立柱千斤顶工作特性仿真计算及刚度校核设计说明书毕业论文.doc

中国矿业大学2007届本科毕业设计第1页第1章前言液压支架以液压为动力实现升降、前移等运动，既能支撑又能维护顶板的支护设备，为采煤工作面综合机械化的主要设备。和刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。1.1立柱设计的意义我国是世界主要产煤国家，煤矿总数超过全世界其他所有国家煤矿的总和。综采技术经过30多年发展，积累了丰富的经验，高产高效矿井建设已初见成效。发展综采技术是建设高产高效矿井的重要任务，加大技术改造力度，优化工作面配套、提高设备可靠性、提高开机率是高产高效矿井建设的发展趋势。我国自70年代初开始大规模引进国外综采设备，发展综合机械化采煤。与此同时，煤炭科学研究院及相关厂矿共同开始了对液压支架的科研和技术攻关，至80年代末，已先后研制成功薄煤层、中厚煤层、厚煤层和特厚煤层综采成套设备和技术，基本上取代了进口，促进了煤炭工业的快速发展。到1997年全国国有重点煤矿综合机械化程度已达到4838，相继建成一批高产高效的矿井。国产综采设备的水平有了较大的提高，一些技术指标接近或达到国际先进水平。我国综采设备已开始打入国际市场，先后出口到美国、印度、土耳其、俄罗斯等国家。液压支架是综采工作面的重要设备之一，其投资约占综采工作面成套设备总投资的70左右，其作用不仅是支护顶板、维护安全作业空间，而且要推移工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。液压支架与滚筒采煤机(或刨煤机)、刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。在煤矿机械中液压缸的应用比较广泛，掘进机、采煤机的摇臂，刮板输送机的可伸缩机头部分的动作都是靠液压缸的伸缩来实现，尤其是在液中国矿业大学2007届本科毕业设计第2页压支架中，几乎所有的动作都是通过液压缸（通常称为立柱千斤顶）的往复运动来实现的。一个150米长的综采工作面，一般就有1000多个立柱千斤顶在工作，如果是放顶煤工作面，立柱千斤顶数量则更多。作为液压系统地执行元件立柱千斤顶数量庞大且往复运动次数多，容易出现问题，维护和更换密封所需要的总时间就长，直接影响了开机率和工作面的推进速度。所以，立柱千斤顶的高可靠性是煤矿综采工作面高产高效的前提。随着煤炭开采技术的发展和国家对煤炭开采回收率的调控，液压支架的开采高度也向两极化发展，薄煤层支架走向越来越低，中厚煤层支架走向越来越高，对支护强度的要求也越来越高，支架适应的煤层倾角也越来越大，支架形式主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距(1.75m、2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，例如屈服极限69MPa以上的钢板，支架的寿命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性试验循环次数达50000次。立柱千斤顶也随之向大缸径、大伸缩比发展，复杂的地质条件对立柱稳定性的要求也越来越高。经统计郑煤机集团近两年生产的产品中，适用于大采高、大倾角、薄煤层的液压支架占了70%左右。目前，国内的行业标准MT313-92液压支架立柱技术条件、MT97-92液压支架千斤顶技术条件中对立柱千斤顶的实验要求相对宽松(表一)，总体低于国外标准。国内煤机企业的发展不仅仅局限于国内市场，还要抢占国际市场，产品的性能要经得住国际上其他国家相应标准的检验。立柱千斤顶结构相对比较稳定，进而提出应用现代化软件和手段对千斤顶、立柱进合理分组，建立立柱、千斤顶三维参数化模型，对千斤顶、立柱的安全系数、强度、稳定性等进行计算校核，并开发简单易用的千斤顶、立柱的分析校核软件，为优化立柱、千斤顶结构参数提供理论依据，提高设计效率和缩短加工制造过程，进而为企业创造更大效益。表1-1：国内立柱千斤顶强度试验标准与欧洲标准对比表MT97-92MT313-92EN1804-2千斤顶至最大行程，轴向以额定工作压力150加载，保持5min立柱至最大行程，轴向以额定工作压力150加载，保持5min工作油缸用其许可压力的80%全部伸出，接着将压力腔闭锁住，然后用一个外力对工作油缸加载，外力大小为许可力的2.0倍或1.5倍(冲击)千斤顶处于最大和最小长度，分别立柱至全行程，活塞腔以额定泵压立柱或支撑千斤顶伸出全长的7080%且剩余行程立柱中国矿业大学2007届本科毕业设计第3页对活塞腔和活塞杆腔以额定泵压125加载，保持5min125加载，保持5min100mm，千斤顶则30mm。