关于支撑掩护式低位放顶煤液压支架设计.doc

目录1 绪 论11.1 液压支架发展历史11.2 放顶煤液压支架及放顶煤开采工艺21.2.1 放顶煤采煤法21.2.2 放顶煤工艺51.2.3 放顶煤工艺的分类及其特点51.3 液压支架的工作原理及分类61.3.1 液压支架的工作原理及分类61.3.2 低位放顶煤综采的显著特征71.4 低位放顶煤液压支架组成81.4.1 承载结构件91.4.2 执行元件91.4.3 控制元件101.4.4 辅助装置111.5 液压支架型号表示方法111.5.1 液压支架产品型号说明111.5.2 支架型号举例122 支架设计12本次液压支架设计的基本参数12低位放顶煤支架设计要求132.1 支架选型、基本参数设计132.1.1 支架选型设计132.1.2 液压支架基本参数的设计142.1.3 支架四连杆机构的设计162.2 支架承载结构件的设计302.2.1 支架承载结构件的设计要求302.2.2 顶梁设计332.2.3 底座的设计362.2.4 掩护梁设计（图 详见设计图纸）372.2.5 前、后连杆设计372.2.6 尾梁设计382.2.7 插板设计382.2.8 推移机构设计382.2.9 辅助装置防护装置及放顶煤装置设计392.3 支架的执行元件设计402.3.1 支架承载结构件确定后校和确定的主要技术参数402.3.2 支架的执行元件概述412.3.3 支架执行元件型号一览表422.3.4 立柱结构设计和强度计算452.3.5 立柱强度验算482.4 液压系统、喷雾降尘系统及其电液控制元件选型设计532.4.1 液压系统532.4.2 液压原理532.4.3 降尘系统552.4.4 控制系统562.4.5 电液控制系统573 支架受力分析623.1 支架工作状态623.2 计算载荷的确定633.3 支架受力分析与计算643.3.1 主顶梁的受力分析与计算643.3.2 座的受力分析与计算663.4 顶梁的载荷分布673.5 底座接触比压694 支架强度计算704.1 强度条件704.2 顶梁强度校核714.3 底座强度校核755 结 论796 致 谢817 参 考 文 献82前 言我国幅员辽阔，人口众多，能源消耗总量大。同时我国又是一个以煤炭为主要能源的国家，煤炭在能源生产和消费中的比例一直在70%以上，而且这种格局短期内不会根本改变；据有关专家预测，到2050年，煤炭在能源中的比例仍占50%以上。而我国主要产煤地区主要集中在中东部地区，且这些地区煤田开发和开采主要有两个问题，一是煤层开深度越来越深，该区大部分矿井开采深度在500-1000m，有的矿井开采深度已经超过1000m。二是所谓"三高"，即高水压、高地温、高地压问题日趋严重。 而与此同时我国为了保护了人民的生命财产安全、提高煤炭资源利用率进一步保护生态环境正在努力推动能源改革，对于煤炭重大举措就是资源整合，建立更加安全、集约、高效大型煤炭集团。所有这些都为机械化、自动化采煤工艺注入了活力，但要实现这些就需要大量高科技采煤设备，比如所谓的机械化采煤工作面的“三机”1 液压支架 2 采煤机 3 刮板机。而在这些设备之中成本最高的就是液压支架。又加上我所学的专业，以及学校的优势专业和参加工作单位的性质，使我决定选择支撑掩护式放顶煤液压支架设计作为本次毕业设计课题。本次设计是关于支撑掩护式低位放顶煤液压支架设计，在本次设计中将大学四年所学习的材料力学，理论力学，机械加工工艺学，画法几何及机械制图等知识进行了一次综合的运用，使我对支架设计做了一次全面系统的了解。本设计做的主要工作：1、基本参数的确定；2、四连杆机构的选择与设计；3、部分支架结构件的；4、液压系统的选择与设计；5、自动化电液控制的选择与设计；等等。 在毕业设计过程中河南理工大学张海教授和我们的企业河南金马重型机械有限责任公司的同仁给予了我很大的帮助，为我能够圆满的完成设计任务奠定了良好的基础。由于理论水平，实践经验所限，本设计难免有错误和考虑不足之处，敬请各位导师以及阅读者提出宝贵的意见和建议。1 绪 论1.1 液压支架发展历史从历史来看，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，其支设和回收也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。在此基础上，英国“道梯”公司在1954年，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；1958年法国试验成功了节式支架。1961年前苏联研制出了OMKT型掩护式液压支架，该支架能有效防止开采过程中矸石渗入工作面；60年代末和70年代初，为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，欧洲国家在OMKT型掩护式支架的基础上作了许多改进，相继出现了长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架；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；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，并于1981年研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；80年代至今，为提高生产率和降低生产成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高，如美国、澳大利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测，实现了无人自动化采煤工作面。