CN107143362B - 四自由度并联液压支架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度并联液压支架，包括底座、前并联支撑机构、后并联支撑机构、后掩护装置、顶梁和折叠梁。所述前并联支撑机构、后并联支撑机构并联连接在底座与顶梁之间，其结构完全相同，均为3‑SPS/PS结构的并联机构；后掩护装置位于后并联支撑机构的后端，与底座、顶梁相连接，其下端设有位置和角度可调整的底护板；在顶梁的两侧设有顶侧护板，在顶梁的前部设有折叠梁，在折叠梁头部设有护帮板。本发明能克服现有液压支架的技术缺陷，可承受来自多方向的载荷，可避免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

四自由度并联液压支架

技术领域

本发明涉及矿山机械技术领域，特别涉及一种多方向力的四自由度并联液压支架。

背景技术

煤炭综采装备由液压支架、采煤机和运输机构成，液压支架作为综合机械化采煤工作主要设备，一次性投资占综采装备总资金的70％以上，是综采工作面实现安全、高效生产的关键。液压支架的顶、底板必须适应井下工作面煤层环境，为操作人员提供安全的作业空间，还要为采、运设备提供有效的动力源，决定采运设备的正常推进速度。因此，液压支架是综采工作面能否实现高产高效成败的关键设备。

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。但由于煤层倾角及地质构造的原因，顶板对液压支架的压力必然存在侧向分力。而现有的四连杆型支架没有承受侧向力的能力，侧向力则通过掩护梁传递给连杆机构，这便是造成倒架和支架机构损坏的根本原因，因而现有的连杆型液压支架存在原理性缺陷。因为平面四连杆机构只具有1个自由度，2个平行的平面四连杆机构的自由度为-1，属于超静定机构，导致液压支架稳定性差，支撑高度也收到限制。而我国煤矿地质结构复杂，在实际应用中由于顶板的不平整性和煤层倾角的变化，会产生较大的附加载荷，导致掩护梁损坏、倒架和下滑等重大安全事故。

自四连杆型液压支架发明以来的50多年来，世界各产煤国家都在使用过程中对基于四连杆型液压支架进行了大量的研究和改进工作。但是对基于四连杆液压支架的支撑稳定性、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。而并联机构具有结构刚度大、承载能力强、惯性小、定位和运动精度高等特点，并联机构成为矿用液压支架最适宜的支撑机构，其高稳定性和对顶板运动最完备的适应性，以及自身结构中最佳的力学性能决定了并联液压支架支撑高度大，高稳定性，重量轻，推移快的优越性。鉴于现行基于四连杆液压支架存在的原理性缺陷，太原理工大学的寇子明教授及其硕士研究生卫进等提出将并联机构应用于液压支架中，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。

而采用四自由度的并联机构作为液压支架的主题支撑机构能实现液压支架相对顶底板实现有效承载，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，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，提供一种可承受多方向力的四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。

一种四自由度并联液压支架，包括底座、前并联支撑机构、后并联支撑机构、后掩护装置、顶梁和前活动梁。其中，所述底座前端面为弧形面，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与液压支架配套工作的刮板输送机；在底座的后端设有底连接板。所述的前并联支撑机构与后并联支撑机构为四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；所述的前并联支撑机构与后并联支撑机构的结构完全相同，均为3-SPS/PS结构的四自由度并联机构；所述的前并联支撑机构与后并联支撑机构并联连接在底座与顶梁之间，且其下端对称安装在底座上，前并联支撑机构、后并联支撑机构的顶端均与顶梁固连。所述的后掩护装置主要用于承受液压支架水平力和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工作安全；所述的后掩护装置同时还可以承受来自顶板及顶梁的水平作用力，起到提高液压支架控制顶板的稳定性；所述的后掩护装置位于所述的后并联支撑机构的后端，且其前段与底座通过铰链相连接，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，在顶梁的前部设有折叠梁，用于延伸液压支架的工作空间，所述的顶梁通过折叠梁千斤顶与折叠梁相连接；在折叠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。

所述的后掩护装置有连接耳板、前角度调节千斤顶、掩护梁、后角度调节千斤顶、护底千斤顶、后侧护板和护底板组成，所述的连接耳板的下端与底连接板通过铰链相连接，其上端设有滑移销轴且与掩护梁通过可滑移铰链相连接；所述的前角度调节千斤顶的两端分别与底连接板、护底板通过铰链相连接；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生设有上长腰型孔和下长腰形孔；所述的后角度调节千斤顶的上端与掩护梁通过铰链相连接，后角度调节千斤顶的下端空套在连接耳板的滑移销轴上；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下长腰形孔内，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。

所述的前并联支撑机构和后并联支撑机构均由固定底板、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连组成。所述的固定底板与底座固定；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均为SPS/PS结构的串联单开链；所属的活动顶板与顶梁固连。所述的SPS支撑链由下球副连接座、上球副连接座、SPS支链液压缸组成；所述的PS支撑链由固定接座、PS支链液压缸、PS支链球副连接座组成。所述的下球副连接座和固定接座安装在固定地板上，SPS支链液压缸的下端与下球副连接座通过球副相连接，其上端与上球副连接座通过球副相连接。且所述的液压缸可根据液压支架的支护工作需要进行高度的调节。

