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中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 摘 要 采煤綜合機(jī)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(shí)現(xiàn)煤 炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施 綜合機(jī)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(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一 液壓支架主要包括以下幾個基本部分組成 頂梁 掩護(hù)梁和四連桿機(jī)構(gòu) 側(cè)護(hù) 板 底座 立柱 千斤頂 設(shè)計(jì)要遵從支護(hù)性能好 強(qiáng)度高 移架速度快 安全可 靠等原則 在支撐掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)過程中 四連桿機(jī)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是重點(diǎn) 本論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu) 類型 工作原理 特點(diǎn) 目的及要求 對支撐掩護(hù) 式液壓支架作了詳盡的分析和介紹 講述了這種支架的方案和用途 另外 對液壓 支架的結(jié)構(gòu)性能 受力狀況和如何選型等進(jìn)行了分析 同時介紹了液壓支架的使用 維修和故障排除等問題 關(guān)鍵詞 液壓支架 支護(hù) 四連桿機(jī)構(gòu) 底座 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 目 錄 摘 要 1 目 錄 1 1 緒 論 1 1 1 液壓支架的工作原理 1 1 2 液壓支架的工作過程 1 1 3 支架組成 3 1 4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用 3 1 4 1 頂梁 3 1 4 2 掩護(hù)梁 4 1 4 3 底座 5 1 4 4 前后連桿 5 1 4 5 推移機(jī)構(gòu) 8 1 5 液壓系統(tǒng)及其控制元件 8 1 6 支架的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 9 2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2 1 液壓支架的選型 11 2 1 1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選 11 2 1 2 液壓支架的架形選擇原則 12 2 1 3 影響架形選擇的因素 13 2 2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 14 2 3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 2 3 1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 15 2 3 2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 16 2 3 3 四連桿機(jī)構(gòu)的繪制 18 2 3 4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和形式的確定 20 2 3 5 液壓支架的總體布置 25 2 3 6 支架的主要結(jié)構(gòu) 26 2 4 擬定液壓系統(tǒng) 30 3 支架的強(qiáng)度計(jì)算 32 3 1 支架的工作狀態(tài) 32 3 2 支架載荷的確定 32 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 3 3 支架受力分析 33 3 4 頂梁載荷分布 36 結(jié)束語 38 致 謝 39 參考文獻(xiàn) 40 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 3 1 緒 論 液壓支架作為煤礦長壁綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備 近年來得了迅速地發(fā)展 它與 綜采系統(tǒng)中的 三機(jī) 刮板輸送機(jī) 轉(zhuǎn)載機(jī) 帶式輸送機(jī) 配合使用 是煤礦開 采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志 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(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式架型發(fā)展 架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善 設(shè)計(jì) 方法更先進(jìn) 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(qiáng)度鋼材 支架的壽命和可靠性大大提高 