（机械设计及理论专业论文）无尾梁液压支架的研究.pdf

分类号：! q 3 笪 u d c ： 工学硕士学位论文 i q l l l l l l i l l t l ( 1 l q i l l t i l l l l l ( 1 s t t l l l t t l l l l l t l l l t l y 2 13 2 6 6 8 密级：公噩 单位代码：! q 鲤鱼 无尾梁液压支架的研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 柳光利 李秋生教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 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 r e s e a r c ho nh y d r a u l i cs u p p o r tw i t h o u t t a i lb e a m c a n d i d a t el i ug u a n g l i 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 一 一 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 iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g 一一 m a y ，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 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦墨堡盘鲎或其他教育 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。 张柳烀1 一期z 年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰堡王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦墨堡盘堂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：呷蜮1 导师签名：衙钬殳 签字日期： 2 w z 年月日 签字日期：皂2 年石月 日 摘要 摘要 液压支架是综采设备的重要组成部分。它以高压液体为动力，由金属构件和 若干液压元件组成。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。 首先，本文通过对我国目前综采支护设备现状的研究，开发了一种新架型 无尾梁液压支架。该支架具有三套相对独立的分体顶梁( 左梁、中间梁、右梁) 、 弹性导杆和一个整体刚性底座。各项梁间采用可动连接，加上整体刚性底座，使 得该支架具有良好的稳定性，同时提高了顶梁适应顶板的能力，有利于顶板的维 护。弹性导杆布置在后立柱之后，与底座上的导向套形成垂直导向装置，具有抵 抗水平载荷、升降导向、保持架型的作用。该支架稳定性好、结构简单、重量轻、 拆装方便，适合我国国情。 其次，采用三维软件p r o e ，完成了无尾梁液压支架的三维参数化建模及虚拟 装配，并进行了干涉检查；利用p r o e 中的m e c h a n i s m 模块实现了无尾梁液压支 架工作过程的运动仿真；并对仿真结果进行测量统计，得出液压支架整机的重心 变化曲线，以及支架工作过程中合力作用点的位置变化曲线，验证了其自身稳定 性以及工作过程中的稳定性。 最后，将p r o e 中建立的三维实体模型进行等效简化，并导入a n s y s w o r k b e n c h 软件中，对简化后的模型进行线性静力学分析，得到了该支架在各种工 况下的受力和变形云图。 本文首次提出了一种弹性导杆机构、无尾梁液压支架和水平让压等概念，并 采用现代设计方法对支架进行结构设计、运动仿真以及有限元分析，对于今后的 液压支架产品在提高产品质量，缩短研发周期等方面提供了非常重要的理论依据。 