河南理工大學學士學位論文 1 一緒論 1.1 研究背景及意義 綜合機械化采煤是煤礦技術進步的標志，是煤礦增加產量、提高勞動效率、增加經(jīng)濟效益的重要手段。因此，世界上主要產煤國家綜合機械化采煤技術和裝備發(fā)展很快，建設安全高效礦井已是目前的世界煤炭發(fā)展的方向。 采煤方法及工藝是煤礦生產及采礦學科發(fā)展的主題和中心，同時也是安全高產高效礦井的核心。運用現(xiàn)代高新技術改造傳統(tǒng)生產技術，提高工作面單產，實現(xiàn)礦井的高度集中化生產，將帶動煤礦各個環(huán)節(jié)的變革，實現(xiàn)煤礦的高安全、高產、高效和高可靠性。 我國從 1992 年開展高產高效礦井以來，高產高效礦井逐年 增加，工作面裝備日益更新 。隨著我國煤礦機械制造技術和測試手段的提高，同時對國外先進設備的引進、消化、吸收，國產電牽引大功率采煤機、大運量重型刮板輸送機、軟起動帶式輸送機及液壓支架等成套設備相繼研制成功。這標志著我國綜采成套設備技術水平已經(jīng)能滿足我國建設安全高產高效礦井發(fā)展的需要。 安全高產高效現(xiàn)代化的采煤工作面的落煤、裝煤、運煤、支護等生產過程是一個系統(tǒng)工程，整個系統(tǒng)的先進和可靠，不僅取決于單機設備的先進性和可靠性，設備的合理選型和配套也是至關重要的。“設備、選型、配套”三者缺一不可，相輔相成，否則，不能實 現(xiàn)綜采工作面安全高產高效現(xiàn)代化的成果。因此，研制適用于安全高產高效現(xiàn)代化礦井的綜采設備，并按照國家建設安全高產高效現(xiàn)代化礦井的條件和要求，合理進行設備配套選型是實現(xiàn)安全高產高效現(xiàn)代化礦井的關鍵。 隨著綜合機械化采煤的發(fā)展，我國已經(jīng)取得了豐富的經(jīng)驗和教訓。要實現(xiàn)安全高產高效，礦井必須配備成套設備，特別是工作面的“三機” 采煤機、刮板輸送機和液壓支架必須合理配套。然而在工作面“三機”配套與選型中，液壓支架是核心。實踐證明，回采工作面適用液壓支架后控頂能力大大加強，但若選型不當，管理措施不完善，則頂板控制問題仍會 影響工作面產量和企業(yè)效益。然而綜采工作面的頂板控制問題突出的表現(xiàn)在支架于圍巖的適應性上，當適應性好時，頂板事故率低，工作面安全、高產、高效。并且液壓支架的架型與技術參數(shù)是其主要表現(xiàn)方面。 河南理工大學學士學位論文 2 近年來，隨著數(shù)學和力學的發(fā)展，對采場圍巖控制研究也取得了新發(fā)展，在綜放采場直接頂跨落高度、基本頂結構形式及穩(wěn)定性研究的基礎上，研究了綜放采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及其控制特點，頂煤變形規(guī)律、頂煤冒放性、架型選擇及其支架參數(shù)確定等；在大采高綜采支架及圍巖控制方面，高架傾倒的力學模型，高架傾倒、高架頂梁仰俯的控制及支架 圍巖系統(tǒng)控制 的智能軟件，工作面快速推進下礦壓規(guī)律及顯現(xiàn)特征等研究，均有力的促進了生產的發(fā)展 。 研究發(fā)現(xiàn)，綜采設備的每一種設備都有嚴格限定的適用條件。比如：煤層厚度、傾角、局部構造情況（包括斷層、煤層厚度變化和含矸情況）、頂?shù)装鍘r性等，對采煤機和液壓支架選型都有決定性的影響，選型不當會導致設備不配套，生產效率低，經(jīng)濟效益差。正確的選型配套是安全、高產、高效、經(jīng)濟的前提和保證。因此綜采工作面“三機”配套的合適與否直接影響整個礦井的生產和效益的好壞。實踐證明，工作面頂板事故中， 80%左右的都是由于架型的選擇不當和支架工作阻力 的不足所引起的，所以液壓支架的選擇合適與否直接影響整個“三機”配套的選型的合適與否。通過研究“三機”配套選型的研究，可以很好的減少頂板事故的發(fā)生率，提高三機的使用壽命和效率，同時也可以更好為礦井生產提供更合理的支持，為礦井產生更好的經(jīng)濟效益。 在綜合機械化采煤過程中，液壓支架擔當著極其重要的角色，其主要功能不僅用于支撐管理頂板，隔離采空區(qū)，維護采煤作業(yè)空間，并能自行前移，推進采煤工作面輸送機和采煤機。因此，液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關鍵因素之一。另外，合理的選用采煤設備并結合先進的采煤工藝，可解 決采煤工作面的采煤支護運輸?shù)壬a環(huán)節(jié)之間的矛盾，可有效地提高工效增加成本減少損耗保護生產人員和設備的安全，以及減輕笨重的體力勞動，可為煤礦獲得很高的經(jīng)濟效益。 1.2 國內外研究狀況 1.2.1 國外概況 河南理工大學學士學位論文 3 80 年代以來，世界上主要采煤國家高產高效綜采技術迅速發(fā)展，特別是在美國，大利亞，德國，英國和南非發(fā)展最快。綜采工作面高產高效紀錄不斷刷新，綜采裝新技術層出不窮，尤其以德國和英國最為突出?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展使得井下開采機械化和自動化水平不斷提高，采用大功率、高可靠性、重型設備己經(jīng)成為世界采方式的發(fā)展趨勢， 其中尤以美國、德國的高度集中化綜采高產高效工作面為代表。著采掘技術的不斷進步，大大提高了綜采高產高效工作面的適應性。 采煤機近年來，采煤機的截割速度一直在增加。目前采煤機的截割速度一般在每 0.2米 0.25 米 。一些新研究開發(fā)出來的采煤機的截割速度達到了每秒 0.4 米 0.6。采用計算機人工智能控制的采煤機以及具備超前防護功能液壓支架的應用，使長工作面的生產能力和效率持續(xù) 得到改善 。 內置式多功能徽處理機和控制系統(tǒng)的使用，是近幾年在采煤機控制技術方面取得重大進步。微處理機的應用功能的增加使采煤機生產能力 和性能大為改進。另外，工智能裝置的采用，使采煤機增加了動態(tài)控制與故障處理能力。安裝在采煤機上的算機人工智能系統(tǒng)，可根據(jù)煤層地質條件的實際變化情況，自動地改變采煤機的運狀態(tài)參數(shù)。采煤機截割速度、截割滾筒和擋煤板的位置等可通過程序來進行控制。 而今，在采煤機的控制技術方面，普遍要求實現(xiàn)紅外線監(jiān)控，并具有圖像 /數(shù)字輸系統(tǒng)。目前市場的發(fā)展趨勢正在朝著圖像 /數(shù)字傳輸系統(tǒng)方向發(fā)展，以實現(xiàn)在地自動控制工作面采煤機作業(yè)。工作面液壓支架 一些高產高效工作面液壓支架設計使用壽命要大于 5 萬個循。在設計和制造支架時，應用有 限元分析法、動態(tài)與靜態(tài)加載測試等研究分析手段驗證其可靠性和穩(wěn)定性。支架形式普遍采用二柱式，立柱的直徑也增加到 400 毫米以上，大型支架立柱的直徑在掩護支點至立柱柱窩間的中心距達到 1.75 米時，必須具有足夠的支護強度。為滿足采煤機截割深度大于 1000 毫米的要求，不僅需要增加支架頂梁的長度，也要求增加支架的支護強度，于是就有必要增加支架立柱的直徑，以滿足增加支撐力的要求。 河南理工大學學士學位論文 4 工作面輸送機 長壁工作面輸送機不僅是運輸煤炭的設備，也是采煤機運行的軌道。隨著長壁采煤工作面長度的增加和煤炭產量的不斷增長，工作面輸送機的直徑 也不斷增大。現(xiàn)階段，高產長壁工作面輸送機溜槽寬度通常為 1342 毫米，采用直徑為 423 毫米雙邊鏈，總裝機功率 2220 千瓦。這種輸送機用于長度為 300 米的工作面，小時運輸量可達到 5000噸。為保證高產長壁工作面輸送機達到這一運輸能力，就必須滿足輸送機全載啟動運行時有較高的啟動電壓和啟動功率。高產高效礦井的重要標志反映為工作面產魚、全員工效。由于地質條件和采煤方法不同，各主要采煤國家如美國、澳大利亞、德國、英國等國工作面產里不盡相同。然而，各國日產超過萬 t 的工作面數(shù)里逐年增多，而且產盆紀錄不斷刷新。 美國長壁綜采 工作面的產里一直處于世界領先地位。 