毕业设计（论文）-ZH24001628TF型液压支架（托梁分体）设计.doc

河北工程大学毕业设计 i 摘 要 本次设计的题目是 zh2400/16/28tf 型液压支架（托梁分体） ，我在本次设计中主要 负责该支架主体部分的设计。此次任务包括顶梁、伸缩梁、托梁等主体的设计与强度计 算。 这种支架的顶梁采用分体组合式结构。采用分体式顶梁代替整体顶梁是因为该支架 结构简单、重量轻、造价低、节省空间，大大减轻了支架的整体重量，前伸梁采用伸缩 式的，支撑过程中能与煤壁接触，不仅起到一定的掩护作用，而且还能起到一定的支撑 作用，使支架更稳定。该支架具有质量小，机动性能好，拆装运输方便等特点，适用于 中小型煤矿或巷道断面狭小、无法正常布置工作面的边角煤回收区域采场支护。 关键词关键词：液压支架；分体顶梁；托梁；边角煤 河北工程大学毕业设计 ii abstract this design is entitled zh2400/16/28tf hydraulic stent (split joist), i in this design is mainly responsible for the design of the main part of the stent. the mandate includes roof beams, over cylinders, telescopic beams, joists and other body design and strength calculation. the top beam stent combined with split structure. top beam instead of using separated because of the integrated roof beam bracket for simple structure, light weight, low cost, save space, greatly reducing the overall weight of the stent, using telescopic beam, the support process to contact with the floor, not only from to cover a certain role, but also play a supporting role, so stand more stable. the stent has the quality of small, good mobility, accessibility and other transport characteristics of anti-cheat for small medium and small coal mines, or roadway section, not the normal layout of recovery of the regional boundary coal face stope support key words: hydraulic support; fission top-beam; joist;corner coal 河北工程大学毕业设计 i 目目 录录 摘摘 要要i abstract ii 绪绪 论论.1 1.1 液压支架的发展1 1.1.1 国外液压支架的发展状况2 1.1.2 国内液压支架研究情况2 1.2 我国液压支架研究与应用中存在的问题3 1.3 液压支架的组成4 1.4 支架的支护方式.4 1.5 托梁液压支架的工作原理.5 1.6 本课题研究的意义.6 第第 2 章章 架型的选择架型的选择.7 2.1 支架机构形式的比较分析.7 2.1.1 垛式液压支架的特点.7 2.1.2 四连杆机构液压支架.7 2.1.3 单摆杆机构液压支架.8 第第 3 章章 总体结构设计总体结构设计10 3.1 支架基本参数的确定10 3.1.1 支架高度.10 3.1.3 支架间距.10 3.1.4 支架宽度.10 3.1.5 顶梁长度.11 3.1.6 支架工作阻力.12 3.2 顶梁结构设计12 3.2.1 顶梁形式的选择.12 3.2.2 伸缩梁结构设计.13 3.2.3 托梁结构的设计.13 3.2.4 柱窝的设计.13 河北工程大学毕业设计 ii 3.2.5 挡矸板的设计13 3.3 推移千斤顶.13 3.3.1 推移装置的选型14 3.3.2 推移千斤顶的确定.14 3.4 移架油缸的设计与计算.15 3.5 伸缩梁油缸的设计与计算.16 第第 4 章章 顶梁强度校核顶梁强度校核17 4.1 材料的选择.17 4.2 顶梁的强度校核18 4.2.1 集中载荷在两根立柱中间时校核18 4.2.2 集中载荷在顶梁两端时校核22 第第 5 章章 伸缩梁强度校核伸缩梁强度校核27 5.1 材料的选择27 5.2 伸缩梁的强度校核.28 第第 6 章章 液压系统的辅助设计液压系统的辅助设计.32 6.1 液压支架的液压系统简介.32 6.1.1 液压支架传动系统的基本要求32 6.1.2 液压支架传动系统的原理图32 6.1.3 液压支架液压系统的管道33 结结 论论 .34 参考文献参考文献35 致致 谢谢 .36 河北工程大学毕业设计 1 绪 论 在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证 工作人员的安全和各项作业的正常进行，必须对顶板进行支护。