放頂煤液壓支架設(shè)計

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1 摘 要 采煤綜合機械化 是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展 大幅度提高勞動生產(chǎn)率 實現(xiàn)煤炭工 業(yè)現(xiàn)代化的一項戰(zhàn)略措施 綜合機械化不僅產(chǎn)量大 效率高 成本低 而且能減輕笨重 的體力勞動 改善作業(yè)環(huán)境 是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向 液壓支架是綜合機械化采煤 方法中最重要的設(shè)備之一 液壓支架主要由以下幾個基本部分組成 頂梁 掩護梁 四連桿機構(gòu) 側(cè)護板 底 座 立柱和千斤頂?shù)?設(shè)計要遵循支護性能好 強度高 移架速度快 安全可靠等原則 在這次放頂煤液壓支架的設(shè)計過程中 主要以底座 主頂梁 尾梁和立柱等結(jié)構(gòu)件 的機械部分設(shè)計為重點 用普通設(shè)計步驟設(shè)計總體結(jié)構(gòu)尺寸 再用 Solidworks 初繪總體 架型檢查配合尺寸 然后轉(zhuǎn)化為 并修改細節(jié) 最后對主要構(gòu)件進行強度校核 并 用有限元分析部分構(gòu)件 關(guān)鍵詞 放頂煤液壓支架 頂梁 四連桿機構(gòu) 有限元 1 目 錄 1 液壓支架概論 1 1 1 國外主要產(chǎn)煤國家綜采技術(shù)的發(fā)展趨勢 1 1 1 2 我國綜采技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀幾存在的問題 2 1 3 綜采礦井生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合理配套 3 4 1 4 液壓支架的應(yīng)用和意義 4 4 1 5 綜采工作面的布置和循環(huán)工作過程 9 5 1 6 液壓支架的組成 5 6 1 7 液壓支架的工作原理 7 1 8 液壓支架的分類 10 1 9 采煤工作面對液壓支架的設(shè)計要求 12 2 液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 2 1 支架主要尺寸的確定 13 2 2 支架四連桿機構(gòu)的確定 14 2 3 四連桿機構(gòu)的設(shè)計 16 2 4 頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 2 5 掩護梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計 23 2 6 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 2 7 立柱的確定 26 2 8 千斤頂?shù)倪x擇 28 3 液壓支架的受力分析 30 3 1 液壓支架的支護性能與外載荷 30 3 2 取頂梁為分離體進行受力分析 31 3 3 取掩護梁為分離體進行受力分析 35 3 4 液壓支架的底座受力分析及計算 36 4 液壓支架強度校核 39 4 1 材料的選擇 39 4 2 頂梁的強度校核 40 4 3 底座的強度校核 43 致 謝 45 參考文獻 46 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 1 1 液壓支架概論 1 1 國外主要產(chǎn)煤國家綜采技術(shù)的發(fā)展趨勢 1 綜合機械化采煤是煤礦開采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志 80 年代末以來 世界主要產(chǎn)煤 國家高產(chǎn)高效綜采技術(shù)迅速發(fā)展 特別是美國 澳大利亞 德國 英國和南非發(fā)展最快 綜采工作面高產(chǎn)高效紀(jì)錄不斷刷新 綜采裝備新技術(shù)層出不窮 均年產(chǎn) 145 4 萬 t 洗精煤 平均工效 274t 工 d 工作面搬家 包括設(shè)備安裝 時 間平均 684 人工 面 工作面平均長度 240 m 最大長度 335m 1994 年平均班產(chǎn)進一步 提高 其中 前 10 個工作面年平均班產(chǎn)達到 5998t 洗精煤 相當(dāng)于年產(chǎn) 400 萬 t 以上的 水平 沙莫羅克公司 SHAMR0CK 的被克佛克礦在 123 個小班中產(chǎn)煤 166 萬 t 相當(dāng)于 月產(chǎn) 83 萬 t 塞普路斯阿馬克斯煤炭公司卡姆博蘭德礦 1995 年 6 月達到月產(chǎn)洗精煤 57 3 萬 t 的紀(jì)錄 阿科煤炭公司的西皮庇礦 1994 年 11 月創(chuàng)造了日產(chǎn) 4 5 萬 t 的世界紀(jì)錄 當(dāng)月 產(chǎn)量 50 余萬 t 美國 1994 年共有 80 個長壁工作面 其中有 70 個工作面是電液控制的工 作面 占 87 5 使用兩柱掩護式支架 73 套 四柱支撐掩護式支架 7 套 兩柱掩護式 支架占 91 25 支架工作阻力大部分在 7000 8000 kN 最大的兩柱掩護式支架工作阻 力達到 9800kN 普遍裝備大功率電牽引重型采煤機組和大功率 大運量 高可靠性刮板 輸送機 澳大利亞近 10 年來綜采發(fā)展很快 綜采工作面數(shù)量從 1980 年的 3 個增加到 1994 年 的 25 個 井工效率達到 17 71t 工 科迪爾克斯礦和巴波尼礦的綜采工作面年產(chǎn)量已 超過 300 萬 t 為使綜采產(chǎn)量持續(xù)增長 近幾年來澳大利亞采取了一系列措施 包括改革 勞動制度 采用各種新設(shè)備 新技術(shù) 綜采工作面優(yōu)選世界各國最先進的重型高效裝備 實現(xiàn)一井一面 集中化生產(chǎn) 英國和德國是世界上綜采技術(shù)裝備最先進的國家 由于受其自然煤層賦存條件的限 制 其高產(chǎn)高效工作面的紀(jì)錄不如美國和澳大利亞 但世界著名的采煤機械公司主要集 中在德國和英國 近年來 由于國際采礦業(yè)市場的不景氣和激烈競爭 導(dǎo)致各公司的相 互兼并 形成幾個大跨國公司 為占領(lǐng)市場 各公司不斷開發(fā)新技術(shù) 新產(chǎn)品 世界主 要產(chǎn)煤國家技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表 l l 表 1 1 1994年世界主要產(chǎn)煤國家技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 2 隨著采煤機功率加大 產(chǎn)量提高 工作面刮板輸送機也發(fā)展成為大功率 高強度 高可靠性的運輸設(shè)備 目前工作面刮板輸送機最大工作長度已達 335m 最大輸送能力達 3500t h 最大功率 1412kW 表 1 2 中列出了幾種國外先進刮板輸送機的技術(shù)特征 表 1 2 幾種國外先進刮板輸送機的技術(shù)特征 先進瓜板輸送機的主要特點是 整體鑄造溜槽或組合焊接溜槽 減少了螺栓連接 提高了可靠的性 使用壽命達到 600 1200 萬 t 過煤量 采用 38mm 42mm 大直徑 刮板鏈 采用軟啟動技術(shù) 使用雙緩液力偶合器或排水型偶合器 