ZY120003862型掩护式液压支架设计

中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 1 页目 录前言 .41 液压支架概述 .51.1国内外液压支架的发展现状 .51.1.1我国液压支架的发展现状 .51.1.2 国外液压支架的发展现状 .61.2液压支架技术的发展趋势 .61.3 液压支架的术语 .71.4 液压支架的组成 .91.5液压支架架型的分类 .91.5.1支撑式支架 .91.5.2掩护式支架 .101.5.3支撑掩护式支架 .101.6液压支架的工作原理 .111.6.1 升柱和降柱 .111.6.2支架和输送机前移 .111.7液压支架的支护方式 .111.8液压支架工作状态及布置 .121.9设计目的和要求 .131.9.1设计目的 .131.9.2设计要求 .142 工作面设备选型 .142.1工作面设备选型配套原则 .142.2支架架型 .142.3采煤机选型 .152.4刮板输送机选型 .153 液压支架的结构设计 .153.1 液压支架基本尺寸的确定 .153.1.1 支架的伸缩比 .153.1.2 支架间距的确定 .163.1.3支架宽度的确定 .163.1.4梁端距的确定 .163.1.5支架底座长度和宽度的确定 .163.2 支架四连杆机构的确定 .173.2.1 四连杆机构的作用 .173.2.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定 .173.2.3 四连杆机构的设计 .183.3 顶梁长度的确定 .223.3.1根据已知参数初步计算顶梁长度 .223.3.2配套尺寸对顶梁长度的影响 .223.3.3支架工作方式对顶梁长度的影响 .233.3.4顶梁长度计算 .244 液压支架主要部件选择设计 .25中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 2 页4.1 支架主要部件的设计要求 .254.2 顶梁的选择设计 .264.2.1 顶梁的作用 .264.2.2顶梁的形式 .264.3 侧护板的选择设计 .274.3.1 主要作用 .274.3.2 侧护板的种类与选择 .284.3.3 侧护板的结构型式 .284.4 底座的选择设计 .304.4.1 底座的作用 .304.4.2 底座的形式 .314.5 掩护梁的选择设计 .324.6 掩护梁侧护板的选择设计 .334.7 连杆的选择设计 .334.8 推移机构的选择设计 .344.9 提底座机构选择设计 .365 立柱和千斤顶的设计 .375.1 立柱的设计 .375.1.1 立柱类型的选择及其结构 .375.1.2 立柱上、下柱窝位置的确定 .385.1.3 双伸缩立柱缸径的确定 .415.1.4 泵站压力的确定 .425.1.5 立柱初撑力的计算 .435.1.6 立柱工作阻力的计算 .435.2 平衡千斤顶的设计 .435.2.1 平衡千斤顶参数的确定 .445.2.2 平衡千斤顶位置的确定 .465.3推移千斤顶尺寸确定 .505.4 其他千斤顶 .516 液压支架的受力分析 .526.1 支架的工作状态分析 .526.2 支架计算载荷的确定 .526.3支架各部件的受力计算 .536.3.1顶梁的受力分析与计算 .536.3.2前后连杆的受力分析与计算 .557 液压支架的强度计算 .577.1 强度条件 .577.2 顶梁强度校核 .587.3 底座强度校核 .617.4掩护梁强度校核 .637.5 销轴的强度校核 .667.6立柱强度校核 .677.6.1立柱的稳定性验算 .677.6.2活塞杆的强度计算 .697.7前后连杆强度校核 .70中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 3 页8 液压支架主要技术参数的确定 .708.1 支护面积 .708.2 底座接触比压 .718.3 液压支架主要技术参数一览表 .73参考文献 .75翻译部分 .76英文原文 .76中文译文 .82致 谢 .88中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 4 页前言 中国煤炭资源丰富，含煤面积约 55万 km2，随着工业的发展和对煤炭需求量的日益增长，煤炭生产的高产高效和现代化就显得相当重要和必要了，特别是在煤炭总储量中厚煤层储量占到 43，这就要求大力发展厚煤层综合机械化采煤。在各种采煤方法中，大采高综采是指对35m50m 厚的煤层一次采全高的综合机械化开采。大采高综采是在中厚煤层综采的基础上，研制适应采高增大的成套设备和工艺技术后逐步发展形成的。