而用于煤矿回采工作面 的支护设备，经历了木支柱，金属磨擦支柱，单体液压支柱，液压支架等几个发展阶段。 目前使用较多的则是液压支架。 煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产的重要问题。因此以液压支 架为主要设备的综合机械化开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生产条件，也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基础， 是煤炭生产面貌彻底改观。液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸、阀 件）与一些金属构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，具有强度高、 移动速度快、支护性能好、安全可靠等特性。它能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序， 与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。它的 使用能增加采煤工作量的产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保 证生产的安全。因此液压支架是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。 煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产的重要问题。因此以液压支 架为主要设备的综合机械化开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生产条件，也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基础， 是煤炭生产面貌彻底改观。 本次设计的重点是液压支架的选型和支架总体设计及部件结构的设计计算、强度校 核，其中液压支架选型部分主要通 过对目前煤矿广泛使用的四连杆和单摆杆机构的支架 进行分析比较，在吸取了现有许多支架在设计使用中的经验教训的基础上,研制了这种新 型分体顶梁液压支架。设计计算及强度校核部分是对液压支架主要部件顶梁、伸缩梁进 行计算和强度校核。 1.1 液压支架的发展 河北工程大学毕业设计 2 1.1.1 国外液压支架的发展状况 作为煤矿井下综采工作面支护的关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。 20 世纪 50 年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架，金属摩擦 支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；50 年代末，为了开采煤层厚度超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于 1961 年在阿勒 斯科拖举办的贸易展览会上展出 omkt 型掩护式支架。 1964 年，英国国家煤炭局实施液压支架实验规范；1965 年，e.dobson 等人研制的刚 性底座都促进了液压支架的进一步发展。 60 年代末和 60 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架的结构也发 生了 巨大的变化。在顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆的液压支架相继问世。并且，为 适应地底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接 触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种放窜矸的掩护装置，1974 年，英 国国家煤炭局实施的“高科技采煤工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这 项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用新近的设备和开采工艺，以提高煤 炭产量和改善作业环境。 进入 70 和 80 年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护” ， 而且整个支架安装了电液控制系统实现了微机控制与操作。1981 年杜塞尔多夫采矿展览 会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制了采高为 6m 的大采高放顶煤支架；对于坚硬岩设计了强力液压支架等。 20 世纪 80 年代以来，世界主要施工机械生产商一直积极开发和应用新技术，致力于 高性能、高可靠性的重型液压支架的研制。国外液压支架的主要发展趋势是向两柱掩护 式和四柱支撑掩护式架型发展，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。 1.1.2 国内液压支架研究国内液压支架研究情况情况 我国研制液压支架起步也不算晚。1959 年 10 月，原北京矿业学院设计了三种液压支 架。1961 年设计了“本溪-型”支架，并制造出样机进行井下实验。