（机械电子工程专业论文）可调向悬移顶梁液压支架的研究.pdf

分类号：i 旦3 堑 u d c ：6 2 1 工学硕士学位论文 i m h i m i h i i ii i h i 2 13 2 6 4 9 密级：公珏 单位代码： ! q q 2 鱼 可调向悬移顶梁液压支架的研究 作者姓名：张兴旺 指导教师：李秋生教授 申请学位级别：工学硕士 学科专业：机械设计及理论 所在单位：机电工程学院 授予学位单位：河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d y o na d j u s t a b l ed i r e c t i o ns u s p e n s i o nr o o f t i m b e rt y d r a u l i cs u p p o r t c a n d i d a t e ：z h a n gx i n g w a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iq i u s h e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ：c o l l e g eo f e l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g h e b e i u n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 一虢级芸致 黼期：刎2 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦王壁盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦墨猩盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：敬琴让 签字吼讹年月日 翩龋磅挑殳 签字嗍叫2 年月日 摘要 摘要 随着我国煤炭开采技术的发展，根据矿井条件的不同，对综采液压支架的发 展提出了更高的要求。对于大型安全高效的矿井及工作面，必须重点发展大工作 阻力、高可靠性、电液控制液压支架；对于条件复杂的中小煤矿矿井及中小采煤 工作面，必须进行技术改造推广使用以紧凑型为主的液压支架。 可调向悬移顶梁液压支架正是根据当前的采煤技术与发展要求进行研制的创 新型液压支架架型，充分发挥了简易液压支架体积小、重量轻、移动方便的特点， 并在原有的基础上开发了双向滑块调向机构，使得支架在升降、推移的过程中有 效的克服歪斜、跑偏等问题。建立了支架的三维参数化实体模型，并运用a n s y s 有限元分析软件对支架的关键结构件做了强度分析，确保了支架在工作中的可靠 运行。 可调向悬移顶梁液压支架的稳定性与适应性是该种支架在矿井下实施的关键 问题，因此，可调向悬移项梁液压支架采煤工作面的围岩适应性研究成了本论文 研究的重点。论文从矿山压力方面着手，分析了该支架采场上覆岩层的矿压特点 及其力学平衡，解决了该种支架与顶底板岩层的适应性问题，并通过力的平衡来 判断支架的稳定性。本论文采用数值模拟方法，结合岩土力学三维有限元数值模 拟软件f l a c 3 d ，合理地确定了支架的支护强度，最后建立了支架一围岩体系的 整体有限元模型，对支架一围岩进行了相互作用耦合模拟，对可调向悬移顶梁液 压支架的进一步应用与发展，起到了一定的推动作用。 关键字：液压支架；双向滑块调向机构；有限元分析；适应性研究 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to f h y d r a u l i cs u p p o r th a sb e e np u tf o r w a r dah i g h e rr e q u i r e m e n ta c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t c o n d i t i o no fm i n e f o rt h el a r g e ，s a f ea n de f f i c i e n tm i n ea n dw o r k i n gf a c e ，i tm u s tp a y t h ea t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fl a r g er e s i s t a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t