二柱式大采高掩護(hù)式液壓支架設(shè)計(jì)

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1 摘 要 本課題的內(nèi)容是兩柱式掩護(hù)式液壓支架的總體設(shè)計(jì) 液壓支架作為回采工作面的一種支護(hù)設(shè)備 液壓支架在工作過(guò)程中能否取得良好的 支護(hù)效果 取決于支架的架型 結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù) 首先 通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件 Visual Basic 來(lái) 進(jìn)行四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)編程來(lái)確定支架的四連桿機(jī)構(gòu)各桿系的長(zhǎng)度 然后 通過(guò)三維 軟件 Pro ENGINEER 來(lái)進(jìn)行實(shí)體建模 其次 以力學(xué)模型為依據(jù) 分析了液壓支架的頂 梁 掩護(hù)梁上載荷的作用機(jī)理 得到了較為合理的支架載荷的計(jì)算公式 再次 結(jié)合本 次設(shè)計(jì)的支架 從平面上對(duì)支架主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力分析 最后對(duì)支架主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行 強(qiáng)度校核 在完成本設(shè)計(jì)的過(guò)程中 利用理論分析的同時(shí) 也采用了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn) 做到理論 與實(shí)踐相結(jié)合 關(guān)鍵詞 掩護(hù)式支架 四連桿 優(yōu)化設(shè)計(jì) 強(qiáng)度 1 目 錄 1 緒 論 1 1 1 液壓支架的發(fā)展概況 1 1 2 液壓支架的分類(lèi) 2 1 3 液壓支架的組成及工作原理 2 1 4 液壓支架的研究與發(fā)展趨勢(shì) 5 2 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2 1 液壓支架的基本要求 7 2 2 確定液壓支架結(jié)構(gòu)參數(shù) 7 2 3 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 3 液壓支架強(qiáng)度設(shè)計(jì) 24 3 1 液壓支架的受力分析簡(jiǎn)化 24 3 2 支架基本參數(shù) 24 3 3 支架受力分析 28 3 4 支架強(qiáng)度計(jì)算 33 4 液壓控制系統(tǒng) 44 5 液壓支架的三維實(shí)體模型 46 5 1 支架三維實(shí)體建模軟件的選用 46 5 2 支架部件三維實(shí)體模型的建立 46 5 3 支架三維實(shí)體模型的裝配 47 結(jié) 論 49 致 謝 49 參考文獻(xiàn) 50 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒 論 1 1 液壓支架的發(fā)展概況 四十年代初期可彎曲刮板運(yùn)輸機(jī)在西德的推廣 五十年代初期淺截式采煤機(jī)械在英 國(guó)的應(yīng)用 為機(jī)械化采煤開(kāi)辟了廣闊的前景 然而 支護(hù)工作仍為手工操作 勞動(dòng)繁重 效率低 嚴(yán)重影響著工作面機(jī)械效率的發(fā)揮 為了解決這一問(wèn)題 國(guó)外從五十年代初期 著手研制液壓支架 第一個(gè)液壓支架工作面于 1953 在英國(guó)問(wèn)世 爾后 蘇聯(lián) 西德 日 本 法國(guó) 美國(guó) 波蘭和羅馬尼亞等國(guó)家陸續(xù)應(yīng)用和推廣 液壓支架的出現(xiàn) 把回采工作面的支護(hù)技術(shù)從手工支護(hù)發(fā)展到機(jī)械化支護(hù) 液壓支 架和可彎曲刮板運(yùn)輸機(jī) 淺截式采煤機(jī)械 采煤機(jī) 刨媒機(jī) 的配合使用 使回采工藝 過(guò)程 破煤 裝煤 運(yùn)煤和支護(hù)全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化 即所謂綜合機(jī)械化采煤 簡(jiǎn)稱(chēng)綜 采 綜采的出現(xiàn) 是煤炭工業(yè)的一次重大變革 它標(biāo)志著煤炭工業(yè)機(jī)械化大生產(chǎn)的開(kāi)始 綜合機(jī)械化采煤設(shè)備的應(yīng)用 使采煤工作面實(shí)現(xiàn)可高產(chǎn) 高效 安全 低耗的文明生產(chǎn) 使煤炭工業(yè)的面貌發(fā)生可深刻的變化 我國(guó)于 1964 年開(kāi)始研制液壓支架 最早于 1970 年先后對(duì) MZ1928 型 TZI 型 BZZB 型 WKM 400 型 DM 400 型 YZ 型 ZYZ 型多種液壓支架在開(kāi)灤 大同 陽(yáng)泉 鶴壁 徐州淮北等局進(jìn)行了試驗(yàn)和使用 取得了良好的效果 1974 年和 1982 年兩 次分別從德國(guó) 英國(guó) 波蘭 原蘇聯(lián) 日本等國(guó)引進(jìn)了許多不同類(lèi)型的液壓支架 通過(guò) 學(xué)習(xí)國(guó)外新技術(shù) 我國(guó)液壓支架的研制工作發(fā)展很快 從基本上依靠進(jìn)口 發(fā)展到自行 設(shè)計(jì) 自行制造 而且品種繁多 功能齊全 質(zhì)量可靠 除了中厚煤層液壓支架外 我 國(guó)還設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了支撐高度為 06 1 5m 的薄煤層工作面液壓支架和最大支撐高度為 6m 的厚煤層工作面液壓支架 既有適用于 三軟 軟頂板 軟底板 軟煤層 地質(zhì)條件的 液壓支架 也有適應(yīng) 三硬 頂板硬 底板硬 煤層硬 工作阻力高達(dá) 10000kN 的強(qiáng) 力液壓支架 以及各種放頂煤液壓支架 鋪網(wǎng)液壓支架 水砂充填液壓支架等 我們液壓支架制造技術(shù)水平比較落后 在支架材料 加工工藝 性能和使用壽命等 方面與世界先進(jìn)國(guó)家相比還有很大差距 支架液壓系統(tǒng)的閥類(lèi) 用的是乳化油 防銹蝕 要求很高 國(guó)外一直使用銅合金閥殼和高強(qiáng)度不銹鋼閥芯 我國(guó)是 45 號(hào)鋼加表面防腐處 理 密封件的壽命國(guó)外大于 5a 我國(guó)是 2a 左右 我國(guó)液壓支架耐久性試驗(yàn)要求是大于 7 000 次 印度要求是大于 35 000 次 美國(guó)是大于 45 000 次 這樣技術(shù)質(zhì)量水平的支 架在國(guó)內(nèi)一般礦井勉強(qiáng)可以使用 在國(guó)內(nèi)高產(chǎn)工作面及在國(guó)際上是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的 綜采 工程技術(shù)人員普遍認(rèn)為目前我國(guó)支架的工藝技術(shù)水平尚未達(dá)到 1979 年引進(jìn)的 100 套支架 的技術(shù)水平 可想落后遠(yuǎn)不止 20 a 國(guó)內(nèi)產(chǎn)煤大礦務(wù)局高產(chǎn)工作面使用進(jìn)口設(shè)備這一問(wèn) 題發(fā)人深省 我們液壓支架控制系統(tǒng)的研究也落后 目前 我國(guó)國(guó)產(chǎn)液壓支架的控制方式仍然停 留在跟機(jī)手把單向鄰架控制或本架控制水平 這種控制方式 雖然具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單 制造容易 造價(jià)較低和對(duì)煤層地質(zhì)條件變化適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) 但它存在嚴(yán)重缺點(diǎn) 1 工人勞動(dòng)條件差 安全性差 2 移架速度慢 影響采煤機(jī)效率的發(fā)揮 3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 通風(fēng)條件差 支架故障率高 4 支架支護(hù)效能的發(fā)揮程度與操作人員的經(jīng)驗(yàn)多少和 技能高低有密切關(guān)系 1 2 液壓支架的分類(lèi) 液壓支架的種類(lèi)很多 分類(lèi)的依據(jù)和方法亦各不相同 目前最常用的分類(lèi)方法是按 照液壓支架于圍巖的相互作用關(guān)系 將液壓支架可分為三大類(lèi) 即支撐式 掩護(hù)式 支 撐掩護(hù)式三大類(lèi) 圖 1 1 a 支撐式支架 b 掩護(hù)式支架 c 支撐掩護(hù)式支架 1 2 1 支撐式液壓支架 支撐式液壓支架是一個(gè)在底座上放置幾根立柱支撐頂梁 