二柱式大采高掩護式液壓支架設計

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1 摘 要 本課題的內容是兩柱式掩護式液壓支架的總體設計 液壓支架作為回采工作面的一種支護設備 液壓支架在工作過程中能否取得良好的 支護效果 取決于支架的架型 結構和相關參數 首先 通過計算機軟件 Visual Basic 來 進行四連桿機構優(yōu)化設計編程來確定支架的四連桿機構各桿系的長度 然后 通過三維 軟件 Pro ENGINEER 來進行實體建模 其次 以力學模型為依據 分析了液壓支架的頂 梁 掩護梁上載荷的作用機理 得到了較為合理的支架載荷的計算公式 再次 結合本 次設計的支架 從平面上對支架主要結構件進行受力分析 最后對支架主要結構件進行 強度校核 在完成本設計的過程中 利用理論分析的同時 也采用了許多實際經驗 做到理論 與實踐相結合 關鍵詞 掩護式支架 四連桿 優(yōu)化設計 強度 1 目 錄 1 緒 論 1 1 1 液壓支架的發(fā)展概況 1 1 2 液壓支架的分類 2 1 3 液壓支架的組成及工作原理 2 1 4 液壓支架的研究與發(fā)展趨勢 5 2 液壓支架結構設計 7 2 1 液壓支架的基本要求 7 2 2 確定液壓支架結構參數 7 2 3 四連桿機構的設計 14 3 液壓支架強度設計 24 3 1 液壓支架的受力分析簡化 24 3 2 支架基本參數 24 3 3 支架受力分析 28 3 4 支架強度計算 33 4 液壓控制系統(tǒng) 44 5 液壓支架的三維實體模型 46 5 1 支架三維實體建模軟件的選用 46 5 2 支架部件三維實體模型的建立 46 5 3 支架三維實體模型的裝配 47 結 論 49 致 謝 49 參考文獻 50 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 1 1 緒 論 1 1 液壓支架的發(fā)展概況 四十年代初期可彎曲刮板運輸機在西德的推廣 五十年代初期淺截式采煤機械在英 國的應用 為機械化采煤開辟了廣闊的前景 然而 支護工作仍為手工操作 勞動繁重 效率低 嚴重影響著工作面機械效率的發(fā)揮 為了解決這一問題 國外從五十年代初期 著手研制液壓支架 第一個液壓支架工作面于 1953 在英國問世 爾后 蘇聯 西德 日 本 法國 美國 波蘭和羅馬尼亞等國家陸續(xù)應用和推廣 液壓支架的出現 把回采工作面的支護技術從手工支護發(fā)展到機械化支護 液壓支 架和可彎曲刮板運輸機 淺截式采煤機械 采煤機 刨媒機 的配合使用 使回采工藝 過程 破煤 裝煤 運煤和支護全部實現了機械化 即所謂綜合機械化采煤 簡稱綜 采 綜采的出現 是煤炭工業(yè)的一次重大變革 它標志著煤炭工業(yè)機械化大生產的開始 綜合機械化采煤設備的應用 使采煤工作面實現可高產 高效 安全 低耗的文明生產 使煤炭工業(yè)的面貌發(fā)生可深刻的變化 我國于 1964 年開始研制液壓支架 最早于 1970 年先后對 MZ1928 型 TZI 型 BZZB 型 WKM 400 型 DM 400 型 YZ 型 ZYZ 型多種液壓支架在開灤 大同 陽泉 鶴壁 徐州淮北等局進行了試驗和使用 取得了良好的效果 1974 年和 1982 年兩 次分別從德國 英國 波蘭 原蘇聯 日本等國引進了許多不同類型的液壓支架 通過 學習國外新技術 我國液壓支架的研制工作發(fā)展很快 從基本上依靠進口 發(fā)展到自行 設計 自行制造 而且品種繁多 功能齊全 質量可靠 除了中厚煤層液壓支架外 我 國還設計和生產了支撐高度為 06 1 5m 的薄煤層工作面液壓支架和最大支撐高度為 6m 的厚煤層工作面液壓支架 既有適用于 三軟 軟頂板 軟底板 軟煤層 地質條件的 液壓支架 也有適應 三硬 頂板硬 底板硬 煤層硬 工作阻力高達 10000kN 的強 力液壓支架 以及各種放頂煤液壓支架 鋪網液壓支架 水砂充填液壓支架等 我們液壓支架制造技術水平比較落后 在支架材料 加工工藝 性能和使用壽命等 方面與世界先進國家相比還有很大差距 支架液壓系統(tǒng)的閥類 用的是乳化油 防銹蝕 要求很高 國外一直使用銅合金閥殼和高強度不銹鋼閥芯 我國是 45 號鋼加表面防腐處 理 密封件的壽命國外大于 5a 我國是 2a 左右 我國液壓支架耐久性試驗要求是大于 7 000 次 印度要求是大于 35 000 次 美國是大于 45 000 次 這樣技術質量水平的支 架在國內一般礦井勉強可以使用 在國內高產工作面及在國際上是沒有競爭力的 綜采 工程技術人員普遍認為目前我國支架的工藝技術水平尚未達到 1979 年引進的 100 套支架 的技術水平 可想落后遠不止 20 a 國內產煤大礦務局高產工作面使用進口設備這一問 題發(fā)人深省 我們液壓支架控制系統(tǒng)的研究也落后 目前 我國國產液壓支架的控制方式仍然停 留在跟機手把單向鄰架控制或本架控制水平 這種控制方式 雖然具有控制系統(tǒng)簡單 制造容易 造價較低和對煤層地質條件變化適應性較強的優(yōu)點 但它存在嚴重缺點 1 工人勞動條件差 安全性差 2 移架速度慢 影響采煤機效率的發(fā)揮 3 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 2 通風條件差 支架故障率高 4 支架支護效能的發(fā)揮程度與操作人員的經驗多少和 技能高低有密切關系 1 2 液壓支架的分類 液壓支架的種類很多 分類的依據和方法亦各不相同 目前最常用的分類方法是按 照液壓支架于圍巖的相互作用關系 將液壓支架可分為三大類 即支撐式 掩護式 支 撐掩護式三大類 圖 1 1 a 支撐式支架 b 掩護式支架 c 支撐掩護式支架 1 2 1 支撐式液壓支架 支撐式液壓支架是一個在底座上放置幾根立柱支撐頂梁 通過頂梁支撐頂板的簡單 結構基礎上發(fā)展起來的 如圖 1 1 a 所示 它是世界上發(fā)展最早的一種液壓支架 這種類型的支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能 因此使用于頂板堅硬完整 基 本頂周期壓力明顯或強烈 底板較堅硬的煤層 但由于立柱垂直布置 所以支架承受水 平力的能力差 在水平力的作用下 支架容易失去穩(wěn)定性 1 2 2 掩護式液壓支架 掩護式液壓支架是利用立柱 頂梁和掩護梁來支護頂板和防止巖石落入工作面 如 圖 1 1 b 所示 