y a n d e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i cs u p p o r t f o rt h ec o m p l e xc o n d i t i o n so f t h e m e d i u ma n ds m a l lc o a lm i n e sa n ds m a l lc o a lm i n i n gw o r k i n gf a c e ，i tm u s tu n d e r t a k e t e c h n i c a lr e f o r m a t i o nt op r o m o t et h eu s eo fc o m p a c tt y p eh y d r a u l i cs u p p o r t a d j u s t a b l ed i r e c t i o ns u s p e n s i o nr o o ft i m b e rh y d r a u l i cs u p p o r ti s a ni n n o v a t i v e m o d e lo fh y d r a u l i cs u p p o r tw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o a l m i n i n gt e c h n o l o g ya n dr e q u i r e m e n t i tg i v e sf u l lp l a yt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n dc o n v e n i e n tt om o v eo ft h es i m p l eh y d r a u l i cs u p p o r ta n d d e v e l o p e dt w o - w a ys l i d ed i r e c t i o na d ju s t i n gm e c h a n i s mo nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a l ， w h i c hm a k e st h es u p p o r te f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ep r o b l e mo fs k e wa n dd e v i a t i o n t h i s p a p e re s t a b l i s h e dat h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cm o d e lo fh y d r a u l i cb r a c k e ta n dm a d e as t r e n g t ha n a l y s i so ft h ek e ys t r u c t u r eo fb r a c k e tu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y st oe n s u r et h er e l i a b l eo p e r a t i o no ft h eb r a c k e ti nt h ew o r k t h es t a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft h ea d j u s t a b l ed i r e c t i o ns u s p e n s i o nr o o ft i m b e r h y d r a u l i cs u p p o r ta r et h ek e yp r o b l e mi nm i n e ，w h e r e a s ，t h ea d a p t a b i l i t yr e s e a r c ho f s u r r o u n d i n gr o c k o f c o a lf a c eo ft h ed i r e c t i o na d j u s t a b l e h y d r a u l i cs u p p o r t o f s u s p e n s i o nr o o ft i m b e rh a sb e c o m et h ef o c u si nt h i