920-ZY32001535液压支架立柱、液压系统的设计
920-ZY32001535液压支架立柱、液压系统的设计,zy32001535,液压,支架,立柱,系统,设计
毕业实习报告书系 (部) 机电工程系专业班级 学生姓名 完成日期 山 东 大 学实习报告书实习名称 毕业实习 实习地点 煤矿机械厂姓名 组别 2同组实习者指导教师 实习日期指导教师评语指导教师签名:_年 _ 月_日 实习成绩实习报告书一、毕业实习目的本次毕业实习的目的是将在学校学习的理论知识与生产实际相结合,也是在学校的最后一次实践性锻炼。通过本次实习熟悉井下采煤系统的全部工作过程,特别是液压支架的工作过程和工作原理。为毕业设计收集实践资料.针对自己的毕业题目,了解液压支架各个部件以及液压系统中各液压缸的动作顺序和动作原理。收集相关的技术资料及原始素材,并与现场技术人员进行技术咨询。为设计液压支架做好充分的技术准备。二、实习内容公司简介:山东机械厂,位于风景秀丽的泰山脚下,始建于 1958 年,具有40 余年的历史。初期属煤炭部矿井设备专用厂,现隶属于临沂矿务局,国家中一型企业,是原煤炭部生产矿井专用设备、选煤设备和支护设备的重点企业之一,现有固定资产原值 6804 万元,年销售收入 2.6 亿元,企业占地面积 24.6万平方米,厂房建筑面积 2.65 万平方米。我厂是煤炭系统生产矿井专用设备、选煤设备最全的厂家,可生产各种:(1)矿井专用设备:井架、罐笼、箕斗,操车设备、排矸设备、装卸载设备;(2)选 煤 设 备:X 系列跳汰机、液压动筛跳汰机、浮选机、真空过滤机、离心脱水机、浓缩机、振动筛、斗式提升机、给煤机、破碎机、压滤机等。(3)支护设备:掩护式综采液压支架、大倾角掩护式综采液压支架、支撑掩护式液压支架、悬移放顶煤液压支架、ZFTL-3 型液压滑移支架、单体液压支柱等;ZZ10000/32/62 支撑掩护式非机采自移支架。(4)大型钢结构产品:快速定量装车站等设备。并且可为大、中、小型煤矿进行主机配套,我厂是中直国有企业,现有职工 1600 余人,各类工程技术人员 450 人,其中高级工程师 82 人,教授级高工 4 人,技师 28 人,有先进的加工工艺,完善的测试手段,科学的管理体系和完备的质量保证体系。全厂共设有:矿井设备分厂、液压支架分厂、铸锻分厂,矿井设备二分厂等四个专用分厂,拥有各类生产设备 1000 余台,特别是:大型通过式抛丸除锈机、大型多头数控切割机、液压支架试验台、500 吨四柱压力机、12 米刨边机、120 吨龙门吊、11 辊平板机、5 米双柱大立车、大型落地镗铣床、T68 镗床、8 米深孔镗、5 吨钢炉、大型箱式热处理炉、4000 吨摩擦压力机、315 吨矫直机、1000 吨摩擦压力机、埋弧自动焊机、616M 大型数控切割机、二氧化碳气体保护焊机、等离子切割机、实习报告书大型开闭式压力机、支柱打压机、阀类试验台、精密万能工具显微镗、数字三校验仪、超声波探伤仪、等精、大、稀设备。它们是制造各种大、中型矿井、选煤设备和钢结构产品的关键设备,也是保证产品质量的前提。同时对各种产品有着先进的生产工艺和完善的检测手段,科学的管理及质量保证体系和良好的售后服务,特别是本厂焊工全部经中国焊接学会按德国 DIN8560 标准进行全面的技术培训,并获得合格证书,从而使产品质量一直保持优势。40 多年来,我公司坚持为用户服务的宗旨,充分发挥本公司优势,竭诚为全国基本建设和生产提供优质产品,产品遍布全国各地。在指导老师的带领下我们到了山东煤机有限公司进行参观实习首先我们参观了公司的各个车间,然后就进行完成我们这次来的主要认务:参观液压支架。液压支架有许多类型,按围岩的相互作用和维护回采空间的方式,可分为支撑式、掩护式和支撑式三类;按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式两类;按使用地点不同可分为工作面支架和端头支架两类;工作面支架按煤层厚度和开采方法不同可分为铺联网支架和放顶煤液压支架。支撑掩护式液压支架是在支撑式液压支架的基础上,吸取掩护式液压支架的特点而设计的。液压支架的前探梁和顶梁是箱体焊接结构,支撑着工作面顶板,起着防止漏矸冒顶的作用。前探梁千斤顶操纵着前探梁向上和向下摆动,可以较好适应顶板的起伏不平,改善其接顶性能。四根立柱(双作用单伸缩油缸)支撑在顶梁与底座之间,立柱与顶梁、底座接触处为球面铰,可以改善立柱受力。为了适当增大支架的支撑高度,扩大适用范围,根据需要可在立柱上端加接机械加长杆。掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构,下端通过前、后连杆与底座铰接成四连杆机构,起着稳定支架重心和防止采空区岩石涌入工作面的作用,既能保证支架前梁顶端与煤壁的间距基本恒定,又承担了支架在工作过程中的水平分力,以保证支架的工作稳定性;底座是钢板焊接的箱型结构,它与底板直接接触,将立柱传来的顶板压力传递给底板。底座的后部与前后连杆铰接,前端焊接有安装推移千斤顶的联结耳,推移千斤顶的另一端与工作面运输机连接,通过推移千斤顶的伸缩,实现推溜和移架行走动作。乳化液泵站是液压支架的心脏,是乳化液泵、乳化液箱和其他附属设备的总实习报告书称;液压胶管构成支架的“动脉”和“静脉”;操纵阀、安全阀和液控单向阀按规定的采煤工艺要求实现各部件的动作,以满足综合机械化采煤的需要。我们对液压支架的工作原理有了一定的了解,了解到液压支架在煤矿开采过程中的作用:有效地支撑和控制工作面顶板;保证工人操作和机器运转所必须的安全空间;随着工作面推进而实现推移工序的机械化;并提供足够的通风断面。液压支架在采煤工作面构成了一条钢铁长廊,为提高工作面的产量和其他各项经济技术指标、改善工作面劳动条件、减轻工人的笨重体力劳动、确保安全创造了良好的条件。通过在车间的观察和回来翻阅一些资料更清楚的认识了里面的内部结构。对各个重要组成部分的结构特点以及它们的类型有了进一步的了解,使在以后的设计过程中能够更加清楚和容易的进行相关的分析,尤其是在受力分析过程中,可以更加明确的分析出各个部分主要受来自哪一方向的力,从而容易的对各部分进行校核,也重新认识了液压系统中的一些部件,例如操纵阀,千斤顶,液控单向阀以及安全阀的作用等。三、液压支架的类型与基本特点迄今为止,全国使用的液压支架已有几百种型号,但其基本型式是相同或相似的。对液压支架型式的分类应把握其本质特征,按照不同的分类原则进行分类。这些分类原则互相联系又存在矛盾,同一个支架按照不同的分类原则可划分在不同类,把这些不同分类结果,按照一定的主次关系联系起来,就能较全面的反映该支架的基本特征。1.按架型结构及与围岩关系分1.1 支撑式液压支架 支撑式支架是早期发展的液压支架架型。