机械毕业设计17ZY3200液压支架毕业设计

- 1 - ZY3200/14/34 掩护式液压支架的设计 - 2 - 前 言 煤炭是工业的粮食，目前及在相当一段时期内，我国能源生产和消费结构中以煤炭为主的格局不会改变，且数量每年都在递增，只有依靠科技进步，依靠煤炭生产的机械化和自动化才能满足工业生产的这一需要。综合机械化采煤方法是高效安全的采煤方法，而液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。 液压支架在我国煤矿中的使用已有近三十年的历史。从消化先进设备开始，到我国能独立研究、设计的制作，我们已经积累了丰富的经验。通过在学院函授站的学 习，使我对这一部分知识有了更加全面、更加系统的认识和了解，并利用毕业设计这个机会，对我矿井下工作面所用的液压支架进行了选型和设计。由于自己的能力有限，经验不足，再加上时间较紧，有不妥之处，希望能得到有关专家和老师的指正。 - 3 - 内容提要 ZY3200/14/34 掩 护 式 液 压 支 架 的 设 计 ， 主 要 是 针 对*22313 工作面的煤层、围岩情况及其配套设备进行选 型设计的一种实用液压支架，它包括以下几个部分： 通过介绍整个矿井的地质条件及工作面的实际情况，结合支架的发展情况及分类，对液压支架进行了选型，并确定其基本 技术参数。 根据结构部件在整个液压支架中承载情况及作用，详细对支架的顶梁、四连杆机构、侧护板、底座、立柱、各种千斤顶等部件进行了结构设计，确定了其整体结构尺寸。重点对立柱做了结构、技术参数说明，并根据其承载的工作阻力对立柱的稳定性，活塞杆和缸体的强度进行了校验。 介绍了该支架液压系统的特点，详细说明了立柱、各种千斤顶系统的基本控制回路及它们的工作原理，并对泵站液压元件、液压管路进行了选型。 - 4 - 目 录 第一章 概论 1 第二章 液压支架结构尺寸的设计 第三章 液压支架部件的 设计 第四章 立柱的强度校核 第五章 液压支架的液压系统设计 结 论 谢 辞 参考文献 - 5 - ZY3200/14/34 掩护式液压支架的设计 第一章 概论 一、矿井的 概述 *矿是一座年产 180 万吨的大型机械化矿井，生产装备先进，技术力量雄厚，采、掘机械化程度达到 100%， 井田含煤地层时代为 c-p，总厚 210 米，其中有 19 层煤，煤层总厚21 米 ，含煤系数 10%，可采和部分可采煤层 8 层，厚 17.30米，可采含煤系数为 8.2%。 二、支架的发展情况 在煤矿开采的过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。目前回采工作面使用的支护设备有金属摩擦支柱，单体液压支柱和自移式液压支架，前二者统称单体支护设备，与金属铰接顶梁配套使用，支撤和移动都靠人工操作，故劳动强度大，安全性较差，支撤速度慢，工作面产量和效率较低，随着采煤机械化程度的提高，促使了支护设备的迅速发展， 1954 年，英国首先装备了世界上第一个使 用液压支架的综采工作面，把回采工作面的支护技术推进到一个新的阶段。 液压支架是以高压乳化液为动力，使支架的支撑、切顶、- 6 - 移架和推移输送机等工序全部实现了机械化，具有支护性能好，强度高，移架速度快，安全可靠等优点，液压支架与可弯曲输送机、采煤机组成综合机械化采煤设备，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。 三、液压支架的选型 22313 工作面 是北高南低的单斜构造，倾角 5 度左右。老顶为细砂岩结构，厚 15 米，直接顶伪顶为粉砂岩结构，较破碎，易垮落 厚 0.1-1 米。直接顶为粉砂岩结构厚 5.4 米。直接顶属中等稳定类，老顶属于来压明显级，直接顶初次跨落步距一般不小于 15 米，老顶初次来压步距一般不小于 30米，周期来压步距一般为 10 米左右。在正常回采阶段，直接顶一般无悬顶或悬顶很小，随放顶能够及时垮落，且垮落后矸石基本能够充满采空区，因此，本工作面采用全部 垮落管理顶板。 根据老顶级别和直接顶类型， 查液压支架设计表 2-5确定架型为支顶掩护式支架，二立柱支在顶梁上，平衡千斤顶设在顶梁和掩护梁之间。 如图所示。 