新型大采高急倾角液压支架及液压系统设计含5张CAD图
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任 务 书一、设计题目新型大采高急倾角液压支架及液压系统设计二、主要任务及要求1)主要任务:设计液压支架及液压系统2)根据主要任务,通过比较、分析,确定最终方案,针对解决方案进行设计计算,完成机械结构(制造工艺)和控制系统的设计过程。3)说明书中要求进行分析、评价方案对社会、健康、安全、法律和文化的影响,以及这些制约因素对项目实施的影响,并理解应承担的责任。4)能够体现机械、电气、信息等多学科背景,体现团队的有效沟通、合作共事及个体的作用。5)图纸规范、准确。四、上交材料(1) 系统方案图及相关图纸; (2) 课程设计说明书(包含方案设计、主要部件的设计计算、根据任务要求进行的方案相关分析等内容,8000字左右) 五、指导教师评语优秀良好中等及格不及格满分得分平时表现勤奋好学,善于思考勤奋积极,态度认真比较勤奋不够勤奋不勤奋,态度不端正10图纸质量方案合理新颖,表达规范方案合理,图纸比较规范方案一般,图纸基本规范方案基本合理,图纸欠规范方案不合理,图纸不规范20说明书质量内容全面,准确内容全面,基本准确内容一般,准确性一般内容基本全面,有小错误内容不全,错误较多40答辩回答问题准确流利回答问题比较准确回答问题基本准确回答问题欠准确回答错误30总分100综合评定成绩: 优秀 良好 中等 及格 不及格指导教师: 日 期: 摘 要本文详细介绍了新型大采高急倾角液压支架及液压系统的总体结构设计,主要完成了各结构件的设计,以及液压系统原理的设计,并对各结构件进行了受力分析和强度校核。在设计中着重对支架的各结构件进行了受力分析和强度校核,所校核部分的安全系数均满足了设计要求。但支架在井下的时间工况是非常复杂的,不仅顶板压力的大小和作用位置,而且支架的顶梁和顶板的接触情况都是随时变化的,所以还应该对所设计的液压支架进行工业性试验,以求达到低成本、高可靠性的要求。关键词:液压支架;大采高;液压系统;强度校核;AbstractThis paper introduces the overall structure design of the new hydraulic support with large mining height and steep angle and the hydraulic system,mainly completes the design of each structural part and the design of the principle of the hydraulic system,and carries out the stress analysis and strength check of each structural part.In the design,stress analysis and strength check are carried out for each structural part of the support,and the safety factor of the checked part meets the design requirements.But the working condition of the support in the mine is very complex,not only the size and action position of the roof pressure,but also the contact between the top beam and the roof of the support changes at any time,so the industrial test of the designed hydraulic support should be carried out,in order to achieve the requirements of low cost and high reliability.Keywordshydraulicsupport;largeminingheight;hydraulicsystem;strengthcheck;目 录摘要Abstract1绪论12 液压支架的结构设计22.1 液压支架基本尺寸的确定22.1.1 支架高度的确定22.1.2支架的伸缩比和行程的确定22.1.3 支架间距的确定32.2 四连杆机构设计42.2.1四连杆机构的作用42.2.2四连杆机构42.3 确定顶梁的长度52.4 液压支架的性能参数62.4.1液压支架的支护强度及验算62.4.2 覆盖率72.5立柱布置82.5.1立柱数82.5.2立柱间距82.5.3立柱支撑方式82.6立柱的计算82.6.1单伸缩立柱缸径的确定82.6.2泵站压力和立柱安全阀的调整压力92.6.3 立柱初撑力的计算102.7推移千斤顶113液压支架受力分析与计算123.1顶梁的受力分析与计算123.2掩护梁的受力分析与计算133.3液压支架的底座设计143.3.1 底座的受力分析与计算144液压支架部件的安全强度校核154.1强度校核154.2顶梁的强度校核164.3掩护梁的强度校核204.4底座的强度校核234.4.1前连杆处的强度校核234.5立柱强度的计算274.5.1立柱缸体壁厚计算274.5.2缸体与缸底焊缝强度验算285液压系统图296结论30参考文献311绪论液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备,支架与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体,实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺,从而使长壁采煤技术迈入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板,隔离采空区,防止矸石窜入工作面,保证作业空间,并且可以够随着工作面的推进而机械化移动,不断的将采煤机和输送机推向煤壁,从而满足工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右,因此液压支架是现代采煤技术中的关键设备之一。