在所述的前并联支撑机构或后并联支撑机构中，所述四条支链的三个上球副连接座分别布置在等边三角形三个顶点和重心处，四条支撑链三个下球副连接座和一个固定接座也分别布置在等边三角形三个顶点和重心处，且同一条支撑链上上球副连接座轴线平行于下球副连接座轴线。

使用时，根据支撑工作面的实际需要调节前并联支撑机构和后并联支撑机构的四条支撑链液压缸的伸缩长度，使顶梁升起，顶住顶部围岩，再调节折叠梁千斤顶，使折叠梁伸出，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；然后调节后角度调节千斤顶的伸缩长度，滑移销轴下移，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下长腰形孔最底端时，在前角度调节千斤顶伸缩作用下，实现护底板绕滑移光轴轴线的摆动；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、折叠梁千斤顶、后角度调节千斤顶、前角度调节千斤顶的伸缩长度，使顶梁下降、折叠梁缩回、后掩护装置收回、后护板缩回，再收起顶侧护板、护帮板、后侧护板，最后底座的推杆缩回，实习移架功能。

本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明采用两组四自由度的并联机构3-SPS/PS作为四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，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为本发明的折叠梁装置的结构示意图；

图4为本发明的前并联支撑机构的机构示意图；

图5为前并联支撑机构的支撑链的机构原理示意图；

图6为支撑链与固定底板和活动顶板相接触连接座的布置示意图。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施和图示，进一步阐述本发明。

如图1、图2和图3所示，一种四自由度并联液压支架，包括底座1、前并联支撑机构2、后并联支撑机构3、后掩护装置4、顶梁5和前折叠梁6。其中，所述底座1前端面为弧形面，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与液压支架配套工作的刮板输送机；在底座1的后端设有底板连接板102。所述的前并联支撑机构2与后并联支撑机构3为四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5之间的垂直方向的载荷和其它方向的侧向载荷；所述的前并联支撑机构2与后并联支撑机构3结构完全相同，均为3-SPS/PS结构的四自由度并联机构；所述的前并联支撑机构2与后并联支撑机构3并联连接在底座1与顶梁5之间，且其下端对称安装在底座1上，前并联支撑机构2、后并联支撑机构3的顶端均与顶梁5固连。所述的后掩护装置4主要用于承受液压支架水平力和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工作安全；所述的后掩护装置4同时还可以承受来自顶梁5的水平作用力，起到提高液压支架控制顶板的稳定性；所述的后掩护装置4位于所述的后并联支撑机构3的后端，且其前端与底座1通过铰链相连接，其顶部与顶梁5通过铰链相连接。在顶梁5的两侧设有顶侧护板501，在顶梁5的前部设有折叠梁6，用于延伸液压支架的工作空间，所述的顶梁5通过折叠梁千斤顶601与折叠梁6相连接；在折叠梁6的头部设有互帮板602。所述的护帮板602和顶侧护板501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连接耳板401、前角度调节千斤顶402、掩护梁403、后角度调节千斤顶404、护底千斤顶405、后侧护板406和护底板407组成，所述的连接耳板401的下端与底连接板102通过铰链相连接，其上端设有滑移销轴4011且与掩护梁403通过可滑移铰链相连接；所述的掩护梁403的顶端与顶梁5通过铰链相连接，且在掩护梁403内侧的加强筋板上设有长腰形孔4031和下长腰形孔4032；所述的后角度调节千斤顶404的上端与掩护梁403通过铰链相连接，后角度调节千斤顶404的下端空套在连接耳板401的滑移销轴4011上；所述的护底千斤顶405的上端与掩护梁403通过铰链相连接，其下端设有滑移光轴4051，且所述滑移光轴4051的两端置于掩护梁403的下长腰形孔4032内，护底板407与滑移光轴4051通过铰链相连接；后侧护板406位于掩护梁403两侧。

如图4和图5所示，所述的前并联支撑机构2由固定底板201、活动顶板205以及连接在固定底板201和活动顶板205之间的三条SPS支撑链202和一条PS支撑链203组成。所述的固定底板201与底座1固连；所述的三条SPS支撑链202、一条PS支撑链203并联连接在固定底板201、活动顶板205之间；所述的三条SPS支撑连202均为SPS结构的串联单开链；一条PS支撑链203为PS结构的串联单开联；所述的活动顶板205与顶梁5固连。所述的SPS支撑链202由由下球副连接座2021、上球副连接座2023、SPS支链液压缸2022组成；所述的PS支撑链由固定接座2031、PS支链液压缸2032、PS支链球副连接座2033组成。所述的下球副连接座2021和固定接座2031安装在固定底板201上；所述的SPS支链液压缸2022与下球副连接座2021通过球副S相连接，PS支链液压缸2032的下端与固定接座2031固接，SPS支链上端均与上球副连接座2023通过过球副S相连接，PS支链上端与PS支链球副连接座2033通过球副S相连接；所述的SPS支链液压缸2022和PS支链液压缸2032为伸缩液压缸，作为并联机构SPS/PS中的移动副P；且所述的上球副连接座2023的轴线与所述的下球副连接座2021的轴线相互平行，所述PS支撑链球副连接座2033轴线平行于固定连接座2031轴线，所述的移动副P的轴线垂直于固定底板201的上平面。