1965 年北京煤炭科 河北工程大学毕业设计 3 学研究院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1967 年，太原煤炭研究所首次研究出 四组迈步式支架，经修改后于 1972 年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下实验。1970 年 又为大同矿务局设计了 tz-140 型支架，在此基础上研制出 tz-支架，开发了 tz- ib、tz-tz-、tz-等型号液压支架。1973 年，北京煤矿机械厂生产出第一套 bzz 垛式支架，并在阳泉矿务局使用。它是我国液压支架发展的起点。此外，有关院校、研 究机构和制造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如 zy-3、wkm- 400、bzzb、kd-280 等。这些液压支架由于受到许多因素的限制，虽然使用效果不佳， 几乎全部被淘汰，但是为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974 年和 1979 年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了 48 套和 100 套综采设备。 国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。直到 1983 年末， 全国在籍的各种支架共 31990 架。其中国产的 64 套，其性能质量和使用效果都是早期支 架所不能比拟的。从 70 年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出 30 余种不 同结构形式的液压支架。包括支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用的液 压支架，如放顶煤支架，谁砂填充支架及端头支架等。其中 20 多种支架已经通过鉴定， 五种支架获奖。 总之，我国液压支架是从 50 年代末开始着手研制的，经历了研制试验、引进、仿制 和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制的和计算机 辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均达到国外同期水平 目前，国内外支架发展趋势是向着高强度，大支架，电液控制，无人开采的方向发 展。要求尺寸小，重量轻，便于拆装运送，结构简单，工作可靠，适应性强，稳定性好， 带有自移功能，整体性比较好。 1.2 我国液压支架研究与应用中存在的问题 国内外一些研究开发机构大都把研究重心放在重型、高强、智能化的液压支架的研 制上。在我国，条件好、资金雄厚的工作面基本上都采用了大型液压支架。其它工作面 虽有部分大型液压支架，但随着开发强度加大，工作面条件越来越差，走向长度越来越 短，回采失调越来越严重。而且在同一工程或同一工作面，用一、二种支架难以适应全 部工作面条件，购买繁多的架型投资巨大且技术、经济上不一定合理，因此出现了产品 河北工程大学毕业设计 4 类型与市场需求不相适应的矛盾。而在我国中、小工作面在我国总工作面中占有相当比 重，其开采技术水平落后，特别是小型工作面，目前基本上还是以摩擦支柱或单体液压 支柱加铰接顶梁的结构形式支护工作面，直接导致生产效率低下，安全生产没有保障。 虽然 20 世纪 90 年代以来，滑移顶梁支架、悬移顶梁支架等小型简易自移支架在一些小 型工作面得到了使用，但这些支架均存在头重脚轻，插底严重，工作稳定性差，支撑高 度有限，移架和调架困难等许多技术问题。 鉴于上述情况，研究开发具有良好的整体性、导向性、稳定性，防倒、防漏、防插 底、防埋柱，结构简单，操作方便，重量轻，价格低，移架快，适应性强的轻型液压支 架便成了摆在专业人士面前的一个突出的现实问题。 1.3 液压支架的组成 根据各部件的功能，液压支架的组成可以归纳为五个部分，如表 1-1 所示： 表表 1-1液压支架的组成液压支架的组成 1.4 支架的支护方式 综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。3 个工序的不同组合顺序，可形成 液压支架的 3 种支护方式，从而决定了工作面“三机”的不同配套关系。具体的循环方 式如表 1-2 所示： 序号部件功能举例 1承载结 构件 承受并传递顶板在和作用的结构 件 顶梁、掩护梁、伸缩梁、底座 2动力油 缸 用液体作为介质可以主动产生作 用力、实现各种动作的油缸 立柱、各类千斤顶 3控制元 件 操纵、控制支架各个动力油缸动 作及保证所需工作特性的液压 （电气）元部件 操控阀、单向阀、安全阀及管路、 液压（电控）元件 4辅助装 置 不直接承受顶板载荷、而实现支 架莫那些动作或功能所必需的装 置 推移装置、护帮装置、活动侧护板、 防倒、防滑装置 5工作液 体 传递能量的工作介质乳化液 河北工程大学毕业设计 5 表表 1-2 支架支护方式支架支护方式 支护 方式 循环方式支护特点应用条件 即时 支护 割煤-移架-推溜支护滞后时间短适用于各种顶板条件，应用最广泛 滞后 支护 割煤-推溜-移架支护滞后时间较长可用于稳定、完整的顶板条件、较 少支架结构紧凑 复合 支护 割煤-支架伸出探 梁-推溜-移架 支护滞后时间短，但是 增加了反复支撑 可适用于各种顶板条件，但支架操 纵次数增加，目前应用较少 1.5 托梁液压支架的工作原理 该液压支架在移架过程中，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，通过工作性质不同的几个液压油缸来 完成的,如图 1.1 所示： 当操纵阀 8 处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀 8、液控单向阀 6 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 8 处于降柱位置 时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开夜空单向阀，立柱下腔回液，支架下降。 