关键词：液压支架；弹性导杆机构；稳定性；有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i cs u p p o r ti sa ni m p o r t a n tp a r to fc o m p r e h e n s i v ec o a lm i n i n ge q u i p m e n t w h i c hi su s e dt h eh i g hp r e s s u r el i q u i da st h ed r i v i n gf o r c ea n dc o m p o s e do fs o m em e t a l c o m p o n e n t sa n dh y d r a u l i cc o m p o n e n t s i tc a ne f f i c i e n t l ys u p p o r ta n dc o n t r o lt h er o o f o f t h ew o r k i n gp l a n e ，i s o l a t e dt h ee m p t ya r e ao fm i n i n g ，p r e v e n t e dt h ew a s t es t o n ef r o m g e t t i n gi n t ot h ew o r k i n ga r e aa n dp u s h e dt h ec o n v e y e r i tc a nb eu s e dw i t ht h ec o a l m i n i n g m a c h i n et or e a l i z e c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a lm i n i n g ，s o l v e d t h e c o n t r a d i c t i o nt h a tr o o fm a n a g e m e n tt r a i l e dm i n i n gi nt h em e c h a n i z e dm i n i n g ，t h e n f u r t h e ri m p r o v e da n de n h a n c e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ec o a lm i n i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n e q u i p m e n t ，r e d u c e dt h el a b o ri n t e n s i t yo fw o r k e r si n c o a lm i n e ，g a v ew o r k e r st h e m a x i m i z ep r o t e c t i o no f s a f e t y 。 f i r s t l y ，t h i sp a p e rr e f e r r e d t ot h er e s e a r c ho ft h ep r e s e n ts i t u a t i o na b o u tt h e c o m p r e h e n s i v ec o a lm i n i n gs u p p o r te q u i p m e n ti no u rc o u n t r y ，c o n t r i v e dan e wt y p eo f h y d r a u l i cs u p p o r tw i t h o u tt a i lb e a m t h en e ws u p p o r th a st h r e er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t s p l i tt o pb e a m s ( 1 e f tb e a m ，m i d d l eb e a m ，r i g h tb e a m ) ，e l a s t i cg u i d e - b a r sa n daw h o l e r i g i db a s e b e c a u s et h e r ei sam o v a b l ec o n n e c t i o ni ne a c ht o wt o pb e a m ，a n di th a sa w h o l er i g i db a s e ，t h a tt h es u p p o r th a sg o o ds t a b i l i t y , f u r t h e rm o r e ，i m p r o v et h ea b i l i t y t h a tt h er o o fa d a p t st ot h et o pb o a r d ，a n di ti sp r o p i t i o u st ot o pb o a r d sm a i n t e n a n c e e l a s t i cg u i d e b a ri sa r r a n g e do