采掘机械液压支架课程设计.doc

辽宁工程技术大学课 程 设 计液压支架支撑掩护式ZZ4000-17/35班级：开滦机械10-1姓名：张陆指导教师：李晓豁完成日期：2012-01-06设计任务书一、 设计内容支撑掩护式液压支架ZZ4000/17/35二、上交材料(1) 设计图纸(2) 设计说明书三、进度安排(参考)(1) 熟悉设计任务，收集相关资料 (2) 拟定设计方案(3) 绘制图纸(4) 编写说明书(5) 整理及答辩四、指导教师评语成 绩： 指导教师 日 期 摘要1第一章：概述1第二章：液压支架工作原理22.1 液压支架组成和用途22.1.1 液压支架组成22.2 液压支架的工作原理72.2.1 升柱72.2.2 降柱72.2.3支架和输送机前移8第三章：液压支架的总体方案设计93.1 支架的设计特点93.2 液压支架结构设计的方向93.3 液压支架的架型103.4液压支架的选型原则10第四章：总体参数选择114.1设计液压支架必须的基本参数114.2 液压支架基本参数确定124.2.1液压支架的高度确定124.2.2 支架伸缩比124.2.3 支架间距134.2.4 底座长度134.2.5 支护强度13第五章：总体布置14第六章：液压传动系统156.1液压支架的液压系统的简介。156.1.1 液压支架传动系统的基本要求156.1.2液压支架的液压传动特点156.2 控制系统166.2.1操纵阀组166.2.2液控单向阀166.2.3安全阀166.2.4双向锁166.2.5单向锁176.2.6截止阀176.2.7过滤器17第七章：总体验算187.1前梁强度验算187.1.1前梁受力分析187.1.2前梁强度计算197.2主顶梁强度校核207.2.1主顶梁受力情况207.2.2主顶梁强度计算217.3掩护梁强度校核237.3.1掩护梁受力情况237.3.2掩护梁强度计算237.4底座强度校核247.4.1底座受力情况247.4.2底座强度校核257.5销轴和耳座的强度校核277.5.1耳座的校核277.5.2销轴的强度校核27参考文献29支撑掩护式液压支架机械总图：30摘要综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我们60年代起支撑式液压支架，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式支架，这些系列化一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。至今，我国煤矿中使有的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头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的位置的支架。目前使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。从架型的结构特点来看，由于架型的不同，它的支撑力分布和作用也不同；从顶板条件来看，由于直接类别和老顶级别的不同，支架所承受的载荷也不同，所以为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析，使支架的支撑力能适应顶板载荷的要求。第一章：概述液压支架是综采设备的重要组成。它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。液压支架-液压支架是由支柱、底座、顶梁、掩护梁、前后连杆及挡矸板等组成的一个由钢板焊接成箱体的整体结构。液压支架分类及其作用 ;有支撑式，掩护式，支撑掩护式，放顶煤式，其作用是用于煤矿井下工作面开采支护顶板，第二章：液压支架工作原理液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液（这里采用水包油型乳化液）作为动力，由液压操作系统，控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高压乳化液，经主进液管送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循环使用。其组成如图所示：2.1 液压支架组成和用途2.1.1 液压支架组成支撑掩护式液压支架主要由护帮、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。1)顶梁顶梁采用整体顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载负荷之一，有钢板焊接而成箱型结构，以满足强度和刚度的要求。结构如图：其主要作用：1)承接顶板岩石和煤的载荷。2）反复支撑顶煤，可对比坚硬的顶煤起破碎作用。3）隔离顶板，为回踩工作面提供足够的安全空间。2）掩护梁掩护梁分别与顶梁，前，后连杆连接，其主要作用有： 1）承受上部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能。2）掩护梁与前后连杆，底座形成四连杆机构，保证支架的稳定性。3）阻挡后部落煤，维护工作空间。3）底座底座是将顶梁承受的压力通过立柱传递到地板并稳定支架的主要结构件。结构如图：其主要作用：1）将上方载荷传递给底板，为立柱，推移装置及其它辅助装置提供安全空间 2）为工作人员创造良好的工作环境。 3）保证支架的稳定性。4）前后连杆 前后连杆分别与底座和掩护梁铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件，铸件中不得有气孔，砂眼，夹杂等，以免降低强度，减少使用寿命。铸后要进行淬火和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要承载顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度。