机械毕业设计（论文）-大采高支撑掩护式液压支架设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2011届本科生毕业设计 第73页目 录全套图纸，加1538937061 概述 1.1液压支架的用途31.2 液压支架的组成31.2.1顶梁31.2.2 底座41.2.3 掩护梁41.2.4 前后连杆4 1.2.5立柱 4 1.2.6推移装置 5 1.2.7活动侧护板 5 1.2.8操纵控制系统 51.3 液压支架的工作原理5 1.3.1 支架升降6 1.3.2 支架移动和推移输送机71.4 液压支架架型的分类7 1.4.1支撑式支架 8 1.4.2掩护式支架 8 1.4.3支撑掩护式支架 92 液压支架的结构设计2.1 液压支架基本尺寸的确定92.1.1 支架高度的确定9 2.1.2 支架的伸缩比和行程的确定102.1.3 支架间距的确定112.2 四连杆机构设计 11 2.2.1 四连杆机构的作用 11 2.2.2 四连杆机构的几何特性 12 2.2.3四连杆机构的几何作图法132.3确定顶梁长度172.4液压支架的性能参数182.4.1 液压支架的支护强度及验算182.4.2 液压支架的初撑力192.4.3 液压支架的移架力和推溜力192.4.4 覆盖率192.5 立柱布置 202.5.1 立柱数202.5.2 立柱间距202.5.3 立柱支撑方式202.6 立柱的计算 20 2.6.1 单伸缩立柱缸径的确定20 2.6.2泵站压力和立柱安全阀的调整压力21 2.6.3 立柱初撑力的计算222.7推移千斤顶223液压支架受力分析与计算3.1 顶梁的受力分析与计253.1.1 顶梁载荷分布263.2 掩护梁的受力分析与计算273.3 液压支架的底座设计29 3.3.1 底座的受力分析与计算29 3.3.2 底座接触比压的计算304 液压支架部件的安全强度校核4.1强度条件314.2顶梁的强度校核324.3掩护梁的强度校核364.4 底座的强度校核39 4.4.1后柱窝处的强度校核41 4.4.2前连杆处的强度校核43 4.4.3 Fn受力处的强度校核454.5 立柱强度的计算 47 4.5.1 立柱缸体壁厚计算 48 4.5.2 缸体与缸底焊缝强度计算48 4.5.3油缸的稳定性验算49 4.5.4 验算活柱的稳定性50 4.5.5 立柱活塞杆强度验算524.6 销轴及耳板的强度校核 54 4.6.1 顶梁与掩护梁联接处的强度校核54 4.6.2 前连杆与底座联接处的强度校核56 4.6.3 后连杆与底座联接处耳板强度校核575 结论参考文献60 翻 译英文原文61中文译文67液压系统 71致 谢721 概述液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备，支架与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体，实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使长壁采煤技术迈入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且可以够随着工作面的推进而机械化移动，不断的将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右，因此液压支架是现代采煤技术中的关键设备之一。1.1液压支架的用途在采煤工作面的生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作人员安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移动和推移输送机等一套动作。实践表明液压支架有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对提高采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是在技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.2液压支架的组成液压支架由顶梁、底座、掩护梁、前后连杆、立柱、推移装置、活动侧护板、操纵控制系统等部分组成。1.2.1 顶梁作用：1）用于支撑维护控顶区的顶板。2）承受顶板的压力。3）将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求：1）顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏。2）顶梁应有足够的刚度，以承受扭力。3）顶梁对顶板的覆盖率高。4）顶梁能适应顶板的起伏变化。1.2.2 底座作用：1）为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。2）与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。3）将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：1）底座应有足够的强度和刚度。2）底座对底板的起伏变化适应性好。3）底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板。4）底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置。5）底座要能把落入支架内的碎矸排弃到采空区中。1.2.3 掩护梁作用：1）掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。2）阻挡并承载采空区冒落的矸石，承受顶板水平推力、侧向力和传递扭转载荷，并保持支架整体的稳定性。3）掩护梁和顶梁（包括侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。1.2.4 前后连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。其四连杆机构的作用：1）通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能。2）能承受较大的水平力。1.2.5 立柱作用：1）支撑顶梁，承受载荷的作用。2）调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求。3）立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。1.2.6推移装置作用：1）将输送机推向煤壁，保证作业循环。2）将液压支架拉向煤壁方向，及时支护顶板。3）框架或推杆与底座导向通道共同作为支架、输送机移动时的导向，起一定的防滑作用。1.2.7活动侧护板用途：（1） 与邻架的顶梁、掩护梁和后连杆的固定侧护板相贴，构成了支架的挡矸屏障。（2） 支架移架时起导向作用。（3） 利用侧推千斤顶可调整支架的横向位置或防倒扶正支架。1.2.8操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀用以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具备以下基本要求：采用结构简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。1.3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完成的。如图所示：每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图1-1所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。