nt h eu p r i g h t p o s t sb a c k ，a n dw i t ht h eg u i d es l e e v eo f b a s et of o r mav e r t i c a lg u i d ea p p a r a t u s ，t h a tc a nr e s i s th o r i z o n t a l l o a d ，g u i d eu pa n d d o w na n dr e t a i nt h es t y l eo ft h es u p p o r t t h es u p p o r th a sg o o d s t a b i l i t y ，s i m p l es t r u c t u r e ， l i g h tw e i g h t ，c o n v e n i e n td i s a s s e m b l ya n da s s e m b l y ，s u i t a b l ef o r t h en a t i o n a lc o n d i t i o n s o fo u rc o u n t r y s e c o n d l y , u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a l s o f t w a r e p r o e ，c o m p l e t e d t h e h y d r a u l i c s u p p o r t s3 dp a r a m e t r i cm o d e l ，v i r t u a la s s e m b l y , a n dt h ei n t e r f e r e n c ec h e c k i n g ；u s i n g t h em e c h a n i s mm o d u l eo ft h ep r o et os i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h eh y d r a u l i c s u p p o r t ，t h e nm e a s u r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，e l i c i t i n gt h eg r a v i t yc h a n g ec u r v eo f w h o l eh y d r a u l i cs u p p o r t ，a n dt h ev a r i a t i o nc u r v eo ff o r c ea c t i o np o i n t p o s i t i o ni nt h e h y d r a u l i cs u p p o r t sw o r k i n gp r o c e s s ，v e r i f yi t so w ts t a b i l i t ya n dt h es t a b i l i t yi nw o r k i n g p r o c e s s m o r e o v e r s e tu pt h ee q u i v a l e n ts i m p l i f i e dm o d e li np r o e ，a n di m p o r ti ti n t ot h e i i a b s t r a c t a n s y sw o r k b e n c hs o f t w a r et om a k es t a t i cf o r c ea n a l y s i sf o rt h ee q u i v a l e n ts i m p l i f i e d m o d e l t h e ng e tt h ea n a l y s i sp i c t u r e so fb o t hs t r e s sa n dd e f o r m a t i o ni ns e v e r a l c o n d i t i o n s t h i sp a p e rf i r s t p r e s e n t sa n e l a s t i cg u i d e b a rm e c h a n i s m ，a n dt h ec o n c e p to f h y d r a u l i cs u p p o r tw i t h o u tt a i l b e a ma n dt r a n s f e r r i n gp r e s s u r eh o r i z o n t a l l y