在綜合機(jī)械化采煤過程中 液壓支架擔(dān)當(dāng)著極其重要的角色 其主要功能不僅 用于支撐管理頂板 隔離采空區(qū) 維護(hù)采煤作業(yè)空間 并能自行前移 推進(jìn)采煤工 作面輸送機(jī)和采煤機(jī) 因此 液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關(guān)鍵因素 之一 另外 合理的選用采煤設(shè)備并結(jié)合先進(jìn)的采煤工藝 可解決采煤工作面的采 煤支護(hù)運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)之間的矛盾 可有效地提高工效增加成本減少損耗保護(hù)生產(chǎn) 人員和設(shè)備的安全 以及減輕笨重的體力勞動 可為煤礦獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益 1 1 液壓支架的工作原理 液壓支架是由乳化液泵站提供高壓乳化液 這里采用水包油型乳化液 作為動 力 由液壓操作系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 液壓油缸和金屬構(gòu)件組成 來自泵站的高壓乳化 液 經(jīng)主進(jìn)液管送到工作面 并與每架支架的進(jìn)液截止閥相連導(dǎo)入支架 再經(jīng)過組 合操縱閥配液到各液壓缸 以完成支架所需的各項(xiàng)動作 從支架回流的低壓乳化液 通過組合操縱閥與回液截止閥由主回液管路流回泵站乳化液箱 供循環(huán)使用 支架的承載原理是 液壓支架支撐在綜采工作面的頂?shù)装逯g支撐頂板 頂板 壓力作用在頂梁上 并通過頂梁和底座間立柱將壓力傳遞底板 為保證支架結(jié)構(gòu)件 的強(qiáng)度及撐在支架頂安全 在立柱的下腔裝有安全閥 當(dāng)頂板壓力超過立柱安全閥 限定壓力時 安全閥開啟釋放出立柱中的液體進(jìn)行讓壓 當(dāng)頂板壓力下降到立柱工 作阻力時 安全閥關(guān)閉進(jìn)行保壓承載 1 2 液壓支架的工作過程 液壓支架對頂?shù)淖饔眠^程主要取決于流體靜力學(xué)原理工作的立柱工作過程 現(xiàn) 以圖 1 1 所示的典型立柱控制系統(tǒng)來說明支架的工作過程 支架操作的基本功作過程為 急增阻階段 緩增阻階段 恒阻階段 無作用階 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 4 段四個階段 圖 立柱控制系統(tǒng) 立柱 安全閥 液控單向閥 操縱閥 P 高壓管路 O 回液管 1 泵壓撐頂 支架對頂板急增阻階段 操縱閥手把置于 A 位 從泵站來的壓力液經(jīng)高壓管路 P 打開液控單向閥 3 進(jìn)入 立柱下腔 立柱上腔與回液管 O 連通 因而活柱伸出使支架升起接頂 對頂板產(chǎn)生 支撐力 支架接頂后 泵壓使下腔內(nèi)的液體壓強(qiáng)迅速上升 支架對頂頂板支撐力急 劇增加 這就是支架對頂板的急增阻階段 2 閉鎖承載 支架對頂板緩增阻階段 操縱閥手把放回零位后 立柱下腔內(nèi)的壓力液被液控單向閥閉鎖 不能流出 從而使支架保持對頂板的支撐狀態(tài) 隨著頂板逐漸下沉 立柱下腔內(nèi)的液體受到進(jìn) 一步壓縮 壓強(qiáng)逐漸增高 使直接對頂板產(chǎn)生更大的支撐力 力圖阻止或延緩頂板 下沉 一般情況下 頂板下沉比較緩慢 支架對頂板的支撐力增長也就相應(yīng)緩慢 所以這個階段被稱為支架對頂板緩增阻階段 3 溢流承載 支架對頂恒阻階段 頂板繼續(xù)下沉 立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)繼續(xù)升高 當(dāng)達(dá)到立柱安全閥的調(diào)定值時 安全閥便開啟溢流 使立柱下腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持定植 從而支架對頂板的支撐力不變 即支架處于對頂板恒阻階段 4 解鎖降柱 支架與頂板無作用階段 采煤機(jī)截煤后 欲將支架移到新的位置 首先把操縱閥手把置于 B 讓從泵站來 的壓力液進(jìn)入立柱上腔 同時作用于液控單向閥的頂桿活塞 迫使液控單向閥開啟 解除對立柱下腔液體的閉鎖 允許其回到回液管 這時 活柱縮回 支架降落離開 頂板 支架對頂板無壓力 在這一階段如要保證頂梁平行下降需協(xié)調(diào)操縱平衡千斤 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 5 頂操縱閥 需要說明 目前為了防止破碎頂板漏頂 掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架可以采用擦 頂帶移架方式 即支架頂梁實(shí)際并不脫離頂板 在移架過程中仍保持約每柱五噸左 右的支撐力 因而 對于擦頂帶壓移架方式 此階段應(yīng)是解鎖卸載 支架對頂板仍 有輕微作用力 1 3 支架組成 液壓支架主要由金屬結(jié)構(gòu)件 油缸和液壓控制元件三大部分組成 1 金屬結(jié)構(gòu)件主要有頂梁 掩護(hù)梁 前梁 前連桿 后連桿 底座 側(cè)護(hù)板 護(hù)幫板等 2 油缸主要有雙作用單伸縮立柱 推移千斤頂 平衡千斤頂 側(cè)護(hù)千斤頂 前梁千斤頂?shù)?3 液壓控制元件主要有液壓控制閥 操縱閥 雙向鎖 安全閥 截止閥等及 液壓輔助元件等 1 4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用 