大采高综采具有煤炭资源回收率高、含矸率低、采煤工作面煤尘少、自然发火和瓦斯涌出安全性好等优点。采煤工作面支护设备是支撑和维护采煤工作面控顶区顶板，为采煤创造安全作业空间的设备。按结构特点和支护方式不同分为单体支架、液压支架、特种支架。液 压 支 架 是 综 采 设 备 的 重 要 组 成 部 分 。 它 能 可 靠 而 有 效 地 支 撑 和 控 制 工 作 面 的 顶板 ， 隔 离 采 空 区 ， 防 止 矸 石 进 入 回 采 工 作 面 和 推 进 输 送 机 。 它 与 采 煤 机 配 套 使 用 ， 实现 采 煤 综 合 机 械 化 ， 解 决 机 械 化 采 煤 工 作 中 顶 板 管 理 落 后 于 采 煤 工 作 的 矛 盾 ， 进 一 步改 善 和 提 高 采 煤 和 运 输 设 备 的 效 能 ， 减 轻 煤 矿 工 人 的 劳 动 强 度 ， 最 大 限 度 保 障 煤 矿 工人 的 生 命 安 全 。 实践证明，液压支架具有支护性能好、结构强度高、移设速度快、安全可靠等优点。液压支架配合可弯曲刮板输送机和滚筒式采煤机，组成回采工作面的综合机械化采煤设备。液压支架在技术上是先进的，在经济上是合理的，在安全上是可靠的，液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的 6070。因此液压支架是实现回采工作面机械化和自动化的主要设备，是现代化采煤技术中的关键设备之一。全套图纸，加 153893706中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 5 页1 液压支架概述 1.1 国内外液压支架的发展现状实现煤炭工业增加产量、提高劳动效率、改善劳动条件、保障安全生产，采掘机械化是必要的技术手段，也是煤炭生产过程中节约能源、人力和减少原材料消耗的有效技术措施，经过几十年的艰苦努力，我国已经掌握了缓倾斜中厚和厚煤层综合机械化采煤成套设备的设计、研究和制造技术。以液压支架为主要设备的综合机械化是煤炭工业发展史上的一次重大技术革命，从根本上改变了煤炭工业的面貌，是人类科技发展的重要成果，合理的集中生产简化了生产系统，提高了生产安全性。不仅从根本上改善了劳动和安全条件，也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了基础，使煤矿生产面貌彻底改观。但是综采设备初期投资高，特别是液压支架占综采设备总投资的约60%,因此液压支架的合理选用尤显重要。1.1.1我国液压支架的发展现状我国是煤炭生产大国，1958 年开始设计掩护式支架,当时煤炭科学研究总院北京开采所、太原、唐山和上海研究所等单位都先后开始对液压支架展开研究，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 TD系列、ZY系列和 ZZ系列等 20多种不同规格的液压支架。从 20 世纪 90 年代中期开始，我国液压支架进入了快速发展阶段，全国综掘综采工作面数量大幅度提高，液压支架的性能、参数、可靠性有了明显的提高，支架的架型不断丰富，如大采高支架、薄煤层支架、大倾角液压支架、铺网液压支架和端头支架等。到目前为止，适于我国高产高效的国产液压支架有 20 余种架型，其中用于缓倾斜中厚煤层和缓倾斜厚煤层的各占一半。适用于缓倾斜厚煤层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支架、一次采全高支架和放顶煤支架三大类。然而我国液压支架制造技术水平还相对落后，在支架材料、加工工艺、性能和使用中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 6 页寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距，近年来随着综合机械化采煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机的出现，要求支架与之相配套，但若支架的控制系统不作相应的改进，是满足不了这一要求的。到目前为止，我国国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式，虽然具有控制系统简单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性较强的优点，但它存在严重缺点：工人劳动条件差、安全性差；移架速度慢，影响采煤机效率的发挥；通风条件差，支架故障率高；支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验多少和技能高低有密切关系。