這類支架的頂梁較短 多數支架的立柱只有一排 一般僅有 1 2 根 多呈傾斜布置 與掩護梁連接或直接連接在頂梁上 立柱通過頂梁支撐頂板 掩護梁直 接與冒落的巖石相接觸 阻止矸石涌入工作面并承受采空區(qū)矸石的載荷 這類支架的支 撐能力小 但掩護性能和穩(wěn)定性較好 調高范圍大 對破碎頂板的適應性較強 適用于 支護不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的松散破碎頂板 1 2 3 支撐掩護式液壓支架 支撐掩護式液壓支架是支撐式支架和掩護式支架相結合的一種架型 以支撐為主 但同時又具有掩護作用 如圖 1 1 c 所示 這種支架采用了支撐式支架雙排立柱支撐 頂梁的結構型式 或兩根立柱支撐頂梁 兩根立柱支撐掩護梁 保留了支撐式支架支撐 力大 切頂性能好 工作空間寬敞的優(yōu)點 采用了掩護式支架堅固的掩護梁以及側護板 將工作面與采空區(qū)完全隔離開的結構型式 保留了掩護式支架防護性能好 結構穩(wěn)定的 長處 因此支撐掩護式支架適用于直接頂中等穩(wěn)定或穩(wěn)定 基本周期來壓明顯或強烈 瓦斯涌出量較大的煤層 1 3 液壓支架的組成及工作原理 1 3 1 液壓支架的組成 液壓支架一般由承載結構件 執(zhí)行元件 控制元件和輔助裝置四大部分組成 1 承載結構件 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 3 承載結構件包括頂梁 底座 掩護梁 連桿和側護板等金屬構件 2 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件包括立柱和各種千斤頂 3 控制元件 液壓支架的液壓系統(tǒng)中所使用的控制元件主要有兩大類 壓力控制閥和方向控制閥 壓力控制閥主要有安全閥 方向控制閥主要有液控單向閥 操縱閥等 4 輔助裝置 輔助裝置包括推移裝置 擋矸裝置 復位裝置 護幫裝置 防滑防倒裝置等 1 3 2 液壓支架的工作原理 根據回采工藝對液壓支架的要求 液壓支架不僅能夠可靠地支撐頂板 而且應能隨 著采煤工作面的推進向前移動 這就要求液壓支架必須具備升降和推移兩個方面的基本 動作 這些動作是利用乳化液泵站供給的高壓液體 通過立柱和推移千斤頂來完成的 如圖 1 1 所示 PO129345617820 1 頂梁 2 立柱 3 底座 4 推移千斤頂 5 安全閥 6 液控單向閥 7 8 操縱閥 9 輸送機 10 乳化液泵 11 主供液管 12 主回液管 圖 1 2 液壓支架基本工作原理圖 一 升降 升降指液壓支架升起支撐頂板到下降脫離頂板整個工作過程 這個工作過程包括初 撐 承載 降架三個動作階段 1 初撐階段 將操縱閥 8 放到升架位置 由乳化液泵站來的高壓液經主供液管 11 操縱閥 8 打開 液控單向閥 6 經管路進入立柱下腔 與此同時 立柱上腔的乳化液經管路 操縱閥 8 回 到主回液管 12 在壓力液的作用下 活柱伸出使頂梁升起支撐頂板 頂梁接觸頂板后 立柱下腔液體壓力逐漸增高 壓力達到泵站供液壓力時 泵站自動卸載 停止供液 液 控單向閥關閉 使立柱下腔的液體被封住 這一過程稱為液壓支架的初撐階段 2 承載階段 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 4 支架達到初撐力后頂板要隨著時間的推移緩慢下沉而使頂板作用于支架的壓力不斷 增大 隨著壓力的增大 封閉在立柱下腔的液體壓力也相應增高 呈現增阻階段 這一 過程一直持續(xù)到下腔壓力達到安全閥動作壓力為止 我們稱之為增阻階段 在增阻階段 中由于下腔的液體受壓 其體積將減少以及立柱缸體彈性膨脹 支架要下降一段距離 我們把下降的距離稱為支架的彈性可縮值 下降的性質稱為支架的彈性可縮性 安全閥動作后 立柱下腔的少量液體將經安全閥溢出 壓力隨之減少 當壓力低于 安全閥關閉壓力時 安全閥重新關閉 停止溢流 支架恢復正常工作狀態(tài) 在這一過程 中 支架由于安全閥卸載而引起下降 我們把這種性質稱為支架的永久可縮性 簡稱可 縮性 支架的可縮性保證了支架不會被頂板壓壞 以后隨著頂板下沉的持續(xù)作用 上面 的過程重復出現 由此可見 安全閥從第一次動作后 立柱下腔的壓力便只能圍繞安全 閥的動作壓力而上下波動 支架對頂板的支撐了也只能在一個很小的范圍內波動 我們 可近似地認為它是一個常數 所以稱這一過程為恒阻階段 并把這時的最大支撐了叫做 支架的工作阻力 液壓支架承載中達到工作阻力后能加以保持的性質叫做支架的恒阻性 恒阻性保證 了支架在最大承載狀態(tài)下正常工作 即常保持在安全閥動作壓力范圍內工作 由于這一 性質是由安全閥的動作壓力限定 而安全閥的動作隨著立柱下腔少量液體溢出而導致支 架下降 所以支架獲得了可縮性 當工作面某些支架達到工作阻力而下降時 因頂板壓 力作用不均勻 工作面支架不會同時達到工作阻力 相鄰的未達到工作阻力的支架便成 為頂板壓力作用的突出對象 即將壓力分擔在相鄰支架上 我們把這種支架互相分擔頂 板壓力的性質叫做支架的讓壓性 讓壓性可使支架均勻受力 3 降架階段 降架是指支架頂梁脫離頂板而不再承受頂板壓力 當采煤機截煤完畢需要移架時 首先應使支架卸載 頂梁脫離頂板 把操縱閥 8 手把扳到降架位置 由泵站來的高壓液 經主液管 11 操縱閥 8 進入立柱上腔 與此同時 高壓液分路進入液控單向閥 6 的液控 室 將單向閥推開 為立柱下腔構成回液通路 立柱下腔液體經管路被打開的液控單向 閥 6 操縱閥 8 向主回液管回液 此時 活柱下降 支架卸載 直至頂梁脫離頂板為止 二 推移 液壓支架推移動作包括移支架和刮板輸送機 根據支架架式的不同 移架和推溜發(fā) 式各不一樣 但其基本原理都相同 即支架的推移動作都是通過推移千斤頂的推 拉來 完成的 圖 1 2 為支架和刮板輸送機互為支點的推移方式 其移架和推溜共用一個推移千 斤頂 該千斤頂的兩端分別與支架底座和輸送機連接 1 移架 支架降架后 將操縱閥 7 放到移架位置 從泵站來的高壓液經主進液管 11 操縱閥 7 進入推移千斤頂左腔 其右腔的液體經管路和操縱閥 7 回到主回液管 12 此時 千斤 頂的活塞桿受輸送機制約不能運動 所以千斤頂的缸體便帶動支架向前移動 實現移架 當支架移到預定位置后 將操縱閥手把放回零位 2 推移輸送機 移到新位置的支架重新支撐頂板后 將操縱閥 7 放到推溜位置 推移千斤頂右腔進 壓力液 左腔回液 因缸體與支架連接不能運動 所以活塞桿在液壓力作用下伸出 