本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中文題目超前支護(hù)裝備實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計副標(biāo)題外文題目THEDESIGNOFTHEADVANCESUPPORTEQUIPMENTSEXPERIMENTALMODEL畢業(yè)設(shè)計（論文）共頁（其中外文文獻(xiàn)及譯文頁）圖紙共張完成日期2014年6月答辯日期2014年6月摘要液壓邁步式超前支護(hù)設(shè)備是一種用于掘進(jìn)工作面的新型臨時支護(hù)設(shè)備，它能保證掘進(jìn)機(jī)的連續(xù)作業(yè)，實現(xiàn)掘進(jìn)和支護(hù)同時進(jìn)行，加快臨時支護(hù)的速度，提高工作安全性。本文對該輔助支護(hù)設(shè)備的實驗樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究設(shè)計。首先闡述了超前支護(hù)設(shè)備的研究背景及意義，而后根據(jù)支護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理對其相應(yīng)的實驗樣機(jī)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了設(shè)計分析，并繪制了整機(jī)裝配圖。然后根據(jù)支護(hù)設(shè)備的特點情況，對實驗樣機(jī)的各個主要參數(shù)進(jìn)行計算并確定，而后對頂板及各支撐梁進(jìn)行了力學(xué)特性分析和校核。最后根據(jù)確定的參數(shù)和建立的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用ANSYS仿真分析軟件，對設(shè)備的主要支撐部件進(jìn)行了仿真分析。本論文的研究意義在于對這種新型的臨時支護(hù)設(shè)備的實驗樣機(jī)進(jìn)行研究分析，通過對超前支護(hù)設(shè)備的實驗樣機(jī)進(jìn)行實驗，來驗證支護(hù)設(shè)備的合理性和可行性，為實現(xiàn)掘進(jìn)工作面臨時支護(hù)的自動化及智能化創(chuàng)造可能。關(guān)鍵詞超前支護(hù)；力學(xué)分析；ANSYS仿真分析ABSTRACTMOVINGAHEADTYPEHYDRAULICSUPPORTEQUIPMENTISATEMPORARYSUPPORTFORNEWDEVICESHEADINGFACE,ITCANENSURECONTINUOUSOPERATIONROADHEADER,EXCAVATIONANDSUPPORTTOACHIEVETHESAMETIME,ACCELERATETHESPEEDOFTEMPORARYSUPPORT,IMPROVEWORKSAFETYPAPERPROTOTYPEOFTHEMECHANICALSTRUCTUREOFTHEAUXILIARYSUPPORTEQUIPMENTWERESTUDIEDDESIGNFIRSTDESCRIBESTHEBACKGROUNDANDSIGNIFICANCEOFADVANCESUPPORTEQUIPMENT,THENTHECOMPOSITIONACCORDINGTOTHESTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEOFSUPPORTEQUIPMENTFORITSCORRESPONDINGEXPERIMENTALPROTOTYPESTRUCTUREWASDESIGNEDTOANALYZEANDDRAWTHEWHOLEASSEMBLYDRAWINGTHENACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHECASESUPPORTEQUIPMENT,THEMAINPARAMETERSOFTHEVARIOUSEXPERIMENTALPROTOTYPEWILLBECALCULATEDANDDETERMINED,ANDTHENTHESUPPORTBEAMSOFTHEROOFANDITSMECHANICALPROPERTIESWEREANALYZEDANDCHECKEDFINALLY,ACCORDINGTOCERTAINPARAMETERSANDMATHEMATICALMODEL,SIMULATIONANALYSISUSINGANSYSSOFTWARE,THEMAINACTIONWERESIMULATEDTHESIGNIFICANCEOFTHISPAPERISTOSTUDYTHISNEWPROTOTYPEFORTEMPORARYSUPPORTEQUIPMENTRESEARCHANDANALYSIS,THROUGHTOPROTOTYPEADVANCESUPPORTEQUIPMENTEXPERIMENTTOVERIFYTHERATIONALITYANDFEASIBILITYOFSUPPORTINGEQUIPMENT,EXCAVATIONWORKFORTHEREALIZATIONOFWHENFACEDWITHSUPPORTINGAUTOMATIONANDINTELLIGENCETOCREATEAPOSSIBILITYKEYWORDSFOREPOLING；MECHANICALANALYSIS；ANSYSSIMULATIONANALYSIS目錄1緒論611選題背景及意義612國內(nèi)外研究現(xiàn)狀713發(fā)展趨勢1114研究內(nèi)容112實驗樣機(jī)總體方案設(shè)計1221實驗樣機(jī)概述1223整體結(jié)構(gòu)設(shè)計12231支撐部件設(shè)計13232動力元件設(shè)計1424工作原理1425基本參數(shù)確定153力學(xué)特性分析1631頂板受力分析1632支撐梁受力分析17321縱向支撐梁受力分析17322橫向支撐梁受力分析244支撐梁強(qiáng)度校核3041縱向支撐梁強(qiáng)度校核30411主支撐組30412副支撐組3242橫向支撐梁強(qiáng)度校核33421主支撐組33422副支撐組365ANSYS仿真分析3851縱向支撐梁38511主支撐組38512副支撐組3952橫向支撐梁40521主支撐組40522副支撐組411緒論11選題背景及意義超前支護(hù)設(shè)備是為了防止掘進(jìn)過程中由于工作面超前壓力過大而引起的巷道圍巖變形、移動和破壞，而在掘進(jìn)機(jī)前方進(jìn)行支護(hù)的一種設(shè)備。