1.1.2 国外液压支架的发展现状第一个液压支架工作面于 1953年在英国问世，尔后，苏联、西德、日本、法国、美国、波兰和罗马尼亚等国家陆续应用和推广，80 年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力，经 过 多 年 的 联 合 、 兼 并 和重 组 后 ，国 外 形 成 了 在 西 方 发 达 国 家 煤 机 市 场 中 占 据 垄 断 地 位 的 两 家 大 型 跨 国 公 司 DBT 公 司和JOY 公 司 。 DBT 公 司 收 购 了 朗 艾 道 公 司 ， 实 力 有 了 显 著 的 增 强 。 他 们 的 产 品 供 应 美 国 、澳 大 利 亚 、 南 非 等 世 界 先 进 的 采 煤 国 家 。他们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代液压支架的研制。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的液压控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过 400。为减少割煤时间，一般采用0.81m的截深。支架还采用屈服强度 8001000MPa的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为 4050MPa，额定流量 400800L/min，实现工作面支架的单架程控或分组程控操作，其移架速度可达到 68s/架。美国早在1990年就已采用额定压力50MPa、额定流量478L/min的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达68 s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命810年，可用率高达95%98%。支架平均工作阻力6470kN，支架宽度普遍增大，中心距达到1.75m，并向2m发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。1.2 液压支架技术的发展趋势为了改进支架的支护性能，提高它对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. 大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其他型式的支架，应用逐渐机减少。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，使梁段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，取消了两者间易被铅石阻塞的三角区；掩护中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 7 页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. 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的配合。近几年来，国外正在研制一次截深1.5米左右或一次采高5.5米的液压支架。同时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。3. 随着电牵引采煤机的问世和快速发展，要求配套的液压支架具有很快的动作速度和较大的移动步距。为了加快支架的动作速度，必须增大供液系统流量和改善操作条件、控制方式，即向高压力、大流量泵站（压力为 45Mpa，流量为 300L/min） 、配有微型计算机的电液先导控制方向发展。为了适应坚硬顶板的生产要求，已研制出工作阻力高达10000KN的支架。今后还要研制高出撑力和高工作阻力的强力支架。1.3 液压支架的术语 液压支架：以压力液体为介质，由动力油缸、顶梁、底座、各种控制阀及管路等主要部件组成，实现机械化支护与移动的工作面设备。 支撑式支架：立柱通过顶梁直接支撑顶板，对冒落矸石没有完善的掩护构件的液压支架，包括垛式与节式等支架。 掩护式支架：只有一排立柱，直接或间接地通过顶梁向顶板传递支撑力，用掩护梁、连杆等起稳定作用并有较完善的掩护挡矸装置的液压支架。 支撑掩护式支架：有两排或两排以上立柱，直接或间接地通过顶梁向顶板传递支 撑力，用掩护梁、连杆等起稳定作用并有较完善的掩护挡矸装置的液压支架。 