sp a p e r t h i sp a p e rs t a r t e df r o mt h e m i n ep r e s s u r e ，a n a l y z e dt h em i n ep r e s s u r ef e a t u r ei nt h eo v e r l y i n gs t r a t ao ft h es u p p o r t a n dt h em e c h a n i c sb a l a n c ea n ds o l v e dt h ea d a p t a b i l i t yp r o b l e m so ft h ek i n do fs u p p o r t a n dr o o fa n df l o o r , f i n a l l y , j u d g e dt h es t a b i l i t yo ft h es u p p o r tb yt h em e c h a n i c sb a l a n c e u s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dc o m b i n i n gt h er o c ka n ds o i lm e c h a n i c s3 d f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l a c 3 d ，t h i sp a p e rr e a s o n a b l y d e t e r m i n e dt h es u p p o r t i n gs t r e n g t ha n ds e tu pt h ew h o l ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs u p p o r t a n ds u r r o u n d i n gr o c ko ft h es y s t e mo fs u p p o r ta n ds u r r o u n d i n gr o c ka n dm a d ea i n t e r a c t i o no fc o u p l e ds i m u l a t i o no fs u p p o r ta n dr o c k ，w h i c hw o u l dp l a yac e r t a i n p r o m o t i n gr o l ef o rt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd i r e c t i o na d j u s t a b l e h y d r a u l i cs u p p o r to fs u s p e n s i o nr o o f t i m b e r i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t ，t w o w a ys l i d ea d j u s t a b l ed i r e c t i o nm e c h a n i s m ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，a d a p t a b i l i t yr e s e a r c h i l i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 国内外液压支架发展状况1 1 1 1 国内液压支架的发展状况一1 1 1 2 国外液压支架的发展状况一2 1 2 我国液压支架发展中存在的问题2 1 3 研究意义3 1 4 本课题的研究内容、关键技术及创新点3 1 4 1 课题研究内容3 1 4 2 关键技术4 1 4 3 创新点4 1 5 本章小结一4 第二章可调向悬移顶梁液压支架的主体部件结构设计5 2 。1 简易液压支架架型的分析与比较。