超前支護(hù)實驗平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計,超前,支護(hù),實驗,試驗,平臺,液壓,系統(tǒng),設(shè)計 本科課程設(shè)計開題報告 題 目 超前支護(hù)實驗平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計 一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀 選題目的：對超前支護(hù)實驗平臺進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計的研究目的在于為以后真正的超前支護(hù)液壓系統(tǒng)做前期準(zhǔn)備。 選題意義：超前支護(hù)實驗平臺需要具有較為合理、可靠的液壓控制系統(tǒng)。而這種液壓支架到目前為止研究還是比較少的。因此，以邁步式超前支護(hù)設(shè)備的液壓系統(tǒng)為設(shè)計研究對象，確定實現(xiàn)以上功能及支護(hù)要求的液壓系統(tǒng)設(shè)計要求，提出一種具有負(fù)載敏感、壓力切斷、恒功率控制、壓力補(bǔ)償?shù)裙δ艿囊簤合到y(tǒng)，并對其進(jìn)行動態(tài)特性研究與合理性驗證，使設(shè)計的液壓系統(tǒng)能夠滿足邁步式超前支護(hù)設(shè)備的各項要求，提高綜掘的工作效率。 研究現(xiàn)狀： 目前的超前支護(hù)有以下幾種： (1) 機(jī)載式超前支護(hù) 機(jī)載式超前支護(hù)設(shè)備作為一種結(jié)構(gòu)較為簡單、可與掘進(jìn)機(jī)配合使用的一種臨時支護(hù)設(shè)備，得到了國內(nèi)外眾多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究，并總結(jié)出了較多適用于煤礦井下的應(yīng)用成果。 (2) 自移式巷道支架 隨著超前支護(hù)設(shè)備的深入研究與發(fā)展，自移式超前支護(hù)得到了廣泛關(guān)注和較大的發(fā)展。但就目前來看，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)工作面處使用的自移式支架依然處于理論研究、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。同時，由于自移式巷道支架與綜采液壓支架在結(jié)構(gòu)上較為相似，使得較多專家學(xué)者均以液壓支架液壓系統(tǒng)作為參考來展開對自移式超前支架液壓系統(tǒng)的研究。 (3) 綜采液壓支架 液壓支架的結(jié)構(gòu)分為液壓元件和金屬結(jié)構(gòu)件兩部分，而液壓元件是用來完成液壓支架各種動作的，所有的液壓元件結(jié)合在一起就組成了液壓系統(tǒng)。在我們常見的機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)中，其主要是由動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件以及工作介質(zhì)等5大部分組成的。其即能夠起到傳遞功率的作用，又可以實現(xiàn)利用控制信息的方式，是機(jī)械設(shè)備具有良好的動態(tài)特性。 二、研究方案及預(yù)期結(jié)果 研究內(nèi)容 根據(jù)搜集的設(shè)計資料，本次畢業(yè)設(shè)計是對超前支護(hù)實驗平臺液壓系統(tǒng)的設(shè)計，主要研究內(nèi)容包括 邁步式超前支護(hù)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，發(fā)展概況。 主要解決的問題 (1) 對邁步式超前支護(hù)設(shè)備的組成及工作過程進(jìn)行分析，提出液壓系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)要求，為液壓系統(tǒng)回路設(shè)計、液壓元件選型及計算提供理論依據(jù)； (2) 設(shè)計與分析液壓系統(tǒng)供液回路、多路閥回路、支撐回路、推移回路、側(cè)推回路等關(guān)鍵回路，對變量泵、多路閥、立柱、各個千斤頂?shù)汝P(guān)鍵元件進(jìn)行參數(shù)計算及選型設(shè)計，并繪制液壓系統(tǒng)工作原理圖； 設(shè)計理論、方法及技術(shù)路線 根據(jù)本科所學(xué)知識，進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計 第一章：緒論其中內(nèi)容包括：目前發(fā)展概況，超前支護(hù)液壓系統(tǒng)的發(fā)展及選題意義； 第二章：超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)分析包括：各部分技術(shù)參數(shù)、超前支護(hù)系統(tǒng)實驗環(huán)境、工況分析； 第三章：對液壓回路進(jìn)行設(shè)計 第四章：對個油缸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算 第五章：超前支護(hù)液壓系統(tǒng)元件進(jìn)行選型 第六章：超前支護(hù)樣機(jī)的實驗分析 三、研究進(jìn)度 第3周： 收集資料 第4-5周： 撰寫開題報告 第6-8周： 液壓系統(tǒng)分析 第9-12周： 對液壓回路進(jìn)行設(shè)計 第13周： 對元件進(jìn)行選型與設(shè)計 第14周： 整理論文，準(zhǔn)備答辯 第15周： 進(jìn)行論文答辯 四、主要參考文獻(xiàn) [1] 高磊.礦山巖體力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988. [2] 王虹.我國綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展40年[J].煤炭學(xué)報,2010,35(11):15150-520. [3] 曹樹祥,曹偉,李靜.自移式巷道超前支護(hù)支架:中國, 200510046887.9[P].2005-10-04. [4] 康紅普,王金華,高富強(qiáng).掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力特征及其與支護(hù)的關(guān)系[J].煤炭學(xué)報,2009,12:1585-1593. 五、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文) 題目： 超前支護(hù)實驗平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計 　 摘要 綜掘迎頭和巷道冒頂事故經(jīng)常發(fā)生，這使得掘進(jìn)效率低，采用臨時支護(hù)設(shè)備能夠及時有效的對迎頭頂板進(jìn)行支護(hù)、優(yōu)化掘進(jìn)工藝、使掘支錨可以并行作業(yè)是煤礦機(jī)械迫待解決的技術(shù)問題。論文在查閱和調(diào)研大量現(xiàn)有理論和資料基礎(chǔ)上。 論文通過對超前支護(hù)實驗樣機(jī)簡介，對超前支護(hù)試驗樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)和實驗環(huán)境進(jìn)行了確定，詳細(xì)分析了其前進(jìn)和支撐的工況特性，通過對工況分析對液壓回路的控制方式進(jìn)行確定，對其回路進(jìn)行設(shè)計，并對立柱油缸、加載油缸、推移油缸進(jìn)行設(shè)計計算并校核，經(jīng)過各個廠家液壓元件的優(yōu)缺點對比，合理的完成液壓系統(tǒng)所需的主要液壓元件的選型，最終設(shè)計出一套液壓系統(tǒng)。此外，通過對超前支護(hù)實驗樣機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計，明確液壓系統(tǒng)在整體控制中的作用以及相互聯(lián)系，并對所設(shè)計的樣機(jī)進(jìn)行試驗，以此做為真機(jī)系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)。 