其中又分为节式支架和垛式支架。这种支架的基本特点是:1)立柱靠简单的复位装置垂直支撑于支架的顶梁与底座之间,支撑效率高(1)。2)支架是一个不稳定机构,基本不能承受顶板的水平力,支架的稳定性差。3)设有完善的掩护防漏研装置。实习报告书4)支撑力的集中作用点离煤壁较远,支架切顶力强。5)结构简单,重量轻,成本低。1.2 掩护式液压支架1)单排立柱支撑。支架支撑力集中作用点离煤壁较近,加之平衡千斤顶的作用,对端面顶板的支撑力较大,可以有效防止端面顶板的早期离层和破坏。2)控顶距小。顶梁较短,对顶板的反复支撑次数少,减少了对直接顶板的破坏。3)具有掩护梁、连杆等机构,可以承受顶板的水平力,支架稳定性好。4)挡研掩护性能好。一般都有掩护梁、活动侧护板等挡研掩护部件,能可靠地使工作面和采空区隔离,阻止窜研。5)平衡式顶梁,即工作时以支撑点(支掩式掩护支架即顶梁与掩护梁铰接点,支顶式则为立柱与顶梁的铰点)附近一个窄小的范围为中心,必须保持前后支撑力矩的平衡来维持顶梁的正常工作状况。这个窄小的范围一般称为受载平衡区。6)立柱一般呈倾斜布置,支掩式支架的立柱支在掩护梁上,支撑效率较低。但是,支架的调高范围化较大。7)支架切顶能力一般较小,尤其是支掩型掩护支架。但是,支顶型掩护支架的切顶能力较高。8)由于控顶距等原因,支掩型掩护支架的通风断面较小,而支顶型支架则较大。1.3 支撑掩护式液压支架1)通常为两排立柱(少数为三排)垂直或倾斜支撑。支架支撑力的集中作用区(或称力平衡区)离煤壁较远,总支撑力高,切顶能力强。2)具有掩护梁、连杆等稳定机构,可以承受顶板水平力,支架稳定性好。3)挡研、掩护性能好。一般都有掩护梁、活动侧护板等挡研掩护部件,能可靠地使工作面与采空区隔离,阻止窜研。4)控顶距较大,顶梁较长,对顶板的反复支撑次数相对较多,易使直接顶破坏,作业空间和通风断面较大。2.按适用采煤方法分实习报告书2.1 缓倾斜中厚煤层一次采全高的液压支架。通常可按使用条件,选用前述的三种标准液压支架。2.2 特殊用途的液压支架放顶煤液压支架放顶煤综采法是近 20 年兴起的特厚煤层机械化开采的新技术。放顶煤液压支架是这种综采法的主要配套设备之一。通过多年的实践,越来越多的国家采用了这种技术,并且认为在适宜的条件下,是解决厚及特厚煤层开采的一种经济、有效的方法。其基本特点:(1)一般采用整体性、稳定性及掩护性较好的支撑掩护式和掩护式液压支架。(2)有较宽敞、便于控制的放煤口以及松动、破碎煤块的辅助装置。(3)支架受上部顶板和顶煤放落时的动载影响较大,因此要求支架纵向和侧向稳定性较高。(4)支架调高范围要求不严。为使操作、行人等比较方便,支架高度一般为23m。铺网液压支架铺设金属网分层假顶是分层综采的重要工序。在专门的铺网支架研制使用之前大多采用一般液压支架,或稍加修改的支架,并在支架的前部铺顶网。这种方法操作繁琐且与采煤工序干扰,影响工作面产量和效率,而且铺设的网经过支架顶梁,掩护梁后才与底板重合,容易扯网或砸坏,影响铺设质量。铺网支架除具有一般综采工作面支架所具有的功能之外还有以下三个特点:1)提供独立的铺网作业空间;2)能自动将金属网铺设于底板,3)用机械或用手工方式连网。铺网液压支架用的金属网有经纬网与菱形网。实践表明,两种网相比菱形金属网的优点是在相同材料消耗情况卜菱形网承力大,强度高,承力平均值比经纬网高 31%;菱形网抗冲击能力好于经纬网;卷网和展网时菱形网比经纬网容易,特别是网丝较粗时;菱形网自锁能力强,一但局部破网,破口周边仍相互勾联,编网劳动强度低,易实现机械化编网。实习报告书大倾角液压支架当工作面倾角增大到 3555左右时,除了工作面设备和支架本身的防倒防滑问题变得严重以外,工作面煤壁不稳定性及端面顶板的及时维持问题、煤炭运输与人行空间的安全隔离问题、操作人员的行走和安全保护等问题要求支架只有不同于一般缓倾斜煤层支架的特殊性能和结构。这些要求主要是:1)可靠的防倒防滑装置。支架在大倾角下工作,除自身不能发生倒架和下滑以外,工作面输送机的锚固和下滑以后的上调,也必须以支架作依托,因此支架本身的防倒防滑装置必须可靠。2)为作业人员行走,应设置有扶手的人梯,并有挡护装置防止上部飞块滚落伤人。3)支架应设有保护挡板,将人行空间与采煤机道隔离。在煤壁与保护挡板之间形成溜煤通道。保护挡板也可开启,以便处理支架前部和煤壁处的事故。4)支架应有好的横向稳定性。5)支架应设有超前支护的伸缩梁,对端面顶板有较大的支撑力。6)工作面支架应有可靠的导向和调架装置和机构(即三点式导向),保证支架在降架前移时平稳导向无整卡,并能可靠的扶正和调整支架的位置。7)加大活动侧护板的宽度和高度,增加支架在降移情况下侧护板的重合量,改善支架的密封和调整性能。8)为增加煤壁稳定性,有时工作面需伪斜布置(工作面上端超前)。支架应能适应在俯伪斜工作面使用的需要。由于支架仍与走向方向平行,支架的中心距要比正常时(多为 1.m)缩小,因此要求支架的固定宽度要变窄,而活动侧护板的伸缩行程要大。9)为解决输送机下滑频繁问题,要求防滑装置不仅能锚固输送机,而且还能组合动作,需要时将输送机向倾斜上方牵引。10)支架应有足够的初撑力。在液压系统中应采取初撑力保证阀,提高泵站工作压力或加大立柱缸径等措施。一般要求初撑力达到额定阻力的 75%82%以上。端头液压支架工作面端头位于工作面和顺槽的连接处,是行人、运输和通风的必经之地,实习报告书多种设备的会集处,也是工作面支护和巷道支护的交叉地带。端头处条件复杂,位置重要。目前国内研制的端头支架主要用在下端头,主要功能是维护好巷道和回采工作面交叉口处的顶板,协调该处排头支架、工作面输送机、顺槽转载机等设备之间的位置和配套关系;除端头支架能自移以外,要为转载机和输送机机头的移动提供动力,支架本身应有防倒,调架或适应工作面倾角变化的能力,能适应左右工作面,换向方便,前梁伸入巷道,起一定的超前支护作用。此外,液压支架尚可按适用的煤层厚度、倾角和支架的控制方式来进行分类,但这些分类法均未反应出液压支架的基本特征。因此,目前国内外均按架型结构与围岩关系,将液压支架分为支撑式、掩护式、支撑掩护式三大类。四、液压支架的应用及意义随着工业技术的不断发展,国民经济对煤炭需要量的日益增加,煤矿开采,特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大的变化。自 1945 年英国装备了世界上第一个液压支架工作面开始,采煤技术实现了综合机械化。综合机械化采煤,就是工作面采煤、运输和支护三大主要环节都实现机械化。