ZY3200-15-35型掩护式支架设计
71页 24000字数+说明书+外文翻译+开题报告+8张CAD图纸
ZY3200-15-35型掩护式支架设计开题报告.doc
ZY3200-15-35型掩护式支架设计论文.doc
中期报告.doc
加长杆A3.dwg
千斤顶装配图.dwg
合适掩护梁A1.dwg
外文翻译--液压支架的发展与前瞻.doc
底座A1.dwg
总装配图A0.dwg
立柱A2.dwg
缸底.dwg
缸筒.dwg
摘 要
本课题主要论述了液压支架的主要设计过程。其中包括：液压支架的选型、总体设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。
支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑，还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。
在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理的液压支架受力参数、运动参数和结构参数，以及选定液压支架最佳方案等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手，然后进行总体结构设计以及校核。
关键词：液压支架；顶梁；底座；立柱；结构设计
ABSTRACT
The article mianly elaborate the hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design
The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves 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 position high request. The top-beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box body structure, becomes with the steel plate welding.
At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport parameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits.
Keyword: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle；the column-type support；structure design
目 录
1绪 论1
1.1国内外液压支架的研究现状及发展1
1.2本课题的研究目的和意义3
2液压支架基本理论分析5
2.1 液压支架的工作原理5
2.1.1 支架升降5
2.1.2支架推移6
2.1.3 支架承载过程6
2.2 液压支架的类型和结构8
2.2.1 支撑式支架8
2.2.2 掩护式支架9
2.2.3 支撑掩护式支架9
2.2.4 特种液压支架10
2.3 对液压支架的基本要求10
2.4支架的选型设计11
2.4.1设计的原始条件11
2.4.2支架的支护性能与外载荷11
2.4.3 影响架型选择的因素12
2.4.4 支架架型的确定13
3 液压支架的整体结构设计16
3.1 支架高度、中心距的确定16
3.1.1支架高度的确定16
3.1.2支架伸缩比16
3.1.3支架间距17
3.2底座长度的确定17
3.2.1底座长度17
3.2.2 底座宽度18
3.3四连杆机构的设计18
3.3.1四连杆机构的作用与缺点18
3.3.2 四连杆几何特征19
3.3.3.四连杆机构各部尺寸的确定19
3.4顶梁长度计算25
3.4.1支架工作方式对顶梁长度的影响25
3.4.2顶梁长度计算25
4支架主要部件的设计27
4.1支架主要部件的设计要求27
4.2顶梁的设计28
4.3底座的设计29
4.3.1液压支架的底座29
4.4支架技术参数和立柱的设计29
4.4.1 支护面积29
4.4.2 支护强度30
4.4.3 确定立柱的技术参数31
4.4.4 安全阀压力与立柱工作阻力的确定32
4.4.6支护效率35
4.4.7 底座接触比压36
4.5立柱柱窝位置和受力计算36
4.5.1立柱布置37
4.5.2立柱柱窝位置的确定37
4.6 千斤顶技术参数的确定39
4.6.1推移千斤顶39
4.6.2平衡千斤顶在顶梁上位置的确定40
4.6.3侧推千斤顶位置的确定44
5 支架受力分析与计算46
5.1支架工作状态46
5.1.1 顶板状态46
5.1.2支架工作状态46
5.1.3支架受力47
5.2受力计算47
5.3 顶梁载荷分布51
6 液压系统设计53
6.1液压支架的液压系统特点53
6.2 液压系统的设计方法54
6.3 千斤顶系统54
6.3.1. 侧推、调架、防倒系统55
6.3.2. 推移千斤顶系统55
6.3.3.平衡千斤顶系统55
6.3.4. 活动侧护板控制方式56
6.4乳化液泵站系统58
6.4.1乳化液泵站58
6.4.2泵站液压系统59
6.4.3乳化液泵站的元部件62
7技术经济分析64
8结论65
参 考 文 献66
地下开采的煤产量主要是利用由液压支架配套的综采设备产出的。综采设备的研制和广泛的运用，对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作用，而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高，是强有力的促进因素。
加速现代化进程，必须加速煤炭工业企业的建设、改造和革新技术装备的进程，增加地下开采和露天开采的煤产量。地下开采方法是最复杂和闲难的方法，但是，这种方法在工业发达国家和以煤作为—次能源的地区，仍然普遍应用。而且，开采优质煤，包括炼焦煤，都是采用地下开采方法。
综合机械化采煤是煤炭工业的一次技术革命，从根本上改变了煤炭工业的面貌，综合机械化采煤是20世纪人类科技发展的重要成果。 综合机械化采煤技术在我国的研究试验、使用、发展，彻底改变了我国煤炭工业的面貌，降低了工人的劳动强度，提高了产量、劳动生产率和企业效益，满足了国民经济建设对煤炭的需求，合理的集中生产简化了生产系统，提高了生产安全性。我国综采技术发展的30多年，使我国的煤炭生产技术水平跨进了世界先进行列，综放技术跃居世界领先地位。
工作面支护问题始终是困扰煤矿生产安全、产量和效率的重要问题。以液压支架为主要设备的综合机械化采煤(以下简称综采)的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大革命。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。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约60%，因此液压支架的合理选用特显重要。
30多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机CAD进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准11项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。
为适应我国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。配套设备的生产能力达到1500~2 500 t/h， 在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产300万吨以上。
新型矿用单体支护设备，采用悬浮式液压技术原理，生产矿用单体支护设备，技术水平达到了国际领先水平，填补了国际空白。DWX型液压支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无内泄漏、无圆弧焊缝等技术和安全特点，具有独创性。新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术，结束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史，开创了中国人发明的第三代单体支护技术设备的历史，并将会长期使用下去。该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面，是煤矿的重要支护设备。