液压支架由顶梁、底座、掩护梁、前后连杆、立柱、推移装置、活动侧护板、操纵控制系统等部分组成。按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分,有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架,专门安装在每个采煤工作面的两端;中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液压支架在分三类:支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。2 液压支架的结构设计2.1 液压支架基本尺寸的确定2.1.1 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,其最大和最小高度为:(mm) (2-1)(mm) (2-2)式中: 支架最大高度,mm;支架最小高度,mm; 煤层最大高度,mm; 煤层最小高度,mm; 考虑伪顶,煤皮冒落后,仍有可靠初撑力所需要的支撑力高度,一般最200300 mm,取s1=300mm;顶板最大下沉量,一般100200mm,取s2=200mm;a 移架时支架的最大可缩量,一般取a=50mm; 浮矸石,浮煤厚度,一般取=50mm;由式(2-1)和(2-2)得=4700+300=5000=3300-200-50-50=3000mm2.1.2支架的伸缩比和行程的确定支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值,即 (2-3)由式(2-3)得 由于液压支架的使用寿命较长,并可能被安装在不同采高的采煤工作面,所以支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时,垛式支架的伸缩比为1.9;支撑掩护式支架为2.5;掩护式支架可达3.0。一般范围是,煤层较薄时选大值。考虑尽量减轻支架质量,降低造价,可进行系列化,加强支架对顶底板的适应性,降低伸缩比,尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般根据单位缸长行程K1来确定,当K10.7范围内时可采用单伸缩。 (2-4)由式(2-4)得式中: K1单位缸长行程,mm; Lm活塞全部伸出时立柱的总长度,mm; Ln活塞全部缩回时立校的总长度,mm; Lm-Ln活塞行程,mm。所以采用单伸缩立柱加机械加长杆。2.1.3 支架间距的确定所谓支架间距,就是相邻两支架中心线间的距离,按下式计算:式中:bc支架间距(支架中心距),mm;Bm每架支架顶梁总宽度,mm;c3相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙,mm;n相邻支架包含的组架或框架数,整体自移式支架n=1;整体迈步式支架n2;节式组合迈步支架n支架节数。支架间距bc要根据支架型式来确定,但由于每架支架的报移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连,因此目前主要根据输送机溜榴每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定,我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连接块位置在每节溜槽中间,所以除节式和迈步式支架外,支架间距一般为1.5m。该液压支架配套使用SGZ-1000/1050-W型刮板输送机,该刮板运输机溜槽每节长度为1.5m,支架宽度的确定应考虑支架的运输安装和调高要求,该支架中心距为1750mm,支架宽度为mm。2.2 四连杆机构设计2.2.1四连杆机构的作用1、通过四连杆机构,使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线,从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小,提高了管理顶板的性能。2、能承受较大的水平力。2.2.2四连杆机构 (2-5) (2-6)式中:G掩护梁长度,mm;A后连杆长度,mm; L2 e点引垂线到后连杆下铰点之距,mm;H1架最高位置时的计算高度,mm;H2架最低位置时的计算高度,mm。将式(2-5)、(2-6)联立解得: (2-7) 令 ,支撑掩护式支架:支架最高位置时的计算高度为:根据的值和上式可以求得掩护梁的长度 G和后连杆长度A,经过取整后,再重新算出、的角度。按四连杆机构的几何特征所要求的角度选定: (2-8) 掩护梁的长度为mm;后连杆的长度为 A= IG =1839mm; 2.3 确定顶梁的长度顶梁长度:掩护式与支撑掩护式支架顶梁长度计算顶梁长度=配套尺寸+底座长度+AcosQ1-GcosP1+C+e+掩护梁与顶梁铰接点至顶梁后端点之距: (2-9)式中:底座长度 L1=4300mmB液压支架的配套尺寸;该液压支架的配套设备有:MG750/1910-WD型采煤机,SGZ-1000/1050-W型刮板输送机。B=1000+400+1000+290=2690mm ;A后连杆长度,A=1839mm;G掩护梁长度,G=3013mm;e支架由高到低顶梁前端最大位移量,e=30 mm;C梁端距,考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜,以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜,为避免割顶梁而留的安全距。