1994 年，在美國現(xiàn)有的長壁綜采工作面中，有 15%的工作面平均班產超過 6000 噸，相當于年產 400 多萬 t 水平，月產最高達到 萬 to 澳大利亞近十多年來綜采技術發(fā)展很快，長壁工作面數(shù) I 成倍增長，相當部分工作面產童達到了 300400 萬 t。英國和德國是世界上綜采技術裝備最先進的國家，由于受其煤層賦存條件的限制，其高產高效工作面紀錄不如美國和澳大利亞，但日產萬 t 以上的工作面也相當多， 19%年德國 friedrich heinrich4 礦 1.5m 薄煤層工作面也曾實現(xiàn)日產 1.6萬 t。 近幾年 來，隨著煤礦開采技術和設備的發(fā)展，各主要產煤發(fā)達國家工作面產魚紀錄不斷刷新，煤礦生產高產高效的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。有資料表明，美國、德國、澳大利亞等發(fā)達國家采用長壁綜合機械化開采工藝，大功率、重型化采礦設備，工作面單產水平獲得大幅度提高，平均月產已達到 50 萬 t。美國塞普路斯二十英里礦 1998 年全礦井 (一個綜采面煤層厚度 2.9-3m,埋藏深度 335m，工作面尺寸 259 X 5488m.)生產煤炭 990 萬 t.,月產商品煤 102 萬 t，日產達到了 43115t 的水平。主要設備 :EL3000 型強力電牽引采煤機 :截割電 機 2 X 600Kw，變頻牽引電機 2 X l00kw，總功率 1426Kw；PF4 型交叉?zhèn)刃吨匦凸伟遢斔蜋C :運輸能力 45oat/h,裝機功率 3 X 750kw，封底溜槽 1750 X 1200 X 355mm, 42/46 X 146mm 緊湊型圓環(huán)鏈， RB/CST 軟啟動裝置，中部槽過煤量預計 15Mt；液壓支 河南理工大學學士學位論文 5 架 :DBT 公司二柱掩護式支架， PM4 紅外線引動電液控制系統(tǒng)。工作面設備總功率達 6400kw,設計生產能力達 2500-3000t/ha 1998 年，在德國費力特里西。海因里希礦區(qū)的杰蘭德煤礦，工作面面長 430m,煤層厚度 2. 8m，用 SL300 艾柯夫采煤機、兩柱掩護式支架，日產商品煤達 20262t. 1.2.2 國內概況 我國從 1993 年至今，己累計建成高產高效礦井超過 120 處 2000 年底統(tǒng)計 )，原煤產量從 16806 萬 t 提高到 24246 萬 t，在礦員 1 由 318875 人減到 149246 人，采面由平均 329.85 個減少到 230.46 個，原煤全員工效從 2. 509t/工提高到 7. 736t/工，經(jīng)濟效益增長顯著。 目前，國內中厚煤層一次采全高工作面采用國產設備已實現(xiàn)年產 300 萬 t 以上 ；充州礦區(qū)高產高效綜采放頂煤工 作面成套設備及工藝的研制成功，使我國放頂煤開采技術的發(fā)展跨上了一個新臺階，充州礦區(qū)放頂煤工作面年產已達 600 多萬 to 一次采全高工作面要實現(xiàn)年產 300 萬 t 以上目標，國內仍以進口設備為主。神華集團榆家梁礦 2002 年引進德國艾柯夫公司生產的 SL500 型采煤機，當年 5 月投入使用不久，平均日產就達到 2.5 蘇 t, 7 月最高日產達 3.6 萬 t,最高月產近 40 萬 t。山西晉城無煙煤礦業(yè)集團寺河礦 2002 年引進 SL500 型采煤機，當年 8 月投入使用，最高日產達 2.6 萬 t。 1.2.3 技術特點及最新發(fā)展 1)技術特點 高產高效礦井 的核心就是工作面設備可靠性高、備用安全系數(shù)大，生產能力大。生產特征表現(xiàn)為生產高度集中化，形成一個礦井、一個采區(qū)、一個 (兩個 )采面的生產模式。 河南理工大學學士學位論文 6 礦井生產系統(tǒng)極大簡化，礦井的開拓、掘進、運輸、通風、排水、供電變得更加簡單，提高了生產的安全性，減少了大量巷道的掘進和維護，大幅度降低了生產成本。同時，礦井生產管理也更加科學化合理化。 礦井輔助配套裝備技術得到發(fā)展和提高，如工作面順槽巷道實現(xiàn)快速掘進和支護 ；礦井原煤運輸實現(xiàn)長距離皮帶化 ；材料、設備、人員運輸通過柴油機膠輪車、齒軌或卡軌車可從地面或井底直接到達工作面 現(xiàn)場 ；工作面設備實現(xiàn)快諫搬遷。 2)最斷發(fā)展 為了適應生產能力和快速推進及減少搬家倒面的需要，工作面尺寸不斷加大，工作面最大長度達 400m 以上，走向最大長度達 4500m. 套設備趨于大功率、高可靠性的方向發(fā)展，并廣泛應用新技術。主要表現(xiàn)有以下幾個方面 : a)采煤機的模塊化設計技術使機器的維護和監(jiān)測更加簡便，可靠性更高。交流變頻調速或直流調速電牽引，牽引速度不斷提高，最大牽引速度已達到 35m/min；大功率、高電壓、大截深。采煤機總裝機功率可達 1500V2004kw?，F(xiàn)行 1100v 工作電壓已不適 應大功率采煤機的要求，美國目前常用電壓為 2300v，部分工作面開始使用 4160v 電壓 ；英國、澳大利亞使用 3300v 電壓 ；法國使用 5000、電壓 :波蘭使用 6000v 電壓。采煤機截深達到 1-1.2m；多電機驅動，橫向布置，積木式結構，各單元之 間沒有機械動力傳動，簡單可靠 ；采用光電和傳感技術，可實現(xiàn)自動識別，滾筒自動導向，其實質是煤巖界面探測技術，它能自動識別煤巖界面，并據(jù)此自動調節(jié)滾筒截割高度 ；煤塵控制和故障診斷系統(tǒng)。 b)工作面刮板輸送機最大工作長度可達到 430m，最大槽寬達 1200rnm,最大輸送能力達 5000tlb，最大功率超過 2000kw.結構上采用交叉?zhèn)刃妒綑C頭、整體鑄造或組合焊接封底溜槽，減少了螺栓聯(lián)接，提高了可靠性，使用壽命達到 600-1200 萬 t 過煤量 ；采用 D42mm. (D46mm 大直徑刮板鏈 ；采用 CST 軟啟動技術或雙速電機技術，大大改善了刮板 河南理工大學學士學位論文 7 運輸機的工況、提高了輸送機的可靠性，使鏈子和鏈輪的壽命加倍，故障診斷和工況監(jiān)測技術，可以連續(xù)監(jiān)測輸送機各部件的運行狀態(tài)，進行故障診斷和報曹。順槽轉載機裝機功率最大已達到 525kw，具備自移功能。 1 頂槽膠帶輸送機普遍采用液粘差速或變頻調速及多 電機功率均衡驅動技術，輸送能力達到 2000-3500tlh,輸送距離達到 2000-4000m,膠帶運行速度不斷提高，驅動功率超過 2000kw液壓支架工作阻力達 7000-8000kN，個別達到 11000kN，中心距 1.75m，最大達 2m，支架整機壽命大大提高。結構件材料越來越多地采用高強度鑰材，例如屈服極限 690MPa 以上的鋼板，支架的耐久性試驗循環(huán)次數(shù)達 50000 次，壽命達 14 年以上 ；液壓缸的密封材料均采用聚氨脂，使用壽命比橡膠密封圈能提高一倍以上。發(fā)達國家如美國、澳大利亞等國家普遍以兩柱掩護式為主 ，并有 87. 5%的工作面配備電液控制系統(tǒng)，配以大流盈控制系統(tǒng)，移架速度可達 6-8x1 架。 二 液壓支架 工作原理及方案設計 2.1 液壓支架的組成和分類 2.1.1 液壓支架的組成 液壓支架是綜采工作面支護設備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備。 液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。其組成可分為 4 個部分： (1) 承載結構件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。 (2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各 種動作，產生液壓動力。 (3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。 (4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫 (或挑梁 )裝置、伸縮梁 (或插板 )裝置、活動側護板、 河南理工大學學士學位論文 8 防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。 