毕业论文-液压支架的设计.doc

河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 摘 要 摘摘 要要 本论文主要任务是论述液压支架的主要设计过程。分析了液压支架的组成和 工作原理，并对以下内容做了设计计算：液压支架的选型设计、主要参数的确定、 主要零部件的设计及强度校核。 根据所要求的支撑条件，采用掩护式液压支架形式。本支架针对较薄煤层赋 存特点，结构紧凑，支撑效率高。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况， 缩小支架升降过程中的顶梁前端前后移动的距离。立柱采用双伸缩液压缸，以满 足支架最低及最高位置时的高度要求。平衡千斤顶采用 2 个 125mm 缸径千斤顶， 增加了平衡千斤顶作用可靠性以及连接装置的可靠性。底座采用中封式整体刚性 底座，既可保证推移机构能顺利排出浮煤，又可提高支架整体刚度。 河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 目 录 I 目目 录录 1 引 言 1 1.1 液压支架的组成 .1 1.2 液压支架的支护方式 .1 1.3 液压支架的工作原理 .2 1.3.1 支架升降和推移.2 1.3.2 支架的承载过程.3 1.4 采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数 .3 1.4.1 采煤工作面对液压支架的设计要求.3 1.4.2 液压支架设计的基本参数.4 2 液压支架整体结构设计 5 2.1 支架主要尺寸的确定 .5 2.1.1 支架的高度和支架的伸缩比.5 2.1.2 支架间距和宽度的确定5 2.2 支架四连杆机构的确定 .6 2.2.1 四连杆机构的作用6 2.2.2 四连杆机构设计的要求.7 2.3 顶梁长度的确定 .8 2.3.1 支架工作方式对顶梁长度的影响.8 2.3.2 顶梁长度计算.8 3 立柱结构设计和强度计算 .10 3.1 双伸缩立柱缸径和工作阻力的确定 10 3.1.1 双伸缩双作用立柱缸径的确定10 3.1.2 泵站压力的确定10 3.1.3 立柱初撑力的计算.11 3.1.4 安全阀压力与立柱工作阻力的计算11 3.1.5 立柱缸体壁厚的计算12 3.2 立柱强度和稳定性验算 12 河南理工大学成人高等教育毕业论文 目 录 II 3.2.1 立柱缸体强度验算12 3.2.2 双伸缩立柱稳定性验算13 4 较薄煤层液压支架主要结构设计 .16 4.1 支架主要部件的设计要求 16 4.2 掩护式支架顶梁的设计 17 4.2.1 整体式顶梁17 4.2.2 铰结式顶梁17 4.2.3 楔形结构梁17 4.3 底座的设计 17 4.3.1 整体刚性底座18 4.3.2 底分式刚性底座18 4.3.3 铰结分体式底座18 4.4 掩护梁和连杆的设计 18 4.4.1 掩护梁18 4.4.2 四连杆机构19 4.5 推移机构的设计 19 4.5.1 短推移杆19 4.5.2 长推移杆19 4.6 立柱的设计 20 4.7 液压支架的主要技术参数 20 4.7.1 支护面积20 4.7.2 支架顶梁对支护面积的覆盖20 4.7.3 支护强度21 5 液压支架受力分析 .22 5.1 概述 22 5.1.1 支架工作状态22 5.1.2 计算载荷的确定22 5.2 支架受力分析与计算 23 5.2.1 顶梁的受力分析与计算23 5.2.2 掩护梁的受力分析与计算25 河南理工大学成人高等教育毕业论文 目 录 III 5.2.3 底座的受力分析与计算26 5.3 顶梁的载荷分布 26 5.4 底座接触比压 27 6 液压支架强度计算 .29 6.1 强度条件 29 6.2 顶梁强度校核 30 6.3 掩护梁强度校核 32 6.4 底座强度校核 34 结 论 37 参 考 文 献 38 致 谢 39 河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 第 1 章 引 言 1 1 1 引引 言言 煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中，具有重要的战略地位。在未来 新能源大规模利用之前，煤炭是支持我国能源供应的国内重要品种。据国际能源 署预测，从 2010 到 2020 年，一次商品能源需求年增长 2.97。 液压支架是以高压液体为动力，由若干个液压元件（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。 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的一次 重大革命，不仅从根本上改善劳动和安全条件，也为采煤产量和效率的迅速提高 奠定了基础，使煤炭生产能力提高。 1.11.1 液压支架的组成液压支架的组成 根据各部件的功能，液压支架的组成可归纳为五个部分见表 1.1。 