三自由度并聯液壓支架的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種三自由度并聯液壓支架，包括底座、前并聯支撐機構、后并聯支撐機構、后掩護裝置、頂梁和伸縮梁。所述前并聯支撐機構、后并聯支撐機構的并聯連接在底座與頂梁之間，其結構完全相同，均為3-RPC結構的并聯機構；后掩護裝置位于后并聯支撐機構的后端，與底座、頂梁均通過鉸鏈相連接，其下端設有位置和角度可調整的底護板；在頂梁的兩側設有頂側護板，在頂梁的內部嵌有伸縮梁，在伸縮梁的頭部設有護幫板。本發明能克服現有液壓支架的技術缺陷，可承受包括側向力在內的空間三個自由度方向的載荷，可避免倒架等安全事故的發生，提高液壓支架的支撐穩定性和對圍巖的適應性，還具有質量穩定可靠、操作維護便捷等優點。
【專利說明】 三自由度并聯液壓支架
【技術領域】
[0001]本發明涉及礦山機械【技術領域】，特別涉及一種可承受側向力的三自由度并聯液壓支架。
【背景技術】
[0002]煤炭綜采裝備由液壓支架、采煤機和運輸機構成，液壓支架作為綜合機械化采煤工作主要設備，一次性投資占綜采裝備總資金的70%以上，是綜采工作面實現安全、高效生產的關鍵。液壓支架的頂、底板必須適應井下工作面煤層環境，為操作人員提供安全的作業空間，還要為采、運設備提供有效的動力源，決定采運設備的正常推進速度。因此，液壓支架是綜采工作面能否實現高產高效成敗的關鍵設備。
[0003]綜采作業時，液壓支架分散布置在整個采煤工作面上，實現支撐、切頂、自移和推溜等工序，它與大功率采煤機、大運量的可彎曲刮板輸送機組成回采工作面的綜合機械化設備。綜采作業時，液壓支架還是厚煤層綜放開采技術成敗的關鍵因素。目前廣泛使用的液壓支架都是在上世紀60年代前蘇聯人設計的四連桿液壓支架基礎上發展起來的。但由于煤層傾角及地質構造的原因，頂板對液壓支架的壓力必然存在側向分力。而現有的四連桿型支架立柱的聯接都是采用球形鉸使得支架立柱及頂梁都沒有承受側向力的能力，側向力則通過掩護梁傳遞給連桿機構，這便是造成倒架和支架機構損壞的根本原因，因而現有的連桿型液壓支架存在原理性缺陷。因為平面四連桿機構只具有I個自由度，2個平行的平面四連桿機構的自由度為-1，屬于超靜定機構，導致液壓支架穩定性差，支撐高度也受到限制。而我國煤礦地質結構復雜，在實際應用中由于頂板的不平整性和煤層傾角的變化，會產生較大的附加載荷，導致掩護梁損壞、倒架和下滑等重大安全事故。
[0004]自四連桿型液壓支架發明以來的50多年來，世界各產煤國家都在使用過程中對基于四連桿型液壓支架進行了大量的研究和改進工作。但是對基于四連桿液壓支架的支撐穩定性、對頂板的適應性和支架的可控性等一系列問題一直沒有得到徹底解決。因而，研制一種具有支撐穩定性、對頂板的適應性和可控性好的液壓支架成為一個世界性的難題。基于四連桿液壓支架穩定性、對頂板的適應性和支架的可控性問題不是結構設計的問題，而是基于四連桿液壓支架機構存在原理性缺陷造成的。而并聯機構具有結構剛度大、承載能力強、慣性小、定位和運動精度高等特點，并聯機構成為礦用液壓支架最適宜的支撐機構，其高穩定性和對頂板運動最完備的適應性，以及自身結構中最佳的力學性能決定了并聯液壓支架支撐高度大，高穩定性，重量輕，推移快的優越性。鑒于現行基于四連桿液壓支架存在的原理性缺陷，太原理工大學的寇子明教授及其碩士研究生衛進等提出將并聯機構應用于液壓支架的設計中，即設計一種基于并聯機構的新型液壓支架以解決四連桿型液壓支架原理性缺陷帶來的一系列問題，前期關于并聯液壓支架的設計與研究大都是基于6-SPS并聯機構的六自由度并聯液壓支架，而煤礦井下工作面實際使用的液壓支架并不需要六個自由度。過度的自由度不僅使得液壓支架的結構復雜、加工難度提高，加工精度難以提高，還增加了液壓支架的制造成本，且給控制、操作和維護均帶來困難和不便。