支架的前移和推移输送机是通过操纵阀 7 和图一千斤顶 4 来进行的。移架时，先使 支架卸载下降，再把操纵阀 7 置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液进入推移千斤顶 4 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 7 置于推溜位置，高压液进入推移千斤顶 后腔即活塞腔，前腔即活塞杆回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。 河北工程大学毕业设计 6 图 1.1 液压支架工作原理图 1-顶梁 2-立柱 3-底座 4-推移千斤顶 5-安全阀 6-液控单向阀 7、8-操纵阀 9-输送机 10-乳化液泵 11-主供液管 12-主回液管 1.6 本课题研究的意义 经过对比我国的液压支架和国外液压支架的现状可以看出，两者之间存在着很大的 区别。国外的支架主要的研究热点及发展方向是高强度，自动化。而我国的液压支架的 发展方向主要是多品种，高适应性。这主要是由我国煤炭的赋存状况决定的。 我国目前存在大量 3. 55 .5厚煤层,特别是中小矿井,希望有一种结构简单、轻型、 适应能力强的放顶煤液压支架来开采这类煤层。目前,国内用于厚煤层的重型放顶煤液压 支架技术趋于成熟,但因其重量大、成本高，并不适合中小煤矿广泛使用，而轻型低位放 顶煤液压支架还存在一些普遍的问题，主要表现在采用四连杆机构,结构复杂,后部空间 小,重量较大，承受水平力能力弱;当顶梁上部压力的合力作用点前移至前立柱之前时,则 会使后立柱受拉,而后立柱又是单作用油缸,只能承受压力,因而后立柱的作用往往失效,致 使顶梁有低头前倾趋势;目前,常用放顶煤液压支架掩护梁形式易造成较薄顶煤的混矸,而 且安装于掩护梁上的长尾梁机构的尾梁两侧也易混煤混矸;前探梁容易产生伸缩卡阻。 针对上述普遍问题,经过大量调研,在吸取了现有许多支架在设计使用中的经验教训的基础 上,研制了新型轻型导向放顶煤液压支架。在架型设计上,针对大多数放顶煤工作面顶板压 力不大、煤质较松软、要求的工作阻力很小,以及许多中小矿井井筒和巷道运输断面较小 的特点,要求支架结构简单、重量轻、体积小、工作可靠,搬运灵活的情况,吸收了国内外现 有放顶煤液压支架的优点,特别是考虑厚煤层的放顶煤开采地质、矿压特点,设计了该轻型 河北工程大学毕业设计 7 导向放顶煤液压支架。与同类支架相比,具有强度高,支撑力大,稳定性好,抗水平力能力强。 对不同条件适用性强,特别适用于中小矿井厚煤层的放顶煤开采。 这种轻型导向放顶煤液压支架是专门为中小煤矿开发设计的一种支护产品，它打了 传统支架的设计理念，采用分体顶梁来代替整体顶梁，减轻了重量，结构更加紧凑；为 中小矿井机采放顶煤工作面支护提供了一个很好的选择。 河北工程大学毕业设计 8 第 2 章 架型的选择 2.1 支架机构形式的比较分析 液压支架主要的机构形式有三种，即垛式支架，四连杆机构液压支架，和单摆杆机 构液压支架。现分别介绍几种形式液压支架的特点。 2.1.1 垛式液压支架的特点 垛式液压支架式支撑式液压支架的一种。支撑式液压支架是在一个底座上放置几根 立柱支撑顶梁，并通过顶梁支撑顶板这样简单的结构基础上发展起来的。 垛式支架的优点是：垂直支撑的立柱数量多，支架的工作阻力大；多数立柱位于支 架后部，切顶性能好，工作空间大，易满足通风和行人的要求，重量轻，价格便宜。 其缺点是：顶梁较长，移架时空顶面积较大；同一段顶梁受到的垂直支撑的次数较 多，不利于顶板的管理，挡矸帘的强度低，顶板碎矸还可以从架间落入工作空间，防矸 能力弱。所以垛式支架应在直接顶稳定或坚硬的煤层中使用。 由此可见，垛式液压支架虽然有很多的优点，但却存在它的弊端，并不是我们理想 的架型。 2.1.2 四连杆机构液压支架 这种液压支架是目前使用最多的液压支架。不论是支撑式还是掩护式液压支架都一 般都用到了这种机构。四连杆机构使顶板对顶梁的水平载荷由掩护梁传递给两个连杆， 立柱不承受横向力，因此不易产生弯曲现象。因此，要求连杆要有足够的强度。四连杆 机构主要有两种形式，一种是前后连杆都为单连杆；另一种是后连杆为整体铸造件或焊 接件，前连杆为左右分置的单连杆铸钢件或焊接件，这样可增大支架的有效利用空间。 四连杆机构液压支架的机构简图如图 2.1 所示： 河北工程大学毕业设计 9 图 2.1 四连杆式液压支架机构简图 这种机构使支架在升降的过程中，顶梁前端的轨迹为一条双纽线。双纽线支架的两 个连杆虽然增加了支架结构的稳定性，但也因要抵抗顶板的水平运动大大增加了对支架 承载机构件的作用力，结构使构件断面增大，重量增加。而掩护式和支撑掩护式支架的 进一步发展方向之一是寻求减轻支架重量的途径。因此，这种机构虽然广泛使用，但仍 旧不是我们理想的一种架型。 2.1.3 单摆杆机构液压支架 这种支架是由四连杆机构液压支架演化而成的一种支架机构形式。 