u s et h e m o d e md e s i g nm e t h o df o rt h es u p p o r t ss t r u c t u r ed e s i g n ，m o t i o ns i m u l a t i o na n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，i tp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f p r o d u c t sa n ds h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t ；e l a s t i cg u i d e b a rm e c h a n i s m ；s t a b i l i t y ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s i l l 目录 目录 摘要l a b s t r a c t 1 i 第1 章绪论1 1 1 液压支架研究现状1 1 1 2 国内液压支架研究现状1 1 1 2 国内液压支架研究现状2 1 2 我国液压支架研究与应用中存在的问题3 1 3 本课题的确立及其研究意义3 1 3 1 本课题的提出3 1 3 2 本课题的研究路线4 1 3 3 本课题的研究意义5 1 4 本课题的研究内容6 1 5 本章小结6 第2 章架型确定7 2 1 液压支架的组成7 2 2 液压支架的典型架型对比分析7 2 2 1 整体液压支架典型架型8 2 2 2 简易液压支架典型架型1 0 2 3 无尾梁液压支架12 2 4 本章小结13 第3 章结构设计14 3 1 支架基本参数的确定1 4 3 1 1 支架高度14 3 1 2 支架伸缩比1 4 3 1 3 支架中心距1 4 3 1 4 支架宽度1 4 3 1 5 底座长度1 5 3 1 6 顶梁长度15 3 1 7 支架工作阻力1 5 目录 3 2 支架主要部件结构设计15 3 2 1 顶梁结构设计1 5 3 2 2 项梁的受力分析1 6 3 2 1 3 底座结构设计18 3 2 4 底座的受力分析1 9 3 2 5 推移装置的设计2 0 3 2 6 弹性导杆机构的设计2 1 3 3 本章小结2 2 第4 章运动仿真及其自身稳定性分析2 3 4 1 三维建模软件p r o e 2 3 4 2 无尾梁液压支架各零部件的三维造型2 3 4 2 1 三维零件建模方法2 4 4 2 2 无尾粱液压支架各零件的创建2 4 4 2 3 无尾梁液压支架各组件的创建2 8 4 3 无尾梁液压支架运动仿真及稳定性分析3 2 4 3 1 无尾梁液压支架的运动仿真3 2 4 。3 2 无尾梁液压支架的稳定性分析3 5 4 4 本章小结4 3 第5 章有限元分析4 4 5 1a n s y sw o r k b e n c h 】2 与线性静力学分析4 4 5 1 1 几何类型4 4 5 1 2 材料属性4 5 5 1 3 装配体4 5 5 1 4 载荷及约束4 5 5 1 5m e c h a n i c a l 中的求解器选项4 6 5 1 6 后处理结果。4 6 5 2 无尾梁液压支架的有限元强度分析4 6 5 2 。1 液压支架的参数4 6 5 2 2 液压支架载荷的确定4 7 5 2 3 液压支架的模型简化4 7 5 2 4 装配关系的处理4 7 5 2 5 有限元分析4 8 5 3 本章小结一6 2 结论6 3 目录 致 射6 4 参考文献6 5 作者简介6 8 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果6 8 1 1 1 第1 章绪论 第1 章绪论 液压支架广泛应用于顶板的支撑掩护，避免垮落情况的出现，为工程技术人 员及其他设备提供安全稳定的工作环境。液压支架不仅能实现支撑、切顶、白移、 推溜等功能，且与大功率采煤机、弯曲型刮板输送机一样，是综采工作面必不可 少的综合机械化设备之一。由于液压支架拥有良好的支护能力，且强度高，移架 迅速，安全稳定，因此它的应用在增大产煤量、降低成本、提高生产效率的同时， 有效地减轻了工作人员的劳动强度，确保了生产的安全性。近年来，国内外相关 领域的技术人员对液压支架的研究不断深入，并取得了显著的成果。因此，研制 并开发新型液压支架具有非常重要的实际意义【l 。3 j 。 1 1 液压支架研究现状 1 1 2 国内液压支架研究现状 1 9 5 4 年，第一台垛式液压支架在英国诞生，紧接着木支架和金属摩擦支架逐 步被法国研制的节式液压支架所代替，垛式液压支架和节式液压支架的出现为综 采支护设备的发展开辟了新的道路。