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XXXX大学学士学位论文中文摘要端头支架分别用于上下顺槽,主要功能是维护好巷道和回采工作面交叉口处的顶板;协调该处排头支架,工作面运输机,顺槽转载机等设备之间的位置和配套关系;除端头支架能自移以外,要为转载机和运输机机头的移动提供动力;端支架本身具有防倒,调架或适应工作面倾角变化的能力;能适应左右工作面,换向方便;前梁伸入巷道,起一定的超前支护作用。迈步式端头支架是基于单体液压支柱配以铰接顶梁进行超前支护的局限性而设计出的新型端头支架,它克服了单体液压支架支护强度低,支护速度慢,劳动强度大,成本高等一系列缺点。在工程实际当中节省了大量的劳动力,而且,还提高了端头支架工作的安全性,降低了工人的劳动强度,为煤矿工人营造了一个安全的工作环境,使得井下作业情况得到了巨大改善。 关键词 端头液压支架;超前支护; 迈步式端头液压支架。AbstractEnd stents were used from top to bottom Gate, the main function is to protect roadways and coal mining face at the intersection of roof; coordination of the department ranked first frame, Face transport planes, reproduced with slot machines and other equipment between the location and matching; In addition to End stent can shift from outside, it is necessary to reprint the nose of the aircraft and transport planes to provide mobile power;-stent itself with anti-down, face-frame or inclination to change the ability to adapt to face about, for the convenience; Liang Shenru before the roadway, play a supporting role in the advance.Moving-End stent is based on the pillars supported by hydraulic hinged roof beams support ahead of the limitations and design a new type of stent-head, it has overcome hydraulic scaffold supporting low-intensity, supporting slow, labor Strength, higher costs of a series of shortcomings. In engineering practice, saving a lot of labor, but also improve the End of the stent safety, reducing the labor intensity of the workers, mine workers for creating a safe working environment, making underground situation has been tremendous improvement.Keywords: Termina l hydraulic support;Support; Moving-End stent. 目录 中文摘要IAbstractII1 绪论11.1 端头支架的技术经济分析11.2 工作面端头支架的类型以及端头的特点21.2.1 端头支架的分类21.2.2 端头特点31.2.3 国内外一些端头支架的技术特征31.3 端头支架的功能及特点41.4 端头液压支架的工作原理51.5 端头支架的技术要求71.6 端头支架设计原始数据72 端头液压支架主要部件的设计82.1 顶梁的设计82.2 侧护板的设计和选择102.2.1 侧护板的种类102.2.2 侧护板的结构型式102.2.3 侧护板尺寸的确定112.3 掩护梁的设计112.4 底座的设计122.5 连杆的设计122.6 立柱的设计122.6.1 立柱的类型122.6.2 立柱的动作原理122.6.3 立柱的结构132.7 千斤顶的设计152.7.1 推移千斤顶152.7.2 侧推千斤顶163 端头支架整体设计183.1 选择端头支架的架型183.2 确定支架高度、支架间距、底座长度183.2.1 支架高度193.2.2 