目前我國的采礦工藝水平在不斷提高和完善，但同時也凸顯出了很多的問題，如掘進(jìn)效率低，采掘比例失調(diào)等。根據(jù)調(diào)查資料顯示，造成掘進(jìn)效率低的主要原因是掘進(jìn)和支護(hù)之間的不平衡，掘進(jìn)的時間短而用于支護(hù)的時間長，通常工作面截煤時間只占1734，而支護(hù)時間卻要占5066，使掘錨工序交替頻繁，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率。目前我國的綜合機(jī)械化開采方式普遍存在著超前壓力較大的問題，工作面超前壓力和沿傾斜方向支撐壓力的疊加作用會引起巷道圍巖的變形、移動和破壞，如果不能進(jìn)行有效的支護(hù)，不僅影響工作面掘進(jìn)效率，還可能導(dǎo)致很大的安全隱患。例如使工人在空頂條件下進(jìn)行主要的工序，如打眼、支護(hù)、裝煤等，極易造成冒頂傷亡事故。根據(jù)調(diào)查顯示，在掘進(jìn)事故中頂板事故約占80，由于掘進(jìn)工作面頂板事故造成的死亡人數(shù)約占全國頂板事故死亡總?cè)藬?shù)的20。1為了防止這種由于空頂作業(yè)而產(chǎn)生的危險工況，我們研制了巷道超前支護(hù)設(shè)備。超前支護(hù)是保證隧道工程開挖工作面穩(wěn)定而采取的超前于掌子面開挖的輔助措施的一種，可對巷道進(jìn)行臨時支護(hù)，改善頂板的管理，保證正規(guī)循環(huán)作業(yè)，保證人和掘進(jìn)機(jī)的安全，有助于改善掘進(jìn)效率低、作業(yè)安全性差的技術(shù)難題。因此，研制一種適應(yīng)快速推進(jìn)的巷道超前支護(hù)設(shè)備顯得尤為重要，對提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著重要意義。因為任何設(shè)計完成的機(jī)器在進(jìn)行生產(chǎn)和工作之前，都需要進(jìn)行多次的實驗和模擬，所以研究巷道超前支護(hù)設(shè)備時，必須先研制超前支護(hù)設(shè)備的實驗樣機(jī)。設(shè)計時使實驗樣機(jī)在設(shè)定工況下工作，模擬超前支護(hù)設(shè)備實際的工作情況，以此來確定所設(shè)計的超前支護(hù)設(shè)備的合理性和可行性。實驗樣機(jī)是整個設(shè)計過程的開端和基礎(chǔ)，很多設(shè)計時沒有考慮到的因素和問題都是在實驗樣機(jī)上發(fā)現(xiàn)并解決的，所以實驗樣機(jī)對成功研制機(jī)械設(shè)備有著重要的作用和意義。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國煤礦生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一便是頂板意外冒落事故，頂板事故易造成作業(yè)人員傷亡，設(shè)備損壞，生產(chǎn)終止。煤礦頂板事故受頂板巖性、巷道斷面形狀和參數(shù)確定、支護(hù)形式等因素制約。在實際煤礦巷道斷面設(shè)計、施工過程中，如何選擇支護(hù)設(shè)備是確保安全生產(chǎn)重點考慮的問題。目前我國的煤礦巷道超前支護(hù)技術(shù)長期滯后，初撐力低下，安全隱患大，對于巷道斷面面積大、巷道變形量大的復(fù)雜情況還難以應(yīng)對。國際上，現(xiàn)有的超前支護(hù)技術(shù)其支護(hù)效果也不太理想。以下介紹幾種我國現(xiàn)行的超前支護(hù)設(shè)備1機(jī)載式超前支護(hù)機(jī)載式超前支護(hù)可架設(shè)在掘進(jìn)機(jī)上方與其配合使用，由于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，使得許多專家學(xué)者對其進(jìn)行研究和探索。2008年徐鎖庚對綜掘工作面機(jī)載式臨時護(hù)頂機(jī)進(jìn)行了研究，闡述了機(jī)載式臨時護(hù)頂機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、工作原理及其主要的技術(shù)參數(shù)，并介紹了該設(shè)備在煤礦井下的使用情況。2010年沈陽三一重型裝備公司的王士偉、齊占波對掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時支護(hù)機(jī)的應(yīng)用背景進(jìn)行了研究，給出了機(jī)載臨時支護(hù)機(jī)設(shè)計原則，并分析了3種典型機(jī)載臨時支護(hù)機(jī)的結(jié)構(gòu)、動作過程及每種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點，最后對機(jī)載臨時支護(hù)機(jī)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了探究。