掩护式支架是利用支柱、顶梁和掩护梁来支护顶板和防止岩 石冒落进工作面，掩护式支架都有一个宽大的掩护梁将- 7 - 作业空间与采空区冒落的矸石隔绝，掩护梁下端一般用前、后连杆与 底座相连，以保持较稳定的梁间距和承受水平推力，少数调高范围小的支架也有掩护梁直接铰接在底座上的，掩护梁上端用直接铰接的方式与顶梁连接，立柱的支撑力通过掩护梁间接作用于顶梁或直接作用于顶梁，掩护式支架的立柱只有一排，且倾斜支撑，以增大支架的调高范围，架间则通过活动侧护板互相靠拢，间密封，通常顶梁较短，一般在 3m 左右。 这种支架的性能特点是：支撑力小，切顶性能强，但支撑力集中作用于机道 上方的顶板上，故支护强度较大，且均匀，对顶板的重复支撑次数少，密封掩护性好，能承受较大的水平力，且允许带压移架。由于立柱倾斜布置，且顶梁又- 8 - 较短，所以工作空间和通风断面较小。 四、液压支架基本参数的确定 1、支护强度和工作阻力 顶板所需的支护强度取决于顶板的等级和煤层厚度，由22313 工作面老顶级别和采高 为 3 米时 可确定该支架支护强度， Q=1.3*35=45.5T/M 综合考虑掩护式液压支架的支撑效率可以确定支架的工作阻力为 3200KN。 2、初撑力 初撑力大小对支架的支护性能和成本都有很大影响，较大的初 撑力能使支架较快的达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性，但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求也将提高，一般取初撑力为（ 0.6 0.8）倍的工作阻力，本支架初撑力确定为 2600KN。 3、移架力和推溜力 移架力与支架的结构、质量、煤层厚度、顶板性质有关，一般中厚煤层液压支架移架力为 150 300KN,我们利用活塞式推移千斤顶移架力可达 359KN，推溜力为 271.5KN。 4、支架高度 - 9 - 考虑到顶板有伪顶冒落，或可能局部冒落，支架的最大高度应是煤层最大开采高度再加 200 300mm，最小高度应为煤 层最小开采高度减去顶板周期来压时的最大下沉量，移架时支架的下降量和顶梁架上、底座下的浮矸厚度等之和，本支架最大高度确定为 3400mm，最小高度确定为 1400mm。 5、支架间距 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槽帮上千斤顶连接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为 1.5m，千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间，所以，支架间距一般为 1.5m。 五、配套设备与要求 1、乳化液泵站 : 压力 P=31.4Mpa 流 量 Q 751/min 2、采煤机 : 采用国产 MG-350W 型双滚筒采煤机，要求采高 1.8-3.0m截深 600mm，窄底托架（加高）。 3、工作面运输机 ： 采用国产 SGB-764/400 双链刮板输送机，支架与运输机直接相连，因此要求溜槽连接部位能承受 30t 的拉力，生产- 10 - 能力为 400t/h 4、顺槽运输机 ： 要求与工作面运输机、转载机运输能力相适应，不能小于 350t/h,采用 SD-80 型伸缩胶带输送机 。 第二章 液压支架结构尺寸的设计 一、顶梁尺寸的确定 长度的确定 顶梁的长度与支架工作方式、配套尺寸等有直接 关系。我矿井下采煤采用及时支护方式，先移架后推溜，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，因此，顶梁的长度要比先推溜后移架时长一个步距，为 600mm，同时考虑到采煤机截割时不一定把煤壁截割成一个垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端距煤壁最小距离为 300mm 的空顶距，为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机铲煤板前留有一定的距离，一般为 135-150mm，以上所有配套设备包括采煤机、输送机均要在顶梁掩护之下，综合考虑，前梁长度确定为 2100mm，立柱上支点距顶梁与掩护梁铰 点距离为 900mm，顶梁总长为3m。 