ZY3200-11-26型掩护式液压支架的设计【含CAD图纸】
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山西工程技术学院 毕 业 设 计 说 明 书 毕业生姓名 : 王璞 专业 : 机械电子工程 学号 : 180534009 指导教师 : 张忠杰 所属系(部) : 机械电子工程系 二二年五月 山西工程技术学院 毕业设计(指导教师)评阅书 题目: ZY3200/11/26 型掩护式液压支架的设计 机械电子工程 系 机械工程 专业 姓名 王璞 设计时 间: 2020 年 02 月 17 日 2020 年 05 月 21 日 评阅意见: 成绩: 指导教师:(签字) 职务: 2020 年 月 日 山西工程技术学院 毕业设计(同行教师)评阅书 题目:ZY3200/11/26 型掩护式液压支架的设计液压支架设计 机械电子工程 系 机械工程 专业 姓名 王璞 设计时间:2020 年 02 月 17 日 2020 年 05 月 21 日 评阅意见: 评分内容 具体要求 分值 得分 说明书工作量 字数 2.5 万字以上得 20 分;2 万字以上,不足2.5 万字得 15 分;2 万字以下的 10 分。 20 图纸工作量 图纸折合 4 张 A0 及以上得 20 分;不足 4 张 A0,达 3 张以上,得 15 分;3 张以下得 10 分。 20 说明书质量 内容完整,装订顺序正确,结构合理,文字通 顺;目录、字体、字号、行距等符合要求,公 式、插图、表格使用合理;文献翻译质量、篇 幅符合规定要求。存在 02 处错误得 30 分; 35 处错误得 20 分;5 处以上得 15 分。 30 图纸质量 图纸组成元素完整,表达方式合理,图框、标 题栏、线型、线宽及字体字号符合相关标准。 存在 02 处错误得 30 分;35 处错误得 20 分;5 处以上得 15 分。 30 总分(百分制) 100 成绩: 评阅教师:(签字) 职务: 2020 年 月 日 山西工程技术学院 毕业设计答辩记录及成绩评定表 机械电子工程 系 机械工程 专业 姓名 王璞 答 辩 内 容 问题摘要 答辩情况 记录员: (签名) 成 绩 评 定 指导教师成绩 评阅教师成绩 答辩组评定成绩 综合成绩 注:评定成绩为 100 分制,指导教师为 20%,评阅教师为 30%,答辩组为 50%。 专业答辩组组长: (签名) 2020 年 月 日 i ZY3200/11/26 型掩护式液压支架的设计 摘 要 本课题主要论述了液压支架的主要设计过程。其中包括:液压支架的选型、总体 设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。 1 支架的样式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板实行有效支撑,还要达成升、 降、推移四个步骤。支架选用四连杆机构,改进支架的受力情况,减少支架的升降进 程中顶梁前端前后移动的距离。立柱选用单伸缩液压缸,前端带有加长杆,以满足支 架最低及最高位置时的高度条件。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。 2 在研制液压支架时,需要对支架实行生产考查和分析讨论,选定合理的液压支 架受力参数、运动参数和构造参数,以及选定液压支架最佳计划等方面综合性的科学 技术问题。本设计首要从支架的工作原理这手,而后实行总体结构设计以及校核。 1 关键词:液压支架;顶梁;底座;立柱;结构设计 ii Design of zy3200 / 11 / 26 shield hydraulic support ABSTRACT The article mianly elaborate the hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design1 The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top-beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest position high request. The top-beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate welding.2 At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits.1 Keyword: Hydraulic pressure support;Top beam;Cradle;the column-type support;structure desig 目 录 摘要 . ABSTRACT . 