推 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 5 動輸送機向煤壁移動 當輸送機移到預定位置后 將操縱閥把手放回零位 1 4 液壓支架的研究與發(fā)展趨勢 21 世紀是以網絡信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時期 也是煤礦以高效集約化生產 為特征的新時期 為了滿足高產綜采工作面生產發(fā)展的需要 就煤炭綜采而言 國外主 要產煤國家從未停止過依靠更大的技術投入取得采煤更高經濟效益的努力 我們也必須 抓緊研制和推廣電液控制系統(tǒng) 液壓支架實現自動控制后 就可有效地克服上述缺點 實現對支架的電液控制 而且有多種控制方式可供選擇 人員可在較安全的地方集中對 整個工作面的支架進行遠程控制或程序控制 現在世界上已經有 70 多個電液自動化控制 工作面 工作面的技術設備又正在以迅猛之勢向前發(fā)展 我們不能依賴老實進口 我們 要自己研制 否則和我國產煤大國的地位也是極不相稱的 我國液壓支架經過 20 多年的發(fā)展 盡管取得了顯著成績 在雙高礦井建設中出現 過日產萬噸 甚至班產超萬噸的記錄 但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定差距 在支架架型功能上我國與國外相差無幾 有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架 鋪 網支架 兩硬煤層的強力支架 端頭支架還有獨到之處 但國產液壓支架技術含量偏低 電液控制閥可靠性差 所用鋼材一般為 16Mn 最好的屈服極限才 700MPa 液壓系 統(tǒng)壓力在 35MPa 以下 流量在 200L min 以內 供液管 25 32mm 回液管 25 50mm 最快移架速度 10 12s 架 井下實際應用有時在 20s 以上 工 作阻力更是相對較低 今后 10 年 我國的液壓支架將朝技術含量大 鋼板強度高 移架速度快 6 8s 架 和電液控制閥的方向發(fā)展 對有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力 盡 量采用整體可靠推桿和抬底座機構 并減少千斤頂的數量 另外 將普遍采用額定壓力 為 40MPa 額定流量為 400L min 的高壓大流量乳化液泵站 以適應快速移架的需要 系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液 保證支架有足夠的壓力達到初撐力 保證支架接頂位置準 確 ZY 兩柱掩護式支架的比重將大大增加 缸徑將增至 360mm 端頭支架 輕放 多用途支架將被廣泛使用 所以 今后除應繼續(xù)針對我國國情和煤層具體條件 開發(fā)一 些新架型 新品種外 還應在改進支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面下功夫 作為一種回采工作面的支護設備 液壓支架的架型 結構與相關參數 必須與回采 工作面的頂 底板條件和煤層條件相適應 才能取得良好的支護效果 由于地下開采條 件的復雜性和多樣性 因此 盡管國內外對液壓支架己經過了近半個世紀的研究和應用 出現了數十種不同的結構架型 但至今為止 也僅能在緩傾斜中厚以下煤層中獲得了較 為成功的應用 對于傾斜 急傾斜或厚煤層中的液壓支架尚處在研究和試驗階段 即使 對于緩傾斜中厚煤層的液壓支架 其結構 性能與控制方式如何更適應不同的生產條件 仍需不斷的改進和研究 目前 液壓支架設計研究取得重要進展 主要在以下方面 1 設計理論和方法有了突破 煤炭科學研究總院北京開采研究所對支架力學持性進 行了深入的研究 提出了液壓支架三維力學模型的計算方法 克服了傳統(tǒng)平面力系計算 方法的缺陷 提出了液壓支架總體結構參數優(yōu)化設計方法 開發(fā)出液壓支架設計計算通 用軟件系統(tǒng) 并廣泛應用 使我國液壓支架設計計算提高到一個新水平 2 完成液壓支架計算機模擬試驗的研究 把有限元方法成功地用于液壓支架的研究 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 6 建立了液壓支架整體有限元模型 開發(fā)出 SSTS 液壓支架模擬試驗計算機仿真軟件系統(tǒng) 大大提高了液壓支架設計的可靠性 廣泛應用于液壓支架設計研究 達到國際先進水平 為我國液壓支架打入國際市場發(fā)揮了重要作用 3 技術規(guī)范和標淮化建設取得重要進展 我們已先后制定液壓支架系列技術標準 17 項 成為國際上液壓支架標準較完善的國家之一 促進了液壓支架技術的發(fā)展 4 計算機輔助設計 CAD 有了較大發(fā)展 開發(fā)了 CAD 工作站和微機 CAD 系統(tǒng) 建成了較完整的液壓支架數據庫和通用件國庫 并正在逐步實現支架設計 CAD 化 5 液壓支架控制系統(tǒng)有了重大進步 根據我國國情研制的全液壓手動控制快速移架 系統(tǒng)的廣泛應用 使支架降 移 升速度大幅度提高 由過去的 20 30s 架 提高到 9 12s 8 架 6 新架型研制成績顯著 架型結構進一步完善 新型高可靠性支架 反向四連桿高 產高效低位放頂煤支架 適應中小煤礦的單一煤層開采用輕型支架和輕型單擺桿放頂煤 支架均取得成功 基于以上進展 液壓支架的研究與發(fā)展方向是 1 在己有支架設計與應用經驗的基礎上 研究支架的智能化設計方法和結構與參數 的優(yōu)化 進一步提高支架設計的科學性 可靠性和結構性能的優(yōu)化性 2 研究特殊煤層使用的液壓支架 以適應不同的開采條件 3 研究新型元件與材質 以減輕支架重量 提高支架的性能和使用壽命 4 研究支架的遙控 程序控制和性能自動監(jiān)測 為回采工作面的半自動化與自動化 創(chuàng)造條件 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 7 2 液壓支架結構設計 2 1 液壓支架的基本要求 采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產量 提高經濟效益的必由之路 為了 滿足對煤炭日益增長的需要 必須大量生產綜合機械化采煤設備 迅速增加綜合機械化 采煤工作面 簡稱綜采工作面 而每個綜采丁作而平均需要安裝 150 臺液壓支架 可見 