配有程序邏輯控制 器控制水的流速 軟啟動大大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(shù) 可以以連續(xù)監(jiān)測輸送機各部件的運行狀態(tài) 進行故障診斷和報 警 液壓支架是綜采工作面主要設(shè)備之一 近 10 年來主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和 四柱支撐掩護式架型發(fā)展 架型結(jié)構(gòu)進一步完善 設(shè)計方法更先進 參數(shù)向高工作阻力 大中心距 1 75m 2m 發(fā)展 結(jié)構(gòu)件材料越來越多地采用高強度鋼材 例如屈服極限 69MPa 以上的鋼板 支架的壽命和可靠性要求大大提高 有些公司要求支架的耐久性試 驗循環(huán)次數(shù)達 5000 次 支架的壽命達 14 年以上 液壓支架技術(shù)另一重大突破是控制系 統(tǒng) 應(yīng)用電液控制技術(shù) 采用電磁 或微電機 控制的先導(dǎo)閥 先進可靠的壓力和位移傳 感器 靈活自由編程的微處理機技術(shù) 紅外遙感技術(shù)等現(xiàn)代科技成果 使液壓支架的動 作自動連續(xù)進行 移架速度大大提高 支架循環(huán)時間達到 6 8 入配合采煤機的煤巖識別 系統(tǒng)等先進技術(shù) 可實現(xiàn)工作面自動控制 1 2 我國綜采技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀幾存在的問題 我國自 1973 年開始大規(guī)模引進德國 英國等國家的綜采設(shè)備 經(jīng)歷了消化 吸收和 改進提高的過程 到目前已形成了較完整的設(shè)計 制造和科研體系 先后研制試驗成功 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 3 經(jīng)濟型綜采成套設(shè)備 薄煤層 中厚煤層和大采高綜采成套設(shè)備 特厚煤層分層機械化 鋪網(wǎng)液壓支架系列及成套設(shè)備和工藝 放頂煤液壓支架系列及成套設(shè)備和工藝 1995 年 全國共有 243 個綜采工工作面 統(tǒng)配煤礦綜合機械化程度達到 46 66 工作面平均工效 25 077t 工 全國有 65 個年產(chǎn)百萬噸以上的綜采隊 其中 9 個隊年產(chǎn)達到 200 萬 t 以 上 2 個隊年產(chǎn)達到 300 萬 t 以上 兗州南屯煤礦綜二隊 1995 年年產(chǎn)達到 315 萬 t 最高 月產(chǎn) 34 7 萬 t 創(chuàng)出我國高產(chǎn)高效的最好紀(jì)錄 一 高產(chǎn)高效礦井建設(shè)取得重大成績 我國從 1993 年開始組織高產(chǎn)高效礦井建設(shè) 到 1995 年已建成 56 個高產(chǎn)高效礦井 在產(chǎn)量增加 9 1 的基礎(chǔ)上 平均工效達到 6 23 工 提高 2 9 工 工作面平均 個數(shù)由 149 個減到 107 減少原煤生產(chǎn)人員 7 萬人 實現(xiàn)了一井一面或一井兩面的生產(chǎn)模 式 向集約化生產(chǎn)邁出可喜的一步 高產(chǎn)高效工作面裝備 因地制宜采取 3 種模式 第一種是全套引進國際先進裝備 如神華集團大柳塔煤礦 全套引進德 英 美等國家先進裝備 學(xué)習(xí)國處高產(chǎn)高效礦進 的先進經(jīng)驗 走高起點 高投入 高產(chǎn)出 高效益的道路 第二種模式是引進與國產(chǎn)相 結(jié)合 引進國外先進采煤機和刮板輸送機等關(guān)鍵設(shè)備 配套國內(nèi)先進設(shè)備 如兗州屯煤 礦等 第三種模式是立足國內(nèi)設(shè)備 優(yōu)選各種國產(chǎn)先進設(shè)備 優(yōu)化系統(tǒng)配套 實現(xiàn)高產(chǎn) 高效 如鐵法曉南煤礦試驗成功國產(chǎn)日產(chǎn) 7 綜采成套設(shè)備 國內(nèi)幾個著名高產(chǎn)高效工 作面裝備情況見下表 1 3 所示 表 1 3 國內(nèi)典型高產(chǎn)高效率綜采工作面裝備和生產(chǎn)情況 二 機械化鋪網(wǎng)分層開采和放頂煤技術(shù)達到世界先進水平 2 近年來 綜采放頂煤技術(shù)在我國得發(fā)展和廣泛普及 綜采放機煤采煤法正在成為一 種高產(chǎn)高效采煤方法 1995 年全國 65 個綜采百萬噸創(chuàng)水平隊中有 23 個是綜采放頂煤隊 占 35 4 其中 年產(chǎn) 200 萬 以上的 9 個綜采隊中有 6 個是綜采放頂煤隊 目前全國 已有 70 多個綜采放頂煤工作面 并且 正以很快的速度在發(fā)展 我國放頂煤技術(shù)已達到 世界領(lǐng)先水平 三 綜采設(shè)備研制有了新的發(fā)展 八五 期間 適應(yīng)高產(chǎn)高效工作面生產(chǎn)要求的大功率 高效綜采設(shè)備有了較大發(fā) 展 我國部分綜采設(shè)備已開始出口美國 俄羅斯 印度和土耳其 研制成功 MG2 400 W 型滾筒采煤機 液壓牽引 裝機功率 2 400KW 運輸能力 1500t h 鋪設(shè)長度 250m 鑄造槽幫 2 34 雙中鏈交叉?zhèn)刃稒C頭 雙行星減速器 雙 速電機驅(qū)動 傳動 傳動部可平行或垂直布置 過煤量 200 萬 t 等特點 長家口煤機廠 西北煤機一廠等重點輸送機廠分別與國際長壁公司和威斯特伐利亞公司等合作 開發(fā)槽 寬 1000mm 運輸能力 2000 2500t h 功率 2 575kW 過煤量 500 萬 t 以上的刮板輸送 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 4 機等設(shè)備 目前正處于試制階段 四 我國綜采技術(shù)發(fā)展中存在的問題 1 我國煤層賦存條件復(fù)雜 老礦井受生產(chǎn)系統(tǒng)制約 綜采效率難以發(fā)揮 我國大 部分礦井井型較小 生產(chǎn)系統(tǒng)不適應(yīng)集中生產(chǎn)的要求 巷道斷面小 支護質(zhì)量差 掘進 設(shè)備落后 進度慢 運輸系統(tǒng)環(huán)節(jié)多 輔助運輸落后 工作面長度 采煤機截深 采區(qū) 長度等工作面參數(shù)都比較小 2 職工隊伍素質(zhì)差 許多綜采隊以農(nóng)民輪換工為主 文化基礎(chǔ)差 隊伍不穩(wěn)定 管理水平低 管理模式落后 管理層次多 扯皮現(xiàn)象嚴(yán)重 3 煤炭企業(yè)普遍經(jīng)濟效益較差 負(fù)擔(dān)重 技術(shù)改造任務(wù)難度大 資金投入嚴(yán)重不 中 以致發(fā)展后勁不足 一些礦井沒有設(shè)備更新能力 機械給出現(xiàn)倒退局面 4 小煤窯濫采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重 一方面造成對國有煤礦的市場沖擊 成為影響綜采 發(fā)展的一個消極因素 5 科研投入嚴(yán)重不足 科研單位創(chuàng)收成為主要目標(biāo) 技術(shù)攻關(guān)力量不足 科研成 果低水平循環(huán)現(xiàn)象嚴(yán)重 6 由于受價格和基礎(chǔ)工業(yè)水平的影響 我國煤機制造質(zhì)量 