支架的伸缩比193.2.3 支架间距193.2.4 底座长度193.3 支护强度和工作阻力203.4 柱和千斤顶位置的确定203.4.1 立柱布置203.4.2立柱柱窝位置的确定213.5 四连杆结构的设计233.5.1 四连杆的作用233.5.2四连杆机构的设计243.5.3 四连杆的几何作图法过程254 端头支架主要零部件的强度校核284.1强度条件284.2 顶梁强度校核294.2.1 顶梁受力情况294.2.2 顶梁强度计算304.3 底座强度校核314.3.1 底座受力情况314.3.2底座强度校核324.4 掩护梁强度校核334.4.1 掩护梁受力情况334.4.2 掩护梁强度计算345 端头支架的受力分析与计算365.1 端头支架的支护性能和外载荷365.3 端头支架受力分析与计算385.3.1 受力分析385.3.2 顶梁载荷分布405.3.3 底座比压的计算416 液压系统的设计436.1 液压支架的液压系统的简介436.1.1 液压支架的液压传动特点436.1.2 液压支架传动系统的基本要求436.2 液压控制阀的工作原理446.3 液压支架的液压系统45参考文献47致谢48附录49 601 绪论1.1 端头支架的技术经济分析根据煤矿安全规程规定:采煤工作面所有安全出口与巷道连接处20m范围内,必须加强支护;综合机械化采煤工作面,此范围内的巷道高度不得低于1.8m。即采煤工作面量顺槽20m 范围内必须采取超前加强支护,传统的采煤工作面量顺槽超前支护主要以单体液压支柱配以金属铰接顶梁进行支护,根据巷道段面及顶扳压力情况确定支护参数,以确保安全出口的畅通。但是在特殊地质条件和邻面开采时,单体液压支柱配以铰接顶梁进行超前支护的局限性主要表现在以下几个方面:(1)支护强度低对于顶板压力较大的煤层,达不到支护强度,易造成工作面安全出口顶板下沉,单体液压支柱钻抵量大,回撤困难,特别是工作面后部密集切顶尤为如此,既增加了劳动强度,又不利于安全生产。(2)支护速度慢由于单体液压支柱、铰接顶梁支设及回撤速度难以大幅度提高,制约了工作面的推进速度,难以实现综采面的高产高效。(3)劳动强度大由于支设、回撤单体液压支柱及铰接顶梁平繁,并且全部采用人力,造成了工作面回采人员多,劳动强度大。(4)成本高,安全性差因顶板压力大或操作等原因,支柱、铰接顶梁、柱鞋的损坏量较大,并且工序复杂,人工操作多,造成事故的概率较大。针对单体液压支柱配以铰接顶梁进行超前支护的局限性,在借鉴综采工作面液压支架的基础上,提出了采用超前支架代替单体液压支架配以铰接顶梁进行超前支护的支护方式,其超前支架的布置图如图1.1 所示:端头支架分别用于上下顺槽,主要功能是维护好巷道和回采工作面交叉口处的顶板;协调该处排头支架,工作面运输机,顺槽转载机等设备之间的位置和配套关系;除端头支架能自移以外,要为转载机和运输机机头的移动提供动力;端支架本身具有防倒,调架或适应工作面倾角变化的能力;能适应左右工作面,换向方便;前梁伸入巷道,起一定的超前支护作用。 图1.1端头支架布置1、7-端头支架:2-推移千斤顶;3、4 超前支架;5-防倒千斤顶;6-液压支架;8-转载机迈步式端头支架是基于单体液压支柱配以铰接顶梁进行超前支护的局限性而设计出的新型端头支架,它克服了单体液压支架支护强度低,支护速度慢,劳动强度大,成本高等一系列缺点。在结构上,迈步式端头支架包括主副架的两架结构,在移动过程中,依靠推拉千斤顶的作用,主副架交替地迈步向前移动。主副梁底座均采用铰接连接,这样减小了由顶板底板的倾角变化给支架工作带来的影响。迈步式端头支架采用四连杆稳定结构。主副顶梁之间,底座之间设有防倒调架千斤顶,这样保证了支架在向前迈步移动时,不会发生倒架现象,提高了迈步式端头支架工作的安全性。 迈步式端头支架的优势日益显现出来。在工程实际当中节省了大量的劳动力,而且,还提高了端头支架工作的安全性,降低了工人的劳动强度,为煤矿工人营造了一个安全的工作环境,使得井下作业情况得到了巨大改善。1.2 工作面端头支架的类型以及端头的特点1.2.1 端头支架的分类按端头支架的支护方式可分为:1.锚固型锚固型的结构特点为单框架、窄顶梁形式,又可进一步分为两种。一种为框架锚固支架;另一种为锚固站,如HPP-1 型锚固站,其用途是锚固和移架。2.局部支护型端头支架局部支护型端头支架结构型式可分为如下三种:其一为带托梁迈步式。如苏联的OKC 型;其二为多框架迈步式。如苏联的KCY 型;其三为两架掩护式支架相对布置。如日本三井三池2 号端头支架,其作用是支护工作面机头上方顶板和推移、锚固输送机机头。支撑面积为8 至10,其他顺槽顶板的一半以上仍要用单体支柱和刚性顶梁来支护。3.全封闭型端头支架全封闭型端头支架的结构为两架组成一组,并且布置在工作面的下端头顺槽里,并通过过渡架和工作面支架连成,使整个端头形成全封闭。全封闭型端头支架按布置型式可分为对称型和偏置型两种。对称型全封闭端头支架如郑州煤矿机械长研制的DW1 型和平顶山矿物局生产的PL-1型。