一个U型夹布橡胶圈和唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈。它适用于装入各种液压活塞头和导向套上，为单向密封。工作压力小于58.8MPa时，可以不加挡圈。 以上两种密封圈的使用，简化了活塞结构，装配方便，但密封圈本身加工较复杂。 活塞的轴向固定方式由三种用螺帽加防松螺钉固定；用压盘和螺钉固定；用半圆环加弹性挡圈固定。 活柱和活塞杆是立柱传递机械力的重要零件，它要能承受压力和弯曲等载荷作用，必须耐磨和耐腐蚀，可用27SiMn或45号钢制成。为防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，表面要镀铬，并要注意保护，防止外部划伤。 缸口用钢丝挡圈固定，是在导向套外侧装有钢丝挡圈，内侧装有密封圈和防尘圈。这种结构简单，装卸方便，但要求活塞杆外径与缸体内径之间有比较大的空间，这种固定方式使用较多。 固定钢丝和钢丝挡圈的连接方式，不能耐高压。当密封液体压力较高时，可采用半圆环结构连接方式。 3.3 掩护梁和四连杆机构 3.3.1掩护梁 掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的掩护构件，除防止采空区冒落矸石涌入工作面外，并承受冒落矸石的压力和顶梁分解的水平力。掩护梁采用整体箱形钢板焊接结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前后连杆铰接的耳座。充分考虑
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