[0005]而采用三平移三自由度的并聯機構作為液壓支架的主體支撐機構能實現液壓支架相對頂底板實現有限的指定讓壓運動和有效承載，除了主要承受頂板與底板對液壓支架施加的垂直壓力外還可承受來自其它方向的側向分力，可有效提高液壓支架的支撐性能，提高支護的可靠性、安全性和穩定性，避免掩護梁損壞、倒架和下滑等安全事故的發生，克服現有液壓支架的缺點，將產生重大的社會效益和巨大的經濟效益。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對現有液壓支架技術的不足，提供一種可承受側向力的三自由度并聯液壓支架。本發明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現。
[0007]一種三自由度并聯液壓支架，包括底座、前并聯支撐機構、后并聯支撐機構、后掩護裝置、頂梁和伸縮梁。其中，所述底座前端面為弧形面，便于液壓支架移動；在底座的中間位置設有推桿，用于推移液壓支架和與液壓支架配套工作的刮板輸送機；在底座的后端設有底連接板。所述的前并聯支撐機構與后并聯支撐機構為三自由度并聯液壓支架的主體支撐機構，用于承受圍巖作用在底座與頂梁之間的垂直方向的載荷和其它方向的側向載荷；所述的前并聯支撐機構與后并聯支撐機構的結構完全相同，均為3-RPC結構的三平移三自由度并聯機構；所述的前并聯支撐機構與后并聯支撐機構并聯連接在底座與頂梁之間，且其下端對稱安裝在底座上，前并聯支撐機構、后并聯支撐機構的頂端均與頂梁固連。所述的后掩護裝置主要用于承受液壓支架水平力和垮落頂板巖石的壓力，防止采空區冒落的矸石進入液壓支架的下方，以保障液壓支架下方人員和設備工作安全；所述的后掩護裝置同時還可以承受來自頂板及頂梁的水平作用力，起到提高液壓支架控制頂板的穩定性；所述的后掩護裝置位于所述的后并聯支撐機構的后端，且其前端與底座通過鉸鏈相連接，其頂部與頂梁通過鉸鏈相連接。在頂梁的兩側設有頂側護板，在頂梁的內部嵌有伸縮梁，用于延伸液壓支架的工作空間，所述的頂梁通過伸縮梁千斤頂與伸縮梁相連接；在伸縮梁的頭部設有護幫板。所述的護幫板和頂側護板用于起到擋矸、防倒調架和延伸液壓支架左右側向支護工作范圍的作用。
[0008]所述的后掩護裝置由連接耳板、前角度調節千斤頂、掩護梁、后角度調節千斤頂、護底千斤頂、后側護板和護底板組成，所述的連接耳板的下端與底連接板通過鉸鏈相連接，其上端設有滑移銷軸且與掩護梁通過可滑移鉸鏈相連接；所述的前角度調節千斤頂的兩端分別與底連接板、護底板通過鉸鏈相連接；所述的掩護梁的頂端與頂梁通過鉸鏈相連接，且在掩護梁內側的加強筋板上設有上長腰形孔和下長腰形孔；所述的后角度調節千斤頂的上端與掩護梁通過鉸鏈相連接，后角度調節千斤頂的下端空套在連接耳板的滑移銷軸上；所述的護底千斤頂的上端與掩護梁通過鉸鏈相連接，其下端設有滑移光軸，且所述滑移光軸的兩端置于掩護梁的下長腰形孔內，護底板與滑移光軸通過鉸鏈相連接；后側護板位于掩護梁的兩側。
[0009]所述的前并聯支撐機構和后并聯支撐機構均由固定底板、活動頂板以及連接在固定底板和活動頂板之間的三條支撐鏈組成。所述的固定底板與底座固連；所述的三條支撐鏈并聯連接在固定底板、活動頂板之間，且所述的三條支撐鏈均為RPC結構的串聯單開鏈；所述的活動頂板與頂梁固連。所述的支撐鏈由鉸接耳座、雙作用液壓缸和雙阻尼連接座組成。所述的鉸接耳座安裝在固定底板上；所述的雙作用液壓缸的下端與鉸接耳座通過鉸鏈相連接，其上端與雙阻尼連接座通過圓柱副相連接，且所述的雙作用液壓缸可根據液壓支架的支護工作高度的需要選擇兩級伸縮雙作用液壓缸或三級伸縮雙作用液壓缸。所述的雙阻尼連接座起到圓柱副和沿圓柱副軸線方向施加阻尼的作用，所述的雙阻尼連接座包括多位固定板、阻尼器和中位銷軸，所述的中位銷軸位于多位固定板的中間位置且與多位固定板固連，所述的阻尼器有兩個且對稱布置在中位銷軸的兩側，阻尼器的兩端均通過鉸鏈與多位固定板相連接。