而我国液压支架是从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，尤其在长壁放顶煤液压支架方面有加大优势，甚至还出口到澳大利亚等西方国家；但我们也要清醒的认识到，我们在液压支架电液控制、自动化控制，以及支架某些关键工程材料、支架CAD/CAE比较落后，还有许多路要走。1.2 放顶煤液压支架及放顶煤开采工艺1.2.1 放顶煤采煤法放顶煤采煤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，先有采煤机先割掉支架前底部煤炭，并有前部刮板机运出，然后在利用三机配套协调关系自动移动综采设备，将采煤工作面向前推移，与此同时工作面利用自身的矿山压力或辅以爆破等方法，将支架顶后部煤炭破碎并促使其垮落，而后将这些垮落的顶煤由工作面支架后方的刮板机运出工作面。我国综采放顶煤开采开始于1982年，是由郑煤机、北京煤炭科学研究总院开采所、沈阳煤研所共同研制的FY40014/28中位放顶煤支架在沈阳局蒲河矿安装试验；30多年来可分为四个阶段：1 试验探索阶段（1984-1990），以阳泉一矿8603工作面为模板2 推广应用阶段（1990-1995）以潞安王庄煤矿为模板3提高完善阶段（1996-2003）兖州集团东滩和兴隆庄煤矿为模板，3 自动化控制阶段（2004-至今）兖州集团兴隆庄煤矿为模板，放顶煤开采工艺、回采率、煤尘、瓦斯、防灭火、大倾角、三软、自动化等方面得到了迅速的发展，成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。 以下三图为放顶煤开采工作面的三机配套图、低位放顶煤综采示意图，三图包括了综采工作面的基本情况、及其主要设备和这些设备基本位置关系。三机配套图放顶煤工作面布置补充图1-采煤机 2前刮板机 3 低位放顶煤支架 4后刮板机低位放顶煤综采示意图1.2.2 放顶煤工艺综采三机相互协调，将割煤、移架、推前溜、拉后溜、放顶煤顺序按照实际情况合理安排，并将煤炭运出工作面的过程。1.2.3 放顶煤工艺的分类及其特点 1)即时支护方式：割煤移架推溜，顶板暴露时间短。2)滞后支护方式：割煤推溜移架，顶板暴露时间长。3)复合支护方式：割煤支架伸缩梁伸出推溜伸缩梁缩回移架，支护滞后时间短，增加反复支撑次数。以下为全国煤业集团的常用放顶煤工序：割煤移架推前溜拉后溜割煤移架推前溜放顶煤拉后溜。进刀方式示意图说明：A 采煤机下行，在机尾斜切进入煤壁，推机尾溜子；B 采煤机上行割三角煤；C 采煤机下行割煤，推溜；D 采煤机上行，在机头斜切进入煤壁，推机尾溜子；E 采煤机下行，割三角煤；F 采煤机上行割煤，推溜子。实践证明，在特厚煤层开采中，采用放顶煤开采较分层开采等具有明显的优越性，主要有：（1）煤层掘进量小，掘进费用低、缓和了采掘关系；（2）减少了搬家倒面次数，节省了综采面设备搬迁、安装的工作量及费用；（3）较分层开采减少了铺网工序、材料、工资及巷道维护费用等；（4）对急斜厚煤层，较普通法开采的工作面产量提高13倍；（5）提高了煤炭的块炭率，增加煤炭的售价；（6）减少了设备的运行费，特别是采煤机，相对减少了吨媒设备折旧费或租赁费；（7）有利于矿井的集中控制，实现减面、减人、提高工效的目的；（8)提高劳动生产率，降低成本，比一般回采工效提高25倍，经济效益十分显著，吨煤成本一般降低820元/吨。基于上述原因，放顶煤开采也有急待解决的主要问题是：（1）煤尘大，比分层开采高出13倍，甚至更高；（2）回采率偏低，一般在80左右，造成一定的煤炭损失；（3）自然发火的问题尚未得到很好的解决；（4）对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大，有局部积聚的危险。1.3 液压支架的工作原理及分类1.3.1 液压支架的工作原理及分类液压支架的工作原理：液压支架以高压液体为动力通过各种动力油缸的伸缩，是支架完成升起、降落、行走、和推移运输机等各种动作，以便支架工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。液压支架分类：按照支架和固岩相互作用以及维护回采空间的方式，液压支架一般分为支撑式、掩护式、和支撑掩护式三类. 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）经过实践研究证明低位放顶煤液压支架综合效果最好，下面重点介绍低位放顶煤液压支架的特点及适应性。1.3.2 低位放顶煤综采的显著特征支架的后输送机直接置于底板上，放煤口位置低、尺寸大，放煤口为插板式，无脊背煤炭损失，放煤效果好，煤尘小。同时支架尾梁还可以摆动，（摆动幅度在45°左右）用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。并且尾梁中间还有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，以提高顶煤的回采率。