礦用液壓支架設(shè)計

礦用液壓支架設(shè)計,液壓,支架,設(shè)計 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 摘 要 本論文主要闡述了一般掩護式液壓支架的設(shè)計過程。設(shè)計內(nèi)容包括：選架型、總體設(shè)計、主要零部件的設(shè)計、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設(shè)計。 由于該煤層厚度適中，選用掩護式液壓支架。煤層厚度介于之間，煤層厚度變化較大，選用調(diào)高范圍大且抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。支架采用正四連桿機構(gòu)，以改善支架受力狀況。頂梁、掩護梁、底座均做成箱體結(jié)構(gòu)；立柱采用雙伸縮作用液壓缸，以增加工作行程來滿足支架調(diào)高范圍的需要。推移千斤頂采用框架結(jié)構(gòu)，以減少推溜力和增大移架力。為了提高移架速度，確保對頂板的及時支護，采用錐閥液壓系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：液壓支架 液壓 四連桿機構(gòu) 采煤 支架選型 推溜 移架 - III - 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 Abstract The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design. Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the 2.5~3.8 rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system. Key word: The hydraulic pressure support , hydraulic pressure , four-link mechanism , mining coal, support shaping push forwards the conveyer, advancing the powered support. 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 目 錄 1 概述 1 1.1 液壓支架的組成和分類 1 1.1.1液壓支架的組成 1 1.1.2液壓支架的分類 2 1.2液壓支架的工作原理 2 1.3 液壓支架的支護方式 5 1.4支架選型的基本參數(shù) 6 1.4.1 對液壓支架的基本要求 6 2 液壓支架的總體設(shè)計 ７ 2.1 液壓支架的選型 ７ 2.2 液壓支架參數(shù)的確定 ９ 2.2.1 支護強度和工作阻力 ９ 2.2.2 初撐力 ９ 2.2.3 移架力與推溜力 １０ 2.2.4 支架調(diào)高范圍 １０ 2.2.5 中心距和寬度的確定 １１ 2.2.6 底座寬度 １１ 2.3 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 １２ 2.3.1 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 １２ 2.3.2 其他附屬設(shè)備的配套 １２ 2.4 四連桿機構(gòu)設(shè)計 １３ 2.4.1 四連桿機構(gòu)的作用 １３ 2.4.2 用優(yōu)選設(shè)計法設(shè)計四連桿機構(gòu) １４ 2.5 頂梁長度的確定 １９ 2.6立柱及柱窩位置的確定 ２０ 2.7平衡千斤頂位置的確定 ２４ 2.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 ２４ 2.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 ２５ 2.8其它千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 ２７ 2.8.1 推移千斤頂技術(shù)參數(shù) ２７ 2.8.2 側(cè)推千斤頂技術(shù)參數(shù) ２７ 2.8.3 前梁千斤頂技術(shù)參數(shù) ２７ 2.8.4 護幫板千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù) ２８ 3 液壓支架受力分析和計算 ２９ 3.1 受力分析計算 ２９ 3.2 支護強度計算 ３０ 3.3 底座比壓的計算 ３０ 4 液壓支架的主要部件的設(shè)計 ３２ 4.1 前梁 ３２ 4.2 主頂梁 ３２ 4.3 掩護梁 ３３ 4.4 前、后連桿 ３４ 4.5 底座 ３５ 4.6 立柱 ３６ 4.7 千斤頂 ３７ 4.7.1 推移千斤頂 ３７ 5 主要零、部件的強度校核 ３９ 5.1校核的基本要求 ３９ 5.2前梁強度校核 ４０ 5.2.1 前梁受力情況 ４０ 5.2.2 前梁強度計算 ４１ 5.3 主頂梁強度校核 ４３ 5.3.1 主頂梁受力情況 ４３ 5.3.2 主頂梁強度計算 ４４ 5.4 掩護梁強度校核 ４６ 5.4.1 掩護梁受力情況 ４６ 5.4.2 掩護梁強度計算 ４６ 5.5 底座強度校核 ４８ 5.5.1 底座受力情況 ４８ 5.5.2 底座強度校核 ４９ 5.6 立柱強度的校核 ５０ 5.6.1 立柱穩(wěn)定性校核 ５０ 6 液壓系統(tǒng) ５３ 6.1 液壓支架的液壓系統(tǒng)的簡介 ５３ 6.1.1 液壓支架傳動系統(tǒng)的基本要求 ５３ 6.1.2 液壓支架的液壓傳動特點 ５３ 致 謝 ５５ 參考文獻 ５６ IV 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 1 概述 1.1 液壓支架的組成和分類 1.1.1液壓支架的組成 液壓支架是綜采工作面支護設(shè)備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設(shè)備。 