對液壓支架的需要量是很大的 由于不同采煤工作面的頂順板條件 煤層厚度 煤層傾角 煤層的物理機械性質等 的不同 對液壓支架的要求也不同 為了有效地支護和控制頂板 必須設計出不同類型 和不同結構尺寸的液壓支架 但無論哪個類型都有個基本的要求 其如下 1 為了滿足采煤工藝及地質條件的要求 液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力 以便有效地控制頂板 保證合理的下沉量 2 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力 推溜力一般為 100kN 左右 移架力按煤層 厚度而定 薄煤層一般為 100kN 150kN 中厚煤層一般為 150kN 至 250kN 厚煤層一般 為 300kN 400kN 3 防矸性能要好 4 排矸性能要好 5 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面 從而保證人員呼吸 稀釋有 害氣體等安全方面的要求 6 為了操作和生產的需要 要有足夠寬的人行道 7 支架的穩(wěn)定性要好 底座最大比壓要小于規(guī)定值 8 要求支架有足夠的剛度 能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷 9 在滿足強度條件下 盡可能減輕支架重量 10 要易于拆卸 結構要簡單 2 2 確定液壓支架結構參數 2 2 1 確定結構參數的原則 1 要滿足配套設備 采煤機 輸送機 的相關要求 2 與支架的工作方式 即時支護或滯后支護 相適應 3 結構緊湊 行人操作方便 4 支架的工作穩(wěn)定性好 2 2 2 主要參數 兩柱式大采高掩護式液壓支架參數 最小高度 Hmin 2550mm 最大高度 Hmax 5500mm 工作阻力 2 x 3926 kN 立柱缸經 345mm 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 8 支護寬度 1750mm 2 2 3 支架的伸縮比 支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值即 2 1 minaxH 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 由于液壓支架的使用 壽命較長 并可能被安裝在不同的采煤工作面 所以 支架應具有較大的伸縮比 盡量 采用單伸縮油缸或帶機械加長桿來增加調高范圍 一般支架最大高度和最小高度的比值 的范圍是 1 5 至 2 5 經計算 設計支架的伸縮比 m 2 16 2 2 4 支架間距 所謂支架間距 就是相鄰兩架中心之間的距離 按如下公式計算 b B nc 2 2 式中 b 支架間距 B 每架支架頂梁總寬度 c 相鄰支架頂梁之間的間隙 n 每架所包含的組架或架數 整體自移式支架 n 1 整體邁步式支架 n 2 節(jié)式 組合邁步支架 n 支架節(jié)數 支架間距 b 主要根據支架型式 但目前主要根據刮板運輸機油槽每節(jié)長度及槽幫上 千斤頂連接的位置來確定 目前我國刮板運輸機油槽每節(jié)長度為 1 5m 千斤頂連接位置 在刮板槽中間 所以除了節(jié)式和邁步式支架外 支架間距一般為 1 5m 大采高支架為提 高穩(wěn)定性中心距可采用 1 75m 所以 b 1 75m 2 2 5 梁端距 所謂梁端距是指移架后頂梁端部至煤壁的距離 Ln 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 一般大采高支 架梁端距應取 350 480mm 所以 Ln 400mm 2 2 6 頂粱長度 1 支架工作方式對支架頂粱長度的影響 支架工作方式對支架頂粱長度的影響很大 如圖 2 1 所示 從圖 2 1 中可以看出 先移架后推溜方式 又稱即時支護方式 要求頂梁有較大長 度 先推溜后移架方式 又稱滯后支護方式 要求頂梁長度較短 這是因為采用先移架 后推淄的工作方式時 支架要超前輸送機一個步距 以便采煤機過后 支架能即時前移 支護新暴露的頂板 做到即時支護 因此 先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距 一 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 9 般為 600mm 2 配套尺寸對頂梁長度的影響 設備配套尺寸與支架頂架長度有直接關系 在輸送機鏟煤板前留有一定距離 一般 為 135 150mm 左右 是為了防止采煤機截割煤壁不齊 給推移輸送機留有一定的距離 除此而外 所有配套設備包括采煤機和輸送機 均要在頂梁掩護之下工作 以此來計算 頂梁長度 圖 2 1 支架工作方式比較 在本次設計中選用的采煤機的型號為 MG800 2040 采高為 2 7 5 5m 截深 1 0m 滾筒直徑 2 5m 機面高度 2259mm 牽引型式為電牽引 交 無鏈 銷軌 輸送機型號 為 SG1000 1400 304 295 1000 350 200 2149mm1l A cos G 3002A1q1cosp 式中 配套尺寸l 頂梁長度l 底座長度2 2149 2760 1760 300 3449mml 所以頂梁的長度 3449mm 2 2 7 頂粱寬度 頂梁寬度根據支架間距和架型來定 架間間隙為 0 2m 其中寬面頂梁一 般為 1 2 1 5m 節(jié)式支架一般為 0 4 0 6m 頂梁寬度取 1 5m 2 2 8 底座形式的選擇 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件 因此除了滿足一定的剛度和強度 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 10 外 對底座起伏不平的適應性要強 對底座接觸比壓要小 要有足夠的空間安裝立柱 液壓控制裝置 推移裝置和其他輔助裝置 要便于人員操作行走 能起一定的擋矸作用 要考慮排矸能力 要有一定重量 以保證支架的穩(wěn)定性等 支架底座常用形式有 3 種 即整體剛性底座 底分式剛性底座和鉸接分體底座 圖 2 2 整體剛性底座 1 整體剛性底座 整體剛性底座如圖 2 2 所示 中擋前部一般有一高度 50 100mm 小箱形結構 中擋 后部上方為箱形結構 推移千斤頂一般安裝在箱形體之下 