（机械工程专业论文）zy30001020排斥式液压支架改进设计研究.pdf

摘要 摘要 现在的煤矿开采，已经由原有的炮采方式转变为综合机械化开采，液压支架在综合 机械化采煤作业中具有非常重要的作用，是机械化采煤必不可少的支护设备。液压支架 的活动侧护板装置，作为支架的辅助结构件，对提高支架的掩护和防矸性能具有重要作 用。 论文分析了国内外液压支架设计、制作、使用现状，指出了液压支架发展趋势。介 绍了液压支架的分类、特点、设计要点和常见结构形式，并依据原始给定条件设计出了 z y 3 0 0 0 l o 2 0 掩护式液压支架。对该型支架在井下使用中发生的损坏情况进行了分析阐 述，通过井下使用情况调研j 实物与设计要求符合性验证、设计校核的结果，确定了该 型支架活动侧护板装置大量损坏的原因。根据损坏原因明确了设计改进的方向，确定了 优化目标。然后利用s o l i d w o r k s 软件建立了顶梁活动侧护板的实体模型，结合活动侧护 板的使用工况及损坏情况，利用s o l i d w o r k s 软件的c o s m o s x p r e s s t 具确定了对活动侧护 板进行约束和加载的三种方式，即选择模拟活动侧护板正常使用状态进行约束和加载、 模拟支架利用侧推千斤顶进行调架时的状态进行约束和加载、模拟升架过程中相邻支架 发生咬架现象进行约束和加载三种方式分别对活动侧护板进行加载分析，根据加载结果 对活动侧护板进行优化，经优化后的活动侧护板满足了目标要求，能更好的适应实际使 用工况。 论文还对原侧推千斤顶进、回液管路布置情况进行了改进，缩短了接头座长度，加 长了相应胶管的长度，达到了接头座不露出顶梁体的目的，减少了接头座损坏现象。增 加了双向锁，避免了侧推千斤顶活塞杆在浮动状态下自由伸缩。最后，根据优化结果制 定了z y 3 0 0 0 支架大修方案。 关键词支架设计要点；z y 3 0 0 0 支架结构；支架损坏现象；z y 3 0 0 0 支架损坏原因；活 动侧护板；优化设计；大修方案 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o wt h ec o a lm i n i n g ，m i n i n gm e t h o d sh a v ec h a n g e df r o mo r i g i n a ls h o tt o m e c h a n i z e dm i n i n g ，h y d r a u l i cs u p p o r ti nm e c h a n i z e dc o a lm i n i n go p e r a t i o n sh a v eav e r y i m p o r t a n tr o l e ，i se s s e n t i a lt os u p p o r tm e c h a n i z e dm i n i n ge q u i p m e n t t h ea c t i v i t i e so f h y d r a u l i cs u p p o r td e v i c es i d eg u a r d ，a st h ea u x i l i a r ys u p p o r ts t r u c t u r e ，t oi m p r o v e s u p p o r tp e r f o r m a n c eo f t h ec o v e ra n dh a sa ni m p o r t a n tr o l ei na n t i - g a n g u e t h i sp a p e ra n a l y s i st h eh y d r a u l i cd e s i g n ，p r o d u c t i o na n du s es t a t u s p o i n t e do u tt h e d e v e l o p m e n t 仃e n do ft h e h y d r a u l i cs u p p o r t i ti n t r o d u c e dt h eh y d r a u l i cc l a s s i f i c a t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g ne l e m e n t sa n dt h ec o m m o ns t r u c t u r e ，a c c o r d i n g t h eo r i g i n a l c o n d i t i o n sd e s i g no ft h ez y 3 0 0 0 10 2 0c o v e rh y d r a u l i cs u p p o r t a n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h i st y p es u p p o r td a m a g e du n d e r g r o u n d ，t h r o u g ht h eu s eo fs u p p o r tu n d e r g r o u n ds u r v e y , s i t ep h y s i c a li n s p e c t i o na n dd e s i g nr e q u i r e m e n t sc o m p l i a n c ev e r i f i c a t i o nr e s u l t s ，t h e o r i g i n a ld e s i g no ft h ec h e c k ，t h e nt h ea n a l y s i si d e n t i f i e dt h ea c t i v i t i e so ft