图1-1 液压支架工作原理图1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀； 7，8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管1.3.1支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1、初撑如图1-1所示，操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。2、承载支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架对顶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。3、卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。图1-2 液压支架工作特性曲线由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图1-2，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1 ，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2 ，这就是液压支架的阻力-时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，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；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，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，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。1.3.2支架移动和推移输送机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.4 液压支架架型的分类按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分，有有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门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。目前使用的液压支架在分三类：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。1.4.1 支撑式支架支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种。如图1-3所示，前梁较长，立柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由立柱的复位装置来保证。它依靠立柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板坚硬完整、周期压力明显或强烈、底板较硬的煤层。a 垛式 b 节式图1-3支撑式支架1.4.2掩护式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图1-4所示，顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强。整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。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1-4 掩护式支架1.4.3支撑掩护式支架支撑掩护式支架架型主要有：四柱支在顶梁上；二柱支在顶梁；一柱或二柱支在掩护梁上。支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大、切顶性能好、护性能好、结构稳定、但结构复杂、重量大、贵、不便于运输。这类支架适用于直接顶中等稳定或稳定，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。2 液压支架的结构设计2.1 液压支架基本尺寸的确定2.1.1 支架高度的确定支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大和最小高度为（mm） (2-1) （mm） (2-2)式中 支架最大高度，mm；支架最小高度，mm； 煤层最大高度，mm； 煤层最小高度，mm； 考虑伪顶，煤皮冒落后，仍有可靠初撑力所需要的支撑力高度，一般最200300 mm，取s1=300mm；顶板最大下沉量，一般100200mm，取s2=200mm；a 移架时支架的最大可缩量，一般取a=50mm； 浮矸石，浮煤厚度，一般取=50mm；由式（2-1）和（2-2）得=4700+300=5000 =3300-200-50-50=3000 mm2.1.2支架的伸缩比和行程的确定支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值，即 （2-3）由式（2-3）得 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3.0。一般范围是1.52.5，煤层较薄时选大值。考虑尽量减轻支架质量，降低造价，可进行系列化，加强支架对顶底板的适应性，降低伸缩比，尽量采用单伸缩油缸或带机械加长杆来增加调高范围。一般根据单位缸长行程K1来确定，当K10.7范围内时可采用单伸缩。 （2-4）由式（2-4）得式中: K1单位缸长行程,mm； Lm活塞全部伸出时立柱的总长度,mm； Ln活塞全部缩回时立校的总长度,mm； Lm-Ln活塞行程,mm。所以采用单伸缩立柱加机械加长杆。2.1.3 支架间距的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，按下式计算式中： bc支架间距(支架中心距),mm；Bm每架支架顶梁总宽度,mm；c3相邻支架(或框架)顶梁之间的间隙,mm；n相邻支架包含的组架或框架数，整体自移式支架n=1；整体迈步式支架n2；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，但由于每架支架的报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榴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为1.5m，千斤顶连接块位置在每节溜槽中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。该液压支架配套使用SGZ-1000/1050-W型刮板输送机，该刮板运输机溜槽每节长度为1.5m，支架宽度的确定应考虑支架的运输安装和调高要求，该支架中心距为1750mm，支架宽度为16401770mm。2.2 四连杆机构设计2.2.1四连杆机构的作用1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线，从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。2、能承受较大的水平力。2.2.2四连杆机构的几何特征1、 支架从最高高度降到最低高度时，如图21所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度mm，最好为30mm以下。 