通過(guò)頂梁支撐頂板的簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 如圖 1 1 a 所示 它是世界上發(fā)展最早的一種液壓支架 這種類(lèi)型的支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能 因此使用于頂板堅(jiān)硬完整 基 本頂周期壓力明顯或強(qiáng)烈 底板較堅(jiān)硬的煤層 但由于立柱垂直布置 所以支架承受水 平力的能力差 在水平力的作用下 支架容易失去穩(wěn)定性 1 2 2 掩護(hù)式液壓支架 掩護(hù)式液壓支架是利用立柱 頂梁和掩護(hù)梁來(lái)支護(hù)頂板和防止巖石落入工作面 如 圖 1 1 b 所示 這類(lèi)支架的頂梁較短 多數(shù)支架的立柱只有一排 一般僅有 1 2 根 多呈傾斜布置 與掩護(hù)梁連接或直接連接在頂梁上 立柱通過(guò)頂梁支撐頂板 掩護(hù)梁直 接與冒落的巖石相接觸 阻止矸石涌入工作面并承受采空區(qū)矸石的載荷 這類(lèi)支架的支 撐能力小 但掩護(hù)性能和穩(wěn)定性較好 調(diào)高范圍大 對(duì)破碎頂板的適應(yīng)性較強(qiáng) 適用于 支護(hù)不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的松散破碎頂板 1 2 3 支撐掩護(hù)式液壓支架 支撐掩護(hù)式液壓支架是支撐式支架和掩護(hù)式支架相結(jié)合的一種架型 以支撐為主 但同時(shí)又具有掩護(hù)作用 如圖 1 1 c 所示 這種支架采用了支撐式支架雙排立柱支撐 頂梁的結(jié)構(gòu)型式 或兩根立柱支撐頂梁 兩根立柱支撐掩護(hù)梁 保留了支撐式支架支撐 力大 切頂性能好 工作空間寬敞的優(yōu)點(diǎn) 采用了掩護(hù)式支架堅(jiān)固的掩護(hù)梁以及側(cè)護(hù)板 將工作面與采空區(qū)完全隔離開(kāi)的結(jié)構(gòu)型式 保留了掩護(hù)式支架防護(hù)性能好 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的 長(zhǎng)處 因此支撐掩護(hù)式支架適用于直接頂中等穩(wěn)定或穩(wěn)定 基本周期來(lái)壓明顯或強(qiáng)烈 瓦斯涌出量較大的煤層 1 3 液壓支架的組成及工作原理 1 3 1 液壓支架的組成 液壓支架一般由承載結(jié)構(gòu)件 執(zhí)行元件 控制元件和輔助裝置四大部分組成 1 承載結(jié)構(gòu)件 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 承載結(jié)構(gòu)件包括頂梁 底座 掩護(hù)梁 連桿和側(cè)護(hù)板等金屬構(gòu)件 2 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件包括立柱和各種千斤頂 3 控制元件 液壓支架的液壓系統(tǒng)中所使用的控制元件主要有兩大類(lèi) 壓力控制閥和方向控制閥 壓力控制閥主要有安全閥 方向控制閥主要有液控單向閥 操縱閥等 4 輔助裝置 輔助裝置包括推移裝置 擋矸裝置 復(fù)位裝置 護(hù)幫裝置 防滑防倒裝置等 1 3 2 液壓支架的工作原理 根據(jù)回采工藝對(duì)液壓支架的要求 液壓支架不僅能夠可靠地支撐頂板 而且應(yīng)能隨 著采煤工作面的推進(jìn)向前移動(dòng) 這就要求液壓支架必須具備升降和推移兩個(gè)方面的基本 動(dòng)作 這些動(dòng)作是利用乳化液泵站供給的高壓液體 通過(guò)立柱和推移千斤頂來(lái)完成的 如圖 1 1 所示 PO129345617820 1 頂梁 2 立柱 3 底座 4 推移千斤頂 5 安全閥 6 液控單向閥 7 8 操縱閥 9 輸送機(jī) 10 乳化液泵 11 主供液管 12 主回液管 圖 1 2 液壓支架基本工作原理圖 一 升降 升降指液壓支架升起支撐頂板到下降脫離頂板整個(gè)工作過(guò)程 這個(gè)工作過(guò)程包括初 撐 承載 降架三個(gè)動(dòng)作階段 1 初撐階段 將操縱閥 8 放到升架位置 由乳化液泵站來(lái)的高壓液經(jīng)主供液管 11 操縱閥 8 打開(kāi) 液控單向閥 6 經(jīng)管路進(jìn)入立柱下腔 與此同時(shí) 立柱上腔的乳化液經(jīng)管路 操縱閥 8 回 到主回液管 12 在壓力液的作用下 活柱伸出使頂梁升起支撐頂板 頂梁接觸頂板后 立柱下腔液體壓力逐漸增高 壓力達(dá)到泵站供液壓力時(shí) 泵站自動(dòng)卸載 停止供液 液 控單向閥關(guān)閉 使立柱下腔的液體被封住 這一過(guò)程稱(chēng)為液壓支架的初撐階段 2 承載階段 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 支架達(dá)到初撐力后頂板要隨著時(shí)間的推移緩慢下沉而使頂板作用于支架的壓力不斷 增大 隨著壓力的增大 封閉在立柱下腔的液體壓力也相應(yīng)增高 呈現(xiàn)增阻階段 這一 過(guò)程一直持續(xù)到下腔壓力達(dá)到安全閥動(dòng)作壓力為止 我們稱(chēng)之為增阻階段 在增阻階段 中由于下腔的液體受壓 其體積將減少以及立柱缸體彈性膨脹 支架要下降一段距離 我們把下降的距離稱(chēng)為支架的彈性可縮值 下降的性質(zhì)稱(chēng)為支架的彈性可縮性 安全閥動(dòng)作后 立柱下腔的少量液體將經(jīng)安全閥溢出 壓力隨之減少 當(dāng)壓力低于 安全閥關(guān)閉壓力時(shí) 安全閥重新關(guān)閉 停止溢流 支架恢復(fù)正常工作狀態(tài) 在這一過(guò)程 中 支架由于安全閥卸載而引起下降 我們把這種性質(zhì)稱(chēng)為支架的永久可縮性 簡(jiǎn)稱(chēng)可 縮性 支架的可縮性保證了支架不會(huì)被頂板壓壞 以后隨著頂板下沉的持續(xù)作用 上面 的過(guò)程重復(fù)出現(xiàn) 由此可見(jiàn) 安全閥從第一次動(dòng)作后 立柱下腔的壓力便只能?chē)@安全 閥的動(dòng)作壓力而上下波動(dòng) 支架對(duì)頂板的支撐了也只能在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng) 我們 可近似地認(rèn)為它是一個(gè)常數(shù) 所以稱(chēng)這一過(guò)程為恒阻階段 并把這時(shí)的最大支撐了叫做 支架的工作阻力 液壓支架承載中達(dá)到工作阻力后能加以保持的性質(zhì)叫做支架的恒阻性 恒阻性保證 了支架在最大承載狀態(tài)下正常工作 即常保持在安全閥動(dòng)作壓力范圍內(nèi)工作 由于這一 性質(zhì)是由安全閥的動(dòng)作壓力限定 而安全閥的動(dòng)作隨著立柱下腔少量液體溢出而導(dǎo)致支 架下降 所以支架獲得了可縮性 當(dāng)工作面某些支架達(dá)到工作阻力而下降時(shí) 因頂板壓 力作用不均勻 工作面支架不會(huì)同時(shí)達(dá)到工作阻力 相鄰的未達(dá)到工作阻力的支架便成 為頂板壓力作用的突出對(duì)象 即將壓力分擔(dān)在相鄰支架上 我們把這種支架互相分擔(dān)頂 板壓力的性質(zhì)叫做支架的讓壓性 讓壓性可使支架均勻受力 3 降架階段 降架是指支架頂梁脫離頂板而不再承受頂板壓力 當(dāng)采煤機(jī)截煤完畢需要移架時(shí) 首先應(yīng)使支架卸載 頂梁脫離頂板 把操縱閥 8 手把扳到降架位置 由泵站來(lái)的高壓液 經(jīng)主液管 11 操縱閥 8 進(jìn)入立柱上腔 與此同時(shí) 高壓液分路進(jìn)入液控單向閥 6 的液控 室 將單向閥推開(kāi) 為立柱下腔構(gòu)成回液通路 立柱下腔液體經(jīng)管路被打開(kāi)的液控單向 閥 6 操縱閥 8 向主回液管回液 此時(shí) 活柱下降 支架卸載 直至頂梁脫離頂板為止 二 推移 液壓支架推移動(dòng)作包括移支架和刮板輸送機(jī) 根據(jù)支架架式的不同 移架和推溜發(fā) 式各不一樣 但其基本原理都相同 即支架的推移動(dòng)作都是通過(guò)推移千斤頂?shù)耐?