支撑掩护式液压支架总体及立柱设计【含3张CAD图纸、文档说明书、外文翻译】
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支撑掩护式液压支架设计【含
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支撑掩护式液压支架
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支撑掩护式液压支架总体
支撑掩护式液压支架总体及立柱设计
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摘要 矿井液压支架的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低陈本、减轻工人的体力劳动和保证生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架的设计师技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化的主要体现。 采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。 液压支架主要由以下几个基本部分组成：顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。设计要遵从从支柱性能好、强度高、移架速度快安全可靠等原则。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架升降过程中的顶梁前段前后移动的距离。立柱采用双伸缩液压缸，以满足支架最低及最高位置时的高度要求关键字：液压支架;立柱;掩护;支撑。IAbstract The application of hydraulic support in coal mining face of increasing production and raise labor productivity reduce costs, reduce workers and to ensure safety in production is indispensable for effective measures to, Therefore the design of hydraulic support is technically advanced and economically rational, safe and reliable is the main manifestation of the comprehensive of the comprehensive mechanization and automation of mining. The comprehensive mechanization of coal mining is acceleration coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining. Hydraulic support major form some following basically partial compositions: Top beam, screens beam and 4 linkage mechanisms, side fender, base, prop. Design to follow protect performance good, strength is speed high, move rapid reliable etc. principle. The support uses four link motion gears, improve the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the process fort end the top-beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest positions high request. Key Words: coal;mechanization;bracket;columnI目录前言11 支撑掩护式液压支架的概述21.1 设计的原始条件21.2 支撑掩护式液压支架的特征参数21.3 支撑掩护式支架的结构特点21.4 支撑掩护式液压支架的液压系统32 液压支架总体设计32.1 液压支架的特点32.1.1 液压支架架型的分类与特点32.2 液压支架基本参数确定52.2.1 支架高度52.2.2 支架的伸缩比62.2.3 支架间距72.2.4 理论支护强度82.3 液压支架四连杆机构的确定82.3.1 四连杆机构的作用82.3.2 四连杆机构的几何特征92.3.3 四连杆机构尺寸的确定102.4 液压支架配套设备及有关参数的确定162.4.1 采煤机和运输机型号确定162.4.2 配套图，配套尺寸的确定162.4.3 泵站和各安全阀的选择172.5 顶梁的设计及有关参数的确定172.5.1 顶梁的作用172.5.3 顶梁结构型式的确定172.5.4 顶梁主要尺寸的确定202.5.5 顶梁主要参数的确定202.6 底座的结构选择及主要参数的确定222.6.1 底座的作用222.6.2 设计底座的要求222.6.3 底座结构型式的确定222.6.4 底座主要尺寸的确定242.7 掩护梁的结构选择及主要参数确定242.7.1 掩护梁的作用242.7.2 掩护梁的结构型式242.8 立柱的结构选择及主要参数的确定252.8.1 立柱的作用252.8.2 立柱的结构型式252.8.3立柱主要参数的确定262.9推 移装置的结构选择和主要参数的确定292.9.1 推移装置的作用292.9.2 推移装置的结构型式292.9.3 推移装置有关参数确定292.10 侧护装置的选择及主要参数的确定312.10.1 侧护装置的作用312.10.2 侧护装置结构形式的确定312.10.3 侧护板尺寸确定322.11 前梁千斤顶的选择及有关参数的确定332.11.1 前梁千斤顶推拉力333 支架受力分析计算343.1 液压支架的支护性能与外载荷343.2 支撑掩护式支架的受力分析353.2.1 顶梁合力Fn及其作用点位置363.2.2 前后连杆力393.2.3 底座合力大小及其作用点位置403.2.4 顶梁载荷分布413.2.5 支护强度计算433.2.6 底座平均接触比压433.2.7支护效率463.3支架受力计算474 立柱强度较核514.1 油缸的稳定性验算514.2 活塞杆的强度验算524.3 缸体强度验算554.4 机械加长杆处的强度验算56结论58技术经济分析59致谢60参考文献61附录A62附录B69前言液压支架是我们煤炭生产中一个重要的组成部件它起着支护顶板防止冒顶维持工人一定的工作空间保证安全和各项作业的正常运行。一个循环包括降柱、移架、升柱、推溜四个动作。液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要部分组成。目前液压支架的分类有三类型，即支撑式液压支架、掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。液压支架以高压液体作为动力由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备。这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定老顶有明显或强烈的周期来压。瓦斯含量较大中厚或厚煤层中液压支架的选型其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面的条件投产后能做到高产、高效、安全、并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件。因此必须根据矿井煤层、地质、技术和设备条件进行选择。 本设计采用支撑掩护式液压支架。791支撑掩护式液压支架的概述 1.1设计的原始条件此次设计采高2.8m3.8m，液压支架支护强度0.8MPa，煤层厚度（m）33.5m,老顶级别直接顶类别。1.2支撑掩护式液压支架的特征参数1)本设计液压支架的支护高度最低2.5m,最高4.0m，支护宽度 1.421.6m.初撑力3200KN；工作阻力4400KN；支护面积5.32；支护强度0.827Mpa；底座面积2.79m；底座比压0.842.5Mpa；2)立柱本设计立柱采纳单伸缩双作用活塞式带机械加长杆的方式，立柱缸径180mm活塞直径170mm，活柱行程1200mm，加长杆分五档，每档120mm，初撑力763.02KN；工作阻力1017.36KN。3) 前梁千斤顶前梁千斤顶缸径100mm活塞杆杆径70mm行程140mm；初撑力251.2KN拉力128.11KN；工作阻力251.2KN。4) 推移千斤顶 推移千斤顶缸径125mm；杆径70mm；行程700mm；推溜力111.55KN；移架力244.15KN。5) 侧推千斤顶 侧推千斤顶缸径63mm；推力90.40KN；拉力53.95KN；行程170mm；1.3支撑掩护式支架的结构特点该支架采用刚性能主梁加铰接前梁的分段组合式结构的顶梁；掩护梁采用直线型整体式箱形结构；底座采用整体式框架结构，以减小底座比压；立柱分前后两排布置，均向前倾斜，后排立柱倾角小于前排，有利于提高切顶性能；推移装置采用浮动活塞式，使移架力大于推溜力。1.4支撑掩护式液压支架的液压系统 该支架液压系统包括立柱系统和千斤顶系统，操纵阀系统，千斤顶系统又包括推移千斤顶、侧推千斤顶、挑梁千斤顶系统。所有系统用同一泵站供液。本支架选用35Mpa作为泵站额定工作阻力，两位三通手动换向阀控制。2 液压支架总体设计2.1液压支架的特点2.1.1液压支架架型的分类与特点a液压支架的组成 支撑掩护式液压支架的结构由以下部分组成：防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。b液压支架架型的分类按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本架型，即：支撑式、掩护式、支撑掩护式。C各类液压支架的特点1)支撑式支架支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。支撑式支架又有垛式和节式之分（如图2-1所示）。 a 垛式 b节式图2-1支撑式支架Fig. 2-1Support bracket 这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压明显或强烈，底板较硬的煤层。2)掩护式支架掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少、切丁能力弱；顶梁短，控顶距小；由前、后拉杆和底座铰接构成的四杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使顶梁前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双紐线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中稳定的顶板。（如图2-2）a b c a插腿式支架 b立柱支在掩护梁上非插腿式支架c立柱支在顶梁上非插腿式支架图2-2掩护式支架Fig. 2-2 Shield support 这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。3)支撑掩护式支架 支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后排立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。（如图2-3） 1 2 3 1四柱平行支在顶梁上支架 2四柱交叉支在顶梁两柱在掩护梁上支架3两柱在顶梁两柱支在掩护梁上支架图2-3支撑掩护式液压支架Fig. 2-3Support shield type hydraulic support这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中。2.2液压支架基本参数确定2.2.1支架高度支架高度一般系指支架的最大和最小结构高度，它必须适应煤层采厚变化所要求的最大和最小支撑高度。最小高度过大，可能会出现压架现象；最大支撑高度过小，可能会造成丢煤浪费资源，或支架顶空现象。支架的最大和最小支撑高度，应根据煤层厚度的变化合理选择，片面地认为调高范围越大越好，过大地加大调高范围将增加设备重量及制造成本。其最大与最小高度为： (2-1) (2-2)式中： 支架最大高度，mm 支架最小高度，mm 煤层最大高度，=3500mm 煤层最小高度，=3000mm 考虑伪顶、煤冒落后，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200300mm，取270mm。 顶板最大下沉量，一般取100200mm，取150mm。 移架时支架的最小可缩量，一般取50mm。 浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm。由式2-1可得 由式2-2可得 所以取： 设计本次液压支架最大支撑高度4000mm，最小支撑高度2500mm。2.2.2支架的伸缩比 支架的伸缩比是指其最大与最小高度之比值即： (2-3) 由于液压支架的使用寿命较长，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为1.9；支撑掩护式支架为2.5；掩护式支架可达到3.一般范围是1.52.5，煤层较薄时选大值。但考虑尽量减轻支架重量，降低液压支架的价格，可以将其系列化，使液压支架对底板的适应性加强，降低伸缩比，尽量选取单伸缩油缸或代机械加长杆的液压支架。一般根据单位油缸的长行程K来确定，当K小于0.7时可采用单伸缩立柱。2.2.3支架间距 所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。支架间距B主要根据支架型式来确定，但由于每架支架的推移千斤顶都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链接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5米。此次设计取B=1500mm。表2-1适应不同类级顶板的架型和支护强度Tab. 2-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength2.2.4理论支护强度支护强度的计算可借助于和老顶级别和采高确定支护强度。 (2-4) 式中： 当支架最大采高为时，支架应有的支护强度 采高所对应的支护强度，见表2-1 采高所对应的支护强度，见表2-1 对应的采高，见表2-1 对应的采高，见表2-1支架最大采高=4000m 将数据代入（2-4）中得到支架应有的支护强度 2.3液压支架四连杆机构的确定2.3.1四连杆机构的作用 四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要的部件之一，其作用概括起来主要有两个，第一个是当支架由高到低变化的时候，前梁顶端的变化呈双紐线型式，这样就是支架顶梁前端点离煤壁越来越近，提高了管理顶板的性能；第二个是能够让液压支架承受更大的水平力。2.3.2四连杆机构的几何特征（1）支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2-4所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好在30mm以下。 （2）支架在最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图2-3所示,应满足如下要求:支架在最高位置时,P=,Q=;支架在最底位置时,为有利于矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知,要求tgPW,如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3,则P=。为了安全可靠，最低工作位置应使为宜，而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一顶距离,防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降一般取Q=，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。 从图2-4可知，掩护梁与顶梁铰点和瞬时中心O之间的连线与水平的夹角。设计时，要使角满足tg的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小。图2-4四连杆机构几何特征Fig. 2-1fore rods geometry featureline（3） 应取顶梁前端点运动轨迹双紐线向前凸的一段为支架工作段，如图2-4所示的h段。其原因是顶板来压时，立柱让下缩，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采空区。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，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁外负载。从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使e值减小，取双紐线向前凸的一段为支架工作段。所以当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，如图2-5所示实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构。图2-5掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 Fig. 2-5 caving lock pieceand rod mechanism2.3.3四连杆机构尺寸的确定a) 掩护梁和后连杆长度的确定用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。图2-6掩护梁和后连杆计算图Fig. 2-6 caving lock pieceand after rod map图2-6中G掩护梁长度，(mm) A后连杆长度，(mm) 点引垂线到后连杆下铰点之距,(mm) 支架最高位置时的计算高度 支架最低位置时的计算高度 由下式计算： =-220-160=4000-220-160=3620(mm) -220-160=2500-220-160=2120(mm)其中：220是后连杆下铰点与地平面之距； 160是掩护梁上铰点与顶梁上平面之距； 从几何关系可以列出如下两式： 将两式联立可得： (2-5) 对于支撑掩护式支架： 支架最高位置时的计算高度为： (2-6)后连杆长度为： A=G(A/G) (2-7)支架在最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图2-1所示,应满足如下要求:支架在最高位置时，。按四连杆机构的几何特征要求，选定，选取A/G=0.62 根据式（2-6）得：掩护梁长度: =2591.9(mm) 后连杆长度为： 1606.91 (m2592m)取整得：G=2592(mm)，A=1607(mm);b)四连杆机构其他部分尺寸的确定 用几何作图法来确定四连杆机构其他各部分尺寸。如图2-7所示。(1)确定后连杆下铰点O点的位置，使它比底座面略高200250mm(或类比同类型支架确定)。(2)过O点作与底座面平行的水平线HH线。(3)过O点作与HH线的夹角为的斜线。(4)在此斜线截取线段，长度等于A,a点为支架在最高位置时后连杆与掩护梁的铰点。(5)过a点作与HH线有交角的斜线,以a点为圆心,以G点为半径作弧交些斜线一点,此点为掩护梁与顶梁的铰点。(6)过e点作HH线的平行线则HH线与FF线的距离为,为液压支架的最高位置时的计算高度。(7)以a点为圆心,以(0.220.3)G长度为半径作弧,在掩护梁上交一点b,为前连杆上铰点的位置。(8)过O点作与HH线夹角为的斜线。 (9)在此斜线上截取线段，的长度等于A，a点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。(10)过a点作与HH线有交角的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交些斜线一点e，此点为支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。(11)以a为圆心以G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为支架在最低位置时前连杆上铰点的位置。(12)取线之间一点e为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。(13)以o为圆心，为半径画圆弧(14) 以e点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点a，以点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。 (15)以连线，并以a点为圆心，ab长为半径作弧，交上一点b点。则b，b，b三点为液压支架在三个位置时，前连杆上铰点。(16)由三点确定的圆心C，为前连杆下铰点位置。(17)过C点H-H线作垂线，交点d，则线段和为液压支架四连杆机构。按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸,再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e的运动曲线，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线来，再按液压支架四连杆机构的几何特征进行校核，最终选出较优的四连杆机构尺寸。2-7液压支架四连杆机构的几何作图法Fig. 2-4 hydropost fore rod is geometrymap method根据几何作图法，做出四组不同的四连杆机构求出相关的参数。2-8四连杆几何机构(1)Fig. 2-8descriptive geometry(1)2-9四连杆几何机构(2)Fig. 2-9descriptive geometry(2)2-10四连杆几何机构(3)Fig. 2-10descriptive geometry(3)2-11四连杆几何机构(4)Fig. 2-11descriptive geometry(4)C）四连杆机构的方案选优 由上述方法求出的四连杆尺寸，从中选出一组最符合实际的参数。优选的方法如下。前后连杆的比值范围，根据现有支架调查统计，前后连杆的比值C/A=0.91.2范围；前后连杆下铰点的水平距离E的长度，一般使EH1/4.5。；对支撑掩护式液压支架tg0.2。通过比较本设计选取方案四；2.4液压支架配套设备及有关参数的确定2.4.1采煤机和运输机型号确定根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为：运输机：型采煤机：2.4.2配套图，配套尺寸的确定1) 液压支架配套关系图，如图2-12所示。2) 配套尺寸的确定，2-12液压支架配套关系图Fig. 2-12 hydraulic support interrelation配套尺寸:E=624+233+630+376=1889(mm)2.4.3泵站和各安全阀的选择 在设计中选择泵站型号为XRBB型。 泵站的理论工作压力为35Mpa,由于供液泵在工作过程中的磨损等原因，实际供液压力为35Mpa，在立柱初撑阶段，因为没有应用液体流动，管路损失为零，取初撑压力为32Mpa。2.5顶梁的设计及有关参数的确定2.5.1顶梁的作用 顶梁是支架的主要承载部件之一，并且它是与顶板直接接触的构件，他必须满足一定的强度和刚度，还需要确保支护顶板的要求。2.5.3顶梁结构型式的确定1)支撑式支架的顶梁 支撑式液压支架顶梁结构形式如图2-13所示。如图a所示为整体刚性顶梁。顶梁为一整体,刚性大,承载能力较好。但对顶板的适应性差。图 2-13 支撑式液压支架的顶梁类型Fig. 2-13hydropost construction 如图b，c所示为铰接式顶梁，由前梁和后梁组成，分别由前、后排立柱支撑。其中，b为全铰式，它能适应支架顶梁上方前后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形影响支撑效果和切顶性能。半饺式顶梁如图c所示，它克服了全铰式的缺点，当中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于铰接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。 如图d所示为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接，在铰接前梁处安装有前梁千斤顶，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上下摆角适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。 为了使冒落的顶板矸石滑向采空区，保护挡矸帘，还可以增设尾梁，如图e所示。 如图f所示为不带伸缩前梁的刚性顶梁，伸缩千斤顶式顶梁伸缩由于前梁可以及时伸出支护暴露的顶板，从而允许固定顶梁减小长度，也可以用前梁千斤顶和伸缩千斤顶配合使用，使前梁既可以伸缩，也可以上下摆动。 2)掩护式液压支架的顶梁结构 掩护式液压支架的顶梁结构型式如图2-14所示 如图a所示为平衡顶梁顶梁较短，与其下部的的掩护梁铰接。因为它能在顶板凹凸变化时自取平衡，所以叫平衡式顶梁，顶梁铰接点前、后侧面的比例接近于2：1（按载荷分布近似三角形设计）。这种顶梁后部和掩护梁形成三角区，易被冒落矸石堵住，影响支护效果。为此，在顶梁后部加设挡矸板。ZYZ型掩护式液压支架就采用此种结构。 如图b所示为潜入式顶梁，顶梁后端为扇形结构，掩护梁可潜入扇形结构内，消除三角区。 如图c所示为铰接式顶梁，顶梁为整体结构，顶梁后端直接与掩护梁铰接，取消三角区，立柱直接支撑在顶梁上。平衡千斤顶调节顶梁的接触面积。 如图d所示为带前梁的铰接式顶梁，由前梁千斤顶调节前梁角度，可以提高前梁前端的支撑能力，改善前梁前端的支控效果。 如图e所示为带伸缩前梁的铰接式顶梁，可及时支护顶板，减少顶板的暴露时间。铰接式顶梁加伸缩和摆动前梁，为如图d、e所示两种型式的结合型，由前梁千斤顶调节前梁角度，并在前梁内加伸缩前探梁。3)支撑掩护式支架顶梁由于支撑掩护式液压支架的结构介于支撑式和掩护式液压支架之间，所以，支撑掩护式液压支架的顶梁结构可采用前述诸种型式，但应根据顶板条件来选取。 对以上顶梁型式的比较，本次液压支架设计选择用刚性主梁加上铰接前梁的结构型式。 本设计支架顶梁采用箱式结构，用钢板焊接而成，为加强刚性上下盖板之间焊接加筋板构成封闭式棋盘型。1-顶梁；2-前梁；3-后梁；4-掩护梁；5-立柱；6-限位千斤顶；7-前梁千斤顶；8-平衡千斤顶图2-14 掩护式液压支架顶梁的类型Fig. 2-14 caving lock piece mechanism method2.5.4 顶梁主要尺寸的确定1)顶梁长度L1 L1=配套尺寸+底座长度+AcosQ-GcosP-300配套尺寸为1889(mm)底座长度为2380(mm)= 代入得 =1889+2380+1505cos-2428cos=3243.7(mm)取顶梁长度为3244(mm)2) 顶梁宽度 到目前为止我们国家刮板输送机溜槽的宽度每节长度是1.5m一节溜槽对应一个支架，因此本次设计选取顶梁宽度为1.5m。3) 顶梁厚度 通过与同类液压支架类比取顶梁厚度为220mm4) 顶梁其他有关尺寸的确定 通过与zz4000/17/35液压支架类比可以选取立柱上铰点，前梁千斤顶的铰点，前梁的铰点，后梁铰点，掩护梁和顶梁接点位置如图2-15所示。2.5.5顶梁主要参数的确定1） 顶梁面积A顶梁面积A=L-顶梁长度 B-1500mm A=32441500=4.87m2-15支架的结构尺寸Fig. 2-15caving shield map支护面积S顶梁的支护面积按照下面公式计算： S=(+300)B (2-8)代入2-8得： S=(3244+300)1500=5.32支架名义工作阻力F F=S (2-9)式中F-支架名义工作阻力，KN支架在最高处名义工作阻力为： Fm=s=5.32827=4399.64KN顶板覆盖率支架顶板覆盖按下式计算 =A/S100%=100% (2-10)-顶板覆盖率将数据代入得： =4.87/5.32100%=91.54%2.6底座的结构选择及主要参数的确定2.6.1底座的作用 底座是支架的又一主要支撑部件，支架通过底座将顶板的压力传至地板。底座也是组成四连杆机构的构件之一。支架还通过底座与推移机构相连，以实现自身的前移和推动输送机。