也就是说,采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤,工作面重型可弯曲运输机,以及与之适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤,自移式液压支架支护和管理顶板。这几种设备相互配合,组成了综合机械化采煤设备。液压支架是以高压液体为动力,由若干液压元件(油缸和阀件)与一些金属结构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备,能实现支撑、降落移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进,经济上合理,安全上合理,当前世界各国都在不断的提高采煤工作面的综合机械化水平。液压支架具有强度高、支护性能高、移设速度快、安全可靠等优点,能使采煤工作面达到高质量、高回采率和高工效,能大大减轻劳动强度,降低成本和掘进率,实现安全生产。 五、液压支架的发展趋势21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期。就煤炭综采而言,国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。现在世界上已经有 70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正实习报告书在以迅猛之势向前发展。我国液压支架经过 20 多年的发展,尽管取得了显著成绩,但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。今后 10 年,我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68 s/架)和电液控制系统的方向发展,对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力,尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构,并减少千斤顶的数量。另外,将普遍采用额定压力为 40MPa、额定流量为 400 L/min的高压大流量乳化液泵站,以适应快速移架的需要,系统采用环形或双向供液,保证支架有足够的压力达到初撑力,保证支架接顶位置准确。ZY 两柱掩护式支架的比重将大大增加,缸径将增至 360 mm,端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。所以,今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件,开发一些新架型、新品种外,还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。六、总结与体会通过这次参观实习让我们进一步了解液压支架的功用、工作原理、应用与意义,还有液压支架在井下的工作环境,液压支架、采煤机、输送机等几部分系统的组成,及其它们之间相互协调工作机理。 熟悉了液压支架的组成,使我们在以后的设计过程中更加清晰的对各个结构进行设计,根据毕业设计任务书中的设计参数、支架的工作条件,可以对本次设计的支架制定合理的工作流程。最后,非常感谢指导老师的耐心指导和深切关怀,让我们在紧张的实习中学到了许多东西,让我们在今后走向工作岗位和步入社会奠定了坚实的基础。由于自己的所学知识有限,在今后的成长过程中要更加积极进取,刻苦努力。山 东 大 学本科毕业设计(论文)开题报告题 目 ZY3200/15/35 液压支架立柱、液压系统的设计系 部 名 称 机电工程系 专 业 班 级 机制 0603 班 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 填表时间: 2006 年 3 月 12 日填表说明1.开题报告作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期完成,经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式,用 A4 纸打印。4.参考文献不少于 8 篇,其中应有适当的外文资料(一般不少于 2 篇)。5.开题报告作为毕业设计(论文)资料,与毕业设计(论文)一同存档。设计(论文)题目 ZY3200/15/35 型支架立柱、液压系统的设计工程设计 应用研究 开发研究 基础研究 其它设计(论文)类型( 划“” ) 一、 本课题的研究目的和意义通过本次毕业设计,培养学生综合运用液压传动、机械设计、工程理学等课程中所学理论知识的能力;强调设计的独创性和实用性,培养和提高设计者独立分析问题和解决实际问题的能力,为今后适应工作岗位和创造性地开展工作打下坚实基础。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。为了满足对煤炭日益增长的需要,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(简称综采工作面) 。而每个综采工作面平均需要安装 150 台液压支架,可见对液压支架的需要量时很大的。由于不同采煤工作面的顶底板条件,煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同,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。在过去的半个多世纪中,煤矿井下开采支护设备的设计和使用发生了巨大变化。其中,最引人瞩目的是世界范围内广泛采用液压支架作为长臂开采支护工程的主要设备。从采煤设备的发展过程来看,采用液压支架管理顶板是当代采煤技术史上一次重要的变革,也是煤矿现代化的主要标志。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一,其重量约占综合采煤设备总重量的 80%90%,其费用约占综合采煤设备总费用的 60%70%。因此,为了降低成本提高采煤的经济效益,世界各主要产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。二、 本课题的主要研究内容(提纲)1、液压支架主要参数的确定2、四连杆机构的选择与设计3、立柱参数的确定4、立柱各结构件的强度核算5、液压系统的设计6、液压系统中各部件的选择与设计三、 文献综述(国内外研究情况及其发展)国内液压支架技术现状:我国在 1964 年由太原分院和郑州煤机厂设计 70型迈步式自移支架,从此开始了液压支架的国产化道路。