5 2 1 1 跺式与节式液压支架5 2 1 2 滑移顶梁液压支架5 2 1 3 悬移顶梁液压支架5 2 2 可调向悬移顶梁液压支架架型的提出5 2 3 支架理论支护强度的计算6 2 4 可调向悬移顶梁液压支架的参数确定7 2 5 顶梁设计8 2 5 1 顶梁型式的选择8 2 5 2 顶梁结构设计一9 2 5 3 顶梁强度的初步校核1 l 2 6 双向滑块调向机构的设计1 4 2 7 本章小结16 第三章可调向悬移顶梁液压支架的三维建模及有限元强度分析17 3 1 可调向悬移顶梁液压支架虚拟样机的建立1 7 目录 3 2 液压支架的整机虚拟装配1 9 3 3 可调向悬移顶梁液压支架关键构件的有限元强度分析2 0 3 4 a n s y s 软件分析应注意的问题一2 1 3 5 有限元模型的简化21 3 6 有限元分析的目标与目的2 2 3 7 顶梁的有限元强度分析2 2 3 7 1 顶梁的外载荷特征2 2 3 7 2 顶梁两端受集中载荷的强度分析2 3 3 7 3 顶梁中部受集中载荷的强度分析2 6 3 8 双向滑块调向机构的有限元强度分析2 8 3 9 本章小结31 第四章可调向悬移顶梁液压支架的适应性研究3 2 4 1 采场上覆岩层的矿压特点及其力学平衡分析3 2 4 1 1 采场上覆岩层的矿压特点3 2 4 1 2 采场上覆岩层的力学平衡分析3 2 4 2 可调向悬移顶梁液压支架的适应性分析3 4 4 2 1 支架对工作面顶板的适应性3 4 4 2 2 支架对工作面底板的适应性3 5 4 3 可调向悬移顶梁液压支架的稳定性分析3 7 4 4 小采高中厚岩层数值模拟3 9 4 4 1 数值模拟软件f l a c 3 d 简介3 9 4 4 2f l a c 3 d 的优点4 0 4 4 3f l a c 3 d 做计算分析的一般步骤4 0 4 5 液压支架合理支护强度的确定4 1 4 5 1 采场围岩模型的建立4 1 4 5 2 合理支护强度的确定4 3 4 6 支架与围岩的相互作用耦合模拟4 7 4 6 1 支架与围岩的整体性建模4 7 4 6 2 支架与围岩的耦合模拟分析4 8 4 7 可调向悬移顶梁液压支架的适应性评价5 l 4 8 本章小结5 1 结论一5 3 致j 射一5 4 参考文献5 5 目录 作者简介5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果5 8 第一章绪论 第一章绪论 液压支架是煤矿综采工作面的重要支护设备，所需的设备投资大概占到了工 作面成套总投资的6 0 以上，而回采工作面的安全与高效生产取决于液压支架的 适应性与可靠性【lj 。液压支架不仅能够对工作面的顶板进行可靠、有效的支撑，同 时，还可以起到隔离采空区的作用，以防止矸石进入回采工作面以及刮板输送机。 液压支架与采煤机等其它设备的配套使用，不仅实现了煤矿综合机械化采煤，而 且在解决了机械化采煤工作中项板管理落后于采煤工作矛盾的同时，采煤和运输 设备的效能也得到了进一步的改善和提高，大大降低了煤矿工人的劳动强度，从 根本上保障了煤矿采煤工作面工人的生命安全1 2 】。 液压支架的设计与制造技术水平反映了国家煤矿机械的装备水平，实践表明， 随着煤矿开采工作面综合机械化的发展，液压支架架型的每一次重大创新与发展， 都会给综合机械化开采技术带来重大的变革。因此，液压支架架型的发展也成为 了煤矿综采技术快速发展的重要标志1 3 ，4 j 。 1 1 国内外液压支架发展状况 1 1 1 国内液压支架的发展状况 我国液压支架的研制与开发是从2 0 世纪7 0 年代初开始的，至今已逾4 0 年的 发展历史，经过国内科研单位和使用单位的长期合作，逐渐地对国外先进液压支 架的设计与制造技术有所了解，在引进先进技术的同时，依据我国煤层赋存的复 杂情况，对其进行了吸收与改进，使我国的液压支架设计制造水平有了很大的提 升。共同开发研制了q y 系列和z y 系列的代表性支架，其中，广泛应用于煤矿的 支架当属q y 3 1 和z y 3 5 系列，从最初阶段引进的结构简单的垛式支架逐渐的发展， 现在，一些重型、轻型或者大倾角和无人操作的液压支架也能够完成设计与生产。 我国液压支架的研制进入到9 0 年代中期便开始了快速发展的阶段，在大量工作面 应用综合机械化采煤技术，从支架的参数、性能以及可靠性方面得到了很大的提 高，而且液压支架的架型也不断的丰富与发展【5 ，6 j 。 近来来，我国液压支架的开发研究正朝着重型、高强、快移、材料的升级换 代和电液控制的方向发展，但是，随着以人为本、安全高效矿井建设的不断深入 与发展，尤其是中小煤矿的安全与可持续发展问题成了现在阶段以及将来研究的 河北工程大学硕士学位论文 重大课题，从而使得适应这些煤矿开采条件的轻型液压支架和配套设备得到很快 发展。 1 1 2 国外液压支架的发展状况 国外最早研制的液压支架是英国1 9 5 4 年出的垛式支架，接下来就是法国的节 式支架，这两种支架的研制与应用，开启了矿井支护设备的技术革命。2 0 世纪7 0 年代中期，英国最先研制出的电液控制液压支架，标志着液压支架进入了电液控 制的时代，进入到8 0 年代以来，世界主要采煤国家一直朝着减面提产、减面提效、 降低成本的方向发展。