2.6.2设计底座的要求1) 底座要有足够的强度与刚度；2) 底座要对底板的起伏变化有足够的适应性；3) 底座要与底板的接触面积大,用来减小底座对底板的接触比压,以逃避支架陷入底板之中；4) 底座应有足够的尺寸来安入立柱、推移装置及液压控制装置；5) 底座要能把落入支架内的碎矸推弃到老塘中。6) 底座一定要把落入液压支架里面的碎矸石推到老塘之中。2.6.3底座结构型式的确定底座的结构型式如图2-16所示通常有三种型式。1) 整体式。 整体式。整体式底座是用钢板焊接成的箱式结构，整体性强，稳定向好，强度高，不易变形，与底座接触面积大，比压小。 如图2-16a所示的底座用于支撑式液压支架，箱体高度大便于安装复位装置。 如图2-16b所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式和支撑掩护式液压支架。2)对分式。为使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化，通常把底座制成前、后或左、右对分式。如图2-16c、d所示为前、后两个底座的对分式，两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成。如图2-16e所示为左、右两个底座箱的对分式，两者用弹簧钢板和销轴连接。3) 底靴式。底靴式底座的特点是每根立柱支撑在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，如图2-16f所示。它的结构简单，动作灵活，对地板的不平整适应性强，但刚性差，与地板接触面积小，稳定相差，一般用于节式支架上。 各种型式的底座前端都制成滑撬形，以减小支架的移架阻力。同时底座后部的重力大于前部，避免移架时啃底。 底座与立柱之间连接处用铸钢球面柱窝接触，以免因立柱偏斜受偏载，并用限位板和销轴限位，防止立柱脱出柱窝。在整体式底座后部中间去掉一块钢板，减少底座后部与底板的接触面积，增加底座后部的比压，同时有利于排矸。 a、b整体式底座；c、d、e对分式底座；f底靴式底座图2-16底座的结构型式Fig. 2-16 Base structure type通过与同类型液压支架的底座进行比较，采用整体式底座。2.6.4底座主要尺寸的确定 根据以往设计类比，取底座长度为2325mm,宽度为1200mm 采用类比法，确定顶梁上立柱柱窝位置，底座上立柱柱窝位置，进而确定支架结构尺寸如图2-14所示2.7掩护梁的结构选择及主要参数确定2.7.1掩护梁的作用 掩护梁只有掩护式和支撑掩护式液压支架才安设。其主要功能是隔离采空区、阻止采空区冒落矸石涌入工作面，并承受采空区冒落矸石的载荷和基本顶来压时的冲击载荷。掩护梁与前后连杆。底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。2.7.2掩护梁的结构型式 1)从侧面看掩护梁分直线型和折线型。如图2-16所示。其中，如图a图所示的掩护梁是折线型，图b是直线型掩护梁。1顶梁；2掩护梁；3立柱；4前连杆；5后连杆；6底座；7限位千斤顶图2-16掩护梁的结构型式Fig. 2-16caving lock piece mechanism method 折线型相对直线型支架断面大，结构强度高，但工艺性差，所以很少采用。 2)从掩护梁的宽度方向分，可分为整体式和相分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度较差。2.8立柱的结构选择及主要参数的确定2.8.1立柱的作用 立柱是液压支架承载与实现升降动作的主要液压元件。它是支架的承压构件，由于长时间的承受高压力所以要有足够的抗压能力，抗弯矩的能力。2.8.2立柱的结构型式1 立柱的结构立柱按动作方式分为单作用和双作用立柱；按结构分为活塞式和柱塞式立柱；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩式立柱，如图2-17所示。a-单作用活塞式；b-单作用柱塞式；c-双作用活塞式；d、e、f-双伸缩式图2-17立柱类型Fig. 2-9 caving lock piece mechanism method2 几种立柱的动作原理1）单伸缩立柱的动作原理 单伸缩单作用活塞式或柱塞式立柱，靠液压力伸柱，靠自重或弹簧力降柱。单伸缩双作用活塞式立柱，靠液压力伸柱和降柱。当下腔进液上腔回液时伸柱，反之为降柱。2）双伸缩立柱的动作原理 双伸缩立柱动作原理如图2-18所示当高压液进入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，如图2-18a所示。当中缸全部伸出后中缸下腔压力增加，当压力增加至超过底阀弹簧调正压力时，底阀打开，高压液进入上柱下腔，上柱上腔液体经中腔上部小孔排出，使上柱伸出，如图2-18b所示。降柱时如图2-18c、d所示。 当高压液进入中缸上腔，下腔回液，中缸下降；当中缸降到底时，一方面底阀被缸底顶开，另一方面中缸上孔正对立柱上部进液孔，如图2-18c所示。图2-18双伸缩立柱动作原理Fig. 2-18Double Telescoping operation principle本设计采用单伸缩，双作用活塞式立柱。2.8.3立柱主要参数的确定1) 立柱缸体内径和活塞外径缸体内径的确定： (cm)式中D立柱缸体内径cm， 支架承受的理论支护阻力； 每架支架立柱数目； 安全阀调正压力； 立柱最大倾角，支架在最低位置时其值最大； 17.7cm表22立柱缸体内径的标准值Tab. 2-2 Column diameter cylinder of the standard value506380100110125140（145）160180200（210）220（230）250通过查表选取缸体内径=180mm根据表2-2对照后选取活塞杆外径 d=170mm 工作阻力1372KN 额定工作压力56.1mpa选用我们国家自己生产的XRB2B型乳化液泵站，其额定工作压力是35MPa。取泵站额定工作压力(MPa)减去从泵站到支架沿程压力损失后的值为30MPa，代入公式 (2-11)得立柱的初撑力为： 2）安全阀压力和立柱工作压力安全阀选用YF1B型调正压力=40MPa。液压支架立柱的工作阻力按照下面的公式进行计算： (2-12)得立柱的工作阻力： =1017.36KN表22单伸缩立柱的缸径、柱径组配合关系Tab. 2-2 telescopic column of single-bore, with the relationship between column diameter group缸体内径（mm）250220200180160140125活柱外径（mm）240210190185170130130105工作阻力(KN)2352196017641372784784588额定工作压力(MPa)5051.658.456.150.751.950推荐选用管材缸体29928273322452821925194221802415020钢材规格（mm）活柱24526219252002419425180241592014018115元钢材2.9推移装置的结构选择和主要参数的确定2.9.1推移装置的作用 推移装置在采煤机截割一次煤壁后进行推移运输机，为下一个工作物质循环做好准备，同时在推移支撑掩护式液压支架及时支护新暴露成的顶板，防止冒落。2.9.2推移装置的结构型式推移装置有以下几种：1)直接连接方式,结构简单,但推溜力大于移架力。 2)框架式连接方式,当缸体后腔进液时, 活塞杆移架当刚体内腔进液时缸体前移通过框架而推溜, 所以通过这种方式可以使移架力大于推溜力。 3)移步横梁连接方式,结构复杂并不能起到防止支架下滑的作用,这种方式对支架与运输机的配套性不做要求。 浮动活塞式 : 它可以使移架大于推溜力。推溜,活塞进液，由于活塞空套在活塞柑上，活塞推到前方后，活塞杆推溜，由于活塞面积小，所以推溜力小； 移架，活塞杆腔进液缸体前移而移架，左腔环形面积大于活塞杆面积，所以移架力大于推溜力。 通过几以上几种类比，推移装置进行比较，本设计选取浮动活塞式为推移装置。2.9.3推移装置有关参数确定推移步距的确定： 本次液压支架的设计选用移架后推溜的及时支护方式，所选用的采煤机截深为650mm.因此推移的步距选用650mm。 推移千斤顶行程与推移步距有关，当推移的步距是650mm的时候，选推移千斤顶的行程为700mm。 推移千斤顶的缸体内径 ，活塞杆的外径的确定 ：缸体内径、活塞杆直径按以下两式得出： (2-13) (2-14)式中: D推移千斤顶缸体内径 mm； d推移千斤顶活塞杆直径 mm； 推移千斤顶移架力KN； 推移千斤顶推溜力KN； 推移千斤顶处泵站来压取29Mpa初选=200KN =100KN将数据代入得： 将D，d圆整取标准值 D=125mm ，d=70mm推移千斤顶的推溜力 和移架力： (2-15) (2-16)将数据代入公式： 2.10 侧护装置的选择及主要参数的确定 2.10.1侧护装置的作用1) 消除相邻支架掩护梁和顶梁间的间间隙，防止冒落矸石进入支护空间。2）防止支架的倾倒 3）调整支架间距2.10.2侧护装置结构形式的确定 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。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。一般燕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顶梁连接，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，给调架、防倒等带来不便，所以很少采用。另一种时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侧护板的结构形式侧护板的结构如图2-19所示。通常有两种类型。 一种型式是侧护板在顶梁的外侧。这种类型侧护板还可以分成第三种形式，如图2-19a所示，顶梁的上面没有顶板，侧护板容易于被冒落的矸石卡住，影响侧护板的伸缩程度；如图2-19b、c所示，在顶梁上的上面加设顶板，克服了以上的缺点，但支架承受偏载时，侧护板装置受力很大。 另一种时铰接式侧护板，如图2-19d所示。他集成了以上两种的优点，但由于架间侧护板造成的三角带很容易让矸石降落，严重影响了架间密封效果。图2-19侧护板的结构型式Fig. 2-19 mining sorting2.10.3侧护板尺寸确定1) 侧护千斤顶行程，缸体内径，活塞杆直径通过与同类液压支架的类比得：侧推千斤顶行程L=170mm 侧推千斤顶内径D=63mm 侧推千斤顶活塞杆直径d=40mm 2） 侧推千斤顶推拉力侧推千斤顶推力按以下式计算： (2-17)式中： 侧推千斤顶推力KN 侧推千斤顶处泵站来压 29Mpa将数据代入公式中得： 侧推千斤顶拉力按以下式计算： (2-18)将数据代入公式中得： 3)侧护板主要尺寸的确定a 顶梁侧护板侧向宽度 顶梁测护板的侧向宽度按支架升降高度和推移步距来确定。即考虑到当前一架升起另一架降柱时,要保证相邻两架间侧护板不能脱离接触,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，加宽长度一般为从顶梁后部起大于一个移架步距。b 掩护梁侧护板侧向宽度 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100mm；当一个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开所以掩护梁下部要加宽。 顶梁与掩护梁的侧护板上部宽度与活动侧护板的行程有关，由两台相邻支架的间距离确定。 本设计选取顶梁和掩护梁测扩板的上部宽度为200mm。2.11前梁千斤顶的选择及有关参数的确定 根据类比，本设计前梁千斤顶行程选取140mm。内径D=100mm，活塞杆直径d=70mm。2.11.1前梁千斤顶推拉力1)初撑力阶段 (2-19)式中=32Mpa，将数据代入 =251.2KN2)工作阶段 (2-20) (2-21)将数据代入得： 3支架受力分析计算3.1 液压支架的支护性能与外载荷 支架或立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。支架在升柱时，高压液体进入立柱下腔，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，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑阶段；支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至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；随着顶板压力继续增加，立柱下腔压力超过支架的安全阀调正压力，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减少，立柱下腔压力降低，当低至于安全阀调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调正压力的限制下，压力曲线随时间呈现波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。这种变化过程反映出支架的阻力时间特性。特性曲线表明：液压支架在额定工作阻力以下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用；在达到额定工作阻力时，具有恒阻性，以限制支架的最大支撑力；在超过额定工作阻力时，又具有可缩性，使支架在保持恒定阻力下能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性和可缩性主要靠安全阀的溢流性能来实现。因此，安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的关键元件。 支架特性曲线表示工作阻力随时间的变化的情况,如下图3-1所示。增阻阶段的长短与顶板下沉速度、支架初撑力大小及初撑质量有关。较大的初撑力和较好的初撑质量可以较快地达到工作阻力，延缓顶板的下沉，增加顶板的稳定性。液压支架的恒阻特性保证支架构件在给定的强度范围内工作。t0初撑阶段； t1增阻阶段； t2恒阻阶段； p1初撑力； p2工作阻力图3-1液压支架工作特性曲线Fig. 3-1 line of support work characteristic 为了设计的简单要对支架的载荷和支架本身进行简化，现概述如下： 1)把支架简化成一个平面杆系结构，为了偏于安全计算时把外载荷视为集中载荷。2)顶梁，底座与顶板被认为均匀接触载荷沿支架长度方向接线规律分布沿宽度方向均匀分布。 3)通过分析和计算可以知道，掩护梁顶矸石的作用为只能使支架实际支护阻力降底所以在受力计算时不计。 