薄煤层液压支架的设计_毕业设计论文.doc

摘 要 随着煤炭资源的日益减少，如何更好的实现对薄煤层的开采成为了一个重要话题。 在我国西南部的很多矿区，薄煤层已经成为主采煤层。液压支架作为煤矿开采的重要支 护设备，在保证工人的人身安全的同时，还要提高煤矿的生产效率。因此，研制高质高 效的薄煤层液压支架具有重要的意义。 传统的液压支架使用两柱或四柱支撑，工作阻力小，而且四连杆机构设计起来十分 困难，最终只能用近似的双纽线实现顶梁端部的运动，顶梁仍然有倾向煤壁的趋势。本 文设计的液压支架采用八根立柱支撑，支护阻力大，取消了四连杆机构，用立柱的液压 力抵抗水平力，是液压支架设计方法的巨大进步。 本文设计的内容主要包括：顶梁、底座、前梁、立柱等关键部件的结构设计，建立 液压支架的三维模型，实现运动仿真，最后进行有限元分析校核关键部件的强度。设计 的过程中参考了现有液压支架结构设计的优点，如顶梁的箱形结构、底座的底分式结构 等。 本设计的主要创新点在于：八根立柱对顶板实现密集支护，不仅提高了支护阻力， 而且可以通过更换不同缸径的悬浮式立柱，实现支架的模块化设计、 集成化装配和规模 化生产，大大缩短了生产和检测周期，加快了我国综采机械化生产进程。薄煤层液压支 架一般采用邻架控制，为了减少管路上的压力损失，方便人员的操作，设计了一种先导 控制的液压系统，对液压支架液压系统的设计具有一定的参考价值。 关键词：液压支架； 超静定结构； 运动仿真； 有限元分析 abstract with the decrease of the coal resources, how to mine the thin coal seam better became an important topic. in the southwest of china, the thin coal seam has been the mainly mining area. hydraulic support as the important supporting equipment in coal mining, not only to ensure the safety of workers, but also to improve production efficiency of coal mine. therefore, the development of the high quality and high efficient hydraulic support in thin coal seam has vital significance. the traditional hydraulic support using two or four hydraulic pillars support the roof of coal seam, the force of the support is small, and the design of four bar linkage is very difficult. because the movement of the top beam can only realize with approximate double new line, there are still a tendency of coal wall trend. this paper introduces the design of hydraulic support adopted eight hydraulic pillars, cancelled four bar linkage, using the hydraulic pressure resist level force. the design method of hydraulic support is a great progress. the main of this paper introduce: the structure of top beam, base beam, front beam and hydraulic pillars and other key parts of the hydraulic support, build hydraulic supports 3 d model to realize the movement simulation, use finite element analysis to analyse the structure strength of key parts. the design process of the hydraulic support reference the structure design of the existing hydraulic support, such as the box structure of the top beam. the main innovation of this design is: eight hydraulic pillars to realize intensive supporting, not only improve support resistance, but also can through replacing different diameter of the hydraulic pillars to realize the modular design , integrated assembly and large-scale production, which greatly reduce the cycle of production and testing, and also speed up the