三自由度并联液压支架的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三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、顶梁和伸缩梁。所述前并联支撑机构、后并联支撑机构的并联连接在底座与顶梁之间，其结构完全相同，均为3-RPC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、顶梁均通过铰链相连接，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，在顶梁的内部嵌有伸缩梁，在伸缩梁的头部设有护帮板。本发明能克服现有液压支架的技术缺陷，可承受包括侧向力在内的空间三个自由度方向的载荷，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。
【专利说明】 三自由度并联液压支架
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿山机械【技术领域】，特别涉及一种可承受侧向力的三自由度并联液压支架。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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立柱的联接都是采用球形铰使得支架立柱及顶梁都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I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，支撑高度也受到限制。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。
[0004]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等一系列问题一直没有得到彻底解决。因而，研制一种具有支撑稳定性、对顶板的适应性和可控性好的液压支架成为一个世界性的难题。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。[0005]而采用三平移三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，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】
[0006]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三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。
[0007]一种三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、顶梁和伸缩梁。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三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-RPC结构的三平移三自由度并联机构；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，且其前端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，在顶梁的内部嵌有伸缩梁，用于延伸液压支架的工作空间，所述的顶梁通过伸缩梁千斤顶与伸缩梁相连接；在伸缩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。
[0008]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，且在掩护梁内侧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。
[0009]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三条支撑链组成。所述的固定底板与底座固连；所述的三条支撑链并联连接在固定底板、活动顶板之间，且所述的三条支撑链均为RPC结构的串联单开链；所述的活动顶板与顶梁固连。所述的支撑链由铰接耳座、双作用液压缸和双阻尼连接座组成。所述的铰接耳座安装在固定底板上；所述的双作用液压缸的下端与铰接耳座通过铰链相连接，其上端与双阻尼连接座通过圆柱副相连接，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两级伸缩双作用液压缸或三级伸缩双作用液压缸。所述的双阻尼连接座起到圆柱副和沿圆柱副轴线方向施加阻尼的作用，所述的双阻尼连接座包括多位固定板、阻尼器和中位销轴，所述的中位销轴位于多位固定板的中间位置且与多位固定板固连，所述的阻尼器有两个且对称布置在中位销轴的两侧，阻尼器的两端均通过铰链与多位固定板相连接。
[0010]在所述的前并联支撑机构或后并联支撑机构中，所述的三条支撑链顶部的中位销轴的轴线呈等腰三角形布置，所述的三条支撑链底部铰接耳座的铰接孔的轴线也呈等腰三角形布置，且同一条支撑链上顶部的中位销轴的轴线平行于底部铰接耳座的铰接孔的轴线。
[0011]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三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，再调节伸缩梁千斤顶，使伸缩梁伸出，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。
[0012]当需要移动液压支架时，调节双作用液压缸、伸缩梁千斤顶、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、伸缩梁缩回、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，最后底座的推杆缩回，实现移架功能。
[0013]本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明采用两组三平移三自由度的并联机构3-RPC作为三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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的总体结构示意图；
[0015]图2为本发明的后掩护装置的结构示意图；
[0016]图3为后掩护装置的护底板在可旋转状态时的工作示意图；
[0017]图4为本发明的前并联支撑机构的结构示意图；
[0018]图5为前并联支撑机构的支撑链的机构原理示意图；
[0019]图6为支撑链的双阻尼连接座的结构示意图；
[0020]图7为支撑链的三个铰接耳座在固定底板上布置示意图；
