液压支架运动仿真毕业论文.doc

液压支架运动仿真毕业论文目 录第1章 绪论11.1 液压支架的发展史11.2 液压支架的研究与应用现状21.2.1 液压支架在我国煤矿生产中的地位和作用21.2.2 目前液压支架的研究与应用现状21.2.3 液压支架未来的发展趋势31.3 本课题的确定和主要研究内容31.4 本课题的研究方法与技术路线4第2章 液压支架的总体方案设计42.1 液压支架的概述42.1.1 液压支架的组成和用途42.1.1.1 液压支架的组成42.1.1.2 液压支架的用途42.1.2 液压支架的工作原理52.1.3 液压支架的支护方式72.2 液压支架总体方案比较与确定72.2.1 液压支架的选型72.2.1.1 液压支架的支撑力与载荷关系82.2.1.2 液压支架架型的分类82.2.1.3 液压支架选型原则102.3 液压支架的整体结构尺寸112.3.1 液压支架基本技术参数的确定112.3.1.1 支护高度112.3.1.2 支架间距和宽度的确定122.3.1.3 底座长度132.3.1.4 支护强度132.3.2 底座形式的选择14第3章 液压支架的主要部件设计163.1 采煤机和运输机型号的确定163.2 顶梁的确定163.3 对顶梁长度的影响183.4 顶梁主要尺寸的确定183.5 掩护梁的结构及参数的确定203.5.1 掩护梁的作用和用途203.5.2 掩护梁的结构形式203.5.3 掩护梁的参数确定213.6 立柱及主要参数的确定213.6.1 立柱布置213.6.2 立柱主要参数确定223.7 平衡千斤顶位置的确定243.7.1 平衡千斤顶安装位置的确定原则253.7.2 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定25第4章 三维参数化造型设计与装配284.1 液压支架建模与装配的目的284.2 液压支架的三维实体建模294.3 液压支架的整机装配30第5 章液压支架的运动仿真375.1 液压支架运动仿真的一般过程375.2 仿真结果分析39结论44参考文献45致谢46河北工程大学毕业设计第1章 绪论1.1 液压支架的发展史从历史来看，大约在四五十年前工作面还是用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用，木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支护和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦的液压支柱所代替，并以支柱铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。1954年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤矿工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架。五十年代末期，为了开采煤层厚度超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于1961年在阿乐斯科拖举办的贸易展览上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架定量很短，仅0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁做圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且断面距变化很大，不利于顶板的维护。但比垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力好。为了保持顶梁端点相对于煤壁做近似的直线运动，在OMKT型掩护式支架的基础上作了许多改进：60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为了适应底板不平，底座采用分离铰接结构：对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为了防止碎矸石窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采煤工程”推动了液压支架即采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70和80年代，液压支架仅有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微电机控制于操作。1981年杜塞尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对坚硬岩层设计了强力液压支架等。我国液压支架是从50年代末开始研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.2 液压支架的研究与应用现状1.2.1 液压支架在我国煤矿生产中的地位和作用液压支架式综采工作面煤层地下支护的关键设备，它的性能的好坏直接影响着矿山企业的产量和井下人员的安全。1.2.2 目前液压支架的研究与应用现状国内外研究概况随着科学技术的进步与发展，对产品设计和产品开发提出了越来越高的要求。从设计技术和方法看，三维CAD已成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展；从产品的表现形式看，仅凭二维图样作为技术交流的媒介已不能满足现代设计的需要，而人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化。从产品的市场需求看，则更是要求不断提高产品质量和设计效率、缩短产品开发周期。因此，一些新的设计理念和设计手段，如全数字化设计、无纸设计、参数化设计、并行设计、协同设计、虚拟设计等便应运而生。国外CAD技术的研究与应用体现在两个方面：一是优秀的CAD软件版本不断更新，为企业产品设计提供高效平台，二是CAD技术在企业的广泛应用，推动了机械制造业的信息化。目前，国际上流行的CAD软件主要有：美国PTC公司的Pro/E、USS公司的（UG）、Autodesk公司的MDT、生信国际有限公司的Solid Works、SDRC公司的I-DEAS等，它们都是以三维参数化实体造型为基础的CAD系统。