拉來(lái) 完成的 圖 1 2 為支架和刮板輸送機(jī)互為支點(diǎn)的推移方式 其移架和推溜共用一個(gè)推移千 斤頂 該千斤頂?shù)膬啥朔謩e與支架底座和輸送機(jī)連接 1 移架 支架降架后 將操縱閥 7 放到移架位置 從泵站來(lái)的高壓液經(jīng)主進(jìn)液管 11 操縱閥 7 進(jìn)入推移千斤頂左腔 其右腔的液體經(jīng)管路和操縱閥 7 回到主回液管 12 此時(shí) 千斤 頂?shù)幕钊麠U受輸送機(jī)制約不能運(yùn)動(dòng) 所以千斤頂?shù)母左w便帶動(dòng)支架向前移動(dòng) 實(shí)現(xiàn)移架 當(dāng)支架移到預(yù)定位置后 將操縱閥手把放回零位 2 推移輸送機(jī) 移到新位置的支架重新支撐頂板后 將操縱閥 7 放到推溜位置 推移千斤頂右腔進(jìn) 壓力液 左腔回液 因缸體與支架連接不能運(yùn)動(dòng) 所以活塞桿在液壓力作用下伸出 推 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 動(dòng)輸送機(jī)向煤壁移動(dòng) 當(dāng)輸送機(jī)移到預(yù)定位置后 將操縱閥把手放回零位 1 4 液壓支架的研究與發(fā)展趨勢(shì) 21 世紀(jì)是以網(wǎng)絡(luò)信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時(shí)期 也是煤礦以高效集約化生產(chǎn) 為特征的新時(shí)期 為了滿(mǎn)足高產(chǎn)綜采工作面生產(chǎn)發(fā)展的需要 就煤炭綜采而言 國(guó)外主 要產(chǎn)煤國(guó)家從未停止過(guò)依靠更大的技術(shù)投入取得采煤更高經(jīng)濟(jì)效益的努力 我們也必須 抓緊研制和推廣電液控制系統(tǒng) 液壓支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后 就可有效地克服上述缺點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的電液控制 而且有多種控制方式可供選擇 人員可在較安全的地方集中對(duì) 整個(gè)工作面的支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或程序控制 現(xiàn)在世界上已經(jīng)有 70 多個(gè)電液自動(dòng)化控制 工作面 工作面的技術(shù)設(shè)備又正在以迅猛之勢(shì)向前發(fā)展 我們不能依賴(lài)?yán)蠈?shí)進(jìn)口 我們 要自己研制 否則和我國(guó)產(chǎn)煤大國(guó)的地位也是極不相稱(chēng)的 我國(guó)液壓支架經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展 盡管取得了顯著成績(jī) 在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn) 過(guò)日產(chǎn)萬(wàn)噸 甚至班產(chǎn)超萬(wàn)噸的記錄 但總體水平與世界先進(jìn)采煤國(guó)家仍存在一定差距 在支架架型功能上我國(guó)與國(guó)外相差無(wú)幾 有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架 鋪 網(wǎng)支架 兩硬煤層的強(qiáng)力支架 端頭支架還有獨(dú)到之處 但國(guó)產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏低 電液控制閥可靠性差 所用鋼材一般為 16Mn 最好的屈服極限才 700MPa 液壓系 統(tǒng)壓力在 35MPa 以下 流量在 200L min 以?xún)?nèi) 供液管 25 32mm 回液管 25 50mm 最快移架速度 10 12s 架 井下實(shí)際應(yīng)用有時(shí)在 20s 以上 工 作阻力更是相對(duì)較低 今后 10 年 我國(guó)的液壓支架將朝技術(shù)含量大 鋼板強(qiáng)度高 移架速度快 6 8s 架 和電液控制閥的方向發(fā)展 對(duì)有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力 盡 量采用整體可靠推桿和抬底座機(jī)構(gòu) 并減少千斤頂?shù)臄?shù)量 另外 將普遍采用額定壓力 為 40MPa 額定流量為 400L min 的高壓大流量乳化液泵站 以適應(yīng)快速移架的需要 系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液 保證支架有足夠的壓力達(dá)到初撐力 保證支架接頂位置準(zhǔn) 確 ZY 兩柱掩護(hù)式支架的比重將大大增加 缸徑將增至 360mm 端頭支架 輕放 多用途支架將被廣泛使用 所以 今后除應(yīng)繼續(xù)針對(duì)我國(guó)國(guó)情和煤層具體條件 開(kāi)發(fā)一 些新架型 新品種外 還應(yīng)在改進(jìn)支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫 作為一種回采工作面的支護(hù)設(shè)備 液壓支架的架型 結(jié)構(gòu)與相關(guān)參數(shù) 必須與回采 工作面的頂 底板條件和煤層條件相適應(yīng) 才能取得良好的支護(hù)效果 由于地下開(kāi)采條 件的復(fù)雜性和多樣性 因此 盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)液壓支架己經(jīng)過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的研究和應(yīng)用 出現(xiàn)了數(shù)十種不同的結(jié)構(gòu)架型 但至今為止 也僅能在緩傾斜中厚以下煤層中獲得了較 為成功的應(yīng)用 對(duì)于傾斜 急傾斜或厚煤層中的液壓支架尚處在研究和試驗(yàn)階段 即使 對(duì)于緩傾斜中厚煤層的液壓支架 其結(jié)構(gòu) 性能與控制方式如何更適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件 仍需不斷的改進(jìn)和研究 目前 液壓支架設(shè)計(jì)研究取得重要進(jìn)展 主要在以下方面 1 設(shè)計(jì)理論和方法有了突破 煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所對(duì)支架力學(xué)持性進(jìn) 行了深入的研究 提出了液壓支架三維力學(xué)模型的計(jì)算方法 克服了傳統(tǒng)平面力系計(jì)算 方法的缺陷 提出了液壓支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 開(kāi)發(fā)出液壓支架設(shè)計(jì)計(jì)算通 用軟件系統(tǒng) 并廣泛應(yīng)用 使我國(guó)液壓支架設(shè)計(jì)計(jì)算提高到一個(gè)新水平 2 完成液壓支架計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的研究 把有限元方法成功地用于液壓支架的研究 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 建立了液壓支架整體有限元模型 開(kāi)發(fā)出 SSTS 液壓支架模擬試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真軟件系統(tǒng) 大大提高了液壓支架設(shè)計(jì)的可靠性 廣泛應(yīng)用于液壓支架設(shè)計(jì)研究 達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 為我國(guó)液壓支架打入國(guó)際市場(chǎng)發(fā)揮了重要作用 3 技術(shù)規(guī)范和標(biāo)淮化建設(shè)取得重要進(jìn)展 我們已先后制定液壓支架系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 17 項(xiàng) 成為國(guó)際上液壓支架標(biāo)準(zhǔn)較完善的國(guó)家之一 促進(jìn)了液壓支架技術(shù)的發(fā)展 4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 有了較大發(fā)展 開(kāi)發(fā)了 CAD 工作站和微機(jī) CAD 系統(tǒng) 建成了較完整的液壓支架數(shù)據(jù)庫(kù)和通用件國(guó)庫(kù) 并正在逐步實(shí)現(xiàn)支架設(shè)計(jì) CAD 化 5 液壓支架控制系統(tǒng)有了重大進(jìn)步 根據(jù)我國(guó)國(guó)情研制的全液壓手動(dòng)控制快速移架 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用 使支架降 移 升速度大幅度提高 由過(guò)去的 20 30s 架 提高到 9 12s 8 架 6 新架型研制成績(jī)顯著 架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善 新型高可靠性支架 反向四連桿高 產(chǎn)高效低位放頂煤支架 適應(yīng)中小煤礦的單一煤層開(kāi)采用輕型支架和輕型單擺桿放頂煤 支架均取得成功 基于以上進(jìn)展 液壓支架的研究與發(fā)展方向是 1 在己有支架設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 研究支架的智能化設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)與參數(shù) 