主要研究內(nèi)容包括： （1） 通過收集查閱文獻(xiàn)，總結(jié)出超前支護(hù)設(shè)備的研究現(xiàn)狀與已有的超前支護(hù)設(shè)備和現(xiàn)有技術(shù)； （2）對超前支護(hù)液壓實驗平臺進(jìn)行工況分析； （3）對超前支護(hù)實驗平臺液壓回路進(jìn)行設(shè)計，其中包括立柱支撐回路、推移回路和加載回路； （4）根據(jù)計算結(jié)果對超前支護(hù)元件進(jìn)行選型和設(shè)計； （5） 對設(shè)計的樣機(jī)進(jìn)行試驗，為真機(jī)的設(shè)計提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞：超前支護(hù)； 工況分析； 回路設(shè)計； 元件選型 Abstract Head-on and comprehensive tunneling roadway roof accidents often occur, which makes the drivage efficiency is low, the temporary support equipment can timely and effective for head-on roof bolting, optimization of excavating process, make the digging anchor was forced coal mine machinery can parallel job to solve technical problems. Papers on consulting and research on the basis of a large number of existing theory and data, the main research Paper by forepole experimental prototype of the hydraulic system analysis and design, are analyzed in detail, its working condition characteristics by analyzing the working condition of the parameters on the components of each part of the calculation of the parameters are reasonable, comparative advantages and disadvantages of various hydraulic components manufacturer, reasonable needed to complete the hydraulic system of the main hydraulic components selection, to the performance of the system and checking calculation of the hydraulic system design, inspection and the rationality of the design of the hydraulic system, and further improve the deficiency in the design, final design a set of hydraulic system. In addition, through to the forepole experimental prototype of the hydraulic system analysis and design, a clear role in the overall control hydraulic system and connect with each other, provide the basis for real machine system design. (1) by collecting literature, summarizes the research status of forepole equipment with advanced supporting equipment and existing technology; (2) the forepole analysis of working condition of hydraulic experiment platform; (3) the forepole experiment platform hydraulic circuit design, including pillar support circuit, goes on circuit and load circuit; (4) according to the calculation results of forepole component selection and design. Key words: forepole; Analysis of working conditions; Circuit design; Component selection 目錄 前言 1 1 緒論 2 1.1 超前支護(hù)技術(shù)概述 2 1.2國內(nèi)外超前支護(hù)技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 3 1.2.1 綜掘裝備研究現(xiàn)狀 3 1.2.2 巷道支護(hù)裝備研究現(xiàn)狀 5 1.3選題意義 6 1.4論文的研究框架 7 2 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)分析 8 2.1 超前支護(hù)樣機(jī)簡介 8 2.2 超前支護(hù)樣機(jī)的技術(shù)參數(shù) 8 2.3 超前支護(hù)樣機(jī)的實驗環(huán)境 9 2.4 超前支護(hù)樣機(jī)實驗原理分析 9 2.5 超前支護(hù)樣機(jī)的液壓系統(tǒng)組成及特點 10 2.6 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)的實驗工況分析 11 2.6.1 邁步前進(jìn)的工況分析 11 2.6.2 支撐部的工況分析 12 3 超前支護(hù)樣機(jī)液壓回路設(shè)計 14 3.1 超前支護(hù)樣機(jī)系統(tǒng)壓力的確定 14 3.2 液壓系統(tǒng)的控制分析 14 3.2.1系統(tǒng)類型的選擇 14 3.2.2執(zhí)行元件類型的選擇 15 3.2.3泵類型的選擇 15 3.2.4調(diào)速方式的選擇 15 3.2.5調(diào)壓方式的選擇 15 3.3 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計 16 3.3.1立柱支撐回路 16 3.3.2推移回路 17 3.3.3模擬頂板加載回路 18 4 油缸的參數(shù)計算 18 4. 1 立柱液壓缸設(shè)計與參數(shù)計算 18 4. 3 推移液壓缸的設(shè)計與參數(shù)計算 23 4. 3 加載液壓缸的設(shè)計與參數(shù)計算 28 5 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)的元件選型 33 5.1 液壓泵的選型 33 5.2 泵站電機(jī)的選型 35 5.3 液壓控制閥的選型 36 6 超前支護(hù)樣機(jī)實驗分析 39 6.1模擬頂板實驗臺靜力學(xué)實驗 40 6.2 超前支護(hù)-頂板體系靜力學(xué)實驗 41 6.3 全支撐超前支護(hù)-頂板體系靜力學(xué)實驗 41 6.4 過渡支撐超前支護(hù)-頂板體系靜力學(xué)實驗 43 7 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性分析 46 8 總結(jié) 47 致謝 48 參考文獻(xiàn) 49 附錄A 50 附錄B 54 畢業(yè)設(shè)計（論文） 前言 煤礦是中國的重要能源和重要原料，占全國一次能源結(jié)構(gòu)的70%以上。中國煤礦分布區(qū)域十分廣泛，地質(zhì)條件變換多樣，巷道圍巖特性千差萬別，是全球煤炭開采的典型區(qū)域。據(jù)世界能源委員會(WEC)估計，世界煤炭可采的資源量達(dá)4.84×104億噸，占世界化石可采資源量的66.8％。因此，為了滿足中國煤炭巨大的年產(chǎn)量及消耗量，必須提高綜采、綜掘的機(jī)械化程度和成套裝備自動化程度。但是，目前煤礦采掘工作面采掘比基本維持在1:3.1左右，采掘比例失衡，綜掘發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)后于綜采。據(jù)多地煤礦調(diào)研得知，影響綜掘快速推進(jìn)的主要原因之一就是掘進(jìn)施工工藝（掘進(jìn)、支護(hù)、錨鉆等）不能最大限度的平行作業(yè)。