1 绪论 .1 1.1 国内外液压支架的研究现状及发展 .1 1.2 本课题的研究目的和意义 .2 2 液压支架基本理论分析 .4 2.1 液压支架的工作原理 .4 2.1.1 支架升降 .4 2.1.2 支架推移 .4 2.1.3 支架承载过程 .5 2.2 液压支架的类型和结构 .6 2.2.1 支撑式支架 .6 2.2.2 掩护式支架 .7 2.2.3 支撑掩护式支架 .7 2.2.4 特种液压支架 .7 2.3 对液压支架的基本要求 .8 2.4 支架的选型设计 .8 2.4.1 设计的原始条件 .8 2.4.2 支架的支护性能与外载荷 .8 2.4.3 影响架型选择的因素 .9 2.4.4 支架架型的确定 .10 3 液压支架的整体结构设计 .12 3.1 支架高度、中心距的确定 .12 3.1.1 支架高度的确定 .12 3.1.2 支架伸缩比 .12 3.1.3 支架间距 .13 3.2 底座长度的确定 .13 3.2.1 底座长度 .13 3.2.2 底座宽度 .13 3.3 四连杆机构的设计 .14 3.3.1 四连杆机构的作用与缺点 .14 3.3.2 四连杆几何特征 .14 3.3.3 四连杆机构各部尺寸的确定 .15 3.4 顶梁长度计算 .19 3.4.1 支架工作方式对顶梁长度的影响 .19 3.4.2 顶梁长度计算 .19 4 支架主要部件的设计 .21 4.1 支架主要部件的设计要求 .21 4.2 顶梁的设计 .22 4.3 底座的设计 .23 4.3.1 液压支架的底座 .23 4.4 支架技术参数和立柱的设计 .23 4.4.1 支护面积 .23 4.4.2 支护强度 .24 4.4.3 确定立柱的技术参数 .24 4.4.4 安全阀压力与立柱工作阻力的确定 .25 4.4.6 支护效率 .28 4.4.7 底座接触比压 .28 4.5 立柱柱窝位置和受力计算 .29 4.5.1 立柱布置 .29 4.5.2 立柱柱窝位置的确定 .29 4.6 千斤顶技术参数的确定 .30 4.6.1 推移千斤顶 .30 4.6.2 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 .31 4.6.3 侧推千斤顶位置的确定 .34 5 支架受力分析与计算 .36 5.1 支架工作状态 .36 5.1.1 顶板状态 .36 5.1.2 支架工作状态 .36 5.1.3 支架受力 .36 5.2 受力计算 .37 5.3 顶梁载荷分布 .40 6 液压支架的强度校核 .42 6.1 强度条件 .42 6.2 主顶梁的校核 .42 6.2.1 主顶梁的弯距计算 .42 6.2.2 主顶梁的强度计算 .43 6.2.3 安全系数 .44 6.3 掩护梁强度校核 .45 6.3.1 掩护梁受力情况 .45 6.3.2 掩护梁强度计算 .45 6.3.3 安全系数 .46 6.4 底座强度校核 .46 6.4.1 底座受力情况 .46 6.5 立柱强度校核 .50 6.5.1 预算缸筒内径和缸壁厚度 .50 6.5.2 计算重叠长度 .51 6.5.3 各段的弯矩 .53 6.5.4 加长杆强度核算 .54 6.5.5 活柱强度核算 .55 6.5.6 缸体强度核算 .56 6.5.7 立柱的稳定裕量验算 .57 7 液压系统设计 .58 7.1 液压支架的液压系统特点 .58 7.2 液压系统的设计方法 .58 7.3 千斤顶系统 .59 7.3.1. 侧推、调架、防倒系统 .59 7.3.2. 推移千斤顶系统 .59 7.3.3. 平衡千斤顶系统 .60 7.3.4. 活动侧护板控制方式 .60 7.4 乳化液泵站系统 .62 7.4.1 乳化液泵站 .62 7.4.2 泵站液压系统 .62 7.4.3 乳化液泵站的元部件 .65 8 技术经济分析 .67 9 结论 .68 参考文献 .69 外文文献 .70 中文译文 .75 致谢 .80 山西工程技术学院毕业设计说明书 1 1 绪论 1.1 国内外液压支架的研究现状及发展 地下开采的煤产量主要是运用由液压支架配套的综采设备产出的。综采设备的研制 和广泛的应用,对煤炭工业改进技木装备不但有着重要的影响,并且对采煤工艺各个环 节技术水平的开展和提升,是强有力的推进要素。 3 加速现代化进程,必须加速煤炭工业企业的建设、改造和革新技术装备的进程,增 加地下开采和露天开采的煤产量。地下开采方法是最复杂和闲难的方法,但是,这种方 法在工业发达国家和以煤作为次能源的地区,仍然普遍应用。而且,开采优质煤,包 括炼焦煤,都是采用地下开采方法。 3 综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命,从根本上改变了煤炭工业的面貌,综 合机械化采煤是 20 世纪人类科技发展的重要成果。 综合机械化采煤技术在我国的研究 试验、使用、发展,彻底改变了我国煤炭工业的面貌,降低了工人的劳动强度,提高了 产量、劳动生产率和企业效益,满足了国民经济建设对煤炭的需求,合理的集中生产简 化了生产系统,提高了生产安全性。我国综采技术发展的 30 多年,使我国的煤炭生产技 术水平跨进了世界先进行列,综放技术跃居世界领先地位。 2 工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。以液压支架为 主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大 革命。不仅从根本上改善了劳动和安全条件,也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了 基础。但是综采设备初期投资高,特别是液压支架占综采设备总投资约 60%,因此液压 支架的合理选用特显重要。 