2.1.2 液壓支架的分類及特點 1 按架形結構及其圍巖關系分 1)掩護式。 (1)支掩掩護式支架分插底式和不插底式 (如圖 2 1 和圖 2 2 所示 ) 圖 2 1 插底式 圖 2 2 不分插底式 (2)支頂掩護式支架分為支架平衡千斤頂設在頂梁與掩護梁之間和平衡千斤頂設在掩護梁與底座之間兩類 (如圖 2 3 和圖 2 4 所示） 圖 2 3 支撐掩護式支架 圖 2 4 支頂支掩掩護式支架 2)支撐掩護式支架。 1)支頂支撐掩護式支架 (如圖 2 5 所示） (2)支頂支掩支撐掩護式支架 (如圖 2 6 所示 )，其中一排立柱支撐在掩護梁上。 河南理工大學學士學位論文 9 圖 2 5 支頂支撐掩護式支架 圖 2 6 支頂支掩支撐掩護式支架 3)支撐式支架。 (1)節(jié)式支架 (如圖 2 7 所示 )分兩框架式、三框架及四框架組合式兩類 (2)垛式支架 (如圖 2 8 所示 )。 圖 2 7 節(jié)式支架 圖 2 8 垛式支架 2按適用煤層傾角分 （ 1)一般工作面支架； （ 2)大傾角支架 。 3技適用采高分 （ 1） 薄煤層支架； （ 2） 中厚煤層支架； （ 3） 大采高文架 。 4按適用采煤方法分 （ 1） 一次采全高支架； （ 2） 放頂煤支架； （ 3） 鋪網(wǎng)文架： （ 4）充填支架。 5按在工作面中的位置分 （ 1） 工作面支架； （ 2） 過渡文架 (排頭支架 )； （ 3） 端頭支架。 6按穩(wěn)定機構分 （ 1） 四連桿機構支架； （ 2） 單鉸點機構支架； （ 3） 反四連桿機構支架； （ 4） 單擺桿式支架； （ 5） 機械限位支架 。 7按組合方式分 （ 1） 單架式支架； （ 2） 組合式支架。 河南理工大學學士學位論文 10 8按控制方式分 （ 1） 本架控制支架 （ 2） 鄰架控制支架 （ 3） 成組控制支架 。 9按控制原理分 （ 1） 液壓直接控制支架 （ 2） 液壓先導控制支架 （ 3） 電液控制支架。 2.2 液壓支架的工作原理 根據(jù)綜合工作面的作業(yè)特點，液壓支架在一個工作循環(huán)內需要有降柱， 移架，升柱，推移等等幾個動作，而這些動作的完成時靠不同功用的支柱，千斤頂，液壓閥和液壓管路來完成的。 其工作原理如圖 2 9 所示： 2.2.1 升柱初撐 圖 2 9 液壓支架的工作原理圖 如上圖所示為支柱的升柱系統(tǒng)的簡圖。升柱時，高壓液體經(jīng)操作閥 1，管路 2 到支柱 4的活塞腔，推動活塞使活柱向上升起。與此同時，支柱環(huán)形腔的液體經(jīng)管路 3 操縱閥 1 流回液箱，此時液壓支架就支撐頂板。 在乳化液泵站的工作壓力作用下，支架對頂板的最初支撐能力， 稱為支架的初撐力，用 p初表示。其計算公式： 24p D P N泵初 式子中 p初 支架的初支撐力，公斤力； D 支柱的活塞直徑，厘米； P泵 乳化液泵站的工作壓力， 2公 斤 力 厘 米 ； N 每架支架的支柱數(shù)。 2.2.2 支架承載 當支柱升起支撐頂板后，便承載頂板的壓力。為了把工作液體封 閉在支柱的活塞腔內，不使工作液體倒流，故加設了個液控單向閥，以保證在支柱支撐頂板后形成初支撐力。 河南理工大學學士學位論文 11 支架達到初支撐力后，在頂板壓力的作用下，支柱的承載量不斷增加，并一直達到支柱的工作阻力。所謂支柱的工作阻力，即是支架在頂板壓力的作用下，使支柱活塞腔的壓力增高，當達到安全閥的釋放壓力時，對頂板的最大支撐力，用xp表示，其計算公式為： 220 . 7 8 5 4XP D P N D P N安 安 4 式子中 xp 支架的 工作阻力，公斤力或噸力； D 支柱的活塞直徑， 2厘 米 ； P安 安全閥的卸載壓力， 2公 斤 力 厘 米 ； N 液壓支架的支柱數(shù)。 2.2.3 降柱卸載 當支架需要向前移動時，首先必須降柱，使支架卸載。降柱時，高壓液體經(jīng)操縱閥，管路到液壓支柱環(huán)形腔， 推動活塞向下運動。與此同時，高壓液體打開封閉支柱活塞腔的液控單向閥，使活塞腔內的液體經(jīng)管路，操縱閥流回油箱。這時液壓支架和頂板脫 離接觸，為移架做好準備。 2.2.4 移架和推溜 支架降柱后就可以移架。由于推移千斤頂一端和支架連接，而另一端和運輸機連接，而且相鄰的支架已將運輸機固定，所以給推移千斤頂相應的工作腔供入高壓液體時，則可將液壓支架移過去。 當支架進行支撐而需要推移運輸機時，在推移千斤頂?shù)牧硪还ぷ髑惠斎敫邏阂后w，則可實現(xiàn)推溜。 千斤頂活塞腔進入高壓液體產生的推力的計算公式為： 20 .7 8 5 4P D P 泵推 式子中 P推 千斤頂?shù)耐屏Γ锪?或噸力； D 千斤頂?shù)幕钊睆?，厘米?P泵 乳化液泵站的工作阻力， 2公 斤 力 厘 米 。 河南理工大學學士學位論文 12 千斤頂環(huán)形腔進入高壓液體產生拉力的計算公式為： 220 . 7 8 5 4 ( )P D d P 泵拉 式子中 P拉 千斤頂?shù)睦?，公斤力或噸力?d 千斤頂活塞的直徑，厘米。 2.3 液壓支架的主要 參數(shù)的確定及選架原則 在 液壓支架與圍巖力學相互作用研究的基礎上，需綜合分析不同地質技術條件下支護阻力確定的理論研究成果并分析不同支架的結構力學特征，為支架選型提供依據(jù)。 2.3.1 液壓支架的選架原則 液壓支架的選型，其根本目的是使綜采設備適應礦井和工作面的，條件，投產后能做到高產、高效、安全，并為礦井的集中生產、優(yōu)化管理和最佳經(jīng)濟效益提供條件，因此必須根據(jù)礦井的煤層、地質、技術和設備條件進行選擇： （ 1）液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。 （ 2）當煤層厚度超過 1.5m，頂板有側向推力或水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一 般不宜選用支撐式支架。 （ 3）當煤層厚度達到 2.5 2.8m 以上時，需要選擇有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。煤層厚度變化大時，應選擇調高范圍較大的掩護式雙伸縮立柱的支架。 （ 4）應使支架對底板的比壓不超過底板允許的抗壓強度。在底板較軟條件，應選用有抬底裝置的支架或插腿掩護式支架。 （ 5）煤層傾角 25時，排頭支架設防倒防滑裝置，工作面中部支架設底調千斤頂，工作面中部輸送機設防滑裝置。 （ 6）對瓦 斯涌出量大的工作面，應符合保安規(guī)程的要求，并優(yōu)選選用通風面積大的支撐式或支撐掩護式支架。 （ 7）當煤層為軟煤時，支架最大采高一般 2.5m；中硬煤時，支架最大采高一般 3.5m；硬煤時，支架最大采高 5m。 （ 8）在同時允許選用幾種架型時，應優(yōu)先選用價格便宜的支架。 河南理工大學學士學位論文 13 （ 9）斷層十分發(fā)育，煤層變化大，頂板的允許暴露面積在 5 8 2m ，時間在 20min 以上時，暫不宜采用綜采。 依據(jù)上面的選型原則及選型主要依據(jù)結合本次設計要求 ， 所以本次設計所選的液壓支架為支撐掩護 式液壓支架。 2.3.2 液壓支架主要參數(shù)的確定 2.3.2.1 高度的確定 一般應首先確定支架適用煤層的平均采高，然后確定支架高度 （ 1） 對于大采高支架，按下式確定支架高度，即 ： m a x m a x ( 2 0 0 4 0 0 )HM m i n m i n ( 5 0 0 9 0 0 )HM 式子中 maxH 支架的最大高度（ mm）； maxM 最大采高 （ mm）； minH 支架最小高度 （ mm）； minM 最小采高（ mm）。 