的優(yōu)化 進(jìn)一步提高支架設(shè)計(jì)的科學(xué)性 可靠性和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化性 2 研究特殊煤層使用的液壓支架 以適應(yīng)不同的開(kāi)采條件 3 研究新型元件與材質(zhì) 以減輕支架重量 提高支架的性能和使用壽命 4 研究支架的遙控 程序控制和性能自動(dòng)監(jiān)測(cè) 為回采工作面的半自動(dòng)化與自動(dòng)化 創(chuàng)造條件 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 2 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 液壓支架的基本要求 采用綜合機(jī)械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量 提高經(jīng)濟(jì)效益的必由之路 為了 滿(mǎn)足對(duì)煤炭日益增長(zhǎng)的需要 必須大量生產(chǎn)綜合機(jī)械化采煤設(shè)備 迅速增加綜合機(jī)械化 采煤工作面 簡(jiǎn)稱(chēng)綜采工作面 而每個(gè)綜采丁作而平均需要安裝 150 臺(tái)液壓支架 可見(jiàn) 對(duì)液壓支架的需要量是很大的 由于不同采煤工作面的頂順板條件 煤層厚度 煤層傾角 煤層的物理機(jī)械性質(zhì)等 的不同 對(duì)液壓支架的要求也不同 為了有效地支護(hù)和控制頂板 必須設(shè)計(jì)出不同類(lèi)型 和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架 但無(wú)論哪個(gè)類(lèi)型都有個(gè)基本的要求 其如下 1 為了滿(mǎn)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 100kN 左右 移架力按煤層 厚度而定 薄煤層一般為 100kN 150kN 中厚煤層一般為 150kN 至 250kN 厚煤層一般 為 300kN 400kN 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?7 支架的穩(wěn)定性要好 底座最大比壓要小于規(guī)定值 8 要求支架有足夠的剛度 能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷 9 在滿(mǎn)足強(qiáng)度條件下 盡可能減輕支架重量 10 要易于拆卸 結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單 2 2 確定液壓支架結(jié)構(gòu)參數(shù) 2 2 1 確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的原則 1 要滿(mǎn)足配套設(shè)備 采煤機(jī) 輸送機(jī) 的相關(guān)要求 2 與支架的工作方式 即時(shí)支護(hù)或滯后支護(hù) 相適應(yīng) 3 結(jié)構(gòu)緊湊 行人操作方便 4 支架的工作穩(wěn)定性好 2 2 2 主要參數(shù) 兩柱式大采高掩護(hù)式液壓支架參數(shù) 最小高度 Hmin 2550mm 最大高度 Hmax 5500mm 工作阻力 2 x 3926 kN 立柱缸經(jīng) 345mm 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 支護(hù)寬度 1750mm 2 2 3 支架的伸縮比 支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值即 2 1 minaxH 支架的最大高度與最小高度之差為支架的調(diào)高范圍 調(diào)高范圍越大 支架適用范圍 越廣 但過(guò)大的調(diào)高范圍給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成困難 可靠性降低 由于液壓支架的使用 壽命較長(zhǎng) 并可能被安裝在不同的采煤工作面 所以 支架應(yīng)具有較大的伸縮比 盡量 采用單伸縮油缸或帶機(jī)械加長(zhǎng)桿來(lái)增加調(diào)高范圍 一般支架最大高度和最小高度的比值 的范圍是 1 5 至 2 5 經(jīng)計(jì)算 設(shè)計(jì)支架的伸縮比 m 2 16 2 2 4 支架間距 所謂支架間距 就是相鄰兩架中心之間的距離 按如下公式計(jì)算 b B nc 2 2 式中 b 支架間距 B 每架支架頂梁總寬度 c 相鄰支架頂梁之間的間隙 n 每架所包含的組架或架數(shù) 整體自移式支架 n 1 整體邁步式支架 n 2 節(jié)式 組合邁步支架 n 支架節(jié)數(shù) 支架間距 b 主要根據(jù)支架型式 但目前主要根據(jù)刮板運(yùn)輸機(jī)油槽每節(jié)長(zhǎng)度及槽幫上 千斤頂連接的位置來(lái)確定 目前我國(guó)刮板運(yùn)輸機(jī)油槽每節(jié)長(zhǎng)度為 1 5m 千斤頂連接位置 在刮板槽中間 所以除了節(jié)式和邁步式支架外 支架間距一般為 1 5m 大采高支架為提 高穩(wěn)定性中心距可采用 1 75m 所以 b 1 75m 2 2 5 梁端距 所謂梁端距是指移架后頂梁端部至煤壁的距離 Ln 梁端距是考慮由于工作面頂板 起伏不平造成輸送機(jī)和采煤機(jī)的傾斜 以及采煤機(jī)割煤時(shí)垂直分力使搖臂和滾筒向支架 傾斜 為避免割頂梁而留的安全距離 支架高度越大 梁端距也應(yīng)越大 一般大采高支 架梁端距應(yīng)取 350 480mm 所以 Ln 400mm 2 2 6 頂粱長(zhǎng)度 1 支架工作方式對(duì)支架頂粱長(zhǎng)度的影響 支架工作方式對(duì)支架頂粱長(zhǎng)度的影響很大 如圖 2 1 所示 從圖 2 1 中可以看出 先移架后推溜方式 又稱(chēng)即時(shí)支護(hù)方式 要求頂梁有較大長(zhǎng) 度 先推溜后移架方式 又稱(chēng)滯后支護(hù)方式 要求頂梁長(zhǎng)度較短 這是因?yàn)椴捎孟纫萍?后推淄的工作方式時(shí) 支架要超前輸送機(jī)一個(gè)步距 以便采煤機(jī)過(guò)后 支架能即時(shí)前移 支護(hù)新暴露的頂板 做到即時(shí)支護(hù) 因此 先移架后推溜時(shí)頂梁長(zhǎng)度要比先推溜后移架時(shí)的頂梁長(zhǎng)度要長(zhǎng)一個(gè)步距 一 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 般為 600mm 2 配套尺寸對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 設(shè)備配套尺寸與支架頂架長(zhǎng)度有直接關(guān)系 在輸送機(jī)鏟煤板前留有一定距離 一般 為 135 150mm 左右 是為了防止采煤機(jī)截割煤壁不齊 給推移輸送機(jī)留有一定的距離 除此而外 所有配套設(shè)備包括采煤機(jī)和輸送機(jī) 均要在頂梁掩護(hù)之下工作 以此來(lái)計(jì)算 頂梁長(zhǎng)度 圖 2 1 支架工作方式比較 在本次設(shè)計(jì)中選用的采煤機(jī)的型號(hào)為 MG800 2040 采高為 2 7 5 5m 截深 1 0m 滾筒直徑 2 5m 機(jī)面高度 2259mm 牽引型式為電牽引 交 無(wú)鏈 銷(xiāo)軌 輸送機(jī)型號(hào) 為 SG1000 1400 304 295 1000 350 200 2149mm1l A cos G 3002A1q1cosp 式中 配套尺寸l 頂梁長(zhǎng)度l 底座長(zhǎng)度2 2149 2760 1760 300 3449mml 所以頂梁的長(zhǎng)度 3449mm 2 2 7 頂粱寬度 頂梁寬度根據(jù)支架間距和架型來(lái)定 架間間隙為 0 2m 其中寬面頂梁一 般為 1 2 1 5m 節(jié)式支架一般為 0 4 0 6m 頂梁寬度取 1 5m 2 2 8 底座形式的選擇 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件 因此除了滿(mǎn)足一定的剛度和強(qiáng)度 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 外 對(duì)底座起伏不平的適應(yīng)性要強(qiáng) 對(duì)底座接觸比壓要小 要有足夠的空間安裝立柱 液壓控制裝置 推移裝置和其他輔助裝置 要便于人員操作行走 能起一定的擋矸作用 要考慮排矸能力 要有一定重量 以保證支架的穩(wěn)定性等 支架底座常用形式有 3 種 即整體剛性底座 底分式剛性底座和鉸接分體底座 圖 2 2 整體剛性底座 1 整體剛性底座 整體剛性底座如圖 2 2 所示 中擋前部一般有一高度 50 100mm 小箱形結(jié)構(gòu) 中擋 后部上方為箱形結(jié)構(gòu) 推移千斤頂一般安裝在箱形體之下 