如图所示，所述四条支链的三个上球副连接座2023和一个球副连接座2033分别布置在等边三角形三个顶点和重心处，四条支撑链三个下球副连接座2021和一个固定接座2031也分别布置在等边三角形三个顶点和重心处。

使用时，根据支撑工作面的实际需要调节前并联支撑机构2和后并联支撑机构3的三条支撑链202和一条支撑链203的SPS支链液压缸2022和PS支链液压缸2032的伸缩长度，使顶梁5升起，顶部顶住围岩，再调节折叠梁千斤顶502，使折叠梁6伸出，延伸液压支架的工作空间，进而调节顶侧护板501和通过护帮板千斤顶601调节护帮板602，使其分别展开；然后调节后角度调节千斤顶404的伸缩长度，滑移销轴4011下移，使后掩护装置4向后展开，顶住后部围岩，再将后侧护板406展开，进而调节护底千斤顶405的伸缩长度，使滑移光轴4051下移，实现护底板407的平移，延伸后掩护装置的工作空间，当滑移光轴4051下移至掩护梁403的下长腰形孔4032最底端时，在前角度调节千斤顶402伸缩作用下，实现护底板407绕滑移光轴4051轴线的摆动；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SPS支链液压缸2022、PS支链液压缸2032、折叠梁千斤顶502、后角度调节千斤顶404、前角度调节千斤顶402的伸缩长度，使顶梁5下降、折叠梁6收回、后掩护装置4收回、护底板407收回，再收起顶侧护板501、护帮板602、后侧护406，最后底座1的推杆101收回，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要求保护的本发明范围内。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 (1)

1.一种四自由度并联液压支架，包括底座、前并联支撑机构、后并联支撑机构、后掩护装置、顶梁和前折叠梁，其特征在于：所述底座前端面为弧形面，且在底座的中间位置设有推杆，在底座的后端设有底连接板；所述的前并联支撑机构与后并联支撑机构的结构完全相同，且其下端对称安装在底座上，前并联支撑机构、后并联支撑机构的顶端均与顶梁固连；所述的后掩护装置位于后并联支撑机构的后端，后掩护装置的前端与底座通过铰链相连接，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，在顶梁的前部有折叠梁，顶梁通过折叠梁千斤顶以及铰链和折叠梁相连接；在折叠梁的头部设有护帮板；

所述的后掩护装置由连接耳板、前角度调节千斤顶、掩护梁、后角度调节千斤顶、护底千斤顶、后侧护板和护底板组成，所述的连接耳板的下端与底连接板通过铰链相连接，其上端设有滑移销轴且与掩护梁通过可滑移铰链相连接；所述的前角度调节千斤顶的两端分别与底连接板、护底板通过铰链相连接；所述的掩护梁的顶端与顶梁通过铰链相连接，且在掩护梁内测的加强筋板上设有上长腰形孔和下长腰形孔；所述的后角度调节千斤顶的上端与掩护梁通过铰链相连接，后角度调节千斤顶的下端空套在连接耳板的滑移销轴上；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下长腰形孔内，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；

所述的前并联支撑机构和后并联支撑机构均由固定底板、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；所述的活动顶板与顶梁固连；所述四条支撑链的其中三条为SPS支撑链，另外一条为PS支撑链；所述的SPS支撑链由下球副连接座、上球副连接座、SPS支链液压缸组成；所述的PS支撑链由固定接座、PS支链液压缸、PS支链球副连接座组成；所述的下球副连接座和固定接座安装在固定地板上，SPS支链液压缸的下端与下球副连接座通过球副相连接，其上端与上球副连接座通过球副相连接；

所述的前并联支撑机构与后并联支撑机构均为3-SPS/PS结构的四自由度并联机构；

使用时，根据支撑工作面的实际需要调节前并联支撑机构和后并联支撑机构的四条支撑链液压缸的伸缩长度，使顶梁升起，顶住顶部围岩，再调节折叠梁千斤顶，使折叠梁伸出，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；然后调节后角度调节千斤顶的伸缩长度，滑移销轴下移，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下长腰形孔最底端时，在前角度调节千斤顶伸缩作用下，实现护底板绕滑移光轴轴线的摆动；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；

所述四条支链的三个上球副连接座分别布置在等边三角形三个顶点和重心处，四条支撑链三个下球副连接座和一个固定接座也分别布置在等边三角形三个顶点和重心处。