1984 年,北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验,继而研制了多种低位、中位和高位放顶煤支架,成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。1990 年后,国产液压支架得到了全面的发展,到1998 年止,全国己建成 88 处高产高效矿井,其中 14 处矿单个工作面的单产达15.72 万吨/月,原煤生产人员效率达 9.16 吨/工,综采机械化水平达 49.32%,达到了世界先进水平。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 n 项,建立了各项支架检测手段,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。国外液压支架现状:80 年代以来,世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力,人们积极开发和应用新技术,致力于高性能、高可靠性的新一代液压支架的研制。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀,推移千斤顶装有位移传感器,采煤机装有红外线传感装置,立柱缸径超过 400mm。为减少割煤时间,一般采用 0.81m 的截深。支架还采用屈服强度 8001000MPa 的钢板,既有较高的强度、硬度和韧性,又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加,为适应快速移架的需要,国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站,其额定压力为 4050 M Pa,额定流量400500L/min,并实现工作面支架的单架程控或分组程控操作,其移架速度可达到 68s/架。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产,使用两柱掩护式支架,支架的平均工作阻力为 7640kN。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架,在 1995 年 8 月 8 日创下澳大利亚有史以来日产 3.41 万吨的最高记录,班产一直保持在 50006000 吨。四、 拟解决的关键问题1、液压支架的选型;2、液压支架立柱的设计3、液压支架立柱结构件设计及强度计算4、液压支架液压系统设计5、液压支架设计说明书及主要部件图纸五、 研究思路和方法首先根据设计题目明确设计任务,了解液压支架的工作原理原理、功能、工作环境以及国内外发展现状,理清设计思路和确定方向,拟定初步设计方案。其次根据设计任务书给定参数和技术要求对支架整体结构设计、支架液压系统设计等要合理,满足生产要求,制造过程不易复杂,生产成本低廉,制造过程安全,便于广泛应用批量生产。对于支架各部分的结构,要经过严格的设计、计算和校核。要满足可靠性设计,使用周期长等要求。在设计过程中要按照制定的工作流程,运用各种方法和多门学科知识。在支架本体各部件设计时,拟定详细方案,认真分析其功能,明确个部分的结构。通过本次设计把所学各学科充分融会贯通在一起,最终完成设计任务。六、 本课题的进度安排1、第一周布置和明确设计任务,收集相关设计资料。2、23 周熟悉工作流程,完成方案设计。3、45 周完成开题报告。4、611 周对设计任务进行设计实现。5、1214 周撰写和修改学位论文。6、15 周熟悉答辩流程,进行论文答辩。七、 参考文献1 张家鉴 陈享文 伊长德 编著, 液压支架 ,煤炭工业出版社。1985 年2 蒋国安 郭福君 罗大炎 编著, 液压支架 ,山东科学技术出版社。1980 年3 邢福康 刘唐编著, 煤矿支护手册 ,煤炭工业出版社。1991 年4 徐濪 编著, 机械设计手册 ,机械工业出版社。1992 年5 王国彪 饶明杰 编著, 液压支架优化设计与计算机模拟分析 ,机械工业出版社。1994 年6 雷天觉 编著, 液压工程手册 ,机械工业出版社。1990 年7 高秀华 邓洪超等编著, 机械三维动态设计仿真技术 ,化学工业出版社。2003 年 3 月8 王国法等编著, 液压支架技术 ,煤炭工业出版社。1999 年9 煤炭部煤炭科学研究院编著, 综采设备配套图侧 。1983 年10 宋锦春等编著, 液压与气压传动 ,科学出版社。2006 年11 Shi Yuanwei, Research on the Interaction Between Roof Strata and Shield Suppons, 16th Conference on Ground Control in Mining 199712 Wang Guofa, Resarch on oew-type high-efficiency low-posion caving powered support and imppoving recovery, proceedings of the international mining rech97,symposium shanghai/China. China coal industry publishing house, 1997 指导教师意见指导教师(签名):年 月 日系(所)意见负责人(签章):年 月 日大学学士学位论文I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。支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑,还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构,改善支架的受力状况,缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩液压缸,前端带有加长杆,以满足支架最低及最高位置时的高度要求。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。在研制液压支架时,需要对支架进行生产试验和分析研究,确定合理的液压支架受力参数、运动参数和结构参数,以及选定液压支架最佳方案等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手,然后进行总体结构设计以及校核。关键词:液压支架;顶梁;底座;立柱;结构设计大学学士学位论文IIABSTRACTThe 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 designThe 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.