m ax 1seM k M m in 2seM k M 式子中 eM 煤層平均厚度； 1sk 、2sk 煤層厚度上 、下波動系數(shù)，一般情況1sk=1.11.3，2sk=0.80.9. （ 2） 對于中厚煤層支架，按下式確定支架高度，即 ：m a x m a x ( 2 0 0 3 0 0 )HM m i n m i n ( 3 0 0 4 0 0 )HM （ 3） 對于薄層支架，則可按下式確定液壓支架高度，即 m a x m a x( 1 0 0 2 0 0 )HM m i n m i n(1 5 0 2 5 0 )HM 河南理工大學學士學位論文 14 支架的最大高度與最小高度之差為支架的調高范圍。調高范圍越大，支架適用范圍越廣，但過大的調高范圍給支架結構設計造成困難，可靠性降低。 本設計中的煤層屬于中厚煤層，所以取maxH為 2200mm, minH為 1200mm。 2.3.2.2 中心距和寬 度的確定 支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。目前國內外液壓支架中心距大部分采用1 5m.大采高支架為促高穩(wěn)定性中心距可采用 1 75m，輕型支架為適應中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用 1.25m.本次設計中所選擇的中心距為 1.5m。 支架寬度是指頂梁的最小與最大寬度。寬度的確定應考慮支架的運輸、安裝和調架要求。支架頂梁一般裝有活動的側護板，側護板的行程一般取為 170200mm，當支架的中心距為 1.5m 時，最小寬度一般取為 14001430mm,最大寬度一般取 15701600mm。當支架的中心 距為 1.75m 時，最小寬度一般取 16501680mm,最大寬度一般取 18501880mm。當支架中心距為 1.25m 時 ，如果頂梁帶有活動側護板，則最小寬度取 11501180mm，最大寬度取 13201350；如果頂梁不帶活動側護板，則寬度一般取 11501200mm。 本次設計中所選擇的最小支架寬度為 1400mm，最大寬度為 1580mm。 2.3.2.3 梁端距和頂梁長度的確定 所謂梁端距是指移架后頂梁端部至煤壁的距離 。梁端距是考慮由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤機的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使 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，梁端距也應越大。 當采用即時支護方式時一般大采高支架梁端距應取 350480mm，中厚煤層支架梁端距應取 280 340mm薄煤層支架梁端距應取 200 300mm。頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深 (滾筒寬度 )、刮板輸送機尺寸、配套關系及立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護方式等因素的制約。 本次設計中選擇液壓支架的梁端距為 300mm。 減小頂梁長度，有利于減小擰頂面積，增大支護強度，減少頂板反復支護次數(shù)，保持支架結構緊湊，減輕重量。 本次設計中頂 梁長度初定為 3500mm。 2.3.2.4 頂梁形式的選擇 支架常用頂梁形式有 3 種：整體頂梁、鉸接項梁和楔形結構頂梁。鉸接頂梁的前段稱 河南理工大學學士學位論文 15 為前梁，后段為主梁，一般簡稱頂梁。 本次設計中選擇的液壓支架的頂梁形式是鉸接式頂梁。 2.3.2.5 支架側護板形式的選擇 支架側護板裝置一般內側護板、彈簧簡、側報千斤頂、導向桿和連接銷軸等組成。 支架常用的活動側擴板形式有 3 種，即直角式單側活動側護板、且角式雙側可調活動側護板和折頁式單側活動側護板。 本設計中側護板選擇為直角式單側活動側護板。 2.3.2.6 底座形式的選擇 支架 底座常用形式有 3 種，即整體剛性底座、底分式剛性底座和餃接分體底座。 本設計中底座選擇為對分式底座。 2.3.2.7 支 柱間距 支架柱間距是指兩排立柱間的距離。 支柱間距可按下面計算公式計算 bc=Bm+nc3 式中 bc 支架間距（支架中心距）， Bm 每架支架頂梁的總寬度 ， c3 相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙， n 每架所包含的組架或框架數(shù)，整體自移式支架 n = 1；整體邁步式支架 n = 支架節(jié)數(shù)。 支架間距 bc 要根據(jù)支架型式來確定。但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機溜槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定。我國刮板輸送機溜槽每節(jié)寬度為 1.5m ，千斤頂連接塊位置在溜槽中長的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為 1.5m。本次設計所選擇的支柱的間距為 1.5m。 2.3.3 液壓支架方案的確定 通過 已知條件及 以上分析，可以初步選 定 ZFS4000/15/32L（四柱）的支撐掩護式 液壓支架， 其 支護強度 q=1.6*350KN/ 2m ，立柱總的工作阻力 P=4000KN。 河南理工大學學士學位論文 16 液壓支架個部分的結構尺寸如圖 2 10 所示， 圖中1l20l均為支架結構參數(shù)， H 為支架的最高工作高度， 1、2分別為前后立柱與垂線的夾角，3、4、5分別為后四連桿及掩護梁與水平線的夾角。（單位： mm） 圖 2 10 液壓支架尺寸結構圖 1l=200 2l= 200 3l= 700 4l= 600 5l=600 6l=800 7l=300 8l=600 9l=100 10l=2400 11l=1800 12l=1050 13l=380 14l=150 15l=150 16l=230 17l=1280 18l=1060 19l=710 20l=50 1 8.61 2 0.93 3 47 4 66 5 51 2200H 三 液壓支架的 四桿機構 及 掩護梁 的設計計算 3.1 液壓支架的四桿機構的設計計算 3.1.1 液壓支架四桿機構的作用 河南理工大學學士學位論文 17 四連桿機構式掩護式支架和支撐掩護式支架的最重要部件之一，其作用概括起來主要有兩個，其一是當支架由高到低變化時，借助四連桿機構使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。 為了掌握四連桿機構的設計方法，必須正確理解四連桿機構的作用。下面通過四連桿機構動作過程的幾何特征進一步闡述其作用，這些幾何特征是四 連桿機構動作過程的必然結果。 1）支架高度在最大和最小范圍內變化時，如圖 3 1 所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬度 e 應小于或等于 70mm ，最好為 30mm 以下。 圖 3 1 四連桿機構幾何特征 2） 支架在最高位置和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角 P 和后連桿與底平面的夾角 Q， 應滿足如下要求： 支架在最高位置時， P 052 062 ， Q 075 085 ；支架在最低位置時，為有利于 矸石 下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學摩擦理論可知，要求 tanP W,如果鋼和矸石的摩擦系數(shù) W = 0.3，則 P = 16.7。為了安全可靠，最低工作位置應使 P 025 為宜。而Q 角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支 河南理工大學學士學位論文 18 架不能下降，一般取 Q 025 030,在特殊情況下需 要角度較小時，可提高后連桿下鉸點的高度。 3） 從圖 3 1可知，掩護量與頂梁鉸點 e和瞬時中心 O 之間的連線與水平線夾角為 。 設計時，要使 角滿足 tan 0.35 的范圍，其原因是 角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。 