2 30 多年来在液压支架技术不断发展中,形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制 造厂设计所为主的支架研究设计队伍,采用计算机 CAD 进行各种类型支架的设计,用有 限元计算软件等进行计算,并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其 它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专 业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系,以及以国家煤 矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准 11 项,建立了各项 山西工程技术学院毕业设计说明书 2 支架检测手段,造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架 的雄厚基础。不仅能满足国内的需要,还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液 压支架或成套综采设备。 为适应我国煤矿综采机械化的发展,国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发 出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支 架和多点驱动大运力带式输送机。配套设备的生产能力达到 15002 500 t/h, 在适宜的煤 层和矿井条件下,综采工作面可实现年产 300 万吨以上。 新型矿用单体支护设备,采用悬浮式液压技术原理,生产矿用单体支护设备,技术 水平达到了国际领先水平,填补了国际空白。DWX 型液压支柱的柱塞悬浮,密封胀紧, 密封补偿,无内泄漏、无圆弧焊缝等技术和安全特点,具有独创性。新型矿用单体支护 设备的诞生,消除了五十年来国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等 安全隐患问题。解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术, 结束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史,开创了中国人发明的第三代单体支 护技术设备的历史,并将会长期使用下去。该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支 护和端头支护,可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面,是煤矿的重要支护 设备。 3 近 10 年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展,架型结构进一步 完善,设计方法更先进,参数向高工作阻力、大中心距发展。液压支架另一重大突破是 控制系统,应用电液控制技术,采用电磁控制的先导阀,先进可靠的压力和位移传感器, 灵活自由编程的微处理机技术,红外线遥感技术等现代科技成果,使液压支架的动作自 动连续进行,移架速度大大提高,支架循环时间达到 68s。 3 我国自 1973 年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备,经历了消化、吸收和 改进提高的过程,到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系,掩护式液压支架的 制造和采煤技术已有长远发展。 1.2 本课题的研究目的和意义 采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了 满足对煤炭增长的日益需要,必须大量生产综合机械化采煤设备,迅速增加综合机械化 采煤工作面。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不 山西工程技术学院毕业设计说明书 3 同,对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板,必须设计出不同类型和不 同结构尺寸的液压支架。因此液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很 多,因此其设计工作量也是很大的,由此可见,研制和开发新型液压支架是必不可少的 一个环节。 通过对液压支架的理论学习,完成液压支架的设计工作,加深对液压支架工作原理、 工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架结构的分析,加深和巩固 机械原理的相关内容;通过对液压支架受力的分析和强度的校核,加深对专业基础课理 论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩固和理解。同样通过对液压支架的设 计,能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问 题,从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。 通过自己独立地完成指定的课程设计任务,提高理论联系实际、分析问题和解决问 题的能力,学会查阅参考书和工具书的方法,提高编写技术文件的能力,进一步加强设 计计算和制图等基本技能的训练,为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。 