1 4 1 頂梁 頂梁采用整體頂梁直接與頂板接觸 支撐頂板負(fù)荷 是支架的主要承載部件之 一 由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu) 以滿足強(qiáng)度和剛度要求 結(jié)構(gòu)如圖 1 2 所示 1 右側(cè)護(hù)板 2 主頂梁 3 側(cè)推千斤頂 4 前梁千斤頂耳座 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 1 2 主頂梁 其主要作用是 l 承接頂板巖石及煤的載荷 2 反復(fù)支撐頂煤 可對比較堅(jiān)硬的頂煤起破碎作用 3 隔離頂板 為回采工作面提供足夠的安全空間 本支架采用分段組合式頂梁結(jié)構(gòu) 剛性頂梁 鉸接式前梁 強(qiáng)度高 對頂板維 護(hù)較好 另外 在頂梁前部還布置有起吊耳 可方便吊掛較小的機(jī)件 1 4 2 掩護(hù)梁 1 護(hù)幫板耳座 2 側(cè)推千斤頂座 3 側(cè)護(hù)板 4 側(cè)推千斤頂 5 前連桿耳座 6 后連桿耳座 7 護(hù)幫千斤頂耳座 8 彈簧筒 圖 1 3 掩護(hù)梁 掩護(hù)梁分別與頂梁和前 后連桿連接 其主要作用有 1 承受上部頂板傳給的水平分力和側(cè)向力 增強(qiáng)支架的抗扭性能 2 掩護(hù)梁與前后連桿 底座形成四連桿機(jī)構(gòu) 保證支架的穩(wěn)定性 3 阻擋后部落煤 維護(hù)工作空間 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 7 1 4 3 底座 底座是將頂板承受的壓力通過立柱傳遞到底板并穩(wěn)定支架的主要結(jié)構(gòu)件 該支 架設(shè)計(jì)為整體剛性底座 底座接底面積大 有利于減小對底板的比壓 該型底座的 缺點(diǎn)是在推移機(jī)構(gòu)外易積存浮煤碎矸 要求及時清理 底座結(jié)構(gòu)如圖 1 3 所示 1 過橋 2 推移千斤頂耳座 3 立柱銷孔 4 前連桿銷孔 5 后連桿銷孔 6 側(cè)板 圖 1 4 底座 其主要作用是 1 將上方載荷傳遞給底板 為立柱 推移裝置及其他輔助裝置提供安裝空間 2 給工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境 3 保證支架的穩(wěn)定性 1 4 4 前后連桿 前 后連桿分別與掩護(hù)梁和底座鉸接 共同形成四連桿機(jī)構(gòu) 前連桿采用鑄鋼 件 鑄件中不得有氣孔 砂眼 夾雜等 以免降低強(qiáng)度 嫌少使用壽命 鑄后要進(jìn) 行淬火和高溫回火 以降低硬度 增加強(qiáng)度和韌性 對于后連桿 由于不僅受到冒 落矸石的載荷 還要承受頂板的水平推力 所以要求它有較大的強(qiáng)度 這里采用整 體式 前后連桿的結(jié)構(gòu)如圖 1 5 圖 1 6 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 1 5 前連桿 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 1 6 后連桿 其主要作用是 l 使支架在調(diào)高范圍內(nèi) 頂板平穩(wěn)地升降 并使頂梁前端與煤壁的距離 梁 端距 變化盡可能小 更好地支護(hù)頂板 2 承受頂板的水平分力和側(cè)向力 使立柱不受側(cè)向力 本支架采用正四連桿機(jī)構(gòu) 為使冒落矸石不從連桿處涌入支架內(nèi) 后連桿為整 體式 前連桿為分體式 均為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗拉 抗壓 和抗扭性能 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 10 1 4 5 推移機(jī)構(gòu) 圖 1 7 推移框架 支架的推移機(jī)構(gòu)包括推桿 連接頭 推移千斤頂和銷軸等 主要作用是推移輸 送機(jī)和拉移支架 推移連桿的一端通過連接頭與輸送機(jī)相連 另一端通過推移千斤 頂與底座相連 推移連桿除承受推拉力外 還承受一定的側(cè)向力防止底座的下滑 1 5 液壓系統(tǒng)及其控制元件 支架液壓系統(tǒng)由乳化液泵站 主進(jìn) 主回液膠管 各種液壓元件 立柱及各種千 斤頂?shù)冉M成 支架操縱方式采用鄰架操作控制 使用快速接頭拆裝方便 性能可靠 由乳化液泵站輸出的高壓乳化液經(jīng)主進(jìn)液管 支架進(jìn)液截止閥 過濾 器 操縱閥 立柱或各千斤頂 架液截止閥 主回液膠管 乳化液泵站 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 11 1 6 支架的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 結(jié)合首采工作面及礦區(qū)此類地質(zhì)構(gòu)造條件下 使用 ZD2400 13 22 4 二柱掩護(hù)式 支架的成功經(jīng)驗(yàn) 本架型應(yīng)有如下特點(diǎn) 1 支架型式為 帶機(jī)械加長的四柱支撐掩護(hù)式厚煤層液壓支架 2 對支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 梁端距變化應(yīng)小 頂梁前部較薄強(qiáng)度 剛度應(yīng) 充分保證 3 