整體剛性底座立柱柱窩的一 般要設(shè)計(jì)一過(guò)橋 以提高底座的整體剛性和抗扭能力 整體剛性底座的整體剛度和強(qiáng)度 好 底座接底面積大 有利于減小對(duì)底板的比壓 但中擋推移機(jī)構(gòu)處易積存浮煤碎矸 清理較困難 一般用于軟底板條件下工作面支架 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 2 3 底分式剛性底座 2 底分式剛性底座 底分式剛性底座如圖 2 3 所示 底座底板是中分式的 中擋維移機(jī)構(gòu)直接落在煤層底 板上 前立柱柱窩前有過(guò)橋 小擋后部上方為箱形結(jié)構(gòu) 由于底分式剛性底座中擋底板 分體 推移裝置處的浮煤 碎矸可隨支架移架從后端排到采空區(qū) 不需要人工情理 適 應(yīng)高產(chǎn)高效要求 但減少了底座接底 面積增大了對(duì)底板的比壓 目前 高產(chǎn)高效工作面液壓支架一般均采用分體剛性底 座 3 鉸接分體式底座 如圖 2 4 所示 鉸接分體底座分為左右相對(duì)獨(dú)立的兩部分 從中檔處鉸接 左右底座 在垂直方向可相對(duì)錯(cuò)動(dòng) 無(wú)剛性約束 這種底座對(duì)底板不平的適應(yīng)性好 減少了底座的 扭轉(zhuǎn)和偏載載荷 但支架的整體剛性有所降低 波蘭文架采用鉸接分體底座的較多 我 國(guó) ZY3600 17 35K 支架等亦采用這種鉸接分體式底座 目前這種底座結(jié)構(gòu)已較少采用 根據(jù)以上的分析 結(jié)合這次設(shè)計(jì)的實(shí)際 采用整體剛性底座 它的整體剛度和強(qiáng)度 好 底座接底面積大 有利于減小對(duì)底板的比壓 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 2 4 鉸接分體式底座 2 2 9 底座的長(zhǎng)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(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí) 應(yīng)考 慮如下諸方面 支架對(duì)底板的接觸比壓要小 支架內(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 便于人員操作和行走 保證支架的穩(wěn)定性等 通常 掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度的 3 5 倍的移架步距 一個(gè)移架步距為 0 6m 即 2 1m 左 右 結(jié)合這次設(shè)計(jì)的實(shí)際 底座長(zhǎng)度取 2 76 m 2 2 10 護(hù)幫形式的選擇 護(hù)幫裝置的主要類(lèi)型有兩類(lèi) 一類(lèi)是簡(jiǎn)單鉸接式如圖 2 6 所示 另一類(lèi)是四連桿式 如圖 2 5 所示 圖 2 5 四連桿式挑梁 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 2 6 簡(jiǎn)單鉸接式 1 簡(jiǎn)單鉸接式 簡(jiǎn)單鉸接式護(hù)幫板鉸接在整體頂粱或鉸接式頂梁前梁的前端 有伸 縮梁時(shí)鉸接在伸縮梁頭上 千斤頂直接與護(hù)幫板相連接 這種形式的護(hù)幫板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 但挑起力短小 且當(dāng)頂梁或前梁帶伸縮梁時(shí) 厚度較大 難以實(shí)現(xiàn)挑起 當(dāng)僅作護(hù)幫板使用時(shí) 翻轉(zhuǎn)角度大于 即可 09 2 四連桿式 四連桿式護(hù)幫板與頂梁或前梁的鉸接方式與簡(jiǎn)單鉸接式相同 但在千 斤項(xiàng)與護(hù)幫板間增加一個(gè)四連稈機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)護(hù)幫和挑起支護(hù)頂板 并保證收回到預(yù)定的 角度 四連桿機(jī)構(gòu)把千斤頂?shù)淖饔昧τ行У貍鬟f到煤壁和頂領(lǐng)上 這種挑梁的挑起力矩 大 但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些 對(duì)于厚煤層支架 為了提高護(hù)幫高度和增加超前支護(hù)面積 挑梁體可 采用伸縮式或折疊式結(jié)構(gòu) 分別如圖 2 7 和圖 2 8 所示 圖 2 8 折疊式護(hù)幫裝置圖 圖 2 7 伸縮式護(hù)幫裝置 根據(jù)以上的分析 結(jié)合這次設(shè)計(jì)的實(shí)際 采用簡(jiǎn)單鉸接式 2 2 11 側(cè)護(hù)板的長(zhǎng)度 支架常用的活動(dòng)側(cè)護(hù)板形式有 3 種 即直角式單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板 直角式雙側(cè)可調(diào)活 動(dòng)側(cè)護(hù)板和折頁(yè)式單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板 頂梁側(cè)護(hù)板高度一般取 250 500mm 薄煤層支架取下限 大采高支架取上限 掩護(hù) 梁側(cè)護(hù)板和后連桿側(cè)護(hù)板高度一般根據(jù)支架最大高度時(shí) 側(cè)護(hù)板水平尺寸等于移架步距 加 100 200mm 搭接量的原則確定 這次設(shè)計(jì)側(cè)護(hù)板的長(zhǎng)度為 700mm 2 2 12 頂板覆蓋率 頂板覆蓋率按下式計(jì)算 bnFL X 100 2 3 式中 b 頂梁總面積 2m n 梁端距 m b 支架間距 m 對(duì)破碎頂板 覆蓋率 值應(yīng)達(dá)到 85 95 故掩護(hù)式支架裝有可活動(dòng)側(cè)護(hù)板 以維 護(hù)架間的間隙 中等穩(wěn)定頂板覆蓋率 值為 75 85 穩(wěn)定頂板覆蓋率 值為 60 70 2 2 13 立柱布置 1 立柱數(shù) 目前國(guó)內(nèi)支撐式支架立柱數(shù)為 2 6 常用為 4 根 掩護(hù)式支架為 2 二柱 支撐掩護(hù) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 式支架為四柱 2 支撐方式 支撐式支架與底座為直立布置 掩護(hù)式支架為傾斜布置 這樣可克服一部分水平力 并能提高調(diào)高范圍 一般立柱與頂梁垂線(xiàn)夾角小于 由于角度大 可使調(diào)高范圍增大 03 同時(shí)由于頂梁較短 角度大后使立柱頂梁柱前移 使頂梁尖端支護(hù)力大 支撐掩護(hù)式支 架 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求呈傾斜或垂直布置 一般立柱與頂梁垂線(xiàn)夾角小于 由于夾角較小 01 有效支撐力較大 3 立柱間距 立柱間距的選擇原則為有利于工作和部件合理布置的原則下 采用較小立柱間距 立柱間距小 可減小梁端距 但工人行走不便 操作不便 支撐式和支撐掩護(hù)式支架的 立柱間距沿行走方向一般為 1 0 1 5m 2 3 四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2 3 1 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 1 對(duì)支架在跳高范圍內(nèi)梁端距的大小有重要影響 四連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)能控制頂梁與掩護(hù) 梁鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡 呈雙扭線(xiàn) 使其在支架調(diào)高范圍內(nèi)的偏差一般不大于 70mm 2 影響支架支撐效率 一般在支架工作工作高度范圍內(nèi) 四連桿機(jī)構(gòu)瞬心距立柱的 垂直距離越大越有利 3 雙扭線(xiàn)軌跡變化對(duì)支架垂直支撐力有重要影響 4 雙扭線(xiàn)軌跡影響連桿 掩護(hù)梁等連接部位的受力情況 通常認(rèn)為軌跡曲線(xiàn)應(yīng)向前 偏擺 即支架由高位置降下時(shí) 軌跡曲線(xiàn)逐漸靠近煤壁 5 為保證支架的穩(wěn)定性 后連桿的水平夾角 Q 一般不超過(guò) 85 度 最小角度應(yīng)以連桿 機(jī)構(gòu)與底板不干涉為準(zhǔn) 6 一般應(yīng)盡可能加大掩護(hù)梁的背角 厚煤層支架取大值 薄煤層支架取小值 對(duì)支 撐掩護(hù)式支架應(yīng)加大背角 對(duì)堅(jiān)硬難冒頂板的支架 掩護(hù)梁背角應(yīng)盡可能大 7 掩護(hù)梁長(zhǎng)度與掩護(hù)梁上前 后連桿鉸接點(diǎn)間距應(yīng)保持一定的比例 4 1 16 1 這不僅對(duì)支架受力 而且對(duì)調(diào)高范圍也有影響 一般憑經(jīng)驗(yàn)選取 2 3 