從中國煤礦發(fā)展實際情況，在煤巷機(jī)械化掘進(jìn)施工中，礦井作業(yè)方式一般采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)相互配合使用。如果掘進(jìn)巷道頂板成形不好、深部厚頂煤強(qiáng)度較弱或者所處地應(yīng)力水平較高，都會給迎頭巷道支護(hù)帶來困難，在施工上必須嚴(yán)格執(zhí)行“一掘一錨”工藝，并縮短錨距。在巷道掘進(jìn)成巷作業(yè)中，支護(hù)時間占總作業(yè)時間的70%，這就造成掘進(jìn)機(jī)頻繁開進(jìn)退出，開機(jī)效率較低，工人需來回搬運(yùn)單體錨桿鉆機(jī)，不僅占用人員多，輔助作業(yè)耗時間長，掘進(jìn)效率低，而且工人勞動強(qiáng)度很大，生產(chǎn)安全性也較差。解決這一問題的一個重要方法是掘進(jìn)迎頭巷道支護(hù)設(shè)備與掘進(jìn)裝備及其配套設(shè)備之間相互適應(yīng)和匹配。利用合理有效的巷道臨時支護(hù)設(shè)備，使之與掘進(jìn)和錨固工序相配套，達(dá)到掘、支、錨等多工序可以平行作業(yè)，這樣可以有效保障巷道安全、高效、快速掘進(jìn)。因此解決綜掘工作面臨時支護(hù)問題將對提高煤礦安全生產(chǎn)，實現(xiàn)快速掘進(jìn)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。 隨著煤礦井下開采技術(shù)的發(fā)展，人們已逐漸認(rèn)識到綜掘工作面臨時超前支護(hù)技術(shù)的重要性：在煤礦井下，淺部原巖大多處于彈性狀態(tài)，而深部原巖處于潛塑性甚至塑性狀態(tài)，巷道開挖后，由于巷道自由面一側(cè)應(yīng)力減為零，圍巖由開挖前的三向應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為二向應(yīng)力狀態(tài)，如不及時有效地支護(hù)，表面圍巖受到的壓剪應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度，圍巖很快由表及里發(fā)生大變形→破裂→碎裂→整體失穩(wěn)的過程。但在對超前支護(hù)裝置長期的研制過程中，人們僅認(rèn)識到該裝置應(yīng)滿足巷道的超前支護(hù)需要并應(yīng)能適應(yīng)隨工作面開采的圍巖應(yīng)力變化，但已取得的相關(guān)理論研究成果卻很少，無法滿足工程設(shè)計需求。因此設(shè)計了超前支護(hù)試驗樣機(jī)，其目的就是促進(jìn)煤礦實現(xiàn)安全、高速生產(chǎn)具有重要的理論意義和工程實踐意義. 61 1 緒論 1.1 超前支護(hù)技術(shù)概述 隨著近幾年的發(fā)展超前支護(hù)有以下幾種形式： (1) 機(jī)載式超前支護(hù) 機(jī)載式超前支護(hù)設(shè)備作為一種結(jié)構(gòu)較為簡單、可與掘進(jìn)機(jī)配合使用的一種臨時支護(hù)設(shè)備，得到了國內(nèi)外眾多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究，并總結(jié)出了較多適用于煤礦井下的應(yīng)用成果。 機(jī)載式超前支護(hù)液壓系統(tǒng)通常與掘進(jìn)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，使二者不能同時工作、互相干擾。在對頂板進(jìn)行支護(hù)時，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。液壓系統(tǒng)的主要特點是： 1) 雙向鎖的應(yīng)用使設(shè)備可以保持穩(wěn)定的支護(hù)狀態(tài)； 2) 二位三通閥的運(yùn)用使掘進(jìn)機(jī)和支護(hù)設(shè)備液壓系統(tǒng)互不干擾； 3) 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中均安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)的液壓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。 綜上所述，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。 (2) 自移式巷道支架 隨著超前支護(hù)設(shè)備的深入研究與發(fā)展，自移式超前支護(hù)得到了廣泛關(guān)注和較大的發(fā)展。但就目前來看，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)工作面處使用的自移式支架依然處于理論研究、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。同時，由于自移式巷道支架與綜采液壓支架在結(jié)構(gòu)上較為相似，使得較多專家學(xué)者均以液壓支架液壓系統(tǒng)作為參考來展開對自移式超前支架液壓系統(tǒng)的研究。 在超前支護(hù)設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究方面，王永安對其展開了初步研究。在液壓系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)基本上照搬了液壓支架液壓系統(tǒng)的基本回路，將自移式巷道支架視作液壓支架的一種特殊型號，并設(shè)計了液壓系統(tǒng)。這說明了在對自移式巷道支架液壓系統(tǒng)研究的初期，研究者缺乏現(xiàn)成設(shè)備參考，只能選擇相似度較高的液壓支架作為液壓系統(tǒng)設(shè)計的藍(lán)本，設(shè)計思想難以超越液壓支架液壓系統(tǒng)，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。作者提出用虛擬樣機(jī)技術(shù)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計來取代經(jīng)驗設(shè)計，但只是提出了這種思想，缺乏具體設(shè)計實例，其討論過于空洞、寬泛。值得一提的是，文中提出利用雙壓回路來解決立柱和千斤頂需要液壓力不同的問題，是一個很好的思路。 總的來看，王永安對自移式巷道支架液壓系統(tǒng)的研究沒有突破液壓支架液壓系統(tǒng)，脫離了設(shè)備的具體應(yīng)用環(huán)境，沒有對液壓系統(tǒng)特性進(jìn)行縝密的分析，但這不失為一次有益的理論嘗試。 而在自移式超前支護(hù)液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究方面，倪繼勇在回路設(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。在設(shè)計液壓系統(tǒng)前詳細(xì)分析了設(shè)備所處的環(huán)境，明確了設(shè)備的結(jié)構(gòu)和動作原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基本回路的設(shè)計。主要包括供液回路、差動回路、連鎖回路等。每一種回路都是根據(jù)設(shè)備所需而設(shè)計，如：連鎖回路能防止不同換向閥分別控制的立柱同時降柱造成頂板冒落的風(fēng)險，使設(shè)備始終有一組處于支護(hù)頂板狀態(tài)；差動回路中采用交替逆止閥，提高了推移千斤頂活塞桿的推出速度；阻尼回路用于防倒千斤頂，使千斤頂具有一定的抗沖擊能力；鎖緊回路可使液壓缸在任意需要的位置保持不動，適用于推移千斤頂?shù)取? 倪繼勇的研究在王永安的基礎(chǔ)上取得了更大的進(jìn)步，相比王永安論文的空洞、寬泛及設(shè)計上的缺乏依據(jù)，倪繼勇緊密結(jié)合掘進(jìn)迎頭環(huán)境提出液壓系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)動、支撐需要設(shè)計出基本回路，對液壓系統(tǒng)和主要元件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真，這都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)（如負(fù)載敏感、恒功率控制）引入液壓系統(tǒng)方面做得還很不夠，這是由于產(chǎn)品沒能試驗投產(chǎn)、缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗造成的。 