支顶掩护式液压支架顶梁、前梁及立柱设计【优秀课程毕业设计】

支顶掩护式液压支架顶梁、前梁及立柱设计 摘要 采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。 液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。设计要遵从支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等原则。 在支撑掩护式的设计过程中，前梁、主顶梁、掩护梁和立柱等结构件的设计 是重点。本论文介绍了液压支架的结构，类型，工作原理，特点，目的及要求， 并且利用三维制图软件作三维图，对液压支架进行动作仿真 ， 更加形象的 讲述了这种支架的方案和用途。 关键词 ： 液压支架 支护 顶梁 前梁 液压支柱或支柱 前言 20世纪 50年代前，在国内外煤矿生产中，基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱铰接顶梁来支护顶板。 1954 年英国首次研制出液压支架，目前，以液压支架为主体的地下综采设备，已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。我国是煤炭生产大国， 在 20 世纪 60年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推广和应用。 20世纪 70 年代我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架，经过使用、仿制和总结经验，到 20世纪 80年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展，相继研制和生产了 列、 列和 0 多种不同规格的液压支架。目前，在国内大、中型矿井中，条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。 1980 年起人们取得了对白移式液压支架的研制成功并逐步改进完善，进而普遍推广应用，使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序全部 实现综合机械化，煤矿取得了较大综合效益。到 20 世纪 90年代初，人们寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法，采用了放顶煤技术。 低位放顶煤液压支架是一种支持双输送机的支架架型，支架掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁，低位放顶煤液压支架一般为四柱支撑掩护式支架类型，这种架型有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度 45度左右），因此在摆动中可以松动煤层，并维持一个落煤的空间。尾梁中间有一个液压控制的插板，可以放煤和破碎大煤块，并且具有连续的放煤口。低位放顶煤支架分为小插板是低位放顶煤支架和大插板式低位放顶煤液压支架。 本文 做的主要工作： 1、基本参数的确定； 2、四连杆机构的选择与设计； 3、顶梁形式的选择与设计； 4、 前梁 的选择与设计； 5、三维仿真；等等 煤炭综采装备由液压支架、采煤机和运输机构成，液压支架作为综合机械化采煤工作主要设备，一次性投资占综采装备总资金的 70%以上，是综采工作面实现安全、高效生产的关键。液压支架顶、底板必须适应井下工作面煤层环境，为操作人员提供安全的作业空间，还要为采、运设备提供有效的动力源，决定采运设备的正常推进速度。因此，液压支架是综采工作面 能否实现高产高效成败的关键设备。经过几十年的研制和发展，我国在液压支架的设计与加工方面取得了重大突破，研制开发了可适应不同地质条件、不同煤层厚度的多种液压支架。但我国综采机械化水平总体上是较低的，工作面年单产量大部分在 100 万吨左右，达到 200 300 万吨的工作面较少，尽管有地质条件复杂等客观原因，但主要原因是装备水平落后，尤其在 4 6m 厚煤层一次采全高高产高效工作面的大采高强力液压支架设计制造上，还处于初级阶段。目前这类支架的大部分使用主要依赖进口。据统计，引进一套大采高强力液压支架需 3000 万 欧元以上，并且受到国外公司价格垄断的制约，备件进口价格甚至达到整机进口时随机备件价格的 20 30 倍。这种国外一两家公司垄断我国高端液压支架市场的局面，不但极大的制约了国产液压支架行业的健康发展，而且还对煤炭工业的可持续发展构成极大的威胁。高端液压支架国产化的必然性主要表现为如下几个方面 1、进口支架购置费用 购买 1 套进口液压支架的价格加上运输费、保险费、通关费 (含关税、增值税及其他报关、报检手续费、代理费 )等，约为 1 套国产支架总费用 2 3 倍。如果国产液压支架性能能够接近进口液压支架，其性价 比肯定要优于进口液压支架，经济上的优势一目了然。 2、备件供应方面 进口液压支架的备件供应周期，包括备件的询价、生产组织、运输等，势必要比国产液压支架备件供应周期要长，备件费用相比较更为昂贵。而备件又具有需求量大。随时性及长期性等特点，如果使用国产液压支架，从备件供应上更为经济和方便。 3、现场服务方面 液压支架在使用过程中，经常遇到一些技术问题，现场技术服务必不可少。进口设备厂家的现场技术服务工作受到诸如邀请函传递、服务工程师旅途远、语言沟通等方面的限制，难以满足生产需要。 4、长期发展方面 国外技术先进、符合要求的液压支架生产商相对较少，如适合神东矿区生产的国外液压支架制造厂家仅二三家。