液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。液壓支架按其結(jié)構(gòu)特點和與圍巖的作用關(guān)系—“般分為三大類，即支撐式、掩護式(圖1-2)和支撐掩護式(圖1-3) 根據(jù)支架各部件的功能和作用，其組成可分為4個部分： (1) 承載結(jié)構(gòu)件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。 (2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各種動作，產(chǎn)生液壓動力。 (3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。 圖1-2 掩護式液壓支架結(jié)構(gòu) 圖1-3 支撐掩護式液壓支架結(jié)構(gòu) (4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動側(cè)護板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。 1.1.2液壓支架的分類 按液壓支架在采煤工作面的安置位置來劃分，有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。 中間液壓支架按其結(jié)構(gòu)形式來劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式。 1.2液壓支架的工作原理 液壓支架在工作過程中必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來實現(xiàn)完成的。如圖1-5示 1. 升柱 當(dāng)需要支架上升支護頂板時。高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。 2. 降柱 當(dāng)需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。 圖1-5 液壓支架工作原理 -頂梁 -立柱 -底座 -推移千斤頂 -安全閥 -液控單向閥 、-操縱閥 -輸送機 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管 3. 支架和輸送機前移 支架和運輸機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成的。當(dāng)需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當(dāng)需要推運輸機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點，是活塞桿伸出，把運輸機推向煤壁。 支架的支撐力與時間曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-6所示： 支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可分為三個階段 -初撐階段； -增阻階段； -恒阻階段；-初撐力；-工作阻力 （1）初撐階段 支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的夜控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段， 此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支撐式支架的初撐力為 (1.1) 圖1-6 支架的工作特性曲線 式中 --支架立柱的缸徑，； --泵站的工作壓力，； --支架立柱的數(shù)量。 由上式可知，支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。 （2）承載增阻階段 支架初撐后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段。 （3）恒阻階段 隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調(diào)正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。此時支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。支撐式支架的工作組力為 (1.2) 式中 --支架安全閥的調(diào)定壓力 ； 支架的工作阻力標(biāo)志著支架的最大承載能力。 對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。 支架的工作阻力是支架的一個重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，常用單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即 (1.3) 式中 —支架的支護面積，。 1.3 液壓支架的支護方式 綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關(guān)系。 1 即時支護 —般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機”的配套關(guān)系。即時支護的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護方式。 2 滯后支護 一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短。可用于穩(wěn)定、完整的頂板。 3 復(fù)合支護 —般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。 復(fù)合支護的特點是：支護滯后時間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)?？