1.2國內(nèi)外超前支護(hù)技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1.2.1 綜掘裝備研究現(xiàn)狀 煤礦巷道的綜掘方式主要分為兩種：一種是以連續(xù)采煤機(jī)為核心的掘進(jìn)方式，另一種是以綜掘機(jī)為核心的掘進(jìn)方式。掘進(jìn)效率主要受施工水平、掘進(jìn)設(shè)備配置、掘進(jìn)工藝三個因素影響，其中掘進(jìn)工藝為關(guān)鍵因素。目前，煤礦普遍存在掘進(jìn)工藝不夠完善的問題，主要原因是掘進(jìn)過程中迎頭圍巖支護(hù)時間長，導(dǎo)致掘進(jìn)和支護(hù)不能同步進(jìn)行，因此掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率低，限制了綜掘巷道的進(jìn)尺水平，極大影響了施工與生產(chǎn)的連續(xù)發(fā)展。這樣，煤礦綜掘工作一直面臨著如何實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效掘進(jìn)的問題。 隨著綜合掘進(jìn)自動化技術(shù)的嶄露頭角，綜掘裝備得到了快速更新，推動了綜掘技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。初期的巷道掘進(jìn)的主要方式為炮采或人工，之后隨著人們對高效的掘進(jìn)工藝的需求，逐漸展開了掘、鉆、錨、支、運(yùn)一體化理論的研究。這樣，為了滿足高效的綜掘工作，形成以掘進(jìn)機(jī)為主的幾種類型的自動機(jī)械化掘進(jìn)裝備：一種為綜合自動化機(jī)械掘進(jìn)裝備，主要掘進(jìn)機(jī)械為懸臂式掘進(jìn)機(jī)；一種是錨桿鉆車和連續(xù)采煤機(jī)配套作業(yè)裝備，主要掘進(jìn)機(jī)械為連續(xù)采煤機(jī)；另外，一種是掘錨機(jī)組自動化技術(shù)化裝備，主要的掘進(jìn)機(jī)械為掘錨機(jī)組。 (1) 綜合自動化機(jī)械掘進(jìn)裝備 懸臂式掘進(jìn)機(jī)依靠截割部的擺動和截割頭的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行共同作用來破巖而形成整個巷道斷面。中國目前使用的掘進(jìn)機(jī)大多為普通型掘進(jìn)機(jī)，主要用于煤巷或硬度在f=5以下的巷道。綜合自動化機(jī)械掘進(jìn)裝備所配套的支護(hù)包括臨時支護(hù)和永久支護(hù)。 隨著中國對整機(jī)穩(wěn)定性、截割斷面成形控制技術(shù)和礦巖物料裝運(yùn)機(jī)構(gòu)等問題的深入研究，現(xiàn)代懸臂式掘進(jìn)機(jī)朝著自動化、智能化、信息化和無人化發(fā)展方向。提高懸臂掘進(jìn)機(jī)的自動化和智能化水平是國內(nèi)外采煤行業(yè)探求的目標(biāo)，中國對此也極為重視，并設(shè)立了863重點項目“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”，其中“掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)”課題以掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制的關(guān)鍵技術(shù)為核心[9]，例如截割斷面成形控制技術(shù)，可以利用斷面自動成形控制系統(tǒng)可獲得規(guī)整的斷面形狀尺寸，減少無用的掘進(jìn)量和充填量，提高掘進(jìn)效率，降低巷道掘進(jìn)成本；同時通過檢測截割頭空間位置，利用PLC控制截割頭按設(shè)計工藝路徑準(zhǔn)確截割，獲得規(guī)整斷面，避免了超挖和欠挖現(xiàn)象。德國艾柯夫公司研制的微機(jī)輪廓和導(dǎo)向及機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)測系統(tǒng)于1983年開始在ET-160和ET-110掘進(jìn)機(jī)上使用。 綜合自動化機(jī)械掘進(jìn)裝備可采用不同的運(yùn)輸方式，目前有皮帶機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)載運(yùn)輸、巖石倉緩沖運(yùn)輸、梭式礦車運(yùn)輸?shù)确绞?，也可采用這幾種運(yùn)輸方式的結(jié)合。 (2) 錨桿鉆車和連續(xù)采煤機(jī)配套作業(yè)裝備 連續(xù)采煤機(jī)是一種既可用于巷道掘進(jìn)又可用于開采煤炭的綜合機(jī)械化開采設(shè)備，在國外已被廣泛使用。深入研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)采煤機(jī)除截割機(jī)構(gòu)以外，其它機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理基本與部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)大致相同，因此，借助于掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于連續(xù)采煤機(jī)的研發(fā)。同時，連續(xù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理既不同于滾筒式采煤機(jī)，也有別于部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。中國對于滾筒式采煤機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)的研究無論從工作機(jī)構(gòu)的載荷性質(zhì)、破巖原理、截割控制，還是對整機(jī)工作穩(wěn)定性和可靠性等方面都取得了很多成果。而且，近年來國內(nèi)在連續(xù)采煤機(jī)方面也進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究，獲得了一系列的研究成果。 連采機(jī)掘進(jìn)技術(shù)的機(jī)械化程度很高，每月掘進(jìn)深度可達(dá)1000m以上。20世紀(jì)70年代中國開始引進(jìn)連續(xù)采煤機(jī)配套作業(yè)裝備，大體經(jīng)歷了單機(jī)和成套設(shè)備引進(jìn)兩個階段。目前，中國神東公司、陜煤集團(tuán)、晉城煤業(yè)等礦區(qū)使用連續(xù)采煤機(jī)200余臺。連采機(jī)掘進(jìn)時，錨桿鉆車和連續(xù)采煤機(jī)采用平行作業(yè)和交叉換位的方式。連續(xù)采煤機(jī)在運(yùn)輸巷道掘進(jìn)時，錨桿鉆車在回風(fēng)巷道中進(jìn)行錨桿支護(hù)作業(yè)。當(dāng)連續(xù)采煤機(jī)完成一個掘進(jìn)循環(huán)時，標(biāo)志著它與錨桿鉆車交叉換位。為了滿足運(yùn)輸和機(jī)器調(diào)動的要求，兩條巷道之間每隔50m掘一條聯(lián)絡(luò)巷道。由于實現(xiàn)了掘進(jìn)和支護(hù)的平行作業(yè)，掘進(jìn)速度大幅提高，但這種工藝適應(yīng)范圍有限且對地質(zhì)條件的要求非常嚴(yán)格，一般控頂距需要為20m，而且只適合于多巷掘進(jìn)。 連采機(jī)在巷道中掘進(jìn)，截割下的煤巖由連采機(jī)的運(yùn)輸部轉(zhuǎn)載給緊跟其后的運(yùn)煤車或無軌梭車。運(yùn)煤車或梭車裝滿后離開連采機(jī)，此外空載的運(yùn)煤車或梭車移動至連采機(jī)身后繼續(xù)裝煤，而滿載的車輛會將煤運(yùn)輸至破碎機(jī)，破碎機(jī)破碎后轉(zhuǎn)載給皮帶運(yùn)輸機(jī)，最后由皮帶機(jī)將煤運(yùn)至地面。卸完料的梭車再次返回連采機(jī)處，等待下一循環(huán)的運(yùn)輸。 (3) 掘錨機(jī)組自動化技術(shù)化裝備 掘錨機(jī)組是在懸臂式掘進(jìn)機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型掘進(jìn)機(jī)型。掘錨機(jī)組按作業(yè)方式不同可分為兩類，即同時實現(xiàn)掘錨作業(yè)的掘錨機(jī)組和先截割后支護(hù)的掘錨機(jī)組。中國于2003年引進(jìn)的ABM20型掘錨機(jī)組為同時實現(xiàn)掘錨作業(yè)的掘錨機(jī)組，在晉城煤業(yè)公司成莊礦使用。目前，國內(nèi)已有22臺掘錨機(jī)組。掘錨機(jī)組在中國的試驗取得了初步成功，月進(jìn)尺可達(dá)1200m。