1.2.2 端头特点所谓端头,就是采煤工作面与顺槽(包括运输巷道或通风巷道)的交接处。端头的特点如下:l (1)面积大,大约在10 至15 m ;l (2)设备多,如下端头(运输巷道相结处)中有工作面运输机机头、转载机、皮带运输机;l (3)岩层破坏严重, 矿压显现强烈;l (4)作业量大,约占全采煤工作面的20左右;l (5)它是人员的出入口。1.2.3 国内外一些端头支架的技术特征国内外一些端头支架的技术特征如表1.1所示:项目苏联波兰德国中国OKC 型KCY 型HPP-1 型盖特林2 号DW1型BDZ 型支架最大高度(mm)300029003040345035003500支架组的宽度(mm)1200 1072500154030003000支架组全长(mm)6270 74004850900077007800支柱初撑力(T)1562.847.1支柱的工作阻 (T)4050100100支架组的初撑力(T)60502424支架组的工作阻力(T)160300220800900支架承载强度(Mpa)4.04.05.35.1底板额定比压(Mpa)6.410.60.6推移千斤顶拉力(T)3.81024734.1推移千斤顶推力(T)5.918212594.2推移步距(mm)790720615-800400700泵站工作压 (Mpa)7.52015支架组重量(T)28633表1.1 国内外一些端头支架的技术特征表1.3 端头支架的功能及特点1.3.1 端头支架的功能端头支架分别用于上下顺槽,主要功能是维护好巷道和回采工作面交叉口处的顶板;协调该处排头支架、工作面运输机、顺槽转载机等设备之间的位置和配套关系;除端头支架能自移以外,要为转载机和运输机机头的移动提供动力;端头支架本身具有防倒、调架或适应工作面倾角变化的能力;能适应左右工作面,换向方便;前梁伸入巷道,起一定的超前支护作用。1.3.2 端头支架的特点端头支架的主要特点见表1.2:总体设计1) 通用性为使端头支架能与多种工作面支架配套,端头支架有较大的调高比,能和不同架型、不同高度的工作面支架配套使用,故支架的调高范围为1.83.45m。2) 配套性转载机安放在主架的凹槽内,支架本生和转载机机尾以及工作面运输机设有连接耳子,顶梁的跨度较大。3) 适应性能适应正负515或正负1525的倾角需要。主要结构1) 均包括主副架各一架。副架较窄,一般在工作面一侧布置;主架较宽,一般靠顺槽下帮一侧布置;2) 转载机置于主架底座上,故转载机在巷道内的位置是偏置的;3) 支架基本型式为支撑掩护式,主副架为四柱;4) 主副梁底座采用铰接连接;5) 采用四连杆稳定结构;6) 主副架顶梁之间、底座之间设有防倒调架千斤顶。表1.2 端头支架的主要特点1.4 端头液压支架的工作原理液压支架在工作过程中必须具备升、降、推、移四个基本动作,这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来实现完成的。1、升柱当需要支架上升支护顶板时。高压乳化液进入立柱的活塞腔,另一腔回液,推动活塞上升,使与活塞杆相连接的顶梁接触顶板。2、立柱当需要降柱时,高压液进入立柱的活塞杆腔,另一腔回液,迫使活塞杆下降,于是顶梁脱离顶板。3、移架输送机前移支架和运输机的前移,都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时,先降柱卸载,然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔,另一腔回液,以输送机为支点,缸体前移,把整个支架拉向煤壁;当需要推运输机时,支架支撑顶板后,高压液进入推移千斤顶的活塞腔,另一腔回液,以支架为支点,是活塞杆伸出,把运输机推向煤壁。支架的支撑力与时间曲线,称为支架的工作特性曲线,支架立柱工作时,其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段:(一)初撑阶段支架在升柱时,高压液进入立柱下腔,立柱升起使顶梁接触顶板,立柱下腔压力增加,当增加到泵站工作压力时,泵站自动卸载,支架的夜控单向阀关闭,立柱下腔压力达到初撑力,此阶段为初撑阶段to,此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为:Pc=Pbn10KN 式(1.1)式中: D 支架立柱的缸径,; Pb泵站的工作压力,a;= n 支架立柱的数量。由式(1.1)可知,支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力,立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力,以免立柱的缸径过大。(二)承载增阻阶段支架初撑后,随顶板下沉,立柱下腔压力增加,直到增加到支架的安全阀调正压力,立柱下腔压力达到工作阻力,此阶段为增阻阶段t1。