支架的四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要從考慮梁端距變化量控制著手 并能與其它構(gòu)件 形成剛性好 強(qiáng)度高 穩(wěn)定性好的整體結(jié)構(gòu) 4 整體頂梁和掩護(hù)梁帶單側(cè)活動長側(cè)護(hù)板 能實(shí)現(xiàn)對護(hù)頂?shù)膰?yán)密調(diào)整 5 封底底座 減小底座比壓 增大底座剛度 強(qiáng)度 6 架的整體構(gòu)造應(yīng)有 人機(jī)學(xué) 的觀點(diǎn) 結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊 操作方便 制造成本降 低 7 采用雙紐線連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護(hù)梁和支架底座 以增加支撐力 增強(qiáng)支架的穩(wěn) 定性 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 液壓支架的選型 2 1 1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選 根據(jù)以往液壓支架設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 考慮到不同架型 和機(jī)構(gòu)的支架 圍巖力 學(xué)相互作用 支撐力矩 底板比壓等特點(diǎn) 可以對掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行比 較 1 液壓支架的力學(xué)特征綜述 見表 2 12 表 2 1 不同結(jié)構(gòu)液壓支架的力學(xué)特征比較 支架型式 結(jié)構(gòu)特征 主要力學(xué)特性 支掩式 二支柱掩護(hù)式 支架承載力較小 底板比壓均勻 主動水平力較大掩護(hù)式 支頂式 二柱支頂掩護(hù) 式 支架承載力大 穩(wěn)定性好 底座尖端比壓較大 對頂板的主動水平力較大 前端支撐力大 支頂支掩 四柱 或三柱 穩(wěn)定性好 抗水平力強(qiáng) 比壓均勻 但支柱能力利 用率低 四柱 X 型 頂梁合力調(diào)節(jié)范圍大 伸縮比大 承載力高 支撐掩護(hù)式 支頂式 四柱支撐掩護(hù) 式 承載力大 切頂能力強(qiáng) 比壓較均勻 2 支架選型要素及簡要評價 液壓支架結(jié)構(gòu)選型必須考慮的要素及對各類型支架的評價 見表 2 2 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 13 表 2 2 支架類型評價 見下頁 支架類型 支撐式 要素 插底掩護(hù) 式 一般掩護(hù) 式 支撐掩護(hù) 式 垛式 節(jié)式 直接頂冒落傾向 優(yōu) 良 良 差 差 基本頂周期來壓 差 良 優(yōu) 優(yōu) 良 底板壓入傾向 良 差 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 防煤壁片幫 優(yōu) 良 優(yōu) 差 差 通風(fēng)斷面 差 良 良 差 差 頂梁前端支撐力 優(yōu) 良 良 差 差 頂梁后段切頂性 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 對頂板遮蓋率 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差 隔絕采空區(qū)能力 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差 橫向穩(wěn)定性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差 對采高適應(yīng)性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差 支撐效率 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 支護(hù)強(qiáng)度 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 支架圍巖適應(yīng)性 對傾角適應(yīng)性 良 優(yōu) 良 良 差 2 1 2 液壓支架的架形選擇原則 在選擇液壓支架時既要保證對工作面頂板實(shí)現(xiàn)可靠的支撐 又要避免過大的設(shè) 備投資 導(dǎo)致不必要的浪費(fèi) 因此 液壓支架的正確選型對于工作面經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系 重大 液壓支架架形的選擇 主要取決于液壓支架的力學(xué)性能是否適用礦井的頂?shù)装?