序序 号号部部 件件功功 能能举举 例例 1 承载结构件承受并传递顶板载荷作用的结构件 顶梁、掩护梁、底 座、连杆 2 动力油缸 用液体作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 控制元部件 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 操纵阀、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 某些动作或功能所必须的装置 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液压介质乳化液 表 1.1 液压支架组成表 1.21.2 液压支架的支护方式液压支架的支护方式 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， 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 1 章 引 言 2 可形成液压支架的 3 种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。具 体支护方式分为：支撑式、掩护式、支撑掩护式。 1.31.3 液压支架的工作原理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，通过工作性质不同的几 个液压缸来完成的。 1.3.11.3.1 支架升降和推移支架升降和推移 我们可以很清楚的在下图中看出。液压支架的升降和推移全过程，图见 1.1 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 图 1.2 支架的工作特性曲线 to-初撑阶段 t1-增阻阶段 t2-恒阻阶段 P1-初撑力 P2-工作阻力 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 1 章 引 言 3 1.3.21.3.2 支架的承载过程支架的承载过程 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。支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线， 如图 1-2 所示。 1.初撑阶段 在升架时，从顶梁接触顶板起，至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，液控单向阀立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。 2.承载增阻阶段 初撑增阻结束后，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. 承载恒阻阶段 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。 1.41.4 采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数 1.4.11.4.1 采煤工作面对液压支架的设计要求采煤工作面对液压支架的设计要求 为了满足长臂工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求： (1). 能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落 的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。 (2). 保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的 防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。 (3). 应该适应煤层地质条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平 顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。 (4). 能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采 煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。 (5). 最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 1 章 引 言 4 1.4.21.4.2 液压支架设计的基本参数液压支架设计的基本参数 (1). 顶板条件：根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。 (2). 最大和最小采高：根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度， 以及支架的支护强度。 (3). 瓦斯等级：根据瓦斯等级，按规程规定，验算通风断面。 (4). 底板岩性及小时涌水量：根据底板岩性和单位时间涌水量验算底板比 压。 (5). 工作面煤壁条件：根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。 (6). 煤层倾角：根据煤层倾角，决定是否选用防倒防滑装置。 (7). 井筒罐笼尺寸：根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。 (8). 配套尺寸：根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。 河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 第 2 章 液压支架整体结构设计 5 2 2 液压支架整体结构设计液压支架整体结构设计 2.12.1 支架主要尺寸的确定支架主要尺寸的确定 2.1.12.1.1 支架的高度和支架的伸缩比支架的高度和支架的伸缩比 一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。 