由于對巷道條件要求高及適應(yīng)范圍較小等原因，目前還處于推廣應(yīng)用階段。掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)是煤礦巷道掘進(jìn)過程中最主要的工藝技術(shù)之一，為滿足在不同礦質(zhì)條件下完成掘進(jìn)工作的系統(tǒng)自動化，有必要研究出適合中國煤層條件的掘進(jìn)自動化技術(shù)。 掘錨機(jī)組自動化技術(shù)，可完成掘進(jìn)過程中掘進(jìn)、裝載、運(yùn)輸、支護(hù)等工藝條件下的自動化作業(yè)，能夠達(dá)到加強(qiáng)煤幫和頂板的支護(hù)和快速掘進(jìn)截割的目的，確保掘進(jìn)工作的穩(wěn)定進(jìn)行。 1.2.2 巷道支護(hù)裝備研究現(xiàn)狀 “高產(chǎn)、高效”是中國綜掘裝備的設(shè)計要求，也是目前綜掘裝備的發(fā)展趨勢。然而，煤炭生產(chǎn)過程中存在著諸多難題，例如煤礦巷道支護(hù)時間影響掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度、掘進(jìn)迎頭安全問題、作業(yè)面工作人員的安全問題、掘進(jìn)裝備維護(hù)等。煤礦頂板事故不僅會造成掘進(jìn)工作停止，而且會引起工作人員的傷亡。影響煤礦頂板事故的因素之一便是巷道支護(hù)形式，因此如何選取合適的支護(hù)裝備是保障巷道作業(yè)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。 煤礦的巷道支護(hù)包括永久支護(hù)、臨時支護(hù)和超前支護(hù)。其中，在掘進(jìn)工作面迎頭，可臨時支護(hù)迎頭空頂處的頂板、戴帽點柱和懸頂梁的支護(hù)裝備稱為掘進(jìn)工作面超前支護(hù)裝備。超前支護(hù)是避免作業(yè)人員在空頂區(qū)作業(yè)的有效支護(hù)形式。而且，在綜掘巷道迎頭采用臨時支護(hù)的支護(hù)方式，可減小綜掘機(jī)械工作時的擾動、錨桿支護(hù)時的應(yīng)力變化和頂板自身壓力變化對巷道圍巖變形、位移和破裂的影響。 1.3選題意義 隨著國民經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，電力、能源日趨緊張。由于我國的電力行業(yè)大部分是火力發(fā)電，所以對煤炭的需求量日益增加。為了加強(qiáng)安全生產(chǎn)，國家關(guān)閉了小煤窯，扶持大煤礦，加大煤礦開采的的現(xiàn)代化設(shè)備，從政策上帶動煤礦機(jī)械的大發(fā)展。 超前支護(hù)樣機(jī)是結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，超前支護(hù)樣機(jī)具有如下特點： 1) 節(jié)約時間； 2) 可以行走； 3) 為掘進(jìn)機(jī)提供了安全保障。 液壓超前支護(hù)裝備主要應(yīng)用于綜掘迎頭巷道的臨時支護(hù)。通過分布式支撐頂梁連接，能夠在掘進(jìn)成巷過程中及時有效支護(hù)掘進(jìn)迎頭頂板保持頂板穩(wěn)定。隨著掘進(jìn)機(jī)截割前移，超前支護(hù)裝備也隨之移動。通過超前支護(hù)裝備的兩組支撐裝置，可以進(jìn)行單組和雙組交替支撐，以保證頂板始終處于支撐狀態(tài)，可以避免因反復(fù)支撐對頂板造成破壞。使用超前支護(hù)裝備可以使工作面臨時支護(hù)范圍延長至掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置或者機(jī)尾處，工人可以在相對安全位置進(jìn)行集中錨固作業(yè)，有效提高煤礦安全生產(chǎn)和掘進(jìn)效率，同時推進(jìn)了綜掘工作面自動化成套裝備的發(fā)展。提供一種新超前支護(hù)的方式，可以使實現(xiàn)“多掘一錨”工藝，使掘進(jìn)、支護(hù)、錨固并行作業(yè)。 圖1.1 超前支護(hù)裝備工作示意 1.4論文的研究框架 2 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)分析 2.1 超前支護(hù)樣機(jī)簡介 液壓超前支護(hù)裝備屬于綜掘巷道臨時支護(hù)設(shè)備，如圖2.1，主要用于煤礦井下綜掘工作面巷道的臨時支護(hù)。超前支護(hù)可以與掘進(jìn)機(jī)和錨桿鉆機(jī)配套使用，形成新的掘進(jìn)工藝。整體采用框架式結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的龍門式結(jié)構(gòu)使其在支護(hù)作業(yè)時整體跨“騎”在掘進(jìn)機(jī)上方，將操作人員與掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備保護(hù)在支護(hù)體內(nèi)。這種跨“騎”結(jié)構(gòu)有效利用了掘進(jìn)工作面的作業(yè)空間，給其他綜掘配套設(shè)備留下更多的布置空間，便于設(shè)備操作和搬運(yùn)。操作人員可以掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置或機(jī)尾處進(jìn)行集中多排錨固工作，切實可行的解決了掘、支、錨并行作業(yè)問題。 圖2.1 超前支護(hù)結(jié)構(gòu)模型 在掘進(jìn)機(jī)截割時，超前支護(hù)兩組共同支撐迎頭頂板和側(cè)幫。當(dāng)開挖空頂距接近巷道許用空頂距時，超前支護(hù)采取單組支撐頂板，另一組下降卸載，由推移機(jī)構(gòu)向前推移，實現(xiàn)邁步，然后上升加載，支撐頂板。接下來處于支撐狀態(tài)那一組重復(fù)上述操作，實現(xiàn)交替邁步前行，直到超前支護(hù)接近截割頭且不與之作業(yè)空間干涉為止。超前支護(hù)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)組成，各部分相互協(xié)調(diào)工作，完成超前支護(hù)的支撐作業(yè)任務(wù)。 2.2 超前支護(hù)樣機(jī)的技術(shù)參數(shù) 根據(jù)所具有的條件，定下超前支護(hù)樣機(jī)的尺寸 表2-1超前支護(hù)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)表 名稱 參數(shù) 外形尺寸/mm 1800(長)×1480(寬)×1088(高) 重量/kg 1594 整機(jī)參數(shù) 油缸伸出的最大支撐高度/mm 1128 油缸縮回最小高度/mm 1048 推移距離/mm 150 支撐油缸最大移動速度/mm/s 8 加載油缸最大移動速度/mm/s 2 推移油缸的最大移動速度/mm/s 2 2.3 超前支護(hù)樣機(jī)的實驗環(huán)境 為了對超前支護(hù)裝備試驗樣機(jī)的力學(xué)特性進(jìn)行試驗，需對設(shè)計的頂板試驗臺進(jìn)行加載實驗，并檢測頂板試驗臺在不同加載方式和加載力作用下，頂板試驗臺的受力和位移變化情況，以確定頂板試驗臺設(shè)計合理性。通過頂板試驗臺框架上的液壓缸組分別施加不同的載荷，檢測模擬頂板的應(yīng)力和位移變化情況，將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)與與理論研究結(jié)果進(jìn)行對比由于試驗樣機(jī)是真機(jī)的小型模擬，沒有真實環(huán)境。需要設(shè)計一個實驗環(huán)境，用于對樣機(jī)進(jìn)行實驗，對于超前支護(hù)樣機(jī)的實驗環(huán)境，設(shè)計了4個液壓油缸這4個油缸產(chǎn)生的負(fù)載為5t。 2.4 超前支護(hù)樣機(jī)實驗原理分析 超前支護(hù)在功能、結(jié)構(gòu)等方面與液壓支架相似，可以借鑒部分液壓支架的液壓系統(tǒng)設(shè)計理論來研究超前支護(hù)的液壓系統(tǒng)。 超前支護(hù)作為臨時支護(hù)主要用來完成單組支撐、雙組支撐、推移（即主、副支撐架組移架邁步過程）等動作。完成這些動作主要液壓控制系統(tǒng)分別操作立柱油缸、推移千斤頂?shù)葋硗瓿?。超前支護(hù)液壓系統(tǒng)工作原理如下： (1) 單組支撐過程 超前支護(hù)在液壓系統(tǒng)的控制下，主支撐組（或副支撐組）立柱油缸同步伸出。 (2) 雙組支撐過程 超前支護(hù)處于雙組支撐狀態(tài)時，主、副支撐組立柱油缸全部伸出，使支撐組縱梁與頂板接觸并用初撐力值來支撐頂板。隨著頂板變形不斷增大，主、副頂部支撐液壓缸逐漸達(dá)到工作阻力值。