4） 應取頂梁前端點運動軌跡雙扭線向前凸的一段為支架工作段，其原因為當頂板來壓時，立柱 讓壓下縮，使頂梁又向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板阻止底座向后移，使整個支架產生順時針轉動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且是底座前端比壓減小，防止啃底，有利于移架。水平力的合力也相應減小，所以減輕了掩護梁的外載荷。 從以上分析得知，為使支架受力合理和工作可靠，在設計四連桿機構的運動軌跡時，應盡量是 e值減小，取雙紐線向前凸的一段為支架的工作段。 所以，當已知掩護梁和后連桿的長度后，從這個觀點出發(fā)，在設計時只要把掩護梁和后連桿簡 化成曲柄滑塊機構，運用作圖法就可以了，如圖 3 2所示（實際上液壓支架四連桿機構屬雙搖桿機構）。 圖 3 2 掩護梁和后連桿構成曲柄滑塊機構 3.1.2運用幾何作圖法確定四桿機構的各部分尺寸 （ 1）首先確定掩護梁上鉸點至頂梁頂面之距和 后連桿下鉸點至底座底面之距 掩護梁上鉸點至頂梁頂面的距離oH一般根據(jù)支架工作阻力初步確定頂梁梁體的高度 河南理工大學學士學位論文 19 后，再根據(jù)結構的合理性確定，一般支架取 150 200mm，重型支 架可取 210 260mm.本次設計中選擇oH為 160mm。 后連桿下鉸點至底座的距離5y 般根據(jù)支架最小高度確定，薄煤層支架取 150250mm，對中厚煤層支架取 250 450mm，對大采高支架取 450 600mm。 本次設計中5y取400mm。 （ 2） 掩護梁和 后連桿長度的確定 用解析法來確定掩護梁和后連桿的長度，如圖 3 3所示。 圖 3 3 掩護梁和后連 桿計算圖 設 ： G 為掩護梁長度； A為后連桿的長度； L2為 e 點引垂線到后連桿下鉸點之距； H1為支架最高位置時的計算高度； H2為支架最低位置時的計算高度； 從幾何關系可以列出如下兩式： 河南理工大學學士學位論文 20 GcosP1-AcosQ1=L2； (3-1) GcosP2-AcosQ2=L2； （ 3-2） 聯(lián)立上述兩式可得： 1212 c o sc o s c o sc o s QQ PPGA （ 3-3） 液壓支架四連桿機構是一個雙搖桿機構，存在兩個運動極限，即如圖 3 4所示： 圖 3 4 四桿機構的極限位置 min max,aa 是液壓支架后連桿的理論變化區(qū)間，一般而言，在 mina 處液壓支架的高度不一定最低，在maxa處液壓支架的高度也不一定最高，但是在 min max,aa一定存在使得液壓支架有最高與最低的一個點，一般情況下，液壓支架的后連桿與水平面的夾角 a 與液壓支架的高度 H 成某一函數(shù)關系，用圖像表示如圖 3 5 所示： 河南理工大學學士學位論文 21 圖 3 5 H與 a的函數(shù)關系 所以取上面的1p=50 ，2p= 30 ，1Q=70 ,2Q=42 ,將數(shù)據(jù)代入（ 3 3）得 AG = c o s 3 0 c o s 5 0c o s 4 2 c o s 7 0 = 0.22320.4011 0.5565 （ 3 4） 此計算結果 符合掩護式支架的 GA0.45 0.62， 又 液壓 支架最高位置時的計算高度為 H1 = GsinP1 + AsinQ1 (3 5) 根據(jù)上面的假設的1p= 50 ，1Q=70 ,結合（ 3 4）和 (3 5)可算得掩護梁及四連桿機構的后連桿的長 度分別為： G =1272.4mm， A =708.1 mm， 取整數(shù) G =1280mm, A =710mm, 重新計算得， 1p=51 ， 2p=30 ， 河南理工大學學士學位論文 22 1Q=66 ， 2Q=34 . （ 3） 液壓支架四桿機構參數(shù)確定的幾何作圖過程 1） 確定后連桿下鉸點 0 點位置，使它比底座底面高 400mm。 2）過 0 點作與底座底面平行的水平線 H H 線 . 3）過 0 點作與 H H 線的夾角為 Q1 的斜線。 4） 在此斜線上截取線段 oa 等于 A 的 長度， a 點即為后連桿與掩護梁的鉸點。 5） 過 a 點作與 H H 線夾角為 P1 的斜線，以 a 點為圓心， G 為半徑作弧交此斜 線 于點 e,e即為掩護梁與頂梁的鉸點。 6) 過 e點作 H H 線的平行線 F F 線，則 H H 線與 F F 線的距離為 H1， 即液壓支架最高位置時的計算高度。 7) 以 a 點為圓心，以 （ 0.22 0.3） G 長度為半徑作弧，在掩護梁上交一點 b，為 前連桿上鉸點的位置。 8) 過 e點作 F F 線的垂線（認為液壓支架由高到低變化時， e點在此直線上滑動）。 9) 在垂線上作液壓支架在最低位置時頂梁與掩護梁的鉸點 e。 10) 取 ee 線中間某一點 e，為液壓支架降到此高度時掩護梁與頂梁的 鉸點（液 壓支架由高到低變化時，頂梁前端點運動軌跡為近似雙扭線，中間這幾點的位置直接影響頂梁前端點運動軌跡的形狀、變化寬度等）。 11) O 點為圓心， oa 為半徑作圓弧。 12) 以 e點為圓心，掩護梁長 ae 為半徑作弧，交前圓弧上一點 a，此點位液 壓 支架降到中間某一位置時，掩護梁與 后連桿的鉸點。 13) 以 e點為圓心，掩護梁長 ae 為半徑作弧，交最前面圓弧上一點 a， 此點位支架降到最低位置時，掩護梁與后連桿的鉸點。 14) 連接 ea 、 ea ，并以 a點為圓心， ab 長為半徑作弧，交 ae 上一點 b。 以 河南理工大學學士學位論文 23 a點為圓心， ab 長為半徑作弧，交 ae 上一點 b。則 b、 b、 b三點為液壓支架在三個位置時，前連桿的上鉸點。 15) 連接 ao 、 ao 為液壓支架降到中間某一位置和最低位置時后連桿的位置。 16） 分別作 bb 和 bb 的垂直平分線，其交點 c 即為前連 桿下鉸點， bc 為前連桿長度。 17）過 c 點向 H H 線作垂線，交點 d，則線段 oa 、 ab 、 bc 、 cd 和 do 為液壓支架四連桿機構。 18）以上初步求出的四連桿機構的幾何尺寸，再用幾何作圖法畫出液壓支架掩護梁與頂梁鉸點 e的運動曲線，只要初步變化四連桿機構的幾何尺寸，便可以畫出不同的曲線來。再按液壓支架四連桿機構的幾何特征進行校核，最終選出較優(yōu)的四連桿機構尺寸。 圖 3 6 液壓支架四連桿機構的幾何作圖法 經(jīng)過優(yōu)選，最終得到： 前、后連桿上鉸點之距 ab = 280mm； 前連桿長度 bc = 1060mm； 河南理工大學學士學位論文 24 前連桿下鉸點高度 cd = 95mm； 前、后連桿下鉸點在底座上的投 影距離 do = 600mm； 前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距 be = 1000mm。 3.2 液壓支架掩護梁的設計計算 3.2.1掩護梁的功能 掩護梁是液壓支架的重要組成部分，在液壓支架中的功用主要有如下幾點：（ 1） 將頂梁承受的部分壓板壓力通過連桿或鉸接點傳遞給底座 。 （ 2） 用以隔離采空區(qū)、阻止其冒落矸石涌入工作面，掩護梁上的活動側護板進一步完善了這種功能。 （ 3） 承受采空區(qū)冒落殲石的壓力，并將它傳遞至頂梁、 連桿和底座 。 3.2.2掩護梁的選型 掩護梁的結構為鋼板焊接的箱式結構，在掩護梁上端與 頂梁鉸接，下部焊有與前、后連桿鉸接的耳座，活動側護板裝在掩護梁另 一側。 從側面看掩護梁，其形狀有直線型 （如圖 3 7 所示） ，折線形兩種。 直線型掩護梁整體性能好，強度大，加工簡單，工藝性好，是目前運用得最多的一種。 折線型 （如圖 3 8所示） 相對直線型支架斷面大，結構強度高，但工藝差， 雖然過去常常采用，但是現(xiàn)在 很少采用。本設計 中掩護梁 屬直線型。 圖 3 7直線型掩護梁 圖 3 8 折線型掩護梁 從掩護梁的寬度方向來分，可分為整體式和對分式兩種。對分式結構尺寸小，易于加工、運輸和安裝，但結構強度差。本設計 中掩護梁 為整體式 。 3.2.3掩護梁尺寸的擬定 河南理工大學學士學位論文 25 （ 1）長度：掩護梁的長度確定遵循如下幾點原則 1）一般支架高度大，調高范圍大，要求掩護梁較長。 2）加大掩護梁的背角，可以減小掩護梁的長度。 