整體剛性底座立柱柱窩的一 般要設計一過橋 以提高底座的整體剛性和抗扭能力 整體剛性底座的整體剛度和強度 好 底座接底面積大 有利于減小對底板的比壓 但中擋推移機構處易積存浮煤碎矸 清理較困難 一般用于軟底板條件下工作面支架 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 11 圖 2 3 底分式剛性底座 2 底分式剛性底座 底分式剛性底座如圖 2 3 所示 底座底板是中分式的 中擋維移機構直接落在煤層底 板上 前立柱柱窩前有過橋 小擋后部上方為箱形結構 由于底分式剛性底座中擋底板 分體 推移裝置處的浮煤 碎矸可隨支架移架從后端排到采空區(qū) 不需要人工情理 適 應高產高效要求 但減少了底座接底 面積增大了對底板的比壓 目前 高產高效工作面液壓支架一般均采用分體剛性底 座 3 鉸接分體式底座 如圖 2 4 所示 鉸接分體底座分為左右相對獨立的兩部分 從中檔處鉸接 左右底座 在垂直方向可相對錯動 無剛性約束 這種底座對底板不平的適應性好 減少了底座的 扭轉和偏載載荷 但支架的整體剛性有所降低 波蘭文架采用鉸接分體底座的較多 我 國 ZY3600 17 35K 支架等亦采用這種鉸接分體式底座 目前這種底座結構已較少采用 根據以上的分析 結合這次設計的實際 采用整體剛性底座 它的整體剛度和強度 好 底座接底面積大 有利于減小對底板的比壓 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 12 圖 2 4 鉸接分體式底座 2 2 9 底座的長度 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件 在設計支架的底座長度時 應考 慮如下諸方面 支架對底板的接觸比壓要小 支架內部應有足夠的空間用于安裝立柱 液壓控制裝置 推移裝置和其他輔助裝置 便于人員操作和行走 保證支架的穩(wěn)定性等 通常 掩護式支架的底座長度的 3 5 倍的移架步距 一個移架步距為 0 6m 即 2 1m 左 右 結合這次設計的實際 底座長度取 2 76 m 2 2 10 護幫形式的選擇 護幫裝置的主要類型有兩類 一類是簡單鉸接式如圖 2 6 所示 另一類是四連桿式 如圖 2 5 所示 圖 2 5 四連桿式挑梁 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 13 圖 2 6 簡單鉸接式 1 簡單鉸接式 簡單鉸接式護幫板鉸接在整體頂粱或鉸接式頂梁前梁的前端 有伸 縮梁時鉸接在伸縮梁頭上 千斤頂直接與護幫板相連接 這種形式的護幫板結構簡單 但挑起力短小 且當頂梁或前梁帶伸縮梁時 厚度較大 難以實現挑起 當僅作護幫板使用時 翻轉角度大于 即可 09 2 四連桿式 四連桿式護幫板與頂梁或前梁的鉸接方式與簡單鉸接式相同 但在千 斤項與護幫板間增加一個四連稈機構 實現護幫和挑起支護頂板 并保證收回到預定的 角度 四連桿機構把千斤頂的作用力有效地傳遞到煤壁和頂領上 這種挑梁的挑起力矩 大 但結構相對復雜一些 對于厚煤層支架 為了提高護幫高度和增加超前支護面積 挑梁體可 采用伸縮式或折疊式結構 分別如圖 2 7 和圖 2 8 所示 圖 2 8 折疊式護幫裝置圖 圖 2 7 伸縮式護幫裝置 根據以上的分析 結合這次設計的實際 采用簡單鉸接式 2 2 11 側護板的長度 支架常用的活動側護板形式有 3 種 即直角式單側活動側護板 直角式雙側可調活 動側護板和折頁式單側活動側護板 頂梁側護板高度一般取 250 500mm 薄煤層支架取下限 大采高支架取上限 掩護 梁側護板和后連桿側護板高度一般根據支架最大高度時 側護板水平尺寸等于移架步距 加 100 200mm 搭接量的原則確定 這次設計側護板的長度為 700mm 2 2 12 頂板覆蓋率 頂板覆蓋率按下式計算 bnFL X 100 2 3 式中 b 頂梁總面積 2m n 梁端距 m b 支架間距 m 對破碎頂板 覆蓋率 值應達到 85 95 故掩護式支架裝有可活動側護板 以維 護架間的間隙 中等穩(wěn)定頂板覆蓋率 值為 75 85 穩(wěn)定頂板覆蓋率 值為 60 70 2 2 13 立柱布置 1 立柱數 目前國內支撐式支架立柱數為 2 6 常用為 4 根 掩護式支架為 2 二柱 支撐掩護 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 14 式支架為四柱 2 支撐方式 支撐式支架與底座為直立布置 掩護式支架為傾斜布置 這樣可克服一部分水平力 并能提高調高范圍 一般立柱與頂梁垂線夾角小于 由于角度大 可使調高范圍增大 03 同時由于頂梁較短 角度大后使立柱頂梁柱前移 使頂梁尖端支護力大 支撐掩護式支 架 根據結構要求呈傾斜或垂直布置 一般立柱與頂梁垂線夾角小于 由于夾角較小 01 有效支撐力較大 3 立柱間距 立柱間距的選擇原則為有利于工作和部件合理布置的原則下 采用較小立柱間距 立柱間距小 可減小梁端距 但工人行走不便 操作不便 支撐式和支撐掩護式支架的 立柱間距沿行走方向一般為 1 0 1 5m 2 3 四連桿機構的設計 2 3 1 四連桿機構設計要求 1 對支架在跳高范圍內梁端距的大小有重要影響 四連桿機構應能控制頂梁與掩護 梁鉸接點運動軌跡 呈雙扭線 使其在支架調高范圍內的偏差一般不大于 70mm 2 影響支架支撐效率 一般在支架工作工作高度范圍內 四連桿機構瞬心距立柱的 垂直距離越大越有利 3 雙扭線軌跡變化對支架垂直支撐力有重要影響 4 雙扭線軌跡影響連桿 掩護梁等連接部位的受力情況 通常認為軌跡曲線應向前 偏擺 即支架由高位置降下時 軌跡曲線逐漸靠近煤壁 5 為保證支架的穩(wěn)定性 后連桿的水平夾角 Q 一般不超過 85 度 最小角度應以連桿 機構與底板不干涉為準 6 一般應盡可能加大掩護梁的背角 厚煤層支架取大值 薄煤層支架取小值 對支 撐掩護式支架應加大背角 對堅硬難冒頂板的支架 掩護梁背角應盡可能大 7 掩護梁長度與掩護梁上前 后連桿鉸接點間距應保持一定的比例 4 1 16 1 這不僅對支架受力 而且對調高范圍也有影響 一般憑經驗選取 2 3 2 四連桿機構設計 綜放支架設計的關鍵是合理選擇四連桿機構的結構參數 鉸鏈式四連桿機構可使掩 護型支架在工作過程中得到一個近似相等的梁端距 象這類復演直線軌跡的機構綜合問 題 可以來用函數逼近理論 如插值法 平方逼近法和最佳逼近法 為基礎的解析法求 