根据所给设计条件，煤层厚度在 1.22.2m 之间，所以按厚煤层高度的确定 原则来确定该放顶煤液压支架的高度。 (100200) 式(2.1) maxmax MH （150250） 式(2.2) minmin MH 式中：支架最大高度()； 支架最小高度()； max Hmm min Hmm 最大采高()； 最小采高()。 max Mmm min Mmm 本设计最大采高2200，取支架最大高度 2200100=2300 max Mmm max H mm 最小采高为2000，支架的最小高度 1200-200=1000 min Mmm min Hmm 支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即： 式(2.3) max min s H k H 代入有关数据，得 2300 2.3 1000 s k 2.1.22.1.2 支架间距和宽度的确定支架间距和宽度的确定 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： 式(2.4) 3cm bBn C 式中： 支架间距(支架中心距)；每架支架顶梁总长度； c b m B 相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙； 3 C n每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 2 章 液压支架整体结构设计 6 n =1；整体迈步式支架n =2；节式迈步支架，n =支架节数。 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与工作 c b 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 1.5，千斤顶连结块m 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 1.5。m 大采高支架为提高稳定性中心距可采用 1.75，轻型支架为适应中小煤矿工m 作面快速搬运的要求，中心距可采用 1.25。m 本次设计取支架的中心距为1.5。m 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170200。mm 其中宽面顶梁一般为12001500，节式支架一般为400600。本mmmmmmmm 次设计取支架顶梁的最小宽度为1320，最大宽度为1440。mmmm 2.22.2 支架四连杆机构的确定支架四连杆机构的确定 2.2.12.2.1 四连杆机构的作用四连杆机构的作用 (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 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 2 章 液压支架整体结构设计 7 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。 2.2.22.2.2 四连杆机构设计的要求四连杆机构设计的要求 (1). 支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2.1所示，顶梁端点运动 轨迹的最大宽度 应小于或等于70，最好为30以下。emmmm (2). 支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与P 底平面的夹角，如图2.1所示，应满足如下要求：支架在最高位置时，Q 5262，7585；支架在最低位置时，为有利于矸石下滑，防PQ 止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求，如果钢和矸tan PW 石的摩擦系数=0.3，则=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使WP 25为宜。而角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部PQ 冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取2530，在特殊情况下Q 需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。 (3). 从图2.1中可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平 1 e 线夹角为。设计时，要使角满足的范围，其原因是角直接影响tan0.35 支架承受附加力的数值大小。 e1 h P Q o e=30 图2.1 四连杆机构几何特征图 (4). 应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段，如图2.1 所示的段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，h 可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板阻 止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护 力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移 架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。 