长期单一地使用进口液压支架，造成煤炭企业对国外少数制造厂的依赖。在煤炭行情转好，煤矿设备转向卖方市场的今天，国外液压支架厂家由于竞争对手少，支架价格涨幅较大，这对于依赖进口设备的煤炭企业势必产生相当大的压力。而且对国内液压支架的发展会形成恶性循环。 鉴于以上分析，使用国产化液压支架，替代进口液压支架已成为必然发展趋势。 因此，国产化液压支架的研制、生产，以逐步替代进口液压支架，已成为使用进口支 架的煤炭企业 所面临的普遍问题。 国液压支架的发展 及存在的问题 国液压支架的发展 我国 20 世纪 80 年代中期开始研制液压支架电液控制系统， 1991 年有关生产厂家研制出支架电液控制系统，有关研究院所研制出全套电液控制液压支架。由于种种原因，未能推广开。 我国研制液压支架电液控制系统起步较晚，虽然对液压支架电液控制系统的研究已经历了十几年的时间，但进展缓慢，目前处于进一步完善阶段，还没有在井下推广使用。从我国已研制出的支架电液控制系统来看，也还处于单架和成组程序控制的初步阶段，而液压支架与采煤机、输送机 联动的全工作面自动化控制还处在探讨研制阶段。目前。国内的神东集团、兖矿集团、铁煤集团、开滦集团已引进国外电液控制支架得到了成功的应用取得了很好的技术经济效益。液压支架电液控制系统是实现综采工作面高产高效的关键设备，也是今后的发展方向，这是我国国民经济快速发展和煤炭生产高产高效集约化发展的需要，是煤炭生产技术发展进步的必然结果。 国综采技术发展中存在的问题 （ 1）我国煤层赋存条件复杂，老矿井受生产系统制约，综采效率难以发挥。我国大部分矿井井型较小，生产系统不适应集中生产的要求。巷道断面小，支护 质量差，掘进设备落后，进度慢，运输系统环节多，辅助运输落后。工作面长度、采煤机截深、采区长度等工作面参数都比较小。 （ 2）职工队伍素质差，许多综采队以农民轮换工为主，文化基础差，队伍不稳定。管理水平低，管理模式落后，管理层次多，扯皮现象严重。 （ 3）煤炭企业普遍经济效益较差，负担重，技术改造任务难度大，资金投入严重不中，以致发展后劲不足，一些矿井没有设备更新能力，机械给出现倒退局面。 （ 4）小煤窑滥采滥挖现象严重。一方面造成对国有煤矿的市场冲击，成为影响综采发展的一个消极因素。 （ 5）科研投入严重不足。科研 单位创收成为主要目标，技术攻关力量不足，科研成果低水平循环现象严重。 （ 6）由于受价格和基础工业水平的影响，我国煤机制造质量、产品性能和可靠性距世界先进水平还有较大差距。特别是采煤机、工作面输送机、液压支架电液控制技术、采区供电技术、工况监测和故障诊断技术及自动化技术等，与国际先进水平相比不存在较大差距。 压支架的发展动向 及研究动态 压支架的发展动向 近几年来，为适应采煤综合机械化的发展需要，液压支架获得了迅速的发展，出现了很多类型，据统计，它的结构型式已达数百种。每架支架的支柱从 1 根 到 8 根，支撑力从 50吨到 800吨，支架适应煤层厚度的范围由 至更厚的煤层，适应煤层倾角由 0到 45，甚至 70左右。在缓倾斜薄及中厚煤层中，液压支架已获得广泛应用，但是由于煤层赋存条件复杂，支架的结构还不够完善，设备需要管理和操作经验，所以液压支架的使用范围仍受到限制。 为了改进支架的支护性能，提高它对不同矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前液压支架有下列几方面的发展动向： （ 1） 其他型式的支架，应用逐渐减少。 1976年国际采矿设备 展览会展出的 89 种液压支架中，有 80%是掩护式支架，这些支架的主要特点是：采用四连杆机构，使梁端和煤壁 之间的距离基本保持恒定；支柱支在顶梁上，提高了支架的工作阻力；顶梁和掩护梁铰接，取消了两者间易被矸石堵塞的三角区；掩护梁和顶梁的主梁部分均装设侧护板，提高了支架的防护能力；采用整体自移式，便于支架操作和实现自动控制。 （ 2） 着重解决扩大使用范围的问题。目前，各国正在研制大倾角、大采高、大截深和薄煤层支架，并使支架和采煤机更好地配合。近几年来，国外正在研制一次截深 时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。 （ 3） 提高支架的处撑力，很多国家使用的泵站压力已达到 300公斤 /平方厘米以上。 （ 4） 始采用“多芯管”先导式邻架控制的操纵方式。 （ 5） 一步改善操作条件，支架控制正在向自动控制方向发展。目前，分组程序控制已开始使用，全工作面的自动控制还处在研究阶段 。 压支架的研究动态 为了进一步改善支架性能和提高移架速度，还须迅速研制并推广大流量支 架用阀、大通径液压胶管、初撑力保证阀或自动增压阀以及高压变乳化液泵。须加快电液控制系统的开发和支架供液系统和液控系统的优化。还须开发研究等压双伸缩立柱和能够克服刚性四连杆机构缺点的新架型等。此外，对于综采放顶煤工作面，移架速度问题不是十分突出。但无论是分层开采还是放顶煤开采，对降低工作面供液系统的压力，提高支架初撑力的要求还是十分迫切。由此可见，自动增压初撑系统有一定的应用前景。气垛支架以其整体性能好、稳定性好、抗冲击载荷能力强、初期投资少和操作维护简便等优点，在薄煤层和急倾斜煤层支护中已经取得了一席之地。 变流量变压力乳化液泵等新产品的研制，将会大大改善支架供液系统的特性。 针对影响移架速度的因素分析和提高移架速度的方法和途径，已有不少文献给予论述，指出影响移架速度的主要因素有系统的额定流量和额定压力、供液系统管路的通径及阀件的过流量、液压支架立柱升降行程和推移千斤顶的行程、立校活柱直径与活塞直径的比值、支柱及顶梁重量等；而提高移架速度的主要措施有：增加泵站流量、采用电液自动控制、利用大流量阎件、改进液压支架的进液和回液系统。