现代社会对人才提出了更高的要求,作为一名当代大学毕业生,不仅打好坚实的专 业知识,还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势,我们应立足 变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精 神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计,锻炼学生解决实际 工程问题的能力;在整个毕业设计的过程中,以我们的主动学习为主,教师适时指导为 辅;将素质教育也毕业设计教学相融合,从根本上提高毕业设计的质量和水平 。 山西工程技术学院毕业设计说明书 4 2 液压支架基本理论分析 2.1 液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中,不仅要可靠的支撑顶板,维护一定的安全工作空间,而且 要随工作面的推进,进行移架和推移输送机。因此,支架要实现升、降、推、移四个基 本动作,这些动作是利用泵站供给的高压液体,通过工作面性质不同的几个液压缸来完 成的 2,如图 2.1 所示。 图 2.1 液压支架工作原理 1顶梁;2立柱;3推移千斤顶;4安全阀;5单向筏; 6、7操纵阀; 2.1.1 支架升降 当操作阀处于升柱位置时,从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀 5 进 入立柱 2 的下腔,立柱上腔回液,支架升起,并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时, 工作液体进入立柱的上腔,同时打开液控单向阀,立柱下腔回液,支架下降。 2.1.2 支架推移 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶 3 来进行的。移架时,先使支 架卸载下降,再把操纵阀置于移架位置,从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的 前腔即活塞杆腔,后腔即活塞腔回液。这时,支架以输送机为支点前移。移架结束后, 再把支架升起,使支架撑紧顶板。若将操纵阀置于推溜位置,高压液体进入推移千斤顶 后腔即活塞腔,前腔即活塞杆腔回液,这时输送机以支架为支点被推向煤壁。 山西工程技术学院毕业设计说明书 5 2.1.3 支架承载过程 支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程,它包括初撑、承载 增阻和恒阻三个阶段。 (1) 初撑阶段 在升架过程中,当支架的顶梁接触顶板,直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站 工作压力时,停止供液,液控单向阀 6 立即关闭,这一过程为支架的初撑阶段。此时支 架对顶板的支撑力为初撑力。 1 (2) 承载增阻阶段 支架初撑结束后,随着顶板的下沉,立柱下腔的液体压力逐渐升高,支架对顶板的 支撑力也随之增大,呈现增阻状态,这一过程为支架的承载增阻阶段。 2 (3) 恒阻阶段 随着顶板压力的进一步增加,立柱下腔的液体压力越来越高,当升高到安全阀 5 的 调定压力时,安全阀打开溢流,立柱下缩,液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压 力时,安全阀关闭。随着顶板的继续下沉,安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用, 支架的支撑力维持在某一恒定数值上,这是支架的恒阻阶段。此时,支架对顶板的支撑 力成为工作阻力,它是由支架安全阀的调定压力决定的。对于掩护式和支撑掩护式支架, 其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。 1 图 2.2 支架的工作特性曲线 由上可知,支架工作时,其支撑力与时间的关系,可用支架工作特性曲线表示,如 图 所示,曲线上的 、 、 分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。0t13t 上述工作过程表明:支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性,以保证支架对顶 山西工程技术学院毕业设计说明书 6 板有效的支撑作用;当支架达到额定工作阻力以后,支架能随顶板的下沉而下缩,即具 有可缩性和恒阻性,支架的工作特性决定于立柱、液控单向阀、安全阀和操纵阀的性能 和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件 通常液控单向阀和安全阀组合在一起,称为控制阀。支架的工作阻力是支架的一个 重要参数,它表示支架支撑力的大小。但是,由于支架的顶梁长短和间距大小不同,所 以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此,通常单位支护面积顶板上所受支架工 作阻力值的大小,即支护强度来表示支架的支护性能。即 (式 2.1)FPq310Ma 式中 支架的支护面积,F2m 2.2 液压支架的类型和结构 液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同,分为支撑式、掩护式和支撑掩 护式三种基本架型。 2.2.1 支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型,按其结构和动作方式的不同,支撑式支架又分 为垛式支架和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体,与输送机联接并互为支 点整体前移。