美国作为世界上先进的采煤国家，早在9 0 年代就已采用额 定压力5 0 m p a 、额定流量4 7 8 l m i n 的高强度、大流量的乳化液泵站，从而使支架 的移架速度达到6 8 s 架，使用寿命也提升到了8 1 0 年，其支架的平均工作阻力 最低为6 4 7 0 k n ，最高可达9 8 0 0 k n ，澳大利亚以及英国等主要采煤国家的支架平 均工作阻力也已达到6 0 0 0 , - - 8 0 0 0 k n t7 1 。 总之，国外液压支架是利用先进的设计方法，大力开发和应用新技术，向着 高性能、大中心距、高可靠性的重型液压支架的方向发展，架型的结构也不断的 改进，结构件材料的选择也更多地趋向于使用高强度钢材。目前，国际上比较先 进的结构用钢的强度已达到7 0 0 1 0 0 0 m p a ，液压支架的可靠性以及使用寿命得到 了大幅度提甜扣j 。 1 2 我国液压支架发展中存在的问题 虽然我国的整个煤炭工业取得了巨大进步，但在发展过程中出现的不平衡、 不协调、不可持续问题日渐突出，对于中小型煤矿的生存是一个重大的挑战。由 于中小型煤矿巷道相对来说比较窄小，大型液压支架的应用是比较困难的，即便 勉强使用，也很难发挥其支护性能与生产效率，而且大型支架比较昂贵，小煤矿 也无力购买，限制了煤矿技术水平的提高。特别是当遇到厚煤层时，由于支护技 术条件达不到，不得己放弃多余的煤层，造成资源的严重浪费。 近年来，滑移支架和悬移支架等简易支架有所发展，并在一些地方得到了应 用，其良好的适应性、灵活性和可搬运性得到充分体现，但这些支架不同程度上 均存在头重脚轻、插底严重、调架困难、稳定性差等技术问题【1 2 1 。 针对以上问题，在本课题研究中，设计了一种可调向悬移顶梁液压支架，以 解决支架使用中出现的各种问题，更好地适应了中小型煤矿生产作业的要求。 2 第一章绪论 1 3 研究意义 面对一些大矿采肥丢瘦，小矿不合理开采，资源严重破坏浪费等情况，研究中 小型煤矿开采技术，既是国家为了下一步的进行大型煤炭企业集团建设，也是十 二五的规划目标，更是全国煤炭行业的发展趋势。 在综合国内外简易液压支架架型的基础上，提出了一种适用于煤矿井下回采工 作面的可调向悬移顶梁液压支架，使其既具有一般液压支架安全性高，整体性好， 操作方便的特点，又具有支护适应性强、体积小、重量轻、运输与拆装方便的优 点【l3 1 。该支架在相邻两顶梁之间采用双向滑块调向机构连接，用于实现支架的横 向调架，支架间通过连接块将基本的悬移支架单元体连成一个整体，构成可调向 悬移项梁组合支架，充分保证了液压支架的整体稳定性，有效地提高了中小型煤 矿资源的开采效率。 在支架的设计中应用了现代的设计方法，对可调向悬移顶梁液压支架进行了适 应性研究，该支架在满足围岩的自适应要求的同时也丰富了支撑式液压支架在综 采矿压下支架与围岩的适应性研究，为该支架的应用与发展提供了理论依据。 1 4 本课题的研究内容、关键技术及创新点 1 4 1 课题研究内容 本课题具体研究的内容如下： ( 1 ) 可调向悬移顶梁液压支架的主体部件结构设计 对比分析简易液压支架的结构特点，提出一种新的液压支架架型一可调向悬 移顶梁液压支架，并确定该支架的主要参数，根据液压支架的设计要求，对可调 向悬移顶梁液压支架顶梁、双向滑块调向机构进行结构设计，并对其进行强度的 初步校核。 ( 2 ) 可调向悬移顶梁液压支架的三维建模及其有限元强度分析 利用p r o e 对可调向悬移顶梁液压支架的顶梁、立柱、双向滑块调向机构等 构件进行三维参数化建模，完成整机虚拟装配，并对整机进行初步干涉检查。 根据液压支架加载试验类型，对可调向悬移顶梁液压支架的关键结构件：项 梁和双向滑块调向机构进行有限元强度分析。 ( 3 ) 可调向悬移顶梁液压支架对采场围岩的适应性研究 主要分析了该支架回采工作面采场上覆岩层的矿压特点及其力学平衡，对可 调向悬移项梁液压支架的适应性与稳定性进行了研究与判断，并利用岩土工程数 值模拟软件对可调向悬移顶梁液压支架的适应性做出了进一步判断，进而给出了 3 河北工程大学硕士学位论文 该种支架架型的适用范围。 1 4 2 关键技术 ( 1 ) 双向滑块调向机构的设计 ( 2 ) 可调向悬移项梁液压支架关键构件的的有限元强度分析 ( 3 ) 可调向悬移顶梁液压支架对采场围岩的适应性研究 1 4 3 创新点 ( 1 ) 首创双向滑块调向机构并创建可调向悬移顶梁液压支架架型 ( 2 ) 分析研究可调向悬移顶梁液压支架对采场围岩的适应性 1 5 本章小结 本章主要介绍了当前国内外液压支架的发展状况及其在应用中存在的问题， 确立了本课题的研究意义，对于出现的各类问题，在对比研究传统简易液压支架 机构型式的基础上，提出了可调向悬移顶梁液压支架架型，最后简要介绍了本课 题的研究内容、关键技术及创新点。 