目前液压支架移架速度的计算方法仅为静态汁算，只反映了移架动作的操作时间和运行时间。对 于动态特性较差的支架液压系统、其得架动作过程所需的时间远远超过静态计算的运行时间。要保证实施煤炭工业部关于初撑力的规定要求 (达到设计韧撑力的 80以上 )，往往需要保证 30 关于液压支架初撑力问题存在的原因以及解决这 问题的方法和途径，一些文献从不同的角度给予了大量的探讨。文献指出泵站实际调定压力较低只有一定的波动、远距离供液压力损失严重、顶底板不平反浮煤和浮歼的影响、不能保证液压支架的初撑时间以及多人操作或多架同时操作等因素是导致液压支架初撑力本足不均的主要原因；而增大 大校直径和数目、提高泵站压力、采用双供液系统、监油工作面支护质量、增设韧撑力保证阀等提高切撑力的方法相措施都存在着一定的不足。为了提高移架速度，就很难保证初撑时间，从而不能保证初撑力达到规定要求。可见提高移架速度和提高液压支架初撑力之间存在着矛盾。 电液控制技术在液压支架上的应用能够提高液压支架的自动化程度和移架速度 (将不同工序或不同支架的操作时间间隔缩短到最小程度 )，能够实现定压初撑和远距离程序控制等功能。带压移架控制系统可以以实现液比支架卸载扣移架工序的同步化相自动化，改善了液压支架的支护特性和 控顶效果，消除了液压支架的升降行程，故在一定程度上可提高移架速度。二柱掩护支架因立柱数目少、操作简便、侈架速度快等优点，在国内外得到了广泛的应用。然而平衡干斤顷及其连接耳座的损坏问题一直没有得到很好的解决。初撑增压阀的研究和开发，可用于解决初撑力问题，同时有助于解除高压力和大流量的制约关系。但体积和重量过大、在支架上难以设置等因素，是初撑增压阀难以得到应用的根本原因。 电液控制技术、带压移架控制系统、初撑增压阀的研究和应用，旨在改善液压支架的支护特性、提高移架速度和初撑力。二柱掩护支架的大量使用也是 与该架型移架速度快有关。由此可见，移架速度和初撑力问题是研究和设计液压支架及其液压系统的核心问题。要从根本上解决这两个相互制约的核心问题，还需要从研究液压支架及其液压系统的动态特性为突破口。 基于液压支架在国内外的发展状况和研究动态，设计人员认为研究液压支架及其液控系统的动态持性，分析决定液压支架支护持性二核心要素 (移架速度和切撑力 )之间的动态关系，解除大流量与高压力的相互制约关系是亟待解决的重大问题。 压支架的分类 支架和围岩的相互作用 ，液压支架可分为支撑式、掩护式和支撑掩护 式三类。 （ 1）支撑式支架： 图 1一种典型的支撑式支架，它有较长的顶梁，较多的支柱，并呈垂直布置，支架的稳定性由支柱的复位机构来保证，因此有坚固的箱式底座。它靠支柱与顶梁的支撑作用，控制工作面的顶板，维护工作空间，而顶板岩石则在顶梁后部切断跨落。这种类型的支架具有交大的支撑能力和良好的切顶性能，因此适应于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，底板也较硬的煤层中。 图 1撑式支架 （ 2）掩护式支架： 图 1 2是掩护式支架的典型结构之一，它的顶梁较短，支柱一排，一般仅 1 2 根，多呈倾斜布置与 掩护梁连接或直接与顶梁相连接。它靠支柱和顶梁支撑顶板，而掩护梁只与冒落矸石相接触，防止矸石涌入工作面，以维护一定的工作空间。这种类型的支架，有良好的防矸掩护性能，主要适用于顶板中等稳定和破碎，底板也较软的煤层中。 图 1护式支架 （ 3）支撑掩护式支架：支撑掩护式支架是介于支撑式和掩护式之间的一种架型。它的特点是，支柱两排，每排 1 2 根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构 （见图 1 3） 。这类支架靠支撑和掩护作用来维护工作空间，兼有支撑式和掩护式支架的优点，适 用于顶板稳定和中等稳定，有较明显的周期压力，底板中等稳定的煤层中。 图 1撑掩护式支架 支撑式、掩护式和支撑掩护式等三类支架中，对照采煤工艺对支架的要求来看，掩护式支架具有很多特点和较广的适用范围。虽然掩护式支架单位工作面长度上的支撑能力不如其余两种，但由于控顶距小单位面积上的支撑力较大，能对顶板进行有效的支撑；还有有效的挡矸装置，能更好的适应破碎顶板的支护需要；支架本身为一定的运动机构，抗水平力性能好，且便于支架前移；支架的结构和液压系数简单，操作简便，管理维修容易；支架调高范围较 大，对煤层厚度变化的适应性强。所以，掩护式支架在使用中已取的良好的经济效果，使用范围正在扩大。 移动方式 ，液压支架可分为整体自移式和迈进式两类。 （ 1）整体自移式：支架成整体结构，因而整体移动。掩护式，和部分支撑式支架，均采用这种移架方式。 （ 2）迈进式：迈进式支架又可分为交互前移式和提步前移式两种。 利用主副架护为着力点交互推拉前移的方式，架间安装推移千斤顶和导向装置。一般节式支架常用这种移架方式。 采取顶梁不大量下降，提腿跨步的方式。例如，苏 2型支撑掩护式支架，移架时沿着支撑柱顶板的临架顶梁推移。还有一种是滑行顶梁式支架，移架时本架顶梁在内部滑移。 据使用地点的不同 ，液压支架又可分为工作面支架和端头支架两类。 上述各类支架均为工作面支架，用来支护工作面的顶板。端头支架，则用在工作面两端与顺槽的连接处，由于此处的机械设备较多，需要占有的工作空间大，同时又是人员的安全出口，要求端头支架能很好的和各设备相配合，达到有效的支护悬露面积较大的顶板。因此，端头支架在结构上具有特殊性。 压支架的应用及意义 随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需要量的日益增加，煤矿开采，特别是采媒工作面的生产技术面貌发生了巨大变化。