6 0 年代前苏联针对支架端距变化的问题研制 并改进了具有四连杆机构的o m k t 型掩护式支架，引导液压支架设计进入了一个 全新的时代；7 0 年代出现的液压支架主要采用“立即支护”的方式；1 9 8 0 年前西 德赫母夏特公司研发出了最大高度为6 m 的g 5 5 0 2 2 6 0 掩护式支架。随着液压支 架技术的不断发展，2 0 世纪7 0 年代中期，英国煤炭局开始致力于提高生产能力， 降低生产成本方面的研究，由此诞生了电液控制液压支架。1 9 8 1 年澳大利亚科里 曼尔煤矿首次将电液控制液压支架应用于由7 4 架四柱垛式液压支架组成的长壁工 作面。1 9 8 3 年底英国原道锑公司成功研制了两按钮式微机控制液压支架，于1 9 8 4 年 在美国坎塞尔煤矿投入生产。1 9 9 5 年底全工作面集中电液控制系统也在英国原道 锑公司诞生。随后，威斯特伐利亚一贝考瑞特公司研制出了更为先进的p m 3 和 p m 4 电液控制系统。目前，电液控制系统已经发展到了全套综采设备可视化集成 控制阶段。 进入8 0 年代后，美国、加拿大、澳大利亚等主要采煤国家一直致力于减少开 采工作面、提高产量、降低成本，为实现现代化开采等方面的努力。他们积极采 用现代化方法与新技术，致力于可靠性高、性能好的现代化、重型化液压支架的 河北工程大学硕士学位论文 研制。把带有位移传感器的推移千斤顶、电磁铁驱动的电液控制阀等新型的控制 装置应用于现代化的液压支架上，与之配套的采煤机也带有红外线传感装置，截 深采用0 8 l m ，大大减少了割煤时间，液压支架的钢板强度可以达到 8 0 0 1 0 0 0 m p a ，不但提高了液压支架的强度与韧性，还使其具有了良好的焊接性能。 国外还采用额定流量为4 0 0 5 0 0 l m i n 、额定压力为4 0 5 0 m p a 的高压大流量乳化 液泵站，满足了开采工作面长度不断增加与快速移架的要求，移架速度可以达到 6 8 s 架【4 嗡j 。 1 1 2 国内液压支架研究现状 ( 1 ) 我国目前支架设计水平 北京开采所、北京煤机厂、郑州煤机厂和沈阳煤研所是目前国内具备自主研 发能力的主要机构，其中，北京开采所由于大力开发新型液压支架，其市场份额 已经占到全国的5 0 左右，并且作为液压支架技术的归口单位，该所制定了液压 支架的标准及设计规范，实现了液压支架的c a d 三维设计，同时开发了具有国际 先进水平的液压支架模拟仿真系统和支架参数优化设计软件系统，可以说北京开 采所代表了国产支架设计的最高水平。尽管如此，同国际先进水平相比我国的设 计水平仍有一定的差距，但在国内科技工作者的不断努力下该差距正在逐步减小。 ( 2 ) 液压支架使用材料现状 国内液压支架以前普遍采用强度为3 5 0 m p a 的1 6 m n s n 板，它虽然焊接性能好， 但其强度较低，使得支架重量较大。从上世纪9 0 年代开始，历经几年的不懈努力， 国内系统全面研究了1 0 0 0 m p a 级以下钢板的焊接工艺，使得液压支架的重量大大 降低。其次是立柱千斤顶，晋城煤矿成功应用的矽3 6 0 m m 大采高液压支架立柱是由 郑州煤矿机械厂在2 0 0 4 年制造的。目前我国已经具备了生产4 0 0 m m 立柱的能力。 ( 3 ) 我国液压支架检验标准 从2 0 0 1 年8 月开始，我国液压支架的检验采用m t 3 1 2 2 0 0 0 技术标准，新标准 是在参照欧洲标准的基础上，结合我国现阶段液压支架的使用情况而制定的。与 以前的m t 3 1 2 1 9 9 2 技术标准相比，新标准在试验次数上有了大幅度的提高，另外， 进行顶梁偏载试验时，四连杆机构的扭矩增加了7 0 ，对两柱式支架的水平加载 工况也有所增加。 ( 4 ) 液压支架控制系统现状 目前我国液压支架主要采用手动控制和电液控制两种类型的控制系统。但绝 大部分还是采用传统的手动控制系统，它的劳动强度很大，只有少数采用电液压 控制系统的进口支架被应用于神华、晋城等煤矿。手动系统的移架速度最快可以 2 第1 章绪论 达到1 l s 架。我国虽然在2 0 世纪9 0 年代中期做了大量的液压支架电液控制系统研 究工作，但并没有达到满意的效果，也没有解决液压控制阀的稳定性问题和冲击 性问题，因此电液控制系统并没有推广和应用于井下。最近几年我国的兖州、开 滦矿区的液压支架引进了德国玛坷公司的p m 3 技术，在井下取得了较好的效果 f 9 一1 3 】 0 1 2 我国液压支架研究与应用中存在的问题 目前国内外科研机构的研究重心主要放在大型的高自动化程度、高强度液压 支架上。在我国，条件好、资金雄厚的工作面基本上都采用了大型液压支架。