[0010]在所述的前并聯支撐機構或后并聯支撐機構中，所述的三條支撐鏈頂部的中位銷軸的軸線呈等腰三角形布置，所述的三條支撐鏈底部鉸接耳座的鉸接孔的軸線也呈等腰三角形布置，且同一條支撐鏈上頂部的中位銷軸的軸線平行于底部鉸接耳座的鉸接孔的軸線。
[0011]使用時，根據支撐工作面的實際需要調節前并聯支撐機構和后并聯支撐機構的三條支撐鏈的雙作用液壓缸的伸縮長度，使頂梁升起，頂住頂部圍巖，再調節伸縮梁千斤頂，使伸縮梁伸出，延伸液壓支架的工作空間，進而調節頂側護板和護幫板，使其分別展開；然后調節后角度調節千斤頂的伸縮長度，滑移銷軸下移，使后掩護裝置向后展開，頂住后部圍巖，再將后側護展開，進而調節護底千斤頂的伸縮長度，使滑移光軸下移，實現護底板的平移，延伸后掩護裝置的工作空間，當滑移光軸下移至掩護梁的下長腰形孔最底端時，在前角度調節千斤頂伸縮作用下，實現護底板繞滑移光軸軸線的擺動；最后在此工作狀態下，使底座的推桿伸出，實現推溜刮板輸送機的功能。
[0012]當需要移動液壓支架時，調節雙作用液壓缸、伸縮梁千斤頂、后角度調節千斤頂、前角度調節千斤頂的伸縮長度，使頂梁下降、伸縮梁縮回、后掩護裝置收回、后護板縮回，再收起頂側護板、護幫板、后側護，最后底座的推桿縮回，實現移架功能。
[0013]本發明的有益效果是，與現有的技術相比，本發明采用兩組三平移三自由度的并聯機構3-RPC作為三自由度并聯液壓支架的主體支撐機構，能實現液壓支架相對頂底板實現有限的指定讓壓運動和有效承載，不僅可以承受頂板與底板對液壓支架施加的垂直壓力外還可承受來自其它方向的側向分力，可有效提高液壓支架的支撐性能，提高支護的可靠性、安全性和穩定性，避免掩護梁損壞、倒架和下滑等安全事故的發生，克服現有液壓支架的缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的總體結構示意圖；
[0015]圖2為本發明的后掩護裝置的結構示意圖；
[0016]圖3為后掩護裝置的護底板在可旋轉狀態時的工作示意圖；
[0017]圖4為本發明的前并聯支撐機構的結構示意圖；
[0018]圖5為前并聯支撐機構的支撐鏈的機構原理示意圖；
[0019]圖6為支撐鏈的雙阻尼連接座的結構示意圖；
[0020]圖7為支撐鏈的三個鉸接耳座在固定底板上布置示意圖；
[0021]圖8為支撐鏈的三個雙阻尼連接座在活動頂板上的布置示意圖。
【具體實施方式】[0022]為了使本發明所實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例和圖示，進一步闡述本發明。
[0023]如圖1、圖2和圖4所示，一種三自由度并聯液壓支架，包括底座1、前并聯支撐機構2、后并聯支撐機構3、后掩護裝置4、頂梁5和伸縮梁6。其中，所述底座I前端面為弧形面，便于液壓支架移動；在底座I的中間位置設有推桿101，用于推移液壓支架和與液壓支架配套工作的刮板輸送機；在底座I的后端設有底連接板102。所述的前并聯支撐機構2與后并聯支撐機構3為三自由度并聯液壓支架的主體支撐機構，用于承受圍巖作用在底座I與頂梁5之間的垂直方向的載荷和其它方向的側向載荷；所述的前并聯支撐機構2與后并聯支撐機構3的結構完全相同，均為3-RPC結構的三平移三自由度并聯機構；所述的前并聯支撐機構2與后并聯支撐機構3并聯連接在底座I與頂梁5之間，且其下端對稱安裝在底座I上，前并聯支撐機構2、后并聯支撐機構3的頂端均與頂梁5固連。