特别是Pro/E所采用的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD的传统观念，并已成为当今机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械产品，Pro/E能将设计至生产全过程集成到一起，实现所谓的并行工程。国外应用CAD技术比较成功的企业有：美国的波音公司、通用汽车公司、欧洲威尔泵业公司（Weir PumpsLtd.）、日本三菱电机公司等。CAD技术曾为这些企业带来了巨大的经济效益和社会效益。如：美国福特公司应用三维CAD技术后，将新型汽车开发周期从18个月压缩到l2个月，减少了90%的实物模型，减少新产品的设计更改50% 以上，减少新汽车试制成本50%，提高投资收益30%。我国真正意义的CAD尚处于起步阶段。陈欣博士利用ADAMS和ANSYS软件对轿车悬架及整车动力学性能进行的仿真分析，詹文章博士对转向架和车辆的虚拟制造技术进行的研究，吴涛博士在面向自顶向下设计过程的三维特征建模技术研究的基础上研制的三维CAD原型系统KmEngineer等，都在一定程度上代表了我国CAD技术的研究水平。但目前国内CAXA等三维CAD软件的成熟度不高，市场占有率不到15%。前不久，中国机械工业联合会对机械制造企业调查结果显示：我国制造业CAD应用基本普及，但只是“甩掉了图板”，使用基于三维产品模型的CAD/CAM技术的企业不多，将三维参数化CAD技术应用于液压支架等煤炭机械方面的研究在近两年才刚刚开始，目前尚处于起步阶段。由于液压支架是煤炭矿井开采中一种非常重要的支护设备，其性能如何将直接对井下生产安全和生产效率产生重大影响。因此，本课题的研究与开发不仅具有重要的理论研究意义，更具有巨大的实际应用价值。1.2.3 液压支架未来的发展趋势全球经济的一体化使得机械产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低研发成本。在这种要求下，使得以虚拟样机技术为代表的计算机技术不断发展，虚拟设计逐步成为机械设计领域的一种全新的设计及方法。运用虚拟设计，可以在产品设计初期、设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。1.3 本课题的确定和主要研究内容长期以来，对液压支架进行设计以及运动模拟主要是通过数据和二维图形进行的，局限性大。本文将三维参数化造型、虚拟装配和运动仿真引进液压支架的设计中，以及缩短开发周期，减少研发成本，提高产品质量，提升产品的市场竞争力。本文分析了液压支架的工作原理，进行了液压支架整体结构尺寸设计及主要部件的设计。1.4 本课题的研究方法与技术路线本文利用PRO/E对液压支架进行快速建模，然后利用其运动模块（MECHANISM）实现了对液压支架的升柱、降柱、推溜、移架等的运动过程的动态仿真，分析仿真结果表明建立的模型和设置的仿真参数的正确，支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域，顶梁前端一点的运动轨迹复合近似双钮线的要求。第2章 液压支架的总体方案设计2.1 液压支架的概述2.1.1 液压支架的组成和用途2.1.1.1 液压支架的组成1）承载结构件，顶梁、底座、掩护梁、连杆、立柱、推移装置等，其主要功能和传递顶板和跨落岩石的载荷。2）液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。3）控制元件部，包括液压系统操纵阀、单向阀、安其主要功能是操控支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。4）辅助装置，如推移装置、护帮（或跳梁）装置、伸缩梁（或插板）装置、活动侧护板、防护倒滑装置、连接件等。这些装置时为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。2.1.1.2 液压支架的用途在采煤工作面的煤炭生产过程中，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。而液压支架式以高液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能够实现支撑、切顶、移架和推移输送机灯一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、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合机械化采煤设备，他的应用对增加采煤工作面产量、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，因此液压支架式技术上先进、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。2.1.2 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。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。如图2-1所示。2)降柱当需要将柱时，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。图2-1支架和运输机的前移，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的活塞杆腔，另一回液腔，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉回煤壁；当需要推输送机时，支架支撑动版都，高压液进入推移千斤顶的活塞，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2-2所示。图2-2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，立柱升起使定量接触顶板，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。