自 1945年英国装备了世界上第一个液压装置开始，采煤技术实现了综合机械化。综合机械化采煤，就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都实现机械化。也就是说，采用滚筒式或刨消式等采煤机械落媒与装媒；工作面重型可弯曲运输机，以及与之适应的顺槽传载机和可伸缩皮带运输机等运煤；自移式液压支架支护和管理顶板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备。 液压支架是以高压液体为动力，由 若干液压元件（油缸和阀件）与一些金属结构件组成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，能实现支撑、降落移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进，经济上合理，安全上可靠，当前世界各国都在不断的提高采煤工作面的机械化水平。 我国于 1964年开始研制液压支架，已先后试制了 、 、 等多种形式的液压支架，并在开滦、大同、阳泉、鹤壁、徐州、铜川、义马、淮北等局矿进行了试验和使用，取得了较好的效果。 1974 年以来以德国、英国苏联 和波兰等国引进了许多不同类型的液压支架。实践证明，液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点，能使采煤工作面得到高采量、高回采率和高工效，能大大减轻劳动强度，降低成本和掘进率，实现安全生产。 理及 整体结构设计 本 章介绍液压支架结构参数的确定和架型的选取，而 对 液压支架受力分析、优化设计、可靠性等内容将不做介绍。 压支架的组成及工作原理 压支架的组成 图 1 3为液压支架的一种典型结构，它由顶梁（包括前梁 1和主梁 2）、支柱 5、掩护梁 4、底座 8、推移装置 9、阀件、管路 系统、连接部件及各种附属装置等组成。顶梁和底座通过数根支柱支撑在顶底板之间，构成一个可以活动的承载构件，支护顶板，维护工作空间。综合各种类型液压支架的结构它的组成可归结为承载结构件、动力油缸、控制操纵元件、辅助装置和工作液体五部分。 （ 1）承载结构件：包括顶梁、掩护梁和底座等。 接与顶板（包括镁锭、分层假顶等）相接触，并承受顶板岩石载荷的支架部件叫顶梁。它也为支柱、掩护梁和挡矸装置等提供连接点。顶梁除整体结构形式外，一般由若干段组成，接它对顶板的支护作用和位置，可分为主梁、前梁和尾梁。如果顶梁在 前后支柱间铰接也可称为前梁和后梁。 b 掩护梁上部直接于顶梁铰接，下部直接或简接（通过连杆机构）与底座铰接。 c 底座：直接和底板（包括分层煤底等）相接触，传递顶板压力到底板的支架部件叫底座。底座除为支柱、掩护梁提供连接点外，还要安设千斤顶等部件。 （ 2）动力油缸：包括支柱和各种千斤顶 架上凡是支撑在顶梁（或掩护梁）和底座只间，直接和间接承受顶板载荷的主要油缸叫支柱。支柱是支架的主要承载部件，支架的支撑力和支撑高度，主要取决于支柱的结构和性能。 架上除支柱以外的各种油缸都叫千斤顶，如前 梁千斤顶、推移千斤顶、调架千斤顶，还有平衡、复位、侧推和护帮千斤顶，完成着推移运输机、移设支架和支架 的调整等各项动作。 （ 3）控制操纵元件：包括控制阀（即液控单向阀和安全阀）、操纵阀等各种阀件和管件。这些元件是保证支架获得足够的支撑力、良好的工作特性以及实现预定动作所需的液压元件，它的种类和数量，随支架结构和动作要求的不同而异。 （ 4）辅助装置：支架上除上述三项构件以外的其它构件，都可归入辅助装置，它包括推移装置、复位装置、挡矸装置、护帮装置、防倒防滑装置、照明和其它附属装置等。 （ 5）工作液体：这时传递 泵站能量，使液压支架能有效工作的工作介质。液压支架的工作液体是乳化液。 压支架的工作原理 （ 1）液压支架自动移设的原理：液压支架以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，使支架完成升起、降落、行走和推移运输机等各种动作，以便支架随工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。 图 1 4 是一个最简单的液压支架的工作系统示意图。下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作过程分别加以叙述。 旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管，进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀 的控制管路，打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主回液管，支柱卸载下降。 压支架卸载后，操纵阀转到移架位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管进入到推压千斤顶的活塞杆腔，同时也进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶收缩，以运输机为支点，拉架前移。运输机靠相邻的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单项阀紧锁。 图 1-4 液压支架移到新的位置后，应及时升柱，以支撑新暴露的顶板。操纵阀转到 升柱位置， 打开供液阀，高压液体由主进液管进入，经操纵阀到液控单向阀，进入到推 移千斤顶的活塞杆腔，支柱活塞矸腔的油液，同时也进入液控油路，经油管和操纵阀流 回主回液管，活塞和顶梁升起，支撑顶板。 