近10年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距发展。液压支架另一重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外线遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到6~8s。
我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，掩护式液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。
1.2本课题的研究目的和意义
采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭增长的日益需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。
通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩固和理解。同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。
通过自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。
现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团结协作精神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计;同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力；在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅；将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平 。 当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀5进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。
2.1.2支架推移
支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶3来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。
2.1.3 支架承载过程
支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。
(1) 初撑阶段
在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀5立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。
(2) 承载增阻阶段
支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。
(3) 恒阻阶段
随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀4的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。 支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾和后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。
2.2.4 特种液压支架
特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，在结构型式仍属于上述某种基本架型。
2.3 对液压支架的基本要求
为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以便有效地控制顶板，保证合理的下沉量。
液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为100左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100kN~150kN，中厚煤层一般为150kN ~250kN，厚煤层一般为250kN~ 400kN。
防矸性能要好。
排矸性能要好。
要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有毒气体等安全方面的要求。
为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。
调高范围要大，照明和通讯方便。
支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定植。
要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。
在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。
要易于拆卸，结构要简单。
液压元件要可靠。
2.4支架的选型设计
2.4.1设计的原始条件
煤层厚度：H＝1.8~3.2米；顶设条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层。工作面配套设备：采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ－730/320。煤层倾斜角小于15度，支护强度、底板抗压强度、泵站压力、安全阀调定压力40MPa。
2.4.2支架的支护性能与外载荷
由液压支架的工作状态知，支架承受的外载荷是顶板下沉形成的。在顶板下沉过程中，支架的顶梁与顶板有相对滑动的现象，支架不仅受有垂直于顶梁的力，还受有平行于顶梁的摩擦力。垂直于顶梁的力由支架的工作阻力来平衡。在支架承载过程中，支架底座承受工作面底板反作用力。
为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，概述如下：
把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布；通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力计算；产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，—是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数W，
一般取0.15~0.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。 综采面中厚煤层液压支架设计即将结束。几个月来，从开始接到论文题目到参数计算、作图，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，通过对液压支架的选型设计，总体设计，受力分析，强度校核，综合运用了大学期间所学到的知识并学到了很多知识，也有很多感受。开始对液压支架等相关技术很不了解的状态，通过独立的学习，查看相关的资料和书籍和老师指导，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，又通过实习进一步了解了液压支架，为顺利的设计奠定基础
虽然我的论文不是很成熟，还有很多不足之处，但这里面的每一个图、每一个数，都有我辛勤汗水的结晶。使我感觉到了知识充实带来的快乐。
这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做研究是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。希望这次的经历能让我在以后学习和工作得到更大的进步。
参 考 文 献
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