顶梁的宽度 应根据顶梁的性质来确定，宽度大，虽可加快移架速度，提高支架的稳定性，但对顶板适应性差，架- 11 - 间距为 1.5m 的支架 ,顶梁体宽度一般不小于 1.4m,选定为1.4m。 二、四连杆机构的确定 掩护梁通过两个连杆与底座联接，形成四连杆机构。因掩护式支架设计四连杆机构是为了当支架由高到低变化时使支架顶梁前端点与煤壁间距离变化减小，同时使支架能承受较大的水平力，这就决定四连杆机构动作过程具有如下特征： 1、支架高度在最大和最小范围内变化时，如图所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽 度 e 应小于或等于 70mm，最好为 30mm 以下。 四连杆结构的几何特征 2、支架在最高位置和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角- 12 - P 和后连杆与底平面的夹角 Q，应满足如下要求：支架在最高位置时， P =52 62 度， O =75 85 度；支架在最低位置时， P =25 度， O =25 30 度。 3、 掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心 O 的连线与水平线的夹角 ，要使 tg P 式中： PK： 立柱的稳定极限力 ; P： 立柱的最大工作阻力 J12： 加长杆与中缸当量惯性距 设： J1, J2, J3 分别为加长杆，中缸、外缸的断面惯性矩； d1, d2, d3 分别为加长杆直径及活塞杆的内、外径 ； D1, D2 分别为外径的外径、内径 ； - 24 - J12 为加长杆与中缸的当量惯性矩 ； 则： d1= 180mm=18cm d2= 220mm=22cm d3= 180mm=18cm D1= 273mm=27.3cm D2= 230=23cm J1= d14/64=3.14184/64=5150.385 J2= (d24-d34)/64=3.14(224-184)/64=6342.8 J3= (D14-D24)/64=3.14(27.34-234)/64=13522.419 J12=(L1 +L2 )/(L1 /J1+L2 /J2) L12= L1 +L2 式中： L1 ： 加长杆全部伸出时，其端部销孔至加长杆与中缸连接处间距； L2 ： 中缸全部伸出时，加长杆与中缸连接处至中缸与外缸连接处间距； L12： 加长杆端部销孔至最大挠度处间距。 已知： L1 =770mm=77cm L2 =961mm=96.1cm 则： L12= L1 +L2 =77+96.1=173.1mm J12=(L1+L2)/(L1/J1+L2/J2) =(77+96.1)/(77/5150.39+96.1/6342.80 =5770 - 25 - J3/J12=13522.4/5770=1.53 L3 /L12=95.3/173.1=0.55 （ L3 ：中缸全部伸出，中缸与外径连接处至缸底销孔之距； 已知 L3=95.3cm） 根据： J3/J12 及 L3/L12 查放顶煤开采技术与放顶煤液压支架图 2-10-39 极限力计算图可得： PK/J12 18 PK1= ( PK/J12)2J12=1825770=1869480KN3220KNP 则：立柱稳定性符合条件，满足要求。 二、活塞杆强度验算： 在承受同心最 大轴向载荷时，立柱的初始挠度 1 为： 1=（ 1+ 2） *L12*L3/2al+G*L12*L3/2pl*cos 式中： 1 活塞杆与导向套处的最大 配合间距； 2 活塞与缸体处的最大配合间隙； a 活塞杆全部外伸时，导向套前端到活塞末端距离； L 加长杆全部伸出时，加长杆头部 销孔至油缸尾部销孔的距离： L=L1+L2+L3 - 26 - G 立柱总重； 油缸轴线与水平面夹角。 