2010年，山西潞安公司的李明發(fā)，李秀偉結(jié)合機(jī)載臨時支護(hù)和人工臨時支護(hù)在使用過程中出現(xiàn)的問題，總結(jié)了這兩種臨時支護(hù)方式各自的優(yōu)缺點，通過對比分析，給出了選用臨時支護(hù)方式應(yīng)注意的問題，為臨時支護(hù)方式的合理運用提供了建議，為機(jī)載臨時支護(hù)裝置的合理改進(jìn)及廣泛應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗。2011年，張祖恒針對煤礦開拓掘進(jìn)使用傳統(tǒng)臨時前探梁支護(hù)存在的諸多弊端，開發(fā)研制了一種機(jī)載快速支護(hù)裝置，主要對機(jī)載快速支護(hù)裝置的主要結(jié)構(gòu)，工作原理，技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計，并闡述了機(jī)載快速支護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)特點，技術(shù)關(guān)鍵及推廣應(yīng)用情況。2013年，山西唐安煤礦公司的李紅勇對機(jī)載式超前支護(hù)的實際應(yīng)用進(jìn)行了研究，對目前所采用的巷道支護(hù)理論進(jìn)行分析，著重介紹了機(jī)載式超前支護(hù)的結(jié)構(gòu)原理、應(yīng)用優(yōu)點以及維護(hù)使用管理事項。2014年，中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院的王帥針對目前煤礦綜掘巷道錨桿臨時支護(hù)速度較慢的現(xiàn)狀，結(jié)合懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特點，研究了一種適合懸臂式掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載臨時支護(hù)，該支護(hù)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活方便、支護(hù)面積大、支護(hù)強(qiáng)度高等特點，其液壓操作系統(tǒng)與掘進(jìn)機(jī)液壓操作系統(tǒng)相互獨立，不能同時工作，避免了掘進(jìn)機(jī)誤動作。該支護(hù)系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動，與掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)集成，可以支護(hù)矩形巷道、拱形巷道和梯形巷道等臨時支護(hù)系統(tǒng)，且所有動作均可實現(xiàn)無線遙控操作，安全高效，提高了綜掘巷道的支護(hù)效率和支護(hù)的安全性。機(jī)載式超前支護(hù)由底座、橫梁、翻轉(zhuǎn)梁、頂梁機(jī)構(gòu)及配套的液壓系統(tǒng)組成。機(jī)載式超前支護(hù)的工作原理是通過操縱操作閥使高壓油液從掘進(jìn)機(jī)自身的泵站中泵出，經(jīng)液壓分流閥對高壓油液進(jìn)行分流，使得超前支護(hù)在液壓油缸的作用下實現(xiàn)提升，當(dāng)頂梁接觸頂板并起到支撐作用時，操縱閥換向，高壓油液停止向液壓油缸輸送油液，完成超前支護(hù)的支護(hù)動作。機(jī)載式超前支護(hù)的液壓系統(tǒng)通常與綜掘機(jī)共用泵站，少數(shù)自備泵站，這就需要對泵站油路進(jìn)行改造，通過安裝二位三通閥使掘進(jìn)機(jī)和支護(hù)設(shè)備互鎖，使掘進(jìn)機(jī)和支護(hù)設(shè)備液壓系統(tǒng)互不干擾。掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中均裝有多路閥液壓元件，能夠使得多路閥的中位機(jī)能起到閥組卸荷的作用，從而使超前支護(hù)的油缸工作壓力直接由多路閥中的溢流閥調(diào)定，起到安全保護(hù)作用。2機(jī)載式超前支護(hù)能夠隨掘進(jìn)機(jī)一起行走，改變了傳統(tǒng)的臨時支護(hù)形式，提升了生產(chǎn)工藝和掘進(jìn)效率，加快了掘進(jìn)速度。且操作閥及管路都較少，操作簡單，易于維護(hù)。但機(jī)載式超前支護(hù)液壓系統(tǒng)較多采用手動操作控制方式，使用電液控制的所占比例極低，無法實現(xiàn)程序化控制。如圖11為掘進(jìn)機(jī)機(jī)載超前支護(hù)設(shè)備。圖11掘進(jìn)機(jī)機(jī)載超前支護(hù)設(shè)備2自移式巷道支架隨著我們對超前支護(hù)設(shè)備的研究逐漸深入，自移式超前支護(hù)得到了一些專家和學(xué)者的關(guān)注并在一定程度上得到了較大的發(fā)展，在自移式巷道支架的設(shè)計與研究方面，一些學(xué)者對回路設(shè)計、選型分析以及整體液壓系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的研究。在液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究方面，2005年王永安展開了初步研究，提出采用自移式超前支護(hù)液壓支架對綜掘工作面端頭進(jìn)行超前支護(hù)，并提出將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到液壓支架的設(shè)計開發(fā)中。王永安詳細(xì)闡述了虛擬樣機(jī)技術(shù)、國內(nèi)外液壓支架的發(fā)展?fàn)顩r以及利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行自移式超前支架開發(fā)的意義，并介紹了自移式超前支架的結(jié)構(gòu)特點、承載原理以及自移式超前支架液壓控制系統(tǒng)的特點和常用的液壓基本回路，設(shè)計出了自移式超前支架的液壓控制系統(tǒng)，提出了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的液壓控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。