从以上分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动 轨迹时，应尽量使 值减小，取双纽线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已e 知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 2 章 液压支架整体结构设计 8 简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以了，如图2.2 e 图 2.2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 图 2.3 掩护梁和后连杆计算图 2.32.3 顶梁长度的确定顶梁长度的确定 根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。 2.3.12.3.1 支架工作方式对顶梁长度的影响支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式(及时支护)要 求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式(滞后支护)要求顶梁长度较小。这是因为 采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后， 支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护，因此，先移架后推溜时顶 梁长度要比先推溜后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为 600 左右。mm 本次设计采用及时支护方式。 2.3.22.3.2 顶梁长度计算顶梁长度计算 式(2.9) 1 1 cos cos300 AQ GPe 顶梁长度配套尺寸底座长度 式中： 配套尺寸参考煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定； 底座长度底座前端至后连杆下铰点之距。 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 2 章 液压支架整体结构设计 9 e 支架由高到低顶梁前端点最大变化距离； 、支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹角。 1 Q 1 P 较薄煤层综采选用的配套设备如下： 采煤机为MG2125/556-WD型； 输送机为SGZ800/630 型中双链刮板输送机； 装载机为 SZZ800/200 型。 830450 1000244780072 3739.8 COS COS mm 顶梁长度 经过计算该支架的顶梁长度 3739.8 圆整为 3740如图 2.5 所示。mm 图 2.5 顶梁长度示意图 河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 第 3 章 立柱结构设计和强度计算 10 3 3 立柱结构设计和强度计算立柱结构设计和强度计算 立柱是液压支架的主要承载与高度调节件。它除了要具有较高的承载能力外， 还应有较大的伸缩行程，以满足支架工作高度的要求。在厚煤层开采中，为了增 大支架对煤层厚度变化的适应性，常需使支架的伸缩比较大。此时，单伸缩立柱 就难以满足要求。虽然采用在支架上装设机械加长杆的方法，在一定程度上可以 扩大其调高范围。但机械加长杆在安装后就成为固定活塞杆，需要调节时装拆比 较困难。目前，在国内外一些大高度的新型支架上日益采用伸缩式立柱。由于本 设计的采高的变化范围较小，因此采用单伸缩双作用立柱结构。 3.13.1 双伸缩立柱缸径和工作阻力的确定双伸缩立柱缸径和工作阻力的确定 设计参数： 行程： 1300mm 缸内工作压力： 40.7MPa 3.1.13.1.1 双伸缩双作用立柱缸径的确定双伸缩双作用立柱缸径的确定 立柱缸体内径按下列公式计算： 式(3.1) 40 cos a F D nP 式中：D立柱缸体内径，； F支架承受的理论总载荷力，; cmkN c FF q kN n立柱的根数；安全阀调定压力，选型安全阀， a PMPa 2 YF B ； 立柱最大倾角，40.7 a PMPa 代入相关数据，得： 12 250,180()DmmDmm 3.1.23.1.2 泵站压力的确定泵站压力的确定 本设计选用 GRB315/31.5 型乳化液泵站，压力。31.5MPa 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 3 章 立柱结构设计和强度计算 11 3.1.33.1.3 立柱初撑力的计算立柱初撑力的计算 式(3.2) 2 3 1 10 4 b D P P 式中：立柱初撑力，; 1 P kN 泵站额定工作压力减去从泵站到液压支架沿程压力损失后 b P MPa 的值。 代入相关数据，得： 1541PKN 3.1.43.1.4 安全阀压力与立柱工作阻力的计算安全阀压力与立柱工作阻力的计算 安全阀的调整压力，按选定后立柱缸体内径 D 和支架承受的理论支护阻力 来确定。即： 1m F 式(3.3) 2 40 z aa F PMP D 式中：按下式计算： z F 式(3.4) 1 cos m z dn F PKN na 式中：支架在最高位置时的倾角。 