中国矿业大学2006届本科生毕业设计 第 2 页目 录1 绪论11.1液压支架发展历史41.2我国液压支架的发展51.3放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架61.3.1放顶煤采煤方法的发展61.3.2放顶煤液压支架发展及特点71.4液压支架的组成111.5液压支架的支护方式111.6液压支架的工作原理111.6.1支架升降和推移121.6.2支架的承载过程131.7采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数141.7.1采煤工作面对液压支架的设计要求141.7.2液压支架设计的基本参数141.8本文做的主要工作152 液压支架整体结构设计152.1支架主要尺寸的确定152.1.1支架的高度和支架的伸缩比152.1.2支架间距和宽度的确定162.2支架四连杆机构的确定172.2.1四连杆机构的作用172.2.2四连杆机构设计的要求182.3四连杆机构的设计192.3.1四连杆机构的电算法202.3.2四连杆机构的作图法292.4顶梁长度的确定292.4.1支架工作方式对顶梁长度的影响292.4.2顶梁长度计算303 放顶煤液压支架主要结构设计313.1支架主要部件的设计要求313.2前梁的设计323.2.1伸缩式前梁（图3.1）323.2.2挑梁式前梁（图3.2）323.3顶梁的设计333.3.1中四连杆机构的顶梁 （图3.3）333.3.2后四连杆机构的顶梁343.4底座的设计343.4.1中四连杆机构的底座（图3.4）343.4.2后四连杆机构的底座（图3.5）353.5掩护梁和连杆的设计353.6推移机构的设计363.7放煤口及放煤机构的设计363.7.1中四连杆机构的放煤机构设计363.7.2后四连杆机构的放煤机构设计373.8喷雾降尘系统的设计393.8.1喷雾降尘系统的组成393.8.2设计原则403.9液压系统的设计403.9.1液压系统的特点403.9.2支架的工作机构413.9.3控制系统423.10液压支架的主要技术参数423.10.1支护面积423.10.2支护强度和支护效率423.10.3 ZFS5000/32/47放顶煤液压支架性能参数一览表434 立柱结构设计和强度计算464.1单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定464.1.1单伸缩立柱缸径的确定464.1.2泵站压力的确定474.1.3立柱初撑力的计算474.1.4立柱工作阻力的计算474.1.5立柱缸体壁厚的计算484.2立柱强度和稳定性验算484.2.1立柱缸体强度验算484.2.2立柱稳定性验算494.2.3立柱活塞杆强度验算514.2.4立柱的纵向弯曲稳定性计算545 液压支架受力分析565.1概述565.1.1支架工作状态565.1.2计算载荷的确定565.2支架受力分析与计算575.2.1前梁的受力分析与计算585.2.2放煤机构的受力分析与计算595.2.3主顶梁的受力分析与计算605.2.4掩护梁的受力分析与计算625.2.5前连杆的受力分析与计算635.2.6后连杆的受力分析与计算635.2.7底座的受力分析与计算635.3顶梁的载荷分布655.4底座接触比压676 液压支架强度计算696.1强度条件696.2前梁强度校核706.3顶梁强度校核746.4掩护梁强度校核796.5底座强度校核826.6前连杆强度校核866.7后连杆强度校核896.8放煤尾梁强度校核916.9各结构件连接处的强度计算917 液压支架的现代设计方法和发展趋势947.1液压支架的研究途径947.3液压支架的发展趋势957.4本文存在的问题96结 论98参 考 文 献100翻译部分101英文原文（见参考文献19.P157）101SELF-ADVANCING HYDRAULIC POWERED SUPPORTS101FRAME102CHOCK104SHIELD105中文译文107致 谢1121 绪论我国煤炭储量十分丰富，1979年世界能源会议估计我国煤炭资源为15000亿吨，其中煤层厚度大于3.5米的厚煤层占40%左右。从采煤工艺看，我国1972年开始装备综合机械化采煤，至1990年已经达到29.8%。当时对厚度在3.55米的煤层多采用一次采全高工艺，特别是大采高支架，平均单产可超过3万吨，最高超过6万吨，最高月产142211吨。然而，对于厚度大于5米的特厚煤层的开采，存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题，尽管分层开采技术较为成熟，但其成本高、工序多，影响效率。1.1液压支架发展历史历史地来看，大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用,木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支设和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦和液压支柱所代替，并以支柱加铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。1954年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架。