当液压支架前移并重新支撑后，操纵阀转到推移位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入到推压千斤顶的活塞杆腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，以液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。 在实际生产中，对于具体支架的动作，根据该支架的结构和需要来确定。 （ 2）液压支架的支撑承载能力：液压支架的支撑承载能力是指液压支架与顶板之间相互力学原理，它包括初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。 a. 初撑增阻阶段：在升柱过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站的工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭，阀球封闭了支柱活塞腔的油液，这就是支架的初撑阶段。此时支柱和支架对顶板产生的支撑力称为初撑力。 支柱初撑力： 2 ()4 1 0 0 0 吨支架初撑力：c ()cF n f 吨站的工作压力（公斤 /l 厘米 2） D支柱缸体径经（厘米） n每架支架的支柱数 支撑效率（垜式支架 1） 支架初撑力的大小，取决于泵站的工作压力，支架支柱数和支柱缸体的内径以及架型等。实际上支柱初撑后，活塞腔的油液压力由于阻力损失、操作情况和阀的灵敏度等原因，往往低于泵站工作压力。 b. 承载增阻阶段：支架初撑后，随顶板的下沉，支柱活塞腔被封闭的油液受到 压缩，油液压力继续升高，呈现承载增阻状态。这时由于支柱缸径增大，油液被压缩而体积缩小，即使乳化液没有任何漏损，安全阀并未动作卸载，支柱总长度也降缩短。这个缩短量可用下式计算： 22222d ( ) ( ) l 厘 米 式中： P 支柱由初撑力起到达工作阻力时，支柱内压力得增值（公斤 /） 乳化液的体积压缩系数，近似取水的压缩系数 l 支柱内壁压缩液柱的高度（厘米） E 钢材的弹性系数 0E （公斤 /l 厘米 2） 刚才的泊松比 支柱缸体外径（厘米） d支柱缸体内径（厘米） 这个缩短量是有弹性的，如果作用在支柱上的载荷，反过来从工作阻力减小到 初撑力时，支柱仍会恢复到原来的长度。因此，这个支柱长度上的缩短量，称为支柱的弹性可缩量。 根据开滦局井下实测，在各种不同的初撑力、工作阻力喝才高的情况下， 支柱的弹性可缩量在 6 10围内。这个弹性可缩量会使支柱工作还未达到工作阻力之前，就造成顶板的下沉，有可能使岩石离层，对顶板管理是不利的。经试验证明，减小支柱的弹性可缩量，对改善顶板管理起着重要的作用。具体措施是，使用高压乳化液泵，提高支柱初撑力；改善单向阀的质量，要能及时关闭也路；注意操作方法，使支柱下腔尽可能达到泵站的工作压力。 c. 恒阻阶段：支架承载后，如果完全支撑住顶板，不允许顶板下沉，需要有强大的支撑力。在实际生产中，由于顶板压力有时相当巨大，想设计出能抗住巨大顶板压力，而一点也不让压的支架是及困难的，实际上也没有这种必要。 都使支架能随顶板下沉时，有一定的可缩量，但又保持一定的支撑力不敢于使顶板任意下沉而造成破坏冒落。要求支架即具有一定的支撑力，又具有可缩性。液压支架的这种特性，是由支柱的安全阀来控制的。在顶板压力增大时，支柱活塞腔被封闭的油液压力就迅速升高，当压力值超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泄出 ，支柱降缩，支柱活塞腔的液体压力减小，这就是支架的“让压” 特性；当压力小于安全阀的动作压力时，安全阀又关闭，停止卸液，支柱活塞腔的液体又被封闭，支架恢复正常工作。由于安全阀动作压力的限制，支柱呈现出恒阻特性，此时支柱和支架承受的最大载荷称为工作阻力。 支柱工作阻力： 24 1 0 0 0 吨 支架工作阻力： F n f 吨式中： 全阀的动作压力（公斤 /厘米 2） 支架的工作阻力取决 于安全阀的动作压力、支架支柱数、支柱缸体内径和架型等。 安全阀使支柱具有恒定的设计工作阻力，同时又使支柱在承受大于设计工作阻力的顶板压力时，可随顶板的下沉而下缩，这就是液压支架的恒阻性和可缩性。未防止安全阀频繁动作而失效，应使支架的工作阻力大于正常的顶板压力，也就是说，在工作生产过程中，支架还没有达到设计工作阻力之前，就已前移到新的支撑位置。 工作阻力时液压支架的一个基本参数，用来表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，并不能完全反应支架对顶板的支撑力，因此常采用表示单位面积顶板上所受 支架工作阻力值大小的支护强度参数，来比较支架的支护性能。 支架支护强度： 22 (吨 米 ）式中： A支架的支护面积（米 2） 由上可知，支柱或支架工作时，其支撑力随时间的变化是，支架升起，顶梁开始接触顶板至液控单向阀关闭时的初撑增阻阶段 撑结束至安全阀卸载前的承载增阻阶段 种变化过程反应了支架的支撑力和时间之间的关系 （图 1 5）。 图中虚线表示，有些支架的支柱并未达到额定的工作阻力值就已降柱前移，支架前移后按原过程重新支撑。 图 1述工作过程表明：液压支 架在额定工作阻力值以下工作时，具有增阻性，以保证支架 顶板的有效支撑作用；当支架支撑力超过额定工作阻力值时，支架随顶板下沉而下缩，使支架保持恒定的工作阻力，即具有可缩性和恒阻性。支架本身的增阻性取决于液控单向阀和支柱的密封性能，可缩性和恒阻性则由安全阀的溢流性能决定。