低位放顶煤支架的主要特点：(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)低位放煤煤尘小；1.4 低位放顶煤液压支架组成 低位放顶煤液压支架有四大部分组成：a、承载结构件b、执行元件c、控制元件d、辅助装置。液压支架承载结构件图1.4.1 承载结构件 顶梁：直接与顶板接触，传递支撑力并起护顶作用。 底座：直接与地板接触，传递支撑力并用于支托立柱和其他部件。 掩护梁：连接顶梁与底座（或连杆），承受支架水平力和垮落顶板岩石压力，防止采空区冒落矸石进入支架的构件。是掩护式和支撑掩护式的特征构件。 前、后连杆：掩护式和支撑掩护式的特征构件，与掩护梁、底座铰接形成四连杆机构，即可承受顶板水平力，使立柱无需复位装置，又可在支架升降时顶梁前端沿双纽线移动，使梁端距变化较小，提高支架控制顶板的可靠性。1.4.2 执行元件 立柱：液压支架承载与实现升降动作的主要液压元件。缸径系列：140、160、180、200、230、250、280、320、360、380、400、420. 千斤顶：前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶、伸缩千斤顶、防倒防滑千斤顶、抬底千斤顶、底调千斤顶。缸径系列：63、80、100、125、140、160、180、200等。1.4.3 控制元件 控制元件有两大类：压力控制阀、方向控制阀、其它液压元件。 压力控制阀：安全阀方向控制阀：液控单向阀、操纵阀、电液控制阀、先导控制阀 1、安全阀：限制液体压力的液压元件。超过调定压力开启 低于恢复压力关闭 2、液控单向阀：闭锁并控制释放立柱或千斤顶工作腔液体，使其获得额定工作阻力的液压元件。 3、操纵阀：液压系统中使液压缸换向，实现各种动作。 4、其它液压元件截至阀： 平面截至阀、球形截至阀。（高压液体通断） 交替单向阀：流量方向控制阀（用于联动）过滤器、高压胶管、三通、直通、U形卡、密封装置、喷雾装置、液压元件固定装置等1.4.4 辅助装置 推移装置：用于推移支架和刮板输送机的装置。 侧护装置：布置在顶梁、掩护梁或连杆侧面，起挡矸和防倒、调架等作用的装置 梁端支护装置：割煤后梁端距扩大，用于及时支护顶板的装置，如伸缩梁、前梁等。 挡矸装置：防止矸石从采空区涌入工作面的装置。 护帮装置：在支架前方顶住煤壁，防止煤壁片帮或在片帮时起到遮蔽作用的装置。 防倒防滑装置：防止支架倾倒和支架移动时下滑装置的总称。1.5 液压支架型号表示方法1.5.1 液压支架产品型号说明 1、产品类型代号Z 2、第一特征代号，表示产品的支护功能、主要用途。 D垛式 J节式 Z支撑掩护式 Y掩护式 F放顶煤 C充填式 3、第二特征代号，表示产品的结构特征、使用场所等。 H滑移顶梁 X立柱“X”形布置 P铺网1.5.2 支架型号举例2 支架设计本次液压支架设计的基本参数本次设计是根据河南省义煤集团某矿的实际情况进行的初步设计。该矿的井田面积为41平方公里，矿井年产260万吨，井田内煤层赋层较深，其本矿的13160综放工作面煤层平均厚度8m；倾角不大，为12°-13°，最大16°；煤层硬度f=2-3，顶板直接顶为沙质泥岩，老顶为细砂岩；底板直接底为灰色泥岩，老底为浅灰色细砂岩，上下巷为拱形断面，断面面积约27m，切眼长度220m，工作面平均采深 530m。工作面走向长：上巷816m，下巷848m，平均832m；倾向长146m，平均采高3.2m，容重1.32t/m3。年产初步设定为220万吨。低位放顶煤支架设计要求低位放顶煤支架的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶、底板状况，矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况、硬度和开采方法等，支架总体技术参数的确定应满足：(1)工作阻力、支护强度的要求；(2)稳定性要好，抗扭能力强；(3)顶梁、掩护梁以至尾梁密封性能好；(4)拉架力大，走得动；(5)能放煤，出煤易控制，(6)液压系统简单合理；(7)喷雾降尘装置可靠实用。这样在设计支架各个部件时，不仅要满足强度要求，还要总体性能好。低位放顶煤支架的主要结构有前梁（伸缩式和挑梁式）、顶梁、掩护梁、尾梁、前连杆、后连杆、底座推移装置、立柱及各种千斤顶、液压控制系统等组成。2.1 支架选型、基本参数设计2.1.1 支架选型设计2.1.1.1 液压支架架型的选择和支护强度的原则液压支架架型的选择主要取决于顶板条件和地质条件，以及本矿实际情况等因素。如1 煤层厚度 2 煤层倾角 3 底板强度 4 瓦斯含量 5 地质构造 6 设备成本 其最主要的因素也就是老顶 直接顶 直接底 煤层硬度等；其公式 数据表 可参与 煤炭部81年颁布的煤科字429号文件有关规定，确定其架型和工作阻力。2.1.1.2 采煤工作面对液压支架的设计要求为了满足长壁工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求：1.能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2.保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3.应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4.