前后连杆如图： 前连杆后连杆其主要作用：1）使支架在调高范围内，顶板平稳的升降，并使顶梁前端与煤壁的距离变化尽可能小，更好的支护顶板。2）承载水平顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。5）推移装置支架的推移机构包括推杆，连接头，推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移传送机和拉移支架，推移连杆的一端通过连接头与输送机相连，另一端通过推移千斤顶与底座相连，推移连杆除承受推拉力外，还承受一定的侧向力防止底座下滑。2.2 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2.2.1 升柱当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板2.2.2 降柱当需要降柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。2.2.3支架和输送机前移支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶对活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推输送机时，支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图所示t0初撑阶段； t1增阻阶段； t2恒阻阶段；p1初撑力； p2工作阻力支架立柱工作时，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，此阶段为初撑力阶段t0；支架初撑力后，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t1；随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调正值时，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，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限止下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2第三章：液压支架的总体方案设计3.1 支架的设计特点结合首采工作面及矿区此类地址构造条件下，使用ZZ4000-17/35 二柱掩护试支架的成功经验，本架型应有如下特点：支架形式为：带机械加长的四柱支撑掩护试厚煤层液压支架。1） 对支架总体结构参数优化，梁端距变化应小，顶梁前部较薄强度，刚度应允分保证。2） 支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其他构建形成刚性好，强度高，稳定性能好的整体结构。3） 整体顶梁与掩护梁带单侧活动长侧护板，能实现对护顶的严密调整。4） 封底底座，减小底座比压，增大底座刚度强度。5） 架的整体构造应有“人机学”的观点，结构应紧凑，操作方便，制造成本底6） 采用双纽线连杆机构连接掩护梁和支架底座，以增加支撑力，增强支架的稳定性。3.2 液压支架结构设计的方向1轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度要求和配套的条件下，底座和顶梁尽量短，使支架轻型化。2标准化。为了减轻支架的重量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性减小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。3材质强化。提高结构件钢材强度，采用优质钢材，减轻液压支架的重量，设计师可先进行技术经济比较，再选合适的材料。4高压化。各种阀类的压力等级价高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架的质量减轻。5操作自动化。能适应无人采煤工作面的需要，实际运程操作的新型全自动液压支架。3.3 液压支架的架型支撑掩护式液压支架的架型如图：3.4液压支架的选型原则液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适合矿井和工作面的条件，投产后能够做到高产、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，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条件进行选择。1液压支架架型的选择首先要适合于顶板。一般情况下可根据顶板的级别直接选出架型。2当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜选用支撑式支架。3当煤层厚度达到2.52.8m以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大、带有机械加长杆或双伸缩立柱的掩护式支架。4应使支架对地板的接触比压不超过地板允许的抗压强度。在地板较软条件下，应选用抬地板装置的支架或插腿掩护式支架。5煤层倾角小于10时，液压支架可以不设防倒防滑装置。倾角在1015（支撑式液压支架取下限，掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架取上限）以上时，应选用带有防滑装置的液压支架。倾角在18以上时，应选用同时带有防滑防倒装置的液压支架。