但 随着开发强度加大，工作面条件越来越差，走向长度越来越短，回采失调越来越 严重，大型液压支架已不能完全适应工作面的要求。而我国中、小工作面在总工 作面中占有相当比重，其开采技术水平落后，特别是采用单体液压支柱加铰接顶 梁的支护设备，不仅生产效率低下，且不能有效地保障生产的安全性。尽管在近 几年滑移项梁支架、悬移顶梁支架等小型简易自移支架得到一定的应用，但这些 支架均存在头重脚轻，插底严重，工作稳定性差，支撑高度有限，移架和调架困 难等许多技术问题。基于上述问题，开发一种适合我国国情的轻型液压支架具有 很好的实用价值。 1 3 本课题的确立及其研究意义 1 3 1 本课题的提出 针对国内液压支架研究与应用中存在的问题，开发一种介于大型整体液压支 架和简易支架之间的新型无尾梁液压支架。该支架具有三套相对独立的分体顶梁 ( 左梁、中间梁、右梁) 、弹性导杆和一个整体刚性底座。各项梁间采用可动连接， 其连接装置由工字型滑块与焊接在顶梁上的t 型连接座组成。再加上整体式刚性 底座，从而确保支架具有良好的稳定性。由于可动连接的应用，使得各顶梁在铅 垂和水平两个方向上允许彼此之间有一定的错动量，提高了顶梁适应顶板的能力， 从而有利于顶板的维护。弹性导杆布置在后立柱之后，上端用销轴或十字节与顶 梁铰接，下部伸入到底座的导向套内，形成垂直导向装置。该装置不仅具有抵抗 水平载荷、升降导向、保持架型的作用，还能挡矸防涌，简化了尾梁，从而减轻 了支架的重量。因此，无尾梁液压支架不但具有移架快、强度高、稳定性好等整 体支架的特点，还具有适应性强、拆装方便、结构简单等简易支架的特点，因此， 河北工程大学硕士学位论文 对这样一种具有良好应用前景的轻型液压支架进行研究具有一定的现实意义。 1 3 2 本课题的研究路线 传统的液压支架设计方法在应用上存在一定的局限性和不足之处，诸如研发 成本高、产品效果不理想、设计周期长、以及对市场的适应能力差等。止l j t - ，在 传统设计的过程中不能对支架进行有效的干涉检查，无法确定支架整体重心位置 的变化范围，液压支架的总体受力分析也很难实；由于支架的二维模型是一个简 化的力学模型，不能很好地反映支架的真实情况，且二维模型的设计精度不高。 因此本课题采用p r o e n g i n e e r 三维参数化实体设计软件和a n s y sw o r k b e n c h 有限 元分析软件对无尾梁液压支架进行设计研究4 。引。 采用p r o e 软件对支架进行三维参数化建模及虚拟装配，并进行干涉检套，再 利用p r o e 中的m e c h a n i s m 模块定义装配体中各固定零件和运动零件之间的连接 副，并对运动零件中的主动件添加驱动( 本课题主要对各个立柱和千斤顶添加伺 服电动机) ，从而实现支架三维模型的运动仿真，并通过仿真结果分析支架的自身 稳定性以及工作过程中的稳定性；最后将简化后的三维模型导入有限元分析软件 a n s y sw o r k b e n c h 中对其进行各种工况组合下的线性静力学分析，全面了解支架 整体及其主要部件的应力分布与变形情况，结合我国液压支架通用技术条件， 校核支架整体结构及其零部件的强度，从而判断液压支架的可靠性，并针对具体 情况对支架结构进行修改，使所设计的支架更加安全可靠。由此确定本课题的研 究路线，如图l 一1 所示。 4 第1 章绪论 图1 1 研究技术路线 f i g 1 1t h et e c h n i q u ec o u r s e 1 3 3 本课题的研究意义 无尾梁液压支架是综合现有各种架型的优点而开发的一种新架型。该支架具 有三套相对独立的分体顶梁( 左梁、中间梁、右梁) 、弹性导杆和一个整体刚性底 座。各顶梁间采用可动连接，加上整体刚性底座，使得该支架具有良好的稳定性， 同时提高了顶梁适应顶板的能力，有利于顶板的维护。弹性导杆布置在后立柱之 后，与底座上的导向套形成垂直导向装置，具有抵抗水平载荷、升降导向、保持 架型的作用。因此，无尾梁液压支架不但具有移架快、强度高、稳定性好等整体 支架的特点，还具有适应性强、拆装方便、结构简单等简易支架的特点，适合我 国国情，具有良好的应用前景和重要的研究意义。 河北工程大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 ( 1 ) 对无尾梁液压支架进行三维参数化建模及虚拟装配，并进行干涉检查； ( 2 ) 分析支架的自身稳定性以及工作过程中的稳定性； 建立力学模型 对支架进行运动仿真，生成重心、合力作用点的位置变化曲线。 ( 3 ) 运用a n s y sw o r k b e n c h 软件对支架进行有限元强度分析 支架模型等效简化； 对支架整体以及各零部件的应力与变形云图的变化规律进行分析。 