條件和其它地質(zhì)條件 在同時允許選用幾種架形時 應(yīng)優(yōu)先選用價格便宜的支架 支承式支架最便宜 其次為掩護(hù)式 支承式支架適合于穩(wěn)定頂板 掩護(hù)式支架適合 于中等穩(wěn)定和一般破碎的頂板 支承掩護(hù)式支架適合于周期來壓強(qiáng)烈 中等穩(wěn)定和 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 穩(wěn)定頂板 在綜采工作面支架選型時 還應(yīng)注意下述四點(diǎn)原則 1 對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板 應(yīng)優(yōu)先選用二柱掩護(hù)式支架 但在底板極松 軟條件下 必須嚴(yán)格驗(yàn)算并限制支架底座尖端比壓 不得超過底板容許比壓即極限 載荷強(qiáng)度 在此條件下 通常應(yīng)避免使用重型支架 2 對于非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來壓強(qiáng)烈和十分強(qiáng)烈的頂板 應(yīng) 優(yōu)先考慮選取四柱支撐掩護(hù)式支架 3 眾所周知 三點(diǎn)決定一個平面 由于頂板不平 四柱式支架中總有一根支 柱對頂板的實(shí)際支撐力很低 因而二柱式掩護(hù)支架支撐能力利用率高于四柱式 即 二柱式支架對頂板的實(shí)際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架 特別是對機(jī) 道上方頂板的支護(hù)強(qiáng)度 4 在不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架應(yīng)注意對機(jī)道上方的頂板控制 包括 增加前任阻力及可伸縮前梁等 2 1 3 影響架形選擇的因素 液壓支架的選型受到礦井的煤層 地質(zhì) 技術(shù)和設(shè)備條件的限制 因此 以上 因素都會影響到支架的選型 液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件 一般情況下可根據(jù)頂板的級別 由表 3 1 5 見 綜采技術(shù)手冊 上冊 中直接選出架型 1 煤層厚度 當(dāng)煤層厚度超過 1 5m 頂板有側(cè)向推力和水平推力時 應(yīng)選用抗扭能力強(qiáng)的 支架 一般不用支承式支架 當(dāng)煤層厚度達(dá)到 2 5m 2 8m 以上時 需選擇帶有護(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支承 掩護(hù)式支架 煤層厚度變化大時 應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護(hù)式 帶有機(jī)械加長桿或雙伸 縮立柱的支架 假頂分層開采 應(yīng)選用掩護(hù)式支架 2 煤層傾角 煤層傾角25 時 排頭支架設(shè)防倒滑裝置 工作面中部支架設(shè)底調(diào)千斤頂 工 作面中部輸送機(jī)設(shè)置防倒滑裝置 3 底板強(qiáng)度 驗(yàn)算比壓 應(yīng)使支架底座對底板的比壓不超過底板允許比壓 為使移架容易 設(shè)計(jì)時要使支架底座前部比后部的比壓小 4 瓦斯含量 對瓦斯涌出量大的工作面 應(yīng)符合保安規(guī)程的要求 并選用通風(fēng)端面較大的支 承式或支承掩護(hù)式支架 5 煤層硬度 當(dāng)煤層為軟煤層時 支架最大采高一般 2 5m 中硬煤層時 支架最大采高一般 2 24m 硬煤層時 支架最大采高 5m 6 地質(zhì)構(gòu)造 斷層十分發(fā)育 煤層變化過大 頂板的允許暴露面積在 5 8 以下時 時間在 20min 以上時 暫不宜使用綜采 7 設(shè)備成本 綜合各條件 宜選用支撐掩護(hù)式支架的架形 即本人畢業(yè)設(shè)計(jì)所選擇架型 2 2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) ZD2400 13 22 4 型支撐掩護(hù)式液壓支架 工作阻力 2400kN 支架高度 1 3 2 24m 支架寬度 1 42 1 59m 初撐力 1884KN 支護(hù)強(qiáng)度 730KN m 在使用范圍內(nèi) 2 采用 ZD2400 13 22 4 型支撐掩護(hù)式液壓支架 其工作阻力為 2400kN 初撐力 1884kN 支護(hù)強(qiáng)度大于 730KN m 對底板的比壓為 10 5MPa 能夠滿足地質(zhì)條件2 及礦區(qū)的要求 支架寬度為 1420 1590mm 中心距為 1 5m 支架最低時長 5m 左右 支架高度為 1 3 2 24m 滿足其采高要求 考慮運(yùn)輸機(jī)的拉架強(qiáng)度 支架總量約為 10 5t 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 16 2 3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 3 1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 具有四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架從問世以來 經(jīng)過長期的實(shí)踐考驗(yàn) 顯示出巨大優(yōu) 越性 并從根本上克服了支撐式支架穩(wěn)定性和力學(xué)持性的缺陷 成為液壓支架技術(shù) 發(fā)展史上的一個重要里程碑 四連桿機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架的主要穩(wěn)定機(jī)構(gòu) 其主要作用是保證支架的縱向和 橫向穩(wěn)定性 承受和傳遞外載 保持支架的整體剛度 因此 對液壓支架的研究常 常離不開對四連桿機(jī)構(gòu)的研究和認(rèn)識 下面通過對液壓支架的運(yùn)動過程進(jìn)一步分析 四連桿機(jī)構(gòu)的特性和作用 