產(chǎn)品性能和可靠性距 世界先進水平還有較大差距 特別是采煤機 工作面輸送機 液壓支架電液控制技術(shù) 采區(qū)供電技術(shù) 工況監(jiān)測和故障診斷技術(shù)及自動化技術(shù)等 與國際先進水平相比不存在 較大差距 1 3 綜采礦井生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合理配套 3 綜采礦井生產(chǎn)系統(tǒng)配套設(shè)備 除包括直接與綜采工作面刮板輸送機連接的順槽轉(zhuǎn)載 機 破碎機及帶式輸送機外 還應(yīng)包括提升設(shè)備 掘進及支護設(shè)備 工作面供電設(shè)備 通風(fēng)排水設(shè)備等 要保證綜采工作面設(shè)備效能的充分發(fā)揮 必須保還生產(chǎn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)具 有足夠的通過能力和適應(yīng)能力 即要保證提升能力大于運輸環(huán)節(jié)能力 運輸環(huán)節(jié)能力大 于工作面生產(chǎn)能力 要保證掘進速度 通風(fēng)能力與供電能力適應(yīng)廣工作面實際需求 掘進速度跟不上綜采工作面的推進速度是一個大問題 礦井的不合理布局 必然導(dǎo) 致巷道掘進量的增加 美國將主并 副井直接布置在可采煤田中 不僅大大減少 巷道 掘進量 無巖巷掘進 而且簡化了運輸系統(tǒng) 目前我國采掘嚴(yán)重失調(diào)的主要原因就是掘進 機械化作業(yè)中 支護作業(yè)未能實現(xiàn)機械化 須盡快推廣掘進支護 錨桿化 錨桿支護技 術(shù)的應(yīng)用 不僅可以提高掘進速度 改善巷道支護質(zhì)量 減少輔助作業(yè)時間 而且解決 了綜采工作面的端頭支護問題 有的煤礦兩個工作面共用一套運輸系統(tǒng) 造成產(chǎn)運不相 適應(yīng)的矛盾 主運輸系統(tǒng)的運輸能力一般偏低 不能與高產(chǎn)高效綜采工作面生產(chǎn)能力相 匹配 故須對現(xiàn)有它運輸設(shè)備進行改造 如皮帶輸送機應(yīng)實現(xiàn)自移機尾 閉環(huán)控制張緊 裝置的功能 又如占有 90 以上的交流拖動提升應(yīng)采用 Pc 控制技術(shù) 這些技術(shù)措施的實 施 不僅提高了運輸能力相提升能力 而巳會帶來顯著的經(jīng)濟效益 1 4 液壓支架的應(yīng)用和意義 4 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展 國民經(jīng)濟對煤炭需要量的日益增加 煤礦開采 特別是 采煤工作面的生產(chǎn)技術(shù)面貌發(fā)生了巨大的變化 自 1954 年英國裝備了世界上第一個液壓 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 5 支架工作面開始 采煤技術(shù)實現(xiàn)了綜合機械化 綜合機械化 就是工作面采煤 運輸和 支護三大主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是現(xiàn)機械化 也就是說 采用滾筒式或刨削式等采煤機械落煤 與裝煤 工作面重型可彎曲運輸機 以及與之適應(yīng)的順槽轉(zhuǎn)載機和可伸縮皮帶運輸機等 運煤 自移式液壓支架支護和管理頂板 這幾種設(shè)備相互配合 組成了綜合機械化采煤 設(shè)備 液壓支架是以高壓液體為動力 由若干液壓元件 油缸和閥件 與一些金屬結(jié)構(gòu)件 組合而成的一種支撐和控制頂板的采煤工作面設(shè)備 能實現(xiàn)支撐 降落移架和推移運輸 機等一整套工序 液壓支架技術(shù)上先進 經(jīng)濟上合理 安全上可靠 當(dāng)前世界各國都在 不斷地提高采煤工作面的綜合機械化水平 我國于 1964 年開始研制液壓支架 到目前已經(jīng)取得可較好的效果 1974 年以來 從 西德 英國 蘇聯(lián)和波蘭等國引進了許多不同類型的液壓支架 實踐證明 液壓支架具 有強度高 支護性能好 移設(shè)速度快 安全可靠等優(yōu)點 能使采煤工作面達到高產(chǎn)量 高回采率和高工效 能大大減輕勞動強度 降低成本和掘進率 實現(xiàn)安全生產(chǎn) 1 5 綜采工作面的布置和循環(huán)工作過程 9 綜合機械化采煤設(shè)備在工作面的布置情況如圖 1 1 所示 其中主要設(shè)備有 進行落 煤和裝煤工作的滾筒式采煤機 1 也可用刨煤機 完成工作面用煤工序的可彎曲刮板運 輸機 5 和順槽運輸設(shè)備 轉(zhuǎn)載機 4 與可伸縮皮帶運輸機 3 用于支護頂板的工作面支架 2 和端頭支架 10 11 設(shè)在下順槽的乳化液泵站 包括乳化液 8 和乳化液箱 9 以及由 乳化液泵站引入工作面的主進管 6 和回液管 7 等 各種綜采工作面的布置方式基本相同 只是設(shè)備和使用條件的不同略有差異 上述各種設(shè)備在回采工作面中 按一定的生產(chǎn)工藝流程協(xié)調(diào)的進行工作 發(fā)揮著各 自的效能 綜采工作面的生產(chǎn)過程比較單一 只有采煤 移架 推溜三項主要工序 而 這三項工序的組合 可以是采煤 移架 推溜也可以是采煤 推溜 移架 前者隨采煤 機后緊接移架 及時支護頂板 稱及時支護方式 后者推溜后在移架 稱滯后支護方式 現(xiàn)在以采用先移架 后推溜工作方式的總采面為例 說明他的循環(huán)工作過程 見圖 1 1 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 6 A A 斷面表示采煤機截割前狀態(tài) 此時 運煤機緊靠煤壁 移架裝置處于伸出狀態(tài) 支架相對于運輸機退后一個步距 B B 斷面表示采煤機截割后狀態(tài) 這時支架頂梁端與煤壁之間的頂板裸露 需要及 時支護 C C 斷面表示采移架后狀態(tài) 采煤機截割后接著把支架移至緊靠運輸機的位置 并 升柱撐緊 以便及時支護新暴露的頂板 移架步距一般 600mm 它必須與采煤機的截割深 度相配合 D D 斷面表示推移運輸機后狀態(tài) 隨著采煤機的不斷截割前進 滯后采煤機約 10 12m 左右 把運輸機推至煤壁前的新機道上 由此可知 這個綜采工作面的回采工藝流程是采煤 移架和推溜 沿工作面全長 每完成一個流程 即采煤機 割一刀 液壓支架和工作面運輸機前進一次 稱為一個循環(huán) 綜采工作面的生產(chǎn)過程 就是按此循環(huán)工作不斷進行的過程 1 6 液壓支架的組成 5 圖 1 2 為液壓支架的一種典型結(jié)構(gòu) 它由頂梁 包括前梁 1 和主梁 2 支柱 5 掩 護梁 4 底座 8 推移裝置 9 閥件 管路系統(tǒng) 連接部件及各種附屬裝置等組成 頂梁 和底座通過數(shù)根支柱支撐在頂?shù)装逯g 構(gòu)成一個可以活動的承載構(gòu)件 支護頂板 維 護工作空間 綜合各種類型液壓支架的結(jié)構(gòu)它的組成可歸結(jié)為承載結(jié)構(gòu)件 動力油缸 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 7 控制操縱元件 輔助裝置和工作液體五部分 一 承載結(jié)構(gòu)件 包括頂梁 掩護梁和底座等 1 頂梁 直接與頂板 包括鎂錠 分層假頂?shù)?