2 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 綜放支架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理選擇四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 鉸鏈?zhǔn)剿倪B桿機(jī)構(gòu)可使掩 護(hù)型支架在工作過(guò)程中得到一個(gè)近似相等的梁端距 象這類(lèi)復(fù)演直線(xiàn)軌跡的機(jī)構(gòu)綜合問(wèn) 題 可以來(lái)用函數(shù)逼近理論 如插值法 平方逼近法和最佳逼近法 為基礎(chǔ)的解析法求 解也可以來(lái)用布爾梅斯特爾理論為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)法和以設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的作圖法等 求解 國(guó)內(nèi)外對(duì)此都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作 我國(guó)液壓支架設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)四連桿 機(jī)構(gòu)一般有三種方法 1 直接求解法 2 解析法 3 作圖法 以上三種方法的缺點(diǎn)是 要么手工計(jì)算量太大 要么繪圖誤差太大 短時(shí)間內(nèi)無(wú)法 設(shè)計(jì)出比較好的四連桿機(jī)構(gòu) 鑒于此 選擇一個(gè)較好的軟件 再加上一臺(tái)用來(lái)計(jì)算的好 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 的計(jì)算機(jī) 就可以很好地來(lái)設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu) 應(yīng)用 Visual Basic 6 0 來(lái)編制四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu) 化設(shè)計(jì)的程序 不僅較好地滿(mǎn)足了支架設(shè)計(jì)的要求 而且實(shí)現(xiàn)了四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的軌 跡顯示 電算法 一 此程序的設(shè)計(jì)思路為 1 根據(jù)約束條件找出設(shè)計(jì)變量 2 選定設(shè)計(jì)變量的變化范圍 3 選定設(shè)計(jì)變量的變化步長(zhǎng) 4 窮舉出滿(mǎn)足約束條件的所有設(shè)計(jì)變量的值 5 從舉出的值中選出相對(duì)比較好的一組數(shù)據(jù) 二 四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征 1 支架從最高高度降到最低高度時(shí) 如圖 2 9 所示 頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度 e 應(yīng)小于 70mm 最好為 30mm 以下 圖 2 9 四連桿機(jī)構(gòu) 2 支架在最高位置時(shí)和最低位置時(shí) 頂梁與掩護(hù)梁的夾角 p 和后連桿與水平的夾角 q 為圖 2 2 所示 應(yīng)滿(mǎn)足如下要求 支架在最高位置時(shí) 支架在最低位置時(shí) 考慮矸石便于15 6p 175 8q 下滑 以防矸石停留在掩護(hù)梁上 根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知 則要求 tgp f 如果按照鋼 和矸石的摩擦系數(shù) f 0 3 可求的 tgp 0 3 則 p 為了安全可靠最低工作位置應(yīng)06 使 為宜 而 q 角主要考慮掩護(hù)梁底部距底板要有一定的距離 防止支架后部冒落25P 巖石卡住后連桿 使支架不能下降 一般 25 3q 3 后連桿與掩護(hù)梁的比值 對(duì)掩護(hù)式支架為 I 0 45 0 61 4 前后連桿上鉸點(diǎn)之距與掩護(hù)梁之比為 I1 0 22 0 3 5 從圖 2 9 可知 掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)和瞬時(shí)中心 O 之間的連線(xiàn)與水平夾角為 設(shè) 計(jì)時(shí) 要使 tg 范圍以下 0 35 三 四連桿機(jī)構(gòu)的約束條件有 1 雙紐線(xiàn)軌跡最大寬度 7em 2 支架最高位置 62p 3 支架最高位置 158q 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 4 支架最低位置 25P 5 支架最低位置 30q 6 tg 7 I1 0 22 0 3 前后連桿上絞結(jié)點(diǎn)與掩護(hù)梁的比值 8 I 0 45 0 61 后連桿與掩護(hù)梁的比值 9 C A 0 9 1 2 前后連桿長(zhǎng)度的比值 10 H 支架的最大高度 D 前后連桿下絞結(jié)點(diǎn)的垂直距離 5 11 H 支架的最大高度 E 前后連桿下絞結(jié)點(diǎn)的水平距離 4 E 四 設(shè)計(jì)變量的變化步長(zhǎng) 的間隔 0 034 弧度 1P 的間隔 0 034 弧度 q I 的間隔 0 001 的間隔 0 001 1 五 求解過(guò)程 1 用解析法來(lái)確定掩護(hù)梁和后連桿的長(zhǎng)度 如圖 2 10 所示 掩護(hù)梁長(zhǎng)度L 后連桿長(zhǎng)度1 e 點(diǎn)垂直線(xiàn)到后連桿鉸點(diǎn)之距2 支架最高位置時(shí)的計(jì)算高度h 支架最低位置時(shí)的計(jì)算高度 從幾何關(guān)系可以列出如下兩式 2 4 112cosLPqL 2 5 2s 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 圖 2 10 掩護(hù)梁和后連桿計(jì)算圖 將 2 4 和 2 5 聯(lián)立可得 2 6 121cosLPq 按四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征所要求 把設(shè)計(jì)變量代入 2 6 可求得 的比值 而支架1L 最高位置時(shí)的值為 2 7 111sinihLP 因此 掩護(hù)梁的長(zhǎng)度為 2 8 1si sinhq 后連桿的長(zhǎng)度為 2 9 1 L 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 2 11 四連桿機(jī)構(gòu)中的參數(shù) 2 7 和 2 8 兩式中 的比值按下式來(lái)定 1L 掩護(hù)式支架 0 45 0 61 2 10 每組變量的值對(duì)于一組 1 前后連桿上鉸點(diǎn)之距 bd1I L 前連桿上鉸點(diǎn)至掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之距為 beLd 四連桿機(jī)構(gòu)中的各部參數(shù)如圖 2 11 所示 ea L1 A ab B bc C ca D e d L G e b F ae E oe L2 E1 2 前連桿長(zhǎng)度和角度的確定 支架由高到低 掩護(hù)梁上鉸點(diǎn) 的運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線(xiàn) 根據(jù)支架幾何特征的要求 為使 e 曲線(xiàn)的最大寬度盡量小 所以把 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡看成理想的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 當(dāng) 點(diǎn)沿理想直線(xiàn)由最高向最低運(yùn)動(dòng)時(shí) 后連桿與掩護(hù)梁軸線(xiàn)夾角由大于 到小于 e 90 在此區(qū)間內(nèi)一定有一位置處于垂直位置 以這一特殊位置為所求的中間的某一位置 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 2 12 四連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系圖 1 點(diǎn)坐標(biāo)b 當(dāng)支架在最高位置時(shí)的計(jì)算高度為 H 此時(shí) 點(diǎn)的坐標(biāo)為 1b 2 11 11cosxFP 2 12 inyH 2 點(diǎn)坐標(biāo)b 當(dāng)支架在最低位置時(shí) 此時(shí) 點(diǎn)的坐標(biāo)為 1b 2 13 22cosx 2 14 2iniyBPAq 則此時(shí) 2 15 212 cos GEarctg 