节式支架由 23 个框节组成,移架时,各节之间互为支点交替前移,输送 机用与支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差,现已基本淘汰。 8 支撑式支架的结构特点是:顶梁较长,其长度多在 4 左右;而且立柱多,一般 46m 根,且垂直支撑;支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支 架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是:支撑力大,且作用点在支架后部,故切顶 性能好;对顶板重复支撑的次数多,容易把本来完整的顶板压碎;抗水平载荷的能力差, 稳定性差;护矸能力差,矸石易窜入工作空间;支架的工作空间和通风断面大。 8 由上可知,支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压,且水平力 小的条件。 山西工程技术学院毕业设计说明书 7 2.2.2 掩护式支架 掩护式支架的结构特点是:有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间, 其掩护梁的上端与顶梁铰接,下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁 形成四连杆机构,以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用于顶梁 或直接作用于顶梁上。掩护式支架的立柱较少,除少数掩护式支架 1 根立柱外,一般都 是一排 2 根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置,以增加支架的调高范围,支架的两侧 有活动侧护板,可以把架间密封。通常顶梁较短,一般为 3.0mm 左右。 8 掩护式支架的支护性能是:支撑力较小,切顶性能差,但由于顶梁短,支撑力集中 在靠近煤壁的顶板上,所以支护强度较大、且均匀,掩护性好,能承受较大的水平推力, 对顶板反复支撑的次数少,能带压移架。但由于顶梁短,立柱倾斜布置,故作业空间和 通风断面小。 8 由上可知,掩护式支架适用于顶板不稳定和中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯 含量少的破碎顶板条件。 2.2.3 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种 支架。因此,它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能,可适用于各种顶底板条件。 支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主梁构成,四根立柱支撑在顶梁和立柱之间,掩护 梁的上端与顶梁铰接,下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是:支撑力大,切顶性 能强,防护性能好,通风断面大,稳定性好,应用范围广。它的主要缺点是:结构复杂, 成本较高。 15 支撑掩护式支架的立柱均为两排,立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布置和交叉布 置。通常,两排立柱都直接支撑在顶梁上,个别情况下,也有后排立柱支撑在掩护梁上 而前排立柱支撑在顶梁上。 8 2.2.4 特种液压支架 特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架,在结构型式仍属于上 山西工程技术学院毕业设计说明书 8 述某种基本架型。 2.3 对液压支架的基本要求 1. 为了满足采煤工艺及地质条件的要求,液压支架要有足够的初撑力和工作 阻力,以便有效地控制顶板,保证合理的下沉量。 2. 液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为 100 左右;移架力kN 按煤层厚度而定,薄煤层一般为 100kN150kN,中厚煤层一般为 150kN 250kN,厚 煤层一般为 250kN 400kN。 3. 防矸性能要好。 4. 排矸性能要好。 5. 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面,从而保证人员呼吸、 稀释有毒气体等安全方面的要求。 6. 为了操作和生产的需要,要有足够宽的人行道。 7. 调高范围要大,照明和通讯方便。 8. 支架的稳定性要好,底座最大比压要小于规定植。 9. 要求支架有足够的刚度,能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。 10. 在满足强度条件下,尽可能减轻支架重量。 11. 要易于拆卸,结构要简单。 12. 液压元件要可靠。 2.4 支架的选型设计 2.4.1 设计的原始条件 煤层厚度:H1.32.5 米;顶设条件老顶 II 级、直接顶 II 级,底板平整,无影响支 架通过的断层。工作面配套设备:采煤机:MXA-300/3.5,刮板输送机:SGZ730/320。 煤层倾斜角小于 15 度,支护强度、底板抗压强度、泵站压力、安全阀调定压力 40MPa。 2.4.2 支架的支护性能与外载荷 由液压支架的工作状态知,支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程 山西工程技术学院毕业设计说明书 9 中,支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象,支架不仅受有垂直于顶梁的力,还受有平行 于顶梁的摩擦力。