相接觸 并承受頂板巖石載荷的支架 部件叫頂梁 它也為支柱 掩護梁和擋矸裝置等提供連接點 3 底座 直接和底板 包括 分層煤底等 相接觸 傳遞頂板壓力到底板的支架部件叫底座 底座除為支柱 掩護梁 提供連接點外 還要安設(shè)千斤頂?shù)炔考?二 動力油缸 包括支柱和各種千斤頂 1 支柱 支架上凡是支撐在頂梁 或掩護梁 和底座只間 直接和間接承受頂板載荷 的主要油缸叫支柱 支柱是支架的主要承載部件 支架的支撐力和支撐高度 主要取決 于支柱的結(jié)構(gòu)和性能 2 千斤頂 支架上除支柱以外的各種油缸都叫千斤頂 如前梁千斤頂 推移千斤頂 調(diào)架千斤頂 還有平衡 復(fù)位 側(cè)推和護幫千斤頂 完成著推移運輸機 移設(shè)支架和支 架的調(diào)整等各項動作 三 控制操縱元件 包括控制閥 即液控單向閥和安全閥 操縱閥等各種閥件和 管件 這些元件是保證支架獲得足夠的支撐力 良好的工作特性以及實現(xiàn)預(yù)定動作所需 的液壓元件 它的種類和數(shù)量 隨支架結(jié)構(gòu)和動作要求的不同而異 四 輔助裝置 支架上除上述三項構(gòu)件以外的其它構(gòu)件 都可歸入輔助裝置 它 包括推移裝置 復(fù)位裝置 擋矸裝置 護幫裝置 防倒防滑裝置 照明和其它附屬裝置 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 8 等 五 工作液體 這時傳遞泵站能量 使液壓支架能有效工作的工作介質(zhì) 液壓支 架的工作液體是乳化液 1 7 液壓支架的工作原理 一 液壓支架自動移設(shè)的原理 液壓支架以高壓液體為動力 通過各種動力油缸 的伸縮 使支架完成升起 降落 行走和推移運輸機等各種動作 以便支架隨工作面不 斷推進而反復(fù)支撐 前移和調(diào)整 圖 1 3 是一個最簡單的液壓支架的工作系統(tǒng)示意圖 下面按支架降柱 移架 升柱和推溜的工作過程分別加以敘述 1 降柱 當(dāng)旋轉(zhuǎn)式操縱閥轉(zhuǎn)到降柱位置 打開供液閥時 高壓液體由主進液管經(jīng)操縱 閥和油管 進入支柱活塞桿腔 同時也進入液控單向閥的控制管路 打開液控單向閥 支柱活塞腔的油液經(jīng)油管 液控單向閥和操縱閥 流回主回液管 支柱卸載下降 2 移架 液壓支架卸載后 操縱閥轉(zhuǎn)到移架位置 打開供液閥時 高壓液體由主進液 管經(jīng)操縱閥和油管進入到推壓千斤頂?shù)幕钊麠U腔 同時也進入液控油路 打開液控單向 閥 而活塞腔的油液經(jīng)油管 液控單向閥和操縱閥流回主回液管 推移千斤頂收縮 以 運輸機為支點 拉架前移 運輸機靠相鄰的推移千斤頂來固定 千斤頂由液控單項閥緊 鎖 3 升柱 液壓支架移到新的位置后 應(yīng)及時升柱 以支撐新暴露的頂板 操縱閥轉(zhuǎn)到 升柱位置 打開供液閥 高壓液體由主進液管進入 經(jīng)操縱閥到液控單向閥 進入到推 移千斤頂?shù)幕钊麠U腔 支柱活塞矸腔的油液 同時也進入液控油路 經(jīng)油管和操縱閥流 回主回液管 活塞和頂梁升起 支撐頂板 4 推移運輸機 當(dāng)液壓支架前移并重新支撐后 操縱閥轉(zhuǎn)到推移位置 打開供液閥時 高壓液體由主進液管經(jīng)操縱閥 液控單向閥進入到推壓千斤頂?shù)幕钊麠U腔 活塞桿腔的 油液經(jīng)油管和操縱閥流回主回液管 推移千斤頂?shù)幕钊麠U伸出 以液壓支架為支點 把 運輸機推移到新的工作位置 在實際生產(chǎn)中 對于具體支架的動作 根據(jù)該支架的結(jié)構(gòu)和需要來確定 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 9 二 液壓支架的支撐承載能力 液壓支架的支撐承載能力是指液壓支架與頂板之 間相互力學(xué)原理 它包括初撐增阻 承載增阻和恒阻三個工作階段 1 初撐增阻階段 在升柱過程中 從頂梁接觸頂板起 至支柱活塞腔的油液壓力達 到泵站的工作壓力時 松開手把 停止供液 液控單向閥立即關(guān)閉 閥球封閉了支柱活 塞腔的油液 這就是支架的初撐階段 此時支柱和支架對頂板產(chǎn)生的支撐力稱為初撐力 支柱初撐力 2 410cbDfP 噸 支架初撐力 cFn 噸 式中 泵站的工作壓力 公斤 l 厘米 2 bP D 支柱缸體徑經(jīng) 厘米 n 每架支架的支柱數(shù) 支撐效率 垜式支架 1 支架初撐力的大小 取決于泵站的工作壓力 支架支柱數(shù)和支柱缸體的內(nèi)徑以及架 型等 實際上支柱初撐后 活塞腔的油液壓力由于阻力損失 操作情況和閥的靈敏度等 原因 往往低于泵站工作壓力 2 承載增阻階段 支架初撐后 隨頂板的下沉 支柱活塞腔被封閉的油液受到壓縮 油液壓力繼續(xù)升高 呈現(xiàn)承載增阻狀態(tài) 這時由于支柱缸徑增大 油液被壓縮而體積縮 小 即使乳化液沒有任何漏損 安全閥并未動作卸載 支柱總長度也降縮短 這個縮短 量可用下式計算 2d DlPlE 厘 米 式中 支柱由初撐力起到達工作阻力時 支柱內(nèi)壓力得增值 公斤 l 厘米 2 P 乳化液的體積壓縮系數(shù) 近似取水的壓縮系數(shù) 0 0000475 支柱內(nèi)壁壓縮液柱的高度 厘米 l 鋼材的彈性系數(shù) 公斤 l 厘米 2 E82 10E 剛才的泊松比 0 28 D 支柱缸體外徑 厘米 d 支柱缸體內(nèi)徑 厘米 這個縮短量是有彈性的 如果作用在支柱上的載荷 反過來從工作阻力減小到初撐 力時 支柱仍會恢復(fù)到原來的長度 因此 這個支柱長度上的縮短量 稱為支柱的彈性 可縮量 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 10 根據(jù)開灤局井下實測 在各種不同的初撐力 工作阻力喝才高的情況下 MZ 1928 型支柱的彈性可縮量在 6 10mm 范圍內(nèi) 這個彈性可縮量會使支柱工作還未達到工作阻 力之前 就造成頂板的下沉 有可能使巖石離層 對頂板管理是不利的 經(jīng)試驗證明 減小支柱的彈性可縮量 對改善頂板管理起著重要的作用 具體措施是 使用高壓乳化 液泵 提高支柱初撐力 改善單向閥的質(zhì)量 要能及時關(guān)閉也路 注意操作方法 使支 柱下腔盡可能達到泵站的工作壓力 3 恒阻階段 支架承載后 如果完全支撐住頂板 不允許頂板下沉 需要有強大的 支撐力 在實際生產(chǎn)中 由于頂板壓力有時相當(dāng)巨大 想設(shè)計出能抗住巨大頂板壓力 而一點也不讓壓的支架是及困難的 實際上也沒有這種必要 都使支架能隨頂板下沉 時 有一定的可縮量 但又保持一定的支撐力不敢于使頂板任意下沉而造成破壞冒落 要求支架即具有一定的支撐力 又具有可縮性 液壓支架的這種特性 是由支柱的安全 閥來控制的 在頂板壓力增大時 支柱活塞腔被封閉的油液壓力就迅速升高 當(dāng)壓力值 超過安全閥的動作壓力時 支柱活塞腔的高壓液體經(jīng)安全閥泄出 支柱降縮 支柱活塞 腔的液體壓力減小 這就是支架的 讓壓 特性 當(dāng)壓力小于安全閥的動作壓力時 安 全閥又關(guān)閉 停止卸液 支柱活塞腔的液體又被封閉 支架恢復(fù)正常工作 由于安全閥 動作壓力的限制 支柱呈現(xiàn)出恒阻特性 此時支柱和支架承受的最大載荷稱為工作阻力 支柱工作阻力 2za 410DfP 噸 支架工作阻力 zFnf 噸 式中 安全閥的動作壓力 公斤 厘米 2 aP 支架的工作阻力取決于安全閥的動作壓力 支架支柱數(shù) 支柱缸體內(nèi)徑和架型等 