h es u p p o r td e v i c e s i d ep l a t e st oc a u s eal o to fd a m a g e a c c o r d i n gt h ec a u s e so fd a m a g et oc l e a rt h ed e s i g n i m p r o v e m e n td i r e c t i o n ，a n d d e t e r m i n et h e o p t i m i z a t i o ng o a l t h e n u s es o l i d w o r k s s o f t w a r et ob u i l dae n t i t ys o l i dm o d e lo ft o pb e a ma c t i v i t i e ss i d ep l a t e s ，c o m b i n e d 埘t l lt h e u s ea n dd a m a g ec o n d i t i o no ft h ea c t i v i t i e ss i d ep l a t e s ，u s i n gs o l i d w o r k ss o f t w a r e c o s m s x p r e s st o o lt oi d e n t i f i e do nt h ea c t i v i t i e ss i d ep l a t e st h r e ek i n d so fc o n s t r a i n t s a n dl o a dw a y ，c h o o s et h es i d ep l a t e st os i m u l a t et h en o r m a la c t i v i t i e so ft h es t a t eo f r e s t r a i n tu s ea n dl o a d i n g ，s i m u l a t i o ns u p p o r to ff r a m ew h e nt h ej a c kt oa d j u s tt h es t a t eo f c o n s t r a i n ta n dl o a d i n g ，t h ep r o c e s so ft h ea d j a c e n ts u p p o r tr o s ef r a m ep h e n o m e n o no c c u r s b o u n dt ob i t ea n dl o a d i n ga c t i v i t i e s ，i nt h r e ew a y st ol o a dt h es i d ep l a t e st oa n a l y z et h e r e s u l t so ft h ea c t i v i t i e s ，u n d e rt h el o a db o a r dt oo p t i m i z es i d ep r o t e c t i o n ，a f t e ro p t i m i z a t i o n o ft h ea c t i v i t ys i d ep l a t e st om e e tt h eo b j e c t i v e sa n dr e q u i r e m e n t s ，i tc a nb e t t e ra d a p tt ot h e a c t u a lu s ec o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，i m p r o v e dt h eo r i g i n a ls i d eo ft h ej a c kf o r w a r d ，b a c kf l u i dp i p e l i n e l a y o u t ，s h o r t e nt h el e n g t ho ft h ec o n n e c t o rb l o c k ，e x t e n d e dt h ec o r r e s p o n d i n gl e n g t ho f h o s et om a k es u r et h ec o n n e c t o rb l o c kd o n te x p o s e dt o pb e a m ，a n dr e d u c et h ec o n n e c t o r b l o c kd a m a g e i n c r e a s et w o w a yl o c k ，t oa v o i dt h es i d eo ft h ej a c kr o dt op u s hf r e e s t r e t c hi nt h ef l o a t i n gs t a t e f i n a l l y , w o r ko u tt h ez y 3 0 0 0h y d r a u l i cs u p p o r to v e r h a u ls c h e m eo n t h eb a s i so f t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s i i a b s t r a c t k e yw o r d ss u p p o r td e s i g n 。