4)产生作用在顶梁水平力的原因有两种，一种是由于支架让压回缩顶梁的运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板在产生相对位移顶板给予顶梁水平摩擦力的另一种是由于支架有向煤壁倾倒可能时受到水平摩擦力。 5)按不同支护高度时各部件最大受力值进行受力分析。 3.2 支撑掩护式支架的受力分析 当支架撑牢在顶底板之间的时候取整体某一部分为分离体皆处于平衡状态，跟据此把液压支架简化成平面矸系进行受力和计算。图3-2支掩式液压支架整体受力Fig. 3-2 bracing caving shieldlining resistance3.2.1顶梁合力Fn及其作用点位置1)取前梁为分离体如图3-3所示。a点的内力； (3-1) 式中： 前梁a点所受水平力，KN待求 前梁千斤顶推力。取251.2KN 前梁千斤顶水平倾角。取 顶梁千斤顶顶板系数。取0.3 前梁千斤顶所受集中力KN3-3前梁为分离体受力图Fig. 3-3 lock piece liberation mapa点的内力； (3-1) 式中： 前梁a点所受水平力，KN待求 前梁千斤顶推力。取251.2KN 前梁千斤顶水平倾角。取 顶梁千斤顶顶板系数。取0.3 前梁千斤顶所受集中力KN (3-2) 前梁点受垂直力。 (3-3) 前梁千斤顶铰接点距顶梁距离取330mm 后梁铰点距顶梁距离取85mm 前梁长度，取900mm 2)取后梁为分离体进行受力分析如图3-4所示 (3-4) (3-5)公式中： 后梁所受集中力 KN 后梁所集中力 KN 前排立柱的合力取2035.76KN 后排立柱的合力取2035.76KN 的反作用力 后梁b 点所受垂直力。3-4后梁分离体受力Fig.3-4 after lock pieceliberationpressure (3-6) (3-7)式中: 瞬心角 X后梁集中力作用点与顶梁后端之距 掩护梁顶梁铰点与顶梁上表面之间的距离,选取160mm. 前排立柱的上铰点与顶端后端之间的距离,选取1350mm. 后排立柱的上铰点与顶梁后端之间的距离,取300mm. 前排立柱上面的铰点与顶梁上表面之距,取200mm 后排立柱上铰点与顶梁上表面之距间的距离,取200mm 前排立柱上铰点与前后梁铰点之距 ,取800mm3.2.2前后连杆力选取掩护梁为分离体进行受力分析。如图3-5所示。 (3-8)公式中： 后连杆力; 前连杆与水平面的夹角; 后连杆与水平面的夹角; 的反作用力； (3-9) -前连杆力;3-5掩护梁分离体受力Fig. 3-5 caving lock pieceliberationpressure3.2.3底座合力大小及其作用点位置 取底座为分离体进行受力分析如图3-6所示 (3-10)公式中 底座集中力大小,KN; 的反作用力; 底座集中力距底座后端距离，mm; 前后立柱的下铰点之距,取863mm; 后排立柱的下铰点与底座后端之距,取1050; 前后立柱的下铰点水平距离,取825mm; 前后立柱的下铰点距底座下平面之距,183mm； 前连杆的下铰点距底座下平面之距，760mm; 后连杆的下铰点距底座下平面之距，506mm; 的反作用力 （3-11）3.2.4顶梁载荷分布 求出顶梁受到的顶板压力以后，就可以计算出载荷在顶梁上面的分布情况。由于顶板与顶梁接触情况不同，。在计算时，需要假设顶梁与顶板均匀接触并且载分布为线性分布。假设顶梁的长度为Lg，顶板上的集中载荷假设为，其作用点距顶梁一端为x。 （a） (b) a-顶梁三角形载荷分布； 图3-7b-顶梁梯形载荷分布图3-6顶梁载荷分布Fig. 3-6 Top beam load distribution1)则当x 时，载荷分布为三角形。如图3-6（a）所示,顶梁前面的比压为零后面的比压设为: (3-12)公式中： 顶梁后端比压Mpa 顶梁宽度，取1500mm 2)当时,载荷呈梯形分布如图3-6（b）所示顶梁前面的比压为： （3-13)公式中： 顶梁前端比压Mpa顶梁后端比压为 (3-14)3)当时，载荷的分布为矩形，如图3-7所示，顶梁前后端的比压是相等的， (3-15)4） 当时，载荷的分布是呈梯形，如图3-8所示, 顶梁前端比压： (3-16)顶梁后端比压： (3-17)5) 当时，载荷呈三角形分布，如图3-8所示,顶梁后端比压是0，顶梁前端比压为： （3-18）图3-8顶梁的载荷分布Fig. 3-8 lock piece triangular pressure3.2.5支护强度计算 支护实际支护强度如下式计算： （3-19）公式中： 顶梁前端至煤壁的距离mm 支架支护宽度(支架间距)mm由于工作阻力和支护面积因支架支撑高度不同而异故支护强度也是如此支架,实际高度与理论支护强度的应在5%之间。3.2.6底座平均接触比压顶板对支架巨大载荷经由支架传到底板，在支架的底座与底板间具有一定比压。1)底座平均接触比压 底座对底板的平均比压按下式计算： （3-20)公式中： 底座对底板平均比压，Mpa R底座对底板合力,与底座对底座合力成作用力与反作用力KN; 底座长度mm; 底座当量宽度mm; 底座型式如图2-15所示其中： 经过整理得： (3-21)图3-9底座与底板接触面积计算图Fig. 3-9 The base and the base plate contact area calculation map2) 底座最大最小接触比压 假设底座对底板的均匀接触且载荷为线性分布。a） 当时，底座比压呈三角形分布，如图3-10所示。 底座后端的比压为： (3-22) 公式中： 底座后端比压，Mpa 其它符号的意义同前。b）当时，底座比压呈倒梯形分布，如图3-11所示。 底座前端的比压为: (3-23) 底座后端的比压为： (3-24)c）当时，底座比压呈正梯形分布，如图3-12所示。 底座前端的比压为： (3-25) 底座后端的比压为 (3-26) d）当时，底座比压呈三角形分布，如图3-13所示。底座前端比压为： (3-27)求出底座的最大比压后,通过与底板允许最大比压的对比，底座最大比压应小于底板允许。图3-10载荷分布 图3-11 载荷分布 Fig. 3-10 Load distribution Fig. 3-11Load distribution图3-12载荷分布 图3-13 载荷分布 Fig. 3-12Load distribution Fig. 3-11Load distribution3.2.7支护效率支护效率按照下面的公式进行计算： (3-28)公式中： P-支架的名义工作阻力KN -支护效率其他的符号意义同前。将数据代入得： 值与支架的架型、结构尺寸和支架高度有关，值过大或过小都不好。由于支架的工作阻力F1由立柱工作阻力之和的垂直分力及掩护梁和前、后连杆来承担，而立柱的工作阻力之和不变，当值过大时，说明掩护梁和前、后连杆受载增加，对掩护梁和前、后连杆不利；当值过小时，说明立柱工作阻力不能充分发挥。一般要求在支架工作段内，支撑掩护式支架由于立柱倾角较小，值应在95%105%之间；掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90%以上；支撑式支架由于立柱垂直布置又无四连杆机构，所以值为100%。3.3支架受力计算不随支护高度H而变的数据见下表3-1。1.不同支护高度的计算参数 以下参数为支护高度为H=4000时的计算结果。1) 顶梁所受集中力F由公式3-3得 由公式3-1得 表3-1在最高位置时计算结果Tab. 3-1The results at the highest positionp2035.752035.75128.11251.23308533020020016018376050690080020013503008631050BA82521502370150012004.8长度mm ，面积，力KN；当支架在最高位置时H400062.6628014.7300当支架在最低位置时H25008.643.763147.5-0.2300由公式3-2得 由公式3-6得 由公式3-4得 由公式3-5得 由公式3-7得 由公式3-8得 2）由于支架重量相对于支架所受工作阻力很小，所以支架的重量可以忽略不计，支架底座集中力与顶梁集中力相等。 由公式3-10得 3)支架的实际支护强度q 式中q支架实际支护强度Mpa S支架支护面积 由前面的计算可知当H=4000时，4)底座平均比压取 ；如图3-9所示得由公式3-20得： 由因此顶梁的载荷分布为三角形，顶梁前端比压为零。后端比压 5） 底座最大最小比压 所以由式3-23得： 由式3-24得： 不同支护高度时，各有关参数的计算如同以上步骤。支架在最低位置时的计算数据如下表：x68.4251.268.43784.4193.6-191.233852.8876.5226.06q-47.7714300.721.501.90.472.5通过以前的比较可知，比压小于底板的最大允许比压4.0Mpa。2.支架受力影响因素分析 1）支架支护高度对于受力的影响 支撑掩护式支架由于支护高度的变化，使立柱支撑角度、掩护梁及四连杆机构、角度等变化支架的受力的也不同。进行受力的分析计算时，支护高度由最高支护高度到最低支持高度均取几点进行受力分析，接近最高支护高度，支架所受的工作阻力越大。2）摩擦系统对支架受力的影响。液压支架在实际工作中摩擦系统是一个不定值，由于岩石的种类、水分含量等许多因素的影响，一般钢对岩石的摩擦系统为0.20.3。它不是个常数，根据计算表，摩擦系统增大对支架受力的不利，使底座合力作用点后移，底座比压较好。3）前梁千斤顶的推拉力对支架的受力影响 根据分析，前梁千斤顶受拉力时，顶梁后端的比压增大，可增加强切顶能力，底座的比压分布状态较好，连杆受力较小，前梁千斤顶受推力时，顶梁合力作用点前移，可增加前端支护能力，此时底座前端比压增加，连杆力增大。4立柱强度较核 液压支架立柱的强度验算，包括油缸的稳定性验算，活塞杆和缸体的强度验算等内容。4.1油缸的稳定性验算立柱的初撑力：立柱的工作阻力：油缸的外径:;油缸的内径:D=180mm;活塞杆外径D=170mm;加长杆直径D*d=125mm*75mm;立柱调高行程：1950mm; （4-1）式中 油缸稳定性极限力； 最大工作阻力； 活塞杆断面惯性矩；稳定条件使用范围： (4-2)为了利用上面两式，要先计算活塞杆和油缸的惯性和; (4-3) (4-4)公式中将数据代入公式中得： 即： 及 公式中，查极限计算图得31油缸稳定性极限力为3937KN液压缸最大工作阻力为P=1017.36KNn，所以安全。4.3缸体强度验算设缸体壁厚为，当时，由中等壁厚缸体公式计算。 (4-19)公式中： 油缸内工作压力取32.6Mpa； C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度一般取C=0.002m; 强度系数，无缝钢管=1.安全系数为;= 式中： 缸体材料为27SiMn无缝钢管时，； 般取3.54；所以满足要求。4.4机械加长杆处的强度验算 带有机械加长杆的立柱，在机械加长杆与活柱的链接处，靠卡环来承受和传递载荷。1)卡环与活柱端的挤压强度验算： (4-10) (4-11)公式中： 油缸的初撑力 挤压面积活柱材料，27SiMn,;卡环材料45Mn钢，=735，所以 所以安全。2)卡环与导向套的挤压强度验算： (4-12)公式中： A挤压面积 P油缸的初撑力829.1KN许用应力，卡环材料为,其。导向套材料45号钢，其。其则： (4-13)因为所以满足要求。结论本次毕业设计所设计的液压支架为掩护式液压支架，经过一系列的计算与分析，其强度和性能基本达到了预期的效果。通过本次设计我对液压支架的总体又有了更深的了解，通过几个月的设计分析，我学习了很多书本上没有的知识，课本上的知识页得到了更好的理解。在重复的修改过程中，在重新校核的过程中，我了解了机械设计应有的流程以及应该要考虑的问题做好一个机械产品的设计，首先要有扎实的基本功，这样能才在设计的过程中，知道有哪些方面是需要注意的，机械的零部件应该如何设计。而这些与我们已经学过机械知识都是密切相关的。通过这次设计，也让我更好的融会贯通课本上的知识。一开始的设计我是按照原有的机械设计模板进行设计，这样的设计我感觉到自己的大脑是糊涂的状态。而对每一步到底是什么样的功能都一点页不知道。具体的思路也不是很明确。但是这样的经历让我学会了查机械手册。机械手册是设计的必需品，经过查机械手册我的思路见见明确知道了该怎么做，经过一遍遍的验算更改最后终于设计出了一个满意的液压支架型号。在设计的过程中，进一步提高了我发现问题，并且进行解决问题的能力。并且对大学四年中学习的知识进行了巩固。在大学中我们最缺少的就是经验，徒有书本上的理论。无法做到理论与实际相结合。总体来说毕业设计对我的帮助很大，有了这次毕业设计的经历，我想我会更好的步入社会。技术经济分析本次毕业设计液压支架选用支撑掩护式液压支架，立柱用带有加长杆的单伸缩活塞式立柱。液压支架在常规的设计基础上，运用优化设计方法使支架在性能上可靠、结构上合理可行、在制造上可能的前提下，即改善了某些性能、又降低了重量和造价，又提高了支架的综合适应能力。支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。很适用于本次的设计条件，所以本次的设计选用支撑掩护式液压支架。对于技术上和经济上都是可行的。 致谢经过几个月的忙碌，本论文终于顺利的完成。首先我要感谢沙永东老师，没有沙老师的精心指导论文不会这么顺利的完成。老师从论文的选题，内容的构架，论文的撰写到修改成稿等各个环节都给了我耐心的指导和帮助，提供了很多的宝贵意见。回顾设计的过程，我深深的感觉到了自己在专业知识上的严重缺乏，同时在设计的过程中难免会有错误之处，希望各位老师提出批评和指正。参考文献1 李晓豁，沙永东 .采掘机械J .冶金工业出版社，2011,9.2 张家鉴 陈享文 伊长德 编著，液压支架，煤炭工业出版社。1985年 3 蒋国安 郭福君 罗大炎 编著，液压支架，山东科学技术出版社。1980年 4 徐濪 编著，机械设计手册，机械工业出版社。1992年 5 王国彪 饶明杰 编著，液压支架优化设计与计算机模拟分析，机械工业出 版社。1994年 6 雷天觉 编著，液压工程手册，机械工业出版社。1990年 7 高秀华 邓洪超等编著，机械三维动态设计仿真技术，化学工业出版社。 2003年3月 8 王国法等编著，液压支架技术，煤炭工业出版社。1999年 9 煤炭部煤炭科学研究院编著，综采设备配套图侧。1983年 10 宋锦春等编著，液压与气压传动，科学出版社。2006年 11 Shi Yuanwei, Research on the Interaction Between Roof Strata and Shield Suppons, 16th Conference on Ground Control in Mining 1997附录A自动装配技术过去，对大批量的成品数量的需求逐渐增加, 以至工程师们去寻找并且发展制造的新方法。 在各种制造业技术的不同部门，许多个别企业已经取得发展并且允许以较低的费用增加以完善成品的产量。