4 第二章可调向悬移顶梁液压支架的主体部件结构设计 第二章可调向悬移顶梁液压支架的主体部件结构设计 2 1 简易液压支架架型的分析与比较 2 1 1 跺式与节式液压支架 跺式与节式液压支架是我国应用较早的简易支撑式支架，这类支架架型结构 较为简单，支撑能力也较强，适用于顶板较为完整的工作面。但这类支架稳定性 差，易发生倒架事故，移架时空顶面积大，防矸效果差，容易把本来完整的顶板 压碎，其抗水平载荷的能力差，护矸能力差，矸石易窜入工作空间，在顶板破碎 且不稳定的工作面，顶板维护能力明显不足，在使用初期，就常常发生事故，因 此，这两种支架很快从工作面上淘汰下来【1 4 d7 1 。 2 1 2 滑移顶梁液压支架 滑移顶梁液压支架是继跺式与节式支架之后出现的另一种简易支架。支架采 用左、右顶梁并列结构，两个顶梁之间设置移架油缸，移架油缸的一端与滑杆导 向机构的前连杆铰接，另一端与后连杆铰接。使用这种支架的工作面虽然冒顶事 故偶尔发生，在受到外力时极易发生弯曲变形，但由于该支架体积小、重量轻、 安装和运输方便，在中小煤矿中也普遍使用。 2 1 3 悬移顶梁液压支架 悬移顶梁液压支架是介于单体液压立柱与综采液压支架之间的种自移式简 易支架。该支架是由左、右两个并列支撑顶板的顶梁，前伸梁，以及前、后两组 挠性四连杆滑块机构以及液压立柱组成，两顶梁之间通过前后两组挠性四连杆滑 块机构作横向联接，移架时其中一个项梁支撑，另一个顶梁则悬挂在支撑的顶梁 上，在推移油缸的推动下，交替前进。虽然该支架在很多工作面中大量应用，但 由于这种支架存在头重脚轻、插底严重、自身稳定性差等诸多缺点，该种支架没 有得到有效的发展l l 妣。 2 2 可调向悬移顶梁液压支架架型的提出 可调向悬移顶梁液压支架架型的提出正是在前面几种简易液压支架架型对比 5 河北工程大学硕士学位论文 分析的基础上研究设计的一种新型简易液压支架。其结构如下图2 1 所示。 图2 1 可调向悬移顶梁液压支架 f i g 2 1a d j u s t a b l ed i r e c t i o ns u s p e n s i o nr o o f t i m b e rh y d r a u l i cs u p p o r t 可调向悬移顶梁液压支架主要由主梁、副梁、立柱、前伸梁、尾梁、前伸缩 块、后伸缩块、推移油缸等部件组成。前伸缩块、后伸缩块安装在主梁与副梁之 间，既能起到连接两个顶梁的作用，又能通过滑道进行铅垂方向与前后方向的错 动，实现降架与移架，同时在前伸缩块、后伸缩块块体的下腔内安装有调向油缸， 用来保证其实现横向调架的功能。一组主梁、副梁、前伸缩块、后伸缩块、立柱、 推移油缸等部件构成一个可独立使用的可调向悬移顶梁液压支架，而多个可调向 悬移顶梁液压支架又可以通过前连接块和后连接块连成一体，构成可调向悬移顶 梁组合支架【2 l 】。 本课题设计的l d y l 2 0 0 1 6 2 5 型简易液压支架是一种轻型液压支架，其性能 介于综采支架与单体液压立柱之间。该种支架顶梁支护面积大，稳定性强，控顶 能力也有明显的提高，主、副梁先后卸载移架，互为约束定向，很好地防止了在 大倾角工作面顶梁向倾斜下方的扭斜窜位，能够实现开采和移架过程中不空顶。 同时该种支架也具备了综采支架安全、整体性好、功能齐全和迈步自移的特点， 以及体积小、重量轻、易操作、搬运方便、价格便宜等优点，尤其适用于小煤矿 小矿井顶板稳定的工作面支护。 2 3 支架理论支护强度的计算 支护强度计算公式如下： 旷 ( q 2 - q l ，黯c k n m 2 ， 协，) 式中q x 当支架最大采高为h 。时，支架的支护强度( k n m 2 ) ； 6 第二章可调向悬移项梁液压支架的主体部件结构设计 q ，在架型选择表2 1 中，低于日。但与之相邻的采高相对应的支护 强度( k n m 2 ) 。取1 3 x 3 4 3 ( k n m 2 ) ： q ，在架型选择表2 1 中，高于，。但与之相邻的采高相对应的支护 强度( k n i m 2 ) 。取1 3 x 4 4 1 ( k n r n 2 ) ； h ，g ，所对应的采高m ，取2 m ； 办，g ，所对应的采高i t i ，取3 m 。 