n a 求出后，再选出一个动作压力和相接近的标准安全阀，此安全阀的动作 a P a P 压力即为支架安全阀的调整压力。本支架选取安全阀压力=40.7. a P a MP 立柱工作阻力的计算： 式(3.5) 2 3 2 10 4 a D P P 式中：单根立柱工作阻力，； 2 PkN 安全阀额定工作压力，。 a PMPa 代入相关数据，得： 2 2000PkN 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 3 章 立柱结构设计和强度计算 12 3.1.53.1.5 立柱缸体壁厚的计算立柱缸体壁厚的计算 支架立柱的壁厚一般为，即中等壁厚，按下式计算：mm3.216 D 式(3.6) 2.3 p D c p 式中：缸内工作压力，； 考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，pMPac 一般取；2mm 强度系数，无缝钢管取； D立柱缸体内径，。1cm 缸体材料许用应力，缸体选用，； MPa27SiMn 980MPa 代入相关数据，得： 圆整，取 。24.7mm 25mm 3.23.2 立柱强度和稳定性验算立柱强度和稳定性验算 3.2.13.2.1 立柱缸体强度验算立柱缸体强度验算 1.缸体壁厚验算 当时，按中等壁厚缸体公式进行计算：3.2 D 式(3.7) 2.3 pDc c 式中：刚体实际最大承压，。 MPa 代入相关数据得： 40.7 (250252) 213.1 2.3 (252) MPa : : 安全系数为： 式(3.8) b nn 式中：缸体材料为无缝钢管，； b 27SiMn1000 b MPa 许用安全系数，一般取。 n3.4 代入相关数据，得: 1000 4.693.4 213.1 nn 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 3 章 立柱结构设计和强度计算 13 所以，缸体壁厚满足强度要求。 2.缸体与缸底焊缝强度验算 缸体与缸底焊缝强度按下式计算： ， 式(3.9) 22 001 10 4 P Dd MPa 式中：环形焊缝内径，； 0 dcm 环形焊缝外径(缸筒外径)，； 0 Dcm 焊接效率，取； 立柱工作阻力，。 1 1 0.7PkN 代入相关数据，得： 22 10 2000 126.4 27210.7 4 MPa 焊缝抗拉强度：539 b MPa 安全系数为： 式(3.10) b nn 代入有关数据，得： 539 4.263.4 126.4 nn 所以，焊缝强度满足要求。 3.2.23.2.2 双伸缩立柱稳定性验算双伸缩立柱稳定性验算 在双伸缩油缸的稳定性验算时，假定活柱与中缸全部伸出，立柱在承受最大 同心载荷的情况下进行验算，其方法是把活柱与中缸的当量惯性矩和相当于单伸 缩中活柱的惯性矩来计算，再用单伸缩求油缸稳定性的方法进行验算。 油缸的稳定性条件： 式(3.11) 2 12 12 k k P PJP J 式中：立柱的稳定极限力，; 立柱的最大工作阻力， k PkNP 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 3 章 立柱结构设计和强度计算 14 ；kN 活柱断面惯性矩，； 1 J 4 cm 4 1 1 64 d J 中缸断面性矩，。 2 J 4 cm 44 22 2 d 64 D J 外缸断面性矩，。 3 J 4 cm 44 33 3 d 64 D J 上述各式中，活柱直径，16；中缸直径，23； 1 dcm 2 dcm 外缸直径，30； 中缸外径， 3 dcm 2 D 18；cm 外缸内径，25。 3 D cm 活柱采用 45 钢空心杆，端部接小球头，空心直径： 式(3.12) 6 2 1 01 4 10 p F dd 式中：材料许用应力，； p 360 180 2 s p MPa n 立柱推力，； 活柱空心直径，。 1 FkN 0 dm 代入有关数据，得： 6 2 0 4 101256.6 18.5167.2 3.14 180 dmm 但是，为增加刚度，此处取。 0 150dmm 代入有关数据，得： ；。 4 1 3265Jcm 4 2 5879.7Jcm 稳定条件的适用范围： 12 12 =2280 J xl P 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 3 章 立柱结构设计和强度计算 15 12 12 12 12 J ll ll JJ 式中：活塞杆端部销孔至最大挠度处之距，172.5； 12 lcm 活柱全伸出，活柱端部销孔至活柱与中缸连接处之距，63.5。 1 lcm 中缸全伸出，活柱与中缸连接处至中缸与外缸连接处之距， 2 l 56.1。cm 中缸全伸出，中缸与外缸连接处至缸底销孔之距，257.9 3 lcm 根据及查极限力计算图，可得值，将该值代入式(3.9)可得 3 12 J J 3 12 l l 1 k P J 值。 k P 若求出的，立柱满足稳定条件。若，则要重新设计，可加大活 k PP k PP 塞杆直径，加大缸体内径，知道满足稳定条件。 代入有关数据，得： 2 1 1.34 J J 2 1 1.5 l l 据此，查极限阻力计算图，知： 1 3.6 k P J 将此值代入式(3.9)，得： 2 (3.6)326542314.41256.6 k PkNPkN 所以，设计的立柱满足稳定性条件。 