液压支架及推移千斤顶的设计

摘要

由于不同的采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、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，支架的设计是很重要的。

本设计综合对比了各种支架的特点，根据所给的原始条件和经济性的分析，选用了掩护式液压支架。进而进行了支架总体结构的设计，确定支架的基本参数，并对顶梁的强度进行了校核。在设计中，四连杆机构是较重要的部件，采用了作图法，优选出了最合适结构。确定了掩护梁、后连杆、前连杆等结构的尺寸。

通过设计，了解到掩护式支架特点是顶梁较短，控顶距较小，但是，其切顶性较差，支架底座前端的比压较大，使用在中等稳定以上顶板或者周期来压强烈的地质条件下，由于顶板不能及时切断，只适用于老顶来压强度不太强烈的不稳定和中等稳定的顶板。

关键字：液压支架；四连杆顶梁；掩护梁；支护阻力；

Abstract

As the coal face of the roof, seam thickness, seam inclination, coal physical and mechanical properties of different, on the hydraulic support requirements are different.

To effectively support the roof and control, the need to design different types and different sizes of hydraulic structure stent. Therefore, the design of the stent is very important. The design of a comprehensive comparison of various characteristics of the stents, according to the original conditions, and economic analysis. Selection of a cover-hydraulic support. Then the whole structure of the stent design and stent determine the basic parameters, as well as top-beam intensity of the check. In the design, the four-bar linkage is the more important parts, using the mapping method, selected the most suitable structure.

Through the design, learned shield applies only to old-roof compressive strength is not particularly strong in the middle of instability and stability of the roof

Key words：hydraulic support：four Linkages：roof；Supporting Resistance；Shield ；

目录

前言错误！未定义书签。

1概述错误！未定义书签。

1.1综合机械化采煤与液压支架..................... 错误！未定义书签。

1.2设计目的及其意义............................. 错误！未定义书签。

1.2.1课题研究意义............................... 错误！未定义书签。

1.2.2研究现状................................... 错误！未定义书签。2液压支架的选型错误！未定义书签。

2.1原始资料..................................... 错误！未定义书签。

2.2ZY-35型液压支架的结构特点和主要技术参数...... 错误！未定义书签。

2.2.1ZY-35型支架的结构特点 ...................... 错误！未定义书签。

2.2.2ZY-35型支架的结构.......................... 错误！未定义书签。

2.2.3ZY-35型支架的液压系统 ...................... 错误！未定义书签。

2.2.4已知的可供参考的ZY-35型支架的主要技术特征.. 错误！未定义书签。

2.3总体设计..................................... 错误！未定义书签。

2.3.2液压支架的分类............................. 错误！未定义书签。

2.3.3液压支架的结构分析......................... 错误！未定义书签。

2.3.4总体结构布局............................... 错误！未定义书签。

2.3.5液压支架总图............................... 错误！未定义书签。3液压支架各部件结构方案设计及受力分析与计算错误！未定义书签。3.1立柱的设计计算及受力分析..................... 错误！未定义书签。

3.1.1核心构件结构分析........................... 错误！未定义书签。

3.1.2总体结构布局............................... 错误！未定义书签。

3.1.3连接方式................................... 错误！未定义书签。

3.1.4预算缸筒内径和缸壁厚度 ..................... 错误！未定义书签。

3.1.5计算重叠长................................. 错误！未定义书签。

3.1.6密封件与导向件的选用....................... 错误！未定义书签。

3.1.7各种系数的计算............................. 错误！未定义书签。

3.1.8加长杆强度核算............................. 错误！未定义书签。

3.1.9活柱强度核算............................... 错误！未定义书签。

3.1.10缸体强度核算.............................. 错误！未定义书签。

3.1.11立柱的稳定裕量验算 ........................ 错误！未定义书签。

3.2四连杆机构的设计计算及受力分析............... 错误！未定义书签。

3.3顶梁及前梁的设计计算及受力分析............... 错误！未定义书签。

3.3.1支撑掩护式支架的顶梁长度计算 ............... 错误！未定义书签。

3.3.2顶梁宽度的计算............................. 错误！未定义书签。

3.3.3前梁长度的确定............................. 错误！未定义书签。

3.3.4前梁强度计算............................... 错误！未定义书签。

3.3.5主顶梁强度计算............................. 错误！未定义书签。4技术经济分析错误！未定义书签。

结论错误！未定义书签。

致谢错误！未定义书签。

参考文献错误！未定义书签。

前言

我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，煤炭生产的高产高效和现代化是当今国际煤炭工业的发展方向，也是我国煤炭行业的必然选择，这就要求大力发展综合机械化采煤。综合化采煤方法是高校安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中的最重要的设备之一。从消化引进设备开始，到我国能独立设计、研究和制造液压支架，我们已经积累了丰富的经验，对这些经验进行总结和提高势在必行。