6对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程要求，并优先选择通风面积大的支撑式或支撑掩护液压支架。7当煤层为软煤时，支架最大高度一般应2.5m；中硬煤时，支架最大高度一般3.5m；硬煤，支架最大高度5m。第四章：总体参数选择4.1设计液压支架必须的基本参数1顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。2最大和最小采高根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3瓦斯等级根据瓦斯等级，按煤矿安全规程规定，验算通风断面。4底板岩性及小时涌水量根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。5工作面煤壁条件根据工作面煤壁条件决定是否用护帮装置。6煤层倾角根据煤层倾角决定是否选用防滑装置。7井向罐笼尺寸根据井向罐笼尺寸考虑支架的运输外形尺寸。8配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。4.2 液压支架基本参数确定4.2.1液压支架的高度确定支架的高度确定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，其最大与最小最小高度为式中 支架最大高度；支架最小高度；煤层最大厚度（最大采高）；=3.2m煤层最小厚度（最小采高）；=2.5m考虑伪顶、煤皮冒落以后仍有可靠初撑力的支撑高度，一般取200300mm；顶板最大下沉量，一般取100200mm；移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm；浮矸、浮煤厚度，一般取50mm。根据式4-1可得： mm200mm=3400mm根据式4-2可得：100mm50mm50mm=2300mm所以初步选定：=3400mm=2300mm4.2.2 支架伸缩比支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为： 代入数据得m=1.48。立柱结构可以采用单伸缩液压缸加加长杆。4.2.3 支架间距支架间距就是相邻两支架中心线的距离。支架间距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中部槽相连，因此目前主要根据输送机中部槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置来确定。我国刮板输送机中部槽每节长度为1.5m，千斤顶连接块位置在中部槽中间位置，所以除节式和迈步式液压支架，支架间距一般为1.5m。4.2.4 底座长度所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。在设计支架的底座长度时，应考虑以下几个方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作和行走；保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距，即2.1m左右；支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本次设计底座为2.4m4.2.5 支护强度本次设计中支撑掩护式支架的支护强度可用插入法求得，按下式计算： 式中：支架名义支护强度。（KN/m2）采高所对应的支护强度，见表11采高所对应的支护强度，见表11对应的采高(m),见表11对应的采高(m),见表11支架的结构高度，在，之间。对应最大结构高度=3.85m时=3m =705.6KN/m2=4m =862.4KN/m2将各数据代入式得采高最大时支架支护强度=705.6(862.4-705.6)=838.88KN/m2第五章：总体布置1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，以使有效地控制顶板，保证合理的下沉量。2液压支架要有足够的推溜力和移架力，推溜力一般为100KN左右，移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN150KN，中厚煤层一般为150KN250KN，后煤层一般为300KN400KN。3防矸性能要好。4排矸性能好。5要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风面积，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。6为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。7调高范围要大，照明和通讯方便。8支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。9要求支架有足够的刚度，能承受事实上不均衡载荷和冲击载荷。10满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。11要易于拆卸，结构要简单。12液压元件要可靠。第六章：液压传动系统6.1液压支架的液压系统的简介。6.1.1 液压支架传动系统的基本要求对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：采用结构简单，设备外型尺寸小，能远距离地传递大的能量；能承受较大的载荷；没有复杂的传动结构；在有爆炸危险和含尘的空气里保证工作安全；动作迅速；操作、调节简单；过载及损坏保护简单。 容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此液压支架均采用这种传动。