能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。5.最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。结论：根据其本矿地质条件、生产能力以及结合集团公司有关精细化管理指导方针最终确定其该矿使用的中间架为四柱支撑掩护式低位放顶煤支架，工作阻力为8600KN，其具体型号为ZF8600/18/35放顶煤液压支架。2.1.2 液压支架基本参数的设计1.顶板条件根据老顶和直接顶的分类。2.煤层厚度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-瓦斯涌出量大，按保安规程规定，验算通风断面。4.底板岩性及小时涌水量根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。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-急斜特厚煤层，决定是否选用防倒防滑装置。7.井筒罐笼尺寸根据井筒罐笼尺寸，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。2.1.2.1 支架的高度和支架的伸缩比的设计一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。（200300） （2.1）（300400） （2.2）式中：支架最大高度（mm）； 支架最小高度（mm）； 最大采高（mm）； 最小采高（mm）。本设计最大采高3260mm,取支架最大高度32602403500mm则支架的最小高度2000-2001800mm调高范围为1700mm支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即：m= (2.3) 代入有关数据，得m=1.952.1.2.2 支架间距和宽度的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。支架间距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中部溜槽相连，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，但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。所以支架间距一般为1.5m。本次设计取支架的中心距为1.5m。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。其中宽面顶梁一般为1400mm1600mm，节式支架一般为400mm600mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1430mm,最大宽度为1600mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取170mm。2.1.3 支架四连杆机构的设计2.1.3.1 四连杆机构的作用具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践考验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了支撑式液压支架稳定性和力学持性的缺陷，成为液压支架技术发展史上的一个重要里程碑。四连杆机构的作用提高支架的纵向和横向稳定性；承受和传递外载；保持支架的整体刚度。因此，对液压支架的研究常常离不开对四连杆机构的研究和认识。下面通过对液压支架的运动过程近一步分析四连杆机构的特性和作用。支架升降时顶梁的每一点的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁饺点（E点）的轨迹所决定的，根据机构运动学分析，E点的运动轨迹一般为一条双纽线，如图333所示。合理设计 四连杆参数，即可控制E点的运动轨迹，改善支架支护性能，减少连杆受力。图333 支架的四连杆机；支架在最大高度和最小高度范围内运动时，正点的运动轨迹呈3种形式：双向摆动(ABCD段)、单向向后摆动(BC段)和单向向前摆动(AB段和CD段),选择不同的连杆参数，可以使E点轨迹处于上述3种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当正点轨迹处于AB段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当E点轨迹处于BC段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。从顶板管理方面分析，顶梁向煤壁方向移动比顶梁向来空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数使支架工作段内，E点轨迹处于AB段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到达一要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使E点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同；为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度（3080mm）。