它用一个单摆杆机构代替了传统的四连杆机构，从而使支架在升降的过程中顶梁前 端的轨迹由双扭线变成了一条圆弧线。我们可以通过增加摆杆长度的方法来使轨迹更加 接近垂直直线。但是与四连杆机构类似，不论我们怎样进行优化设计，仍旧无法使顶梁 前端的轨迹真正变成一条垂直直线。也就无法去除顶梁所受的横向摩擦力。 由以上的分析可知，传统的机构形式总是存在其弊端，我们努力寻求一种机构形式 是顶梁升降时的轨迹为一条垂直直线。 图 2.2 分体顶梁液压支架机构示意图 河北工程大学毕业设计 10 因此我们通过机构形式的演化，找到了一种垂直导向机构。这种机构的特点是，真 正使支架升降时顶梁前端的轨迹成为了一条垂直直线，使支架不再受到顶板摩擦力的作 用。改善了支架的受力状况，减小可承载件的断面面积，从而减轻了支架的重量。这种 分体顶梁液压支架的机构示意图如图 2.2 所示。 通过上述分析知，这几种架型形式都不是我们理想的选择，我们要求的机构形式是 顶梁上下运动时的轨迹为变化的。因此我们通过各种架型形式的演化，研究了这种分体 顶梁液压支架。这种架型的特点是：采用托梁滑块机构和推移机构，克服了单摆杆机构 和四连杆机构支架在支护高度发生变化时，由于内力大而造成的支架易损坏的潜在因素， 真正成为支架升降导向，并承担支架外部的纵向水平力。该架型稳定性好，重量轻，工 作面过人空间大，结构紧凑，支护强度大。所以，在理论上分析可以得出，滑块机构和 推移是对分体顶梁液压支架的一个很好的演化形式。 河北工程大学毕业设计 11 第 3 章 总体结构设计 3.1 支架基本参数的确定 3.1.1 支架高度 支架的高度由工作面的厚度及地质条件的变化等因素决定，考虑通风、运输、行人 的要求以及一定的富余系数，确定支架的最低高度，最高支护高度 min 1.6hm 。3.1.2 支架伸缩比 mh8 . 2 max 支架的伸缩比是指最大和最小支架高度之比值，即： 75 . 1 6 . 1 8 . 2 min max h h m 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。 确定支架中心距时，应考虑到下列几个方面的因素： （1）顶板允许暴露的面积。 （2）运输机溜槽的长度。支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度，以便配套。目 前国内外液压支架中心距大部分采用 1.5m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用 1.75m，轻型支架中心距可采用 1.25m； （3）支架的稳定性。一般支架中心距大，支架稳定性好。 分体顶梁液压支架是适用于中小地下工作面，属轻型支架，因此确定中心距为 。mmbc1020 3.1.4 支架宽度 支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架 要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为 170200mm。当支架中心距为 1.5m 时，最小宽度一般取 14001430mm，最大宽度一般取 15701600mm。当支架中心 距为 1.75m 时，最小宽度一般取 16501680mm，最大宽度一般取 18501880mm。当支 河北工程大学毕业设计 12 架中心距为 1.25m 时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度取 1150l 180 mm最大 宽度取 13201350mm；如果顶梁不带活动侧护板，则宽度一般取 1150l 200mm。 分体顶梁液压支架的顶梁采用 2 个相互独立的小面积窄梁，为了提高支架的稳定性， 各顶梁之间通过连接机构相连，综合考虑支架的中心距、每个顶梁受力的合理性以及减 少架间空隙，确定支架的宽度为。mmbm980 3.1.5 顶梁长度 顶梁是支护顶板的直接承载部件，其长度取决于必要的作业空间和通风断面要求， 还与支护方式有关。如图 3-1 所示，顶梁长度由三部分尺寸组成，即：l=b+n+u 图 3.1 液压支架尺寸关系 式中 顶梁前部尺寸； b 顶梁上前、后排立柱柱窝之间的距离为 1000mm； n 顶梁上后柱窝中心到铰接点的距离，取 400mm。 u 顶梁前部尺寸为： b=a+c+d+e e前柱窝中心到推溜油缸与运输机铰接点的距离，一般为 250300 mm,取 300mm； 为推溜油缸铰接点到运输机底部端面的距离，取 d=250mm； d 电线槽的宽度取 a=250mm； a 支架的最低高度，1600mm； h 河北工程大学毕业设计 13 运输机的宽度为 630mm。 c 故顶梁前部尺寸：mm1430250630300250b 所以顶梁的长度为：mm283040010001430unbl 由此确定分体顶梁液压支架的顶梁长度为 2830mm。 3.1.6 支架工作阻力 支架的工作阻力定为 2400kn，采用 4 柱支撑，因此每根立柱的工作阻力为 。knf60042400 1 3.2 顶梁结构设计 3.2.1 顶梁形式的选择 支架常用的顶梁形式有两种：整体顶梁和铰接顶梁18。 整体顶梁特点是结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑 力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。 为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端 8001000mm 处一般上翘 13 度。 