要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm;液压支架在最高位置时,后连杆与水平面的夹角。P1液压支架在最高位置时,掩护梁与水平面的夹角。由式(2-9)得=5477mm取整5480 mm2.4 液压支架的性能参数2.4.1液压支架的支护强度及验算支护强度q=P/F (2-10)式中:P支架支撑顶板的有效工作阻力 12000kN;F每台支架的支护面积F=(L+C)(B+K) (2-11)式中:L支架顶梁长度;C梁端距;B支架顶梁宽度;K架间距;由式(2-10(2-11)得F=(5480+300)(1640+110) =10.115 m2q=P/F=12000103/(10.115106) =1.186Mpa支护强度验算:已知该支架的支护强度为 1.01.2 Mpa1.0q1.44.2顶梁的强度校核顶梁采用Q960标准厚度的高强钢板焊接而成,取屈服极限MPa。画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图,如图4-1。 图4-1 顶梁结构受力分析图 各点计算如下:kNmmkNmmkNmmkNkNkNkNkNkNkN(1) 剪力A点:kNB点:kN kNC点:kN kND点:kN(2) 弯矩kNmmMB右=L2yaxah1=6960kNmmkNmmkNmmkNmm首先对每块钢板编号,把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号,再计算截面积A及截面形心至aa面的距离yc 。截面图如图4-2。图4-2 顶梁截面图 mm2 mm2 mm2 mm2 y4 =150mmmm2 mm=101.2mm每个零件中心到截面形心的距离为:mmmmmmmmmm计算截面中心惯性距Ji矩形截面的惯性矩为: (4-1) 式中 : b截面宽度; h截面高度。由式(4-1)得: 计算每个零件对截面形心的惯性距Jzi (4-2)由式(4-2)得:mm4mm4mm4mm4mm4mm4计算弯曲应力和安全系数: (4-3)式中:h截面最大高度代入式(4-3)得Mpa顶梁采用Q960高强钢板,所以主顶梁强度合格。4.3掩护梁的强度校核掩护梁采用Q890标准厚度的高强钢板焊接而成,取屈服极限s=890MPa。取掩护梁为分离体进行坐标转换,如图4-3所示: 图4-3 掩护梁结构受力分析图剪力:A点:kNB点:kNkNC点: kN弯矩:kNmmkNmmkNmm首先对每块钢板编号,把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号,再计算截面积A及截面形心至顶面的距离yc 。截面图如图4-3。 图4-4 掩护梁截面图 =131.7 mm每个零件中心到截面形心的距离为: 计算截面中心惯性距Ji代入式(4-1)得 计算每个零件对截面形心的惯性距Jzi代入式(4-2)得 mm4 mm4 mm4 mm4 mm4 mm4 mm4计算弯曲应力和安全系数:代入式(4-3)得Mpa顶梁采用Q890,Mpa 所以掩护梁强度合格。4.4底座的强度校核4.4.1前连杆处的强度校核采用Q690标准厚度的高强钢板焊接而成,取屈服极限s=690 MPa。因为前连杆的弯距比较大,所以要校核它的截面,其过程如下:首先对每块钢板编号,把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号,再计算截面积A及截面形心至底面的距离yc 。截面图如图4-7。 图4-7 底座前连杆处的截面图mm2y1=15mmmm2 y2=587mmmm2 y3=565mmmm2 y4=1129mmmm2 y5=1099mmmm2 y6=1276.5mmmm2 y7=1039mmmm2 y8=1279mm每个零件中心到截面形心的距离为:计算截面中心惯性距Ji代入式(4-1)得计算每个零件对截面形心的惯性距Jzi代入式(4-2)得mm4mm4mm4mm4mm4mm4mm4mm4mm4计算弯曲应力和安全系数:代入式(4-3)得Mpa所以底座强度合格。4.5立柱强度的计算液压支架立柱的强度验算,包括油缸的稳定性验算,活塞杆和缸体的强度验算等内容。4.5.1立柱缸体壁厚计算支架立柱的壁厚(mm)一般为,按中等壁厚缸体公式计算。 (4-4) 式中:p缸内的工作压力,40MPa;C汇入管壁公差及腐蚀的附加厚度,一般取C=2mm;强度系数,无缝钢管;缸体材料为27SiMn无缝钢管时, MPa;一般取,取4由上式得: Mpa由式(4-4)得: mm缸体厚度圆整后取30mm。缸体外径为D1=D+2=380mm4.5.2缸体与缸底焊缝强度验算缸体与缸底焊缝强度按下式计算: (4-5)式中:环形焊缝内径,cm;环形焊缝外径(缸筒外径),cm;焊接效率,取;立柱工作阻力,3215.4kN 。代入式(4-5)得:MPa查表得焊缝抗拉强度:MPa安全系数为:代入相关数据得:许用安全系数;一般取。所以,焊缝强度满足要求。5液压系统图: 1操纵阀;2压力表;3安全阀;4液控单向阀5双向液压锁;6截止阀;7过滤器6 结论本文详细介绍了新型大采高急倾角液压支架及液压系统的总体结构设计,主要完成了各结构件的设计,以及液压系统原理的设计,并对各结构件进行了受力分析和强度校核。在设计中着重对支架的各结构件进行了受力分析和强度校核,所校核部分的安全系数均满足了设计要求。但支架在井下的时间工况是非常复杂的,不仅顶板压力的大小和作用位置,而且支架的顶梁和顶板的接触情况都是随时变化的,所以还应该对所设计的液压支架进行工业性试验,以求达到低成本、高可靠性的要求。 参考文献1 赵宏珠.液压支架及其发展.徐州:中国矿业大学出版社 ,19892 王国法.液压支架技术.北京:煤炭工业出版社,19983 张万钧.液压支架与泵站.北京:煤炭工业出版社,19944 丁绍南.液压支架设计.北京:世界图书出版社,19925 赵宏珠.综采面矿压与液压支架设计.徐州:中国矿业大学出版社 ,1987
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