3但由于在自移式巷道支架液壓系統(tǒng)研究的初期，缺乏現(xiàn)成的設(shè)備作為參考，只能選擇相似度較高的液壓支架作為液壓系統(tǒng)設(shè)計的參照物，導(dǎo)致王永安所設(shè)計的自移式巷道支架的液壓系統(tǒng)和液壓支架液壓系統(tǒng)的基本回路比較相似，設(shè)計思想難以超越液壓支架的液壓系統(tǒng)。王永安對自移式巷道支架液壓系統(tǒng)的研究沒有在液壓支架液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，沒有對液壓系統(tǒng)特性進(jìn)行仔細(xì)的分析，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的設(shè)計脫離了綜掘工作面實際環(huán)境。2011年上海拓特機(jī)械制造廠的王永偉設(shè)計了一種ZFX1350型自移式巷道超前支護(hù)液壓支架，對超前支護(hù)液壓支架的性能、特點及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了深入研究，并詳細(xì)闡述了其制造過程中的工藝步驟、使用方法、使用效果和注意事項，該液壓支架在姚橋煤礦7717的應(yīng)用中取得了成功，并多次有效地防止了冒頂傷人事故的發(fā)生。相比之下，2012年遼寧工程技術(shù)大學(xué)的倪繼勇在對自移式掘進(jìn)機(jī)輔助支護(hù)設(shè)備液壓控制系統(tǒng)的研究中，在回路設(shè)計、選型分析以及整體液壓系統(tǒng)等方面進(jìn)行的研究都比較深入。在設(shè)計液壓系統(tǒng)前先分析了設(shè)備所處的環(huán)境，確定了設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，并進(jìn)行了包括供液回路、差動回路、連鎖回路等基本回路的設(shè)計。同時還應(yīng)用MSCEASY5軟件建立了自移式超前支護(hù)設(shè)備的仿真模型，并對其結(jié)果進(jìn)行了可行性分析。4對液壓系統(tǒng)和主要元件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真是對自移式巷道支架液壓系統(tǒng)研究的重大進(jìn)步，但這個進(jìn)步主要是在設(shè)計方法和數(shù)學(xué)建模仿真方面，在將先進(jìn)技術(shù)引入液壓系統(tǒng)方面做得還不夠。就目前來看，盡管少數(shù)井下采煤工作面順槽處應(yīng)用了自移式巷道支架，但在掘進(jìn)工作面處依然沒有得到應(yīng)用，其還處于理論研究、樣機(jī)研發(fā)及井下試驗階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的程度。如圖12為自移式巷道支架設(shè)備。圖12自移式巷道支架設(shè)備總體來看，巷道超前支護(hù)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，自動化程度高，初撐力及支撐強(qiáng)度大、更加適應(yīng)地質(zhì)條件、更加方便使用的超前支護(hù)設(shè)備更具有發(fā)展前景。雖然我國在支護(hù)設(shè)備研制方面雖然取得了一定的成效，但基本上還沒有達(dá)到大量應(yīng)用推廣的階段，不能滿足煤礦的需要，還有許多問題亟待解決。13發(fā)展趨勢我國的礦井支護(hù)設(shè)備經(jīng)歷了最古老的木支柱，到后來的人工礦柱，逐漸發(fā)展到注漿點柱、以錨桿為主體的系列支護(hù)、液壓支架等，到現(xiàn)在已經(jīng)研制出了許多類型的支護(hù)設(shè)備，以結(jié)構(gòu)形式區(qū)分有前探梁臨時支護(hù)、架棚機(jī)、自移式巷道支架以及機(jī)載錨桿鉆機(jī)等；從用途上分，有適合綜掘工作面的,也有適合炮掘工作面的；從移動方式上分，有手動和液壓自移兩種方式。這些支護(hù)設(shè)備雖然在一定程度上有效地提高了綜掘效率，但均存在著一定的不足，如掘錨一體機(jī)無法適應(yīng)我國煤礦巷道條件，機(jī)載超前支護(hù)護(hù)頂力低、護(hù)頂面積小，無法完全杜絕空頂作業(yè)，自移式超前支護(hù)存在重復(fù)支撐等問題。在今后的研究中應(yīng)注重實現(xiàn)設(shè)備自移，與機(jī)器進(jìn)行同步推進(jìn)，機(jī)身結(jié)構(gòu)方面要求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，易于操作。在支護(hù)原理方面要盡量保護(hù)、提高圍巖的自身強(qiáng)度，通過改善圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)來避免發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。支護(hù)設(shè)備還應(yīng)向提高自動化程度發(fā)展，以減少工人的勞動量，對一些斷面及不平整的地勢應(yīng)具有一定的適應(yīng)性，支撐強(qiáng)度要提高，在掘進(jìn)過程中也要保證推進(jìn)方便省力。礦井支護(hù)設(shè)備是關(guān)系到我國礦山經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，目前的支護(hù)設(shè)備雖然取得了一定的進(jìn)展，但還有著很多的缺點有待改進(jìn)，必須研究和設(shè)計出新型的工作面超前支護(hù)技術(shù)和設(shè)備。