1 5 本章小结 本章主要介绍了目前国内外液压支架的研究状况以及研究方法，分析了我国 液压支架研究与应用中存在的问题，并结合目前常用的研究方法，提出了一种新 架型无尾梁液压支架，分析了本课题的研究意义，并确定了其研究路线和研 究内容。 6 第2 章架型确定 第2 章架型确定 2 1 液压支架的组成 液压支架主要由承载结构件、执行元件、控制和操纵元件、辅助装置、传动 介质等组成。 承载结构件一般有项梁、掩护梁和底座等。顶梁直接与顶板相接触，故其所 受载荷主要来自于顶板岩石的压力；掩护梁能阻挡采空区冒落的矸石涌入工作面 空间，因此，掩护梁主要承受冒落矸石的载荷以及顶板的水平推力；底座则直接 与底板相接触，能将顶板压力传递到底板并承受顶板压力。 执行元件有立柱和各种千斤顶。立柱是支撑在顶梁( 或掩护梁) 和底座之间 直接或间接承受顶板载荷的油缸，立柱是支架的主要动力执行元件，它的结构强 度和结构形式决定了支架支撑力的大小以及支撑高度的范围；千斤顶是除立柱以 外的各种油缸，它完成推移刮板输送机、移动并调整支架以及完成各种保护动作 等。 控制和操纵元件有操纵阀、隔离阀及各种油缸的控制阀等。操纵阀是用以操 纵支架各执行元件动作的阀，它是支架的动作指挥元件。根据支架的执行元件多 少及对动作的要求不同，操纵阀的结构也不一样。液压支架上所用的控制阀较多， 但油缸控制阀只有液控单向阀和安全阀。 辅助装置：除上述三项构件以外的其它构件。主要包括推移装置、挡矸装置、 护帮装置、防倒防滑装置、喷雾装置和照明装置等。 传动介质：液压支架所用的传动介质是乳化液，它将泵站的液压能传递给液 压支架各执行元件，使之获得工作的动能，并对设备具有低腐蚀、高效能的作用。 2 2 液压支架的典型架型对比分析 液压支架设计的首要任务是支架的选型设计，其选型是否合理将直接影响液 压支架的总体性能和结构外观，并对液压支架的结构参数和性能参数具有决定性 作用。因此，本节针对目前我国液压支架的研究状况与实际应用中存在的问题， 对比分析了广泛应用于大型工作面中的整体支架架型和中、小工作面中常用的简 易支架架型，结合其各自的优点，提出了本课题研究的无尾梁液压支架。 7 河北：l 程大学硕士学位论文 2 2 i 整体液压支架典型架型 在我国，条件好的大、中型工作面主要采用整体液压支架，按其稳定机构的 形式大致可分为三种典型类型：四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架和垂直导 杆型液压支架。 2 - 2 1 1 四连杆型液压支架 四连杆型液压支架是在二十世纪7 0 年代末从国外引进的基础上，经研究消化 并自行研制的一种支架架型，如图2 1 所示。目前，采煤工作面应用最多的架型就 是四连杆型液压支架。四连杆机构适用于各种型式的液压支架。该机构能使顶板 对顶梁的水平载荷由掩护梁传递给两个连杆，立柱不承受横向力，故要求连杆要 有足够的强度。四连杆机构主要有两种结构形式，一种是前后连杆均为整体单连 杆；另一种是后连杆为整体铸造件或焊接件，前连杆为左右分置的单连杆铸钢件 或焊接件，这样可增大支架的有效利用空间。该机构使项梁前端的轨迹在液压支 架的升降过程中为一条双纽线。双纽线支架的两个连杆虽然增加了支架结构的稳 定性，但也因为要抵抗顶板的纵向水平力而大大增加了对支架承载结构件的作用 力，使构件断面增大，重量增加，不利于掩护式和支撑掩护式支架在减轻重量方 面的进一步发展。 图2 1 四连杆杆型液压支架 f i g 2 - 1t h ef o u rc o n n e c tp o l eo fh y d r a u l i cs u p p o r t 2 2 1 2 单摆杆型液压支架 在上世纪9 0 年代，随着液压支架技术的不断发展，单摆杆液压支架应运而生， 如图2 2 所示。单摆杆液压支架的设计思路来源于四连杆液压支架，其主要特点是 简化四连杆机构由单摆杆取而代之，这一变化使得支架在提升和回落时顶梁前端 的运动轨迹由以往的双扭线变成了现在的圆弧型。但由于受支架结构尺寸的限制， 固 第2 章架型确定 无论如何设计，顶梁前端轨迹的前后摆动量都不会明显减小，也就无法去除因支 架升降、顶梁前后错动而产生的纵向摩擦力。 图2 2 单摆杆型液压支架 f i g 2 2t h es i n g l es w i n g i n gb l o c kh y d r a u l i cs u p p o r 2 2 1 3 垂直导杆型液压支架 垂直导杆型液压支架是一种新型支架，它是通过对传统液压支架的稳定机构 进行演化而提出的。其稳定机构由滑套和垂直导杆组成，用于连接顶梁和底座。 其中，滑套固定在底座之上，导杆顶端与顶梁上的耳板铰接，如图2 3 所示。