同时液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。因此各国在认识到四连杆机构作用后，从机构运动学、力学、计算机CAD/CAE、计算机编程等方面着手，加大了相关研究。前苏联开发出了四连杆优化开发软件（OPT），美国基于强大的MATLAB软件开发优化支架四连杆机构；而我国通过引进吸收这些软件优点，开发出了简单实用的迈实液压支架分析系统软件。但要会用这个软件，还要了解这里面的相关参数含义和有关要求。1.支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2.1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于80mm，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和后连杆与底平面的夹角，如图2.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，52°62°，75°85°；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，如果钢和矸石的摩擦系数=0.3，则=16.7°。为了安全可靠，最低工作位置应使25°为宜。而角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取25°30°，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.从图2.1中可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平线夹角为。设计时，要使角满足的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。4.应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，如图2.1所示的段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板阻止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。从以上分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使值减小，取双扭线向前凸的一段为支架工作段。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，运用作图法就可以了，如图2.2。图2.1 四连杆机构几何特征图图2.2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构2.1.3.2 四连杆机构的设计四连杆机构的设计的主要方法有：直接求解法、解析法、几何作图法等。本设计鉴于各种方法的优缺点，采用了计算机求解的方式来求解。在计算之前，先确定几个值。根据以往的设计经验，取顶梁与掩护梁的绞点至上顶板的距离为400mm , 要求双纽线的偏摆量为30mm ,后连杆下绞点至底座的距离为900mm 。采用电算法。1.目标函数的确定为了减少附加力，必须使得有较小值。同时，为有效的控制顶板，要求支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。2.四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征，如图2.3所示。（1）支架在最高位置时，即：0.91-1.08弧度；即1.31-1.48弧度；支架在最低位置时，保证。（2）后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I =0.450.61;支撑掩护式为I = 0.610.82。（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为0.220.3。（4）点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度mm以下。（5）支架在最高位置时的应小于0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。3.四连杆机构各部尺寸的计算四连杆机构各部参数如图2.3所示，图中的为支架在最高位置时的计算高度。令：=; =; =; =; =; =; =; =; =; ;=图2.3 四连杆机构参数图(1)后连杆与掩护梁长度的确定如图2.3所示 ，当支架在最高位置时的H值确定后，掩护梁长度G为： （2.5）后连杆长度为： （2.6）前后连杆上绞点之距为： （2.7）前连杆上绞点至掩护梁上绞点之距为： （2.8）从式（2.5）至式（2.8），可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对变量规定相应的步长如下：的步长为0.34弧度；的步长为0.34弧度；的步长为0.02；的步长，支撑掩护式为0.042。