(三)恒阻阶段随着顶板压力继续增加,使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时,安全阀打开而溢流,立柱下缩,使顶板压力减小,立柱下腔压力降低,当低于安全阀压力调整之后,安全阀停止溢流,这样在安全阀调整压力的限制下,压力曲线随时间呈波浪形变化,此阶段为恒阻阶段2。此时支架对顶t板的支撑力称为工作阻力,它是由支架安全阀的调定压力决定的。支撑式支架的工作组力为: Pc=Pan10KN 式(1.2) 式中: a 架安全阀的调定压力,Mpa;支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。支架的工作阻力是支架的一个重要参数,它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,所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此,常用单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小,即支护强度来表示支架的支护性能。即 q=,a 式(1.3) 式中: F 支架的支护面积,m 。1.5 端头支架的技术要求在端头支架设计时,一方面根据原始条件,另一方面要满足使用上的要求,具体要求如下:1. 能有效地支控端头顶板,做到安全可靠;2. 有足够的工作空间,便于行人和通风,并且能满足采煤机自开缺口的要求;3. 有可靠的推移机构,有足够的推移力;4. 有便于顺槽棚子的回收工作;5. 操作台必须设在安全地点,并且便于操作。1.6 端头支架设计原始数据支撑高度:18003000mm;支护长度:4300 mm;支架中心距:2026 mm ;支护强度:0.46 Mpa;泵站工作压力:31.2 Mpa安全阀调定压力:32 Mpa型式:双列式、半卸载交替前移操纵方式:本架2 端头液压支架主要部件的设计端头支架各部件的设计应该满足以下要求:(1)四连杆机构应进行优化设计,使支架梁端距变化小,支架受力状态最佳,结构上既满足工作空间要求,又能承受足够的纵向、横向力及扭矩。(2)前梁无论是伸缩式或是挑梁式,都应能及时支护顶板。前梁由前梁千斤顶控制,可上、下摆动。与顶板保持良好的接触,维护机道上方顶板。伸缩梁靠伸缩千斤顶和前梁作相对滑移用以及时支护新暴露的顶板。(3)顶梁。顶梁是支架主要承受顶板压力的部件,并起切顶作用。它可多次反复支撑顶煤,以利于放煤。顶梁装有侧护板,活动侧装有千斤顶和弹簧,防止架间漏煤、矸及调节支架间距。若四连杆机构与顶梁铰接,要有可靠的铰接支座。(4)掩护梁。它用于承受部分煤、矸载荷,防止其窜入后输送机的工作空间,保证支架、后输送机正常运行。根据不同的支架类型,掩护梁有伸缩插板式和在下端铰接一伸缩尾梁式,它装有侧护板作用与顶梁侧护板相同。掩护梁受扭力和横向载荷力大,是十分重要的部件。(5)底座。其作用是将支架承受的顶板压力和侧向力传至底板。它既要有足够的强度和刚度,又应满足底板比压不超限。保证支架整体稳定性的关键是在底座上铰接四连杆机构,在底座中间设置有推移装置,侧面设置拉后输送机的千斤顶和推移杆。(6)推移装置。此机构关系到支架能否正常推移,由千斤顶和推移杆组成。推移杆结构有长推杆或是由两部分短推移杆组成。(7)尾梁。四连杆机构与掩护梁铰接的支架,在掩护梁下铰接一可转动的伸缩插板尾梁,用以放煤、保证放煤高度及维护工作空间。对于大块煤可利用插板进行破碎。尾梁装有侧护板,作用与顶梁、掩护梁的侧护板相同。(8)控制系统及立柱、千斤顶。液压系统由各液压件、管路系统组成,它应保证立住、千斤顶完成支架要求的各种性能,并达到设计技术参数。2.1 顶梁的设计顶梁是与顶板直接接触的构件,除满足一定的刚度和强度要求外,还要保证支护顶板的需要,如有足够的顶板覆盖率,同时要适应顶板的不平整性,避免因局部应力而引起损坏。各类顶梁都为箱式结构,一般由钢板焊接而成。为加强结构刚度,在上下盖板之间焊有加强筋板,构成封闭式棋盘型。顶梁前端呈滑撬式或圆弧形,以减少移架阻力。在顶梁下面焊有铸钢柱窝,柱窝两侧有孔,用钢丝绳或销轴把立柱和定量连接起来,掩护式支架和支撑掩护式支架在顶梁后端有销孔,通过销轴与掩护梁上的销孔相连。按顶梁的断面形状,还可以把顶梁分成如下结构形状: 图2.1 顶梁的三维图按顶梁的断面形状,还可以把顶梁分成如下结构形状:(1)闭式顶梁闭式顶梁为顶梁上、下盖板与筋板焊接成封闭型,如图2.2所示:图2.2 顶梁筋板焊接图图2.3 顶梁开式立筋形式一种为立筋凸出型,如图2.2a 所示,增加了焊接强度;另一种为立筋凹下,焊接后使顶梁平整,但焊接强度不如前一种。如图2.2b 所示。(2)开式顶梁开式顶梁的特点,可减轻顶梁重量,增加顶梁的抗弯强度。对掩护式和支撑掩护式支架,为便于侧护板能自由伸缩,要在顶梁顶面上加焊一块比侧护板钢板稍厚的钢板,称为顶板,同时也增强了顶梁的结构强度。