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为：KN式中 d-支架立柱的缸径，m; -泵站的工作压力，MPa；n-支架立柱的数量；由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理地初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。支架初撑力之后，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安全阀压力调节正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，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制下，压力曲线随时间呈波浪变化，此阶段为恒阻阶段T2。支架工作阻力为KN式中 -支架安全阀的调定压力MPa；支架的工作阻力标志着指甲的最大承载能力。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。支架的工作阻力是指甲的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小，但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上受支架工作阻力的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即MPa式中 f -支架的支护面积，。2.1.3 液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的3种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。1）即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是，顶板暴露距离较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。2）滞后支护一般循环方式为：割煤推溜移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定，完整的顶板。3）复合纸糊一般循环方式为：割煤支架伸出伸缩梁推溜收伸缩梁移架。复合支架的特点是：支护滞后时间短，丹增加了反复支撑次数，可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加， 适应高效要求，目前应用较少。2.2 液压支架总体方案比较与确定2.2.1 液压支架的选型2.2.1.1 液压支架的支撑力与载荷关系支撑掩护式支架式为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增加了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和承载能力。所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适应范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图23所示。2.2.1.2 液压支架架型的分类按照液压支架在采煤工作面安装的位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称断头支架，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分三类：支撑式、掩护式、支撑掩护式。支撑式液压支架：支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如图23，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面得顶板，维护工作空间。顶板岩三石 则在顶梁后部切断跨落。这支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。 图2-4掩护式支架：掩护式支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图24所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀：抵抗直接顶水平运动的能力强：防护性能好调高范围大、对煤层变化适应性强：但整架工作阻力小，通风阻力大、工作空间小。这类支架适用于直接定不稳定或稳定的煤层。图2-5 a-插腿式支架b-立柱支在掩护式菲插腿式支架c-立柱支在顶梁上非插腿式支架支撑掩护式支架：支撑掩护式支架架型主要：四柱在顶梁上（如图2-5a,b所示）：二支柱在顶梁（2-5，c）一柱或二柱支架在掩护梁上。支柱两排，每排1-2根，剁成倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护两盒四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价格贵，不便于运输。这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚煤层中。图2-62.2.1.3 液压支架选型原则液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面的条件，投产后能做到高产、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、技术和设备进行选择。液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。一般情况下课根据顶板的级别直接选出架型。当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力时，应选用抗扭能力强制家，一般不宜先用支撑式支架。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的掩护式双伸缩立柱的支架。