铰接顶梁由前后两段组成，前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。铰接式顶 梁在前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时可以将 前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸，但前梁千斤顶必须有足够的支撑能力和连接强 度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁一般要留有 100150mm 间隙，从而增 加了破碎顶板漏矸的可能性。 本课题所设计的分体顶梁液压支架属于轻型支架，适用于中小型工作面，因此顶梁 应选择结构简单、成本低的整体顶梁。 顶梁一般是用钢板焊接而成的箱式结构，又分为单腔室和多腔室两种。本次设计的 分体顶梁液压支架由于顶梁为窄长型，并设置有外伸缩式伸缩梁，考虑梁体内需要安装 伸缩千斤顶，因此顶梁选用单腔式的整体顶梁形式，其结构形式如图 3-2 所示， （a）为顶 梁的结构形式， （b）为顶梁在柱窝处的断面图。 图 3.2 顶梁结构(a) (b) 河北工程大学毕业设计 14 3.2.2 伸缩梁结构设计 根据顶梁与煤壁的距离，伸缩梁的伸缩长度为 650mm，总长 1040mm.伸缩梁外置， 根据顶梁尺寸，伸缩梁的高度为 315mm,宽度 500 mm，为增加伸缩梁与顶梁的接触面积， 在伸缩梁两个侧板底部焊接厚度为 12 mm，宽度为 70 mm 的钢板。 3.2.3 托梁结构的设计 （1）托梁是由六块封闭的钢板焊接而成的，每块钢板的厚度 12mm，根据顶梁的宽 度取托梁的宽度为 980mm，宽度为 150mm，高度 160mm。 （2 托梁连接套是由四块厚度为 15mm 的钢板焊接而成的，考虑到连接套与 托梁的 间隙取连接套的横向宽度为 184mm，轴向宽度 184mm，高度为 194mm。连接套与托梁之 间用销轴固定。 3、托梁连接杆是连接顶梁托梁的重要部件，它是由六块封闭的钢板焊接而成的，取 每块钢板的厚度为 10mm，顶梁上两托梁中心的距离是 1000mm，故取托梁连接杆的长度 为 1170mm，宽度为 180mm，高度是 50mm。连接杆与托梁之间用销轴固定。 3.2.4 柱窝的设计 1、前柱窝是固定焊接在顶梁上的，柱窝中心距离前梁端面 400mm，柱窝的高度取 37mm，直径 94mm，柱窝耳板的高度是 83mm，宽度 56mm，厚度 18mm。柱窝一侧由两 块厚度 12mm 的筋板焊接加强。 2、后柱窝中心距离前柱窝中心 1000mm，有螺母与顶梁连接、柱窝一侧由厚度为 12mm 的筋板加强。 3.2.5 挡矸板的设计 挡矸板是由钢板焊接而成的主板每块钢板的厚度是 12mm，挡矸板的高度是 800mm，宽度是 450mm，侧板的宽度是 150mm，加强筋钢板的厚度是 12mm，挡矸板由 销轴连接在顶梁上。 3.3 推移千斤顶 河北工程大学毕业设计 15 3.3.1 推移装置的选型 推移装置由推移千斤顶和推移杆组成。推移杆为焊接结构,具有足够的强度和刚度。 其推移装置可使支架及输送机产生相互导向的防滑功能。 支撑掩护式支架所需的移架力不仅应克服底板的摩擦力，还应克服两旁相邻支架的 摩擦力以及由于移架时立柱的剩余载荷引起的顶板对支架的摩擦力 ，所以它需要的移架 力要比支撑式支架大得多。为获得较大的移架力，掩护式和支撑掩护式支架的推移装置 常增加一个推移框架，以便利用推移千斤顶的推力移架，拉力推溜。 1.长框架推移装置 支架撑紧顶板时，液压控制使推移千斤顶活塞杆缩回，推移千斤顶的拉力经导向块 变为对传力框架的推力而把运输机推向煤壁。支架卸载后，液压控制使推移千斤顶活塞 杆伸出，此时运输机不动，导向块成为固定支点，推移千斤顶的推力把支架移至新的工 作位置，这时传力框架承受拉力。 长框架推移装置的缺点是传力框架较长，杆端面小，因而刚度不易保证，容易发生 弯曲变形。 2.短框架推移装置 短框架推移装置与长框架推移装置工作原理形同 无论是长框架还是短框架推移装置，都可以把推移千斤顶设计成倾斜装置，前高后 低。这样，移架时，推移千斤顶将对支架底座前端作用一个向上分力，避免移架是底座 前端扎底，有利于移架动作的顺利完成。 在这里采用长框架推移装置。 推杆采用 16mn 钢板焊接而成，主要由主筋板，大耳座、小耳座、加强筋板组成，长 1100，宽 295。 3.3.2 推移千斤顶的确定 (1)框架式推移千斤顶缸体内径： 75.2mm 40 b 移 p f dt f:推移千斤顶的移架力，在薄煤层中 100-150kn；中厚煤层中 150-250kn；厚煤层中 河北工程大学毕业设计 16 300-400kn;本设计煤层属中厚煤层,考虑到本设计支架为轻型液压支架，取 140kn； ：工作压强取 31.5 mpa. b p 根据以上参数缸径选取 80 mm；杆径取 50 mm；泵压取 32.6；推力取 157 kn； a mp 拉力 100 kn。 推移步距为 650 mm，推移千斤顶的行程选 800 mm. （2）缸壁厚度 ，取 11 mm 10.7 2.3 pd mm p （3）缸底厚度 p 0.433d18 mm （4）最小导向长度 h ，最小导向杆取 80 mm.77.5 202 ld hmm （5）活塞宽度：活塞的宽度取缸径的倍，取 70mm.0.6 1.0 3.4 移架油缸的设计与计算 (1) 移架油缸缸体内径： mm pb t f d .362 40 / 移 本设计煤层属中厚煤层,考虑到本设计支架为轻型液压支架，根据综合考虑，取 f移 109kn； ：工作压强取 31.5 mpa. b p 根据以上参数缸径选取 63 mm；杆径取 45 mm；泵压取 32.6；推力取 109kn； a mp 拉力 69kn。 