蛇m用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應(yīng)高產(chǎn)高效要求，目前應(yīng)用較少。 1.4支架選型的基本參數(shù) 1.4.1 對液壓支架的基本要求 1. 為了滿足采煤工藝及地質(zhì)條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。 2. 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為,中厚煤層一般為,厚煤層一般為。 3. 防矸性能要好。 4. 排矸性能要好。 5. 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。 6. 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈? 7. 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。 8. 支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。 9. 要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定得不均勻載荷和沖擊載荷。 10. 滿足強度條件下，盡可能的減輕支架重量。 11. 要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡單。 12. 液壓元件要可靠。 ２９ 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 液壓支架的總體設(shè)計 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 2 液壓支架的總體設(shè)計 2.1 液壓支架的選型 正確選擇液壓支架的架型，對于提高綜采工作面的產(chǎn)量和效率，充分發(fā)揮綜采設(shè)計的效能，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，是一個很重要的因素。在具體選擇架型時，首先要考慮煤層的頂板條件。表2-1是根據(jù)國內(nèi)外液壓支架的使用經(jīng)驗，提出了各種頂板條件下適用的架型，它是選擇支架的主要依據(jù). 由于給定參數(shù)中頂?shù)装嫘再|(zhì)：老頂I級、直接頂2級，底板平整，無影響支架通過的斷層，初步選擇為掩護式支架。 1 煤層厚度 煤層厚度不但直接影響到支架的高度和工作阻力，而且還影響到支架的穩(wěn)定性。當(dāng)煤層厚度大于(軟煤層下限，硬煤層上限)時，應(yīng)選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。當(dāng)煤層厚度變化較大時，應(yīng)選用調(diào)高范圍大的支架。因此本次設(shè)計應(yīng)選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。 2 煤層傾角 煤層傾角主要影響支架的穩(wěn)定性、傾角大時易發(fā)生傾倒下滑等現(xiàn)象。當(dāng)煤層傾角大于時，應(yīng)設(shè)防滑和調(diào)架裝置，當(dāng)傾角超過時，應(yīng)同時具有防滑防倒裝置。給定煤層傾角，不用設(shè)置防滑和調(diào)架裝置。 3 底板性質(zhì) 底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架地做的結(jié)構(gòu)和支撐面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓，其值要小于底板允許比壓（對于砂巖底板，允許比壓為,軟底板為左右） 4 瓦斯涌出量 對于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通風(fēng)斷面應(yīng)滿足通風(fēng)的要求，選型時要進行驗算。 表2-1 老頂級別 I II III IV 直接頂級別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架類型 掩護式 掩護式 支 撐 式 掩護式 掩護式或支撐掩護式 掩 護 式 支撐掩護式 支撐掩護式 支撐或支撐掩護式 支撐或支撐掩護式 支撐式 采高 小于 2.5m時 支撐 掩護式 采高 大于 2.5m時 支架支護強度 采高 1 2 3 4 0.294 0.343（0.245） 0.441（0.343） 0.539（0.441） 1.30.294 1.30.343（0.245） 1.30.441（0.343） 1.30.539（0.441） 1.60.294 1.60.343 1.60.441 1.60.539 〉20.294 〉20.343 〉20.441 〉20.539 應(yīng)結(jié)合 深孔爆破 ，軟化頂板 等措施 處理采空區(qū) 單體支柱支護強度 采高 1 2 3. 0.147 0.245 0.343 1.30.147 1.30.245 1.30.343 1.60.147 1.60.245 1.60.343 按采空區(qū)處理方法確定 注：①括號內(nèi)的數(shù)字是掩護式支架的支護強度。表中所列支護強度在選用時，可根據(jù)本礦情況允許有5%的波動范圍。 ②表中1.3、1.6、2分別為II、III、IV級老頂?shù)姆旨壴鰤合禂?shù)；IV級老頂只給出最低值2，選用時可根據(jù)本礦實際確定適宜值。 2.2 液壓支架參數(shù)的確定 2.2.1 支護強度和工作阻力 支護強度取決于頂板性質(zhì)和煤層厚度。支護強度可根據(jù)下列公式估算： （2.1） 式中K—作用與支架上的頂板巖石系數(shù)，一般取。頂板條件好、周起來壓不明顯時取下限，否則取上限； H—采高， γ—頂板巖石密度，一般為 放頂煤支架的支護強度一般為 支架工作阻力P應(yīng)滿足頂板支護強度的要求，即支架工作阻力由支護強度和支護面積所決定。 （2.2） 式中 F—支架的支護面積，可按下式計算 2.2.2 初撐力 初撐力的大小是相對與支架的工作阻力而言，并與頂板的性質(zhì)有關(guān)。