河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 第 4 章 较薄煤层液压支架主要结构设计 16 4 4 较薄煤层液压支架主要结构设计较薄煤层液压支架主要结构设计 此类较薄煤层液压支架的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶、底板状况， 矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况、硬度和开采方法等， 支架总体技术参数的确定应满足：(1)工作阻力、支护强度的要求；(2)稳定性要 好，抗扭能力强；(3)顶梁、掩护梁密封性能好；(4)拉架力大，走得动；(5)能 放煤，出煤易控制，(6)液压系统简单合理；(7)喷雾降尘装置可靠实用。 这样在设计支架各个部件时，不仅要满足强度要求，还要总体性能好。 较薄煤层液压支架的主要结构有顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座推移 装置、立柱及各种千斤顶、液压控制系统等组成。 4.14.1 支架主要部件的设计要求支架主要部件的设计要求 各部件设计要求要满足总体配套的要求，就是应满足采煤机、输送机和支架 配套的空间要求，支架前部能及时支护，后部便于放顶煤；应有喷雾降尘装置， 为防止煤的自燃发火应安装必要的辅助装置。特别是对于较薄煤层高效集约化生 产工作面，液压支架的高可靠性，降移升推循环速度、过渡支架等 方面设计选型，具有更重要的意义。 各部件设计的基本要求： (1). 四连杆机构应进行优化设计，使支架梁端距变化小，支架受力状态最 佳，结构上既满足工作空间要求，又能承受足够的纵向、横向力及扭矩。 (2). 顶梁 顶梁是支架主要承受顶板压力的部件，并起切顶作用。它可多 次反复支撑顶煤，以利于放煤。顶梁为变断面薄型、前翘整体顶梁、结构简单， 对顶部顶板的支撑效果好，并具有较高的可靠性。 (3). 掩护梁 受扭力和横向载荷力大，是十分重要的部件。 (4).底座 底座是将支架承受的顶板压力和侧向力传至底板。它既要 有足够的强度和刚度，又应满足底板比压不超限。保证支架整体稳定性的关键是 在底座上铰接四连杆机构，在底座中间设置有推移装置。 (5). 推移装置 此机构关系到支架能否正常推移，由千斤顶和推移杆组成。 推移杆结构有长推杆或是由两部分短推移杆组成。 (6). 立柱 应该具有合理的工作阻力和可靠的工作特性，而且要保证有足够 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 4 章 较薄煤层液压支架主要结构设计 17 的抗压、抗弯强度，具有良好的密封性，结构要简单，并能适应支架的工作要求。 4.24.2 掩护式支架顶梁的设计掩护式支架顶梁的设计 4.2.14.2.1 整体式顶梁整体式顶梁 其特点是：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；可设置全场侧护板，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，顶梁前端一般前翘 13 。 4.2.24.2.2 铰结式顶梁铰结式顶梁 铰结式顶梁。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。前梁千斤顶必 须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁一般 要留 100150mm 间隙，从而增加了破碎顶板漏矸的可能性。 4.2.34.2.3 楔形结构梁楔形结构梁 该梁具有整体刚性顶梁前端支护力大的特点，由于楔形与后梁为铰结机 构，当操作楔形千斤顶伸出或缩回时带动楔块前后移动，从而使楔形梁绕铰轴上 下摆动，其摆动范围取决于楔块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰结顶梁 小，因而该梁具有铰结梁的灵活性。此外，在运输时，楔形梁可以放到下垂位置， 缩短了运输尺寸，从而方便运输和安装。 本次设计顶梁选择整体式顶梁。 4.34.3 底座的设计底座的设计 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，液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作相行走，保证 支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度为 3.5 倍的移架步距(一个移架 步距为 0.7m)，即 2.45m 左右。 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 4 章 较薄煤层液压支架主要结构设计 18 4.3.14.3.1 整体刚性底座整体刚性底座 底座为整体式刚性底座，中档前部一般有一高度 50100mm 小箱型结构，中 档后部上方为箱型机构，推移千斤顶一般安装在箱形体之下。整体刚性底座立柱 柱窝一般要设计一过桥，以提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整 体刚度和强度好，底座底面积大，有利于减小对底板的比压。 4.3.24.3.2 底分式刚性底座底分式刚性底座 底座为底分式刚性底座，底座底板是中分式的，中档推移机构直接落在煤 层底板上，前立柱柱窝前有过桥，中档后部上方为箱形结构。由于底分式刚性底 座中档底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不 需要人工清理，适应高产高效的要求，但减少了底座接底面积，增大了对底座的 比压。 