CN106968697A - 五自由度并联液压支架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种五自由度并联液压支架，包括底座、并联支撑机构、后掩护装置、顶梁和前梁。所述并联支撑机构连接在底座和顶梁之间，为3‑SPS/PPS结构的并联机构；后掩护装置位于并联支撑机构的后端，与顶梁通过铰链相连接，与底座通过2‑SPS结构的并联机构相连接；在顶梁的两侧设有顶侧护板，在顶梁的前端设有前梁，在前梁的头部设有护帮板。本发明能够克服现有液压支架的技术缺陷，可承受包括侧向力在内的空间五个自由度方向的载荷，可避免掩护梁的损坏、下滑和倒架等安全事故的发生，提高液压支架的支撑稳定性和对围岩的适应性，还具有质量稳定可靠、操作维护便捷等优点。
Description
技术领域
本发明涉及矿山机械技术领域，特别涉及一种五自由度并联液压支架。
技术背景
液压支架是矿下综采工作面支护设备，所需的投资比重占综采工作面成套设备的70％左右，它的主要托住综采工作面的矿面来压，维护安全稳定的作业空间，推移工作面采运设备，它的设计是否合理将直接决定着煤矿能否安全开采与经济效益的提高。
综采作业时，液压支架分散布置在整个采煤工作面上，实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，它与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。综采作业时，液压支架还是厚煤层综放开采技术成败的关键因素。目前广泛使用的液压支架都是在上世纪60年代前苏联人设计的四连杆液压支架基础上发展起来的。但是，由于煤层倾角和地质构造的原因，顶板对液压支架必然存在一定侧向推力，特别是在大倾角综采工作面上，侧向推力十分复杂。目前我国矿用液压支架还是以四连杆液压支架为主，而四连杆液压支架的核心机构是两个平行的平面四连杆机构，该机构的自由度为-1，属于超静定机构，导致液压支架不能承受平行于工作面的侧向力，所以传统液压支架的支撑稳定性较差，不仅存在极大地安全隐患，而且限制了液压支架的支撑高度，阻碍了大煤量的开采。我国的煤层地质构造十分复杂，在煤矿开采作业中，由于煤层倾角的变化及顶板与围岩接触处的不平整性，顶板会受到来自矿面的较大的侧向附加载荷，从而可能导致掩护梁的损坏、下滑和倒架等安全生产事故，造成重大生命和财产损失。
针对传统四连杆液压支架的机构原理性缺陷，设计一种能更易于控制、更加稳定且对煤层适应性更好的液压支架来取代传统的液压支架已成为各国研究的热点。基于四连杆液压支架稳定性、对顶板的适应性和支架的可控性问题不是结构设计的问题，而是基于四连杆液压支架机构存在原理性缺陷造成的，而并联机构具有稳定性高、响应速度快、可控性更好等特点，因此，将并联机构应用于液压支架的设计中，即设计一种基于并联机构的新型液压支架以解决四连杆型液压支架原理性缺陷带来的一系列问题，前期关于并联液压支架的设计与研究大都是基于6-SPS并联机构的六自由度并联液压支架，而煤矿井下工作面实际使用的液压支架并不需要六个自由度。过度的自由度不仅使得液压支架的结构复杂、加工难度提高，加工精度难以提高，还增加了液压支架的制造成本，且给控制、操作和维护均带来困难和不便。
而采用三转动两移动五自由度的并联机构作为液压支架的主体支撑机构能实现液压支架相对顶底板实现有限的指定让压运动和有效承载，除了主要承受顶板与底板对液压支架施加的垂直压力外还可承受来自其它方向的侧向分力，可有效提高液压支架的支撑性能，提高支护的可靠性、安全性和稳定性，克服现有液压支架的缺点，将产生重大的社会效益和巨大的经济效益。
发明内容
本发明的目的是针对现有液压支架技术的不足，提供一种可承受侧向力的五自由度并联液压支架。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。