支架升降時頂梁的運(yùn)動軌跡是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的 即 由頂梁與掩護(hù)梁交點(diǎn) E 的軌跡所決定 根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析 E 點(diǎn)的運(yùn)動軌跡一般為 一條雙紐線 如圖 2 1 所示 合理設(shè)計(jì)四連桿參數(shù) 即可控制 E 點(diǎn)的運(yùn)動軌跡 改 善支架支 護(hù)性能 減少連桿受力 圖 2 1 支架四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡 支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運(yùn)動時 E 點(diǎn)的運(yùn)動軌跡呈 3 種形式 雙向擺 動 ABCD 段 單向向后擺動 BC 段 和單向向前擺動 AB 段和 CD 段 選擇不同的 四連桿參數(shù) 可以使 E 點(diǎn)軌跡處于上述 3 種曲線段 支架工作時 受到頂板載荷的 作用 有下縮趨勢 當(dāng) E 點(diǎn)軌跡處于 AB 段時 頂梁相對于頂板有向煤壁移動的趨 勢 頂板對頂粱的摩擦力指向采空區(qū)側(cè) 當(dāng) E 點(diǎn)軌跡處于 BC 段時 頂梁相對于頂板 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 17 有向采空區(qū)移動的趨勢 此時頂板對頂梁的摩擦力指向煤壁 當(dāng)頂板運(yùn)動趨勢超過 支架運(yùn)動趨勢時 頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運(yùn)動趨勢 從頂板管理方面分析 頂梁向煤壁方向移動比頂梁向來空區(qū)方向移動有利 前 者對于保持粱端頂板處于擠壓狀態(tài)有利 而后者容易導(dǎo)致頂板產(chǎn)生離層或斷裂 造 成頂板斷裂線前移或梁端冒頂 因此 合理設(shè)計(jì)四連桿參數(shù) 使支架工作段內(nèi) E 點(diǎn) 軌跡處于 AB 段比較理想 但對于調(diào)高范圍大的支架 要達(dá)到要求是困難的 然而 由于四連桿銷孔間隙的作用 使 E 點(diǎn)實(shí)際運(yùn)動軌跡與上述理論軌跡不完全相同 為 了保持支架梁端距的穩(wěn)定 一般應(yīng)控制梁端擺動幅度 30 80mm 液壓支架的xE 縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的 而不取決于立柱的多少 液壓支架實(shí)際受力狀態(tài)十分復(fù)雜 經(jīng)常受到非對稱載荷和橫向載荷的作用 保 持支架橫向穩(wěn)定性和整體剛性十分重要 如圖示支架立柱為二力構(gòu)件 不具有承受 較大橫向載荷的能力 支架的橫向載荷只能靠四連桿機(jī)構(gòu)承受 2 3 2 四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)時 要根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性來確定 其四連桿機(jī)構(gòu)的幾何 特性如下 1 支架從最高高度降到最低高度時 如下圖所示頂梁端點(diǎn)運(yùn)動軌跡的最大寬度 e 應(yīng)小于或等于 70mm 最好為 30mm 以下 Qe1hPe 24 O四 連 桿 機(jī) 構(gòu) 幾 何 特 征 圖 圖 2 2 四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征圖 2 掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)到頂梁頂面之距離 H 和后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面之距 Y 如圖0 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 18 2 2 所示 當(dāng)支架高度確定后 要用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu) 首先要根據(jù)配套尺寸 L 此處 L 2088mm 初步確定頂梁長度 L 2150mm 和底座長 L 2380mm 然aa f e 后確定頂梁與掩護(hù)梁鉸點(diǎn)相對于后連桿下鉸點(diǎn)的水平距離 該鉸點(diǎn)至頂梁頂面距 H 和后連桿下鉸點(diǎn)的高度 Y 0 H 一般根據(jù)支架工作阻力初步確定頂梁梁體的高度后 在根據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性確2 定 一般支架距 H 150 200mm 重型支架可取 H 210 260mm 2 2 Y 一般根據(jù)支架最小高度確定 薄煤層支架取 Y 150 250mm 對中厚煤0 0 層支架取 Y 250 450 對大采高支架取 Y 450 600 mm 0 3 支架最大和最小高度時掩護(hù)梁與水平夾角 A 和 Amaxin 掩護(hù)梁是掩護(hù)采面工作空間密封隔離采空區(qū)的重要梁體 它不直接支撐頂板 而是作為重要的傳力構(gòu)件 把頂梁載荷傳遞到四連桿機(jī)構(gòu) 這對保持支架 圍巖力 學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定有著顯著的作用 