[0021]图8为支撑链的三个双阻尼连接座在活动顶板上的布置示意图。
【具体实施方式】[0022]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，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
[0023]如图1、图2和图4所示，一种三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和伸缩梁6。其中，所述底座I前端面为弧形面，便于液压支架移动；在底座I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I的后端设有底连接板102。所述的前并联支撑机构2与后并联支撑机构3为三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I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的结构完全相同，均为3-RPC结构的三平移三自由度并联机构；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I与顶梁5之间，且其下端对称安装在底座I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I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的内部嵌有伸缩梁6，用于延伸液压支架的工作空间，所述的顶梁5通过伸缩梁千斤顶601与伸缩梁6相连接；在伸缩梁6的头部设有护帮板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。
[0024]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；所述的前角度调节千斤顶402的两端分别与底连接板102、护底板407通过铰链相连接；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上长腰形孔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的两侧。
[0025]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203以及连接在固定底板201和活动顶板203之间的三条支撑链202组成。所述的固定底板201与底座I固连；所述的三条支撑链202并联连接在固定底板201、活动顶板203之间；所述的三条支撑链202均为RPC结构的串联单开链；所述的活动顶板203与顶梁5固连。所述的支撑链202由铰接耳座2021、双作用液压缸2022和双阻尼连接座2023组成。所述的铰接耳座2021安装在固定底板201上；所述的双作用液压缸2022的下端与铰接耳座2021通过转动副R相连接，其上端与双阻尼连接座2023通过圆柱副C相连接，所述的双作用液压缸2022为两级伸缩双作用液压缸，作为并联机构RPC中的移动副P ;且所述的转动副R的轴线与所述的圆柱副C的轴线相互平行，所述的移动副P的轴线垂直于所述的转动副R的轴线。
[0026]如图6所示，所述的双阻尼连接座2023包括多位固定板20231、阻尼器20232和中位销轴20233，所述的中位销轴20233位于多位固定板20231的中间位置且与多位固定板20231固连，所述的阻尼器20232有两个且对称布置在中位销轴20233的两侧，阻尼器20232的两端均通过铰链与多位固定板20231相连接。
[0027]如图7所示，所述的三条支撑链202底部铰接耳座2021的铰接孔的轴线呈等腰三角形布置，也就是三个铰接耳座2021上的转动副R1、R2、R3的轴线构成一个小等腰三角形，且所述的小等腰三角形的两个角Θ 1= Θ 2。
[0028]如图8所示，在所述的前并联支撑机构2中，所述的三条支撑链202顶部的中位销轴20233的轴线呈等腰三角形布置，也就是三个双阻尼连接座2023上的圆柱副Cl、C2、C3的轴线构成一个大等腰三角形，且所述的大等腰三角形的两个角Φ1=Φ2。
[0029]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的双作用液压缸2022的伸缩长度，使顶梁5升起，顶住顶部围岩，再调节伸缩梁千斤顶601，使伸缩梁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I的推杆101伸出，实现推溜刮板输送机的功能。
[0030]当需要移动液压支架时，调节双作用液压缸2022、伸缩梁千斤顶601、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、伸缩梁6缩回、后掩护装置4收回、后护板407缩回，再收起顶侧护板501、护帮板602、后侧护406，最后底座I的推杆101缩回，实现移架功能。
[0031]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。
【权利要求】
1.一种三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、顶梁和伸缩梁，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，在顶梁的内部嵌有伸缩梁，顶梁通过伸缩梁千斤顶与伸缩梁相连接；在伸缩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，且在掩护梁内侧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。
2.根据权利要求1所述的三自由度并联液压支架，其特征在于: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三条支撑链组成，所述的固定底板与底座固连；所述的活动顶板与顶梁固连；所述的支撑链由铰接耳座、双作用液压缸和双阻尼连接座组成，所述的铰接耳座安装在固定底板上，双作用液压缸的下端与铰接耳座通过铰链相连接，其上端与双阻尼连接座通过圆柱副相连接；所述的双阻尼连接座包括多位固定板、阻尼器和中位销轴，所述的中位销轴位于多位固定板的中间位置且与多位固定板固连，所述的阻尼器有两个且对称布置在中位销轴的两侧，阻尼器的两端均通过铰链与多位固定板相连接。
3.根据权利要求2所述的三自由度并联液压支架，其特征在于:所述的三条支撑链顶部的中位销轴的轴线呈等腰三角形布置，三条支撑链底部铰接耳座的铰接孔的轴线也呈等腰三角形布置，且同一条支撑链上顶部的中位销轴的轴线平行于底部铰接耳座的铰接孔的轴线。
【文档编号】E21D23/04GK103899343SQ201410160318
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】王成军, 李龙, 孟祥瑞, 张超, 李英明, 刘琼, 汪亚真 申请人:安徽理工大学