解也可以來用布爾梅斯特爾理論為基礎的運動幾何學法和以設計經驗為基礎的作圖法等 求解 國內外對此都進行了大量的試驗研究工作 我國液壓支架設計工程師設計四連桿 機構一般有三種方法 1 直接求解法 2 解析法 3 作圖法 以上三種方法的缺點是 要么手工計算量太大 要么繪圖誤差太大 短時間內無法 設計出比較好的四連桿機構 鑒于此 選擇一個較好的軟件 再加上一臺用來計算的好 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 15 的計算機 就可以很好地來設計四連桿機構 應用 Visual Basic 6 0 來編制四連桿機構優(yōu) 化設計的程序 不僅較好地滿足了支架設計的要求 而且實現了四連桿機構的運動的軌 跡顯示 電算法 一 此程序的設計思路為 1 根據約束條件找出設計變量 2 選定設計變量的變化范圍 3 選定設計變量的變化步長 4 窮舉出滿足約束條件的所有設計變量的值 5 從舉出的值中選出相對比較好的一組數據 二 四連桿機構的幾何特征 1 支架從最高高度降到最低高度時 如圖 2 9 所示 頂梁端點運動軌跡的最大寬度 e 應小于 70mm 最好為 30mm 以下 圖 2 9 四連桿機構 2 支架在最高位置時和最低位置時 頂梁與掩護梁的夾角 p 和后連桿與水平的夾角 q 為圖 2 2 所示 應滿足如下要求 支架在最高位置時 支架在最低位置時 考慮矸石便于15 6p 175 8q 下滑 以防矸石停留在掩護梁上 根據物理學摩擦理論可知 則要求 tgp f 如果按照鋼 和矸石的摩擦系數 f 0 3 可求的 tgp 0 3 則 p 為了安全可靠最低工作位置應06 使 為宜 而 q 角主要考慮掩護梁底部距底板要有一定的距離 防止支架后部冒落25P 巖石卡住后連桿 使支架不能下降 一般 25 3q 3 后連桿與掩護梁的比值 對掩護式支架為 I 0 45 0 61 4 前后連桿上鉸點之距與掩護梁之比為 I1 0 22 0 3 5 從圖 2 9 可知 掩護梁與頂梁鉸點和瞬時中心 O 之間的連線與水平夾角為 設 計時 要使 tg 范圍以下 0 35 三 四連桿機構的約束條件有 1 雙紐線軌跡最大寬度 7em 2 支架最高位置 62p 3 支架最高位置 158q 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 16 4 支架最低位置 25P 5 支架最低位置 30q 6 tg 7 I1 0 22 0 3 前后連桿上絞結點與掩護梁的比值 8 I 0 45 0 61 后連桿與掩護梁的比值 9 C A 0 9 1 2 前后連桿長度的比值 10 H 支架的最大高度 D 前后連桿下絞結點的垂直距離 5 11 H 支架的最大高度 E 前后連桿下絞結點的水平距離 4 E 四 設計變量的變化步長 的間隔 0 034 弧度 1P 的間隔 0 034 弧度 q I 的間隔 0 001 的間隔 0 001 1 五 求解過程 1 用解析法來確定掩護梁和后連桿的長度 如圖 2 10 所示 掩護梁長度L 后連桿長度1 e 點垂直線到后連桿鉸點之距2 支架最高位置時的計算高度h 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 2 4 112cosLPqL 2 5 2s 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 17 圖 2 10 掩護梁和后連桿計算圖 將 2 4 和 2 5 聯立可得 2 6 121cosLPq 按四連桿機構幾何特征所要求 把設計變量代入 2 6 可求得 的比值 而支架1L 最高位置時的值為 2 7 111sinihLP 因此 掩護梁的長度為 2 8 1si sinhq 后連桿的長度為 2 9 1 L 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 18 圖 2 11 四連桿機構中的參數 2 7 和 2 8 兩式中 的比值按下式來定 1L 掩護式支架 0 45 0 61 2 10 每組變量的值對于一組 1 前后連桿上鉸點之距 bd1I L 前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距為 beLd 四連桿機構中的各部參數如圖 2 11 所示 ea L1 A ab B bc C ca D e d L G e b F ae E oe L2 E1 2 前連桿長度和角度的確定 支架由高到低 掩護梁上鉸點 的運動軌跡為曲線 根據支架幾何特征的要求 為使 e 曲線的最大寬度盡量小 所以把 點的運動軌跡看成理想的直線運動 根據設計經驗 當 點沿理想直線由最高向最低運動時 后連桿與掩護梁軸線夾角由大于 到小于 e 90 在此區(qū)間內一定有一位置處于垂直位置 以這一特殊位置為所求的中間的某一位置 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 19 圖 2 12 四連桿機構幾何關系圖 1 點坐標b 當支架在最高位置時的計算高度為 H 此時 點的坐標為 1b 2 11 11cosxFP 2 12 inyH 2 點坐標b 當支架在最低位置時 此時 點的坐標為 1b 2 13 22cosx 2 14 2iniyBPAq 則此時 2 15 212 cos GEarctg 3 點坐標b 支架的掩護梁與后連桿長垂直位置的幾何關系時 點的坐標為 3b 2 16 33cosxFP 2 17 3iniyBAq 其中 2 18 13 22 2EarctgtGA 2 19 33qP 4 C 點坐標 根據圖 2 12 支架在三個位置的幾何關系可知 C 點就是過 三點的圓心 1b23 為前連桿的長度 因此可以用圓的方程求得前連桿的長度 123cb 2 20 2211 Cxy 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 20 式中 為 C 點坐標 可以按下列方程聯立求得 Cxy 2 21 22221133 CCxy 2 22 aa 聯立 2 21 和 2 22 得 2 23 22223131233311 Cxyyxyyxx 2 24 22223313312321 yyy 5 前連桿下鉸點的高度 D 和四連桿機構的底座的長度 E 當前連桿 C 點的坐標確定后 D 和 E 的長度 D 2 25 y 2 26 E1x 2 3 3 四連桿機構的優(yōu)化 到此為止 