安全閥使支柱具有恒定的設(shè)計工作阻力 同時又使支柱在承受大于設(shè)計工作阻力的頂板 壓力時 可隨頂板的下沉而下縮 這就是液壓支架的恒阻性和可縮性 未防止安全閥頻 繁動作而失效 應(yīng)使支架的工作阻力大于正常的頂板壓力 也就是說 在工作生產(chǎn)過程 中 支架還沒有達到設(shè)計工作阻力之前 就已前移到新的支撐位置 工作阻力是液壓支架的一個基本參數(shù) 用來表示支架支撐力的大小 但是 由于支 架的頂梁長短和間距大小不同 并不能完全反應(yīng)支架對頂板的支撐力 因此常采用表示 單位面積頂板上所受支架工作阻力值大小的支護強度參數(shù) 來比較支架的支護性能 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 11 圖 1 4 支架的支撐承載過程 支架支護強度 22 FWA 噸 米 式中 A 支架的支護面積 米 2 由上可知 支柱或支架工作時 其支撐力隨時間的變化是 支架升起 頂梁開始接 觸頂板至液控單向閥關(guān)閉時的初撐增阻階段 to 初撐結(jié)束至安全閥卸載前的承載增阻階 段 t1 和安全閥出現(xiàn)重復(fù)卸載時的恒定階段 t2 這種變化過程反應(yīng)了支架的支撐力和時間 之間的關(guān)系 圖 1 4 圖中虛線表示 有些支架的支柱并未達到額定的工作阻力值就已 降柱前移 支架前移后按原過程重新支撐 上述工作過程表明 液壓支架在額定工作阻力值以下工作時 具有增阻性 以保證 支架頂板的有效支撐作用 當(dāng)支架支撐力超過額定工作阻力值時 支架隨頂板下沉而下 縮 使支架保持恒定的工作阻力 即具有可縮性和恒阻性 支架本身的增阻性取決于液 控單向閥和支柱的密封性能 可縮性和恒阻性則由安全閥的溢流性能決定 因此 液控 安全閥 單向閥 支柱這三個部件 是保證支架性能的關(guān)鍵元件 通過上述 對液壓支架的工結(jié)構(gòu)和工作原理的分析 可初步確定液壓支架 1 8 液壓支架的分類 一 按支架和圍巖的相互作用 液壓支架可分為支撐式 掩護式和支撐掩護式三類 圖 1 5 支撐式支架 一 支撐式支架 圖 1 5 是一種典型的支撐式支架 它有較長的頂梁 較多的支 柱 并呈垂直布置 支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位機構(gòu)來保證 因此有堅固的箱式底座 它靠支柱與頂梁的支撐作用 控制工作面的頂板 維護工作空間 而頂板巖石則在頂梁 后部切斷跨落 這種類型的支架具有交大的支撐能力和良好的切頂性能 因此適應(yīng)于頂 板堅硬完整 周期壓力明顯或強烈 底板也較硬的煤層中 二 掩護式支架 圖 1 6 是掩護式支架的典型結(jié)構(gòu)之一 它的頂梁較短 支柱一排 一般僅 1 2 根 多呈傾斜布 置與掩護梁連接或直接與頂梁相連接 它靠支柱和頂梁支撐頂板 而掩護梁只與冒落矸 石相接觸 防止矸石涌入工作面 以維護一定的工作空間 這種類型的支架 有良好的 防矸掩護性能 主要適用于頂板中等穩(wěn)定和破碎 底板也較軟的煤層中 三 支撐掩護 式支架 支撐掩護式支架是介于支撐式和掩護式之間的一種架型 它的特點是 支柱兩 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 12 排 每排 1 2 根 多呈傾斜布置 靠采空區(qū)一側(cè) 裝有掩護梁和四連桿機構(gòu) 見圖 1 2 這類支架靠支撐和掩護作用來維護工作空間 兼有支撐式和掩護式支架的優(yōu)點 適用于頂板穩(wěn)定和中等穩(wěn)定 有較明顯的周期壓力 底板中等穩(wěn)定的煤層中 支撐式 掩護式和支撐掩護式等三類支架中 對照采煤工藝對支架的要求來看 掩護式支架具有 很多特點和較廣的適用范圍 雖然掩護式支架單位工作面長度上的支撐能力不如其余兩 種 但由于控頂距小單位面積上的支撐力較大 能對頂板進行有效的支撐 還有有效的 擋矸裝置 能更好的適應(yīng)破碎頂板的支護需要 支架本身為一定的運動機構(gòu) 抗水平力 性能好 且便于支架前移 支架的結(jié)構(gòu)和液壓系數(shù)簡單 操作簡便 管理維修容易 支 架調(diào)高范圍較大 對煤層厚度變化的適應(yīng)性強 所以 掩護式支架在使用中已取的良好 的經(jīng)濟效果 使用范圍正在擴大 二 按移動方式 液壓支架可分為整體自移式和邁進式兩類 一 整體自移式 支架成整體結(jié)構(gòu) 因而整體移動 掩護式 和部分支撐式支架 均采用這種移架方式 圖 1 6 掩護式支架 二 邁進式 邁進式支架又可分為交互前移式和提步前移式兩種 1 交互前移式支架 是利用主副架護為著力點交互推拉前移的方式 架間安裝推移千 斤頂和導(dǎo)向裝置 一般節(jié)式支架常用這種移架方式 2 提步前移式支架 是采取頂梁不大量下降 提腿跨步的方式 例如 蘇 2M 81 型 支撐掩護式支架 移架時沿著支撐柱頂板的臨架頂梁推移 還有一種是滑行頂梁式支架 移架時本架頂梁在內(nèi)部滑移 三 根據(jù)使用地點的不同 液壓支架又可分為工作面支架和端頭支架兩類 上述各類支架均為工作面支架 用來支護工作面的頂板 端頭支架 則用在工作面 兩端與順槽的連接處 由于此處的機械設(shè)備較多 需要占有的工作空間大 同時又是人 員的安全出口 要求端頭支架能很好的和各設(shè)備相配合 達到有效的支護懸露面積較大 的頂板 因此 端頭支架在結(jié)構(gòu)上具有特殊性 1 9 采煤工作面對液壓支架的設(shè)計要求 為了滿足長臂工作面的生產(chǎn)要求對液壓支架提出了以下要求 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 13 1 能有效的控制頂板 具體有這些要求 能適應(yīng)頂板下沉 來壓及冒落的特性 能防 支架前方與上方冒頂 不應(yīng)出現(xiàn)陷底而影響性能與移架 2 保證安全的工作空間 具體要求如下 有寬敞的工作空間 能很好的防矸 排矸 能良好的通風(fēng) 照明 通訊 防塵 防火 3 應(yīng)該適應(yīng)煤層地址條件變化 要求支架有足夠的調(diào)高范圍 適應(yīng)不平頂?shù)装?臺階 和斷層等條件 適應(yīng)煤層傾角變化 4 能夠保證正常的生產(chǎn)循環(huán) 也就是說應(yīng)保證正常移架 推溜 能與采煤 運輸?shù)裙?藝準(zhǔn)確配合 運輸 安裝 搬家方便 還得便于維修 5 最后對于投資者來說 應(yīng)該保證初期投資低 維修費用低 本文做的主要工作 畢業(yè)設(shè)計名稱 放頂煤液壓支架設(shè)計 參數(shù)如下 1 要求工作阻力 500t 2 最大采高 4 5m 本次設(shè)計主要工作如下 四連桿機構(gòu)的設(shè)計 主要結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 液壓支架整 體受力分析 各主要結(jié)構(gòu)件的受力分析及強度校核 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 14 2 液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 支架主要尺寸的確定 2 1 1 支架的高度 7 一般首先確定支架適用煤層的平均采高 然后確定支架高度 支架的最大高度與最 小高度的之差為支架的調(diào)高范圍 調(diào)高范圍越大 支架的適用范圍越廣 