当两个或多个部份同时出现用以生产成品时，便需要进行此过程。组装过程的早期发展史与大批量生产方法的发展史的关系是十分密切的。 因此，大批量生产的先锋也是现代组装生产的先锋。 现代的新理念给大批量的组装方法带来重要的进步. 尽管制造业工程学的某些部门, 像是金属的切断和金属的热处理,最近非常快速地已经发展，但是基本的组装技术的发展速度仍然没有改变.尽管人们所取得的成功是很有限的并且许多的装配工人依然象产业革命时期的工人那样用一些基本的工具。在过去的几年中，人们已经努力通过自动化的应用和现代工艺来减少生产成本，例如，超声波焊接和压模法。组装系统的发展过程在早期产品制造过程中，一个技术工人不仅仅要负责产品生产的单个环节，同时也要掌控整个生产过程。因此，对于一个技术工人来说应该全面掌握生产要领是很重要的，同时培养一个全面的技术工人也是一项费时费钱的工作。由于工人能力有限导致生产规模十分有限，不能满足实际需求。1798年，美国政府需要一大批枪械，但是联邦调查局不能满足他们的需要。因为当时与法国的战争迫在眉睫，所以去欧洲寻求支援是不太可能的事。然而，Eli惠特尼作为当时大批量生产的先锋，承诺在28个月内提供美国所需10000支枪械。虽然完成契约需要花费大量时间和金钱，但惠特尼的在大批量生产的新提法上已经被成功的证实了。在肯乃迪克州的建立了新的工厂来专门大批量的生产枪械。这些机器为技术工人减少了必需掌握的技术，同时也增加了劳动生产率。在1801年，惠特尼让高贵的来宾从一大批货品中随意抽选来观看时，大家震惊了。惠特尼工作的结果是为工业制造领域带来了三个重大的贡献。首先，通过机器制造的产品比手工制造的质量高。这些产品可以互换，并且是集合工作变得简单化。其次，最终产品的准确性能被保持在一个比较高的标准，第三，最重要的产品生产率被提高。Oliver Ebans材料传输不需要人工最终促进了自动化的发展。在1793年，他在一个自动化面粉压榨集中运用了三种运送装置，只需要两个操作者。第一个操作员把面粉倒入漏斗，第二个操作员用麻布袋包装用压榨机生产的面粉。所有操作的中间环节都是由自动传送带由一个操作者传给另一个重要的贡献由Elihu Root设计了集装化方法。在1894年，他加入了生产“六发式左轮手枪”的公司。即使那时集合成分的各种不同的操作相当的简单，他把这些操作分成能够被快速无误完成的基本单元。操作区分概念是“工作分工，提高产量”。用这种方法，即和工作被转为非常基本的操作操作员经过短暂的培训，就能获得较高的效率。腓特烈文斯洛泰勒或许是第一个将技术时间和运动引进到制造业技术中的。这项技术是为完成需要的工作节省操作者的时间和体力来确保工作和与之有关的工作放在合时的位置。泰勒也发现了任何的工人都有工作最适宜的速度，如果超过，会造成全部表现的减少。毫无疑问地，生产的发展的主要贡献者和几何方法是亨利福特。他在下面描绘了集会的原则：首先，放置工具，然后由人工操作，并且确保在产品完成的过程中流动的距离最短。其次，使用滑动的工具或其他形式的运送工具，使工作人员完成他们的操作后，把东西放在他们手边同一个并且是最方便的位置，如果可能的话，让他以地心引力传给下一个工作人员。第三，用滑动装配线将集合的零件以适当的间隔传送，是隔开处理他们是比较容易的。这些方法逐渐被应用在生产福特汽车T模板中现代的装配线技术首先在调速轮磁发电机的集会中被使用。在最初的方法中，一个操作员在20分钟之内装配了一个磁发电机。我们发现这个过程被分成29个独立的的操作，每个操作员沿着装配线在装配区间执行各自的操作，整个装配时间被缩短到13分钟10秒。当装配线的高度在8分钟被提升时，先在被缩短到7分钟。在进一步的实验后我们找到了合适的装配线传输速度，传送时间被降到5分钟，他所用的时间是原有装配程序的四分之一。这个结果促使亨利福特在为汽车产生副装配工厂的其他部门使用它的装配系统。后来，这给从事主要汽车装配的操作人员，在工作的副装配流程中带来了连续不断的快速增加。后来发现操作人员无法应付增加的流程，而且不久之后很清楚的看到，主要的装配不得不在同一个装配线上来完成。起初，主要的装配运动是由一根粗绳由一个地方拉到另一个地方来完成的。然而，随着生产技术的发展，令人吃惊的是整个装配时间由12小时28分降到5小时50分。最后，一个永无止境的力量驱动器被安装。这有流溢的地板和广阔的地方容纳地盘。当他们进行他们的操作是为他们提供坐或站的空间，运送装置以6小时45分钟的速度运送到每个工作站。更进一步的进步导致了整体装配时间的缩短，最后，生产一辆汽车所用的时间只有10秒钟。以上这种类型的装配操作通常是由一个装配操作者来完成的，而且他是最普遍运用的大规模产品的生产方法。然而，在特定的情况下，更加精炼的装配方法已经出现。作为基本装配生产线原则的逻辑延伸部分，机械装配方式取代了操作人员的操作方法已经被设计。在这里，用自动化设备取代人工操作的方法很普通，操作起来也很简单。相对机械生产而然，用人工生产是不经济的。对于大多数的产品而言，这种装配方法被迅速的传播。然而，完全自动化的产品装配是不存在的。装配方法的选择当考虑到产品的装配时，一个制造业者不得不考虑影响装配系统选择的许多因素。对于一个新产品，接下来考虑的通常是重要的：装配成本必要的产品生产率劳动效率产品的市场生命周期如果有一种尝试能够证明现有操作装配线的自动化是合理的，那么必须要考虑变成多余的那些操作人员有所调动。如果劳动力过剩，自动化程度取决于由引进自动化装配线所导致的装配成本的降低和产品生产率的增加。然而，必须既得的是，大体上，自动化机器的资本投入必须在产品的市场生命周期之上被分期偿还。清楚的是如果不是这种情形，产品的市场生命是很短的，自动化通常是不可证明的。自动装配的优势下面是自动化的一些优势：降低装配成本；提高了产品的生产率；产品标准化；减低了操作员的危险操作。除了上面列出的特殊情况，降低成本是主要考虑的因素，如果他不能按预期的降低成本，那么自动化就不可能被使用。在一个先进的工业社会，生产力是对操作效率的重要衡量。增加的生产力对制造业不会产生直接的利益，除非生产力是十分稀缺的资源，但对扩张经济是必要的，因为它为其他的工作提供了人员保障。很清楚，一旦装配的自动化生产线产生效力时，所需操作人员的数量会逐渐的减少，生产力增强。一个操作人员能很容易操作的一些装配工作，把它复制在大部分较复杂的自动化工作中是极其困难的。有时一个精密的检验系统被需要用来探测零件的明显错误。如果尝试装配零件被接受，但事实上有缺陷，一个操作者，在没有成功的尝试完成装配，能够非常迅速的拒绝零件，如果在产品上没有重要的漏洞。在自动化装配，然而，除非这个零件被安装系统拒绝，一个自动化的系统将会在某一时刻停止，会被浪费并且减少错误。如果零件只有一个小错误，一个操作者也许能够完成安装，但是所生产的产品不能完全满意。他时常会被认为自动化装配其中的一个优势是它能长久的确保产品的高质量，因为如果零件不能满足特定的需求，机器就会出错。在一些情形中，由于高温、有毒物质和其他的材料会对操作人员装配产生危险。在这些环境下，机械装配会有明显的优势。程序设计被定义为“将设计数据转换成操作指导，并对其负责的次要系统。课程设计更具体的定义是“生产设备在建立过程中的作用，以及程序被应用（正如那些机器有能力操作这些程序）目的是为了将原始形式按照事先设计好的工程图的细节转换成最终形式（设计图通常是由工程师设计的）。”把原始资料输入程序中会出现不同的形式。（在机器生产过程中，这些材料通常起因于一个形成金属的程序，最普通的就是块状存货，铸件，锻链，或者也许是一块厚金属板，其他的程序已经被输入资料。）另外，机器材料也可能被烧成一些粗糙的形状，（火焰切割是操作生产的一个部分）或只是矩形范围的材料。投入的材料可能有各式的形状和物力性质。一些程序可能改变零件的大小或表面质地。其他的程序，像热处理，只能改变材料的物理性质。更确切的说，韧化会减少物质的韧性，降低细工品伸缩力。用这些生材料作为基础，程序的设计者必须准备将那些所需要的程序由通常预定材料转化成最终的、具体的几何形状。一个程序设计者处理的最普通的金属转化程序就是转，车断面，磨，钻孔，穿孔，螺旋转，成型，纹孔，平刨，锯，环锯，抛光，冲压，磨削。一些制造业的人可能把一些操作视为主要种类的子集。纹孔时常被视为一个演练的子集。其他可能定义为更主要的种类。一些不熟知的程序，例如：电的解除装置，电气化学的机制和被用于物质移动的激光机制。所有的应用程序也适用于产品，应当被程序设计者考虑。程序设计的要素 道尔将程序运行活动通常分成类。 解释设计说明书的要求。 在机器上放置部分。 在处理的每个阶段决定中间产品的需求。 选择主要的设备操纵这个过程。 在每次操作中，选择工具和处理过程的顺序。 计算运行程序所用的时间。 程序设计公文。一些这样的活动能被分成叫小的单位；这项活动详述提供了一个方便的编目方法为了分析。手动程序设计一个程序设计者通常在下列的限制之下操作 他为给定的一组机器做设计。 机器有能力限制制造业操作的数量。 机器有特定的负担和工作量。如果给这些机器加以限制，每组工作图包含特定的partgeometry需求，程序设计者依靠他们的经验也能设计生产产品的程序。程序的选择不是完全随机的也不是完全不可预测的。通常生产一个具体的表面化的产品不只一个程序：程序设计者必须选择一个他认为最好的程序。通常会取消相似的部分，或者至少是相似的表面，这种方法被用在部分制造业中。以这种方式，设计者通过曾经用过的具体程序和获得的最终的设计书明书比较，选择他认为最好的来替代。这种类型的设计被认为是最适用的设计程序，同时它也是今天最普通的产品设计类型。设计生产零件的操作程序需要两组可变的知识：部分需求（一种工程图所指出）；可得的机器和程序，每个程序的运行能力。假使这些是可变的，设计者会选择生产一个最终产品所需的组合程序。在选择程序组合时，需要一些标准。产品的成本和所花费的时间通常是决定程序选择的标准。然而，机器的利用和工作路线排定经常会影响计划的选择。大体上来说，程序设计者会选择最好的程序和机器来生产成套产品而不是单独的一小部分。正如所想，大部分的程序设计目前还存在，是一种艺术并非一个科学。程序数据时常被记录在一个黑名单中。这个信息可能是可靠的也可能不是。同样的，设计者也一定选择操作数据。（例如机器的速度，饲养和深度）。在一次，一个黑名单被雇用选择这些操作特性这次黑名单在某种程度上更复杂（一本机制数据手册）；然而，他不保证操作效率，只有可行性。自动的程序设计一个有效率的程序设计系统对于每项活动都有好的决策规则，这样很少能做出差劲的计划。能设计一个如此有效的系统是通过减少对一系列机械步骤的决策来完成的。然而，即使使用一个好的决策规则，由于人的交流存在差异性，程序设计仍然会出现问题。程序设计师一线无聊并乏味的工作。因此，人类个性化的设计时常产生错误的程序设计。由于个性化的设计使劳动力增加了一倍，所以导致许多工厂将投资转向自动化程序设计。无论设计系统是自动的还是人工的，道尔所定义的个一般需求都要在程序设计中有所体现。在接下来的部分，自动化的程序设计构架将会被描述。Spur和Optiz中有人第一次写了关于制造业系统自动化以及程序设设机在这些系统中所扮演的角色. 马刺也许是第一个将差异性和生产力定义到程序设计方法，机械化，设计系统的实施。不同的程序设计方法以团队的技术为基础，同时还要具备必要的两个步骤。建立一个程序计划目录（通常也叫做“菜单”）用所给的机器工具生产整个产品。设计必要的软件来检验所设计的产品，在目录中找到最靠近的传真机，然后取回联合的程序计划。程序设计的生产方法有四个必要的步骤组成。详细的描述描述可得生产部分程序的目录。描述操作过程中的机械工具。建立软件来检查零件，程序和机器的可得性，并且考察三者是否能相容。大体上，计划使用生产力政策需要详细的描述，对制造业程序详细的理解和他们的准确性。以不同政策为基础的制造业决定采取几个标准来解决个人的操作问题，并且适应或调整他们所需要的地方附录BAutomatic AssemblyThe modern assembly line technique was first employed in the assembly of a flywheel mangneto. In the original method, one operator assembled a magneto in 20 min. It was found that when the process was divided into 29 indibidual operations, carried out by separate operators working at assembly stations spaced along an assembly line, the total assembly time was reduced to 13 min 10s. When the height of the assembly line was raised by 8 in, the time was reduced to 7 min .After further experiments were carried out to find the optimum speed of the assembly line conveyor,the time was reduced to 5 min, which was only one-fourth of the time taken by the original process of assembly. This result encouraged Henry Ford to utilize his system of assembly in other department of the factory,which were producing subassemblies for the car. Subsequently, this brought a continous and rapidly increasing flow of subassemblies to the operators working on the main car assembly. It was found that the operators could not cope with increased flow, and it soon became clear that the main assembly would also have to be carried out on an assembly line. At first, the movement of the main assemblies was achieved simply by pulling them by a rope from station to station. Howere, even this development produced the amazing result of a reduction in the total time of assemble from 12h 28 min to 