較大的初撐力可以使支架較快地達到工作阻力，防止頂板過早的離層，增加頂板的穩(wěn)定性。對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，為了維護機道上方的頂板，應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的80%；對于穩(wěn)定頂板，初撐力不宜過大，一般不低于工作阻力的60%，對于周期來壓強烈的頂板，為了避免大面積的垮落對工作面的動載威脅，應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的75%。 2.2.3 移架力與推溜力 移架力與支架結(jié)構(gòu)、噸位、支撐高度、頂板狀況是否帶壓移架等因素有關(guān)。一般薄煤層支架的一架力為;中等厚度煤層支架為;厚煤層為。推溜力一般為. 2.2.4 支架調(diào)高范圍 支架最大結(jié)構(gòu)高度 (2.5) 支架最小結(jié)構(gòu)高度 (2.6) 式中 、—煤層最大、最小采高 —偽頂冒落的最大厚度，一般取 —頂板周期來壓時的最大下沉量、移架使支架的下降量和頂梁上、底座下的浮矸、煤層厚度之和，一般取 確定支架的最低高度時還應(yīng)考慮到井下的允許運輸高度。 支架的伸縮比 （2.7） 值的大小反映了支架對煤層厚度變化的適應(yīng)能力，其值越大，說明支架適應(yīng)煤層厚度變化的能力越強，采用單伸縮立柱，值一般為1.6左右。若進一步提高伸縮比，需采用帶機械加長桿的立柱或雙伸縮立柱，其值一般為2.5左右。薄煤層厚度可達。由于又考慮到煤層厚度較高，初選雙伸縮立柱。 2.2.5 中心距和寬度的確定 支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。目前國內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用.大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用，輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用。因此設(shè)計中預(yù)取1.5m。 2.2.6 底座寬度 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計支架的底座長度時，應(yīng)考慮如下諸方面： 支架對底板的接觸比壓要?。恢Ъ軆?nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作和行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距一個移架步距為，即左右；支撐掩護式支架的底座長度取4倍的移架步距，即左右。 2.3 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 2.3.1 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 綜采工作面采煤機、液壓支架和輸送機之間在性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、空間尺寸及相互連接等方面，有著嚴(yán)格的配套要求，以保證綜采工作面的最大生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)的要求。 （1）生產(chǎn)能力的配套 （2）性能配套 （3）幾何關(guān)系的配套 2.3.2 其他附屬設(shè)備的配套 煤層傾角大于時，采用鏈牽引的采煤機應(yīng)設(shè)置防滑裝置；當(dāng)傾角大于時應(yīng)安裝防滑絞車，輸送機應(yīng)設(shè)置防滑錨固裝置，支架也應(yīng)有防倒防滑和調(diào)架裝置；而對于大采高工作面設(shè)備，煤層傾角大于時，即應(yīng)設(shè)防滑裝置。 落煤塊度過大時，工作面轉(zhuǎn)載機上應(yīng)設(shè)置破碎裝置。 本設(shè)計采用配套 液壓支架 北京煤機廠 采煤機 刮板運輸機： 2.4 四連桿機構(gòu)設(shè)計 2.4.1 四連桿機構(gòu)的作用 四連桿機構(gòu)是掩護式支架和支撐掩護式支架的最重要部件之一。其作用概括起來主要有兩個：其一是當(dāng)支架由高到低變化時，借助四連桿機構(gòu)使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。 為了掌握四連桿機構(gòu)的設(shè)計方法，必須正確理解四連桿機構(gòu)的作用。下面通過四連桿機構(gòu)動作過程的幾何特征進一步闡述其作用。這些特征是四連桿動作過程的必然結(jié)果。 1.支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時，頂梁端點運動軌跡的最大寬度，最好為以下； 2.支架在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，應(yīng)滿足如下要求： 支架在最高位置時，，；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求，如果剛和矸石的摩擦系數(shù)，則，為了安全可靠，最低工作位置應(yīng)使為宜。而角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取,在特殊情況下需要角度較小時,可提高后連桿下鉸點的高度； 3.掩護梁與頂梁鉸點和瞬心中心間的只限于水平線夾角,滿足。原因是角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。 4.應(yīng)取頂梁前端點運動軌跡雙紐線向前凸的一段為支架工作段，如圖2—2所示的h段。 