但過大的調(diào)高 范圍會給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計造成困難 可靠性降低 mm 2 1 1maxaxSMH mm 2 2 2inin 式中 支架最大高度 mm max 支架最小高度 mm inH 最大采高 mm maxM 最小采高 mm in S1 考慮偽頂冒落的最大厚度 大采高支架取 200 400 mm 中厚煤層支架取 200 300mm 薄煤層支架取 100 200mm S2 考慮周期來壓時的下沉量 移架時支架的下降量和頂梁上 底板下的浮矸之 和 薄煤層支架取 150 250mm 中厚煤層支架取 300 400mm 本設(shè)計最大采高 4500mm 取支架最大高度 maxM 4500 200 4700mm 2 3 maxH 由于此次設(shè)計對最小采高無具體限制 并且放頂煤液壓支架的調(diào)高范圍無需太大 取支架的調(diào)高范圍為 1500mm 則支架的最小高度 4700 1500 3200mm 2 4 min 確定支架的最小高度時還應(yīng)考慮井下的允許運輸高度 2 1 2 支架的伸縮比 支架的伸縮比系指其最大高度與最小高度之比值 即 2 5 47 1320minax HKs Ks 反映支架對煤層厚度的適應(yīng)能力 采用單伸縮立柱 Ks 值一般為 1 6 左右 若進一 步提高伸縮比 需采用帶機械加長桿的立柱或雙伸縮立柱 Ks 值一般為 2 5 左右 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 15 2 1 3 支架間距 所謂支架間距 就是相鄰兩支架中心之間的距離 用 bc 表示 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)刮板輸送機溜槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊 的位置來確定 我國刮板運輸機溜槽每節(jié)長度通常為 1 5 m 千斤頂連接位置在刮板槽槽 幫中間 所以除節(jié)式和邁步式支架外 支架間距一般為 1 5 米 本設(shè)計取 bc 1 5 m 2 1 4 支架寬度 支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度 寬度的確定應(yīng)考慮支架的運輸 安裝和調(diào)架 要求 支架頂梁一般裝有活動側(cè)護板 側(cè)護板行程一般為 150 200mm 其中寬面頂梁一 般為 1200mm 1500mm 節(jié)式支架一般為 400mm 600mm 本次設(shè)計取支架頂梁的最小 寬度為 1380mm 最大寬度為 1550mm 亦即頂梁側(cè)護板側(cè)推千斤頂?shù)男谐倘?170mm 2 1 5 底座長度 所謂底座 就是將頂板壓力傳遞到底板的穩(wěn)固支架的部件 在設(shè)計支架的底座長度 時 應(yīng)考慮以下幾個方面 支架對底板的接觸比壓要小 支架內(nèi)部應(yīng)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取 3 5 倍的移架步距 即 2 1m 左右 支撐掩 護式支架對底座長度取 4 倍的移架步距 即 2 4m 左右 考慮本支架用四立柱 本次設(shè)計 底座為 3230mm 2 2 支架四連桿機構(gòu)的確定 2 2 1 四連桿機構(gòu)的作用 1 梁端護頂 鑒于四連桿機構(gòu)可使托梁鉸接點呈雙紐線運動 故可選定雙紐線的近 似直線部分作為托梁鉸接點適應(yīng)采高的變化范圍 這樣可使托梁鉸接點運動時與煤壁接 近于保持等距 當(dāng)梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時 借此可以保證梁端頂板維護良好 2 擋矸 鑒于組成四連桿機構(gòu)的掩護梁既是連接件 又是承載件 8 為了承受采空 區(qū)內(nèi)破碎巖石所賦予的載荷 掩護梁一般做成整體箱形結(jié)構(gòu) 具有一定強度 由于它處 在隔離采空區(qū)的位置 故可以起到良好的擋矸作用 3 抵抗水平力 觀測表明 綜采面給予支架的外載 不但有垂直于煤層頂板的分力 而且還有沿巖層層面指向采空區(qū)方向 或指向煤壁方向 的分力 這個水平推力由液壓 支架的四連桿機構(gòu)承受 從而避免了立柱因承受水平分力而造成立柱彎曲變形 4 提高支架穩(wěn)定性 鑒于四連桿機構(gòu)將液壓支架連成一個重量較大的整體 在支架 承載階段 其穩(wěn)定程度較高 2 2 2 四連桿機構(gòu)設(shè)計的要求 1 支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時 如圖 2 1 所示 頂梁端點運動軌跡的最大寬 度 應(yīng)小于或等于 70mm 最好為 30mm 以下 e 2 支架在最高位置時和最低位置時 頂梁與掩護梁的夾角 和后連桿與底平面的夾角P 如圖 2 1 所示 應(yīng)滿足如下要求 支架在最高位置時 52 62 75 85 Q Q 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(xué)摩擦理 論可知 要求 如果鋼和矸石的摩擦系數(shù) 0 3 則 16 7 為了安全可靠 tanPW W 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 16 最低工作位置應(yīng)使 25 為宜 而 角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離 防止支PQ 架后部冒落巖石卡住后連桿 使支架不能下降 一般取 25 30 在特殊情況下需要Q 角度較小時 可提高后連桿下鉸點的高度 3 從圖 2 1 中可知 掩護梁與頂梁鉸點 和瞬時中心 O 之間的連線與水平線夾角為 e 設(shè)計時 要使 角滿足 的范圍 其原因是 角直接影響支架承受附加力的數(shù)值 tan0 35 大小 4 應(yīng)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 如圖 2 1 所示的 h 段 其原因為當(dāng)頂板來壓時 立柱讓壓下縮 使頂梁有向前移的趨勢 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(chǎn) 生順時針轉(zhuǎn)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 且使底座前端比壓減小 防止啃底 有利移架 水平力的合力也相應(yīng)減小 所以減輕了 掩護梁的外負(fù)荷 圖 2 1 四連桿機構(gòu)幾何特征圖 從以上分析可知 為使支架受力合理和工作可靠 在設(shè)計四連桿機構(gòu)的運動軌跡時 應(yīng)盡量使 值減小 取雙扭線向前凸的一段為支架工作段 所以 當(dāng)已知掩護梁和后連桿e 的長度后 從這個觀點出發(fā) 在設(shè)計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構(gòu) 運 用作圖法就可以了 如圖 2 2 圖 2 2 掩護梁和后梁桿構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu) 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 