若頂板出現(xiàn)極端現(xiàn)象：頂板壓力大于超前支護(hù)支撐的工作阻力值，立柱油缸開始降壓并縮回；當(dāng)頂板頂板壓力達(dá)到超前支護(hù)承受的最大值時，主、副支撐組立柱停止縮回，并與機(jī)械系統(tǒng)“合為一體”，將頂板壓力完全傳遞給機(jī)械部件形成剛性支撐，以保護(hù)在突發(fā)極端現(xiàn)象時操作人員與掘進(jìn)設(shè)備的安全。 (3) 推移過程 推移過程主要包括主支撐架組移架和副支撐架組移架兩個過程。依據(jù)現(xiàn)場實際需求選擇兩組移架動作的先后，實現(xiàn)交替移架動作。 1) 主支撐組移架過程 主支撐組移架時，副支撐架組保持支撐狀態(tài)。主支撐架組通過控制立柱縮回，當(dāng)主支撐縱梁下落至副支撐橫梁上時，副支撐橫梁阻止主支撐縱梁繼續(xù)下落，立柱繼續(xù)縮回將使底部滑靴上提至脫離地面一定位置處。在推移油缸用下，主支撐架組被向前推移一個步長，推移動作完成后，主支撐架組控制立柱伸出，當(dāng)?shù)撞炕ハ侣渲料锏赖酌鏁r，主支撐橫梁、縱梁上升。當(dāng)縱梁及阻尼體接觸并有效支撐頂板，立柱油缸停止運(yùn)行，此時主支撐架組移架動作完成。 2) 副支撐組的移架過程 副支撐組的移架過程與主支撐架組的移架過程基本一致。移架過程中，主、副支撐架組中的橫梁及縱梁起到一定的限位作用。 1.縱梁 2.側(cè)護(hù)板 3.推移油缸 4.側(cè)推油缸 5.平衡千斤頂 6.橫梁 7.頂部阻尼體8.副支撐組9.掩護(hù)梁 10.底座 11.導(dǎo)向板 12.前連桿 13.后連桿 14.立柱15.主支撐組 圖2.2 超前支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意 2.5 超前支護(hù)樣機(jī)的液壓系統(tǒng)組成及特點 超前支護(hù)液壓系統(tǒng)是由10個油缸(包括：支撐油缸8個、推移油缸2個、) 、操縱臺、泵站以及相互聯(lián)接的配管等組成。整個液壓系統(tǒng)主要完成機(jī)器的行走、向上支撐功能。泵站由電機(jī)驅(qū)動，通過定量泵、閥組，將壓力油分別送到支撐油缸推移油缸的為防止執(zhí)行元件過負(fù)荷而造成的損壞，液壓系統(tǒng)一般都有過載保護(hù)功能。 由于設(shè)計的試驗樣機(jī)工作環(huán)境良好，為了完成所設(shè)計的動作，需要使超前支護(hù)設(shè)備具備以下幾個特點： 1) 支撐油缸需要同步支撐，保證速度同步； 2) 支撐油缸和推移油缸速度可調(diào)； 2.6 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)的實驗工況分析 工況分析包括對樣機(jī)的受力分析、速度變化、繪制負(fù)載和功率的分析，在設(shè)計時應(yīng)滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度、動作配合和傳動功率的合理有效。 2.6.1 邁步前進(jìn)的工況分析 1）運(yùn)動分析及運(yùn)動循環(huán)圖 圖2.3 位移循環(huán)圖 超前支護(hù)設(shè)備的行走及轉(zhuǎn)彎是通過推移千斤頂?shù)纳斐龊褪湛s完成的，但與其他支護(hù)設(shè)備不同的是，本設(shè)備在邁步過程中，是通過立柱、頂梁等部件的共同作用，將底部滑履抬起的條件下，再進(jìn)行超前支護(hù)設(shè)備的推移動作，不需要克服滑履與地面的摩擦力，僅需要克服主、副支架相互移動時產(chǎn)生的摩擦力。這樣可以大大降低推移千斤頂所需的推力和拉力。因此，在計算推移千斤頂?shù)母讖綍r，僅考慮支架自身重力所產(chǎn)生的摩擦力。在設(shè)計過程中，對本設(shè)備的整體重量進(jìn)行了初步計算，設(shè)備總重共計2t，則推移千斤頂需要克服的摩擦力為： (3-15) 式中：——推移千斤頂需要克服的推力，kN； ——摩擦系數(shù)，取鋼—鋼摩擦系數(shù)0.15； ——設(shè)備的整體重量，則單組重量為=1t。 根據(jù)上式計算得出，推移千斤頂需要克服的摩擦力為0.15KN。 為了保證本設(shè)備能夠行走，使用2根推移千斤頂來完成邁步動作，因此，推移千斤頂需要滿足的推力和拉力大小為0.075kN。 2.6.2 支撐部的工況分析 1）運(yùn)動分析及運(yùn)動循環(huán)圖 圖2.4 位移循環(huán)圖 立柱油缸支撐時，有可能是單組支撐，也有可能是單組支撐。對于單組支撐來說，有4個油缸，支撐5t的負(fù)載，每一個油缸所有力的大小為1.25KN，對于全支撐來說8個油缸同時支撐負(fù)載，每一個油缸力的大小為0.625KN。 在超前支護(hù)設(shè)備在進(jìn)行支護(hù)過程中，油液進(jìn)入立柱無桿腔，立柱活塞桿在油液的作用下向上運(yùn)動，當(dāng)超前支護(hù)設(shè)備的頂梁接觸到頂板時，立柱內(nèi)部壓力升高直至與定量泵壓力相同時，控制換向閥停止供液，此過程為超前支護(hù)設(shè)備的初撐階段，超前支護(hù)設(shè)備此時提供的力即為初撐力。 則超前支護(hù)設(shè)備的初撐力為： (3-6) 根據(jù)上式計算可以得出超前支護(hù)設(shè)備的初撐力為kN。 對于超前支護(hù)試驗樣機(jī)有以下幾種工況情況： 工況一： 支撐油缸1組 支撐油缸 2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 原位 原位 原位 原位 加載 此工況是使頂板發(fā)生變形。加載油缸組產(chǎn)生5t的負(fù)載。 工況二： 支撐油缸1組 支撐油缸2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 上升 上升 不動 不動 保持加載 此工況使頂板恢復(fù)變形，由兩組油缸同時支撐負(fù)載。 工況三： 支撐油缸1組 支撐油缸2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 不動 快速下降 不動 不動 保持加載 此工況主要研究由全支撐變?yōu)檫^渡支撐時，由于速度的變化對于支撐油缸的力的影響。 工況四、五： 支撐油缸1組 支撐油缸2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 不動 中速下降 不動 不動 保持加載 不動 慢速下降 不動 不動 保持加載 這兩個工況與三工況類似，全支撐變?yōu)檫^渡支撐時，由于速度的變化對于支撐油缸的力的影響。 工況六： 支撐油缸1組 支撐油缸2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 不動 上升 不動 不動 保持加載 此工況主要由過渡支撐變?yōu)槿?。液壓缸?fù)載的變化。 工況七： 支撐油缸1組 支撐油缸2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 下降 下降 不動 不動 不動 此工況是表示縮回油缸時的變化。 工況八~十一： 支撐油缸1組 支撐油缸2組 推移油缸1組 推移油缸2組 加載油缸組 不動 不動 伸出 不動 保持加載 不動 不動 不動 伸出 保持加載 不動 不動 縮回 不動 保持加載 不動 不動 不動 縮回 保持加載 這些工況表示在過渡支撐狀態(tài)下，液壓缸的邁步行走。 3 超前支護(hù)樣機(jī)液壓回路設(shè)計 3.1 超前支護(hù)樣機(jī)系統(tǒng)壓力的確定 液壓系統(tǒng)壓力的選擇，關(guān)系到整個系統(tǒng)的合理程度。選擇液壓系統(tǒng)的壓力主要考慮的是液壓系統(tǒng)的重量和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，在系統(tǒng)功率已確定的前提下，如果系統(tǒng)工作壓力選得比較低，則輔件的尺寸、液壓元件和重量就增加，系統(tǒng)造價也增加；如果系統(tǒng)工作壓力高，則液壓執(zhí)行元件—液壓缸的活塞面積(或液壓馬達(dá)的排量)小、重量輕，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)造價會相應(yīng)降低。同時執(zhí)行元件油腔的容積減小，體積彈性模數(shù)增大，對提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度有好處。但如果系統(tǒng)的工作壓力過高，則對接頭、管路和元件的強(qiáng)度以及對制造液壓元件、輔件的材質(zhì)、密封、制造精度等要求也會大大提高，有時反而會導(dǎo)致液壓設(shè)備重量和成本的增加以及系統(tǒng)效率和使用壽命的下降。