可初步求出四連桿的個桿系的長度 并非所有的值都可以用 所以要進 行選優(yōu) 選優(yōu)的方法就是根據給定的約束條件 對所計算出來的各組值進行篩選 最終 選出一組相對最優(yōu)的值 其約束條件是根據四連桿機構的幾何特征要求 以及支架的結構關系 得出的約束 條件如下 1 前 后連桿的比值范圍 根據現有支架調查統(tǒng)計 前 后連桿的比值 C A 0 9 1 2 2 前連桿的高度不宜過高 一般應使 D H 5 H 為支架最大的計算高度 3 E 的長度 一般應使 E H 4 5 4 值對掩護式支架應使 支撐掩護式支架應使tg 0 16tg 0 2tg 一 值按下面的方法進行計算 如圖 2 13 所示為支架在最高位置時的幾何關系 1 d 點的坐標 2 27 41cosxEAq 2 28 iny 2 e 點的坐標 2 29 51 2 30 0 3 cb 直線的斜率 2 31 1cyKx 4 ed 直線的斜率 2 32 452yx 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 21 5 o1 點的坐標 由于 c b o1 在同一條直線上 因此 cb 和 bo1 直線的斜率相同 所以 bo1 直線的斜 率為 2 33 同理 ed611yKx 直線的斜率為 2 34 642yx 由 2 33 式子得 2 35 6161 yKy 圖 2 13 瞬心位置圖 由 2 34 式子得 2 36 6264 yKxy 聯立 2 35 和 2 36 整理得 2 37 1246 則 2 38 6Hytgx 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 22 二 橫向偏差 e 值的求解 1 四連桿機構的方程 從圖 2 14 中可知 在任一個 q4 角位置時 a 點的 x 坐標應滿足下列方程 2 39 44cos cos csAqEBpCr b 點 y 坐標應滿足下列方程 2 40 iniinD 圖 2 14 四連桿機構的方程圖 由 2 40 式得 2 41 44sin si iAqBpDrC 將 2 41 式代入 2 39 式得 2 42 24444 2 sin si cos cos 1AqBpDqEpC 將 2 42 式整理得 2 43 22244444cs 2sin cos cos in i0ABDCqDqpEqpAB 令 Z cos sin 421Z K 2 44 42s E J 2 45 4iAB R 2 46 2244cos sin DCEAqDq 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 23 將 2 44 2 45 2 46 式代入 2 43 式得 2 47 210RZKzJ A 則 2 48 22 RKJ 不合題意之根舍去 當 時 2 48 方程才有意義 222 J0 在圖 2 7 中 e 點任一位置時之坐標 x y 可寫成 2 49 44cossxAqGp 2 50 in i y 其中 則 4arcos pZ241Zparctg 2 49 2 50 兩式就是液壓支架四連桿機構的曲線方程 x 為 e 點的橫坐標 y 為 e 點的縱坐標 y 的變化相當支架的計算高度的變化 則 x 的變化相當頂梁的前端的變 化 所以 e 值為支架高度范圍內 相應的 maxinX 即 e maxinX 程序結果 程序運行后 相對比較而言選用第一組數據 1P0 9 2 0651 34q 20 36 L1 2205 L 3675 L2 1760 cb 2110 e 60 5 I1 0 22 I 0 6 9tg 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 24 3 液壓支架強度設計 3 1 液壓支架的受力分析簡化 為了設計計算的方便 要對支架的外載荷和支架進行簡化 現概述如下 1 把支架簡化成一個平面桿系結構 為偏于安全 在計算時把外載荷視為集中載荷 2 金屬結構按直梁理論計算 3 頂梁 底座與頂板被認為為均勻接觸 載荷沿支架長度方向按線性規(guī)律分布 沿 支架寬度方向為均布 4 通過分析和計算可知 掩護梁上矸石的作用力 只能使支架實際支護阻力降低 所以 在進行強度計算時不計 使掩護梁偏于安全 5 立柱與短柱按最大工作阻力計算 6 產生作用在頂梁上的水平力的情況的兩種 一種是由于支架讓壓回縮 頂梁前端 點運動軌跡近似雙紐線 頂梁與頂板間產生相對位移 頂板給予頂梁水平摩擦力 另一 種是由于頂板向采空區(qū)方向移動 使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平摩擦力 頂梁和頂 板的靜摩擦系數為 0 15 0 3 7 按不同支護高度時各部件最大受力值進行強度校核 8 各結構件的強度校核 除按理論支護阻力校核危險斷面外 還要按原煤炭部標準 MT86 84 液壓支架型式試驗技術規(guī)范 的各種加載方式 以支架的額定工作阻力逐一校核 超過額定工作阻力的 的超載試驗 將安全系數來保證強度 10 3 2 支架基本參數 3 2 1 支護面積 支架的支護面積按下式計算 3 1 cFb Lg 2m 式中 支護面積 cF2m Lg 頂梁的長度 m 移架后頂梁前端點到煤壁的距離 m 一般 0 4 帶入數據得 2cF1 75 2 0 4 59 3 2 2 支護強度 3 2 qSF 工 作 阻 力 S 支 護 面 積 23961 754 08MPa 3 2 3 立柱的技術參數 1 立柱的初撐力計算 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 25 1p 0 6 0 8 根據具體架型來確定 掩護式支架一般2p 0 75 2 立柱初撐力 KN2 立柱工作阻力 3926 21p 0 75 0 75 3926 2944 5 kN2 2 立柱缸體內經計算 3 3 2140bDp 3 4 2ap 式中 1 立柱初撐力 KN D 立柱缸體內經 cm bp 泵站壓力 31 5 bpMP2 立柱工作阻力 a 安全閥額定工作壓力 40 a 根據 3 3 計算得出 D 34 5cm 3 2 4 推移千斤頂的缸徑的確定 推移千斤頂的缸徑按下兩式聯立求得 cm 3 5 b40dpF A推 cm 3 6 2bDd A移 一般 100 千牛頓 300 400 千牛頓F推 F移 計算得 d 6 032cm D 12 06cm 取標準 