在采煤工作面的煤炭时间生产过程中，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，必须对顶板进行支护。而液压支架的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。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，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。

液压支架在工作面工作时，为了及时保护，采用先移架后推溜的工作方式一个循环包括降柱，移架，升柱，推溜等四个动作。随着采煤机的前进，按次序搬动操纵阀，使顶梁下降，支架前移，到达预定位置后，顶梁升起，支护顶板。再通过支架的推移千斤顶，又将输送机推向煤壁。

1 概述

1.1 综合机械化采煤与液压支架

采煤机械和可弯曲刮板运输机是机械化采煤工作面的基本设备。普通机械化采煤（简称“普采”）工作面用单体液压支柱（或摩擦支柱）和铰接顶梁支护顶板；综合机械化采煤（简称“综采”）工作面用液压支架支护顶板。

在采用双滚筒采煤机的综采工作面，采煤机从工作面一端开始采煤，先行的滚筒贴着顶板截割，后随的滚筒贴着底板截割，截割碎落的煤炭，由滚筒的螺旋叶片推运并装进可弯曲刮板运输机。煤炭被运到工作面下端，再经转载机和可伸缩胶带运输机外运。在采煤机后面一段距离的刮板运输机溜槽和液压支架，即可向煤壁推移，及时支护新暴露的顶板，并为下一个工作行程做好准备。从工作面一端开始采煤直至工作面另一端，为一个工作行程。在同一个工作行程中，采煤机的两个滚筒连续转动，整个机器沿着一定的方向牵引前进。

采煤机到达工作面的一端，就结束一个工作行程。把原来贴着顶板的滚筒降下直至贴着底板，同时把原来贴着底板的滚筒升起，直至贴着顶板，再把两滚筒的挡煤板，翻转到滚筒的另侧，即可反向牵引采煤机，开始一个新的工作行程。为了保证仍能向工作面运输机装运煤炭，滚筒的转向不能改变。就是说，在方向相反的两个工作行程中，采煤机的牵引方向不同，滚筒的转向则不变。

在采用双滚筒采煤机的普采工作面，采煤过程的区别仅在于：随着采煤机的向前牵引，滞后于采煤机一段适当距离，要先推移刮板运输机溜槽，再在运输机的采空区一侧悬挂顶梁和架设支柱。

在采用单滚筒采煤机的普采工作面，根据煤层厚度和含有坚硬夹杂物等情况，可以双向采煤或单向采煤。若煤层厚度接近滚筒直径，煤不粘连顶板，就可以双向采煤，每经过一个工作行程就向前推进一次运输机。若煤粘连顶板，煤层较厚，特别是顶板稳定性较差时，采煤机向上牵引的工作行程中，滚筒贴着顶板截割，以便先挂顶梁把近煤壁顶板支护好；向下牵引的工作行程中，滚筒贴着底板截割，清理浮煤，并随着采煤机的移动推移运输机，因此往返两个工作行程只能推进一次运输机，但还是双向采煤的。如果煤层中坚硬夹杂物较多、煤质坚韧，需要先用高压注水、震动炮等方法松动煤层；采煤机在向上工作面上端牵引的行程中，滚筒截割煤层底部，随机人工挑落顶煤并悬挂顶梁；到达工作面上端后，翻转挡煤板，向下牵引清扫浮煤，随机推移运输机溜槽并架设支柱。因此，采煤机

往返牵引两个行程只能推进一次运输机，而且是单向采煤。

不论是哪一种普采方式，由于要用人力挂顶梁，架设和回收支柱，所以生产效率低，生产安全性差，但工作面设备投资比较少。根据我国十多年推广综采的经验，综采工作面平均工效为普采工作面的3.3倍，是炮采工作面的4.5倍。综采不仅提高工作面产量和工效，改善生产安全和劳动条件，而且有利于矿井合理地集中生产，简化生产系统，提高矿井综合效益。

1.2 设计目的及其意义

1.2.1 课题研究意义

在综合机械化设备组成中，液压支架的重量约占综采设备总重量的80～90%，成本占综采设备的70%左右。而且，综采工作面的安全性也主要取决于支架的支护效果。因此，为了降低成本，提高开采效益，并使支架的结构与性能适应不同的围岩与煤层条件，各国均在积极开展液压支架的设计、试验与研究。