3 點(diǎn)坐標(biāo)b 支架的掩護(hù)梁與后連桿長(zhǎng)垂直位置的幾何關(guān)系時(shí) 點(diǎn)的坐標(biāo)為 3b 2 16 33cosxFP 2 17 3iniyBAq 其中 2 18 13 22 2EarctgtGA 2 19 33qP 4 C 點(diǎn)坐標(biāo) 根據(jù)圖 2 12 支架在三個(gè)位置的幾何關(guān)系可知 C 點(diǎn)就是過(guò) 三點(diǎn)的圓心 1b23 為前連桿的長(zhǎng)度 因此可以用圓的方程求得前連桿的長(zhǎng)度 123cb 2 20 2211 Cxy 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 式中 為 C 點(diǎn)坐標(biāo) 可以按下列方程聯(lián)立求得 Cxy 2 21 22221133 CCxy 2 22 aa 聯(lián)立 2 21 和 2 22 得 2 23 22223131233311 Cxyyxyyxx 2 24 22223313312321 yyy 5 前連桿下鉸點(diǎn)的高度 D 和四連桿機(jī)構(gòu)的底座的長(zhǎng)度 E 當(dāng)前連桿 C 點(diǎn)的坐標(biāo)確定后 D 和 E 的長(zhǎng)度 D 2 25 y 2 26 E1x 2 3 3 四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化 到此為止 可初步求出四連桿的個(gè)桿系的長(zhǎng)度 并非所有的值都可以用 所以要進(jìn) 行選優(yōu) 選優(yōu)的方法就是根據(jù)給定的約束條件 對(duì)所計(jì)算出來(lái)的各組值進(jìn)行篩選 最終 選出一組相對(duì)最優(yōu)的值 其約束條件是根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特征要求 以及支架的結(jié)構(gòu)關(guān)系 得出的約束 條件如下 1 前 后連桿的比值范圍 根據(jù)現(xiàn)有支架調(diào)查統(tǒng)計(jì) 前 后連桿的比值 C A 0 9 1 2 2 前連桿的高度不宜過(guò)高 一般應(yīng)使 D H 5 H 為支架最大的計(jì)算高度 3 E 的長(zhǎng)度 一般應(yīng)使 E H 4 5 4 值對(duì)掩護(hù)式支架應(yīng)使 支撐掩護(hù)式支架應(yīng)使tg 0 16tg 0 2tg 一 值按下面的方法進(jìn)行計(jì)算 如圖 2 13 所示為支架在最高位置時(shí)的幾何關(guān)系 1 d 點(diǎn)的坐標(biāo) 2 27 41cosxEAq 2 28 iny 2 e 點(diǎn)的坐標(biāo) 2 29 51 2 30 0 3 cb 直線(xiàn)的斜率 2 31 1cyKx 4 ed 直線(xiàn)的斜率 2 32 452yx 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 5 o1 點(diǎn)的坐標(biāo) 由于 c b o1 在同一條直線(xiàn)上 因此 cb 和 bo1 直線(xiàn)的斜率相同 所以 bo1 直線(xiàn)的斜 率為 2 33 同理 ed611yKx 直線(xiàn)的斜率為 2 34 642yx 由 2 33 式子得 2 35 6161 yKy 圖 2 13 瞬心位置圖 由 2 34 式子得 2 36 6264 yKxy 聯(lián)立 2 35 和 2 36 整理得 2 37 1246 則 2 38 6Hytgx 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 二 橫向偏差 e 值的求解 1 四連桿機(jī)構(gòu)的方程 從圖 2 14 中可知 在任一個(gè) q4 角位置時(shí) a 點(diǎn)的 x 坐標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足下列方程 2 39 44cos cos csAqEBpCr b 點(diǎn) y 坐標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足下列方程 2 40 iniinD 圖 2 14 四連桿機(jī)構(gòu)的方程圖 由 2 40 式得 2 41 44sin si iAqBpDrC 將 2 41 式代入 2 39 式得 2 42 24444 2 sin si cos cos 1AqBpDqEpC 將 2 42 式整理得 2 43 22244444cs 2sin cos cos in i0ABDCqDqpEqpAB 令 Z cos sin 421Z K 2 44 42s E J 2 45 4iAB R 2 46 2244cos sin DCEAqDq 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 將 2 44 2 45 2 46 式代入 2 43 式得 2 47 210RZKzJ A 則 2 48 22 RKJ 不合題意之根舍去 當(dāng) 時(shí) 2 48 方程才有意義 222 J0 在圖 2 7 中 e 點(diǎn)任一位置時(shí)之坐標(biāo) x y 可寫(xiě)成 2 49 44cossxAqGp 2 50 in i y 其中 則 4arcos pZ241Zparctg 2 49 2 50 兩式就是液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的曲線(xiàn)方程 x 為 e 點(diǎn)的橫坐標(biāo) y 為 e 點(diǎn)的縱坐標(biāo) y 的變化相當(dāng)支架的計(jì)算高度的變化 則 x 的變化相當(dāng)頂梁的前端的變 化 所以 e 值為支架高度范圍內(nèi) 相應(yīng)的 maxinX 即 e maxinX 程序結(jié)果 程序運(yùn)行后 相對(duì)比較而言選用第一組數(shù)據(jù) 1P0 9 2 0651 34q 20 36 L1 2205 L 3675 L2 1760 cb 2110 e 60 5 I1 0 22 I 0 6 9tg 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 3 液壓支架強(qiáng)度設(shè)計(jì) 3 1 液壓支架的受力分析簡(jiǎn)化 為了設(shè)計(jì)計(jì)算的方便 要對(duì)支架的外載荷和支架進(jìn)行簡(jiǎn)化 現(xiàn)概述如下 1 把支架簡(jiǎn)化成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu) 為偏于安全 在計(jì)算時(shí)把外載荷視為集中載荷 2 金屬結(jié)構(gòu)按直梁理論計(jì)算 3 頂梁 底座與頂板被認(rèn)為為均勻接觸 載荷沿支架長(zhǎng)度方向按線(xiàn)性規(guī)律分布 沿 支架寬度方向?yàn)榫?4 通過(guò)分析和計(jì)算可知 掩護(hù)梁上矸石的作用力 只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降低 所以 在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不計(jì) 使掩護(hù)梁偏于安全 5 立柱與短柱按最大工作阻力計(jì)算 6 產(chǎn)生作用在頂梁上的水平力的情況的兩種 一種是由于支架讓壓回縮 頂梁前端 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似雙紐線(xiàn) 頂梁與頂板間產(chǎn)生相對(duì)位移 頂板給予頂梁水平摩擦力 另一 種是由于頂板向采空區(qū)方向移動(dòng) 使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平摩擦力 頂梁和頂 板的靜摩擦系數(shù)為 0 15 0 3 7 按不同支護(hù)高度時(shí)各部件最大受力值進(jìn)行強(qiáng)度校核 8 各結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核 除按理論支護(hù)阻力校核危險(xiǎn)斷面外 還要按原煤炭部標(biāo)準(zhǔn) MT86 84 液壓支架型式試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范 的各種加載方式 以支架的額定工作阻力逐一校核 超過(guò)額定工作阻力的 的超載試驗(yàn) 將安全系數(shù)來(lái)保證強(qiáng)度 10 3 2 支架基本參數(shù) 3 2 1 支護(hù)面積 支架的支護(hù)面積按下式計(jì)算 3 1 cFb Lg 2m 式中 支護(hù)面積 cF2m Lg 頂梁的長(zhǎng)度 m 移架后頂梁前端點(diǎn)到煤壁的距離 m 一般 0 4 帶入數(shù)據(jù)得 2cF1 75 2 0 4 59 3 2 2 