mechanization of manufacturing process. thin coal seam hydraulic support general use of the neighboring support control, in order to reduce the pressure loss on the pipeline, the design of the hydraulic system introduce a method of pilot control , which has some reference value for the design of the hydraulic system. key words: hydraulic support； super static set structure； movement simulation； finite element analysis 目 录 1 绪论绪论1 1.1 薄煤层开采技术1 1.2 液压支架的用途及分类1 1.2.1 液压支架的作用 1 1.2.2 液压支架的工作过程1 1.2.3 液压支架的现场布置3 1.2.4 液压支架的分类 4 1.2.5 液压支架的支护方式5 1.2.6 对液压支架的基本要求5 1.3 薄煤层液压支架的结构特点5 1.4 液压支架的国内外现状及发展趋势6 1.5 超静定结构的创新和优点9 2 液压支架整体结构设计液压支架整体结构设计10 2.1 液压支架的设计参数10 2.2 支架的高度和支架的伸缩比10 2.2.1 支架高度10 2.2.2 支架的伸缩比10 2.3 支架间距 11 2.4 底座长度的确定11 2.5 顶梁尺寸 11 2.5.1 支架工作方式对顶梁长度的影响 11 2.5.2 顶梁长度11 2.5.3 顶梁宽度12 2.5.4 顶板覆盖率13 2.6 立柱布置 13 2.6.1 立柱数13 2.6.2 支撑方式13 3 液压支架部件设计液压支架部件设计 14 3.1 顶梁 14 3.1.1 主要作用14 3.1.2 结构型式14 3.1.3 顶梁结构和断面形状15 3.2 侧护板的设计 17 3.2.1 侧护板的作用 17 3.2.2 侧护板的结构型式17 3.2.3 侧护板尺寸的确定18 3.3 底座的设计19 3.3.1 底座的作用 19 3.3.2 底座的结构形式19 3.4 推移装置的设计20 3.4.1 推移装置的用途 20 3.4.2 推移装置的要求 20 3.4.3 推移装置的结构 21 3.5 立柱的设计24 3.5.1 立柱的类型 24 3.5.2 悬浮式液压支柱的优点24 3.6 辅助装置的设计25 3.6.1 护帮装置的设计 25 3.6.2 防倒装置的设计 26 3.7 液压支架的主要技术参数27 3.7.1 支护面积 27 3.7.2 支护强度 27 3.7.3 支护效率 27 3.8 千斤顶参数的设计28 3.8.1 推移千斤顶28 3.8.2 侧推千斤顶28 4 立柱结构设计和强度校核立柱结构设计和强度校核29 4.1 单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定29 4.1.1 单伸缩立柱缸径的确定29 4.1.2 泵站压力的确定 29 4.1.3 立柱初撑力的计算29 4.1.4 立柱工作阻力的计算30 4.1.5 立柱缸体壁厚的计算30 4.2 油缸稳定性验算和立柱强度校核31 4.2.1 油缸稳定性验算 31 4.2.2 活柱强度验算 31 4.2.3 缸体与缸底焊缝强度验算33 5 液压支架受力分析液压支架受力分析 34 5.1 概述 34 5.1.1 支架工作状态 34 5.1.2 计算载荷的确定34 5.2 液压支架的受力分析与计算35 5.2.1 前梁的受力分析与计算35 5.2.2 主顶梁的受力分析与计算36 5.2.3 底座的受力分析与计算37 5.3 顶梁的载荷分布37 5.4 底座接触比压38 6 液压支架强度计算液压支架强度计算 40 6.1 强度条件40 6.2 前梁强度校核41 6.3 顶梁强度校核44 6.4 底座强度校核48 6.5 销轴及耳板的强度校核51 6.5.1 前梁与顶梁联结处销轴的强度校核 52 6.5.2 前梁与顶梁联结处耳板的强度校核 53 6.5.3 立柱与底座处销轴的强度校核53 6.5.4 立柱销轴支座的强度校核54 6.5.5 其他地方销轴和耳板的强度校核 55 7 液压支架的液压系统设计液压支架的液压系统设计56 7.1 液压支架的液压系统简介56 7.1.1 液压支架传动系统的基本要求56 7.1.2 液压支架的液压传动特点56 7.1.3 液压支架的控制方式56 7.2 液压支架的液压系统拟定57 8 液压支架的运动仿真和有限元分析液压支架的运动仿真和有限元分析59 8.1 基于 pro/e 的三维实体建模 59 8.1.1 建模的目的与意义59 8.1.2 pro/e 中建模方法60 8.1.3 pro/e 中虚拟装配62 8.1.4 pro/e 中运动仿真63 8.1.5 pro/e 仿真结果分析66 8.2 基于 ansys workbench 12 的有限元分析68 8.2.1 虚拟压架实验69 8.2.2 ansys workbench 12 有限元分析69 9 结论结论78 10 参考文献参考文献 79 11 翻译翻译80 外文原文 80 中文译文 84 12 致谢致谢91 中国矿业大学 11 届本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 煤炭工业是国民经济重要的基础产业。我国的薄煤层资源丰富，全国薄煤层的储量 占全部可采储量的 17.5，分布面广，煤质好。但由于薄煤层采煤生产效率低，经济效 益差，部分煤矿不重视薄煤层的开采，造成许多薄煤层煤炭资源严重浪费。