14研究內(nèi)容本文所設(shè)計的是液壓邁步式超前支護(hù)設(shè)備的實驗樣機(jī)，通過對實際的工作環(huán)境進(jìn)行了解和分析，以機(jī)械設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計理論為指導(dǎo)，對實驗樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下一、通過了解實際工況和設(shè)計要求，對實驗樣機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并確定實驗樣機(jī)的工作原理和一些具體參數(shù)。二、對實驗樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括各組成部分及具體元件的設(shè)計。三、對與實驗樣機(jī)接觸的直接頂、實驗樣機(jī)上的支撐梁和支撐立柱進(jìn)行力學(xué)特性分析。四、對實驗樣機(jī)的支撐部件進(jìn)行校核，包括橫向及縱向的支撐梁和支撐立柱。五、應(yīng)用ANSYS仿真分析軟件，對設(shè)備主要的動作包括立柱的升降、橫向及縱向支撐梁的升降進(jìn)行仿真分析。2實驗樣機(jī)總體方案設(shè)計21實驗樣機(jī)概述液壓邁步式超前支護(hù)實驗樣機(jī)是為了模擬實際機(jī)器的工況進(jìn)行實驗而設(shè)計，在結(jié)構(gòu)上對超前支護(hù)設(shè)備進(jìn)行了簡化，樣機(jī)的整體尺寸按比例縮小，工作阻力也相應(yīng)的減小。實驗樣機(jī)采用整體框架式結(jié)構(gòu)，主要由主支撐組、副支撐組、油缸和立柱等組成，依靠主、副支撐組對頂板的交替支撐實現(xiàn)邁步移動，隨掘進(jìn)機(jī)同步向前推移，進(jìn)行支護(hù)。22實驗樣機(jī)設(shè)計要求通過對超前支護(hù)設(shè)備所支護(hù)巷道的測量，巷道寬為4200MM，高為3800MM。所設(shè)計的實驗樣機(jī)對超前支護(hù)設(shè)備按比例進(jìn)行了縮小，在巷道也按比例縮小的情況下，實驗樣機(jī)須能滿足對縮小后巷道的支護(hù)。最終確定巷道按比例縮小后尺寸為寬1400500MM，高11001200MM。23整體結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗樣機(jī)采用整體框架式結(jié)構(gòu)，主要由支撐部件、動力元件、控制元件和輔助部件等主要部分組成，其中，支撐部件由主、副支撐組、連桿機(jī)構(gòu)、頂部小支撐油缸和底座等組成；動力元件由立柱和支撐油缸組成；控制元件包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥；輔助部件包括導(dǎo)向板等。231支撐部件設(shè)計支撐部件主要由縱向支撐梁、橫向支撐梁、頂部小支撐組和整個實驗樣機(jī)的底座等部分組成。實際工作時有定支護(hù)和邁步支護(hù)兩種支護(hù)形式，定支護(hù)時主、副支撐組同時對頂板進(jìn)行支撐，一起承受頂板的壓力，邁步支護(hù)時隨著掘進(jìn)工作面的向前推移，主、副支撐組進(jìn)行交替支撐，保證行進(jìn)時總有一組與頂板接觸，承擔(dān)頂板壓力。縱向支撐梁有5根，將5根縱向支撐梁從左到右依次編號為15號，在縱向支撐梁的垂直方向有4根支撐橫梁，從前至后依次編號為69號，大致均勻分布在縱向支撐梁上，在支撐橫梁的兩端聯(lián)接支撐油缸和連桿機(jī)構(gòu)。其中1號、3號、5號縱向梁和6號、8號橫向梁聯(lián)接在一起作為實驗樣機(jī)的主支撐組，向前推進(jìn)時一起移動，2號、4號縱向梁和7號、9號橫向梁聯(lián)接在一起作為實驗樣機(jī)的副支撐組，也保持同步移動。縱向支撐梁采用矩形鋼材，尺寸為長80MM，寬40MM，壁厚5MM；橫向支撐梁承重較大，采用方形鋼材，尺寸為長80MM，寬80MM，壁厚5MM。為適應(yīng)頂板的不平整性，要在支撐梁頂部放置一些小的支撐油缸，這些小支撐油缸可以通過調(diào)節(jié)各自的伸縮量來適應(yīng)頂板的不平整性。使小支撐油缸大致均布在縱梁上，橫梁、縱梁及小油缸的布置如圖21所示。123456789圖21232動力元件設(shè)計動力元件包括負(fù)責(zé)支撐橫梁和縱梁的支撐油缸和立柱。支撐油缸布置在實驗樣機(jī)的兩側(cè)，一共8根，每側(cè)有4根，油缸上方分別聯(lián)接在支撐橫梁的兩端，下方連接立柱。對應(yīng)于支撐油缸的立柱也有8根，在立柱的下方連接實驗樣機(jī)的底座。通過對支護(hù)高度的分析，經(jīng)確定油缸的大致高度及橫梁、縱梁厚度之后，確定立柱的高度為400500MM，實驗樣機(jī)工作時即通過調(diào)整支撐油缸的伸縮，來控制支撐梁和底座的升降。24工作原理液壓邁步式超前支護(hù)設(shè)備實驗樣機(jī)主要由縱向支撐梁，橫向支撐梁，支撐立柱，支撐油缸和底座等結(jié)構(gòu)組成。實際工作時有定支護(hù)和邁步支護(hù)兩種支護(hù)形式，定支護(hù)時8個支撐油缸全部伸出，主、副支撐組同時升起對頂板進(jìn)行支撐，一起承受頂板的壓力。隨著掘進(jìn)工作面的向前推移，由定支護(hù)變?yōu)檫~步支護(hù)時，副支撐組對應(yīng)的支撐油缸收縮，2號和4號縱向支撐梁下落與6號、8號橫向支撐梁接觸，此時支撐油缸繼續(xù)收縮，利用對橫向支撐梁的壓力將與副支撐組相連的底座提起，推移油缸將整個副支撐組向前推移到一定距離后，副支撐組的支撐油缸伸長使2號和4號縱向支撐梁上升到原來位置，并使與之相連的立柱下降至地面，如此即完成一次邁步。