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.Keyword: Hydraulic pressure support;Top beam;Cradle;the column-type support; structure design大学学士学位论文III目 录摘要IABSTRACT II1 绪 论11.1 国内外液压支架的研究现状及发展11.2 本课题的研究目的和意义32 液压支架基本理论分析52.1 液压支架的工作原理52.2 液压支架的类型和结构82.3 对液压支架的基本要求92.4 支架的选型设计103 液压支架的整体结构设计 143.1 支架高度、中心距的确定143.2 底座长度的确定153.3 四连杆机构的设计163.4 顶梁长度计算224 支架主要部件的设计244.1 支架主要部件的设计要求244.2 顶梁的设计254.3 底座的设计264.4 支架技术参数和立柱的设计264.5 力柱柱窝位置和受力计算334.6 千斤顶技术参数的确定35大学学士学位论文IV5 支架受力分析与计算415.1 支架工作状态415.2 受力计算425.3 顶梁载荷分布456 液压支架的强度校核 476.1 强度条件476.2 主顶梁的校核476.3 掩护梁强度校核506.4 底座强度校核526.5 立柱强度校核567 液压系统设计 657.1 液压支架的液压系统特点657.2 液压系统的设计方法667.3 千斤顶系统667.4 乳化液泵站系统708 技术经济分析 769 结论77参考文献 78致谢79附录80大学学士学位论文11 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利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运用,对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作用,而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高,是强有力的促进因素。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。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。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大学学士学位论文2重要。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、中厚煤层大学学士学位论文3及较厚煤层工作面,是煤矿的重要支护设备。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。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,能够更好的大学学士学位论文4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 。大学学士学位论文52 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,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,从乳化液泵站来的大学学士学位论文6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。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。(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。(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。大学学士学位论文7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、0t13t和恒阻阶段的时间。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大学学士学位论文82.2 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。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m柱多,一般 46 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。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。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。大学学士学位论文9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。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。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。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kN大学学士学位论文10架力按煤层厚度而定,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:H1.83.2 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,概述如大学学士学位论文11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 0.150.3;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 2.52.8m(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,允许比压为大学学士学位论文121.962.16MPa,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 1.83.2 米,属于中厚煤层。