支護(hù)強(qiáng)度 3 2 qSF 工 作 阻 力 S 支 護(hù) 面 積 23961 754 08MPa 3 2 3 立柱的技術(shù)參數(shù) 1 立柱的初撐力計(jì)算 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 1p 0 6 0 8 根據(jù)具體架型來(lái)確定 掩護(hù)式支架一般2p 0 75 2 立柱初撐力 KN2 立柱工作阻力 3926 21p 0 75 0 75 3926 2944 5 kN2 2 立柱缸體內(nèi)經(jīng)計(jì)算 3 3 2140bDp 3 4 2ap 式中 1 立柱初撐力 KN D 立柱缸體內(nèi)經(jīng) cm bp 泵站壓力 31 5 bpMP2 立柱工作阻力 a 安全閥額定工作壓力 40 a 根據(jù) 3 3 計(jì)算得出 D 34 5cm 3 2 4 推移千斤頂?shù)母讖降拇_定 推移千斤頂?shù)母讖桨聪聝墒铰?lián)立求得 cm 3 5 b40dpF A推 cm 3 6 2bDd A移 一般 100 千牛頓 300 400 千牛頓F推 F移 計(jì)算得 d 6 032cm D 12 06cm 取標(biāo)準(zhǔn) d 70mm D 125mm 壁厚 17mm 推移千斤頂?shù)男谐膛c步距有關(guān) 當(dāng)推移步距為 600mm 時(shí) 推移千斤頂?shù)男谐虨?700 750mm 所以取行程 750mm 3 2 5 提底千斤頂 選用 行程 230mm 活塞直徑 110mm 活塞桿直徑 90mm 壁厚 15mm 3 2 6 護(hù)幫千斤頂 選用 行程 470mm 活塞直徑 90mm 活塞桿直徑 63mm 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 壁厚 15mm 3 2 7 側(cè)推千斤頂 選用 行程 215mm 活塞直徑 63mm 活塞桿直徑 50mm 壁厚 13mm 3 2 8 平衡千斤頂 1 平衡千斤頂?shù)淖饔?1 在空載條件下或移架過(guò)程中 用平衡千斤頂?shù)耐评Ρ３猪斄撼仕綘顟B(tài)或所 需的角度 可以使相鄰的支架保持良好的密封狀態(tài) 以防止串矸 使移架順利進(jìn)行 2 利用平衡千斤頂?shù)耐评?改變支架支撐合力的作用位置 當(dāng)平衡千斤頂呈推 力時(shí) 可增大頂梁前端的支撐力 有利于支撐力和維護(hù)較硬的頂板 當(dāng)平衡千斤頂呈拉 力時(shí) 使的頂梁后部支撐力提高 增強(qiáng)了移架的切頂能力 當(dāng)拉力足大時(shí) 這種掩護(hù)式 支架有近似于支撐式和支撐掩護(hù)式支架的受力特征 擴(kuò)大了這種掩護(hù)式支架的適用范圍 3 根據(jù)工作面頂?shù)装宓臓顩r 用平衡千斤頂調(diào)整支架的頂梁 使頂梁與頂板接觸 良好 以改善支護(hù)狀況 4 平衡千斤頂?shù)耐评Υ笮∧苊黠@改變支架底座對(duì)底板的比壓分布 5 在平衡千斤頂拉力的作用下 可增加支架的支護(hù)強(qiáng)度 2 平衡千斤頂?shù)男谐?根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn) 有兩種情況可使平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或平衡千斤頂拉壞 一種是操作 失誤 頂梁先翹 另一種是由于當(dāng)頂板教堅(jiān)硬 頂板壓力作用點(diǎn)后移 使頂板和掩護(hù)梁 夾角增大 為此在設(shè)計(jì)時(shí) 平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度一般應(yīng)能滿(mǎn)足頂梁與掩護(hù)梁的最大夾角近 似小于 同時(shí) 應(yīng)能適應(yīng)支架高度變化的要求 即 當(dāng)活塞桿行程全部縮回 達(dá)到018 最小長(zhǎng)度時(shí) 應(yīng)能滿(mǎn)足支架升到最大高度時(shí)頂梁由水平位置向下回轉(zhuǎn) 的要求 當(dāng)活塞015 桿全部伸出時(shí) 應(yīng)滿(mǎn)足支架降到最小高度時(shí)允許頂梁由水平位置向上回轉(zhuǎn) 的要求 按 照以上要求確定平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度和行程 3 平衡千斤頂?shù)母讖?平衡千斤頂?shù)母讖桨聪率接?jì)算 cm 3 7 a40Pdp A推 cm 3 8 2aDd A移 式中 d 活塞桿直徑 cm 安全閥額定工作壓力 apMPa 平衡千斤頂推力 推 KN拉 平衡千斤頂拉力 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 1 平衡千斤頂拉力計(jì)算 平衡千斤頂?shù)睦σ宰饔迷诹⒅香q點(diǎn)到掩護(hù)梁后端這部分面積上高度為支架最大 采高的巖石重量來(lái)計(jì)算 kg 3 9 cRpsbA kg 3 10 cPHLBr kg 3 11 Red 式中 平衡千斤頂拉力 取負(fù) 推力 取正 kg BP 作用在立柱上鉸點(diǎn)到掩護(hù)梁后端這部分面積上 高度為支架最大采高的巖石重c 量 kg S 至瞬心之距 cm c 立柱瞬心之距 cm b H 支架的最大采高 m L 巖體的計(jì)算高度 m B 支架寬度 m 巖石容重 2600 kg r r3 e 立柱到頂梁后鉸點(diǎn)的距離 cm d 平衡千斤頂?shù)巾斄汉筱q點(diǎn)的距離 cm 2 平衡千斤頂推力計(jì)算 平衡千斤頂?shù)耐屏?假設(shè)支架支撐合力作用點(diǎn)分頂梁前后段長(zhǎng)度為 2 1 用這個(gè)比 例關(guān)系計(jì)算平衡千斤頂?shù)耐屏?即 代入支架在最高位置時(shí) 取頂梁為分離體 LxK3 kg 3 12 BAbPda fcd 式中 立柱的工作阻力 kg A X 合力作用點(diǎn)的位置 cm a 頂梁后鉸點(diǎn)到瞬心的水平距離 cm f 系數(shù) 取 0 3 c 瞬心到頂梁后鉸點(diǎn)的垂直距離 cm 頂梁總長(zhǎng)度 cm K 頂梁后鉸點(diǎn)到頂梁尾端之距 cm 計(jì)算得 1518 p推 KNp拉 1180 即 21 5 cm 27 6 cm d D 選用 行程 400mm 活塞直徑 280mm 活塞桿直徑 220mm 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 壁厚 22 5mm 3 3 支架受力分析 為了簡(jiǎn)化計(jì)算 作以下假定 立柱和前梁千斤頂按最大工作載荷計(jì)算 頂梁和底座按集中載荷 即最?lèi)毫拥募虞d工況 計(jì)算 掩護(hù)梁上沒(méi)負(fù)載 摩擦系數(shù)為 0 3 1 支架的工作阻力 2 x 3926 KNP 2 作用力 F 和作用位置 X 1 整體受力如圖 3 1 所示 圖中 Pk 平衡千斤頂推拉力 2 取頂梁為分離體 如圖 3 2 所示 已知 P Pk h1 h2 1 2 求 F X Xa Ya 解 P 3926 KN Pk 1180 KN h1 250mm h2 200mm 0 82 047 0 x 0 3 13 12sincoskaFWPX 圖 3 1 支架受力圖 0yF 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 0 3 14 12cosinakFYP 0M 3 15 221212cs sicos in0kkkXhlPlPFW 由 3 15 可得 3 16 22121sicos cos n kkklhlPhF 圖 3 2 頂梁分離體受力圖 頂梁與分離體受力圖中有 4 個(gè)未知數(shù) 而 3 個(gè)方程不可解 所以要結(jié)合頂梁和掩護(hù) 梁為分離體受力分析所列方程聯(lián)立求解 取頂梁和掩護(hù)梁為分離體 如圖 3 3 所示 950mm 300mm 2827mm 422mm1l2l3l3h 0M 3 17 231231231 cos sin FWhPllPXl 3 16 式代入 3 17 式 經(jīng)整理得 3 18 3131223 cosin sincos kklhlhWh 00003926 87 42i 8 i47 3cos47 7F 8029 8 KN 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 3 18 式代入 3 16 式可求得 X 值 0 001803sin47 18 52 cos47 3926cos1 82509 X 1208mm 09265i 從 3 18 式可知 1 當(dāng) 為 平衡千斤頂為推力 W 0 時(shí) F 力最小 kP 2 當(dāng) 為 平衡千斤頂為拉力 W 0 3 時(shí) F 力最大 所以在驗(yàn)算頂梁強(qiáng)度時(shí) 按平衡千斤頂拉力 W 0 3 進(jìn)行計(jì)算 此時(shí) F 最大 這個(gè) 條件能滿(mǎn)足 其他條件都能滿(mǎn)足 圖 3 3 頂梁掩護(hù)梁分離體受力圖 由 3 13 式可得 3 19 12sincos