一种五自由度并联液压支架，包括底座、并联支撑机构、后掩护装置、顶梁和前梁。其中，所述底座前端为弧形面，便于液压支架移动；在底座的中间位置设有推杆，用于推移液压支架和液压支架配套工作的刮板输送机；在底座的后端设有底座连接板。所述的并联支撑机构为五自由度并联液压支架的主体支撑机构，用于承受围岩作用在底座与顶梁之间的垂直方向的载荷和其它方向的侧向载荷；所述的并联支撑机构为3-SPS/PPS结构的三转动两移动的五自由度并联机构；所述的并联支撑机构连接在底座和顶梁之间，且其下端安装在底座上，其顶端安装在顶梁上。所述的后掩护装置主要用于承受垮落顶板岩石的压力，防止采空区冒落的矸石进入液压支架的下方，以保障液压支架下方人员和设备安全；所述的后掩护装置位于所述并联支撑机构的后端，且其前端与底座通过球铰相连接，其顶部与顶梁通过铰链相连接。在顶梁的两侧设有顶侧护板，在顶梁的前端设有前梁，用于延伸液压支架的工作空间，所述的顶梁通过铰链和前梁千斤顶与前梁相连接；在前梁的头部设有护帮板。所述的护帮板和顶侧护板用于起到挡矸、防倒调架和延伸液压支架左右侧向支护工作范围的作用。
所述的后掩护装置由支撑千斤顶、掩护梁、护底千斤顶、后侧护板和护底板组成，所述的支撑千斤顶的两端分别与底连接板、掩护梁通过球铰相连接；所述的掩护梁的顶端与顶梁通过铰链相连接，且在掩护梁内侧的加强筋板上设有长腰形孔；所述的护底千斤顶的上端与掩护梁通过铰链相连接，其下端设有滑移光轴，且所述滑移光轴的两端置于掩护梁的长腰形孔内，护底板与滑移光轴通过铰链相连接；后侧护板位于掩护梁的两侧。
所述的并联支撑机构由固定底板、活动顶板以及连接在固定底板和活动顶板之间的四条支撑链组成。所述的固定底板与底座固连，且固定底板的上表面设有下球铰柱窝；所述的四条支撑链并联连接在固定底板、活动顶板之间，且所述的四条支撑链中的三条支撑链为SPS结构的串联单开链，中间一条恰约束支撑链为PPS结构的串联单开链；所述的四条支撑链中的三条外围支撑链由下球铰、双作用液压缸和上球铰组成，双作用液压缸的下端与下球铰柱窝通过下球铰相连接，其上端与上球铰柱窝通过上球铰相连接，所述的四条支撑链中的中间恰约束支撑链由移动副、双作用液压缸和球铰组成，该双作用液压缸的下端与固定底板通过移动副相连接，其上端与上球铰柱窝通过上球铰相连接，且所述的双作用液压缸可根据液压支架的支护工作高度的需要选择一级伸缩双作用液压缸或两级伸缩双作用液压缸。
在所述的并联支撑机构中，所述的四条支撑链中的外围三条支撑链的下端的三个球铰的中心点呈等边三角形布置，三条支撑链的上端的三个球铰的中心点也呈等边三角形布置，且两个等边三角形的三条边两两互相平行，所述的四条支撑链中的中间恰约束支撑链的下端的移动副的滑道中心线在上述三个下球铰形成的等边三角形的一条中线上，中间恰约束支撑链的上端的球铰中心在上述三个上球铰形成的等边三角形的几何中心上。
使用时，根据支撑工作面的实际需要调节并联支撑机构的四条支撑链的双作用液压缸的伸缩长度，使顶梁升起，顶住顶部围岩，再调节前梁千斤顶，使其伸展出，延伸液压支架的工作空间，进而调节顶侧护板和护帮板，使其分别展开；然后调节后掩护装置支撑千斤顶的伸缩长度，使后掩护装置向后展开，顶住后部围岩，再将后侧护展开，进而调节护底千斤顶的伸缩长度，使滑移光轴下移，实现护底板的平移，延伸后掩护装置的工作空间，当滑移光轴下移至掩护梁的长腰形孔最底端时，实现后掩护装置的空间最大；最后在此工作状态下，使底座的推杆伸出，实现推溜刮板输送机的功能。
当需要移动液压支架时，调节双作用液压缸、前梁千斤顶、后掩护装置支撑千斤顶、护底千斤顶，使顶梁下降、前梁收回、后掩护装置收回、护底板缩回，再收起顶侧护板、护帮板、后侧护，最后底座的推杆缩回，实现移架功能。
本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明采用三转动两移动五自由度的并联机构3-SPS/PPS作为五自由度并联液压支架的主体支撑机构，能实现液压支架相对顶底板实现有限的指定让压运动和有效承载，不仅可以承受顶板与底板对液压支架施加的垂直压力，还可承受来自其它方向的侧向分力，可有效提高液压支架的支撑性能，提高支护的可靠性、安全性和稳定性，避免掩护梁损坏、倒架和下滑等安全事故的发生，克服现有液压支架的缺点。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的后掩护装置的结构示意图；