用许可压力的60%撑紧并将压力腔闭锁。接着用一个自由落下的物体对立柱和支撑千斤顶进行二次冲击的外加载，对立柱来说，自由落体10000kg；对支撑千斤顶来说1000kg。此时必须达到许可压力值的1.5倍（±5%）。压力从初始值至所要求的最大值的升压必须在最大为30ms内实现。千斤顶活塞杆处于2/3行程处，活塞腔以额定泵压200加载，保持5min立柱处于2/3全行程，以额定工作载荷200轴向加载，保持5min立柱至最大行程，在柱头和缸底同侧偏心30mm位置，以110额定工作载荷轴向加载，保持5min在柱顶侧和柱底侧用一种球形推力轴承系统来传递力，那么作用力只偏心加在柱顶侧球头半径的0.3倍处。柱底侧的支承轴承必须对应于柱底形状来设计。柱底支承轴承的直径不得大于立柱或支撑千斤顶直径的25%，压力值需计算立柱至最大行程，轴向预加额定初撑载荷，以15kN·m能量冲击柱头2次立柱和支撑千斤顶全部伸出，开始时予加力为许可的立柱力和千斤顶力的10%。必须使立柱和支撑千斤顶的压力腔闭锁住。紧接着通过一个外力使立柱和支撑千斤顶加载至许可的立柱和千斤顶力。该力必须保持住3分钟，而立柱和支撑千斤顶并不让缩提拉点必须进行加载检验，直至达到许可力的4倍也不允许发生破断。1.2国内外研究现状我国目前已经形成一支有一定规模的从事液压支架的设计、研究、制造和中国矿业大学2007届本科毕业设计第4页检验的专业队伍，积累了丰富的经验，已经开发研制了多种适合我国煤矿不同生产地质条件的液压支架。支架最大高度已达6.3m，最小高度为0.5m；适应最大倾角可达55°；最大工作阻力达10800kN。不仅有用于一般工作面的液压支架，还有用于放顶煤采煤、分层铺网采煤等条件下的特种用途液压支架。液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等诸多方面提出许多新的要求，促使立柱的结构更加合理和有了很大的发展。1.2.1结构和功能(1)单伸缩立柱结构简单、可靠，属液压无级调高，调整高度方便，但调高范围小，用在调高范围不大的支架上，许多种放顶煤支架装配单伸缩立柱。(2)机械加长杆双伸缩立柱结构比较简单，调高范围较大，有液压无级和加长杆有级两种调高方式，使用中经常用液压无级调高。操作人员需根据采煤工作面煤层厚度的变化及时调整机械加长杆的高度（有级调高）以满足支护要求，如果有级调高调整的不及时，会出现支架被压死或顶空的问题。调整加长杆的高度费时、费力。多用于煤层厚度变化较大的中厚煤层支架上。(3)液压双伸缩立柱调高范围大，属液压无级调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。该类立柱多用于薄煤层和大采高支架上。由于该类某些缸径立柱的中缸强度裕度偏小，遇有采煤工作面基本顶压力显现强烈时中缸有时会出现鼓胀现象，损坏立柱。(4)三伸缩立柱一般为三级液压无级调高，有的在双伸缩立柱上加一段接长杆，主要是为增加立柱的调高范围，以满足某些特殊结构支架对立柱增加调高的要求。国外较早使用了这种立柱，其调高范围很大，但结构复杂，第三级缸内压力很高，对材料和加工都要求很高。目前中国还没有研制这种立柱。(5)千斤顶的型式很多，大多为单伸缩双作用，个别为单伸缩单作用千斤顶。按进、回液方式可分为外进液和内进液千斤顶，大多为外进液的。按活塞固定方式可分为固定活塞式和浮动活塞式千斤顶，固定活塞式的占绝大多数，只有推移千斤顶中有一部分为浮动活塞式的。按在液压支架上的功能可分为推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶、护帮千斤顶、伸缩梁千斤顶、平衡千斤顶、防倒千斤顶、防滑千斤顶、调架千斤顶、底调千斤顶、抬底座千斤顶等。用在放顶煤支架的还有尾梁千斤顶、插板千斤顶、拉后输送机千斤顶等。1.2.2设计方法和手段国外，从九十年代起已广泛采用三维仿真和光弹模拟技术，并通过建立液支架的整体有限元模型开发出计算机仿真软件系统对支架的受力进行分析，使支架设计与实际工况尽可能的相似，而中国目前上述技术正在研究阶段，也只对特殊支架，如国家重点攻关项目，部分的采用这种技术