圖2—2所示 其原因為當(dāng)頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板防止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應(yīng)減小，所以減輕了掩護梁的外負(fù)荷。 2.4.2 用優(yōu)選設(shè)計法設(shè)計四連桿機構(gòu) 目標(biāo)函數(shù)的確定：令支架由高到低時，頂梁前端運動軌跡近似呈斜線；這樣比用直線作為目標(biāo)函數(shù)的雙紐線的上半部分要長。 四連桿機構(gòu)的設(shè)計通過程序來計算和驗證，程序編制如下所示： Private Sub Command1_Click() Dim h1, h2 As Double '支架最高，最低計算高度 Dim p1 As Double '支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角 Dim q1 As Double '支架在最高位置時，后連桿與底座平面夾角 Dim i As Double '后連桿與掩護梁的比值 Dim i1 As Double '前后連桿上鉸點之距與掩護梁的比值 Dim g As Double '掩護梁長度 Dim a As Double '后連桿長度 Dim b As Double '前后連桿上鉸點之距 Dim f As Double '前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距 Dim b1, b2, b3 As Double Dim c As Double '前連桿長度 Dim d As Double '前連桿下鉸點高度 Dim e As Double '前后連趕下鉸點在底座上的投影距離 Dim a1, q2, o1, l As Double Dim s As Double h1 = Val(Text1.Text) h2 = Val(Text2.Text) For p1 = 0.91 To 1.08 Step 0.034 For q1 = 1.31 To 1.48 Step 0.034 For i = 0.61 To 0.82 Step 0.042 For i1 = 0.22 To 0.3 Step 0.02 g = h1 / (Sin(p1) + i * Sin(q1)) a = i * g b = i1 * g f = g - b e1 = g * Cos(p1) - a * Cos(q1) X1 = f * Cos(p1) Y1 = h1 - f * Sin(p1) q2 = 0.436 p2 = Atn(Sqr(Abs(g * g - (e1 + a * Cos(q2)) ^ 2)) / (e1 + a * Cos(q2))) X2 = f * Cos(p2) Y2 = b * Sin(p2) + a * Sin(q2) p3 = 3.14 / 2 - Atn(a / g) - Atn(e1 / Sqr(g * g + a * a - e1 * e1)) q3 = 3.14 / 2 - p3 x3 = f * Cos(p3) y3 = b * Sin(p3) + a * Sin(q3) m = x3 * x3 - X1 * X1 + y3 * y3 - Y1 * Y1 n = X2 * X2 - x3 * x3 + Y2 * Y2 - y3 * y3 t = 2 * ((x3 - X1) * (Y2 - y3) - (y3 - Y1) * (X2 - x3)) xc = (m * (Y2 - y3) - n * (y3 - Y1)) / t yc = (n * (x3 - X1) - m * (X2 - x3)) / t c = Sqr((X1 - xc) ^ 2 + (Y1 - yc) ^ 2) o = c / a If o > 0.9 And o < 1.2 Then d = yc e = e1 - xc x4 = e1 + a * Cos(q1) y4 = a * Sin(q1) x5 = e1 y5 = 0 k1 = (Y1 - yc) / (X1 - xc) c1 = Atn(k1) k2 = (y4 - y5) / (x4 - x5) x6 = (k1 * X1 - Y1 - k2 * x4 + y4) / (k1 - k2) y6 = k1 * (x6 - X1) + Y1 l = x6 s = h1 - y6 u = s / l If u < 0.2 And u > 0 And d < h1 / 5 And e < h1 / 4.5 Then Label3.Caption = "掩護梁與頂梁鉸點至瞬心和底座平面夾角的正切值 " & u & " 支架在最高位置時，后連桿與底座平面夾角" & q1 * 180 / 3.14 & "弧度" & " 后連桿長度" & a & "米" & " 前后連桿上鉸點之距" & b & "米" & "前連桿長度" & c & "米" & "前連桿下鉸點高度" & d & "米" & " 前后連趕下鉸點在底座上的投影距離" & e & "米" & " 前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距" & f & "米" & "支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角" & p1 & "弧度" & " 掩護梁長度" & g & "米" & " 支架在最高位置時，前連桿與底座平面夾角" & c1 & "弧度" & "s=" & s & "米" & " l=" & l & "米" End If End If Next i1 Next i Next q1 Next p1 End Sub 輸入初始值，程序運行結(jié)果如下： 圖2-3 這樣，四連桿機構(gòu)的幾何長度及最高最低位置時對應(yīng)的夾角就確定。該四連桿機構(gòu)不僅能滿足工作高度的要求，而且在支架下降時，頂梁前端向前傾斜，這樣有利于改善支架的受力狀況。 2.5 頂梁長度的確定 為防止當(dāng)采煤機向支架內(nèi)傾斜時，采煤機滾筒不切割頂梁在設(shè)計時要求頂梁前端距煤壁最小距離為 參照三機配套 液壓支架 北京煤機廠 采煤機 刮板運輸機： 由于選擇掩護式支架，b的長度按下式計算 （2.11） 式中 ―人行道寬度不小于0.6m ―立柱傾角 ―支架高度 頂梁全長 式中―柱窩到鉸接軸的距離，通常取 圖2-4 經(jīng)上式計算，頂梁長度預(yù)取 此外應(yīng)注意采用及時支護方式，即先移架后推溜，因此要求頂梁有較大長度 2.6立柱及柱窩位置的確定 1. 