图3为本发明的并联支撑机构的结构示意图；
图4为本发明的并联支撑机构的结构示意图；
图5为并联支撑机构的中间约束支撑链的机构原理示意图；
图6为固定底板上的运动副布置示意图；
图7为活动顶板上的运动副布置示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示，一种五自由度并联液压支架，包括底座1、并联支撑机构2、后掩护装置3、顶梁4和前梁5。其中，所述底座1前端为弧形面，便于液压支架移动；在底座1的中间位置设有推杆101，用于推移液压支架和液压支架配套工作的刮板输送机；在底座1的后端设有底座连接板102。所述的并联支撑机构2为五自由度并联液压支架的主体支撑机构，用于承受围岩作用在底座1与顶梁4之间的垂直方向的载荷和其它方向的侧向载荷；所述的并联支撑机构为3-SPS/PPS结构的三转动两移动的五自由度并联机构；所述的并联支撑机构2连接在底座1和顶梁4之间，且其下端安装在底座1上，其顶端安装在顶梁4上。所述的后掩护装置3主要用于承受垮落顶板岩石的压力，防止采空区冒落的矸石进入液压支架的下方，以保障液压支架下方人员和设备安全；所述的后掩护装置3位于所述并联支撑机构2的后端，且其前端与底座1通过球铰相连接，其顶部与顶梁4通过铰链相连接。在顶梁4的两侧设有顶侧护板401，在顶梁4的前端设有前梁5，用于延伸液压支架的工作空间，所述的顶梁4通过铰链和前梁千斤顶501与前梁5相连接；在前梁5的头部设有护帮板502。所述的护帮板502和顶侧护板401用于起到挡矸、防倒调架和延伸液压支架左右侧向支护工作范围的作用。
所述的后掩护装置3由支撑千斤顶301、掩护梁302、护底千斤顶303、后侧护板304和护底板305组成，所述的支撑千斤顶301的两端分别与底座连接板102、掩护梁302通过球铰相连接；所述的掩护梁302的顶端与顶梁4通过铰链相连接，且在掩护梁302内侧的加强筋板上设有长腰形孔3021；所述的护底千斤顶303的上端与掩护梁302通过铰链相连接，其下端设有滑移光轴3031，且所述滑移光轴3031的两端置于掩护梁302的长腰形孔3021内，护底板305与滑移光轴3031通过铰链相连接；后侧护板304位于掩护梁302的两侧。
如图3、图4和图5所示，所述的并联支撑机构2由固定底板201、活动顶板204以及连接在固定底板201和活动顶板204之间的四条支撑链202和203组成。所述的固定底板201与底座1固连，且固定底板201的上表面设有下球铰柱窝；所述的四条支撑链202和203并联连接在固定底板201、活动顶板204之间，且所述的四条支撑链202和203中的外围三条支撑链202为SPS结构的串联单开链，中间一条恰约束支撑链203为PPS结构的串联单开链；所述的四条支撑链202和203中的外围三条支撑链202由下球铰2021、双作用液压缸2022和上球铰2023组成，双作用液压缸2022的下端与下球铰柱窝通过下球铰2021相连接，其上端与上球铰柱窝通过上球铰2023相连接，所述的四条支撑链202和203中的中间恰约束支撑链203由移动副2031、双作用液压缸2032和球铰2033组成，该双作用液压缸2032的下端与固定底板201通过移动副2031相连接，其上端与上球铰柱窝通过上球铰2023相连接，且所述的双作用液压缸2022和2032为一级伸缩双作用液压缸，作为并联机构3-SPS/PPS中的移动副P；且所述的中间恰约束支撑链203中的移动副2031的中心线和移动副2032的中心线相互垂直。
如图6和图7所示，所述的四条支撑链中的外围三条支撑链202的下端的三个球铰S11、S21、S31的中心点呈等边三角形布置，三条支撑链202的上端的三个球铰S13、S23、S33的中心点也呈等边三角形布置，且两个等边三角形的三条边两两互相平行，所述的四条支撑链中的中间恰约束支撑链203的下端的移动副P的滑道中心线在上述三个下球铰S11、S21、S31所形成的等边三角形的一条中线上，中间恰约束支撑链203的上端的球铰S43中心在上述三个上球铰S13、S23、S33所形成的等边三角形的几何中心上。