2.2 侧护板的设计和选择2.2.1 侧护板的种类顶梁和掩护梁的侧护板有两种:一种是一侧固定另一侧活动的侧护板。由于固定侧护板与梁体焊接成一起,可节省材料又加固梁体。在设计时,根据左右工作面来确定左侧或右侧为活动侧护板。一般沿倾斜方向的上方为固定侧护板,下方为活动侧护板。活动侧护板通过弹簧筒和侧推千斤顶与梁体连接,以保证活动侧护板与邻架的固定侧护板靠紧。但当改换工作面开采方向时活动侧护板便位于倾斜方向的上方,对调架、防倒等带来不利,所以很少采用。另一种是两侧皆为活动侧护板。这种侧护板可以适应工作面开采方向变化的要求,有利于防倒和调架。2.2.2 侧护板的结构型式侧护板的机构型式分为两种类型:一种是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板有三种型式,如下图: 图2.4 侧护板的结构型式顶梁上无顶板,侧护板易被冒落矸石压住,影响侧护板得的伸缩, 图2.4b、c,在顶梁上加设顶板,克服了以上的缺点,但支架承受偏载时,侧护板受力很大。另一种是铰接式侧护板,他克服了以上两种侧护板的缺点,但由于架间侧护板造成了三角带容易填入矸石,影响架间密封效果。2.2.3 侧护板尺寸的确定顶梁侧护板的侧向宽度,按支架升降高度和推移步距来确定。即:考虑到当一架升起,另一架降柱时,要保证相邻两架间侧护板不脱离接触。同时考虑到支架降柱后要前移,为防止顶梁后部侧护板脱离接触,顶梁侧护板后部要加宽,价款的长度一般为从顶梁后部起大于一个步距,即大于600 。掩护梁侧护板的侧面宽度,主要考虑移架步距,一般比一个步距大100,即相当700 。当一架固定,另一架前移时,两架之间能封闭,同时又考虑到降架前移时,原不动的掩护梁侧护板下部不至脱离。所以,掩护梁侧护板下部要加宽。顶梁和掩护梁侧护板的顶面宽度,与活动侧护板的行程有关。由两台相邻支架的架间距离确定。顶梁和掩护梁侧护板的连接,在考虑动作灵活可靠的情况下,应尽量减小间隙,加强密封性。2.3 掩护梁的设计掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构,在掩护梁上端与顶梁铰接,下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。有的支架在掩护梁上焊有立柱柱窝。活动侧护板装在掩护梁的两侧。从侧面看掩护梁,其形状有直线型、折线型两种。折线型相对直线型支架断面大,结构强度高,但工艺性差,所以很少用。从掩护梁的宽度来分,可分为整体式和对分式两种。对分式结构尺寸小,易于加工、运输和安装,但结构强度差。2.4 底座的设计底座为整体式刚性底座,四连杆机构铰接在底座后部,在两内主筋中间形成的较高的铰点位置,这主要是为了形成足够的后工作空间,在不影响人行通道的基础上,前、后连杆铰接点应尽量前移。在两内主筋间下部布置有推拉装置。有四个球面柱窝与立柱缸底相连,在底座侧面靠前位置设有拉后输送机千斤顶的可拆装固定耳座。该底座整体性强,稳定性好,比压小。2.5 连杆的设计连杆分前连杆与后连杆,前连杆有一根,后连杆有两根,两端都有销孔,用于与掩护梁和底座的铰接。四连杆机构有两种结构型式。l 1.单杆式l 2.整体式2.6 立柱的设计力主式支架的承压构件,它长期处于高压受力状态,它除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外,还必须有足够的抗压、抗弯强度,良好的密封性能,结构要简单,并能适应支架的工作要求。2.6.1 立柱的类型立柱按动作方式,分为单作用和双作用;按结构种类,分为活塞式和活柱式;按伸缩方式,分为单身所和双伸缩。本设计根据伸缩比的要求立柱选择的是单伸缩立柱。2.6.2 立柱的动作原理单伸缩单作用活塞式或柱塞式立柱,靠压力伸柱,靠自重或弹簧力降柱。单伸缩双作用活塞式立柱,靠压力伸柱和降柱。当下腔进液上腔回液时伸柱,反之为降柱。2.6.3 立柱的结构立柱由缸体、活塞、缸口和活塞杆等组成。本设计的立柱图如下图2.5 立柱I 缸体缸体是立柱的承压部件。一般是用27SiMn 无缝钢管制成,缸体内表面是活塞的密封表面,所以要求很高的加工精度。II 活塞活塞是立柱的关键元件,对它的主要要求是保证密封性能良好,运动表面能承受外力的冲击。活塞可以套在活柱上,或直接焊接在活柱上,活塞与缸体内径的配合精度一般为/f9,用钢制作活塞时,可在活赛上安装导向环与缸体内径配合。H / f导向环多数用塑料制品,也有用铜合金制成。在不承受横向力或横向力很小的情况下,可以用保护密封圈的尼龙挡圈作导向环。活塞靠密封圈密封,密封圈有O 形、Y 形、U 形、鼓形、蕾形等。鼓形密封圈是两个夹布U 形橡胶圈中间夹一块橡胶压制而成的整体实心密封圈,如下图,他和两个L 形防挤圈一起作用,适用于工作压力19.658.8MPa,在压力小于24.5MPa 时,可不加挡圈。它可用于各种活塞上的双向密封。图2.6 鼓形密封圈蕾形密封圈是一个U 形夹布橡胶圈和唇内加橡胶压制而成的单向实心密封圈。