其主要表現(xiàn)是 掩護(hù)梁載荷參與頂梁的力矩平衡 提高了梁端承載能力 支架受到一個指向煤壁的水平推力 當(dāng)支架處于支護(hù)工況 時 有阻止頂板巖體向來空區(qū)移動的作用 而當(dāng)處于移架工況時 有利于克服架體 各方面的摩擦力 增強(qiáng)架體運(yùn)動的穩(wěn)定性 掩護(hù)梁水平投影過大 將增大掩護(hù)梁載 荷 并承受頂板巖塊的沖擊載荷 而掩護(hù)梁載荷過大將減小頂板支護(hù)強(qiáng)度 造成移 架困難 一般掩護(hù)式支架取 A 58 62 支撐掩護(hù)式支架取 A 60 70 max max 在支架最小支護(hù)高度時 掩護(hù)梁傾角應(yīng)保證移架過程中掩護(hù)梁背負(fù)的矸石能沿 梁體下滑 即滿足 tan A 其中 為巖石與鋼的靜摩擦因數(shù) 一般為inf 0 15 0 3 若取 0 3 則 A 17 設(shè)計(jì)中一般可取 A 12 18 fmi min 4 掩護(hù)梁與后連桿長度比的確定 在用作圖法確定四連桿機(jī)構(gòu)時 桿長比主要根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定 一般應(yīng)保證 A 5 使后連桿在第一象限內(nèi)擺動 根據(jù)近百種支架的統(tǒng)計(jì) 掩護(hù)梁與后連桿的0 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 長度比 L L L 對兩柱掩護(hù)式支架一般為 1 4 2 1 對四柱支撐掩護(hù)式支bcd 架一般為 1 2 1 8 經(jīng)計(jì)算 此處掩護(hù)梁與后連桿的長度比 2175 1384 1 57 掩護(hù)梁與前后連桿鉸點(diǎn)間的距離可根據(jù)支架高度及連桿銷子直徑確定 一般取 300 500mm 前后連桿間夾角越大 連桿力越小 5 支架工作段要取曲線向前突的一端 如上圖所示的 H 段 其原因是當(dāng)頂板來1 壓時 立柱讓壓而下縮 使頂梁有前移的趨勢防止巖石向后移動 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動 使整個支架產(chǎn)生順時針 方向轉(zhuǎn)動的趨勢 從而增加了前梁斷部的支護(hù)力 防止頂梁前斷頂部冒落又可以使 底座前端比壓減小 可防止啃底 有利移架 水平力的合力也相應(yīng)的減小 由于支 架所承受的水平力由掩護(hù)梁來克服 所以減輕了掩護(hù)梁受力 從以上的分析可知 為使支架受力合理和工作可靠 在設(shè)計(jì)四連機(jī)構(gòu)時曲線運(yùn) 動軌跡應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前突的一段 所以當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿長度 已知后 從這個觀點(diǎn)出發(fā) 在設(shè)計(jì)時只要把掩護(hù)梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 進(jìn)行作圖就可以了 2 3 3 四連桿機(jī)構(gòu)的繪制 1 掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的四連桿機(jī)構(gòu)都是雙搖桿機(jī)構(gòu) 雙搖桿機(jī)構(gòu)形成 的條件是 最短桿 c 和最長桿 b 之和小于其余兩桿長度之和 而最短桿為上連桿 掩護(hù)梁 最短桿的對邊 a 為固定桿 底座 即 c b15 在 J 點(diǎn)作 角 再取 JC 一 定長度與 HC 交與 C 點(diǎn) C 點(diǎn)作為后連桿和掩護(hù)梁的鉸接軸 以 J 為圓心 JC 為半徑畫一弧 ab 以 I 為圓心 以 HC 的長度為半徑畫弧與弧 ab 交于 E 點(diǎn) C 點(diǎn)和 E 點(diǎn)就是后連桿在支架為最低高度和最低高度時的極限位置 在 CH 上取一長度 CD 必須 CDDC 這樣 CD 就是最短桿 而且要使 CD DG CJ JG 于是 G 點(diǎn)成為前連桿和底座的鉸接軸 IH 之間的軌跡的校核 在 CE 弧內(nèi)平均取幾點(diǎn) 例如 1 2 3 點(diǎn) 依次地以 1 2 3 為圓心 以 CD 長為半徑畫弧 與以 G 點(diǎn)為圓心 GD 為半徑的 FD 弧交于 1 2 3 點(diǎn) 連接 11 22 33 并都給于延長得 1 2 3 點(diǎn) 使 11 22 33 CH 這樣 I3 2 1 所形成得曲線要接近直線 即 e 75mm 如果差別太大 要改 變四連桿得尺寸或角度 以上述的過程重新畫出 I H 間得軌跡 使近似與直線 要求水平偏離量不超過規(guī)定值以外 對 角的變化要求均勻 特別要注意在最大 高度時 不要發(fā)生突變 角是連桿瞬時中心與掩護(hù)梁鉸接軸的連線和頂梁延長線之 間的夾角 CDH 上的 D 點(diǎn)可以不在 CH 的連線上 如圖 2 4 按上述方法作圖 得到前連桿的長度為 1450mm 與底座的高度為 580mm 后 連桿的長度為 1430mm 與底座的高度為 240mm 其余具體尺寸如圖 測得 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 21 e 42 24mmx Lg 3 時 載荷呈梯形分布 如上圖 3 6 所示 頂梁前端比壓為 