使用时，根据支撑工作面的实际需要调节并联支撑机构2的四条支撑链202和203的双作用液压缸2022和2032的伸缩长度，使顶梁4升起，顶住顶部围岩，再调节前梁千斤顶501，使其伸展出，延伸液压支架的工作空间，进而调节顶侧护板401和护帮板502，使其分别展开；然后调节后掩护装置支撑千斤顶301的伸缩长度，使后掩护装置3向后展开，顶住后部围岩，再将后侧护304展开，进而调节护底千斤顶303的伸缩长度，使滑移光轴3031下移，实现护底板305的平移，延伸后掩护装置3的工作空间，当滑移光轴3031下移至掩护梁3的长腰形孔3021最底端时，实现后掩护装置3的空间最大；最后在此工作状态下，使底座1的推杆101伸出，实现推溜刮板输送机的功能。
当需要移动液压支架时，调节双作用液压缸2022和2023、前梁千斤顶501、后掩护装置支撑千斤顶301、护底千斤顶303，使顶梁4下降、前梁5收回、后掩护装置3收回、护底板305缩回，再收起顶侧护板401、护帮板502、后侧护304，最后底座1的推杆101缩回，实现移架功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种五自由度并联液压支架，包括底座、并联支撑机构、后掩护装置、顶梁和前梁，其特征在于：所述底座前端为弧形面，且在底座的中间位置设有推杆，在底座的后端设有底座连接板；所述的并联支撑机构下端安装在底座上，顶端与顶梁固连；所述的后掩护装置位于并联支撑机构的后端，后掩护装置的前端与底座通过球铰相连接，后掩护装置的顶部与顶梁通过铰链相连接；在顶梁的两侧设有顶侧护板，在顶梁的前部设有前梁，顶梁通过前梁千斤顶和铰链与前梁相连接；在前梁的前部设有护帮板。
所述的后掩护装置由支撑千斤顶、掩护梁、护底千斤顶、后侧护板和护底板组成，所述的支撑千斤顶的两端分别与底连接板、掩护梁通过球铰相连接；所述的掩护梁的顶端与顶梁通过铰链相连接，且在掩护梁内侧的加强筋板上设有长腰形孔；所述的护底千斤顶的上端与掩护梁通过铰链相连接，其下端设有滑移光轴，且所述滑移光轴的两端置于掩护梁的长腰形孔内，护底板与滑移光轴通过铰链相连接；后侧护板位于掩护梁的两侧。
2.根据权利要求1所述的五自由度并联液压支架，其特征在于：所述的并联支撑机构由固定底板、活动顶板以及连接在固定底板和活动顶板之间的四条支撑链组成，所述的固定底板与底座固连，且固定底板的上表面设有下球铰柱窝和移动副滑道，所述活动顶板与顶梁固连，且活动顶板下表面设有上球铰柱窝；所述的四条支撑链中的三条外围支撑链由下球铰、双作用液压缸和上球铰组成，双作用液压缸的下端与下球铰柱窝通过下球铰相连接，其上端与上球铰柱窝通过上球铰相连接，所述的四条支撑链中的中间恰约束支撑链由移动副、双作用液压缸和球铰组成，该双作用液压缸的下端与固定底板通过移动副相连接，其上端与上球铰柱窝通过上球铰相连接。
3.根据权利要求2所述的五自由度并联液压支架，其特征在于：所述的四条支撑链中的外围三条支撑链的下端的三个球铰的中心点呈等边三角形布置，三条支撑链的上端的三个球铰的中心点也呈等边三角形布置，且两个等边三角形的三条边两两互相平行，所述的四条支撑链中的中间恰约束支撑链的下端的移动副的滑道中心线在上述三个下球铰形成的等边三角形的一条中线上，中间恰约束支撑链上端的球铰中心在上述三个上球铰形成的等边三角形的几何中心上。
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2017
- 2017-06-05 CN CN201710413718.7A patent/CN106968697B/zh active Active
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