支架的适应高度为 1.53.5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。大学学士学位论文13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 1.3 0.2941.6 0.2942 0.24920.343(0.245)1.3 0.343(0.245)1.6 0.3432 0.34330.441(0.343)1.3 0.441(0.343)1.6 0.4412 0.441支架支护强度MPa采高m40.539(0.441)1.3 0.539(0.441)1.6 0.5392 0.539应结合深孔爆破,软化顶板等措施处理采空区大学学士学位论文143 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 1.83.2m,取支架高度为 1.53.5m3.1.2 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=2.33。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:大学学士学位论文15(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;3Cn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cb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。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。底座中间安装大学学士学位论文16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。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。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。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大学学士学位论文17=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 = 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e的最大宽度 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tan掩护式支架最好应小于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1H计算高度。令: = ; = ; = ; = ; = ; = ; =oa2AbBaCcdD2oEaeGb; F= ; = ; ; ; = =1JSeLIGIae1tnSLUa图 3.1 四连杆机构参数图大学学士学位论文181、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。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一个重要里程碑。现代掩护式和支撑掩护式支架都用前后连杆把掩护梁和底座连结在一起,这样组成的双摇杆四连杆机构可使支架升降时保持比较稳定的梁端距,即要求掩护梁和顶梁的铰接点的运动轨迹近似为一条直线,故称底座、前连杆、后连杆和掩护梁组成的机构为近似直线机构,从而得到一个近似相等的端面距,以提高管理顶板性能,使支架能承受较大的水平力。液压支架升降时,顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的,既有顶梁与掩护梁的铰点 E 的轨迹所决定,其轨迹如图 3.2 所示:图 3.2 升降柱运动轨迹2、支架四连杆机构的运动轨迹大学学士学位论文19支架在最大高度和最小高度范围内运动时,E 点的运动轨迹呈 3 种形式:双向摆动(ABCD 段)、单向向后摆动(BC 段)和单向向前摆动(AB 段和CD 段)。选择不同的四连杆参数可以使 E 点轨迹处于上述 3 种曲线段。支架工作时,受到顶板载荷的作用,有下缩趋势。当 E 点轨迹处于 AB 段时,顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势,顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当 E 点轨迹处于 BC 段时,顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势,此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时,顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。从顶板管理方面分析,顶梁向煤壁方向移动比顶梁向采空区方向移动有利。前者对于保持粱端顶板处于挤压状态有利,而后者容易导致顶板产生离层或断裂,造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此,合理设计四连杆参数使支架工作段内,E 点轨迹处于 AB 段比较理想,但对于调高范围大的支架,要达到要求是困难的。然而,由于四连杆销孔间隙的作用,使E 点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定,一般应控制梁端摆动幅度 3080mm。液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的,而不取决于立柱的多少。液压支架实际受力状态十分复杂,经常受到非对称载荷和横向载荷的作用,保持支架横向稳定性和整体刚性十分重要。如图示支架立柱为二力构件,不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四连杆机构承受。3、四杆机构之间的关系掩护式和支撑掩护式支架的四连杆机构都是双摇杆机构。双摇杆机构形成的条件是:最短杆 C 和最长杆之和小于其余两杆长度之和,而最短杆为上连杆(掩护梁) ,最短杆的对边 a 为固定杆(底座) ,即:Cb 。