已知： 1=1mm=0.1cm 2=1mm=0.1cm L12=173.1cm L3=95.3cm L=L1+L2+L3=268.4cm =90 -22 =68 G=585kg 代入上式： 1= （ 0.1+0.1 ） *173.1*95.3/ （ 2*20*268.4 ） +（ 585*173.1*95.3） /（ 2*3200*268.4） *cos68 =0.31+5.62*0.375=2.42 立柱的最大挠度 ： 当 L/d15,L12 L3 或 J31.4 所以缸体强度满足使用要求。 三、 缸体的强度验算： 缸体壁厚验算： 缸体壁厚： s=(273-230)/2=21.5mm=2.15cm D/ s=230/21.5=10.7 当 16D/ s3.2 时按中等壁厚的缸体公式计算。 由 s =PS*D/2.3 -PS +C 式中： PS：油缸内工作压力。 C：计入管壁公差及侵蚀的附加厚度， - 29 - 一般取 C=0.2cm :强度系数。无缝钢管 =1 由上式得： =PS/2.3+PS*D/2.3（ s-C） =16.4+193.3=209.7 缸体材料为 27SiMn 无缝钢管时： b=980MPa n一般取 3.5-4 安全系数为： n= b/ =980/209.7=4.674n 所以缸体壁厚满足 使用 要求 。 缸体与缸底焊缝强度按下式计算： =10P/（ /4） *（ D02-d02） 式中： d0：环形焊缝内径； D0：环形焊缝外径； ：焊接效率，取 0.7 代入数值： =10*3200*4/3.14*（ 27.32-232） *0.7 =119.4MPa 焊缝抗拉强度 b=539MPa 安全系数： n= b/ =539/119.4=4.54n - 30 - 所以焊缝强 度满足使用要求。 第五章 液压支架的液压系统设计 一、 液压支架的液压系统简介： 液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作，虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。 液压支架的液压传动，采用容积式液压传动，它具有如下特点：工作液的压力高（管路内的压力达 20 40MP，立柱内的压力达 30-70MP）流量大（ 35-140L/min）；在液压系统中采用粘度低，容量大的液体乳化液作为工作介质；液压缸，操纵阀，其它调节 和控制装置等总的数量大；很长的液压管路（ 200-300m 缸性管， 500-3000m 高压软管）；泵和液压缸传动系统的换算弹性模数较低；所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及他们之间都有相同的联接方式即相同的液压系统，为了保证系统具有较高的容积效率实现无故障作业及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。 - 31 - 液压支架是以单节支架为单元的，工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。可以把泵站，中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统，其中每个部分都具有其 独立的功能，可以单独控制。 该支架液压系统由泵站、工作机构，控制机构和管路四大部分组成： 泵站：由高压柱塞泵，电机，油箱等组成。 执行机构：由立柱，各种千斤顶组成。 控制机构：由控制阀组，双向锁、单向锁、操纵阀组等组成。 管路：包括各种高压软管，各类直通、三通、四通、弯头、 U 形卡等。 主要特点如下： 1、邻架控制，管理简单，操作安全，维护方便。 2、采用统一的高压供液系统，工作压力为 31.4MP，大大提高了支架的初撑力，有利于管理顶板，同时缩小了千斤顶的缸径，结构紧凑并有利于结构设计，还减轻了重量。 3、为 了简化系统，推移千斤顶不设单向阀。但为了避免移架时输送机被往回拉，移架时可将邻架操纵阀手把板到推溜位置。 - 32 - 4、管路联接均采用快速接头结构，规格有 32 、 25 、 19、 13、 10 五种。 5、工作液为 3%MDT 乳化油和 97%中硬以下水的乳化液。 二、液压支架的基本控制回路 （一）、立柱的基本控制回路系统 液压支架的升降是依靠立柱来实现的，支架的立柱分别由两片操纵阀分别控制，为单柱控制回路。