MPa 3B 26 2101 mLgxFq 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計(jì) 39 頂梁后端比壓為 MPa 3B 64 31021 mLgxFq 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 40 結(jié)束語 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的液壓支架為 ZD2400 13 22 4 型 經(jīng)過多次反復(fù)的計(jì)算與 校核 其強(qiáng)度和性能都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求 通過本次設(shè)計(jì) 我對液壓支架的工作原理 及其設(shè)計(jì)過程與步驟有了透徹的了 解 并且了解了一些發(fā)達(dá)國家關(guān)于液壓支架的最新研究成果和目前世界上各種先進(jìn) 液壓支架的特點(diǎn) 及液壓支架在將來的發(fā)展前景 拓寬了我的知識視野 開闊了我 的理性思維 為我將來無論是走向工作崗位 還是繼續(xù)學(xué)習(xí)深造都奠定了堅(jiān)實(shí)的基 礎(chǔ) 本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 底座和推移框架等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì) 通 過對這方面的研究 我掌握了一定的方法 四連桿機(jī)構(gòu)是我們在日常生活中常見的 機(jī)構(gòu) 并且是應(yīng)用最為平凡的機(jī)構(gòu) 掌握好對四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析將是我這次設(shè) 計(jì)的最大收獲 底座是液壓支架的基礎(chǔ)構(gòu)件 也是液壓支架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn) 其 中底座的選型 選材和焊接結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵 它關(guān)系到液壓支架的使用壽命 安全性 及其穩(wěn)定性 通過對四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析和底座結(jié)構(gòu)的綜合選型 我深刻理解的 液壓支架安全設(shè)計(jì)的重要性 另外 在設(shè)計(jì)過程中 我進(jìn)一步提高了個人發(fā)現(xiàn)問題 分析問題 解決問題的 能力 并且我對大學(xué)四年所學(xué)基礎(chǔ)知識和專業(yè)課知識作全面鞏固和全新的總結(jié) 我 能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)知識用于實(shí)踐 也許這次設(shè)計(jì)只是我人生萬里長征的第一步 我想有了此次設(shè)計(jì)的經(jīng)歷和方法 我將會在我所學(xué)領(lǐng)域做出更多的成績 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 41 致 謝 歲月流逝 時光匆匆 兩個多月的時間在不知不覺與充實(shí)勞頓中度過 畢業(yè)設(shè) 計(jì)即將尾聲 我感覺到一種前所未有的成就感和喜悅感 因?yàn)檫@次成功的設(shè)計(jì)不僅 僅是我人生的第一次真真正正 完完全全的設(shè)計(jì) 更是我汗水與心血的結(jié)晶 我欣 慰自己能夠?qū)⑽宜鶎W(xué)知識與實(shí)踐相結(jié)合 更欣慰自己有勇氣和膽量去嘗試 去追求 去創(chuàng)新 在此次液壓支架設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)過程中 指導(dǎo)老師給予了我親切的關(guān)懷和大力幫助 使本人無論在學(xué)習(xí)方法方面 還是在研究分析問題能力方面都有了很大的提高 借 此之際 特向指導(dǎo)老師表示衷心的感謝 另外 在液壓支架方面有著多年教學(xué)與實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)的任保才老師在我設(shè)計(jì)過程中也給予大量辛勤的指導(dǎo)工作 在此我一并對任 老師表示感謝 此外 對在我設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)過程中 給予幫助的老師和同學(xué)表示感謝 最后 感謝各位評閱老師在百忙之中評閱本文 由于時間倉促 本人水平有限 難免有錯誤和不足之處 敬請各位老師指正與賜教 祝 各位老師工作順利 身體健康 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì) 42 參考文獻(xiàn) 1 丁紹南 編著 液壓支架設(shè)計(jì) 世界圖書出版社 1995 2 成大先 主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 第三版 化學(xué)工業(yè)出版社 1999 3 賈悅謙 主編 綜采技術(shù)手冊 上 下 煤炭工業(yè)出版社 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