垂直于顶梁的力由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中,支架 底座承受工作面底板反作用力。 为了设计计算方便,要对支架的外载荷和支架本身进行简化,概述如下: 把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全,在计算时把外载荷视为集中载荷; 金属结构件按直梁理论计算;顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触,载荷沿支架长度方 向按线性规律分布,沿支架宽度方向为均布;通过分析和计算可知,掩护梁上矸石的作 用力,只能使支架实际支护阻力降低所以,在进行强度计算时不计,使掩护梁偏于安全; 立柱和短柱按最大工作阻力计算;产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种,是由于 支架让压回缩,顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线,顶梁与顶板间产生相对位移,顶板 给予顶梁水平摩擦力,另一种是由于顶柜向采空区方向移动,使支架顶梁受一指向采空 区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数 W, 一般取 0.150.25;按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。 2.4.3 影响架型选择的因素 (1) 煤层厚度 煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力,而且还影响到支架的稳定性。当 煤层厚度大于 1.82.3m(软煤取下限,硬煤取上限)时,应选用抗水平推力强且带护帮 装置的掩护式或支撑掩护式支架。当煤层厚度变化较大时,应选用调高范围大的支架。 (2) 煤层倾角 煤层倾角主要影响支架的稳定性,倾角大时易发生倾倒、下滑象。当煤层倾角大于 10 15 时,应设防滑和调架装置,当倾角超过 18 时,应同时具有防滑防倒装置。 (3) 底板性质 底板承受支架的全部载荷,对支架的底板影响较大,底板的软硬和平整性,基本上 决定了支架底座的结构和支承面积。选型时,要验算底座对底板的接触比压,其值要小 于底板的允许比压(对于砂岩底板,允许比压为 1.962.16MPa,软底板为 0.98MPa 左右)。 (4) 瓦斯涌出量 对于瓦斯涌出量大的工作面,支架的通风断面应满足通风的要求,选型时要进行 山西工程技术学院毕业设计说明书 10 验算。 (5) 地质构造 地质构造十分复杂,煤层厚度变化又较大,顶板允许暴露面积和时间分别在 58 和 20min 以下时,暂不宜采用液压支架。2m (6) 设备成本 在满足要求的前提下,应选用价格便宜的支架。 2.4.4 支架架型的确定 从架型的结构特点来看,由于架型的不同,它的支撑力分布和作用也不同;从顶板 条件来看,由于直接顶类别和老顶级别的不同,支架所承受的载荷也不同。所以,为了 在使用中合理地选择架型,要对支架的支撑力、采煤高度与承载的关系进行分析,使支 架的支撑力能适应顶板载荷的要求。 根据煤层厚度 1.32.5 米,属于中厚煤层。支架的适应高度为 1.12.6 米煤质条件老 顶 II 级、直接顶 II 级,底板平整,无影响支架通过的断层,根据表 2.1 初步选定为掩护 式两柱液压支架。 山西工程技术学院毕业设计说明书 11 表 2.1 支架架型的选择 注:括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时,可根 据本矿情况允许有 %的波动范围。5 表中 1.3、1.6、2 分别为、级老顶的分级增压系数;级老顶给出最低值 2,选用时可根据本矿实际确定适宜值。 老顶级别 直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支撑式 采高小于 2.5m 时 支架类型 掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 支 撑 式 支 撑 掩 护 式 支 撑 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 掩 护 或 支 撑 掩 护 式 支撑掩 护式 采高大于 2.5m 时 1 0.294 1.30.294 1.60.294 20.249 2 0.343(0.245 ) 1.3 0.343(0.245) 1.6 0.343 2 0.343 3 0.441(0.343 ) 1.30.441(0.343) 1.60.441 20.441 支架支 护强度 MPa 采 高 m 4 0.539(0.441 ) 1.3 0.539(0.441) 1.6 0.539 2 0.539 应结合深孔 爆破,软化 顶板等措施 处理采空区 山西工程技术学院毕业设计说明书 12 3 液压支架的整体结构设计 3.1 支架高度、中心距的确定 3.1.1 支架高度的确定 支架高度的确定原则,应根据所采煤层的厚度,采区范围内地质条件的变化等 因素来确定,其最大与最小高度为: (式 3.1)1ShHm (式 3.2)2nhm 煤层最大采高,n 煤层最小采高S1 伪顶冒落的最大厚度,一般取 0.20.3m 顶板最大下沉量,一般取 100200mm2 移架时支架的最小可缩量,一般取 50mma 矸、浮煤厚度,一般取 50mm 本设计采高 1.32.5m,取支架高度为 1.12.6m 3.1.2 支架伸缩比 支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为: (式 3.3)nmH 代入数据得 m=2.36。 