图21四连杆机构几何特征图2、支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图21所示，应满足以下要求：支架在最高位置时，P1=，即0.911.08弧度；Q1=，即1.311.48弧度。后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I=0.450.61；支撑掩护式支架为I=0.610.82。前、后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为I1=0.220.3。支架在最高位置时的值tan小于0.35，在优化设计中，对掩护式支架最好应小于0.16，对支撑掩护式支架最好应小于0.2。前、后连杆的比值范围：C/A=0.91.2。前连杆的高度不宜过大，一般应使DH1/5。支架降到最低位置时，Q2。3、由图2-1可知，支架在最高位置时，掩护梁与顶梁铰点E和瞬时中心O之间的连线与水平线的夹角为，设计时，要使范围内，对掩护式支架最好应小于0.16，对支持掩护式支架最好应小于0.2。 4、支架工作段要求曲线向前凸的一段，如图21所示的h段，其原因为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有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，同时底板阴止底座向后移；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护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩护梁来地克服，所以减轻了掩护梁的受力。 图22掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取曲线向前凸的一段，所以当已知掩护和后连杆的长度后，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，进行作图计算就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图22所示。从图22可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了，其具体作法是顺时针转动后连杆，使支架最高位置时的E点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁上前连杆上铰点所作的运动轨迹上，任找几点，把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了2.2.3四连杆机构的几何作图法四连杆机构设计的几何作图法按如下步骤进行。（1）确定掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离和后连杆下铰点至底座底面的距离一般同类型支架用类比法来确定，关于这两个尺寸的大小对支架受力的影响，后面进行专门研究。（2）确定掩护梁和后连杆长度用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图23所示 图23 四连杆机构特征图设G掩护梁长度，mm；A后连杆长度，mm； L2 e点引垂线到后连杆下铰点之距，mm； H1架最高位置时的计算高度，mm；H2架最低位置时的计算高度，mm。从几何关系可以列出以下两式： (2-5) (2-6)将式(2-5)、(2-6)联立解得： (2-7) 令 ，支撑掩护式支架：支架最高位置时的计算高度为：根据的值和上式可以求得掩护梁的长度 G和后连杆长度A，经过取整后，再重新算出、的角度。按四连杆机构的几何特征所要求的角度选定： (2-8) 掩护梁的长度为 mm；后连杆的长度为 A= IG =1839 mm； （3）几何作图法作图过程具体作图步骤如下：1、确定后连杆下铰点O点的位置，使它大体比底座略高，取400mm，考虑太低安装销子困难，太高底座又笨重。2、过O点作水平线HH线与底座相平行。3、过O点作一条直线与水平线HH线相交其交角为Q1。4、在此斜线上截取线段,长度等于，点即为后连杆与掩护梁的铰点。5过点作与HH线有交角的斜线，以为圆心，以G为半径作弧交此斜线于点，此点为掩护梁、与顶梁的铰点。6、 过点作一条直线与水平线HH平行的FF直线，则HH线与FF线的距离为H，即为液压支架最高位置的计算高度。7、 以点为圆心，以（0.220.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交于点b，为前连杆上铰点的位置。8、 过点作FF线的垂线(认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动)。9、在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。10、取线中间某一点为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状和变化宽度等）。11、以O点为圆心，为半径作圆弧。12、以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前面圆弧上一点，此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。13、以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前面圆弧上一点，此点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。14、连接、，并以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点，则b、b三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。15、连接、为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。16、分别作和的垂直平分线交于C点，即为前连杆的下铰点，bc为前连杆的长度。17、过点c向HH线作垂线，交于d点。则、液压支架的四连杆机构。18、按以上初步求出的四这杆机构的几何尺寸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来。按以上步骤作图，结果如图2-4所示。 图2-4四连杆机构的作图结果通过四连杆机构作图得：mmab=783 mmdo=751 mmcd=983 mmbc=1651 mm2.3 确定顶梁的长度顶梁长度：掩护式与支撑掩护式支架顶梁长度计算顶梁长度=配套尺寸+底座长度+AcosQ1-GcosP1+C+e+掩护梁与顶梁铰接点至顶梁后端点之距 (2-9)式中：底座长度 L1=4300 mmB液压支架的配套尺寸；该液压支架的配套设备有：MG750/1910-WD型采煤机，SGZ-1000/1050-W型刮板输送机。其配套尺寸如图26所示。B=1000+400+1000+290=2690 mm ；A后连杆长度，A=1839 mm；G掩护梁长度，G=3013 mm；e支架由高到低顶梁前端最大位移量，e=30 mm；C梁端距，考虑由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距。要求顶梁前端距煤壁最小距离为300mm；液压支架在最高位置时，后连杆与水平面的夹角。由前面知，P1液压支架在最高位置时，掩护梁与水平面的夹角。由前面知，由式（2-9）得=5477mm取整5480 mm2.4