同時，高壓時，內(nèi)泄漏量大，容積效率降低，系統(tǒng)發(fā)熱和溫升嚴(yán)重，系統(tǒng)功率損失增加，噪聲加大，元件壽命縮短，維護(hù)也較困難。就目前的技術(shù)和材質(zhì)情況，綜合考慮重量和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，一般認(rèn)為選取35MPa左右的工作壓力是最經(jīng)濟(jì)的，但條件允許時，通常還是選用較低的供油壓力(常用的供油壓力等級為7~28)。設(shè)計時，可根據(jù)系統(tǒng)的具體要求和結(jié)構(gòu)限制條件綜合考慮更多的因素，選擇適當(dāng)?shù)墓┯蛪毫Α? 通常液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)經(jīng)驗按照負(fù)載大小或主機(jī)的類型進(jìn)行選擇，推薦的選擇方法如表表3-1所示。 表3-1 按主機(jī)類型選擇液壓執(zhí)行元件的工作壓力 設(shè)備類型 機(jī)床 農(nóng)業(yè)機(jī)械，汽車工業(yè)，小型工程機(jī)械及輔助機(jī)構(gòu) 工程機(jī)械重型機(jī)械鍛壓設(shè)備液壓支架等 船用系統(tǒng) 磨床 組合機(jī)床齒輪加工機(jī)床 牛頭刨床插床 車床 銑床 鏜床 研磨 機(jī)床 拉床 龍門刨床 工作壓力/MPa ≤1.2 <6.3 2~4 2~5 <10 10~16 16~32 14~25 通過分析，此液壓系統(tǒng)與機(jī)床類液壓系統(tǒng)壓力相類似，但由于其屬于煤礦機(jī)械，因此選擇了拉床、龍門刨床中最大的10Mpa。。 3.2 液壓系統(tǒng)的控制分析 根據(jù)本液壓系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)采用系統(tǒng)、液壓泵類型、液壓閥控制方式進(jìn)行選擇。 3.2.1系統(tǒng)類型的選擇 液壓系統(tǒng)的類型有閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)兩種。選擇系統(tǒng)的類型主要取決于系統(tǒng)的調(diào)速方式和散熱要求。一般來說，采用節(jié)流調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速方式、有較大空間放置油箱且要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單的系統(tǒng)宜采用開式系統(tǒng)；采用容積調(diào)速方式、要求減小體積和質(zhì)量且對工作穩(wěn)定性和效率有較高要求的系統(tǒng)宜采用閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的比較見表3-2。 表3-2 開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)的比較 系統(tǒng)類型 開式 閉式 適應(yīng)工況 一般均能適應(yīng)，一臺液壓泵可向多個執(zhí)行元件供油 限于要求換向平穩(wěn)、換向速度高的部分容積調(diào)速系統(tǒng)，一般一臺液壓泵只能向一個執(zhí)行元件供油 結(jié)構(gòu)特點和造價 結(jié)構(gòu)簡單，造價相對較低 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高 散熱 散熱好，但油箱較大 散熱差，常用輔助液壓泵換油冷卻 抗污染能力 較差，可采用壓力油箱來改善 較好，但對油液的過濾要求較高 管路損失和效率 管路損失大，用節(jié)流調(diào)速時效率較低 管路損失小，用容積調(diào)速效率時較高 考慮本系統(tǒng)需要向多個執(zhí)行元件供油，并且從價格來講需要一個較低的價格。所以選擇開式系統(tǒng)。 3.2.2執(zhí)行元件類型的選擇 本液壓系統(tǒng)本液壓系統(tǒng)，主要完成的是行走和向上支撐的兩個動作，沒有旋轉(zhuǎn)類的動作，因此選擇液壓缸作為執(zhí)行元件。 3.2.3泵類型的選擇 系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速回路，或可通過改變原動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，或系統(tǒng)對速度無調(diào)節(jié)要求，可選用定量泵或手動變量泵，此時手動變量泵一旦調(diào)定即相當(dāng)于定量泵。 定量泵可以提供穩(wěn)定的壓力，并且比較經(jīng)濟(jì)。所以選擇了定量泵。 3.2.4調(diào)速方式的選擇 定量泵節(jié)流調(diào)速回路，因調(diào)節(jié)方式簡單，一次性投資少，在中小型液壓設(shè)備，特別是機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。節(jié)流調(diào)速回路中的進(jìn)、回油路調(diào)速系統(tǒng)為恒壓系統(tǒng)，系統(tǒng)的剛性較好；旁油路調(diào)速系統(tǒng)為變壓系統(tǒng)(壓力適應(yīng)系統(tǒng))，系統(tǒng)剛性差，主要用于對速度穩(wěn)定性要求不高的粗加工機(jī)床和行走機(jī)械。用調(diào)速閥或旁通型調(diào)速閥替代普通節(jié)流閥可提高系統(tǒng)的速度剛性，但會增加系統(tǒng)的功率損失。 換向閥原理簡單，實用性高。所以選用三位四通換向閥進(jìn)行缸的方向變換 對于方向的調(diào)節(jié)選用三位四通換向閥，對于速度的調(diào)節(jié)選用節(jié)流閥。 3.2.5調(diào)壓方式的選擇 當(dāng)系統(tǒng)中有垂直負(fù)載作用時應(yīng)采用平衡閥平衡負(fù)載，以限制負(fù)載的下降速度。由順序閥和單向閥簡單組合而成的平衡閥的性能往往不夠理想，不能應(yīng)用于工程機(jī)械如起重機(jī)、汽車吊等液壓系統(tǒng)。實際使用的平衡閥為了使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作平穩(wěn)，還要在其各運(yùn)動部位設(shè)置很多阻尼。選擇平衡閥的結(jié)構(gòu)等要根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體要求而定。 為使執(zhí)行元件不工作時液壓泵在很小的輸出功率下運(yùn)行(卸荷)，定量泵系統(tǒng)一般通過換向閥的中位(M型或H型機(jī)能)或電磁溢流閥的卸荷位實現(xiàn)低壓卸荷；變量泵則可實現(xiàn)壓力卸荷或流量卸荷，流量卸荷時換向閥的中位選O型等滑閥機(jī)能。需要指出的是：若換向閥為電液換向閥，采用壓力卸荷時，需保證卸荷壓力不低于液動閥要求的最小控制壓力。 本液壓系統(tǒng)采用帶卸荷的先導(dǎo)溢流閥和滑塊中位為H型的三位四通換向閥。 3.3 超前支護(hù)樣機(jī)液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計 超前支護(hù)液壓實驗平臺主要回路包括立柱支撐回路、推移回路、模擬頂板加載回路等。 3.3.1立柱支撐回路 1-吸油過濾器，2-電機(jī)，3-齒輪泵， 4-單向節(jié)流閥，5-電磁換向閥，6-油缸（帶平衡閥），7-先導(dǎo)溢流閥（帶卸荷的） 圖3-1立柱支撐回路 立柱支撐回路是由一個換向閥，一個節(jié)流閥，一個平衡閥組成的。首先液壓油經(jīng)變量泵輸出，并流向多路閥回路，當(dāng)多路閥中的換向閥處于中間位置時，立柱液壓缸不動作；當(dāng)多路閥中換向閥處于左右位置時，高壓油液通過液控單向閥的作用進(jìn)入立柱液壓缸的上下腔，使得本設(shè)備完成升柱和降柱的動作。同時，立柱回路安裝了液控單向閥，使得當(dāng)立柱處于支撐狀態(tài)時，能夠有效承載。本設(shè)備共有8組立柱回路，由于多路閥回路較為復(fù)雜，可將其進(jìn)行簡化，立柱回路工作原理如圖3.5。 3.3.2推移回路 1-吸油過濾器，2-電機(jī)，3-齒輪泵， 4-單向節(jié)流閥，5-電磁換向閥，6-油缸（帶平衡閥），7-先導(dǎo)溢流閥（帶卸荷 圖3-2推移回路 此推移回路包括節(jié)流閥、3位四通換向閥、平衡閥等。推移回路中的兩個千斤頂分別作用于主副支撐，推移時有可能向前行走有可能向后行走，也有可能停止在某一個位置支撐保護(hù)，所以需要Y型換向閥。平衡閥保證運(yùn)行的平穩(wěn)性。節(jié)流閥的主要作用就是為了控制推移千斤頂?shù)纳斐鏊俣取? 3.3.3模擬頂板加載回路 模擬頂板加載回路，是為了模擬巖層對超前支護(hù)液壓支架的力。