d 70mm D 125mm 壁厚 17mm 推移千斤頂的行程與步距有關 當推移步距為 600mm 時 推移千斤頂的行程為 700 750mm 所以取行程 750mm 3 2 5 提底千斤頂 選用 行程 230mm 活塞直徑 110mm 活塞桿直徑 90mm 壁厚 15mm 3 2 6 護幫千斤頂 選用 行程 470mm 活塞直徑 90mm 活塞桿直徑 63mm 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 26 壁厚 15mm 3 2 7 側推千斤頂 選用 行程 215mm 活塞直徑 63mm 活塞桿直徑 50mm 壁厚 13mm 3 2 8 平衡千斤頂 1 平衡千斤頂的作用 1 在空載條件下或移架過程中 用平衡千斤頂的推拉力保持頂梁呈水平狀態(tài)或所 需的角度 可以使相鄰的支架保持良好的密封狀態(tài) 以防止串矸 使移架順利進行 2 利用平衡千斤頂的推拉力 改變支架支撐合力的作用位置 當平衡千斤頂呈推 力時 可增大頂梁前端的支撐力 有利于支撐力和維護較硬的頂板 當平衡千斤頂呈拉 力時 使的頂梁后部支撐力提高 增強了移架的切頂能力 當拉力足大時 這種掩護式 支架有近似于支撐式和支撐掩護式支架的受力特征 擴大了這種掩護式支架的適用范圍 3 根據工作面頂底板的狀況 用平衡千斤頂調整支架的頂梁 使頂梁與頂板接觸 良好 以改善支護狀況 4 平衡千斤頂的推拉力大小能明顯改變支架底座對底板的比壓分布 5 在平衡千斤頂拉力的作用下 可增加支架的支護強度 2 平衡千斤頂的行程 根據現場經驗 有兩種情況可使平衡千斤頂的耳環(huán)或平衡千斤頂拉壞 一種是操作 失誤 頂梁先翹 另一種是由于當頂板教堅硬 頂板壓力作用點后移 使頂板和掩護梁 夾角增大 為此在設計時 平衡千斤頂的長度一般應能滿足頂梁與掩護梁的最大夾角近 似小于 同時 應能適應支架高度變化的要求 即 當活塞桿行程全部縮回 達到018 最小長度時 應能滿足支架升到最大高度時頂梁由水平位置向下回轉 的要求 當活塞015 桿全部伸出時 應滿足支架降到最小高度時允許頂梁由水平位置向上回轉 的要求 按 照以上要求確定平衡千斤頂的長度和行程 3 平衡千斤頂的缸徑 平衡千斤頂的缸徑按下式計算 cm 3 7 a40Pdp A推 cm 3 8 2aDd A移 式中 d 活塞桿直徑 cm 安全閥額定工作壓力 apMPa 平衡千斤頂推力 推 KN拉 平衡千斤頂拉力 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 27 1 平衡千斤頂拉力計算 平衡千斤頂的拉力以作用在立柱上鉸點到掩護梁后端這部分面積上高度為支架最大 采高的巖石重量來計算 kg 3 9 cRpsbA kg 3 10 cPHLBr kg 3 11 Red 式中 平衡千斤頂拉力 取負 推力 取正 kg BP 作用在立柱上鉸點到掩護梁后端這部分面積上 高度為支架最大采高的巖石重c 量 kg S 至瞬心之距 cm c 立柱瞬心之距 cm b H 支架的最大采高 m L 巖體的計算高度 m B 支架寬度 m 巖石容重 2600 kg r r3 e 立柱到頂梁后鉸點的距離 cm d 平衡千斤頂到頂梁后鉸點的距離 cm 2 平衡千斤頂推力計算 平衡千斤頂的推力 假設支架支撐合力作用點分頂梁前后段長度為 2 1 用這個比 例關系計算平衡千斤頂的推力 即 代入支架在最高位置時 取頂梁為分離體 LxK3 kg 3 12 BAbPda fcd 式中 立柱的工作阻力 kg A X 合力作用點的位置 cm a 頂梁后鉸點到瞬心的水平距離 cm f 系數 取 0 3 c 瞬心到頂梁后鉸點的垂直距離 cm 頂梁總長度 cm K 頂梁后鉸點到頂梁尾端之距 cm 計算得 1518 p推 KNp拉 1180 即 21 5 cm 27 6 cm d D 選用 行程 400mm 活塞直徑 280mm 活塞桿直徑 220mm 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 28 壁厚 22 5mm 3 3 支架受力分析 為了簡化計算 作以下假定 立柱和前梁千斤頂按最大工作載荷計算 頂梁和底座按集中載荷 即最惡劣的加載工況 計算 掩護梁上沒負載 摩擦系數為 0 3 1 支架的工作阻力 2 x 3926 KNP 2 作用力 F 和作用位置 X 1 整體受力如圖 3 1 所示 圖中 Pk 平衡千斤頂推拉力 2 取頂梁為分離體 如圖 3 2 所示 已知 P Pk h1 h2 1 2 求 F X Xa Ya 解 P 3926 KN Pk 1180 KN h1 250mm h2 200mm 0 82 047 0 x 0 3 13 12sincoskaFWPX 圖 3 1 支架受力圖 0yF 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 29 0 3 14 12cosinakFYP 0M 3 15 221212cs sicos in0kkkXhlPlPFW 由 3 15 可得 3 16 22121sicos cos n kkklhlPhF 圖 3 2 頂梁分離體受力圖 頂梁與分離體受力圖中有 4 個未知數 而 3 個方程不可解 所以要結合頂梁和掩護 梁為分離體受力分析所列方程聯立求解 取頂梁和掩護梁為分離體 如圖 3 3 所示 950mm 300mm 2827mm 422mm1l2l3l3h 0M 3 17 231231231 cos sin FWhPllPXl 3 16 式代入 3 17 式 經整理得 3 18 3131223 cosin sincos kklhlhWh 00003926 87 42i 8 i47 3cos47 7F 8029 8 KN 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 30 3 18 式代入 3 16 式可求得 X 值 0 001803sin47 18 52 cos47 3926cos1 82509 X 1208mm 09265i 從 3 18 式可知 1 當 為 平衡千斤頂為推力 W 0 時 F 力最小 kP 2 當 為 平衡千斤頂為拉力 W 0 3 時 F 力最大 所以在驗算頂梁強度時 按平衡千斤頂拉力 W 0 3 進行計算 此時 F 最大 這個 條件能滿足 其他條件都能滿足 圖 3 3 頂梁掩護梁分離體受力圖 由 3 13 式可得 3 19 12sincos