5 h 50 min. Eventually a power-driven endless conveyer was installed. It was fulsh with the floor and wide enough to accommodate a chassis. Space was provided for workers to either sit or stand while they carried out their operations and the conveyrs moved at a speed of 6 ft/min past 45 separate workstations. With the introduction of this conveyor, the total assemble time was reduced to 93 min. Further improvements led to an even shorter overall assembly time and eventually, a production rate of one car every 10 s of the working day was achieved. The type of assembly operation dealt with above is usually referred to as operator assembly, and it is still the most widespread method of assembling mass-or large-batch-produced products.However, in certain cases, more refined methods of assembly have now emerged.As a logical extension of the basic assembly line principle, methods of replacing operators by mechanical means of assembly have been debised. Here, it is usual to attempt to replace operators with automatic workheads where the tasks being performed were very simple and to retain the operators for tasks that would be uneconomical to mechanize. This method of assembly has rapid gained popularity for mass production and is usually referred to as automatic assembly. However, complete automation where the product is assembled completely by machine is essentialy nonexistent.Choice of Assembly methodWhen considering the assembly of a product, a manufacturer has to take into account the many factors that affect the choice of assembly system. For a new product, the following considerations are generally important:Cost of assembly;Production rat required; Availability of labor;Market life of the product.If an attempt is to be made3 to justify the automation of an existing operator assembly line, consideration has to be given to the redeployment of those operators who would become redundant. If labor is plentiful, the degree of automation depends on the reduction in cost of assembly and the increase in production rate brought about by the automation of the assembly line. However, it must be remembered that, in general , the capital investment in automatic machinery has to be amortized over the market life of the product unless the machinery may be adapted to assemble a new product. It is clear that if this is not the case and the market life of the product is short, automation is generallly not justifiable.Advantages of Automatic AssemblyFollowing are some of the advantages of automation:Reduction in the cost of assembly;Increased productivity;A more consistent prodect;Removal of operators from hazardous operations.A reduction in costs is often the main consideration and, except for the special circumstances listed above, it could be expected that automation would not be carried out if it was not expected to produce a reduction in cost.Productivity in an advanced industrial society is an important measure of operating efficiency. Increased productivity, although not directly beneficial to manufacturer unless labor is scarce, is necessary to an expanding economy because it releases personnel for other tasks. It is clear that when put into effect, automation of assembly lines generally reduces the number of operators required and hence increases productivity.Some of the assembly tasks that an operator can perform easily are extremely difficult to duplicate on even the most sophisticated automatic workhead. An operator can often carry out a visual inspection of the part to be assembled, and parts that are obviously defective can be discarded. Sometimes a bery elaborate inspection system is required to detect even the most obviously defective part. If an attempt is made to assemble a part that appears to be acceptable but is in fact defective, an operator, after unsuccessfully trying to complete the assembly, can reject the part very quickly without a significant loss in production. In automatic assembly, however, unless the part has been rejected by the feeding device, an automatic workhead will probably stop an time will then be wasted locating and eliminating the fault. If a part has only a minor defect, an operator may be able to complete the assembly, but the resulting prodect may not be completely satisfactory. It is often suggested that one of the advantages of automatic assembly is that it ensures a product of consistently high quality because the machine faults if the parts do not conform to the required specifications.In some situations, assembly by operators would be hazardous due to high temperatures and the presence of toxic substances and other materials. Under these circumstances,assembly by mechanical means is obviously advantageous.The increasing need for finished goods in large quantities has, in the past, led engineers to search for and to develop new methods of production. Many indibidual developments in the various branches of manufacturing technology have been made and have allowed the increased production of improved finished goods at lower cost. One of the most important manufacturing processes is the assembly process. This process is required when two or more component parts are to be brought together to produce the finished product.The early history of assembly process development is closely related to the history of the development of mass-production methods. Thus, the pioneers of mass production are also the pioneers of the moderassembly process. Their new ideas and concepts have brought significant improvements in the assembly methods employed in large-volume production.However, although som branches of manufacturing engineering, such as metal cutting and metal forming processes, have recently been developing very rapidly, the technology of the basic assembly process has failed to keep pace. Table 28.1 shows that in the United States the percentage of the total labor force inbolved in the assembly process baries from about 20% for the manufacture of farm machinery to almost 60% for the manufacture of telephone and telegraph equipment. Because of this, assembly costs often account for more than 50% of the total manufacturing costs. Statistical surveys show that these figures are increasing every year.In the past few years, certain efforts have been made to reduce assembly costs by the application of automation and modern techniques, such as ultrasonic welding and die-casting. Howerer, success