3）一般連桿長，且與水平面夾角大，可以縮短掩護梁的長度。 4）放頂煤，分層鋪網(wǎng)等特種采煤的工藝的支架，要求的掩護梁的長度要長。 結合以上的原則及前面的計算可知，本設計中掩護梁的長度定位 1280mm。 （ 2）寬度：掩護梁的寬度設計應考慮如下幾點 1）掩護梁的寬度主要取決于支架的中心距，頂板穩(wěn)定性及是否帶活動側護板等因素 2）對于支撐掩護式液壓支架的掩護梁的寬度可參考如下的計算公式 掩護梁寬度 =支架中心距 -架間間隙（ 200 300mm） 本設計中選擇掩護梁的寬度為 1300mm。 （ 3）高度：影響掩護梁的高度設計有如下幾點 1）掩護梁的高度通過掩護梁的受力分析，強度校核來確定 2）對于厚煤層液壓支架，由于要承受很大的水平力和側向力，應該適當加大掩護梁的高度，以便提高穩(wěn)定性和安全性 ；對于薄煤層液壓支架，為保持一定的空間，要適當縮小掩護梁的高度。 3）掩護梁上固定側護板的高度應保證當相鄰支架前后相差一個步距支架高度相差300 400mm不脫開，而當支架處于最低位置時，掩護梁側板不應該接觸底板。 綜上考慮，本設計中選擇掩護梁的高度為： 300mm。 四液壓支架的 力學 分析 4.1 頂梁的受力分析 4.1.1 立柱傾角計算 立柱傾角1、2是影響支架支撐能力的重要參數(shù)。支架在不同高度時立 柱傾角可由下式求得： 1 2 1 3 6 7 2 011 4 1()a r c t a n l l l l lH l l = 3 8 0 1 0 5 0 ( 8 0 0 3 0 0 5 0 )a r c t a n 2 2 0 0 1 5 0 2 0 0 = 280a r c t a n a r c t a n 0 . 1 5 1 4 8 . 6 11850 2= 1 2 1 3 6 7 2 0 6 1 21 4 1()a r c t a n l l l l l l lH l l = 1 0 5 0 3 8 0 ( 8 0 0 3 0 0 5 0 ) 8 0 0 1 0 5 0a r c t a n2 2 0 0 1 5 0 2 0 0 河南理工大學學士學位論文 26 = 30arctan1850 = 0.93 4.1.2 頂梁 的受力 計算 取頂梁為分離體（包括前梁）如下圖 4 1所示 ： 4 1 頂梁受力分析圖 設頂板對支架頂梁的水平摩擦力為 rF ，掩護梁對頂梁鉸點的作用內力為 AA YX , 。由頂梁平衡條件 0；0；0 AMyx 可得： AX 1 1 2 2( s i n s i n )rp p p =12( s i n 8 . 6 1 s i n 0 . 9 3 0 . 2 )rp p p = (0.151p-0.0162p 0.2 rp) （ 4 1） AY 1 1 2 2( c o s c o s )rp p P =12( c o s 8 . 6 1 c o s 0 . 9 3 )rp p P 河南理工大學學士學位論文 27 =12( 0 . 9 8 9 0 . 9 9 9 )rp p p （ 4 2） AM 1 1 6 1 1 1 2 1 3 2 2 1 3c o s ( ) c o srrp x p l p l l p l =1 1 20 . 2 0 . 2 3 c o s 8 . 6 1 (1 . 0 5 0 . 3 8 ) c o s 0 . 9 3 0 . 3 8rrp x p p p =1 1 20 . 0 4 6 1 . 4 1 4 0 . 3 8rrp x p p p （ 4 3） 4.2 掩護梁的受力分析 4.2.1 掩護梁的及四桿機構部分的夾角的計算 結合前面四桿機構的作圖可知道，3= 47 ， 4= 66 ， 5= 51 ， 4.2.2 掩護梁的受力計算 取掩護梁為分離體，其受力模型如圖 4 2 所示： 圖 4 2 掩護 梁的受力分析 河南理工大學學士學位論文 28 設掩護梁上矸石壓力為wP；其作用位置在掩護梁31處；由掩護梁平衡條件0；0；0 AMyx 可知： X = AX （ 23 3 4 4 5c o s c o s c o sWP p p 50 . 2 5 c o s 0 . 2 5Wwpp） = AX（ 234c o s 4 7 c o s 6 6 ( c o s 5 1 )Wp p p =AX（ 2340 . 6 8 2 0 . 4 0 7 1 9 . 6 4 2 0 . 2 0 . 6 2 9pp ） 0 . 2 5 1 9 . 6 4 2 0 . 2 0 . 6 2 9 0 . 2 5 1 9 . 6 4 2 ） = AX （340 . 6 8 2 0 . 4 0 7 3 . 9 7 5PP ） =0 （ 4 4） Y AY （ 5 5 5 5c o s s i n 0 . 2 5 s i n s i nW W Wp p p 3 3 4 4s i n s i npp ） =AY（ 1 9 . 6 4 2 1 9 . 6 4 2 0 . 2 c o s 5 1 s i n 5 1 5 5 3 40 . 2 5 s i n s i n s i n 4 7 s i n 6 6Wp p p ） =AY（341 9 . 6 4 2 1 . 9 2 1 1 . 1 8 6 0 . 7 3 1 0 . 9 1 4pp ） =AY（342 0 . 3 7 7 0 . 7 3 1 0 . 9 1 4pp=0 （ 4 5） AM=5 1 7 5 1 722s i n 0 . 2 5 c o s33WWp l p l 3 3 1 6 3c o s ( )p H l l =3 3 2 0 4 4 8 2 0 4 4 4 1 6s i n s i n ( ) c o s ( )p l p l l p H l l =5221 9 . 6 4 2 s i n 5 1 1 . 2 8 0 0 . 2 5 c o s 1 . 2 8 033 Wp 3 c o s 4 7 1 . 2 7 0p 34s i n 4 7 0 . 0 5 s i n 6 6 0 . 6 5pp 4 c o s 6 6 1 .3 7p 河南理工大學學士學位論文 29 =5221 9 . 6 4 2 s i n 5 1 1 . 2 8 0 0 . 2 5 c o s 1 . 2 8 033 Wp 3 c o s 4 7 1 . 2 7 0p 34s i n 4 7 0 . 0 5 s i n 6 6 0 . 6 5pp 4 c o s 6 6 1 . 3 7p =31 3 . 0 2 6 2 . 6 4 0 . 8 6 6 p 3 4 40 . 0 3 7 0 . 5 9 4 0 . 5 5 7p p p =341 5 . 6 6 6 0 . 9 0 3 1 . 1 5 1pp=0 （ 4 6） 4.3 底座的受力分析 底座的受力模型如下圖 4 3 所示： 圖 4 3 底座的受力 圖 由 0X 、 0Y 、2 0OM 得： 1 2 2 3 3 4 4s i n s i n c o s c o s 0fX F P P P P 1+ 1 2 2 3 3 4 4c o s c o s s i n s i n 0fY P P P P P 1 2 2 1 1 2 2 2s i n s i nO fM P x P l P l 1 1 6 7 8c o s ( )P l l l 1 河南理工大學學士學位論文 30 2 2 7 8 3 3 3 3 3 8 4 4 4c o s ( ) c o s s i n c o s 0P l l P l P l P l 其中 ffFP rrFP 將數(shù)值代入上式得： 340 . 2 2 s i n 8 . 6 1 2 s i n 0 . 9 3 c o s 4 7 c o s 6 6fX P P P + =340 . 2 2 0 0 0 0 . 1 5 0 2 0 0 0 0 . 0 1 6 0 . 6 8 2 0 . 4 0 7fP P P + =340 . 2 2 0 0 . 6 8 2 0 . 4 0 7fP P P =0 （ 4 7） 342 0 0 0 c o s 8 . 6 1 2 0 0 0 c o s 0 . 9 3 s i n 4 7 s i n 6 6fY P P P =342 0 0 0 0 . 9 8 9 2 0 0 0 1 0 . 