因此，液控安全阀、单向阀、支柱这三个部件，是保证支架性能的关键元件。 通过上述，对液压支架的工结构和工作原理的分析，可初步确定液压支架 图 1压支架整体结构设计 度的确定 一般首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。支架的最大高度与最小高度的之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架的适用范围越广，但过大的调高范围会给支架结构设计造成困难，可靠性降低。 该参数以给出，取支架高度（米）： 中心距和宽度的确定 支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用 1.5 m。大采高支架为提高稳定性中心距可采用 型支架为适应中小煤矿工作 面快速般家的要求，中心距可采用 本设计中也取中心距（米）： 架宽度是指，顶梁的最大和最小宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板一般行程为 170 200支架中心距为 小宽度一般取 1400 1430大宽度一般取 1570 1800 若取侧护板行程为 180可选支架宽度为： 最小宽度： 1410 最大宽度： 1800 梁端距和顶梁长度的确定 所谓梁端距是指移 架后顶梁端部至煤壁的距离（如 图 2端距是考虑由于工作面顶板起伏不平造成的运输机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。支架高度越大，梁端距也应越大。 当采用即时支护时，一般大采高支架梁端距应取 350 480厚煤层支架梁端距应取 280 340煤层支架梁端距应取 200 300 现取梁端距： 00图 2压支架尺寸关系 顶梁长度受支架形式、配套采煤截深、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护形式等的制约。 )(01513 当采用及时支护方式时： 现根据支护面积、支架最大宽度得： 6 梁形式的选择 支架常用顶梁形式有三种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段称为主梁，一般简称顶梁。 (1) 整 体顶梁 整体顶梁（ 图 2特点是：结构简单、 可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可以设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端（ 800 100, 一般上翘 1 3 。 图 2体顶梁 (2) 铰接式顶梁 铰接式顶梁如图 2前梁千斤顶的推拉下，前梁可以上下摆 动，对不平顶板 的适应性较强。运输时可以将前梁放下与顶梁垂直，以减少运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力的联接强度。前 梁上不宜设置侧护板。为了顺 利移架，前梁间一般要留有 100 500而增加了破碎顶板漏矸的可能性。 图 2接顶梁 1. 前梁； 2. 前梁千斤顶； 3. 顶梁 (3) 楔形顶梁 楔形结构梁如图 2 形梁 1和后梁 4通过销轴铰接，而千斤顶铰接 于顶梁上。 楔形结构梁利用构件间摩擦自锁原理，通过楔块 2 与楔形梁 1 和顶梁 4 之间的摩擦作用，使楔形梁 1、楔块 2和后梁 4在受载时保持为一个 刚性顶梁，这样，该 梁宜具有整体刚性顶梁前端支护力 大的优点。由于楔形梁 1与后梁 4为铰接结 构，当操作楔形梁千斤顶伸出或缩回时带动楔形块前后移动，从而使楔形梁 1绕铰轴上下摆动，其摆动范围取决于楔形块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰接顶梁小，因而该梁不具有铰接顶梁的灵活性。此外，在运输时楔形梁 1可以放到下垂位置，缩短了运输尺寸， 从而方便运输和安装。现根据常用液压支架顶梁形式各自特点， 本文选取铰接式顶梁 。 图 21. 楔形梁； 2. 楔块； 3. 楔形梁千斤顶； 4. 后 梁 梁的设计影响因素与设计原则 顶梁是 液压支架的关键部分，设计需遵循一定的原则，以及丰富的经验 。 设计原则如下表 表 2构参数 影响因素与设计原则 长度 1. 机道宽度是指采煤机与输送机配套后最大外缘宽度，它取决于它们的宽度、附件（如挡煤板、电缆）宽度，以及采煤机与输送机的相对位置 2. 支护方式 滞后支护方式顶梁长度比及时支护方式要短一个移动步距的长度。及时支护支架如果带伸缩梁， 则支架主顶梁（包括前顶梁）的长度较长，比滞后支护方式相同；当伸缩梁伸出时、顶梁总长度相当于及时支护时的长度 3. 立柱布置 对支架顶梁长度影响较大。前排立柱的位置应考虑与机道之间留人行空间或安全间隙。掩护式或支撑式支架，前排立柱可 以前倾布置，以减少顶梁前部悬臂长度。单排立柱的掩护式支架，应该保证使柱头在底座上的投影位置距底座前端 的距离足够大，满足对地板比压的要求。但也不能使该距离过大，以免使顶梁太长。 前后排立柱的间距主要考虑行人等因素，缩短后排立柱与顶梁、掩护梁铰点的距离，或者使后排立柱支撑在掩护梁上，这有利于缩短支撑掩护式支架顶梁长度。 4. 掩护式支架顶梁，以柱头铰点（支定式）或顶梁掩护梁铰点（支撑式）为界分为前后两段。为了保证顶梁前端对顶板的支撑力，对刚性顶梁，理论上顶梁前后段长度比不应超过 2:等结构，顶板条件比较稳定时，可以适当加大该比值，以缩短顶梁总长度，但比值不宜超过 5. 通风需要 当工作面沼气涌出量大时，需要加长顶梁、满足通风断面的要求 6. 