has been very limited and many assembly operators are still using the same basic tools as those employed at the time of the Industrial Revolution.In the early days of manufacturing technology, the complete assembly of a product was carried out by a single operator and usually, this operator also manufacutred the individual component part of the assembly. Consequently, it was necessary for the operator to be an exper in all the barious aspects of the work, and training a new operator was a long and expensive task. The scale of production was often limited by the availability of trained operators rather than by the demand for the product.In 1798, the United States needed a large supply of muskets and federal arsenals could not meet the demand. Because war with the French was imminent, it was also not possible to obtain additional supplies from Europe. However, Eli whitney, now recognized as one of the pioneers of mass production, offered to contract to make 10000 muskets in 28 menths. Although it took 10.5 yuars to complete the contract, Whitneys novel ideas on mass production had been successfully proved. The factory at New Haven, Connecticut, built specially for the manufacture of the muskets, contained machines for producing interchangeable parts. These machines reduced the skills required by the bariou operators and allowed significant increases in the rate of production. In an historic demonstration in 1801, Whitney surprised his distinguished visitors when he assembled musket locks after randomly selected parts from a heap.The results of Eli Whitneys work brought about threee primary developments in manufacturing methods. First, parts were manufactured on machines, resulting in a consistently higher quality than that of hand-made parts. These parts were now interchangeable and as a consequence assembly work was simplified. Second, the accuracy of the final product could be maintained at a higher standard, and third, production rates could be significantly increased.Oliver Ebanss conception of conveying materials from one place to another without manual effort led eventually to further developments in automation for assembly. In 1793, he used three types of conveyors in an automatic flour mill, which required only two operators. The first operator poured rain into a hopper and the second filled sacks with flour procduced by the mill. All the intermediat operations were carried out automatically with conveyors carrying the material from operation to operation.The next significant contribution to the development of assembly methods was made by Elihu Root. In 1849, Elihu Root joined the company that was producing Colt “six shooters”.Even though at that time the various operation of assembling the component parts were quite simple, he divided these operations into basic units that could be completed more quickly and with less chance of error. Toots division of operations gave rise to the concept “divide the work and multiply the output”. Using this principle, assembly work was reduced to very basic operations and with only short periods of operator training, high efficiencies could be obtained.Frederick Winslow Taylor was probably the first person to introduce the methods of time and motion study to manufacturing technology. The objective was to save the operators time and energy by making sure that the work and all things associated to the work were placed in he best positions for carrying out the required tasks. Taylor also discovered that any worker has an optimum speed of working which, if exceeded,results in a reduction in overall performance.Undoubtedly, the principal contributor to the development of production and assembly methods was Henry Ford. He described his principles of assembly in the following words: “First, place the tools and then men in the sequence of the operations so that each part shall travel the least distance whilst in the process of finishing”.“Second, use work slides or some other form of carrier so that when a workman complete his operation he drops the part always in the same place which must always be the most convenient place to his hand and if possible have gravity carry the part to the next wokman.“Third, use sliding assembly lines by which parts to be assembled are delivered at convenient intervals, spaced to make it easier to work on them”.These principles were gradually applied in the production of the Model T Ford automobile.The increasing need for finished goods in large quantities has, in the past, led engineers to search for and to develop new methods of production. Many indibidual developments in the various branches of manufacturing technology have been made and have allowed the increased production of improved finished goods at lower cost. One of the most important manufacturing processes is the assembly process. This process is required when two or more component parts are to be brought together to produce the finished product.The early history of assembly process development is closely related to the history of the development of mass-production methods. Thus, the pioneers of mass production are also the pioneers of the moderassembly process. Their new ideas and concepts have brought significant improvements in the assembly methods employed in large-volume production.However, although som branches of manufacturing engineering, such as metal cutting and metal forming processes, have recently been developing very rapidly, the technology of the basic assembly process has failed to keep pace. Table 28.1 shows that in the United States the percentage of the total labor force inbolved in the assembly process baries from about 20% for the manufacture of farm machinery to almost 60% for the manufacture of telephone and telegraph equipment. Because of this, assembly costs often account for more than 50% of the total manufacturing costs. Statistical surveys show that these figures are increasing every year.In the past few years, certain efforts have been made to reduce assembly costs by the application of automation and modern techniques, such as ultrasonic welding and die-casting. Howerer, success has been very limited and many assembly operators are still using the same basic tools as those employed at the time of the Industrial Revolution.Historical Development of the Assembly processIn the early days of manufacturing technology, the complete