7 3 1 0 . 9 1 4fp P P =343 9 7 8 0 . 7 3 1 0 . 9 1 4fp P P =0 （ 4 8） 22 2 0 0 0 s i n 8 . 6 1 0 . 2 2 0 0 0 s i n 0 . 9 3 0 . 2O fM P x 2 0 0 0 c o s 8 . 6 1 1 . 7 2 0 0 0 c o s 0 . 9 3 0 . 9 3 3 4c o s 4 7 0 . 7 s i n 4 7 0 . 6 c o s 6 6 0 . 6 0P P P =f2 p 2 0 0 0 0 . 1 5 0 . 2 2 0 0 0 0 . 0 1 6 0 . 2x 2 0 0 0 0 . 9 8 9 1 . 7 2 0 0 0 1 0 . 9 3 3 40 . 6 8 2 0 . 7 0 . 7 3 1 0 . 6 0 . 4 0 7 0 . 6P P P =f2 p 6 0 6 4x 3 3 6 2 .6 1 8 0 0 340 .9 1 6 0 .2 4 4PP =f2 px340 .9 1 6 0 .2 4 4PP 5166.6 0 （ 4 9） 其中 3 s i nWCp H R L a （ 4 10） （ 4 10）式子中 H 最大采高 取 2m, R 矸石密度取 332 .5 1 0 kg m, CL 掩護梁的長度 取 1.28m, 河南理工大學學士學位論文 31 掩護梁與水平面的夾角 取 66 . 聯(lián)立上述（ 4 1） （ 4 10）式，解得： AX 514.8KN AY 66.8KN 1x 0.933m， 3P 1644.8kN， 4P 1416.kN， rp 4044kN， 4068fp K N 2x=0.873m 4.4 掩護梁 的強度計算與校核 1.求掩護梁所受內力并畫出受力簡 圖 (圖 4 4)和內力分析計算圖 (支架高度為 2200mm時 )。 河南理工大學學士學位論文 32 圖 4 4 掩護梁轉化為水平方向的受力簡圖 2.經(jīng)正交分解后掩護梁的受力簡圖如圖 4 5所示 ： 圖 4 5 掩護梁的垂直其表面的受力簡圖 3.求各點處的剪力和畫剪力圖 4-6。 3 6 2 .43 4 6 .21262ABBCCDQ K NQ K NQ K N 圖 4 6 掩護梁的剪力圖 4.求各點處的彎矩和畫彎矩圖 4-7。 MA右 =0 BM左= 310.66 K N m BM右= 299.6KN m CM左=360KN m 河南理工大學學士學位論文 33 CM右= 353.4KN m MD左 =0 圖 4 7 掩護梁的彎矩圖 雙向取矩誤差校正如下： 3 6 0 3 5 3 . 4 0 . 0 1 8360CCCMMKM 左 右左 誤差可忽略不計。 由圖 4 7可知 C截面 集中載荷處彎矩最大為危險斷面。 5.集中載荷處斷面 (圖 4 8)強度計算 。 河南理工大學學士學位論文 34 圖 4-8 集中載荷處斷面 1、 2、 3、 4一零件號 1） 求每塊鋼板的面積及形心位置 iFL iy形心位置 組合斷面形心 iiiFyy= F 2） 每個零件中心到截面形心的距離 iia =y-y 3） 每個零件對截面形心的慣性矩 對于矩形零件其慣性矩的計算公式為： 312bhJ 式子中 ： b 零件水平方向的長度 h 零件豎直方向的長度 4） 將上述所求結果列表 4 1 零件號 1 2 3 4 數(shù)量 1 2 3 4 2()nF cm 224 40 80 72 河南理工大學學士學位論文 35 ()ny cm 0.8 21.6 30.4 21.6 4()nJ cm 365866.7 3.33 16666.7 19.4 表 4 1 5）掩護梁的形心位置的計算 ()nnCnFYYF = 2 2 4 0 . 8 1 4 0 2 1 . 6 2 8 0 3 0 . 4 3 7 2 2 1 . 6 42 2 4 1 4 0 2 8 0 3 7 2 4 =15424832=18.54cm。 6）掩護梁慣性矩的計算 2 ( ) n n n CJ J F Y Y = 223 6 5 8 6 6 . 7 2 2 4 ( 0 . 8 1 8 . 5 4 ) 2 3 . 3 3 4 0 ( 2 1 . 6 1 8 . 5 4 ) + 3 1 6 6 6 6 . 7 8 0 ( 3 0 . 4 1 8 . 5 4 ) 4 1 9 . 4 7 2 ( 2 1 . 6 1 8 . 5 4 ) =521627.1 4cm 7）掩護梁彎曲應力的計算 ( 4 1 . 6 1 8 . 5 4 )CM J 左 = 36000000 ( 41. 6 18. 54)5 2 1 6 2 7 . 1 =1591.54Ncm 8）掩護梁的安全系數(shù) 雖然工程材料里面很多種材料的彎曲屈服應力都適合本零件要求，但是掩護梁是通過鋼板的焊接成型的，所以制造這種零件的材料必須具備很好的焊接性能，因此本設計中選擇掩護梁的材料為 15nM。查機械零件手冊 第 133 頁 得 15nM鋼的 245004Ncm 所以 24500 151 5 9 1 . 5sn ，滿足實際要求。 4.5 插板千斤頂?shù)脑O計計算 4.5.1 插板千斤頂缸筒內徑和缸壁 厚度的計算 由已知條件得：插板千斤頂?shù)耐屏?TP 為 400KN 河南理工大學學士學位論文 36 拉力 LP 為 200KN 泵站壓力 BP 為 32 MP 1) 因為推力： 24TBP d s P 所以 34 4 4 0 0 1 0 1 2 . 63 . 1 4 3 2 0 0TBPd s c mP 選用缸內徑 ds 為 140mm,材料為 27SiMn無縫鋼管，其 s 為 83385 2/N cm ，安全系數(shù)選取 1.5，許用應力 =83385/1.5=55590 2/N cm 。缸壁的厚度計算如下： 0 . 4 1 4 5 5 5 9 0 0 . 4 5 0 9 5 . 51 1 0 . 2 92 1 . 3 2 5 5 5 9 0 1 . 3 5 0 9 5 . 5pds cmp 其中 p 為缸筒內壓力為： 3 2224 4 4 0 0 1 0 2 5 9 9 . 7 7 /3 . 1 4 1 4Pp N c mds 考慮到缸口要有車槽和臺階，選取壁厚為 14mm 2)因為拉力： 22( 1 )4LBP d s d P 3224 4 2 0 0 1 01 1 4 1 0 . 7 7 83 . 1 4 3 2 0 0LBPd d s c mP 所 以 ： 取 整 d1 為 110mm。 4.5.2 計算重疊長度 最小導向長度的確定：2 7 0 0 1 4 0 1401 0 2 1 0 2DLH m m 上式中 L 液壓缸的行程，根據(jù)插板長度的需要選擇其為 700mm。再考慮活塞的厚度和導向套的長度，所以取 H為 150mm。 4.5.3 插板千斤頂?shù)膹姸扔嬎?插板千斤頂?shù)膹姸扔嬎惆ㄇЫ镯數(shù)姆€(wěn) 定性、活塞桿和缸體的強度驗算 是否符合實際工況 等內容。 1.千斤頂?shù)姆€(wěn)定性驗算： 千斤頂?shù)姆€(wěn)定條件為： 21kkTPP J PJ 河南理工大學學士學位論文 37 式中： kP 千斤頂?shù)姆€(wěn)定極限力， KN 1J 活塞桿的斷面慣性矩， 4cm 2J 缸體斷面慣性矩， 4cm 根據(jù) 21JJ和 12ll 查極限阻力計算可得1kPJ，將該值代入上式可得 kP 的值。 （如圖 4 9 所示） 圖 4 9211.3JJ 時的極限力計算圖 其中： 4444 4 4 441 1 11 7 1 8 . 36 4 6 41 1 6 . 8 1 42 2 0 2 3 . 56 4 6 4dJ c mDDJ c m 穩(wěn)定條件范圍： 2280 112TJ lP 即： 127 1 8 . 32 2 8 0 3 0 5 5 . 3400 l 由上可得： 2 2 0 2 3 . 51 . 6 7 81 7 1 8 . 3JJ 河南理工大學學士學位論文 38 2 4 5 0 1 .1 51 3 9 0ll 式子中： 1l 活塞桿的伸出長度 2l 千斤頂?shù)陌惭b長度 查圖 2-10-40得1kPJ=55 所以 221 5 5 7 1 8 . 