如图所示。该回路中设一个液控单向阀、一个安全阀，一个操纵阀，用以控制与操作立柱的升、降动作，并保证立柱的闭锁限 压特性。 将操纵阀置于上阀位（升架位置），由乳化液泵站来的高压液经操纵阀和液控单向阀进入立柱下腔，立柱上腔回液，支架升起接顶，操纵阀移到中间位，液控单向阀关闭，立柱下腔液体被封闭，随着顶板的下沉，立柱下腔内的液体压力逐渐升高，当升至安全阀的调定压力时，安全阀开启溢流，使立柱下腔内液体压力保持定值，从而支架对顶板的支撑力不变。 当采煤机截煤过后，欲将支架移到新的位置，需将操纵- 33 - 阀置于下阀位（降架位置），高压液进入立柱上腔，同时，打开液控单向阀。立柱下腔与回液管连通，支架下降。 （二）千斤顶的基本控制回路 系统 平衡千斤顶的基本控制回路为双向锁紧限压回路。如图所示。 它由一片操纵阀控制两个平衡千斤顶，每个千斤顶回路中设两个液控单向阀，分别控制千斤顶的前后两腔，因两腔油路都有可能成为承载腔，它推顶梁或拉顶梁，使顶梁停留在需要的位置以调节支撑力的作用位置，来适应不同的顶板条件。两个安全阀用以限压。 将操纵阀置于上阀位，高压液体分别经液控单向阀进入千斤顶下腔，同时，打开上腔的单向阀，使之与回液管相通，千斤顶伸出，顶梁顶紧。操纵阀置于下阀位时，则相反，上- 34 - 腔进液，下腔回液，千斤顶缩回。当管路中的液 体压力值大于安全阀调定压力时，安全阀开启溢流，保持千斤顶两腔压力值不变，对千斤顶起保护作用， 护帮千斤顶亦装有双向液压锁，一个安全阀，单向阀锁紧护帮板，使护帮板保持在紧贴煤壁上不动，不经操作护帮板不能自动下降。安全阀用以限压。 推移千斤顶由一片操纵阀控制来实现推移输送机和支架的移动。移架时，先使支架卸载，立柱下腔回液，再将操纵阀置于下阀位（移架位置），工作液体进入推移千斤顶活塞杆腔，后腔回液，此时，支架以输送机为支点前移，此后，再把支架撑紧在顶底板之间，将操纵阀置于上阀位（推溜位置），工作 液体进入活塞腔，前腔回液，此时，以支架为支点就将输送机推向煤壁。 - 35 - 两个顶梁千斤顶由一片操纵阀控制，两个掩护梁侧护千斤顶和两个后连杆侧护千斤顶由一片操纵阀统一控制。侧护千斤顶和弹簧筒共同支撑活动侧护板。 三、泵站及各种液压元件的选型 泵站 液压系统重要的组成部分，它向液压系统输送高压乳化泵，从而保证液压支架所有执行机构的功能。高压泵是泵站的核心，本工作面选用的乳化液泵为 WRA200/31.5，其压力为 315.Mpa，流量 200L/min。为了使泵站正常工作，设有安全阀、蓄能器、截止阀等。 操纵阀 是一 个配液阀，它可以把高压液体分配到需要的部位完成升柱、降柱、推溜或移架等动作。该系统采用 ZC（ A）型和 ZMHX250/40 大流量组合操纵阀，由多片组成。本支架操纵阀由 9 片和配液板组成。其中 3 片为大流量阀，每片都有两个工作腔。每个工作腔内的阀柱、缸球，阀座、阀垫等液压元件都是相同的，每片的操纵手把都有两个可自锁的工作位置，一个零位。 组合操纵阀的特点是能同时操作两片以上的阀片，可以满足实现复合动作的要求，此阀操作灵活，方便，移架迅速，制作容易。 液控单向阀 在液压系统中，只能使工作液一个方向流- 36 - 动，不能逆流 ，用以闭锁液压缸中的液体，使之承载。我们采用国产定型的 ZDFY200/40A 球型液控单向阀。此阀由阀体、顶杆、阀套、阀座及减震阀等组成。短堵有 M27*15 螺孔，用于外接安全阀，特点是结构简单，动作灵活，耐高压等。 双向锁 在结构上是由两个液控单向锁组合而成，可以闭锁千斤顶的两个工作腔，使之承载。本机选用 ZDFS01 型液控双向锁，其内部零件除顶杆和阀体外，其余均采用 KDF2球型液控单向阀的零件，便于更换零件和检修。 安全阀 可使立柱保持恒定工作阻力；当顶板压力超过支架工作阻力时，使立柱工作腔的液体释放，不 仅保证恒定工作阻力，同时起过载保护作用；液体压力未达到额定释放压力时，为常闭，起密封作用。我们采用国产定型的 ZDFA32/50柱塞式安全阀，此阀结构简单，维护方便，性能可靠。 截止阀 采用国产定型的 ZDFJ300 平面截止阀，装在主进油管和操作阀之间。关闭此阀即可切断该支架进液路，便于检修，更换元件，而不影响其它支架的正常工作。此阀特