随着厚煤层 及中厚煤层煤炭资源的逐渐减少，许多煤矿开始重视对薄煤层的开采工作。 液压支架是现代化煤矿进行高效综采和安全生产最为关键的设备之一。无论是采用 刮板输送机、滚筒采煤机和液压支架的综采技术，还是运行轨道、强力刨煤机和液压支 架的综采技术，液压支架都是作为煤矿井下支护关键设备，因此，研究高质高效的薄煤 层液压支架有着重要的意义。 1.1 薄煤层开采技术 五十年代以前，我国在薄煤层中主要使用炮采工艺，以后使用了截煤机掏槽爆破落 煤，并发展了薄煤层采煤机，六十年代开始采用刨煤机，并在技术上逐步得到完善。薄 煤层开采应有合适的配套设备，目前，从国内外发展来看，比较理想的是刨煤机或爬底 板式采煤机采煤，用液压支架进行支护，实现采煤机械化。 在现有技术条件下，1.0m 左右煤厚的煤层可用的采煤方法有： 1 传统的长壁炮采采煤法； 2 单体液压支柱高档普采采煤法； 3 薄煤层螺旋钻采煤法； 4 综合机械化采煤法。 以上四种可行的薄煤层采煤方法中，第一、二种采煤方法由于工人劳动强度大，作 业条件恶劣，生产效率低，同时不符合现代技术的发展方向，除个别开采条件过于复杂， 难以使用综采机组开采的区域以外，不应推荐其作为主要的采煤方法。第三种采煤方法 具有劳动强度较小，作业环境良好的优点，但由于其生产效率太低，难以使作为保护层 开采的薄煤层开采和主采煤层的开采速度相配套，也难以作为薄煤层开采的主要采煤方 法。只有薄煤层综采开采既具有工人劳动强度小、作业环境较好的优点，也具有安全高 效的优势，满足了主采煤层高强度开采的需要，更代表了薄煤层采煤方法的技术发展方 向,因此，对于薄煤层的高产高效提出了更高的要求。 1.2 液压支架的用途及分类 1.2.1 液压支架的作用液压支架的作用 液压支架是综采工作面的主要设备之一，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全 作业空间，推移工作面采运设备。实践表明，液压支架具有支护性能好、强度高、移架 速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤 设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力 劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合 理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。 1.2.2 液压支架的工作过程液压支架的工作过程 1 支架的升降和推移 中国矿业大学 11 届本科生毕业设计 第 2 页 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 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，同时打开液控单向阀，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 和推移千斤顶 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体进入推移千斤 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，在把支架升起，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 支架的承载过程 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。初撑力 的大小取决于泵站的工作压力、立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过 早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。 （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 力称为工作阻力，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。 支架的支撑力和时间的关系曲线，称为支架的工作特性曲线，如图 1.2 所示。 中国矿业大学 11 届本科生毕业设计 第 3 页 图1.2 支架的工作特性曲线 t0初撑阶段；t1增阻阶段；t2恒阻阶段；p1初撑力；p2工作阻力 1.2.3 液压支架的现场布置液压支架的现场布置 图1.3 液压支架在工作面布置示意图 1采煤机 2液压支架 3传送带输送机 4转载机 5刮板输送机 6主进液管 7主回液管 8乳化液泵 9乳化液箱 10端头支架 11单体液压支柱 图 1.3 所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液 压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时 支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、 升柱和推溜四个主要动作过程。 a-a 截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态， 端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（b-b 截面），端面距最 大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又 达到最小（c-c 截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输