4.3.34.3.3 铰结分体式底座铰结分体式底座 底座为铰结分体式底座，底座分为左右两个相对独立的两部分，从中档处铰 结，左右底座在垂直方向可相对错动，无刚性约束。这种底座对底板不平的适应 性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但支架的整体刚性有所降低。目前这种底 座的结构已较少采用。 本次设计底座采用整体刚性底座 4.44.4 掩护梁和连杆的设计掩护梁和连杆的设计 4.4.14.4.1 掩护梁掩护梁 掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有 与前、后连杆铰接的耳座。掩护梁有直线型、折线型两种。这里选择直线型掩护 梁，结构强度高，其工艺性较好。 所有连杆均为箱式结构件，用以克服顶板指向采空区的水平力，增加支架稳 定性；但承受横向力和扭力的性能较差，在设计时对其铰接孔的强度、挤压寿命 应更加重视。 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 4 章 较薄煤层液压支架主要结构设计 19 4.4.24.4.2 四连杆机构四连杆机构 四连杆机构有两种结构型式。 为前后连杆式单杆式的结构形式。 为前连杆是单杆，后连杆是整体式的结构形式。 前连杆又分为刚性前连杆和伸缩前连杆，伸缩前连杆用油缸来代替。后连杆 有直线性和圆弧型。 4.54.5 推移机构的设计推移机构的设计 推移装置由推移杆、推移千斤顶和连接头等主要零部件组成，其中推移杆是 决定推移装置形式和性能的关键部件。推移干的常用形式有正拉式短推移杆和倒 拉式长推移杆两种。 4.5.14.5.1 短推移杆短推移杆 短推移杆一般结构是由钢板组焊而成的箱形结构件，结构简单可靠，重量轻， 被广泛采用。 4.5.24.5.2 长推移杆长推移杆 长推移杆常用形式有框架式、整体箱式、和铰结式。 一般框架式，它由前后两段组成，前段为箱式，后段为双杆式结构和导向块， 当推移千斤顶缸径超过 140mm 时，双杆式结构强度难以保证，可靠性下降。框 架式长推移杆适用于中型以下的支架。 整体箱式长推移杆，一般是由钢板组焊而成的整体箱式结构件。它结构简单， 可靠性好，房子支架和输送机下滑的性能好，但在工作面难以更换，因此，必须 保证其实有够大的安全系数。整体箱式长推移杆在众多种高效工作面使用。 铰结式长推移杆一般由前后两段箱式结构件组成，中间通过十字连接头铰结， 可以上、下、左、右摆动。它解决了整体箱式不便更换的缺点，兼有短推移杆和 长推移杆的双重特点本次设计采用短推移机构。 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 4 章 较薄煤层液压支架主要结构设计 20 4.64.6 立柱的设计立柱的设计 立柱是支架的平衡构件，它长期处于高压受力状态。它除具有合理的的工 作阻力和可靠的工作特性，而且要保证有足够的抗压、抗弯强度，具有良好的密 封性，结构要简单，并能适应支架的工作要求。 立柱的类型 立柱按动作方式，分为单作用和双作用，按结构种类，分为活塞式和活杆式； 按伸缩方式，分为单伸缩和双伸缩。 4.74.7 液压支架的主要技术参数液压支架的主要技术参数 4.7.14.7.1 支护面积支护面积 （） 式(4.1) c Fbl 2 m 式中：支护面积，； 顶梁宽度，； c F 2 mbm 顶梁长度，； 移架后顶梁前端到煤壁的距离，一般lm 。300mm 代入相关数据，得： 2 1.5 (3.150.3)5.18 c Fm 4.7.24.7.2 支架顶梁对支护面积的覆盖支架顶梁对支护面积的覆盖 式(4.2) 1 100% ()() BL LC BK 式中：支架顶梁宽度 ()；支架顶梁长度 ()；BmLm 梁端距 ()；架间距 ()Cm 1 Km 1 100% ()() 15503150 100% (3150300)1500 94.35% BL LCBK 一般不稳定性顶板不小于 85%95%中等稳定性顶板不小于 75%85%，稳定顶板 6070。 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 4 章 较薄煤层液压支架主要结构设计 21 4.7.34.7.3 支护强度支护强度 支护强度的计算可借助于查表。首先按表根据老顶级别和直接顶类别确定支 架架型，再根据顶板级别和采高确定支护强度。由于实际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计算。 式(4.3) 1 121 21 ()() mr a x rr MP hH qqqq hh 式中：当支架最大采高为时，支架应有的支护强度； x q m H a MP 在架型选择表中低于但与之相邻的采高相对应的支护强度 1 q m H ； a MP 在架型选择表中高于 但与之相邻的采高相对应的支护强 2 q m H 度； a MP 所对应的采高()； 所对应的采高() 1rh 1 q m 2rh 2 q m 代入数据得： 3.62 1.6 0.441 (1.6 0.539 1.6 0.441)0.831 42 a x MP q 河南理工大学成人高等教育毕业设计（论文） 第 5 章 液压支架受力分析 22 5 5 液压支架受力分析液压支架受力分析 5.15.1 概述概述 5.1.15.1.1 支架工作状态支架工作状态 (1)顶板状态 在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于受上部岩层压 力，出现离层和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危 险就越大。