主支撐組的前進(jìn)過程與副支撐組相同，均為油缸收縮、向前推移、支撐梁上升、立柱下降，如此反復(fù)即可實現(xiàn)主、副支撐組對頂板的交替支護(hù)。交替支護(hù)保證行進(jìn)時總有一組支撐與頂板接觸，消除了空頂作業(yè)，使掘進(jìn)工作面一直處于良好的支護(hù)狀態(tài)下，提高了工作面的安全系數(shù)。25基本參數(shù)確定本次設(shè)計采用等比例縮小的辦法對實際工況進(jìn)行模擬，實驗樣機(jī)按14的比例設(shè)計，通過對支護(hù)設(shè)備的實際工況進(jìn)行分析，再結(jié)合支護(hù)設(shè)備的一些參數(shù)，初步確定實驗樣機(jī)的一些具體參數(shù)，整理見表21。表21基本參數(shù)支護(hù)長度（MM）18001900支護(hù)寬度（MM）14001500支護(hù)高度（MM）12001300縱梁間隔（MM）200250橫梁間隔（MM）400500立柱高度（MM）400500工作阻力（N）6350整機(jī)重量（T）5支撐立柱8根縱梁橫截面長（MM）80縱梁橫截面寬（MM）40橫梁橫截面長（MM）80橫梁橫截面寬（MM）60支撐梁壁厚（MM）53力學(xué)特性分析31頂板受力分析通過對與實驗樣機(jī)接觸的直接頂?shù)氖芰Ψ治?，建立力學(xué)模型，確定支護(hù)設(shè)備工作阻力的大小。實驗樣機(jī)的支護(hù)長度約為1800MM，支護(hù)寬度約為1500MM，支護(hù)面積約為27，通過查資料和經(jīng)驗估算，煤層容重R約為24T/，直接頂厚度H約為100MM，根據(jù)計算可得直接頂對樣機(jī)的壓力約為3M6350N。32支撐梁受力分析321縱向支撐梁受力分析3211主支撐組由于頂板對實驗樣機(jī)產(chǎn)生的壓力是均布載荷，所以每個與頂板接觸的小支撐油缸所受的壓力是相同的。樣機(jī)承擔(dān)的重力約為6350N，在主支撐處在支撐狀態(tài)、副支撐邁步行走的工況下，主支撐的12個支撐油缸支撐頂板重力，每個油缸所需最小支撐力為為529N。實驗樣機(jī)在主支撐狀態(tài)下，1號、3號、5號縱向支撐梁的受力情況相同，在此僅對1號縱梁進(jìn)行受力分析。在進(jìn)行縱梁受力分析時，縱梁與橫梁的鉸接點可以看成是固定端，將梁體簡化成簡支梁模型，受力分析如圖31。F3ABCDEFABF4F2F1360360360360360450550800FEYFFY圖31將縱梁根據(jù)受力情況進(jìn)行分段，然后利用截面法分別求各截面的剪力和彎矩，并繪制剪力圖及彎矩圖。計算過程如下（1）計算支反力設(shè)支座E與F處的鉛垂支反力分別為和，由對頂板的受力分析可得EYFF，則由平衡方程N(yùn)F5294321，0YF04321FYEF，AM0125807236FYEY431可得，NF96EY1F（2）計算各截面的剪力和彎矩選取A點形心為坐標(biāo)原點，用坐標(biāo)X表示各橫截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AE段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF01SF，CM36X1M可得，N5291S（360X450）04截面取在EB段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF02S1EYF，CM036X45X21M）（可得，N3972S（450X720）620X截面取在BC段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF0321EYSF，CM036X720X450X312EYMFF）（）（可得，N3S（720X1080）54M截面取在CF段間，選取右段為研究對象由平衡方程，0YF04FYFS，CM0X251X1FY4）（可得，N614S（1080X1250）7250X截面取在FD段間，選取右段為研究對象由平衡方程，0YF045FS，CMX1可得，N295S（1250X1440）760X（3）繪制剪力圖及彎矩圖根據(jù)上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起點、終點的彎矩值，繪制剪力圖如圖32所示，彎矩圖如圖33所示。100300500FS/N0X/MM200400600529397132661529圖3220406080100M/NM0X/MM47660121005圖333212副支撐組在副支撐處在支撐狀態(tài)、主支撐邁步行走的工況下，副支撐的8個支撐油缸支撐頂板重力，樣機(jī)承擔(dān)的重力約為6350N，所以每個油缸所需最小支撐力為794N。實驗樣機(jī)在副支撐狀態(tài)下，2號、4號縱向支撐梁的受力情況相同，在此僅對2號縱梁進(jìn)行受力分析。在進(jìn)行縱梁受力分析時，縱梁與橫梁的鉸接點可以看成是固定端，將梁體簡化成簡支梁模型，受力分析如圖34。F3ABCDGHABF4F2F1360360360360360850150800FGYFHY圖34將縱梁根據(jù)受力情況進(jìn)行分段，然后利用截面法分別求各截面的剪力和彎矩，并繪制剪力圖及彎矩圖。