五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好 。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT型掩护式支架的基础上作了许多改进：1.利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。2.利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。3.将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。4.1964年，英国国家煤炭局实施液压支架试验规范；1965年，F.Dobson等人研制的刚性底座都促进了液压支架的进一步发展。60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。1.2我国液压支架的发展我国研制液压支架起步也不算晚。1959年10月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。1961年设计了“本溪-型”支架，并制造出样机进行井下试验。1965年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1967年，太原煤炭研究所首次研究出四组迈步式支架，经修改后于1972年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下试验。1970年又为大同矿务局设计了TZ-140型支架，在此基础上研制出TZ-支架，开发了TZ-IB、TZ-、TZ-、TZ-和TZ-型等液压支架。1973年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。此外，有关院校、研究所和制造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如ZY-3、WKM-400、BZZB、KD-280和FX-440等。这些液压支架由于受到多种因素的限制，虽然使用效果不佳，几乎全被淘汰，但为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974年和1979年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了48套和100套综采设备。国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。到1983年末，全国在籍的各类支架共31990架。其中，国产支架64套，其性能质量和使用效果都是早期支架所不能比拟的。从70年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出30余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。其中，20多种支架已通过鉴定，五种支架获奖。总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.3放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架放顶煤综采近年来在我国得到迅速的发展。放顶煤综采技术的推广使用，扩大了综合机械化开采的使用范围，简化了矿井的采掘系统和生产组织，大幅度地提高了综采工作面的劳动生产率和产量，降低了煤炭的生产成本，在煤矿生产上取得了显著的技术和经济效益。 1.3.1放顶煤采煤方法的发展放顶煤采煤方法，就是在开采煤层的底部，或在特厚煤层中部位置，布置采煤工作面，利用工作面矿山压力的作用或辅以爆破等方法，将顶煤破碎并促使其垮落，而后将垮落的顶煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放顶煤采煤方法在很早以前就用于开采厚煤层。如我国以前使用过的高落式采煤法就属于这种采煤方法。在当时，放顶煤开采是不正规的，完全手工式的，而且煤炭损失特别大，长期以来受到严格限制。还有仓储式采煤法、仓房式采煤法也都属于早期的放顶煤开采方法。随着煤炭开采技术的发展，特别是煤矿支护设备的发展，放顶煤采煤法已经发展成为一种正规的采煤方法。放顶煤开采方法的应用条件，也由开采残留煤柱、极不稳定的特厚煤层，发展到稳定的各种倾斜煤层的常规工作面，特别是赋存稳定的长臂工作面的开采。放顶煤开采方法按工作面的巷道布置方式可分为：缓倾斜、倾斜特厚煤层预采顶分层煤（铺网或不铺网）放顶煤开采法；缓倾斜、倾斜特厚煤层预采中间层放顶煤采煤方法；缓倾斜、倾斜特厚煤层一次采全厚放顶煤采煤法；急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤采煤法。按放顶煤工作面的回采工艺方式可分为：炮采放顶煤开采；普通机械化放顶煤开采；综合机械化放顶煤开采。放顶煤工作面的机械化程度与普通的采煤工作面一样，也经过了缓慢的发展过程。其主要体现在落煤、支护、放顶煤和运煤等方式四个方面。落煤方式由手镐、风镐、炮采发展为机采（采煤机或刨煤机）；支护方式由木支护、金属摩擦支柱、单体液压支柱、滑移顶梁支架发展为放顶煤液压支架；放煤方