17 2 3 四連桿機構(gòu)的設(shè)計 四連桿機構(gòu)的設(shè)計的主要方法有 直接求解法 解析法 幾何作圖法等 本設(shè)計根 據(jù)液壓支架尺寸關(guān)系采用幾何作圖法進行計算 如圖 2 3 圖 2 3 液壓支架尺寸關(guān)系 2 3 1 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 8 所示 圖 2 4 掩護梁和后連桿計算圖 設(shè) G 掩護梁長度 mm A 后連桿長度 mm 其中 P1 支架最高位置時 掩護梁與頂梁夾角 度 P2 支架最低位置時 掩護梁與頂梁夾角 度 Q1 支架最高位置時 后連桿與底平面夾角 度 Q2 支架最低位置時 后連桿與底平面夾角 度 按四連桿機構(gòu)的幾何特征要求 選定 由于支架型式不同 對于掩oo75 211 QP 護式支架 一般 A G 的比值按以下范圍來取 A G 0 45 0 61 取 A G 0 58 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 18 支架在最高位置時有 2 6 111siniQAPGH H1 4700 900 400 3400mm 因此掩護梁長度為 2522 255mm 2 7 11si sip 后連桿長度為 A G A G 1462 908 mm 取整得 G 2522mm A 1463mm 2 3 2 幾何作圖法作圖過程 用幾何作圖法確定四連桿機構(gòu)的各部尺寸 具體作法如圖 2 5 所示 具體作圖步驟如下 1 確定后連桿下鉸點 O 點的位置 使它比底座面略高 900 2 過 O 點作與底座面平行的水平線 H H 線 3 過 O 點作與 H H 線的夾角為 Q1 的斜線 4 在此斜線截取線段 長度等于 A 1463mm a 點為支架在最高位置時后連桿oa 與掩護梁的鉸點 5 過 a 點作與 H H 線有交角 P1 的斜線 以 a 點為圓心 以 G 點為半徑作弧交斜 線一點 E 此點為掩護梁與頂梁的鉸點 6 過 E 點作 H H 線的平行線 則 H H 線與 F F 線的距離為 H1 為液壓支架的最 高位置時的計算高度 7 以 a 點為圓心 以 0 22G 554 84mm 圓整為 555mm 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 作點 E2 距 E 點 1500mm 此為支架在最低位置時 頂梁與掩護梁的鉸點 9 以 E2 點為圓心 掩護梁長 為半徑 以 o 為圓心 作 為半徑圓弧 相交于 a2 aeoa 點 oa2 的長度等于 A a2 點為支架降到最低位置時 掩護梁與后連桿的鉸點 10 以 a2 為圓心以 0 22G 長度為半徑作弧 在掩護梁上交一點 b2 為支架在最低位 置時前連桿上鉸點的位置 11 取 2 線之間一點 e1 為液壓支架降到此高度時掩護梁與頂梁鉸點 e 12 以 O 為圓心 為半徑圓弧 oa 13 以 e1 點為圓心 掩護梁長 為半徑作弧 交前圓弧上一點 a1 以點為液壓支架e 降到中間某一位置時 掩護梁與后連桿的鉸點 14 以 1 連線 并以 a1 點為圓心 以 0 22G 長度為半徑作弧 交 1 上一點 b1 點 e ae 則 b b1 b2 三點為液壓支架在三個位置時 前連桿上鉸點 15 由 b b1 b2 三點確定的圓心 C 為前連桿下鉸點位置 16 過 C 點 H H 線作垂線 交點 d 則線段 和 為液壓支架四連桿oabcdo 機構(gòu) 17 按以上初步求出的四連桿機構(gòu)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 e1 的運動軌跡 只要逐步變化四連桿機構(gòu)的幾何尺寸 便可以畫出不同的 曲線 再按四連桿機構(gòu)的幾何特征進行校核 最終選出較優(yōu)的四連桿機構(gòu)尺寸 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 19 圖 2 5 液壓支架四連桿機構(gòu)的幾何作圖法 結(jié)論 后連桿長度 A 1463mm 掩護梁長度 G 2522mm 前連桿長度 C 1543mm 前后連桿下鉸點底座投影距離 E 792mm 前后連桿下鉸點垂直距離 D 552mm 2 4 頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 4 1 基本概念 頂梁是與頂板直接接觸的構(gòu)件 除滿足一定的剛度和強度要求以外 還要保證支護 頂板的需要 頂梁作用是支護頂板一定面積的直接承載部件 并為立柱 掩護梁 護頂裝置等提 供必要的連接點 用途 a 用于支撐維護控頂區(qū)的頂板 b 承受頂板的壓力 c 將頂板載荷通過立柱 掩護梁 前后連桿經(jīng)底座傳到底板 2 4 2 頂梁分類 支架常用頂梁形式有三種 整體頂梁 鉸接頂梁和楔形結(jié)構(gòu)頂梁 鉸接頂梁的前段 稱為前梁 后段稱為主梁 一般簡稱頂梁 整體頂梁 整體頂梁 圖 2 2 的特點是 結(jié)構(gòu)簡單 可靠性好 頂梁對頂板載荷的平衡能力較 強 前端支撐力較大 可以設(shè)置全長側(cè)護板 有利于提高頂板覆蓋率 改善支護效果 減少架間漏矸 為改善接頂效果和補償焊接變形 整體頂梁前端 800 1000mm 一般 上翹 1 3 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 20 圖 2 2 整體頂梁 圖 2 3 鉸接頂梁 1 前梁 2 前梁千斤頂 3 頂梁 鉸接式頂梁 鉸接式頂梁如圖 2 3 所示 在前梁千斤頂?shù)耐评?前梁可以上下擺動 對不平頂 板的適應(yīng)性較強 運輸時可以將前梁放下與頂梁垂直 以減少運輸尺寸 前梁千斤頂必 須有足夠的支撐力的聯(lián)接強度 前 梁上不宜設(shè)置側(cè)護板 為了順利移架 前梁間一般要 留有 100 500mm 間隙 從而增加了破碎頂板漏矸的可能性 楔形頂梁 楔形結(jié)構(gòu)梁如圖 2 4 所示 楔形梁 1 和后梁 4 通過銷軸鉸接 而千斤頂鉸接于頂梁 上 楔形結(jié)構(gòu)梁利用構(gòu)件間摩擦自鎖原理 通過楔塊 2 與楔形梁 1 和頂梁 4 之間的摩擦 作用 使楔形梁 1 楔塊 2 和后梁 4 在受載時保持為一個 整體 如同整體剛性頂梁 這 樣 該梁宜具有整體剛性頂梁前端支護力大的優(yōu)點 由于楔形梁 1 與后梁 4 為鉸接結(jié)構(gòu) 當(dāng)操作楔形梁千斤頂伸出或縮回時帶動楔形塊前后移動 從而使楔形梁 1 繞鉸軸上下擺 動 其擺動范圍取決于楔形塊的行程和楔角的大小 由于擺動范圍較鉸接頂梁小 因而 該梁不具有鉸接頂梁的靈活性 此外 在運輸時楔形梁 1 可以放到下垂位置 縮短了運 輸尺寸 從而方便運輸和安裝 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 21 圖 2 4 楔形結(jié)構(gòu)梁 1 楔形梁 2 楔塊 3 楔形梁千斤頂 4 后梁 現(xiàn)根據(jù)常用液壓支架頂梁形式各自特點 本設(shè)計采用整體頂梁 2 4 3 對頂梁長度的影響 1 支架工作方式對支架頂梁長度的影響 支架工作方式對支架頂梁長度的影響很大 從液壓支架的工作原理可以看出 先移 架后推溜方式 又稱及時支護方式 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溜的工作方式 