所述的后掩護裝置4主要用于承受液壓支架水平力和垮落頂板巖石的壓力，防止采空區冒落的矸石進入液壓支架的下方，以保障液壓支架下方人員和設備工作安全；所述的后掩護裝置4同時還可以承受來自頂梁5的水平作用力，起到提高液壓支架控制頂板的穩定性；所述的后掩護裝置4位于所述的后并聯支撐機構3的后端，且其前端與底座I通過鉸鏈相連接，其頂部與頂梁5通過鉸鏈相連接。在頂梁5的兩側設有頂側護板501，在頂梁5的內部嵌有伸縮梁6，用于延伸液壓支架的工作空間，所述的頂梁5通過伸縮梁千斤頂601與伸縮梁6相連接；在伸縮梁6的頭部設有護幫板602。所述的護幫板602和頂側護板501用于起到擋矸、防倒調架和延伸液壓支架左右側向支護工作范圍的作用。
[0024]所述的后掩護裝置由連接耳板401、前角度調節千斤頂402、掩護梁403、后角度調節千斤頂404、護底千斤頂405、后側護板406和護底板407組成，所述的連接耳板401的下端與底連接板102通過鉸鏈相連接，其上端設有滑移銷軸4011且與掩護梁403通過可滑移鉸鏈相連接；所述的前角度調節千斤頂402的兩端分別與底連接板102、護底板407通過鉸鏈相連接；所述的掩護梁403的頂端與頂梁5通過鉸鏈相連接，且在掩護梁403內側的加強筋板上設有上長腰形孔4031和下長腰形孔4032 ;所述的后角度調節千斤頂404的上端與掩護梁403通過鉸鏈相連接，后角度調節千斤頂404的下端空套在連接耳板401的滑移銷軸4011上；所述的護底千斤頂405的上端與掩護梁403通過鉸鏈相連接，其下端設有滑移光軸4051，且所述滑移光軸4051的兩端置于掩護梁403的下長腰形孔4032內，護底板407與滑移光軸4051通過鉸鏈相連接；后側護板406位于掩護梁403的兩側。
[0025]如圖4和圖5所示，所述的前并聯支撐機構2由固定底板201、活動頂板203以及連接在固定底板201和活動頂板203之間的三條支撐鏈202組成。所述的固定底板201與底座I固連；所述的三條支撐鏈202并聯連接在固定底板201、活動頂板203之間；所述的三條支撐鏈202均為RPC結構的串聯單開鏈；所述的活動頂板203與頂梁5固連。所述的支撐鏈202由鉸接耳座2021、雙作用液壓缸2022和雙阻尼連接座2023組成。所述的鉸接耳座2021安裝在固定底板201上；所述的雙作用液壓缸2022的下端與鉸接耳座2021通過轉動副R相連接，其上端與雙阻尼連接座2023通過圓柱副C相連接，所述的雙作用液壓缸2022為兩級伸縮雙作用液壓缸，作為并聯機構RPC中的移動副P ;且所述的轉動副R的軸線與所述的圓柱副C的軸線相互平行，所述的移動副P的軸線垂直于所述的轉動副R的軸線。
[0026]如圖6所示，所述的雙阻尼連接座2023包括多位固定板20231、阻尼器20232和中位銷軸20233，所述的中位銷軸20233位于多位固定板20231的中間位置且與多位固定板20231固連，所述的阻尼器20232有兩個且對稱布置在中位銷軸20233的兩側，阻尼器20232的兩端均通過鉸鏈與多位固定板20231相連接。
[0027]如圖7所示，所述的三條支撐鏈202底部鉸接耳座2021的鉸接孔的軸線呈等腰三角形布置，也就是三個鉸接耳座2021上的轉動副R1、R2、R3的軸線構成一個小等腰三角形，且所述的小等腰三角形的兩個角Θ 1= Θ 2。
[0028]如圖8所示，在所述的前并聯支撐機構2中，所述的三條支撐鏈202頂部的中位銷軸20233的軸線呈等腰三角形布置，也就是三個雙阻尼連接座2023上的圓柱副Cl、C2、C3的軸線構成一個大等腰三角形，且所述的大等腰三角形的兩個角Φ1=Φ2。