应使支架对底板的比压不超过底板的抗压强度。在底板较软的条件下，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。煤层倾角10时，支架课不设倒滑装置1525度时，排头支架应设放倒滑装置，工作面中部输送机设防滑装置，工作面中部支架设底设千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规定的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。当煤层为软煤时，支架最大采高一般2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般3.5m；硬煤层时，支架最大采高5m。在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露58m，时间在20分钟以上时，暂不宜采用综采。特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。液压支架设计的原始条件如表2-1所示。表2-1老顶级别直接顶12312312344支架类型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式获支撑是掩护式支撑掩护式支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑方式采高2.5m支架支护强度采高12340.2941.30.2941.60.24920.294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理才空区0.343（0.245）1.30.343（0.245）1.60.34320.343（0.245）0.441（0.343）1.30.441（0.343）1.60.44120.441（0.343）0.539（0.441）1.30.539(0.441)1.60.44120.539(0.441)单体支柱支护强度采高1230.1471.30.1471.60.147按采空区处理0.2451.30.2451.60.2450.3431.3.3431.60.343注：括号内的数字式掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，课根据本矿情况允许有5%的波动范围。表中1.3、1.6、2分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶只能给出最低值2，选用时可根据本矿的实际情况确定适宜值。2.3 液压支架的整体结构尺寸2.3.1 液压支架基本技术参数的确定2.3.1.1 支护高度原始条件：支撑掩护式轻型放顶煤液压支架顶 压： 200吨（最大300吨）煤层厚度： 25m煤层倾角： 8顶板性能： 中等稳定、平整底板性能： 中硬瓦斯含量不大支架高度确定原则，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，其最大与最小高度为：H大h大+S1 (mm) (2-1)H小h小S2a (mm) (2-2)式中：H大支架最大高度，mmH小支架最小高度，mmh大煤层最大高度，mmh小煤层最小高度，mmS1考虑伪顶煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200-300mm，S1取250mm。 S2底板最大下沉量是，一般取100-200mm，S2取100mm。 a移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm。 浮矸石、俘煤厚度，一般取50mm。由式21可得H大5000+250=5250mm由式22可得H小2000-100-50-50=1800mm所以取： H大=5250mm H小=1800mm2.3.1.2 支架间距和宽度的确定所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。用bc表示。支架间距bc要根据支架型式来确定，但由于每支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶链接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽长为1.5m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距大部分为1.5m，大采高支架为提高稳定性中心间距可采用1.75米，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心间距可采用1.25米。因此本设计预取bc=1.25m。支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。当支架中心间距为1.5米时，最小宽度一般取14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为1.75米时，最小宽度一般取16501680mm，最大宽度一般取18501880mm。当支架中心间距为1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度11501180mm，最大宽度一般取13201350mm，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取11501200mm。本次选取11501200mm。2.3.1.3 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，应考虑一下几个方面：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，推移装置和其他的辅助装置，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2.1米左右；支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4米左右。本次设计地作为2.4米左右。