在 J 点作 角,o15再取 JC 一定长度与 HC 交于 C 点,C 点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。4)以 J 为圆心,JC 为半径画一圆弧 。以 I 为圆心,以 HC 的长度为ab半径画圆弧与 ab 弧交于 E 点。C 点和 E 点就是后连杆在支架为最小高度和最大高度时的极限位置。5)在 CH 上取一长度 CD,必须使 CDDC,这样 CD 就是最短杆。而且要使 CDDG 时,载荷呈梯形分布,如图 5.5 所示。2Lg顶梁前端比压为:MPa (式 5.9)321210)6(mBLgxFq顶梁后端比压为:Mpa (式 5.10)321310)64(mgxq由于 x=0.77 小于 所以载荷分布为三角形。L将 =3242 kN, =1.4m, =0.77m 代入公式(5.10)得顶梁后端比压1FmBx大学学士学位论文47为:3qMPa 1.207.41323q6 液压支架的强度校核6.1 强度条件在液压支架的研制、试验过程中,各构件的强度汁算是极为必要的。前面数章的内容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方法。但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性,在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及大致形式等为依据,随着时间的推移,如果上述诸点有变,强度条件也必须作相应调整。强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数如表 6.1 所示。表 6.1 支架安全系数安全系数 前梁 底座 顶梁 掩护梁 前连杆n 1.1 1.1 1.1 1.3 1.3安全系数 后连杆 主要轴 缸体 焊缝 活塞杆n 1.3 1.3 3.34 3.34 1.46.2 主顶梁的校核6.2.1 主顶梁的弯距计算假设前梁失去作用,主顶梁受一集中载荷,其受力如图 6.1(a)所示:由上面求出 F 为 3242kN,距离铰接点 770mm。大学学士学位论文48做主顶梁的受力及力矩图 6.1 所示:图 6.1(a)顶梁受力图图 6.1(b)顶梁弯矩图由图可知:3200sin150.26+3200cos150.03=308.07N/mmaxM主顶梁做成等断面箱式结构,在最大弯矩处的断面如图 6.2 所示:图 6.2 最大弯矩断面图6.2.2 主顶梁的强度计算大学学士学位论文49(1) 形心位置各板件计算数据如表 6.2 所示:表 6.2 各板件计算数据件号 1 2 3 4 5 6 7 8 9数量 1 2 2 4 2 2 2 2 1nF2cm139.2 73.6 27.8 52.2 26.8 40.32 35.2 26.2 56y0.8 2.4 15.8 15.8 15 29.2 29.2 29.2 19.1nJ4c29.7 15.7 2133.7 4812.2 1107.4 8.6 5.6 5.6 4968结构件的形心位置为:=ncFy)( 8.15248.15274.67328.0139 .96.3.9.0.4258.6287.391=14.23562.352.4 cm(2) 惯性矩=)(2cnnyFJ 6.73.1)3.480(.197.23.14(2 85(534+) )2.4.9(5.2).(.068 =125318.6)219(.24cm(3) 弯曲应力大学学士学位论文50kN/98.624.12538(09.76)18(maxax )zcJyM 2cm6.2.3 安全系数钢板材料选取 16Mn,s =34335 kN/ 2cm满足强度要求。5.98.6243maxnns 6.3 掩护梁强度校核6.3.1 掩护梁受力情况掩护梁的受力分析如图 6.3 所示处理后的力学模型由受力图可以看出掩护梁的危险截面在前连杆与掩护梁铰接处,故需校核此危险截面的弯曲强度。此处截面的弯曲强度为: 5.143.0sin58sin6max GFM2mkN图 6.3 掩护梁受力分析图主顶梁做成等断面箱式结构,在最大弯矩处的断面如图 6.4 所示:大学学士学位论文51图 6.4 最大弯矩断面图6.3.2 掩护梁强度计算(1)形心位置各板件计算数据如表 6.3 所示:表 6.3 掩护梁板件数据件号 1 2 3 4 5 6 7数量 1 2 4 2 1 2 2面积cm2 151.2 90.88 79.6 68.8 21.5 40 40形心位置 cm 0.6 8.2 14.6 15.3 15.3 28.6 27.6结构件的形心位置为: Fync)(代入数据得: 13.3cmc(2)惯性矩2)(yJcnn 123abJn4cm将数据代入公式,算得总惯性矩为:3.81.93657.8.3697.10.854.20 nZ大学学士学位论文52=58210.3 4cm(3)弯曲应力kN/4.5903.58210).67(.4)6.37(maxax zcJyM 2cm6.3.3 安全系数钢板材料选取 16Mn,s =34335 KN/ 2c满足强度要求。7.54903maxnns6.4 底座强度校核6.4.1 底座受力情况底座通过立柱,前后连杆支撑支架的顶梁及掩护梁,是支架的主要承压部件,主要对其压力强度进行校核,基本不受弯矩影响。底座的受力分析见图 6.5 示。(a)底座受力图大学学士学位论文53(b)底座弯矩图图 6.5 底座受力情况图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出,由得0M 0cossinsinsincos321 DCCBBA PHpplPHplR 由上式求得前端的支反力为1)最高位置时的情况:)cossinsinsicos( 321 DCCbBbBA PPlplR = ooo 5i397.015i2.01539.8 8cs4.sin604.=1590.42 mkN=1748.45BABPHLRMsi)(21mkNCBbB PHllC cossinco)(33 = oo 5cs39604.9.1735c)9.01.4590 =1404.82 mkN .487os58.cosDDPHMmkN大学学士学位论文54在最低位置时的情况: oooAR 13sin97.028sin31.028cs319.(82 =1296.46c54.in604. mkNBM9k ooC 13cs9604.8.312cs.0321.29 653mkN7.cosDDPHk表 6.4 相应位置对应的弯矩弯矩位置Mb KNm Mc KNm最高位置 1748.5 1404.8最低位置 1599 1239.7由表 6.4 中可知,最大弯矩发生在立柱的柱窝处。