采煤工艺的需要 特殊采煤工艺支架某些功能的需要（如充填工作面支架，分层铺网支架），或者采煤机截深加大时，支架顶梁都要相应地加大 7. 根据目前我国综采配套情况，不同架型支架顶梁长度如下： 支顶掩护式 23m 支撑掩护式 34m 宽度 1. 主要取决于支架中心距、顶板稳定性及是否带活动侧护板等因素 2. 对掩护式或支撑掩护式支架、顶梁宽度可参见下表 顶梁宽度（ m） 中心距（ m） 无活动护板 有活动护板 右） 右） 右） . 对支撑式支架、顶梁宽度可适当减小。剁式支架： 顶梁宽度 =支架中心距 取 200 300 节式支架或分式顶梁剁式支架、条梁宽度视中心距、架间和梁间间隙（可取 200300）而定 厚度 1. 满足强度要求 在选定钢材之后，由强度计算确定 2. 满足行人、通风断面要求 中厚煤层以上支架， 顶梁厚度可以适当加高。但对薄煤层支架，为满足行人及通风断面的要求，应尽可能减薄顶梁的厚度 3. 要考虑在满足强度、行人等要求的前提下适当增大顶梁高度，减少钢材消耗。应尽可能采用通用钢材，改善经济性 前梁摆动角 为适应顶板起伏、台阶及局部冒顶等情况， 前梁上摆角，一般为 10 20 前梁下摆角，一般为 15 30 下摆角过小，会造成顶板下凸时前后梁呈刚性连接而损坏 伸缩梁行程 一般等于移动步距，但也可根据支护方式等因素而确定 材料分析 压立柱 柱形势及优缺点 液压立柱是液压支架承载与实现升降动作 的主要液压元部件。常用的立柱结构型式及优缺点见表 3 3压立柱型式及优缺点 型式 优缺点 全液压 1. 结构简单，调整高度方便，为液压无级式 单伸缩双作用 2. 调高范围小 机械加长 1. 调高范围比全液压单伸缩立柱大 2. 比采用双伸缩立柱结构简单经济 3. 有级调高，因此调整较复杂。如果在操作管理上不加注意，就可能产生支架压死与顶空等现象。因此，一般只适用于工作面采高变化不大的情况 双伸缩双作用 全液压不泄油 1. 调高范围比单伸缩立柱大 2. 结构复杂，加工要求高 ，成本高 3. 操作灵活方便 全液压小孔泄油 1. 基本特点同上。但省去了活柱上的接口和管路，而在二级缸缸壁上采用小孔结构泄油，因而管路 与结构比较简单 2. 由于小孔泄油造成油液损失，影响操作人员的安全 3. 多用于薄煤层的短立柱中 机械加长 1. 调高范围比全液压双伸缩立柱更大，多用于薄煤层支架 2. 比三伸缩立柱结构简单而经济 3. 有级调高。操作管理应注意 压支架立柱的结构 液压缸一般由活塞、缸体、缸盖和活塞杆等部分组成。立柱和千斤顶在结构上的差异在于活塞杆直径差别较大。这是因为立柱承受顶板载荷较大，而迫降力较少，故 活柱多采用空心结构，以便增大活柱直径，保证足够的刚度和强度。而千斤顶则要求尽可能缩小推拉力差距，以满足工作需要，故活塞杆在保证一定刚度和强度的前提下，尽量做得细些为好。其他部分的结构基本相同。 1）活塞 活塞是液压缸的关键部件，对它的主要要求是保证密封性能良好，运动面能承受力的冲击和振动等。活塞可以与活套，也可以与活柱成为一体。活塞上安装有密封元件，密封元件主要是密封圈。密封圈有 O 型、 Y 型、 V 型和活塞环密封等。最近广泛使用鼓形和蕾形密封圈。 2）导向套 导向套装在缸体的上端，它在活柱或千斤顶 活塞杆伸缩时起导向作用。导向套与活塞杆表面既要紧密接触，又要动作灵活，而且要承受住外部载荷对活塞杆的横向压力、弯曲、振动等产生的影响。 导向套与缸体的连接方式常用下列三种： （ 1）用螺纹连接。螺纹连接方式比较简单，但在井下使用久了易生锈，拆卸不方便； （ 2）用压紧帽和固定钢丝连接。这种结构简单，但装拆麻烦； （ 3）用钢丝挡圈固定连接。这种结构简单，装卸方便，但要求活塞杆外径与缸体内径 之间有比较大的空间，所以在千斤顶上使用较多。 3）缸体 活柱和活塞杆是立柱和千斤顶传递机械力的重要部件，它要承受压力 、弯曲等载荷的作用，必须耐磨和耐腐蚀。它们可用合金无缝钢管或圆钢制成。为了防止在矿井条件下表面生锈和腐蚀，在它们表面要镀铜或镀铬，在井下使用时要注意保护。 载结构件材料及工艺 载结构件材料分析 材料是设计的一个重要部分，据下表可知，本文选取顶梁的材料为 16材料具有可焊性好，焊后无需热处理等优点，经济实惠，强度高，应用普遍 表 3载结构件材料及工艺 主要零部件名称 常用材料 a（ (工艺特点 备注 顶梁，掩护梁 ，底座、连杆 1680350 可焊性 好、焊后无需热处理 应用最为普遍 1550470 可焊性差、焊接时需要预热，工艺困难 主要用于某些强力支架或薄煤层支架 1400 柱帽、连接座 500 70 350 一般需要调制处理，铸造缺陷较多，要严格控制质量 用于形状复杂的零部件，也可用于重要结构件、如连杆、底座等 销轴 405 40050 360 750 900 调制处理 用于结构部件之间的连接 载结构件加工工艺 工艺是机械制造的一个非常重要的部分，一台好的机器离不开工艺的合理安排，选择合适的工艺是一个设计者应该着重研究的地方，但是工艺的安排又充满了难度和挑战，没有最好的工艺设施，只有更好的工艺方案。 表 3载件加工工艺 工序 工艺特点 装备 准备 1. 整形调直 2. 清洗去绣，也可在下料后进行 调直机 清洗去绣设备 下料 1. 气割 2. 剪切、冲压 3. 开坡口 4. 切削加工 各种气割设备 剪板机、冲压机、压力机 坡口机、气割机 切削加工机床 拼装 使各零件定位，保证相互之间的位置与精度达到设计要求 拼装专用胎具、电焊机等 焊接 1. 为保证焊接质量，需根据材料选择合适的焊条 2. 目前大多采用二氧化碳气体保护焊与手工电弧焊 3. 为减少焊接变形，应保证一定的焊接顺序，并采取相应地措施 4. 对可焊性差的材料需要预热 电焊机 焊后处理 1. 