2.3.1.4 支护强度本次设计中支撑掩护式支架的支护强度q，可用插入法求得，按下式计算： （23） 式中： qx支架名义支护强度。（KN/m2） q1采高h1所对应的支护强度，见表21 q2采高h2所对应的支护强度，见表21 h1q1对应的采高（m）见表21 h2q2对应的采高（m） 见表21Hx支架的结构高度，在h2h1之间。对应最大结构采高Hx=5.25m时h1=3m q1=705.6KN/m2h2=4m q2=862.4 KN/m2将各数据代入式（23）得采高最大时支架支护强度2.3.2 底座形式的选择支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。1)整体刚性底座如图2-7所示。中档部一般有一高度50100mm小箱形结构，中档后部上方为相形结构、推移千斤顶一般安装在相形体之上。整体刚性底座立柱窝前一般要设计一过桥，一提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座底座接触面积大，有利于减小对底座的比压，但中档推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于较软底板条件下工作面。图2-7整体式底座2）底分式刚性底座如图2-8所示，底座底板中分式的中档推移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，中档后部上方为箱型结构。由于底分式刚性底座中挡板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可以随支架从后端排到采空区，不需要人工清理，适应高产高效要求，但减少了底座接触面积，增大了对地板的比压。目前高产高效工作面液压支架一般均采用分体刚性底座。3）如图2-9所示，交接分体式底座分为左右相对独立的两个部分，从中档处铰接，左右底座在垂直方向可以相对错动，无刚性约束。这种底座对地板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但是支架的整体刚性有所降低。波兰支架采用铰接分体式底座较多，我国用的比较少。根据常用底座的各自特点，本设计选用整体刚性底座。图2-8底分式刚性底座图2-9铰接分体底座第3章 液压支架的主要部件设计3.1 采煤机和运输机型号的确定根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为：采煤机：MLS3PH型 运输机：SGWD-180PH配套尺寸，配套图的确定配套尺寸的确定，由图3-1可知 配套尺寸：E=650+377+352=2109 （3-1）液压支架配套关系图，如图3-1所示。图3-1液压支架配套关系图3.2 顶梁的确定顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度要求以外，还要保证支护顶板的需要。顶梁的作用及用途顶梁作用是支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的链接点。用途；a.用于支撑维护控顶区的顶板。 b.承受顶板的压力。 c.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。支架常用顶梁形式有三种：整体顶梁、铰接前梁的刚性顶梁和伸缩前探前梁的刚性顶梁。整体顶梁的结构特点：结构简单、可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可以设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少支架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体前端（8001000mm），一般取130。如图3-2所示。图3-2整体顶梁铰接前梁的刚性顶梁，如图3-3a所示，该结构顶梁分前后梁并接前梁设有前梁千斤顶，支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以调整前梁的上下摆角，以适应顶板不平的变化。伸缩前探梁的刚性顶梁，如图2-3b所示，该结构前梁有深深千斤顶使它伸缩，因此及时伸出支护刚暴露的顶板，从而可使顶梁长度减小，也可使用前梁千斤顶和伸缩千斤顶，使用前梁即可伸缩又可以上下摆动。图3-3支撑掩护式顶梁的结构形式1-前梁 2-后梁 3-前梁千斤顶 4-前梁伸缩千斤顶以上二种顶梁型式比较，本设计选用铰接前梁的刚性顶梁的结构型式。3.3 对顶梁长度的影响1）支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶梁长度的影响很大，从液压支架的工作原理可以看出，先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（又称后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先推溜的工作方式，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护。因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先提留后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为600mm。配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架长大衣有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不载割顶梁，同时考虑到采煤机载割时，不一定把煤壁载割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端煤壁最小距离为300mm，这个距离叫空顶距。另外在输送机铲煤版前也留有一定距离。一般为135150mm，也是为了防止采煤机载割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此之外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，在此来计算顶梁长度。