但是柱窝处专门焊接了柱窝,断面加强。危险断面在离柱窝中心 250mm 处,如图 6.6 所示。该处弯矩为 98.124.5901.5. ARMmkN图 6.6 柱窝结构示意图最大弯矩处截面如图大学学士学位论文55图 6.7 底座最大弯矩箱体结构图材料数据表 6.5 材料数据件号 厚度 钢号 2cmN1 钢板 40 16Mn 343352 钢板 20 14MnTiRe 451263 钢板 20 14MnTiRe 45126形心位置计算数据列于表 6.6 中表 6.6 形心位置件号 1 2 3件数 4 1 1Fn 2cm80 268 268Jn 3105.60 60Yn 2c0 9.2 9.2结构的形心位置为结构的对称轴线。其惯性距为)(2nyFJ= 3105.42.968.2大学学士学位论文5640.5170.53672cm弯曲应力 故225 /345/8.32904.17982 cmNcNJMy sc 满足要求。6.5 立柱强度校核立柱的强度校核包括立柱的稳定性验算,活柱,加长杆和缸体的强度验算。6.5.1 预算缸筒内径和缸壁厚度采用乳化液泵的压力为 31.4MPa。经以上立柱参数的计算确定:缸内径为 230mm,材料为 27SiMn 无缝钢管, 。安全系数选取 1.5,2s/N835cm许用应力 。缸壁厚度为:2/5917./8 cmN=0.7cm)3.40(23pd式中 p缸内压力, 。2233 /8016Pc我国液压支架一般用 27SiMn 无缝钢管做缸筒和立柱。考虑到缸口要车槽、台阶或螺纹等,应选较厚的管壁。取壁厚为 21.5mm。6.5.2 计算重叠长度大学学士学位论文57最小导向长度为: m2153012d0LH3式中 L液压行程,根据立柱长度需要,液压行程为 1000mm。考虑了活塞厚度和导向长度,取重叠长度为 228mm。为了使立柱结构简单一些,立柱采用单伸缩加加长杆的结构。在计算加长杆作为伸缩活柱,因此,按双伸缩立柱计算。立柱结构尺寸表示如图6.8(a、b) 。计算数据列于表 6.7 所示:P=1600KN 2211cm5.4dFl1=95.5cm 22 7.94)(l2=239.5cm 4411c53d6Jl3=122.5cm 22 m07)(l=356.1cm 4433 c159d6J)(a1=11cm 0.EJPk11a2=22.8cm cm4.22cm05.21EJPk10.333.p=3800N/cm2025.4 6/N10.cmd1=180mm d3=230mm大学学士学位论文58d2=210mm d3=273mmd2=179mm (a)立柱受力情况图 6.8(b)立柱等价受力图6.5.3 各段的弯矩)cossin()(M111 xkBxkAPX1,0l222DC,23)cossin()( 333 xkHxkG,0l其中各系数的计算如下,假设立柱受一轴向力 P,没有横向力,不偏载,即 e1=e2=0。大学学士学位论文59sink1l1=0.4848 cos k1l1=0.8746sink2l2=0.8315 cosk2l2=0.5554sink3l3=0.2662 cosk3l3=0.9639sink2l3=0.4813 sink2l3=0.8765045.a11 013.a249.sinklco lcsk lin1212 0. o1 6.sinklco lcsk lin32332018.i ok67.092.18.049. 914.0sin)()cossin( ci( 122 31lklkl lkA7.in31 C98.0)()ssi(132 lklkD42.)sin-( sink)cosink-icoG3 32332 l lll 6.5.4 加长杆强度核算最大弯矩所在位置为: 5.9l2710653.2PEJ2X111 大学学士学位论文60由上式知道最大弯矩发生在 l1处。最大弯矩为:Ncm6.7148.097.60PAsinklM1max )(加长杆内的应力由于轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力,即:2331ax1 cm/N.5912.5.24JdFP加长材料选用 45 号钢, 。2sc/6安全系数: n=1.47.452931n1s故满足强度要求。6.5.5 活柱强度核算油缸的挠度 计算1coslP2Galm10121式中活塞杆与导向套处的最大配合间隙, =0.1353 ;11cm活塞与缸体的最大配合间隙, =0.11 ;2 2活塞杆头部销孔中心至最大饶度处的距离, ;1l c缸底尾部销孔中心至最大饶度处的距离, ;2 m缸体全部外伸时,液压缸两端销孔间的距离, ;l c活塞杆的最大推力,即立柱的工作阻力, ;mP kN活塞杆全部伸出时,导向套前端到活塞滑动面末端的距离;a大学学士学位论文61液压缸的重力, ; = = ;0GkN0Gmg6.310kN立柱轴线与水平面的夹角; = 。75把以上数据代入公式中得:cm4.075cos.326109.5.3268.9)105.(1 最大弯矩所在位置为: =239.541067.2PEJX32 2l由上式可知活柱的最大弯矩发生在 处,即加长杆与活柱发生初折曲2l的地方。活柱的最大弯矩为:Ncm6.71lMlmax12max)()(活柱内的应力为由于轴向力形成的压力和弯曲形成的弯曲应力,即:活2332max2 cm/N3.1852760.7.9406JdFP柱选用 27SiMn 无缝钢管, 。s/N85cm安全系数: n=1.4.431sn故活柱满足强度要求。6.5.6 缸体强度核算最大弯矩发生的地方为: 5.12l.65106329.2PEJ2X333 由上式知道,缸体最大弯矩发生在 l3处,即活柱与缸体发生初曲折的大学学士学位论文62地方。最大弯矩为:kNcm6.5712.0341.6PGsinklM33max l)(缸体内壁三个应力为: 2r3/N80pc 222333 /4.1657)30(1)(1 cmNdt 23max30 /1.475296.7JMc按第四强度理论进行验算,即: 22t3r230230 /4.967)()(21 cmNrt )( 安全系数: n=3.36.49785sn故缸体满足强度要求。6.5.7 立柱的稳定裕量验算为了简化计算,把加长杆作为活柱的一部分,这样就相当与单伸缩立柱,因此,则: 617.03529J163.0.35).129(.)(l1 l大学学士学位论文63由图 6.9 查得 。4.0图 6.9 关系图临界载荷为: k
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