立柱數(shù) 2根 2. 支護方式 支護時立柱均前傾立柱在最低位置時與頂梁垂線的夾角最大 3. 立柱間距 立柱間距的選取原則為：有利于操作，行人和部件的和理布置。前后兩排立柱間距一般取。 4. 立柱的設(shè)計 （1）支護面積 支架的支護面積按下式計算： (2.12) 故： （2）支護強度 支護強度的計算可借助于查表。首先按表根據(jù)老頂級別和直接頂類別確定支架架型，再根據(jù)名頂級別和采高確定支護強度。由于實際最大采高不—定正好和表中所列采高相同，所以要用插值法重新計算。 (2.13) 代入數(shù)據(jù)得： 立柱參數(shù)的確定： 假設(shè)立柱的傾角小于，現(xiàn)取傾角為則 (2.14) 式中： —立柱內(nèi)徑（） —理論支護阻力（） —每跟立柱數(shù) —立柱最大傾角（） —安全閥的調(diào)整壓力，取型 按照國家標(biāo)準(zhǔn)選取比計算直大的標(biāo)準(zhǔn)值作為內(nèi)徑，選取立柱的基本參數(shù)為： 缸體內(nèi)徑： 活柱外徑： 工作阻力： 額定工作壓力： 推薦選用鋼材： 鋼材規(guī)格： 由支架的 由國家標(biāo)準(zhǔn)選取立柱行程。 5. 立柱的初撐力和泵站的額定工作壓力 立柱的初撐力 (2.15) 取作為泵站的額定工作壓力，考慮到從泵站到支架的壓力損失，根究一般的經(jīng)驗的泵站乳化液到支架的壓力一般為。但對于只考慮支架的設(shè)計來說一般都把泵站壓力做為計算初撐力的壓力。 安全閥的調(diào)整壓力和立柱的實際工作壓力 安全閥的調(diào)整壓力 (2.16) 式中： 由用安全閥的調(diào)整壓力為，則立柱的工作阻力: 6. 立柱柱窩位置的確定 （1）上柱窩位置的確定 確定的原則： ①根據(jù)支撐力分布與頂板載荷相一直的原則，通過受力分析計算，確定柱窩合力作用點的位置。 ②根據(jù)前后立柱間行人及初撐力的均勻分布的要求，初步確定前后立柱間的距離為 ③考慮到支撐效率，立柱的傾角不宜太大，最高位置時立柱傾角不小于。取頂梁為分離體，受力情況如圖： 圖2-5 對A點有 其中 則有 取 則由立柱的傾角和兩立柱間的距離可以確定各個柱窩的位置。 支架整體尺寸結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖2-6 2.7平衡千斤頂位置的確定 掩護式支架中平衡千斤頂?shù)耐屏屠τ嬎?，平衡千斤頂位置?yīng)按如下方法計算確定： 2.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 為了保證支架工作的可靠性，支架的支撐力分布（包括立柱的支撐力和平衡力千斤頂?shù)耐屏屠Φ龋?，必須適應(yīng)頂板載荷分布。當(dāng)立柱的上、下柱窩位置確定后，就可以根據(jù)頂板載荷分布來確定平衡千斤頂?shù)奈恢茫F(xiàn)按兩種情況進行分析。 當(dāng)頂梁前端出現(xiàn)空頂時，頂梁后端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受拉，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點位置在頂梁后端0.27倍頂梁長度出來進行計算。 當(dāng)頂梁后端出現(xiàn)空頂時，頂梁前端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受推，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點位置在頂梁后端0.35倍頂梁長度處進行計算。 2.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 取頂梁和掩護梁為分離體 （如圖2-7示） (2.17) 取頂梁為分離體為： 圖2-7 按下式進行計算： （m） (2.18) 平衡千斤頂在拉力時，取;平衡千斤頂在推力時，取 (2.19) 式中為頂梁長度。 （1） 平衡千斤頂?shù)男谐逃嬎? 為了防止平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或平衡千斤頂本身拉壞，對平衡千斤頂?shù)男谐逃腥缦乱螅寒?dāng)支架在最高位置時，頂梁能下擺；支架在最低位置時頂梁能上擺，或頂梁和掩護梁近似成。為簡化計算，取如下兩種情況：假設(shè)平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部伸出時頂梁和掩護梁成；平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部縮回時，支架恰好在最高位置。 （2） 平衡千斤頂在掩護梁上位置的確定 平衡千斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護梁上的位置 (2.20) 式中 —當(dāng)活塞全部縮回后，缸體上鉸墊支活塞上部之距。 —當(dāng)活塞桿全部縮回時，活塞桿鉸點至活塞腔出油孔中心線之距。 (2.21) 通過和的計算，平衡千斤頂在掩護梁上的位置就確定了。 2.8其它千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 2.8.1 推移千斤頂技術(shù)參數(shù) 桿徑 推力 拉力 泵壓 由采煤機規(guī)格，推移步距為,則推移千斤頂步距為,參照資料規(guī)定選行程為 2.8.2 側(cè)推千斤頂技術(shù)參數(shù) 選取側(cè)推千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)如下 缸徑 桿徑 推力 拉力 行程 2.8.3 前梁千斤頂技術(shù)參數(shù) 參照平衡千斤頂?shù)募夹g(shù)特性，選取前梁千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)如下 缸徑 桿徑 推力 拉力 行程 2.8.4 護幫板千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù) 選取護幫板千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)如下： 缸徑 桿徑 推力 拉力 行程 02  02 3 液壓支架受力分析和計算 當(dāng)支架撐緊在頂板和底座之間時，選取整體或一部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此簡化為平面桿系進行受力計算。 