[0029]使用時，根據支撐工作面的實際需要調節前并聯支撐機構2和后并聯支撐機構3的三條支撐鏈202的雙作用液壓缸2022的伸縮長度，使頂梁5升起，頂住頂部圍巖，再調節伸縮梁千斤頂601，使伸縮梁6伸出，延伸液壓支架的工作空間，進而調節頂側護板501和護幫板602，使其分別展開；然后調節后角度調節千斤頂404的伸縮長度，滑移銷軸4011下移，使后掩護裝置4向后展開，頂住后部圍巖，再將后側護406展開，進而調節護底千斤頂405的伸縮長度，使滑移光軸4051下移，實現護底板407的平移，延伸后掩護裝置的工作空間，當滑移光軸4051下移至掩護梁403的下長腰形孔4032最底端時，在前角度調節千斤頂402伸縮作用下，實現護底板407繞滑移光軸4051軸線的擺動；最后在此工作狀態下，使底座I的推桿101伸出，實現推溜刮板輸送機的功能。
[0030]當需要移動液壓支架時，調節雙作用液壓缸2022、伸縮梁千斤頂601、后角度調節千斤頂404、前角度調節千斤頂402的伸縮長度，使頂梁5下降、伸縮梁6縮回、后掩護裝置4收回、后護板407縮回，再收起頂側護板501、護幫板602、后側護406，最后底座I的推桿101縮回，實現移架功能。
[0031]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種三自由度并聯液壓支架，包括底座、前并聯支撐機構、后并聯支撐機構、后掩護裝置、頂梁和伸縮梁，其特征在于:所述底座前端面為弧形面，且在底座的中間位置設有推桿，在底座的后端設有底連接板；所述的前并聯支撐機構與后并聯支撐機構的結構完全相同，且其下端對稱安裝在底座上，前并聯支撐機構、后并聯支撐機構的頂端均與頂梁固連；所述的后掩護裝置位于后并聯支撐機構的后端，后掩護裝置的前端與底座通過鉸鏈相連接，后掩護裝置的頂部與頂梁通過鉸鏈相連接；在頂梁的兩側設有頂側護板，在頂梁的內部嵌有伸縮梁，頂梁通過伸縮梁千斤頂與伸縮梁相連接；在伸縮梁的頭部設有護幫板； 所述的后掩護裝置由連接耳板、 前角度調節千斤頂、掩護梁、后角度調節千斤頂、護底千斤頂、后側護板和護底板組成，所述的連接耳板的下端與底連接板通過鉸鏈相連接，其上端設有滑移銷軸且與掩護梁通過可滑移鉸鏈相連接；所述的前角度調節千斤頂的兩端分別與底連接板、護底板通過鉸鏈相連接；所述的掩護梁的頂端與頂梁通過鉸鏈相連接，且在掩護梁內側的加強筋板上設有上長腰形孔和下長腰形孔；所述的后角度調節千斤頂的上端與掩護梁通過鉸鏈相連接，后角度調節千斤頂的下端空套在連接耳板的滑移銷軸上；所述的護底千斤頂的上端與掩護梁通過鉸鏈相連接，其下端設有滑移光軸，且所述滑移光軸的兩端置于掩護梁的下長腰形孔內，護底板與滑移光軸通過鉸鏈相連接；后側護板位于掩護梁的兩側。
2.根據權利要求1所述的三自由度并聯液壓支架，其特征在于:所述的前并聯支撐機構和后并聯支撐機構均由固定底板、活動頂板以及連接在固定底板和活動頂板之間的三條支撐鏈組成，所述的固定底板與底座固連；所述的活動頂板與頂梁固連；所述的支撐鏈由鉸接耳座、雙作用液壓缸和雙阻尼連接座組成，所述的鉸接耳座安裝在固定底板上，雙作用液壓缸的下端與鉸接耳座通過鉸鏈相連接，其上端與雙阻尼連接座通過圓柱副相連接；所述的雙阻尼連接座包括多位固定板、阻尼器和中位銷軸，所述的中位銷軸位于多位固定板的中間位置且與多位固定板固連，所述的阻尼器有兩個且對稱布置在中位銷軸的兩側，阻尼器的兩端均通過鉸鏈與多位固定板相連接。
3.根據權利要求2所述的三自由度并聯液壓支架，其特征在于:所述的三條支撐鏈頂部的中位銷軸的軸線呈等腰三角形布置，三條支撐鏈底部鉸接耳座的鉸接孔的軸線也呈等腰三角形布置，且同一條支撐鏈上頂部的中位銷軸的軸線平行于底部鉸接耳座的鉸接孔的軸線。
【文檔編號】E21D23/04GK103899343SQ201410160318
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】王成軍, 李龍, 孟祥瑞, 張超, 李英明, 劉瓊, 汪亞真 申請人:安徽理工大學