6.1.2液压支架的液压传动特点液压支架的液压传动，与其它机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下： 工作液的压力高在液压系统中，采用粘度低和容量大的液体作为工作介质；液压缸、操纵阀，其它调节和控制装置等的数量大（高压泵16台、液压缸3001500个、安全阀150300个，还有同样数量的液控单向阀）； 很长的液压管路（200300刚性管，5003000高压软管）； 泵-液压缸传动系统的换算弹性模数较低； 根据支架的数量改变液流的参数； 所有支架的结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及它们之间都有相同的连接方式（相同的液压系统）；每节支架都重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序； 为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业和工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。 这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即：液压支架是以单节支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独地加以研究。6.2 控制系统设计支架的控制阀组一般由一组操纵阀组(8片和3片各一组)，液控单向阀五组(立柱用4组，前梁用l组)，安全阀五组(立柱用4组，前梁、备用1组)，双向锁一组(护帮板用)，单向锁一组组(推移千斤顶备用l组)，截止阀两组，过滤器一组及测压阀(用在支柱控制阀上)等组成。6.2.1操纵阀组操纵阀中，一组操纵支柱的升、降和前梁千斤顶、护帮板千斤顶、侧推千斤项，推移千斤顶的伸缩。6.2.2液控单向阀液控单向阀和立柱、千斤顶的工作腔直接连接，操纵阀供液通过它出入立柱、千斤顶工作腔，并在关闭后严密封闭立柱、千斤顶工作腔液体，因此对液控单向阀的要求必须动作灵活，密封可靠。6.2.3安全阀安全阀的作用为，它和立柱用液控单向阀组合使用，保证液压支架具有可缩性和恒定的工作阻力，直接和立柱下腔相通，当顶板压力超过立柱额定工作阻力时，立柱下腔的压力液通过该阀释放，使立柱下沉，达到对顶板让压的目的，使立柱在下沉过程中保持对顶板具有恒定的工作阻力，同时对支架起到安全和过载保护作用。它与千斤顶的控制阀组合使用，原理与作用与上述类同。6.2.4双向锁双向锁用于液压千斤顶两个工作腔均需液压闭锁的液压回路中，利用它的两个单向阀，使液压缸活塞在任何位置上均可双向闭锁。6.2.5单向锁单向锁实际也是一种液控单向阀，在支撑掩护支架中，用在推移千斤顶的油路中，保证顺利拉架；根据需要也可用在侧推千斤顶的油路中，泵液经过单向镇使侧护板伸出，平时单向锁闭锁，以增强支架的抗倒架能力。6.2.6截止阀截止阀一方面起着连通各支架间的主进、回液管路，另一方面，通过高压软管与操纵阀组进、回液孔相连。当本支架的液压系统发生故障而需要检修时，能与主管路断开,而不影响其它支架正常工作。6.2.7过滤器它的作用是防止主进液管路中的脏物进入支架的阀组和管路系统,其一端与截止阀的出液口相连，另一端通过高压软管与操纵阀组相连接。根据支架的工作原理，做出液压系统如下图所示：第七章：总体验算7.1前梁强度验算7.1.1前梁受力分析假定前梁千斤顶缸体内径先按下表标准取为125则前梁千斤顶的支撑力为：前梁前端受一集中载荷P，其受力图如上图所示：前端集中载荷为：在断面A-A处的弯矩为：前梁做成变断面箱形结构，A-A断面如下图所示：7.1.2前梁强度计算1) 形心位置各板件的计算数据如下表所示：件号12345数量面积形心位置惯性矩11380.511.62169340112317.51027419.5422044891024结构件的形心位置为： (2) 惯性矩 =+=53790(3) 弯曲应力 =(4) 安全系数钢板材料选取16Mn， 7.2主顶梁强度校核7.2.1主顶梁受力情况假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力图如下图所示：由上面求出为3279.3KN，距离铰接点1661mm,最大弯矩为主顶梁受力情况图主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如下图所示：7.2.2主顶梁强度计算（1）形心位置各板件计算数据如下表所示：结构件的形心位置为： =件号123456789数量1139.20.829.7273.62.431.4227.811.91404.8452.211.95268218.8111107.4237.121.25447.7235.221.25166225.921.23804130.411.2914.5(2) 惯性矩 (3) 弯曲应力 (4) 安全系数 钢板材料选取16Mn， 7.3掩护梁强度校核7.3.1掩护梁受力情况由前面已经求出在掩护梁上前后连杆的销轴处受力为2725.9KN和2096.89KN，其受力图如下图所示：掩护梁受力图最大弯矩发生在前连杆处，其值为：最大弯矩处的断面表示如下图所示：7.3.2掩护梁强度计算(1) 形心位置各板件记算数据如下表所示：件号12345数量1114215615017518390.64.414.8142717.2673.52960.1249.414.2结构件的形心位置： =(2) 惯性矩 (3) 弯曲应力(4) 安全系数钢板材料选取， 7.4底座强度校核7.4.1底座受力情况底座受力如下图所示：图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出由得：最大弯矩发生在前柱窝处，最大弯矩为：最大弯矩处截面如