3.1 受力分析計算 掩護梁上沒有負(fù)載，摩擦系數(shù)為，支架在最高位置時，每根立柱的工作支撐力為，支架的整體受力如下圖所示： 3-1支架總體受力圖 支架的工作阻力為： （3.1） 頂梁集中受力點距頂梁后鉸點的距離為： （3.2） 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 3 液壓支架受力分析和計算 當(dāng)支架撐緊在頂板和底座之間時，選取整體或一部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此簡化為平面桿系進行受力計算。 3.1 受力分析計算 掩護梁上沒有負(fù)載，摩擦系數(shù)為，支架在最高位置時，每根立柱的工作支撐力為，支架的整體受力如下圖所示： 3-1支架總體受力圖 支架的工作阻力為： （3.1） 頂梁集中受力點距頂梁后鉸點的距離為： （3.2） 前后連桿受力為： （3.3） 由上式得“-”號，表示前連桿受力方向與圖示相反，即前連桿受拉力； （3.4） 由上式得“-”號，表示前連桿受力方向與圖示相反，即前連桿受壓力。 3.2 支護強度計算 支架的外載荷已經(jīng)確定，支架的實際支護強度為： （3.5） 誤差 滿足誤差要求 3.3 底座比壓的計算 底座與底板的接觸面積為： （3.6） 則底座的平均比壓： （3.7） 4 液壓支架的主要部件的設(shè)計 4.1 前梁 前梁為由鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，前面連接護幫板，后面與主頂梁鉸接，下部焊有耳座連接前梁千斤頂，可上下擺動。前梁前后銷孔中心之間的距離為，寬度為，厚度為，與前梁千斤頂鉸接的耳座孔孔徑為，前部也焊有與護幫板千斤頂鉸接的耳座。主筋為的鋼板，加強板為的鋼板。結(jié)構(gòu)如下圖4-1所示 圖4-1 前梁 4.2 主頂梁 頂梁（圖4-2）后面與掩護梁鉸接，下面由立柱支撐，上與頂板直接接觸，做成箱體結(jié)構(gòu)，不但要滿足一定的剛度和強度的要求，還要適應(yīng)頂板的不平整性，避免局部應(yīng)力過大而損壞。頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。一般前、后柱窩斷面為最危險斷面，斷面安全系數(shù)， 它可多次反復(fù)支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側(cè)護板，一側(cè)裝有側(cè)推千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸石及調(diào)節(jié)支架間距。 由于選用的掩護式支架，頂梁基本尺寸：長度;寬度，側(cè)護板縮回時；全部伸出時為；上下面厚度；與前梁連接用銷孔直徑,與掩護梁連接用銷孔直徑,安裝前梁千斤頂用銷孔直徑。 圖4-2頂梁 構(gòu)件材料：16鋼板，厚度有16、20、30三種。 結(jié)構(gòu)：采用箱式結(jié)構(gòu)，有鋼板焊接而成。主要有四根主立筋，為加強構(gòu)件的剛度，在上下蓋板之間焊有加強肋，構(gòu)成封閉式棋盤型。在頂梁下焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側(cè)有孔，用銷軸把立柱和頂梁連接起來；頂梁前端有銷孔，通過銷軸與前梁上的銷孔連接起來；頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護梁上的銷孔連接。頂梁腹部前端還焊有耳座用來安裝前梁千斤頂。 4.3 掩護梁 掩護梁下部與前、后連桿相連，下端與尾梁鉸接，還設(shè)有尾梁千斤項的耳座。用于承受部分煤、矸載荷，防止其竄入后輸送機的工作空間，保證支 架、后輸送機正常運行。掩護梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。掩護梁做成箱體結(jié)構(gòu)，尾部有伸縮插板式和在下端鉸接一伸縮尾梁式，它裝有側(cè)護板．作用與頂梁側(cè)護板相同。側(cè)護板的橫向?qū)挾?，要稍大于移架步距，這樣移架時能與不動的鄰架間保持封閉。 掩護梁的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：全長，兩耳座之間的水平距離為，寬，厚，上方用銷軸與頂梁鉸接，尾部用的銷軸與尾梁鉸接，與前連桿鉸接用的銷孔直徑為，與后連桿鉸接用的銷孔直徑為。 圖4-3掩護梁 4.4前、后連桿 連桿分前連桿與后連桿，前連桿有一根，后連桿有兩根，兩端都有銷孔，用于與掩護梁和底座的鉸接，前連桿長，前后銷孔的直徑為，厚，寬，主筋為厚的鋼板，加強板的厚度為；后連桿兩邊中心孔中心之間的距離為，銷孔直徑為，鋼板材料均為，前連桿作為整體式，由左右兩部分焊接而成，后連桿則為單桿機構(gòu)，下圖為前連桿一部分的機構(gòu)圖： 圖4-4 前連桿 4.5底座 底座為整體式剛性底座，四連桿機構(gòu)鉸接在底座后部，在兩內(nèi)主筋中間形成的較高的鉸點位置，這主要是為了形成足夠的后工作空間，在不影響人行通道的基礎(chǔ)上，前、后連桿鉸接點應(yīng)盡量前移。在兩內(nèi)主筋間下部布置有推拉裝置。有四個球面柱窩與立柱缸底相連，在底座側(cè)面靠前位置設(shè)有拉后輸送機千斤頂?shù)目刹鹧b固定耳座。該底座整體性強，穩(wěn)定性好，比壓小。 