推移步距为 650 mm. （2）缸壁厚度 ，取 14 mm mm 9 . 13 p 3 . 2 p d 河北工程大学毕业设计 17 （3）缸底厚度 p 0.433d18 mm （4）最小导向长度 h ，最小导向杆取 65 mm.mm dl h64 220 （5）活塞宽度 活塞的宽度取缸径的倍，取 60mm.0.6 1.0 3.5 伸缩梁油缸的设计与计算 (1) 前伸梁油缸缸体内径： mm pb t f d 7.050 40 / 移 本设计煤层属中厚煤层,考虑到本设计支架为轻型液压支架，根据综合考虑，取 f移 62kn； ：工作压强取 31.5 mpa. b p 根据以上参数缸径选取 63 mm；杆径取 45 mm；泵压取 32.6；推力取 62kn；拉 a mp 力 30.5kn。 推移步距为 650 mm. （2）缸壁厚度 ，取 14 mm mm 9 . 13 p 3 . 2 p d （3）缸底厚度 p 0.433d18 mm （4）最小导向长度 h ，最小导向杆取 65 mm.mm dl h64 220 （5）活塞宽度 活塞的宽度取缸径的倍，取 60mm0.6 1.0 河北工程大学毕业设计 18 第 4 章 顶梁强度校核 4.1 材料的选择 在液压支架的研制，试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。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、制造工艺以及失效形式等为依据， 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的调整。 我国液压支架强度计算中的强度条件： (1)强度校核均以材料的屈服极限计算安全系数。 s (2)结构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件。 各构件通常采用 16mn 等普通低合金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而成，取 1 345mpa。 s 主要销轴均采用 40cr 等合金结构钢取屈服极限785mpa。 2 s 活塞杆均采用 45 号钢，取屈服极限367.2mpa。 3 s 结构件、销轴和活塞杆的强度条件为： 4 nn s max 式中危险断面计算出的最大应力，mpa， max 许用安全系数 n (3)缸体材料采用 27simn 无缝钢管，取抗拉强度1020mpa，强度条件为： b nn b 式中缸体许用应力，mpa 许用安全系数，取 3.54 n 焊条抗拉强度取561mpa，其强度条件： 1 b 河北工程大学毕业设计 19 nn b 式中 计算出的焊缝许用应力 按焊条类型确定 b 许用挤压应力按下式计算： 2 sc 75. 0 (4)安全系数，如表 4.1 表表 4.1 安全系数表安全系数表 安全 系数 前梁顶梁主要 轴 缸体焊缝活塞 杆 n1.11.11.33.343.34 1.4 4.2 顶梁的强度校核 顶梁受力有两种，按集中载荷在两根立柱中间和在顶梁两端两种情况，理论支护阻 力在顶梁的最危险断面处，对顶梁进行强度校核。 4.2.1 集中载荷在两根立柱中间时校核 由中华人民共和国煤炭行业标准mt 312-2000 中实验的规定加载。加载方式如 图 4.1 所示： 图 4.1 顶梁中部集中载荷实验加载方式示意图 图中，剖面线部分为顶梁中部所加的钢条，也就是作用力的位置。钢条所在的位置 为，两柱窝中点。 现将此实验中顶梁的受力模型列于图 4.1 中： 河北工程大学毕业设计 20 图 4.2 顶梁的受力图、剪力图和弯矩图示意图 1.画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图 对各个点左右的剪力计算如下： f1=1200kn，由受力平衡得 l1=l2=500mm f2=f3=600kn 从左向右取矩 1 点：=0 m1左m1右 2 点：=f2l2=600500=300000knmm m2左 =f3l3=600500=300000knmm m2右 3 点：=0 3m左m3右 =300000knmm maxm 2.按弯曲应力计算进行强度校核 由计算得知，按弯压联合计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为了安全，在两 柱窝中心截面，采用最大弯曲应力进行校核。 河北工程大学毕业设计 21 计算截面面积 f 及截面形心至两柱窝中心面的距离 y 取全部钢板的厚度为 12mm 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一个号，然后计算 截面面积最后计算截面形心距即： i f i y 图 4.3 顶梁截面图 =l1= 12470=5640mm2 =6 mm 1 f 1 y 2 =2l2=2（300-12）12=6912 mm2 =+=12+=156 mm 2 f 2 y 2 2 l 2 288 =2l3=2（300-24）12=6614 mm2 =+ =12+=150 mm 3 f 3 y 2 3 l 2 276 =l42=80212=2560 mm2 =l3+=294 mm 4 f 4 y 2 mm ffff yfyfyfyf f yf y i ii 5 . 