計算過程如下（1）計算支反力設(shè)支座G與H處的鉛垂支反力分別為和，由對頂板的受力分析可得GYFH，則由平衡方程N(yùn)F794321，0Y04321HYG，AM01658807236HYGY431FFF可得，N97GY1H（2）計算各截面的剪力和彎矩選取A點形心為坐標(biāo)原點，用坐標(biāo)X表示各橫截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AB段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF01SF，CM36X1M可得，N7941S（360X720）2850截面取在BG段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF02S1F，CM072X36X2M）（可得，N1582S（720X850）720截面取在GC段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF0321GYSF，CM6X72X85X312GYMF）（）（可得，N389S（850X1080）30截面取在CD段間，選取右段為研究對象由平衡方程，0YF04HYFS，CM0X651X1HY4）（可得，N594S（1080X1440）08X截面取在DH段間，選取右段為研究對象由平衡方程，YFHY5FS，0CM0X16可得，N195S（1440X1650）2835X（3）繪制剪力圖及彎矩圖根據(jù)上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起點、終點的彎矩值，繪制剪力圖如圖35所示，彎矩圖如圖36所示。FS/N0X/MM5001000150079415881389595199圖35100200M/NM0X/MM30040050028649217342圖36322橫向支撐梁受力分析3221主支撐組在進(jìn)行橫梁受力分析時，縱梁與橫梁的鉸接點可以看成是固定端，將梁體簡化成簡支梁模型。由于頂板對實驗樣機(jī)產(chǎn)生的壓力是均布載荷，所以每個鉸接點所受的壓力是相同的。樣機(jī)承擔(dān)的重力約為6350N，在主支撐處在支撐狀態(tài)、副支撐邁步行走的工況下，共有6個鉸接點支撐頂板重力，每個鉸接點所需最小支撐力為為1058N。實驗樣機(jī)在主支撐狀態(tài)下，6號、8號橫向支撐梁的受力情況相同，在此僅對6號橫梁進(jìn)行受力分析，受力分析如圖37所示。F1F2F31051056006001051051200ABABCFBYFAY圖37將橫梁根據(jù)受力情況進(jìn)行分段，然后利用截面法分別求各截面的剪力和彎矩，并繪制剪力圖及彎矩圖。計算過程如下（1）計算支反力設(shè)支座A與B處的鉛垂支反力分別為和，由對頂板的受力分析可得AYFB，則由平衡方程N(yùn)F1058321，Y0321BYAF，M16BY32可得，N587AYF1B（2）計算各截面的剪力和彎矩選取橫梁左端點的形心為坐標(biāo)原點，用坐標(biāo)X表示各橫截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AB段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF01SYFA，CM05X5X1M可得，N5291S（105X705）4截面取在BC段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF02S1AYF，CM75X15X15X22AYMF）（）（可得，N92S（705X1305）6034（3）繪制剪力圖及彎矩圖根據(jù)上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起點、終點的彎矩值，繪制剪力圖如圖38所示，彎矩圖如圖39所示。100200300400500FS/N0X/MM0600529529圖38100200300400500M/NM0X/MM317圖393222副支撐組在副支撐處在支撐狀態(tài)、主支撐邁步行走的工況下，共有4個鉸接點支撐頂板重力，每個鉸接點所需最小支撐力為1588N。實驗樣機(jī)在主支撐狀態(tài)下，7號、9號橫向支撐梁的受力情況相同，在此僅對7號橫梁進(jìn)行受力分析，受力分析如圖310所示。F1F24054056001051051200ABABFBYFAY圖310將橫梁根據(jù)受力情況進(jìn)行分段，然后利用截面法分別求各截面的剪力和彎矩，并繪制剪力圖及彎矩圖。計算過程如下（1）計算支反力設(shè)支座A與B處的鉛垂支反力分別為和，由對頂板的受力分析可得AYFB，則由平衡方程N(yùn)F5821，0Y021BYAF，M0193BY1可得，N58AYFB（2）計算各截面的剪力和彎矩選取橫梁左端點的形心為坐標(biāo)原點，用坐標(biāo)X表示各橫截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AA段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF01SYFA，CM5X1M可得，NF158S（105X405）6740XM截面取在AB段間，選取左段為研究對象由平衡方程，0YF02S1AYF，CM045X5X21M）（可得，N2S（405X1005）4760截面取在AB段間，選取右段為研究對象由平衡方程，0YF03SBYF，CMX51可得，N1582S（1005X1305）20734X（3）繪制剪力圖及彎矩圖根據(jù)上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起點、終點的彎矩值，繪制剪力圖如圖311所示，彎矩圖如圖312所示。500FS/N0X/MM015881000150020001588圖311M/NM0X/MM100200300400500476圖3124支撐梁強(qiáng)度校核41縱向支撐梁強(qiáng)度校核411主支撐組由于1號、3號、5號縱向支撐梁的受力情況相同，在此僅對1號梁進(jìn)行強(qiáng)度校核。由1號梁的剪力圖及彎矩圖可知，1號梁的最大剪力出現(xiàn)在8號梁前側(cè)及1號梁與8號梁鉸接點處，大小為661N；1號梁的最大彎矩出現(xiàn)在1號梁與8號梁鉸接點處，大小為1005NM。求出最大剪力和最大彎矩后，再結(jié)合截面形狀即可求出最大彎曲正應(yīng)力和彎曲切應(yīng)力。1號梁為空心矩形鋼，截面是一個長為80MM，寬為40MM，壁厚為5MM的薄壁矩形，截面形狀如圖41所示。