它适用于装入各种液压活塞头和导向套上,为单向密封。工作压力小于58.8MPa,当工作压力不超过29.4MPa 时,可以不加挡圈。图2.7 蕾型密封圈以上两种密封圈的使用,简化了活塞结构,装配方便,但密封圈本身加工复杂。除鼓形和蕾形密封圈的规格外,其他密封圈的规格可按有关手册查取。本设计的立柱的装配图中,用鼓形圈和蕾形圈来密封。活塞的轴向固定方式有三种:用螺帽加防松螺钉固定,用压盘和螺钉压紧。用半圆环加弹性挡圈固定,在活塞头的环槽内卡进两个半圆环,再用弹簧卡圈固定在半圆环的槽内。本设计的立柱的装配图中就使用的第三种固定活塞的轴向运动方式。III 活柱和活塞杆活柱和活塞杆式立柱传递机械力的重要零件,它要能承受压力和弯曲等载荷作用,必须耐磨和耐腐蚀,可用27SiMn 无缝钢管或45 号钢制成。活柱和活塞杆与导向套的配合精度为9/ f9 。为了防止在井下条件下表面生锈和腐蚀,表面要镀铬,并要注意保护,防止外部硬伤。本设计活柱如下图:图2.8 立柱活柱IV 缸口缸口是刚体与活柱或活塞杆接触的部位,它装有密封圈、导向套和缸盖等主要零件。密封圈的作用和结构如前所述。缸盖和缸体相连接,保证环形腔密封和承压。导向套为活柱和活塞杆导向。导向套与活塞杆表面既要紧密接触又要动作灵活,同时要承受活塞杆形成的横向载荷。导向套的材料通常为聚甲醛或铜合金。导向套内表面与活塞杆的配合精度采用H9 /f9 ,有时,为了简化缸口的结构,导向套和缸盖合成一个零件。2.7 千斤顶的设计2.7.1 推移千斤顶1.直接连接方式的推移千斤顶直接连接方式的千斤顶,结构简单,但移架力小于推溜力,一般用于支撑式支架。2.框架连接方式的推移千斤顶由于掩护式支架和支撑掩护式支架重量较大,为了提高移架力,就要增加缸径或提高供液压力。如果采用直接推移方式,在提高移架力的同时,推溜力也增加了,这样有可能把溜槽推坏,为了解决这个问题,设计成几种移架力大于推溜力的结构形式,框架连接方式是其中的一种。框架连接方式的动作原理为:当缸体后腔进液,前腔回液,活塞杆伸出而移架;当缸体前腔进液,后腔回液,缸体前移通过框架而推溜,由于缸体后腔面积大,所以,框架连接可以使移架力大于推溜力。框架结构有钢管焊接和钢板焊接两种。3.移步横梁连接移步横梁连接方式对支架与输送机的配套性可以不作要求,但其结构复杂,实践证明效果不佳。4.浮动活塞式推移千斤顶浮动活塞式千斤顶的方式,可以使移架力大于推溜。(1)推溜活塞腔进液,活塞杆腔回液,由于活塞空套在活塞杆上,活塞推前方,活塞杆在压力液作用下推溜,由于活塞杆面积小,推溜力小(2)移架移架时,活塞杆腔进液,活塞腔回液。缸体前移而移架,由于活塞杆腔环行面积大于活塞杆腔面积,所以移架力大于推溜力。5.活塞杆或框架与运输机连接活塞杆或框架与运输机连接时,为了适应底板的不平整及可弯曲输送机弯曲的需要,一般作成双铰连接方式。同时,为了使移架时具有爬台阶的能力和提高拉架能力,缸体与底座有一向上夹角(拉架时有一向上分力,可以减少底座前端比压,有利于移架)。6.缸体与底座连接为了防止推移千斤顶上、下、左、右滑动,在支架底座上焊有导向槽,缸体上焊有导向板;而对浮动活塞连接方式,由于缸体铰接在底座上,只要在活塞杆的端部安有导向装置,可以防止活塞杆受偏载而弯曲。2.7.2 侧推千斤顶侧推千斤顶的活塞杆固定在活动侧护板上,缸体固定侧护板上侧推千斤顶的安装方式有如下几种:(1)安装在顶梁和掩护梁的下面,避免在顶梁和掩护梁上开窗口,加强了顶梁和掩护梁的强度,但影响支架的有效空间。(2)一侧为固定侧护板,另一侧一活动侧护板时,在固定侧护板一侧圆孔内装有固定筒,千斤顶便于安装在筒内,其他不变,也可免去另开窗口,保证顶梁和掩护梁的强度,但不利于检修和安装。(3)顶梁和掩护梁下面开窗口,把侧推千斤顶安装在窗口内,便于安装和检修。为使活塞杆和活动侧护板相连,在改换工作面时,侧推千斤顶要调转180 ,QY 型庄稼就采用此种方式。侧推千斤顶的技术参数通常为:行程:170mm;缸体内径:93 mm;活塞杆直径:40 mm。3 端头支架整体设计3.1 选择端头支架的架型正确选择支架的架型,对于提高综采工作面的蝉联和效率,充分发挥总裁设计的效能,实现高产高效,是一个很重要的因素。在具体选择架型时,首先要考虑煤层的顶板条件,下表3.1 根据国内外液压支柱的使用经验,提出了各种顶板条件下适用的架型。以上为一般型号液压支架的选型,端头支架的基本架型要与工作面支架一致,以便于制造和维修管理、便于配套使用。根据原始条件端头支架为支撑掩护式支架。支撑掩护式支架的稳定性高,并且支撑效率高,抗水平力的能力强。表2.13.2 确定支架高度、支架间距、底座长度3.2.1 支架高度支架的最大结构高度:max=max+1 m 式(3.1)支架的最小结构高度:min=min-1 m 式(3.2)式中max 、M min煤层最大、最小采高,; 1 伪顶冒落的最大高度,般取0.20.3m。顶板周期来压时的最大下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底座上的浮矸、浮煤厚度之和,一般取0.250.35m。