对要求精度与形位公差比较严格的连接孔进行焊后整体镗孔 2. 对某些结构件在焊接后的变形进行调整 3. 其他保证最终质量的修补措施 镗床、调直机、压力机、电焊机等 压支架三维仿真 件简介 美国参数技术公司 (称 最新一代 件，它包含许多先进的设计理念，是一套设计至生产的机械自动化软件包，是一个参数化、基于特征的实体造型系统。 能强大，可用于机械设计、功能仿真、加工制造和数据管理等领域，为用户提供了目前功能最全面、集成最紧密的产品开发环境。 发展历程 世界上最成功 985年成立于波士顿，1988年发布了 件的第一个版本，现在已经发展成为全球 软件铲平的总设计思想体现了 械设计自动化）软件的新发展。 面世后 以其优异的使用性能获得了众多 历 10 余年的发展和，技术上逐步成熟，已经成为当前三维建模软件的领军者。 引入了先进的设计理念。在 每个版本都有代表性的先进设计思想。 并行工程（ 念的产物，为现金的 行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术、它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期内各阶段的因素（如功能、制造、装配、作业、调度、质量、成本、维护与用户需求等），并得到解决，从而使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再生等方 面的特性，最大限度地减少设计反复，缩短设计、生产准备和制造时间。 数化、基于特征和全相关的三维设计概念，这种概念改变了机械 传统观念，逐渐成为当今世界机械 域的新标准。采用参数化设计思想开发出来的第三代 品，该软件提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境，将产品涉及到生产的整个过程集成到一起，让更多用户能同时参与到某一产品的设计制造任务中，实现了所谓的并行工程。 心设计思想 随着计算机辅助设计 (术的发展，出现了许多种 3D 模型的表达方法，主要有以下几种： （ 1） 该表达方法采用布尔运算 (并、交、减 )，将一些简单的三维几何基元 (如立方体、圆柱体、环、锥体 )加以组合、变化成复杂的三维模型实体。优点是易于控制存储的信息量，所得到的实体真实有效，并且能方便地修改它的形状：缺点是可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时。 （ 2） 该 法根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。优点是能快速地绘制立体或线框模型；缺点是它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大，修改设计不如 得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象，描述缺乏唯一性。 （ 3） 对于自由曲面，难于用传统的几何基元来进行描述，可用参数表达法。该方法借助参数化线条、贝塞尔曲线和 B 线条来描述自由曲面，它的每一个 X、 Y、 Z 坐标都呈参数化形式。各种参数表达格式的差别仅在于对曲线的控制水平，即局部修改曲线而不影响临近部分的能力以及建立几 何体模型的能 力 。 第 1 个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。 E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计和加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。其主要特性如下： 全相关性： 有模块都是全相关的。在 产品开发过程中某一处进行修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。基于特征的参数化造型： 用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素，例如：设计特征有弧、圆角、倒角等，易于使用、装配、加工、制造以及其它学科都可以使用这些领域独特的特征。通过这些特征设置参数，然后修改参数很容易进行多次设计，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理 模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 特的全相关功能，因而使之成为可能。 装配管理： 够利用一些直观的命令，很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 基于软件 液压支架整机的三维实体建模一般采用自下向上的方法，即先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型，然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装，最后形成一台完整的机器。 很显然，对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之间的装配关系是完成液压支架整体建模的关键。 压支架的三维建模 基于软件 E，对梁加宽式液压支架进行三维建模，其基本原则是由二维草图，配合几何约束和尺寸约束，通过拉伸、旋转、扫描、挖孔等方式生成三维立体图。几何约束用来控制二维草图上形体的相对位置，尺寸约束用来驱动草图对象的尺寸。本论文对液压支架基本结构暂以 梁及立柱 为例阐述利