804055圖41（1）計算截面彎曲正應(yīng)力該截面的慣性矩為內(nèi)外長方形關(guān)于中性軸的慣性矩之差，ZI即47333102120740812BHMBH式中B截面外矩形長；H截面外矩形寬；B截面內(nèi)矩形長；H截面內(nèi)矩形寬；抗彎截面系數(shù)為ZW3571002YMI式中Y截面上距中性軸最遠(yuǎn)處到中性軸的距離所在彎矩作用下的最大正應(yīng)力為MAXA57103MAXMPWZ（2）計算截面彎曲切應(yīng)力橫截面上不僅存在彎曲正應(yīng)力，也存在彎曲切應(yīng)力，彎曲切應(yīng)力是由剪力產(chǎn)生的應(yīng)力，其大小為AISFZ式中剪切力；SF截面上切力所在橫線至邊緣部分面積對中性軸的靜矩；Z截面對中性軸的抗彎慣性矩；IA中性軸處截面寬度截面上的最大彎曲切應(yīng)力在中性軸處，靜矩為ZS361092053074082121MHBHBSZ式中B截面外矩形長；H截面外矩形寬；B截面內(nèi)矩形長；H截面內(nèi)矩形寬；壁厚彎曲切應(yīng)力為A2940817269KPAISFZ根據(jù)第四強(qiáng)度理論，任意一點的應(yīng)力5732MAXM支撐梁選用Q235鋼材，Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375MPA，屈服極限為235MPA，由于，1A375MP可知Q235鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服極限均大于1，因此在上述最大剪力及最大彎矩處，支撐梁的彎曲強(qiáng)度符合要求。412副支撐組由于2號、4號縱向支撐梁的受力情況相同，在此僅對2號梁進(jìn)行強(qiáng)度校核。由2號梁的剪力圖及彎矩圖可知，2號梁的最大剪力出現(xiàn)在7號梁前側(cè)及2號梁與7號梁鉸接點處，大小為1588N；2號梁的最大彎矩出現(xiàn)在2號梁與7號梁鉸接點處，大小為492NM。求出最大剪力和最大彎矩后，再結(jié)合截面形狀即可求出最大彎曲正應(yīng)力和彎曲切應(yīng)力。2號梁也為空心矩形鋼，截面尺寸與1號梁截面尺寸相同，截面形狀如圖41所示。（1）計算截面彎曲正應(yīng)力該截面的慣性矩為內(nèi)外長方形關(guān)于中性軸的慣性矩之差，ZI即47333102120740812BHMBH式中B截面外矩形長；H截面外矩形寬；B截面內(nèi)矩形長；H截面內(nèi)矩形寬；抗彎截面系數(shù)為ZW3571002YMI式中Y截面上距中性軸最遠(yuǎn)處到中性軸的距離所在彎矩作用下的最大正應(yīng)力為MAXA43610592MAXMPWMZ（2）計算截面彎曲切應(yīng)力橫截面上不僅存在彎曲正應(yīng)力，也存在彎曲切應(yīng)力，彎曲切應(yīng)力是由剪力產(chǎn)生的應(yīng)力，其大小為AISFZ式中剪切力；SF截面上切力所在橫線至邊緣部分面積對中性軸的靜矩；Z截面對中性軸的抗彎慣性矩；IA中性軸處截面寬度截面上的最大彎曲切應(yīng)力在中性軸處，靜矩為ZS361092053074082121MHBHBSZ式中B截面外矩形長；H截面外矩形寬；B截面內(nèi)矩形長；H截面內(nèi)矩形寬；壁厚彎曲切應(yīng)力為A706810726958KPAISFZ根據(jù)第四強(qiáng)度理論，任意一點的應(yīng)力432MAXM支撐梁選用Q235鋼材，Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375MPA，屈服極限為235MPA，由于，2375MP可知Q235鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服極限均大于，因此在上述最大剪力及最大彎2矩處，支撐梁的彎曲強(qiáng)度符合要求。42橫向支撐梁強(qiáng)度校核421主支撐組由于6號、8號縱向支撐梁的受力情況相同，在此僅對6號梁進(jìn)行強(qiáng)度校核。由6號梁的剪力圖及彎矩圖可知，6號梁的最大剪力從梁的中點開始分布在中點兩側(cè)，大小為529N；6號梁的最大彎矩出現(xiàn)在梁的中點處，大小為317NM。求出最大剪力和最大彎矩后，再結(jié)合截面形狀即可求出最大彎曲正應(yīng)力和彎曲切應(yīng)力。6號梁為空心方形鋼，截面是一個長為80MM，寬為60MM，壁厚為5MM的薄壁矩形，截面形狀如圖42所示。806055圖42（1）計算截面彎曲正應(yīng)力該截面的慣性矩為內(nèi)外長方形關(guān)于中性軸的慣性矩之差，ZI即4633310127060812BHMBH式中B截面外矩形長；H截面外矩形寬；B截面內(nèi)矩形長；H截面內(nèi)矩形寬；抗彎截面系數(shù)為ZW35610041YMI式中Y截面上距中性軸最遠(yuǎn)處到中性軸的距離所在彎矩作用下的最大正應(yīng)力為MAXA9810537MAXMPWMZ（2）計算截面彎曲切應(yīng)力橫截面上不僅存在彎曲正應(yīng)力，也存在彎曲切應(yīng)力，彎曲切應(yīng)力是由剪力產(chǎn)生的應(yīng)力，其大小為AISFZ式中剪切力；SF截面上切力所在橫線至邊緣部分面積對中性軸的靜矩；Z截面對中性軸的抗彎慣性矩；IA中性軸處截面寬度截面上的最大彎曲切應(yīng)力在中性軸處，靜矩為ZS35108207076082121MHBHBSZ式中B截面外矩形長；H截面外矩形寬；B截面內(nèi)矩形長；H截面內(nèi)矩形寬；壁厚彎曲切應(yīng)力為A132081425965KPAISFZ根據(jù)第四強(qiáng)度理論，任意一點的應(yīng)力92MAX3M支撐梁選用Q235鋼材，Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375M