3.4 顶梁主要尺寸的确定1）定量长度Lg顶梁长度【配套尺寸+底座长度+AcosQ1】-【Gcosp1+300+e】 （3-2）式中： 配套尺寸为 2109mm 底座长度为 2400mm P1=540 Q1=790代入公式（3-2）中得 Lg=2109+2400+1515cos790-2485cos540-300=3037.4mm取整数为3037mm2)定量面积A A=LgB （3-3) B-顶梁宽度mm，在本次设计中顶梁宽度为1500mm.代入公式（3-3）得 A=30371500=4.55m23)支护面积FCFC=BC(Lg+)m2 （3-4)式中：移架后顶梁前端点到煤壁的距离m,一般=0.3 BC支架间距（支架中心距），一般1.5m代入公式（3-4）得： FC=1500（3037+300）=5.00 m2支架的理论支护阻力F1 F1= FCq x （3-5）式中：FC支护面积m2q x支护强度KN/m2支架在最高处的理论支护阻力为： F1=5.001058.3=5291（KN）5）顶板覆盖率 =A/ FC100% （3-6）式中：A顶梁面积m2代入公式（3-6）得=4.55/5.00100%=91%6）顶梁其它有关尺寸的确定确定立柱上绞点，前梁千斤顶、前后梁绞点、掩护梁与顶梁绞点的位置（包括水平方向和垂直方向）尺寸如图3-4所示。图3-4支架结构尺寸3.5 掩护梁的结构及参数的确定3.5.1 掩护梁的作用和用途掩护梁是支架的掩护构件，它有承受冒落矸石的载荷和顶板通过定量传递的水平载荷引起的弯矩，掩护梁的用途，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。掩护梁承受对知己的水平作用力及偏载扭矩。掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了至今啊的掩护和挡矸性能。3.5.2 掩护梁的结构形式掩护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。有的指甲在掩护梁上焊有立柱柱窝。活动侧护板装在掩护梁的两侧。从侧面看掩护梁，其形状有直线型、折线型。如图3-5所示。图3-5掩护梁的结构形式1-顶梁；2-掩护梁；3-立柱；4-前连杆；5-后连杆6-底座；7-限位千斤顶梁的结构型式折线型相对直线型支架端面大，结构强度高，但工艺性差。所以很少采用，从掩护梁的宽度方向来分，可分为整体式和对分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度差。所以本次设计采用的式整体式、直线型。3.5.3 掩护梁的参数确定1）掩护梁的长度；掩护梁就是两铰点的距离，由前面的四连杆机构可知，掩护梁长大长度为2485mm。2）掩护梁宽度By；本设计掩护梁宽度与顶梁宽度相同，所以掩护梁宽度为1500mm。3）掩护梁上前后连杆焦点位置；通过比较，可确定前后连杆铰点位置（水平和垂直方向）具体尺寸可以通过图2-5中掩护梁部分可知。3.6 立柱及主要参数的确定立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力的状态，它除应该具有合理的工作阻力和可靠的工作特殊性外，还必须有足够的抗压、抗弯强度、良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。3.6.1 立柱布置1）立柱数；目前国内支撑式支架立柱数为26根，常用4根；掩护式支架为2柱；支撑掩护式支架为4柱。2）支撑方式；支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立足轴线与顶梁的垂线夹角小于30度（支架在最低位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱轴线与顶梁垂线夹角小于100（支架在最高位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较大。3）立柱间距；立柱间距是指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操控、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为11.5m。4）立柱类型；立柱按动作方式，分为单作用和双作用；结构分类，分为活塞式和活柱式；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩，如图3-6所示。图3-6立柱的类型a-单作用活塞式；b-单作用柱塞式；c-双作用活塞式；d、e、f-双伸缩式3.6.2 立柱主要参数确定1）立柱缸体内径和活塞外径 a.立柱缸体内径的确定 （3-7）式中：D立柱缸体内径mm F1支架承受的理论支护阻力KNnd每架支架立柱数pa安全阀的正压力，pa=40MPa am立柱最大倾角（度）代入公式（3-7）得 =查表取整为200mm2）立柱初支撑力和泵站的额定工作压力a.初撑力 【KN】 (3-8)式中：泵站压力取35MPa作为泵站的额定工作压力，考虑到从泵站支架的压力损失，根据一般的经验取31.5MPa的泵站乳化液到支架的压力一般为2425MPa。但对于只考虑支架的设计来说一般都办泵站压力做为计算初撑力的压力。代入公式（3-8）得 b.立柱工作阻力 【KN】 （3-9）式中：安全阀调整压力，=40MPa，代入公式（3-9）得： c）立柱缸体壁厚的计算支架立柱的壁厚（mm）一般为163.2，即中等壁厚，按下式计算： （3-10）式中：p缸内工作压力，Mpa； c考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取2mm； 强度系数，无缝钢管取=1； 【】缸体材料许用应力，Mpa，缸体选用用27SiMn，【】=980MPa； D立柱缸体内径，cm；代入相关数据，得：=14.7mm圆整，取=20mm3）立柱强度校核立柱缸体壁厚强度验算a）缸体壁厚验算当3.2时，按中等壁厚缸体公式进行计算： （3-11）式中：缸体实际最大承压，Mpa。