131 2560662469125640 29425601506624156691265640 4321 44332211 每个零件中心到截面形心的距离： =_=131.5-6=125.5 mm 1a y 1 y =_ =131.5-156=-24.5 mm 2a y 2 y 河北工程大学毕业设计 22 =_ =131.5-150=-18.5 mm 3a y 3 y mmyya 5 . 162294 5 . 131 44 矩形截面的惯性矩为： 12 3 bh jzc 式中 b截面宽度 h截面高度 计算每个零件的对截面形心的惯性矩 zi j 4 888990905640125.5 12 12470 12 2 3 1 2 1 3 1 1 mmfa l jz 42 3 2 2 2 3 2 2 42318729126.5)42( 12 122882 12 2 mmfa l jz 4 234655266245 . 81- 12 122762 12 2 2 3 3 2 3 3 3 3 mmfa l jz ）（ 4 3 4 2 4 3 4 4 676230402560162.5- 12 12802 12 2 mmfa l jz ）（ + 123zzzz jjjj 4z j =88899090+4231872+2346552+67623040 =1631000554 4 mm 计算弯曲应力和安全系数 .8mpa46 294 1361000554 10300000 ) 2 ( 3 3 max max max max l j m y j m zz 安全系数： 1 . 16.45 .864 345 max s n 满足 n max s n 河北工程大学毕业设计 23 所以危险截面是安全的。 3.校核截面的剪切强度： 在截面两柱窝中心截面的剪力最大，且腹板采用钢板焊接，故需要校核，现对中性 轴处剪切力进行校核，即： max0 max 0z qs j b 最大剪力 max q 截面沿中性轴的总宽度 0 bmmb242 0 截面中心轴之上各块面积对中性轴静矩 0 s mmyyfyfss ii i 1170)( ii0 0 0max max bj sq z mpa 4 . 18 241631000554 117010600 6 安全系数： 1 . 1 3 . 10 4 . 18 34555 . 0 55 . 0 maxmax n j n s 所以截面强度合格。 4.2.2 集中载荷在顶梁两端时校核 1、集中载荷的分布如图 4.4 所示： 图 4.4 两端集中载荷加载示意图 河北工程大学毕业设计 24 其中剖面线部分为两块钢条,既集中载荷的作用点. 画出顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图，如图 4.5 所示： 图 4.5 集中载荷在两端时的顶梁受力图 计算剪力和弯矩： 已知： f1=f4=600kn l1=2830mm l2=1430mm l3=1000mm l4=400mm 根据对 2 点的矩平衡： =0 2 m 即: f1l2+f3l3-f4(l3+l4)=0 代入数据：6001430+ f31000-6001400 =0 计算得： f3=-18kn 根据对 4 点的矩平衡：=0 3 m 即: f1(l2+l3)-f2l3-f4l4=0 代入数据 6002430- f21000-600400=0 计算得： f2=1218kn 计算各段的弯矩： 1-2 段： xxfxm600)( 1 1430, 0(x 2-3 段: xxxflxfxm600)1430(1218)()( 122 2430,1430(x 3-4 段： )2430(600)(-)( 234 xllxfxm2480,2430(x 河北工程大学毕业设计 25 所以 mmknm.8580001430600 max 2.按弯曲应力计算进行强度校核 由计算得知，按弯压联合计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为了安全，在 2-2 截面，采用最大弯曲应力进行校核。 计算截面面积 f 及截面形心至 2-2 面的距离 y 全部钢板的厚度为 12mm 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一个号（图 4.6） ， 然后计算截面面积最后计算截面形心距即： i f i y 图 4.6 顶梁截面图 =l1= 12470=5640mm2 =6 mm 1 f 1 y 2 =2l2=2（300-12）12=6912 mm2 =+=12+=156 mm 2 f 2 y 2 2 l 2 288 =2l3=2（300-24）12=6614 mm2 =+ =12+=150 mm 3 f 3 y 2 3 l 2 276 =l42=80212=2560 mm2 =l3+=294 mm 4 f 4 y 2 mm ffff yfyfyfyf f yf y i ii 5 . 131 2560662469125640 29425601506624156691265640 4321 44332211 河北工程大学毕业设计 26 每个零件中心到截面形心的距离： mmyya 5 . 1256 5 . 131 11 mmyya 5 . 24156 5 . 131 22 mmyya 5 . 18150 5 . 131 33 mm