液压支架架型参数表如下图所示： 表2 - 1 液压支架架型选择表 老顶级别ii ii l i 直接顶类别 12312312344 掩掩掩掩护( 采高 掩掩支掩 护 支支支 护护小于2 5 m ) 液压支架架型 或或或或支掩( 采 护护撑护撑掩掩 支支支高大于 掩掩掩 2 5 m ) 应结合深 液压支 采高1 m 2 9 41 3 x 2 9 41 6 x 2 9 4 2 x 2 9 4 孔爆破，软 架支护采高2 m 3 4 3 ( 2 4 5 )i 3 x 3 4 3 ( 2 4 5 ) 1 6 x 3 4 3 2 3 4 3 化顶板等 强度 采高3 m4 4 1 ( 3 4 3 )1 3 x 4 4 i ( 3 4 3 ) 1 6 x 4 4 1 2 x 4 4 1 k n m 2 采高4 m 5 3 9 ( 4 4 1 )1 3 x 5 3 9 ( 4 4 1 ) 1 6 5 3 9 2 x 5 3 9 措施处理 采空区 带入数据：吼= 1 3 3 4 3 + ( 1 3 x4 4 1 - 1 3x3 4 3 ) 了2 5 了- 2 = 5 0 9 6k n m 2 因此，可调向悬移顶梁液压支架的理论支护强度为5 0 9 6 k n m 2 ，即0 5 1 m p a 。 2 4 可调向悬移顶梁液压支架的参数确定 通过对中小煤矿液压支架使用情况的大量调研与分析，为了满足液压支架具 有足够大的工作阻力、初撑力以及足够宽的人行通道等要求，确定了该支架的主 要参数： ( 1 ) 顶梁长度取2 8 0 0 m m ，宽度取2 6 0 m m ； ( 2 ) 支架中心距取9 2 0m m ； ( 3 ) 伸缩梁长度取9 0 0m m ； ( 4 ) 支架宽度取7 2 0m m ； ( 5 ) 支架的工作阻力为1 2 0 0 k n ，支架最低支护高度1 6 0 0m m ，最高支护高度 2 5 0 0m m ： 7 ( 6 ) 支架整体重量1 4t 。 2 5 顶梁设计 顶梁是1 亏项板商接接触的重要的承载构件，除了满足+ 定的刚度和强度要求 外，还要保证顶梁支撑顶板的需要，如：有足够的顶板覆。矗率；要适应顶板的不 、f 五整性，避免因局部应力而引起顶梁损坏。 2 5 1 顶梁型式的选择 悬移顶梁液压支架的项梁型式主要有两种：整体顶梁和分体项梁。 整体顶梁其特点是：结构简单，稳定性好；护项面积人；支护强度大，有利 于工作面的项煤回收率，减少架问漏矸，如下图2 2 所示。 图2 - 2 整体顺梁组合恳移液，1 i 支架 f i g 2 - 2t h ec o m b i n e ds u s p e n s i o ns u p p o r tw i t hw h o l er o o fb e a m 分体顶梁其特点是：结构简币，稳定性好，切顶性强，适合j 二复杂的顶底板 条件以及煤层倾角大的 ：作嘶，缺点是支护嘶积小，如f 劁2 3 所示。 幽2 - 3 分体顶梁组合悬移液压支架 f i g 2 - 3t h ec o m b i n e ds u s p e n s i o ns u p p o nw i t hs p l i tr o o fb e a m 8 第二章可调向悬移顶梁液压支架的主体部件结构设计 本课题采用无托梁分体式顶梁结构，为了满足使用要求，顶梁内部还设置了 内伸式前伸梁，用以实现对项板的超前支护。 2 5 2 顶梁结构设计 液压支架各类顶梁均为箱形结构，一般由钢板焊接而成，其截面的基本形状 一般可以分为四类1 2 2 j ： ( 1 ) 对称多腔室箱形截面：这种对称的结构截面，一般应用在液压支架顶梁 的非柱窝截面、前伸梁、掩护梁的主梁截面等，多数为三腔室或五腔室的闭合截 面，如图2 4 所示。 ( 2 ) 非对称多腔室闭合截面：这种非对称结构截面，一般应用在具有单侧活 动侧护板的液压支架顶梁主体截面、前伸梁、掩护梁截面等，多为五腔室或四腔 室闭合截面，如图2 5 所示。 ( 3 ) 多腔室局部开口截面：如液压支架顶梁的柱窝处截面，或为了安装侧推 千斤顶而开口处的截面等，如图2 - 6 所示。 ( 4 ) 单腔室和双腔室截面：如顶梁主体截面、前伸梁、掩护梁、分体连杆截 面、分体底座截面以及组合连杆的连接耳坐部位的截面等，如图2 7 所示。 l 图2 4 对称多腔室截面 f i g 2 4s y m m e t r i cm u l t i c a v i t ys e c t i o n 图2 - 51 卜对称多腔室截面 f i g 2 5a s y m m e t r i cm u l t i c a v i t ys e c t i o n 图2 - 6 多腔窒局部开口截面图2 7 单、双腔室截面 f i g 2 6m u l t i - c a v i t yp a r t i a lo p e n i n gs e c t i o nf i g 2 - 7s i n g l ea n dd o u b l ec a v i t ys e c t i o n 本课题设计的可调向悬移顶梁液压支架的顶梁选用单腔式截面，并继承悬移 顶梁液压支架的特点，顶梁分为主梁和副梁，如下图2 8 、2 - 9 所示。 