代入相关数据，得：=210.6 Mpa安全系数为：n （3-12）缸体材料为27SiMn尢缝钢管， =1000MPan安全系数，一般取3.4；代入相关数据，得:n=980/210.6=4.56nb）缸体与缸底焊缝强度验算缸体与缸底焊缝强度按下公式计算； Mpa (3-13)式中：d0环形焊缝内径，cm； D0环形焊缝外径，cm; 1焊缝效率，1=0.7； p立柱工作阻力，KN；代入相关数据，得： =146.7Mpa焊缝抗拉强度：=539 Mpa n=539/146.7=3.67n=3.43.7 平衡千斤顶位置的确定掩护式支架中平衡千斤顶的推移力和拉力计算，平衡千斤顶位置应该按如下方法计算确定。3.7.1 平衡千斤顶安装位置的确定原则为了保护支架工作的可靠性，支架的支撑力分布（包括立柱的支撑力和平衡力千斤顶的推力和拉力等），必须适应顶板载荷分布。当立柱的上、下柱窝位置却定后，就可以根据顶板载荷分布来确定平衡千斤顶的位置，现按两种情况进行分析。当顶梁前端出现空顶时，顶梁后端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移， 此时平衡千斤顶要受拉力，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端0.27倍顶梁长度出来进行计算。当顶梁后端出现空顶时，顶梁前端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡千斤顶受压力，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶板的定量后端0.35倍顶梁长度出来进行计算。3.7.2 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定取顶梁和掩护梁分为离体（如图3-7示） (3-14)取顶梁为分离体为： 图3-7式中:P8平衡千斤顶的推力、拉力（推力取“+”、拉力取“-”）。W顶梁与掩护梁之间的摩擦系数，计算时取0.3。1支架在最高位置时的立柱倾角.2支架在最高位置时平衡千斤顶的倾角。为使平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度是平衡千斤顶与掩护梁平行，1可以取支架在最高位置时顶梁上平面和掩护梁的夹角。 h7平衡千斤顶活塞杆铰点至顶梁面之距，当支架降到顶梁和掩护梁成1800时，为使平衡千斤顶不与掩护梁发生干涉，所以可以按下式进行计算：（mm） （3-15）式中 Be掩护梁厚度（m）Db平衡千斤顶外径（m）b平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取0.030.05mh1瞬心点至顶梁和掩护梁铰点之距（m）L1立柱柱窝中心至平衡千斤顶上铰点之距（m）L2平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距（m）X支护阻力合力作用点位置。平衡千斤顶在拉力时，取X=0.27Lg；平衡千斤顶在推力时，取X=0.35 Lg （3-16）式中Lg为顶梁长度。1）平衡千斤顶的行程设计计算为了防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身拉环，对平衡千斤顶的行程有如下要求：当支架在最高位置时，顶梁能下摆150；支架在最低位置时顶梁能上摆100，或顶梁和掩护梁近似成1800。为简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞全部伸出时顶梁和掩护梁成1800；平衡千斤顶的活塞全部缩回时，支架恰好在最高位置。2）平衡千斤顶在掩护梁上位置的确定平衡千斤顶的行程确定后，即可确定它在掩护梁上的位置 (3-17)式中1当活塞全部缩回后，缸体上铰点至活塞上部之距。 b1当活塞杆全部缩回时，活塞杆铰点至活塞腔出油孔中心线之距。 （3-18）通过L6和L7的计算，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。第4章 三维参数化造型设计与装配随着科技的发展，单一使用二维CAD技术进行液压支架设计已不能满足现代设计的需求。在科研人员到各煤矿和生产厂家进行方案汇报、项目招标的过程中，利用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0软件建立的支架三维实体模型和运动仿真分析，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动轨迹都清晰、直观的显示出来，从视觉上带给客户更感性的认识，收到了很好的效果。现阶段比较有代表性、应用广泛的三维CAD软件有：美国PTC公司的Pro/ENGNEER Wildfire、DRC公司的i-deas、SOLIDWORKS公司的solidworks、EDS公司的solid edge、北航海尔的caxa。其中Pro/ENGINEER Wildfire 4.0是windows平台下基于特征的参数化造型技术和变量化造型技术的三维实体造型系统，具有杰出的机械装配设计和制图性能，能够方便地与windows平台下其它应用软件进行数据转换和链接操作。Pro/ENGINEER Wildfire 4.0强大的建模功能可以完成任何复杂的造型设计和装配设计，其工程图模块可以将零件环境、装配环境中生成的各类零件、装配件等实体进行投影，生成符合制图标准的二维工程图，极大地方便了液压支架零部件的设计，因此确定采用Pro/ENGINEER Wildfire 4.0软件来进行液压支架三维实体的建模。4.1 液压支架建模与装配的目的Mechanism（机构动力学分析）模块是PRO/E软件中包含的一个运动分析和仿真模块，该模块即可实现对机构的定义、建立零件之间的连接及装配自由度，对输入轴添加相应的电机驱动产生设计要求的运动，又可以在分析机构运动时观察和记录分析仿真过程的一些测量值，如位置、速度、和加速度等，还可以进行运动干涉检查和运动轨迹显示等。创建三维模型，不仅仅是为了造型，更多的是为了今后使用方便如设计的修改和调整、虚拟装配、动力学分析、运动分析等。一般对于开发性设计来说，造型的近期目标就是为了修改。具体到支架设计，由于每次设计所需要的支护强度个不相同，所以设计的支架模型在完成机构运动学目标后，还要通过强度验算同时确保支架总重量不超过一定数值，因此支架模型只有在通过强度验算合