支架要超前 輸送機一個步距 以便采煤機過后 支架能及時前移 支控新暴露的頂板 做到及時支 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 般為 600mm 2 配套尺寸對頂梁長度的影響 設(shè)備配套尺寸與支架頂梁長度有直接關(guān)系 為了防止當(dāng)采煤機向支架內(nèi)傾斜時 采 煤機滾筒不截割頂梁 同時考慮到采煤機截割時 不一定把煤壁截割成一垂直平面 所 以在設(shè)計時 要求頂梁前端距煤壁最小距離 梁端距 為 T 300mm 這個距離叫空頂距 另外在輸送機鏟煤板前也留有一定距離 一般為 E 100 150mm 左右 也是為了防止采 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(shè)備包括采煤 機和輸送機 均要在頂梁掩護之下工作 在此來計算頂梁長度 工作面無立柱空間寬度 R B E W X d 2 式中 B 為截深 mm W 為工作面輸送機總寬度 mm X 為支架前柱與電纜槽之間的 距離 mm 根據(jù)配套尺寸關(guān)系 在設(shè)計中選用采煤機和運輸機型號為 采煤機 MGD150 NW 型 前輸送機 SGZ764 264 型 后輸送機 SGW 40T 型 配套尺寸與采煤 機截深 輸送機寬度等有關(guān) 配套尺寸 800 150 764 352 2066mm 2 8 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 22 圖 2 5 配套尺寸 2 4 4 頂梁斷面形狀 頂梁都為箱式結(jié)構(gòu) 一般由鋼板焊接而成 為加強結(jié)構(gòu)的剛度 在上下蓋板之間焊 有加強筋板 構(gòu)成封閉式棋盤型 頂梁前端呈滑撬式或圓弧形 以減少移架阻力 在頂 梁下面焊有鑄鋼柱窩 柱窩兩側(cè)有孔 用鋼絲繩或銷軸把立柱和頂梁連接起來 支撐掩 護式支架在頂梁后端有銷孔 通過銷軸與掩護梁上的銷孔相連 對于支撐掩護式支架 為了便于側(cè)護板能自由伸縮 要在頂梁頂面上加焊一塊比側(cè) 護板稍厚的鋼板 稱為頂板 如圖 2 6 所示 同時增強了頂梁的結(jié)構(gòu)強度 圖 2 6 頂梁斷面 2 4 5 頂梁參數(shù)的計算 1 頂梁長度的計算 頂梁長度 L 配套尺寸 底座長度 A cosQ1 G cosP1 300 e 2 9 式中 配套尺寸為 2066mm 底座長度為 3230 mm P1 520 Q1 750 代入公式 2 9 中得 頂梁長度 L 2066 3230 1463 cos750 2522 cos520 300 30 5674 65 5675mm 2 頂梁寬度 頂梁寬度根據(jù)支架間距和架型來定 架間間隙為 0 2m 左右 其中寬面頂一般為 1 4 1 59m 節(jié)式支架一般為 0 4 0 6m 此處取 1500mm 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 23 3 頂梁面積 A A L B 2 10 式中 L 頂梁長度 mm B 頂梁寬度 mm 代入公式 2 10 得 A 5675 1500 8 5125 m2 4 支護面積 Fc Fc Bc L 2 11 式中 Fc 支護面積 m2 移架后頂梁前端點到煤壁的距離 m 一般 300mm Bc 支架間距 支架中心距 一般為 1500mm 代入公式 2 12 得 Fc 1500 5675 300 8 9625 m 2 5 頂板覆蓋率 A Fc 100 式中 頂板覆蓋率 A 頂梁面積 m 2 Fc 支護面積 m 2 代入式中得 8 5125 8 9625 100 94 98 6 理論支護阻力 F1 F1 Fc q 2 12 x 式中 F 1 支架的理論支護阻力 KN Fc 支護面積 m2 q 支護強度 查表得 1 3 343KN M2x 支架在最高處的理論支護阻力為 F1 8 9625 573 3 5138 2 KN 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 24 2 5 掩護梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2 5 1 掩護梁的作用和用途 掩護梁是支架的掩護構(gòu)件 它有承受冒落矸石的載荷和頂板通過頂梁傳遞的水平載 荷引起的彎矩 掩護梁的用途 掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后 連桿傳遞給底座 掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩 掩護梁和頂梁 包括活 動側(cè)護板 一起 構(gòu)成了支架完善的支撐和掩護體 完善了支架的掩護和擋矸性能 2 5 2 掩護梁的結(jié)構(gòu)型式 掩護梁的結(jié)構(gòu)為鋼板焊接的箱式結(jié)構(gòu) 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 有的支架在掩護梁上焊有立柱柱窩 活動側(cè)護板裝在掩護梁的兩側(cè) 從側(cè)面看掩護梁 其形狀有直線型 折線型 如圖 2 8 所示 圖 2 8 掩護梁結(jié)構(gòu)型式 1 頂梁 2 掩護梁 3 立柱 4 前連桿 5 后連桿 6 底座 7 限位千斤頂梁的結(jié)構(gòu)型式 折線型相對直線型支架端面大 結(jié)構(gòu)強度高 但工藝性差 所以很少采用 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(jié)構(gòu)尺寸小 易于加工 運輸 和安裝 但結(jié)構(gòu)強度差 所以本次設(shè)計采用的是整體式 直線型 2 5 3 掩護梁的參數(shù)確定 1 掩護梁的長度 G 掩護梁就是兩鉸點的距離 由前面的四連桿機構(gòu)可得知 掩護梁長度為 2522mm 2 掩護梁寬度 By 本設(shè)計掩護梁寬度與頂梁寬度相同 所以掩護梁寬度為 1500mm 3 掩護梁上前后連桿鉸點位置 通過比較 可確定前后連桿鉸點位置 水平和垂直方向 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 25 圖 2 9 掩護梁焊接方式 圖 2 10 掩護梁 2 6 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 6 1 底座設(shè)計要求 底座是液壓支架的主要承載部件 它把頂板的壓力傳遞給底板 它是支架的結(jié)構(gòu)基 礎(chǔ) 因此 對底座的設(shè)計有以下要求 1 要有足夠的強度和剛度 2 對底板有較好的適應(yīng)性和較小的比壓 3 能獲得足夠的空間安裝立柱 推移千斤頂 液壓操縱系統(tǒng)和其他裝置 4 便于人員行走 操縱支架和采煤機等 5 有一定的重量以保持支架的穩(wěn)定性 6 滿足快速移架和順序排矸的要求 2 6 2 底座的選型 底座的結(jié)構(gòu)型式通常有三種類型 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 畢業(yè)設(shè)計 26 a b 圖 2 11 底座分類 1 整體式 整體式底座是用鋼板焊接成的箱式結(jié)構(gòu) 整體性強 穩(wěn)定性好 強度高 不易變形 與底板接觸面積大 比壓小 如圖 a 2 對分式 為使底座