而顶板冒落是有一定过程的，一般可分为三个阶段，开始顶板处于无 压状态，此时顶板较完整，而且没有下沉，称为无压状态；但经一定时间后，顶 板就会下沉，通常称为老顶来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉带有一定的 周期性，所以称为老顶周期来压状态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落， 此时叫冒落状态。 (2)支架工作状态 支架在这三种状态下是这样工作的：开始支架以初撑力支撑顶板，此时为无 压状态；当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增大，当增大到大于安全阀 调整压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称为立柱让压状态，使支架 以工作阻力支护顶板；如果继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下 行程，如没有向下行程，称为压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现 象；当支架前移后，此时顶板处于无支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架 在工作过程中的三种状态。 (3)支架受力 支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区移动的趋势，使顶梁 受合力和底座受底板反力，其中顶板合力的垂直分力，由支架工作阻力来克服，F 所以在计算支架的工作载荷时按支架的工作阻力来确定。F 5.1.25.1.2 计算载荷的确定计算载荷的确定 液压支架实际受载荷很复杂，顶梁和底座上的载荷既非集中载荷，又非均布 载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算，作如下假设： 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 5 章 液压支架受力分析 23 (1)把支架简化成一个平面杆系结构，同时为偏于安全，按集中载荷进行计 算。 (2)金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。 (3)顶梁、底座与顶底板认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律， 沿支架宽度方向为均布。 (4)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。 (5)立柱和短柱按最大工作阻力来计算。 (6)作用在顶梁上水平力的产生有两种情况：一种是由于支架在承载让压时， 由于顶梁前端运动轨迹为双纽线，所以顶梁与顶板有产生位移的趋势，水平力为 顶梁合力与静摩擦系数的乘积，其方向与顶梁产生位移方向的趋势相反；另一种 是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一至向老塘的水平力，最大水平力 与上相同。顶梁与顶板的静摩擦系数，目前国内一般取。0.2-0.3f (7)支架各部受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。 (8)各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按液 压支架型式试验技术规范的各种加载方式，以支架的额定工作阻力逐一校核， 超过额定工作阻力 10的超载试验，将由安全系数保证强度。 5.25.2 支架受力分析与计算支架受力分析与计算 支架的受力分析与计算，是按理论力学中一物体受几个力作用下处于平衡状 态时，所受力和力矩之和为零的原理来进行分析和计算的。所以当支架支撑后在 处于平衡状态时，取整体或某一部件为分离体也处于平衡状态。其合力与合力矩 为零。即：满足静力平衡的充分必要条件为: 0;0;0 xyx FFM 下面就根据这一理论将支架简化成平面杆系进行受力分析与计算。 5.2.15.2.1 顶梁的受力分析与计算顶梁的受力分析与计算 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 5 章 液压支架受力分析 24 图 5.1 支架受力分析 首先取顶梁为分离体，如图 5.2 所示。各力对 a 点取矩，可写出为顶梁与 r F 顶板的摩擦力，为立柱的工作阻力，为掩护梁对顶梁的水平和垂直方, ab P P, bb xy 向的力，为平衡千斤顶对顶梁的推拉力。为顶板对顶梁的集中载荷力， 11 , hh xy n F 为集中载荷力作用点距顶梁右端的距离。x 图 5.2 顶梁的受力分析 由，得：0x 式(5.1) 111 cos nkbha f FPxxx 由，得：0y 式(5.2) 1111 sin ankbhab yFPyyPP 由，得：0 b M 河南理工大学成人高等教育毕业论文 第 5 章 液压支架受力分析 25 式(5.3) 5615416 751165159 1511059 cossin() 0 nnhh bakk aa f FhFxlxhhyl P lP lPhhPll xhhylll 由式(5.1)，得： 式(5.4) 1111 cos bhnka xxf FPx 由式(5.2)，得： 式(5.5) 1111 sin bha