9 品 河北工程大学硕士学位论文 图2 - 8 主梁结构 f i g 2 - 8t h es t r u c t u r ed r a w i n go fm a i nb e a m 图2 - 9 副梁结构 f i g 2 9t h es t r u c t u r eo fs e c o n d a r yb e a m 主梁与副梁在结构上相类似，在主梁前部两侧、后部两侧分别设有一个上下 分布的水平导向槽和一个铅垂t 型导向槽，而在副梁前部两侧、后部两侧分别设 有一个铅垂t 型导向槽和一个上下分布的水平导向槽。顶梁截面如图2 1 0 所示。 图2 1 0 项梁截面 f i g 2 - 10t h es e c t i o no f t o pb e a m 可调向悬移顶梁液压支架主、副梁内部设有伸缩梁油缸，对暴露的顶板进行 及时支护，在顶梁的尾端装有尾梁，阻止掉落的松散垮落的矸石进入支架内部， 在副梁的一侧装有侧推装置一双向滑块调向机构，在移架、调架的过程中实现纠 偏和调向。前连接块和后连接块设在两可调向悬移顶梁液压支架之间，用于多个 独立可调向悬移顶梁液压支架之间的连接，构成可调向悬移顶梁组合支架，可有 效防止倒架。本次设计的液压支架属于简易液压支架，顶梁宽度设计为2 6 0 m m ， 相邻支架顶梁之间由于安装有调向机构，设计为2 0 0 m m 。如下图2 1 1 所示。 1 0 第二章可调向悬移项梁液压支架的主体部件结构设计 图2 1 1 可调向悬移顶梁组合液压支架 f i g 2 1 la d j u s t a b l ed i r e c t i o ns u s p e n s i o nr o o ft i m b e rc o m b i n e dh y d r a u l i cs u p p o r t 2 5 3 顶梁强度的初步校核 根据中华人民共和国液压支架通用技术条件的相关规定，对顶梁进行强 度校核口3 1 。顶梁受力有两种情况，按集中载荷在顶梁两端和在两根立柱中间两种 情况，理论支护阻力在顶梁的最危险断面处，对顶梁( 包括前伸梁) 进行强度校 核。 ( 1 ) 顶梁两端承受集中载荷，顶梁受力如下图2 1 2 1 所示。 图2 1 2 1 受力图 m_ l a b l ii iiif iii iiil ii i l | | i | i li | l l | il ii li i 1 - 1 5 5 图2 1 2 2 剪力图 河北工程大学硕士学位论文 h ( k n 。n 图2 1 2 3 弯矩图 图2 1 2 顶梁受力分析 f i g 2 12t h ef o r c ea n a l y s i so ft o pb e a m 图中a 、b 、d 、e 分别为项梁前端点、前立柱对顶梁的作用点、后立柱对顶 梁的作用点、项梁后端点。 只、只分别为前立柱对顶梁的最大支撑力、后立柱对顶梁的最大支撑力。 q 、q 顶板对顶梁的两端载荷。 图中l a b 2 1 8 5 0 m m ，l s d = 1 2 0 0 m m ，l o e = 2 5 0 m m ，舅= 3 0 0 k n ，县= 3 0 0 k n 1 ) 各点的剪力及剪力图，如图2 1 2 2 所示。 q 厅2 鸟2 1 5 5 k n ，q o e 2 0 2 = 4 4 5 k n ，o b 0 2 互一q 1 2 1 4 5 k n 2 ) 各点处的弯矩和弯矩图，如图2 1 2 3 所示。 m 爿2 m 2 0 ，m a 2 2 8 6 8 k n 。m ，m ，) = 1 1 1 3 k n m 3 ) 抗弯截面模量计算 由计算得知，按剪切应力计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为了安全， 在顶梁截面采用最大弯曲应力进行校核。 首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成一个号，然 后计算截面面积e 最后计算截面形心距y 。 】 5 图2 1 3 顶梁截面 f i g 2 13t h es e c t i o no f t o pb e a m 1 2 第二章可调向悬移顶梁液压支架的主体部件结构设计 由计算响= 哿_ 0 1 2 8 m j z = 1 8 8 9 x1 0 4 m 4 ，y m a x = 0 2 6 8 m 所以，顶梁的抗弯截面模量为： w z = j z y 。=