按支架的设定架型、基本结构和一般性能参数，设计典型支架，设计者根据已有的设计知识与经验，参考现有液压支架的结构与参数，或用类比法来设计支架。

国内外整层垮落开采缓厚煤层的采面矿压初步研究成果可知：随着采高加大，上覆岩层动压现象仍然存在，且表现频繁；直接顶越稳定，高支架支护效果越好；支架应具有足够的支护力，特别是对老顶来压强烈的顶板；采高加大后，应防止片帮、冒顶，尽力保持支架的稳定性，为此提高支架刚度是十分重要的。

总之，除要求支架具有顶得住、切得下、护得好和走得动等基本条件外，针对高支架的特点，要求支架站得稳，煤壁立得牢。站得稳系指支架不歪倾斜倒，具有较强的防倒、防滑、导向、调架的能力；立得牢系指煤壁不片帮，不导致冒顶，支架具有较强的防片帮和及时支护的能力。

通过课题的研究，了解了液压支架的结构和工作原理等方面，对以前所学的知识有了更进一步的认识，为即将开始的工作打下坚实的基础。

1.2.2 研究现状

液压支架是综合机械化工作面的主体设备，它能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，保持安全的地下作业空间，并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。液压支架与采煤机、可弯曲输送机和顺槽转载机配合，构成了回采工作面的综合机械化设备，从而为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。因此，采用液压支

架支护顶板是当代采煤技术的一次重要变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。

支护和控制顶板，保持工作面的安全生产空间，是煤矿地下开采中的首要任务。在二十世纪五十年代，国内外煤矿生产中，基本上均采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架，将液压技术应用到支护设备上，从而开辟了回采工作面支护设备的技术革命。从二十世纪六十年代起，国外各主要产煤国家，如前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制了各种型式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用，从根本上改革和提高了地下开采的作业条件和安全性。据统计，目前这些主要产煤国家的地下开采综合机械化程度已达到90%左右，取得了良好的经济和社会效益。目前，以液压支架为主体的地下开采设备，以逐步向程控、遥控和自动化方向发展。

我国是煤炭生产大国，在二十世纪六十年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。七十年代我国从英、德、波兰和前苏联等国引进了数十套液压支架，经过试用、仿制和总结经验，到八十年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多种不同规格的液压支架，并在国内大、中型煤矿中推广应用，大大提高了我国煤矿开采的机械化水平。据统计：1995年，我国统配煤矿的综合机械化程度已达50%左右，液压支架在籍套为509套，2000年统配煤矿的综合机械化程度已达65%。液压支架在籍套数达700多套。目前，国内大、中型煤矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。液压支架已成为保证安全、高效生产的一种重要设备。

作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶底条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架已经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架的研究与发展方向是：

1. 在已有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。

2.研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。

3.研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。

4. 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。

2 液压支架的选型

2.1 原始资料

泵站压力P泵=35MPa；P安=40MPa；Q泵=50L/min

2.2 ZY-35型液压支架的结构特点和主要技术参数

表2-1

高度/m 宽度/m 初撑力/kN

工作阻力

/kN 支护强度

/MPa

对地比压

/MPa

适应坡度

/度

质量/t

1.8～3.5 1.43～1.6 2617 3200 0.56 1.29 ＜25 10.8

ZY-35型支撑掩护式液压支架适用于走向长壁后退式开采法，煤层赋存比较稳定，无影响支架通过的断层，煤层厚度在2～3m、倾角小于30°、中等稳定或中等稳定以下顶板的地质条件。单位面积顶板压力不大于700KPa，并且移架后能自动冒落，底板较平整，但抗压强度不得小于2000 KPa。

2.2.1 ZY-35型支架的结构特点

（1）工作阻力大，支护强度高，切顶能力强。立柱分前后两排布置。

（2）调高范围大。立柱长度为1425～3175毫米，行程1750毫米（其中液压行程1000毫米，机械加长段的最大调节长度为750毫米）

（3）防护性能好。主梁、掩护梁两侧都有侧护板，前端有防片帮板。

（4）梁端距变化小（254～296毫米，变化量为42毫米）

（5）采用框架式推移装置。

（6）前梁千斤顶承载腔油路上装有大流量安全阀，其整定压力为38.8MPa，比立柱安全阀整定压力（31.8MPa）高，流量也大（约40升/分）。升架时前梁千斤顶先推

出，前梁端部先接触顶板；在支架继续升起直到顶梁撑紧顶板的过程中，前梁

千斤顶被迫收缩，承载腔压力陡增，大流量安全阀溢流。

2.2.2 ZY-35型支架的结构

1. 结构件

1）前梁前梁为一钢板焊接件，它可以向上摆动18°，向下摆动15°，从而改善了前梁与顶板的接触状况。在前梁前端装有护帮装置，该装置采用四连杆机构，主要由上连杆、下连杆、护帮板和顶梁上的支座组成。