3 2 1 7 2 . 91kk PP J K NJ P 滿足要求 2. 活塞強度驗算： 在承受同心最大軸向載荷時，尾梁千斤頂?shù)淖畲髶隙?1 為： 1 2 1 2 121 c o s22ll G l la l p l 式中： 1 活塞桿與導向套配合間隙， 本設計中 取 1 =0.5mm 2 活塞與缸體配合間隙， 本設計中 取 2 =0.5mm G 千斤頂?shù)目傊兀?本設計中 取 G為 3KN 缸體軸線與水平面夾角， 本設計中 取 =15 所以： 1 1 . 0 4 9 5 6 3 4 9 5 6 c o s 1 5 1 . 0 32 8 1 0 5 2 4 0 0 1 0 5 。 11 1050 9 . 5 5 , 2 2 0 2 3 . 5 5 3 5 9 1 . 5110l JJd 由 于 當 時： 1121212lkk lltt 式中： E 鋼材彈性模數(shù)，取 E=2.088 510 MPa 354001 1 . 6 3 3 1 01 2 . 0 8 8 1 0 7 1 8 . 3pk EJ 354002 0 . 9 7 3 1 02 2 . 0 8 8 1 0 2 0 2 3 . 5pk EJ 河南理工大學學士學位論文 39 31 5 7 . 3 2 1 1 ( 5 7 . 3 1 . 6 3 3 1 0 4 9 0 . 2 5t t g k l t g 。） 32 5 7 . 3 2 2 2 ( 5 7 . 3 0 . 9 7 3 1 0 5 6 1 . 9 1t t g k l t g 。） 所以： 332 . 7 1 0 5 2 . 1 71 . 6 3 3 1 0 0 . 9 7 3 1 0 4 9 5 61 . 2 3 0 . 4 4 活塞桿的合成應力為： PPAw 上 式中： A 活塞桿截面積 W 活塞桿的斷面模數(shù) 查表 2-10-11和 2-10-12得 A=86.59， W=113.7 (放頂煤開采技術與放頂煤液壓支架 213頁 ) 所以： 33 24 0 0 1 0 4 0 0 1 0 2 . 1 7 1 2 2 5 3 . 6 /8 6 . 5 9 1 1 3 . 7 N c m 安全系數(shù)計算如下： 活塞桿選用 27SiMn無縫鋼，其 s =83385。 83385 6 . 8 1 . 41 2 2 5 3 . 6snn 滿足要求 3. 缸體強度驗算： 缸體壁厚驗算： 140 1 0 3 . 214D ， 此 時 按 中 等 壁 厚 缸 體 公 式 來 計 算 ， 即 ： 2 . 3p D cc 式中： 缸體實際承受的最大應力， MPa C 考慮管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般取 2mm P 缸內工作壓力，由已知條件知 P=32 Pa 所以： 3 2 1 4 0 1 4 2 1 7 6 . 22 . 3 2 . 3 1 4 2p D cc 河南理工大學學士學位論文 40 所以安全系數(shù)為：（缸體材料為 27siMn s =83385 2/N cm ） 8 3 3 .8 5 4 .71 7 6 .2n 滿足強度要求 缸體與缸底焊縫強度計算： 220 0 1104PD d y 式中：0d 環(huán)形焊縫內徑， 0d=14cm 0D 環(huán)形焊縫外徑，（缸筒外徑）0D=16.8cm 1 焊接效率，取1為 0.7 所以： 2 2 2 20 0 11 0 1 0 4 0 0 8 4 . 41 6 . 8 1 4 0 . 744PDd 安全系數(shù)為：（鋼材的焊縫抗拉強度b=539 Mpa） 539 68 4 . 4bn 滿足 要求 五液壓支架的三維建模及仿真分析 5.1 pro/e 概述 Pro/E軟件是目前國內外最為先進的基于特征的三維參數(shù)化設計系統(tǒng)之一 ,易學易用、功能強大。利用 Pro/E軟件實現(xiàn)放頂煤液壓支架的三維參數(shù)化造型與運動仿真 ,簡捷方便、形象直觀、效果逼真 . Pro/ENGINEER 是美國參數(shù)技術公司（ Parametric Technology Corporation， PTC）于1988 年開發(fā)的參數(shù)化設計系統(tǒng)，它提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征和全相關性的概念改變了機械 CAD/CAE/CAM 的傳統(tǒng)觀念，已經(jīng)成為當今世界 CAD/CAE/CAM 領域的新標準。它與傳統(tǒng)的 CAD 軟件僅提供繪圖工具有著極大的不同，它提供了一套完整的機械產品解決方案，包括機械設計、模具設計、鈑金設計、加工制造、機構分析、有限元分析和產品數(shù)據(jù)管理等，使產品的設計具有很大的靈活性，大大提高了設計效率， 在產品的生產 河南理工大學學士學位論文 41 階段可以與數(shù)控機床、加工中心等進行數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)自動加工。 Pro/ENGINEER 的主要特性有以下幾條： （ 1）單一數(shù)據(jù)庫 Pro/ENGINEER 可隨時由 3D 實體模型轉化成 2D 工程圖，而且自動標注工程圖尺寸。在 3D或 2D 圖形上做尺寸修改時，相關的 2D 圖形或 3D 實體模型均自動修改，同時裝配、制造等相關設計也會自動更新，確保了數(shù)據(jù)的一致性，達到設計、修改工作的同步，避免了人為修改的疏漏。 （ 2）截面、零件和裝配體模型的全參數(shù)化 截面的參數(shù)化是指 Pro/ENGINEER 軟件自動給各個特征二維截圖中的 每個尺寸賦予參數(shù)并排上序號，通過對參數(shù)的調整即可改變幾何形狀和尺寸大小。零件的全參數(shù)化是指Pro/ENGINEER 軟件自動給零件中各特征的相對位置、形狀尺寸賦予參數(shù)并排上序號，通過對參數(shù)的調整即可改變特征間的相對位置關系以及特征的幾何形狀和大小。裝配體模型的參數(shù)化是基于零件的參數(shù)化實現(xiàn)的，零件中的任何改變都會引起裝配體模型的改變，從而保證模型內參數(shù)的一致性。 （ 3）以特征為設計單位 Pro/ENGINEER 以最自然的思考方式從事設計工作，如孔、槽和圓角等均視為零件設計的基本特征，在設計過程中加入制造的觀念。 以特征為設計單位，還可以隨時對特征做合理的順序調整，實現(xiàn)對模型特征的插入、修改和刪除工作。 （ 4）裝配管理 Pro/ENGINEER 提供貼合、插入、對齊等形象的指令來允許用戶輕松地將零部件裝配成產品，且支持復雜零部件的創(chuàng)建與管理，零部件數(shù)目不受限制。 Pro/ENGINEER 還具有數(shù)據(jù)管理、工程數(shù)據(jù)庫再利用、硬件獨立性等特性。 對液壓支架整機的三維實體建模一般采用自下向上的方法 ,即先依據(jù)各部件的結構形狀和尺寸建立各部件的三維模型 ,然后再按照它們彼此之間的裝配和約束關系逐個進行組裝 ,最后形成一臺完整的機器。很顯 然 ,對液壓支架各部件的精確建模和正確定義各部件之間的裝配關系 ,是完成液壓支架整機建模的關鍵。 本次設計中所做的 液壓支架由護幫板、頂梁、掩護梁、尾梁、插板、底座以及立柱、護幫板千斤頂、尾梁千斤頂、插板千斤頂和側推千斤頂?shù)炔考M成。為了研究問題方便 ,特將這些部件分為 2 類 :一類為組焊件 ,由于這類部件完全由鋼板或圓管焊接而成 ,各部分之間無相對位置變動 , 所以可在 Pro/E 軟件的零件模塊中以零件的形式創(chuàng)建部件。另一類為組裝件 ,這類部件需要先制作出組成它的各個零件 ,然后再按照裝配關系定義其約束或聯(lián)接關系進行組 裝。 在對液壓支架某部件的結構形狀進行正確分析的基礎上 ,將復雜的部件分解為若干個簡單構件 ,如肋板、彎板或圓管等 ,并分析它們的形狀、位置及相互關系。在不影響實質問 河南理工大學學士學位論文 42 題的情況下 ,為了簡化建模 ,均舍去了部件中的焊縫、螺紋、管線等細部結構以提高系統(tǒng)的處理速度。 在 Pro/E