山西工程技术学院毕业设计说明书 13 3.1.3 支架间距 所谓支架间距,就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算: (式 3.4)3cmbBnC 式中: 支架间距(支架中心距);cb 每架支架顶梁总长度;mB 相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙;3C n每架所包含的组架的组数或框架数,整体自移式支架。 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cb 机的一节溜槽相连,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, 所以除节式和迈步式支架外,支架间距一般为 1.5m。 本次设计取支架的中心距为 1.5m。 3.2 底座长度的确定 3.2.1 底座长度 底座是将板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时,应考虑 如下诸方面:支架对底板的接触比压要小;支架内部应有足够的空间用于安装立柱,液 压控制控制装置、推移装置和其他辅助装置;使于人员操作相行走,保证支架的稳定性 等。通常,掩护式支架的底座长度职 3.5 倍的移架步距(一个移架步距为 0.6m),即 2.1m 左右;支撑掩护式支架的底座长度取 4 倍移架步距,即 2.4m 左右。本次设计取底座长 2.18m。 山西工程技术学院毕业设计说明书 14 3.2.2 底座宽度 支架底座宽度一般为 1.11.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比压,厚煤层支架 可加大到 1.3m 左右,放顶煤支架为 1.31.4m。底座中间安装推移装置的槽子宽度与推移 装置的结构和千斤顶缸径有关,一般为 300380mm。宽度取 1350mm。 3.3 四连杆机构的设计 3.3.1 四连杆机构的作用与缺点 1梁端护顶 鉴于四连杆机构可使托梁铰接点呈双纽线运动,故可选定双纽线的近 似直线部分作为托梁铰接点适应采高的变化范围。这样可使托梁铰接点运动时与煤壁接 近于保持等距,当梁端距处于允许值范围之内时,借此可以保证梁端顶板维护良好。 2 2挡矸 鉴于组成四连杆机构的掩护梁既是连接件,又是承载件,为了承受采空区 内破碎岩石所赋予的载荷,掩护梁一般做成整体箱形结构,具有一定强度。由于它处在 隔离采空区的位置,故可以起到良好的挡矸作用。 2 3抵抗水平力 观测表明:综采面给予支架的外载,不但有垂直于煤层顶板的分力, 而且还有沿岩层层面指向采空区方向(或指向煤壁方向)的分力,这个水平推力由液压 支架的四连杆机构承受,从而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱弯曲变形。 2 4提高支架稳定性 鉴于四连杆机构将液压支架连成一个重量较大的整体,在支架 承载阶段,其稳定程度较高。 2 四连杆机构在具有以上诸作用的同时,也有一些缺点。首先,支架在工作过程当中, 四连杆机构必须承受很大的内力,从而导致支架结构尺寸的加大和重量的增加;其次, 由于四连杆机构对顶板产生一个水平力(又称水平支撑力),因此对支架的工作性能将 产生不良影响。 3.3.2 四连杆几何特征 (1)支架在最高位置时, =5262,即:0.911.08 弧度;1P =7585即1.311.48弧度;支架在最低位置时,保证 。1Q P125 (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 = 山西工程技术学院毕业设计说明书 15 0.610.82。 (3)前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为 0.220.3。I1 (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e mm以下。70 (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tan 应小于0.16。 3.3.3 四连杆机构各部尺寸的确定 四连杆机构各部参数如图 3.1 所示,图中的 为支架在最高位置时的计算高度。令:1H = ; = ; = ; = ; = ; = ; = ; oa2AbBaCcdD2oEaeGbF = ; = ; ; ; = =1JSeLIGbIe1tnSLUa 图 3.1 四连杆机构参数图 1、四连杆的作用 四连杆机构是现代液压支架主要的稳定机构,其主要作用是保证支架纵向和横向的 稳定性;承受和传递载荷以及保持液压支架的整体刚度等。对于四连杆的选择形式,大 多数都是采用前整体后单的形式,这样可以增加尾部的空间。 4 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 山西工程技术学院
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