而進(jìn)行設(shè)計了頂板加載回路。此回路要求可以對頂板進(jìn)行各種類型的加載實驗。其中包括中心加載、兩邊加載和總體加載，以此來模擬各種巖層的不同接觸方式對頂板的壓力的實驗。 圖3-2模擬頂板加載回路 4 油缸的參數(shù)計算 4. 1 立柱液壓缸設(shè)計與參數(shù)計算 1）液壓缸工作壓力的確定 液壓缸工作壓力主要是根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定的，對不同用途的液壓設(shè)備的類型來確定，對不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，通常采用壓力范圍也不同。設(shè)計時，可用類比法來確定。 設(shè)備類型 機(jī)床 農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型工程機(jī)械 液壓機(jī)、重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械 磨床 組合機(jī)床 龍門刨床 拉床 工作壓力p/(Mpa) 0.8~2.0 3~5 2~8 8~10 10~16 20~32 根據(jù)工礦分析可知，單個液壓缸的負(fù)載F=1.25KN，查表可知液壓缸的工作壓力為10Mpa。 2）液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 通過查閱資料，在確定立柱及千斤頂?shù)臄?shù)量和支撐角度等基本參數(shù)時，均是由超前支護(hù)設(shè)備的工作阻力決定，可由如下公式計算得出： (4-1) 式中： ——超前支護(hù)設(shè)備的工作阻力，kN； ——立柱液壓缸內(nèi)徑，mm；—立柱液壓缸的內(nèi)部壓強(qiáng)，泵站額定壓力為10MPa，考慮到壓力損失此處取8MPa； ——在單組支撐過程中立柱數(shù)量，取4； ——立柱處于支撐狀態(tài)時，立柱的豎直傾角，考慮到超前支護(hù)設(shè)備在支撐時，立柱基本保持垂直狀態(tài)，因此角度取0°。 為了滿足超前支護(hù)設(shè)備的支護(hù)要求，依據(jù)以上的計算結(jié)果并結(jié)合支護(hù)設(shè)備的寬度，根據(jù)查表GB/T2348—1993。最終確定立柱的缸體內(nèi)徑為：=63mm。并根據(jù)超前支護(hù)設(shè)備在升柱和降柱過程中，具有良好的速比等要求，使其速比為2，將立柱的桿徑定為：=45mm。 3）液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來計算。 液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計算 （4-2） 式中 ——液壓缸壁厚（m） D——液壓缸內(nèi)徑（m）代入0.63m Py——試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（Mpa）代入27Mpa ——缸筒材料的許用應(yīng)力。其值為：鍛鋼=110~120Mpa；鑄鋼：=100~110Mpa；無縫鋼管：=100~110Mpa；高強(qiáng)度鑄鐵：=60Mpa；灰鑄鐵：=25Mpa。代入鍛鋼的115Mpa 最終得到=0.07m=7mm 由于本實驗平臺是中低壓系統(tǒng)，按照計算所得的液壓缸壁厚往往很小，使缸體的剛度往往不夠，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或漏油。因此一般不作計算，按經(jīng)驗選取，必要時按上式進(jìn)行校核。 對于D/＜10時，應(yīng)按材料力學(xué)中的厚壁圓筒公式進(jìn)行壁厚的計算 對脆性及塑性材料 （4-3） 式中符號意義同前。 最終得到=0.08m=8mm（用這個數(shù)據(jù)） 液壓缸壁厚算出后，即可求出缸體外徑D1為 （4-4） 式中D1值應(yīng)按無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，或按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。最終確定D1=80mm。 4）液壓缸工作行程的確定 液壓缸的工作行程長度，可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實際工作的最大行程來確定，由于此液壓缸為非標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)我的設(shè)計要求，選用80mm的行程。 5）最小導(dǎo)向長度的確定 當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點的距離H稱為最小導(dǎo)向長度。如果導(dǎo)向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計時必須保證有一定的最小導(dǎo)向長度。 對一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度H應(yīng)滿足以下要求 （4-5） 式中 L——液壓缸的最大行程 D——液壓缸的內(nèi)徑 計算得H≥4+31.5=35.5，取H=36mm 活塞的寬度B一般取B=（0.6~1.0）D；缸蓋滑動支承面的長度l1 ,根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定； 當(dāng)D＜80mm時，取l1 =（0.6~1.0）D 當(dāng)D＞80mm時，取l1 =（0.6~1.0）d。 計算得l1 =63mm 為保證最小導(dǎo)向長度H，若過分增大l1 和B都是不適宜的，必要時可在缸蓋與活塞之間增加一隔套K來增加H的值。隔套的長度C由需要的最小導(dǎo)向長度H決定，即 （4-6） 6）缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體從長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍。 最終確定缸體長度305mm。 超前支護(hù)設(shè)備的主要支撐元件即為立柱。當(dāng)設(shè)備處于支撐狀態(tài)時，由于會受到頂板等外界條件的擾動，使得超前支護(hù)設(shè)備的支護(hù)性能會受到影響，并直接影響著立柱的工作性能。因此，對立柱的選型設(shè)計是至關(guān)重要的，其必須具備如下基本特性:足夠的抗壓強(qiáng)度、良好的密封性能、工作阻力合理等。 根據(jù)超前支護(hù)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)設(shè)計要求，立柱液壓缸選用單活塞雙作用液壓缸。此種液壓缸與同類液壓缸相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，使用方便，可以通過液壓力實現(xiàn)升降柱等特點。同時，在本設(shè)備設(shè)計過程中，充分考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本的問題，將立柱的下端以法蘭的連接方式加裝機(jī)械支筒，以滿足支護(hù)高度的變化要求。 7) 油缸穩(wěn)定性驗算 a) 油缸在工作時所承受的壓應(yīng)力最大，所以有必要驗算活塞桿的壓穩(wěn)定性。 活塞桿斷面最小慣性矩： ==2.012x (4-7) b) 活塞桿斷面最小回轉(zhuǎn)半徑 mm (4-8) c) 活塞桿柔性系數(shù) ==7.11 (4-9) 式中，——為長度折算系數(shù)，對于兩端鉸接約束方式一般取1； L——為有效計算長度。 d) 鋼材柔度極限值 ==60.7 (4-10) 式中，——45號鋼比例極限，=550Mpa； E——材料彈性模量E=2.06。 e) 從以上計算可知，，即為大柔度壓桿，穩(wěn)定力為： =63852.0N (4-11) f) 油缸最大閉鎖力 =31156.65N (4-12) g) 穩(wěn)定系數(shù) ==2.05 (4-13) 8) 立柱實際工作阻力和安全閥壓力計算 超前支護(hù)設(shè)備立柱的實際工作阻力，是指當(dāng)立柱的內(nèi)部壓力達(dá)到變量泵的額定壓力時所受到的工作阻力。超前支護(hù)設(shè)備實際工作阻力： (4-14) 式中：——超前支護(hù)設(shè)備的實際工作阻力，N； ——超前支護(hù)設(shè)備的額定工作壓力，取10MPa。 根據(jù)上式計算得出kN。 通過對比單根立柱所承受的理論工作阻力可知： kNkN 說明選取=63