底座上的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如下： 為方便行人及工作人員操作，立柱距底座前端點的距離為，前連桿與后連桿下鉸點的水平距離為，底座全長，底面寬，中間為安裝推移千斤頂留有推溜槽。 圖4-5 底座 4.6立柱 立柱的結(jié)構(gòu)可如下圖4-6所示，采用單作用、活塞式、雙伸縮的型式。由缸體、活柱、導(dǎo)向套等主要零部件組成。缸體由無縫鋼管加工而成．缸體的下端焊接球形缸底，在缸底上鉆有孔并焊有管接頭作為立柱下腔(活塞下部空腔)的液口。在缸體的上端裝有導(dǎo)向套，它為活柱的上下往復(fù)運動導(dǎo)向。為了防止外部煤塵等臟物隨活柱下縮而進入缸體，在導(dǎo)向套的上端裝有防塵圈，為了防止液體從立柱上腔(活塞上部環(huán)形空間)向外泄漏，在導(dǎo)向套上還裝有蕾形密封圈和O形圈。缸體上部鉆有螺紋孔并焊有管接頭，與上腔相通，作為立柱上腔的液口。 圖4-6 立柱裝配圖 4.7千斤頂 立柱的主要參數(shù)為：內(nèi)徑，桿徑，選用管材為,工作阻力為，初撐力，工作阻力為立柱調(diào)高范圍為 4.7.1 推移千斤頂 (1) 根據(jù)采高可以確定移架力為. 根據(jù)經(jīng)驗，采用泵站時 ，由于沿程阻力損失，傳到支架時油液壓力一般只有左右。 (2) 設(shè)計計算 移架時： （4.1） 所以： （4.2） 由國家標(biāo)準(zhǔn)，選取內(nèi)徑為，外徑為。則，時， 移架力： 所以，移架力矩滿足要求。 由于配套煤機的截深為，去推移千斤頂?shù)男谐虨椤? 缸體外經(jīng)，長度，桿徑。 （2）前梁千斤頂 前梁千斤頂?shù)幕緟?shù)為： 缸徑： 桿徑： 推薦材料規(guī)格：缸 行程。安全閥的調(diào)整壓力：。 （3）護幫板千斤頂 護邦千斤頂?shù)幕緟?shù)： 缸徑： 桿徑： 推薦材料規(guī)格： 缸 桿 110圓鋼 液壓行程 5 主要零、部件的強度校核 5.1校核的基本要求 在液壓支架的研制過程中,個構(gòu)件的強度校核是極為重要的。強度條件以現(xiàn)階段的液壓支架所選用的材料、制造工藝及失效形式等為依據(jù)。 1. 強度校核均以材料的屈服極限計算安全系數(shù)。 2. 結(jié)構(gòu)件、銷軸、活塞桿的屈服極限及強度條件： (1) 個別結(jié)構(gòu)件通常用等普通合金結(jié)構(gòu)鋼。并由具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼板焊接而成。采用鋼。 (2) 主要銷軸均采用等合金結(jié)構(gòu)鋼，現(xiàn)用。 (3) 活柱桿均采用號鋼，取屈服極限 。 (4)結(jié)構(gòu)件、銷軸和活塞桿的強度條件為： (5.1) 3. 剛體材料采用無縫鋼管，取抗拉強度 ，強度條件為： 式中：剛體許用應(yīng)力。 4. 焊條抗拉強度條件為： 式中：按焊條類型來定。 許用擠壓應(yīng)力 。 表5--1 安全系數(shù) 前梁 頂梁 底座 掩護梁 前連桿 N 1.1 1.1 1.1 1.3 1.3 后連桿 主要軸 剛體 焊縫 活塞桿 1.3 1.3 3.3~4 3.3~4 >4 5.2前梁強度校核 5.2.1 前梁受力情況 假定前梁千斤頂缸體內(nèi)徑先按下表標(biāo)準(zhǔn)取為125 表5--2 50 63 80 100 110 125 140 (145) 200 (210) 220 (230) 250 則前梁千斤頂?shù)闹瘟椋? （5.2） 圖5-1 前梁前端受一集中載荷P，其受力圖如上圖所示： 前端集中載荷為： 在斷面A-A處的彎矩為： 前梁做成變斷面箱形結(jié)構(gòu)，A-A斷面如下圖所示： 圖5-2 A-A斷面 5.2.2 前梁強度計算 (1) 形心位置 各板件的計算數(shù)據(jù)如下表所示： 表5--3 件號 1 2 3 4 5 數(shù)量 面積 形心位置 慣性矩 1 138 0.5 11.6 2 16 9 340 1 123 17.5 10 2 74 19.5 4220 4 48 9 1024 結(jié)構(gòu)件的形心位置為： （5.3） (2) 慣性矩 （5.4） = ++ =53790 (3) 彎曲應(yīng)力 （5.5） = (4) 安全系數(shù) 鋼板材料選取16Mn， （5.6） 5.3 主頂梁強度校核 5.3.1 主頂梁受力情況 假設(shè)前梁失去作用，主頂梁受一集中載荷，其受力圖如下圖所示： 由上面求出為3279.3KN，距離鉸接點1661mm,最大彎矩為 圖5-3 主頂梁受力情況圖 主頂梁做成等斷面箱式結(jié)構(gòu)，在最大彎矩處的斷面如下圖所示： 圖5-4 5.3.2 主頂梁強度計算 （1）形心位置 各板件計算數(shù)據(jù)如下表所示： 結(jié)構(gòu)件的形心位置為： （5.7）= 表5--4 件號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 數(shù)量 1 139.2 0.8 29.7 2 73.6 2.4 31.4 2 27.8 11.9 1404.8 4 52.2 11.9 5268 2 18.8 11 1107.4 2 37.1 21.2 5447.7 2 35.2 21.2 5166 2 25.9 21.2 3804 1 30.4 11.2 914.5 (2) 慣性矩 （5.8） (3) 彎曲應(yīng)力 （5.9） (4) 安全系數(shù) 鋼板材料選取16Mn， 5.4 掩護梁強度校核 5.4.1 掩護梁受力情況 由前面已經(jīng)求出在掩護梁上前后連桿的銷軸處受力為2725.9KN和2096.89KN，其受力圖如下圖所示： 圖5-5 掩護梁受力圖 最大彎矩發(fā)生在前連桿處，其值為： 最大彎矩處的斷面表示如下圖所示： 圖5-6 5.4.2 掩護梁強度計算 (1) 形心位置 各板件記算數(shù)據(jù)如下表所示： 表5--5 件號 1 2 3 4 5 數(shù)量 1 1 1 4 2 156 150 175 18 39 0.6 4.4 14.8 14 27 17.2 673.5 2960.1 249.4 14.2 結(jié)構(gòu)件的形心位置： （5.10）