assembly of a product was carried out by a single operator and usually, this operator also manufacutred the individual component part of the assembly. Consequently, it was necessary for the operator to be an exper in all the barious aspects of the work, and training a new operator was a long and expensive task. The scale of production was often limited by the availability of trained operators rather than by the demand for the product.In 1798, the United States needed a large supply of muskets and federal arsenals could not meet the demand. Because war with the French was imminent, it was also not possible to obtain additional supplies from Europe. However, Eli whitney, now recognized as one of the pioneers of mass production, offered to contract to make 10000 muskets in 28 menths. Although it took 10.5 yuars to complete the contract, Whitneys novel ideas on mass production had been successfully proved. The factory at New Haven, Connecticut, built specially for the manufacture of the muskets, contained machines for producing interchangeable parts. These machines reduced the skills required by the bariou operators and allowed significant increases in the rate of production. In an historic demonstration in 1801, Whitney surprised his distinguished visitors when he assembled musket locks after randomly selected parts from a heap.The results of Eli Whitneys work brought about threee primary developments in manufacturing methods. First, parts were manufactured on machines, resulting in a consistently higher quality than that of hand-made parts. These parts were now interchangeable and as a consequence assembly work was simplified. Second, the accuracy of the final product could be maintained at a higher standard, and third, production rates could be significantly increased.Oliver Ebanss conception of conveying materials from one place to another without manual effort led eventually to further developments in automation for assembly. In 1793, he used three types of conveyors in an automatic flour mill, which required only two operators. The first operator poured rain into a hopper and the second filled sacks with flour procduced by the mill. All the intermediat operations were carried out automatically with conveyors carrying the material from operation to operation.The next significant contribution to the development of assembly methods was made by Elihu Root. In 1849, Elihu Root joined the company that was producing Colt “six shooters”.Even though at that time the various operation of assembling the component parts were quite simple, he divided these operations into basic units that could be completed more quickly and with less chance of error. Toots division of operations gave rise to the concept “divide the work and multiply the output”. Using this principle, assembly work was reduced to very basic operations and with only short periods of operator training, high efficiencies could be obtained.Frederick Winslow Taylor was probably the first person to introduce the methods of time and motion study to manufacturing technology. The objective was to save the operators time and energy by making sure that the work and all things associated to the work were placed in he best positions for carrying out the required tasks. Taylor also discovered that any worker has an optimum speed of working which, if exceeded,results in a reduction in overall performance.Undoubtedly, the principal contributor to the development of production and assembly methods was Henry Ford. He described his principles of assembly in the following words: “First, place the tools and then men in the sequence of the operations so that each part shall travel the least distance whilst in the process of finishing”.“Second, use work slides or some other form of carrier so that when a workman complete his operation he drops the part always in the same place which must always be the most convenient place to his hand and if possible have gravity carry the part to the next wokman.“Third, use sliding assembly lines by which parts to be assembled are delivered at convenient intervals, spaced to make it easier to work on them”.These principles were gradually applied in the production of the Model T Ford automobile.Process planning has been defined as “subsystem responsible for the conversion of design data to work instruction” . A more specific definition fo process planning is “that function within a manufacturing facility that establishes the processes and process parameters to be used ( as well as those machines capable of performing these processes ) in order to convert a piece-part from its initial form to a final form that is predetermined ( usually by a design engineer ) on a detailed engineering drawing.”The input ( raw ) material to a process may take a number of forms ( in machinning , these materials normally result from a metal-forming process ; the most common of which are bar stock , castings , forgings , or perhaps just a slab of metal , other processes have other input materials). Another machinning material might be a burn-out ( a part produced by a flame-cutting operation ) cut to some rough dimension, or just a rectangular block of material . This input material might have almost any shape and physical property . Some processes may alter the size or surface texture of a part. Other process , like heat-treating, change the physical properties of materials. More specifically , annealing would tend to lessen the material hardnesss and decrease the workpiece tensile strength.With these types of raw materials as a base, the process planner must prepare alist of those ( machingning ) processes needed to convert this normally predetermined material into its specified final geometry. The commonest metal-removal process that a process planner has at his disposal are turning , facing , milling , drilling , boring , broaching , shaping , gundrilling , reaming , planing , sawing ,trepanning , burnishaing , punching , and reinding . Some manufacturing people may consider some of the operations as subsets of a major category . Reaming is often considered a subset of drilling . Others may define further major categories. Some less-familiar process such as electric discharge machining ( EDM ) , electrochemical machining ( ECM ) ,and laser machining zre also used for material removal . All appli
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