在支 架的升降过程中，滑套与导杆的中心线始终保持重合且垂直于底座的下表面，因 此，也使得顶梁前端的运动轨迹始终为一条平行于滑套中心线的直线，有利于减 小支架前梁的空顶距，以便定量控制顶梁前端与前方岩壁的距离，从而保持良好 的封闭性以及更好地控制顶板。另外，此种情况下顶梁与顶板之间在水平方向上 没有相对运动，从根本上消除了因相对运动而引起的摩擦力，把支架合力作用点 的位置变化控制在一个较小的范围内，大大提高了支架的稳定性。该支架具有结 构简单，安装方便的特点，但其抵抗水平推力的能力较差( 2 3 1 。 图2 - 3 垂直导杆型液压支架 f i g 2 - 3t h ev e r t i c a lg u i d eb a rh y d r a u l i cs u p p o r t 9 河北： 程大学硕士学位论文 以上三种整体液压支架均具有稳定性好、强度高、移架速度快等优点，但是 其结构件的体积和质量较大，而且各结构件均采用刚性连接，当承受较大载荷时， 结构件需要抵抗较大的力，因此，对所选材料的强度要求较高。 2 2 2 简易液压支架典型架型 我国中小工作面在总工作面中占据着相当大的比例，因其具有巷道窄、工作 面短的特点，若采用大型整体液压支架，不仅搬运起来十分困难，也无法充分发 挥其生产效率。自2 0 世纪9 0 年代以来，滑移顶梁支架、悬移顶梁支架等小型简易 自移支架广泛应用于一些中小工作面。 2 2 - 2 - 1 滑移顶梁支架 在节式支架之后出现了另一种简易支架滑移顶梁支架，其结构如图2 4 所示，采用左梁与右梁结构，滑杆导向机构和移架油缸设置在左、右梁之间，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。该支架由左 顶梁和右顶梁互相支撑，移架时，始终保持其中一个梁的顶面与顶板完全接触， 即使放顶线上方“放空”，也能有效地支撑顶板，确保了支架的稳定性。但由于没 有底座，支架在移架后立柱容易出现倒八字现象而引起倒架；而滑杆导向机构的 滑杆，由于跨度较大，在受到外力作用时，极易弯曲变形，并产生卡死现象【2 训。 图2 4 滑移顶梁支架 f i g 2 - 4s l i p p a g ec a n o p ys u p p o r t 2 - 2 _ 2 2 悬移顶梁支架 与滑移顶梁支架类似，悬移支架是另一种介于单体支柱与综采支架之间的简 易支架。该支架由左、右顶梁，前探梁，挠性四连杆滑块机构和双作用液压支柱 组成。结构如图2 5 所示。左、右两顶梁并列布置以支撑项板，移架油缸布置在两 顶梁中间，左、右两端通过销轴分别与相应的顶梁相连。由于该支架邻架之间缺 1 0 第2 章架型确定 少有效的连接装置，因此，在使用过程中容易出现歪斜、倒架等危险，特别是当 一个支架发生倒架，很容易引发邻架倒架，形成连锁反应，同时也存在调架困难 等问题。 图2 5 悬移顶梁支架 f i g 2 - 5s u s p e n dc a n o p ys u p p o r t 2 3 2 3 整体顶梁支架 整体顶梁液压支架主要由顶梁、托梁、横梁、移架油缸、推溜油缸、单体液 压支柱等组成，是一种新近出现的架型，其结构如图2 - 6 所示。顶梁为两边带有t 形槽的对称结构，可将小托梁悬挂其上，而前支柱与小托梁相连，前立柱受力时 能沿t 形槽在前后方向移动；在梁的中间设有移架油缸，移架油缸的一端与顶梁 的前端相连，另一端通过销轴连接固定在后托梁上，油缸工作时能使顶梁向前移 动；后立柱直接与顶梁相连；前后托梁之间由横梁连接，各托梁之间通过托梁连 接套相连而成为一个整体，从而大大提高了支架的稳定性及安全性，工作中也不 会出现倒架、扭架现象；护顶面积大；前移动作简单、移架速度快，但其调架十 分困难。 通过对三种典型简易支架架型的分析介绍，可以看出简易支架具有体积小、 重量轻、适应性强，便于装、拆、运作业的特点，并且顶梁的面积小，可以改善 对顶板的适应性。但其移架、调架困难是其共同存在的问题。 河北工程大学硕士学位论文 图2 - 6 整体顶梁支架 f i g 2 - 6i n t e g r a t e dc a n o p ys u p p o r t 2 3 无尾梁液压支架 无尾梁液压支架是本课题所要研究的新架型，它综合了各种架型的优点，将 顶梁做成三个相互独立的分体顶梁，并在各顶梁之间设置连接机构，允许项梁在 铅垂方向有一定的错动量，既保证了顶梁的整体性，又改善了顶梁对顶板的适应 性；底座采用整体刚性底座，使支架具有较好的稳定性；底座与顶梁之间设置弹 性导杆机构，使顶梁在工作过程中具有一定的水平让压性能，减小了结构件的内 力；这种架型既具有整体支架整体性好、稳定性高、移架速度快的特点，又具有 简易支架体积小、重量轻、适应性强，便于装、拆、运作业的特点，特别适合于 顶板不平、底板松软的中小工作面。 图2 7 无尾