若上述四个变量各向前迈出五步，经排列组合变得到625组数据。（2）后连杆下绞点至坐标原点之距为，如图2.4所示图2.4 四连杆机构几何关系（3）前连杆长度及角度的确定 当支架高度变化时，掩护梁上绞点的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽线最大宽度和角尽量小，可把点的轨迹视为理想直线，当然实际上并非如此。但是，我们可以做到支架高度变化时，有三点在一条直线上，如图2.4所示，即：支架在最高和最低以及中间某一位置的三点。当支架的最高和最低位置确定后，在直线上的最高和最低点就确定了。根据设计经验，当点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连杆与掩护梁的夹角由大于90到小于90变化，在夹角变化过程中，一定有一位置使后连杆与掩护梁呈垂直状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位置的点。1）点坐标当支架在最高位置时的计算高度为，此时点的坐标为： （2.9） （2.10）2）点坐标支架在最低位置时的计算高度为，此时的坐标为： （2.11） （2.12）根据四连杆机构的几何特征要求，支架降到最低位置时，为计算方便，即0.436弧度。根据几何关系为： （2.13）3）点坐标当支架的掩护梁与后连杆成垂直位置时，根据几何关系，点坐标为： （2.14） （2.15）式中P由下式进行计算： （2.16） （2.17）4）c点坐标根据图2.4所示，支架在三个位置时四连杆机构几何关系确定后，c点就是以、这三点为圆的圆心。所以，为前连杆的长度。因此，可以用圆的方程求得前连杆长度。即： （2.18）上式中、为c点坐标，可以按下列方程联立求得: （2.19） （2.20）由式（2.19）和式（2.20）得： （2.21） （2.22）令: （2.23）N （2.24）T （2.25）把式（2.23）到式（2.25）带入式(2.22)式得： （2.26） （2.27）c点坐标求出后，前连杆的长度和角度就可以确定了。（4）前连杆下绞点的高度D和四连杆机构的底座长度E。当前连杆c点坐标确定后，D和E的长度为： （2.28） （2.29）4.四连杆机构的优选按上述方法可求出很多组四连杆机构，并非所有的值都可以用，故要优选。优选的方法是给定约束条件，对所计算出的各组值进行筛选，最终选出一组最优的值来。其约束条件是根据四连杆机构的几何体特征要求，以及支架的结构关系，通过对国内外现有支架的调查统计，得出的约束条件如下：（1）前后连杆的比值范围根据现有资料的调查统计，前后连杆的比值0.91.2范围。（2）前连杆的高度不宜过大，一般应使。（3）E的长度，一般应使E.（4）对掩护式支架应使的值U ；对支撑掩护式支架的值按下面的方法进行计算。如图2.5所示，为支架在最高位置时的几何关系。（1）a点坐标= （2.30） （2.31）（2）点坐标为（3）直线的斜率： （2.32）（4）直线的斜率： （2.33）由于c 、b、o在同一条直线上，因此，和 直线的斜率相同，所以直线的斜率为： （2.34）同理直线的斜率为 （2.35）联立（2.34）、（2.35）得： （2.36） （2.37）图2.5 顺心位置图令： （2.38） （2.39）则： （2.40）5.近似双纽线轨迹的绘制为了能计算和看出优选的一组值的e值，以及双纽线的凸弧段长度，要求打印出顶梁前端的坐标值画出双纽线轨迹来。（1）四连杆机构的方程图2.6 四连杆机构方程图从图2.6可知，在任一个角位置时，d点的x坐标值应满足下列方程 （2.41）B点的y坐标值应满足下列方程 （2.42）由式（2.42）得： （2.43）将式（2.43）代入式（2.41）得： （2.44）将式（2.44）整理得： (2.45)令： ; (2.46) (2.47) (2.48)将式(2.46)式（2.48）代入式（2.45）可得： (2.49)则式（2.49）可变成以Z为变量之方程，得： (2.50)不合题意之根已舍去。当时，式（2.50）才有意义。在图2.6中点任一位置时之坐标x,y可写成： (2.51) (2.52) 其中， 则 式（2.51）和式（2.52）就是液压支架四连杆机构的曲线方程。根据四连杆机构的几何特征要求，支架由高到低，=,即：1.48rad0.436rad。所以在变化范围内可以画出一条近似双纽线的轨迹来。如果在这个变化范围内按间隔0.087rad,可以算出x,y值表，y的变化相当于支架计算高度的变化，则x的变化相当于顶梁前端距煤壁之距变化，所以e值为支架高度变化范围内，相应的，凸弧段的长度为支架的结构高度有高到低时，x值渐增所对应的y值相减，即：凸弧段长度 式中， 支架最大高度所对应的y值； 支架由高到低，x值渐增，增加到极限位置所对应的y值。2.2 支架承载结构件的设计2.2.1 支架承载结构件的设计要求各部件设计要求要满足总体配套的要求，就是应满足采煤机、双输送机和支架配套的空间要求，支架前部能及时支护，后部便于放顶煤；应有喷雾降尘装置，为防止煤的自燃发火应安装必要的辅助装置。同时，为适应急斜特厚煤层分段开采，支架本身采用中四连杆机构 液压支架中，凡四连杆机构和顶梁与底座铰接的顶梁四连杆机构，简称为中四连杆机构。，增加了支架的纵向稳定性，并使梁端距变化较小，放煤增设摆动伸缩式尾梁，以调整工作空间和放煤口大小，改善掩护梁受力状况，应