本次设计要求支架高度为:18003000mm。3.2.2 支架的伸缩比支架的伸缩比指最大与最小高度之比:Ks Hm/ Hn/.7 式(2.3)3.2.3 支架间距所谓支架间距,就是相邻两支架中心线间的距离,按下式计算bc=Bm+nc3 式(3.4)式中bc支架间距(支架中心距)Bm每架支架顶梁总宽度c3相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙n每架所包含的组架数,整体自移式支架n=1;整体迈步式支架n=2;节式组合迈步支架n=支架节数。支架间距bc 要根据支架型式来确定,但是由于每架支架的推移千斤顶与工作面输送机的一节溜槽相连,因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定,我国刮板输送机溜槽每节长度1.5m,千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间,所以除了节式和迈步式支架外,支架间距一般为1.5m。在本次设计任务中要求支架的中心距为2026mm。3.2.4 底座长度底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时,应考虑如下诸方面:支架对底板的接触比压要小;支架内部有足够的空间安放立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置;便于人员操作和行走;保证支架的稳定性等。通常,掩护式支架的底座长度取3.5倍移架步距(一个移架步距为0.6m),即2.1m左右;支撑掩护式支架的底座长度取4倍移架步距,即2.4m左右。3.3 支护强度和工作阻力支护强度取决于顶板性质和煤层厚度,计算公式为:q=KH 105,Mp 式(3.5) -K作用于支架上的顶板岩石系数,一般取58,顶板条件好、周期来压不明显时取下限,否则取上限;H采高;g 顶板岩石密度,一般取2.310kg m3。本次设计要求支护强度为0.46 Mpa支架工作阻力P 应满足顶板顶板支护强度的要求,即支架工作阻力由支护强度和支护面积决定。P=qF10,kN 式(3.6) 式中F支架的支护面积,。可按下式计算F=(L+C)(B+K)=(L+C)A, 式(3.7)式中L支架的顶梁长度,m; 取1.6C梁端距,m; 取0.3B支架顶梁宽度,m;1 架间距,m; A支架中心距,m; 取1.5F=(L+C)(B+K)=(L+C)A=4.32.026=8.7118P=qF10 =0.468.711810 =4007.4KN 3.4 柱和千斤顶位置的确定3.4.1 立柱布置1.立柱数目前国内支撑式支架立柱数为26根,常用4根;掩护式支架为二柱;支撑掩护式支架为四柱。端头支架为支撑掩护式支架,采用双列、半卸载交替前移型式,每架4根,共8根。2.支撑方式支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置,这样可以克服一部分水平立,并且能增大调高范围。一般立柱轴线与顶梁的夹角小于30(支架在最低工作位置时),由于角度较大,可以使调高范围增加。同时由于顶梁较短,立柱倾角加大可以使顶梁柱窝位置前移,使顶梁前端支护能力增大。支撑掩护式支架,根据结构要求呈倾斜后直立布置,一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于10(支架在最高工作位置时),由于夹角较小,有效支撑能力较大。3.立柱间距立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利与操作、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5m。3.4.2立柱柱窝位置的确定1、立柱的布置与支护方式:本课题为支撑掩护式端头液压支架,立柱共有4 根,前排2 根,后排2根,支护时,前柱向前倾斜,后柱向后倾斜。前排立柱直立,取0;后排立柱较大,取4。立柱的间距是指前后排支柱的间距,为便于人员操作,立柱间距取2675mm。2、立柱主要尺寸的确定:立柱缸体内径按下式进行计算:ACOS42 式(3.8)式中: F1支架承受的理论支护阻力(kN);F1=Fcq x=4007.4KN 式(3.9)A立柱的横截面积;P a 立柱内部乳化液的压强,泵站额定工作压力为32MP。把各个数据代入公式中得立柱横截面积A= m则立柱内径:Da =19.4cm北京煤矿机械厂缸径标准(Q/BM32782)如下表所示:506380100110125140(145)200(210)220(230)250按标准选取立柱缸体内径为200mm立柱壁厚: =38.9mm 式(3.10) 取整后为40mm根据标准,立柱主要技术参数如下:缸体内径200mm活柱外径190/185mm工作阻力1764kN额定工作压力58.4Mpa推荐选用钢材245 28钢材规格200*24/194*253、立柱的初撑力与泵站额定工作压力泵站额定工作压力为32Mpa。