放顶煤液压支架：用于放顶煤采煤法的液压支架，其型式一般采用支撑掩护式或掩护式。按放落顶煤的输送方式可分为单运输机放顶煤支架和双运输机放顶煤支架。 端头支架：用于支护工作面与顺槽过渡区顶板的液压支架。 排头支架：用于支护工作面两端边缘区，包括机头、机尾上方顶板的支架。它往往作为工作面支架移动或调整时的基准架。一般要求有防倒、防滑装置。 擦顶移架：支架卸载后，贴擦着顶板向前移动的一种移架方式。 带压移架：支架保持对顶板一定的支撑力向前移动的一种移架方式。 梁端距：顶梁前端到煤壁的距离。 控顶距：顶梁后端到煤壁的距离。 移动步距：每个工作循环中支架移动的距离。 中心距：两架支架中心线之间的距离。 顶板覆盖率：支架支撑顶板的面积与控顶面积之比。 四连杆机构：由四个杆组成的运动结构，主要用于保证掩护式等支架的顶梁有一定的运动轨迹。 初撑力：支架（立柱）支护时的主动支撑力。当立柱内液体达到管路额定工作压力时的初撑力称为支架的额定初撑力。中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 8 页 额定工作阻力：支架（立柱）设计时所规定的最大支撑阻力。支架额定工作阻力一般是指所有立柱的额定工作阻力之和。 即时支护：割煤后立即移架，支撑顶板，然后再推移输送机的一种支护方式。 滞后支护：采煤以后先推移输送机，然后再移支架的一种方式。 支护强度：在支架控顶范围内单位面积上能承受的顶板最大垂直载荷。掩护式或支撑掩护式支架的支护强度随支架高度变化而变化。 底板比压：单位面积底板上承受的支架垂直载荷，它随底座不同部位而变化。 支撑效率：支架作用于顶板的垂直支撑力与支架工作阻力之比。 顶梁：直接与顶板接触，传递支撑力的支架结构部件。 护帮装置：用于支托煤帮，减少片帮，保护人身和设备安全的支架部件。 掩护梁：连接顶梁与底座或连杆的支架承载结构件，阻止冒落矸石进入工作面。 底座：直接与底板相接触并向底板传递支撑力的支架承载结构件。 前（后）连杆：四连杆式支架中直接与底座及掩护梁铰接连接的前（后）杆件。 活动侧护板：在顶梁、掩护梁或后连杆等部件侧面可以伸缩的部件，主要起保证架间密封、防止漏矸以及防倒调架的作用。 整体刚性底座：整体结构，刚性大，底部封闭的底座。 挡矸装置：防止冒落矸石进入架间和作业空间，但一般不承受顶板载荷的辅助装置。 推移装置：移动液压支架与输送机的装置。 立柱：在液压支架底座与顶梁或掩护梁之间支撑的，直接或间接地向顶板传递支撑力的液压油缸。它是液压支架的主要动力油缸。 千斤顶：液压支架上除了立柱以外的动力油缸，按其功能划分有平衡、推移、侧 推、防倒、防滑、调架、前梁、护帮、伸缩梁、放煤千斤顶等。 浮动活塞千斤顶：活塞可在活塞上滑动的一种特殊结构千斤顶，多用作推移千斤顶。 操纵阀：控制液流方向，实现支架升降、推移等不同动作的阀门。 液控单向阀：使液流只能单方向自由流通，而在相反方向则闭锁，只有在液控作用下才可使液流返回流动的一种阀门。用于闭锁立柱下腔和千斤顶有关腔室。 安全阀：一种起安全保护作用的常闭溢流阀门。当立柱或千斤顶腔室内液体压力达到了调定压力值时，阀就溢流。 截止阀：用于使液流通路关闭或打开的一种方向控制阀门。一般用于截断油液后进行维修作业。 回油断路阀：一种常开式单向阀门。用于支架操纵阀的回油管路。当检修支架时，将回油路堵住，防止回液进入支架。 乳化液：乳化油与水按一定比例配制的液压工作介质。 泵站：由电动机、乳化液泵、乳化液箱等组成的向液压支架供给高压液体的动力源。 乳化液泵：用乳化液作工作介质的一种泵。中国矿业大学 2013届本科生毕业设计 第 9 页 乳化液箱组：用于配制、过滤乳化液并具有相应的液面、温度、压力等控制保护装置的油箱组。它为乳化液泵提供工作介质。 泵站工作压力：泵站正常工作时所达到的压力。一般，卸载阀的压力上限即为泵站工作压力。 手动本架控制系统：对操作者所在的本架支架进行手动控制的液压系统。 直接邻架控制系统：由操作者所在支架的操纵阀直接对相邻支架实现控制的液压系统。一般分单向控制和双向控制。 先导邻架控制系统：由操作者所在支架起通过先导阀门和多芯管间接对相邻支架实现控制的液压系统。 电液控制系统：通过电气（电子）装置和液压元件实现支架各种动作的控制系统，一般包括邻架、双向邻架控制、成组控制和工作面集中控制等。 成组程序控制系统：以一定的程序自动地实现一组支架内各种不同动作的控制系统。 工作面集中电液控制系统：可在顺槽等处的中央控制台对工作面支架实现集中遥控的系统。1.4 液压支架的组成液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系一般分为三大类，即支撑式、掩护式和支撑掩护式。根据支架各部件的功能