pF=3210 0.0314cos02+32100.0314 cos42=4005KN立柱初撑力按下式计算: F1=Pc=32100.0314=1004.8KN4、安全阀的调定压力与立柱的实际工作压力安全阀的调定值Pa 由支架的理论支护阻力来确定: Pa= 式(3.11) 式(3.12)安全阀的调定压力设定为32 Mpa,立柱的工作阻力=32105.立柱柱窝位置的确定液压支架立柱上柱窝位置的确定原则,从理论上分析,要使顶梁支撑力分布与顶板载荷分布一致。单顶板载荷复杂,分布规律因支架顶梁与顶板的接触情况而异。为简化计算,假定顶梁与顶板均匀接触,载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化,沿支架宽度方向均布。把支架的空间杆系结构,简化为平面杆系结构。同时为偏于安全,可以认为顶梁前端载荷为零,载荷沿顶梁长度方向向后越来越大呈三角形分布,并且按集中载荷计算。所以,支架支撑力分布也为三角形,以此计算立柱柱窝的位置。前面已经设定出立柱下铰点之间的距离为2675 mm ,L=2675mm。取顶梁为分离体,其受力如下图所示:图3.2 顶梁受力图对A 点取距: 即 式(3.13)式中:F f= h把数据代入上式中可得:L=4300mm根据前后立柱的倾角,便可确定立柱下柱窝的位置。 3.5 四连杆结构的设计3.5.1 四连杆的作用四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一。起作用概括起来主要有两个:其一:当支架由高到低变化时,借助四连杆机构式支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双纽线,从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小,提高了管理顶板的性能;其二:是使支架能承受较大的水平力。为了掌握四连杆机构的设计方法,必须正确理解四连杆机构的作用。下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些特征是四连杆动作过程的必然结果。掩护式和支撑式支架均采用双摇杆机构,双摇杆机构形成的条件是最短杆和最长杆之和小于其余两杆长度之和,而最短杆为上连杆(掩护梁),最短杆的对边为固定杆(底座)。四连杆机构使支架顶部端点的运动轨迹呈近似双扭线,从而使支架顶梁前端的端面离煤壁距离大大减小,提高了管理顶板性能,使支架能承受较大的水平力。(1) 支架从高到低运动时,顶梁端点运动轨迹的最大宽度应不大于70,最好为30以下。(2) 支架在最高位置时和最低位置时,横梁和掩护梁的夹角和后连杆与底面夹角,满足以下要求:支架最高位置时,=5262,=7585;支架在最低位置时,考虑矸石便于下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知:要求,如果按钢和矸石的摩擦系数 =0.3,可求得=0 3,=16.7,为了安全可靠,最低位时应使25为宜,而角主要考虑掩护梁底部距底板要有一定距离,防止支架后部冒落矸石卡住后连杆,使支架不能降下来。(3) 掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心之间的连线与水平线夹角为,设计时要使0 .35。(4) 支架工作段要取曲线向前凸的一段段。其原因是因为顶板来压时,立柱受压下缩,使顶梁有向前移的趋势,防止岩石向后移动,又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向老塘,同时底板阻止底座向后移,使整个支架产生顺时针转动的趋势,从而增加了前梁端部的支撑力,防止顶梁前端顶板冒落,又可以使底座前端比压减小,又可防止啃底,有利于移架,再则减小了水平力的合力,由于支架承受的水平力由掩护梁来克服,所以减轻了掩护梁的受力3.5.2四连杆机构的设计下面用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度:设:G 掩护梁长度;A 后连杆长度;L 2 e点引垂线到后连杆的长度; H1 支架最高位置时的计算高度; H2 支架最低位置时的计算高度;按照几何关系可得出:G cosP 1A cosQ L 2 式(3.14)G cosP 21A cosQ2 式(3.15)将(1)、( 2)两式联立可得: 式(3.16)按四连杆机构的几何特征要求,初选:P1=45,P2=60,Q1=60,Q2=45把各个角的数值代入(3)式可得:支架在最高位置时的计算高度为:H1 =G

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