p o i n t ；z y 3 0 0 0s u p p o r ts t r u c t u r e ；s u p p o r td a m a g ep h e n o m e n o n ； c a u s eo fz y 3 0 0 0s u p p o r td a m a g e ；a c t i v i t i e ss i d ep l a t e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；o v e r h a u l p l a n k i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 液压支架发展历史 我国是世界第一产煤大国，煤炭在我国能源消费结构中占主体地位，据1 9 7 9 年 世界能源会议估计，我国煤炭资源在1 5 0 0 0 亿吨，在未来新能源大规模利用之前，煤 炭是支持我国能源供应的重要品种。随着国民经济的持续快速发展，能源需求持续 增长，对煤炭的需求也在不断增长。据专家预测，未来2 0 年，煤炭在我国一次性能 源消费中占5 0 以上，2 0 2 0 年我国煤炭需求量将超过2 5 亿吨，煤炭工业将有一个很 大的发展【z j 。 现在的煤矿开采，已经由原有的炮采方式转变为综合机械化开采，如图1 1 所示， 综合机械化采煤的主要设备有液压支架、采煤机、刮板输送机。其中液压支架在综 合机械化采煤作业中具有非常重要的作用，是机械化采煤必不可少的支护设备，它 在综合机械化采煤设备中所占的成本最高，一次性投资占综采装备总资金的7 0 以上 【3 1 。液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板 的采煤工作面设备，它能实现支撑、切顶：移架和推移输送机等一整套工序，具有 强度高、移动速度快、支护性能好、安全可靠等特点【4 j 。 1 采煤机2 刮板输送机 3 液压文架 图1 1综合机械化采煤配套设备 f i g1 - 1 m e c h a n i z e dc o a lm i n i n ge q u i p m e n t 1 1 1国外液压支架发展历史 大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱支撑。随着刨煤机、采煤机的使 用，木支柱支护既不能对顶板提供足够大的阻力，其支设和回收也很难满足连续采 煤的要求，于是，刚性木支柱开始逐步被可压缩性摩擦和液压支柱所代替，回采工 1 ，1，一怒卷 _卜一嘲 一一熏。吣 豢一蓊誊 蹙麓，颤躐 河北科技大学硕士学位论文 作面开始以支柱加铰接顶梁的结构形式支护【5 】【6 】。 1 9 5 4 年，英国研制出垛式支架【7 j 。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，英国奥尔蒙德煤矿装备了这种支架，成为世界上首个装备液压 支架的煤矿。从此，开创了煤炭工业的新时代。 1 9 5 8 年法国试验成功了节式支架【8 】。节式支架由2 至4 个框架组成，每个框架 装有前后两根立柱和窄面铰接顶梁，其支撑能力虽然不如垛式支架大，但结构灵活， 重量轻。 二十世纪五十年代末，前苏联为开采厚度超过2 m 的松散和破碎顶板条件下的煤 层，开始研制掩护式液压支架，并于1 9 6 1 年在阿乐斯一科拖举办的贸易展览会上展出 了其研制的o m k t 型掩护式支架。这种支架顶梁只有0 8 m ，顶梁与掩护梁铰接，单 根朝前倾斜的液压支柱连接着掩护梁和底座。这种支架在其工作高度范围内升降时， 顶梁的顶点相对于煤壁作圆弧运动。顶梁顶点的这种运动轨迹，不但影响支架的承 载能力，而且梁端距变化很大，不利于顶板的维护。但同垛式和节式支架相比，这 种掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石进入工作面，工作能力很好。 二十世纪6 0 年代末3 1 ：1 7 0 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的增加，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。同时，为适应底板不平，底座开始采用分体铰接式结构，对于松软底板，采用 接触面积较大的底座以减小底板比压。为防止碎矸石窜入采区，采用了各种防窜矸 的掩护装置。 进入二十世纪七、八十年代，液压支架又有了新的发展。顶梁实现了“立即前 移支护，整个支架安装了电液控制系统，实现了微机控制与操作。如美国、澳大利 亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术。9 0 以上的美国长壁综采工作面使 用了电液控制两柱掩护式液压支架，额定工作阻力最高可达9 8 0 0k n 。到了二十一世 纪，随着优化设计、运动仿真、虚拟样机技术、有限元分析方法及c a d 、c a e 、c a m 等各种新技术的推广应用，液压支架从设计水平到制造质量都有了非常大的进步。 1 1 2 我国液压支架发展历程 我国液压支架的发展历程经历了以下几个阶段： 学习起步阶段：我国于2 0 世纪7 0 年代初开始支架的研制工作，先后研制出垛 式、节式和掩护式支架。1 9 7 0 年在山西大同首次全工作面装备了t z 一1 4 0 型垛式液 压支架 9 1 。2 0 世纪7 0 年代中期，研制出了q y 型掩护式支架和z y 3 5 型支撑掩护式 支架【1 0 】。尽管早期研制的支架性能及可靠性都较差，但为我国液压支架的发展奠定 了基础，为以后液压支架的研制积累了大量宝贵的经验。 发展阶段：2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，分三次大规模引进国外支架，通过消 2 第1 章绪论 化吸收国外先进技术，我国科研人员自主研发了多种用途的液压支架。2 0 世纪8 0 年 代以来，开发出了适用于坚硬顶板的大吨位t z 一7 2 0 型支架【l ，q y 3 l 和z y 3 5 型支 架、分层开采自动铺联网支架、放顶煤液压支架，并研制出了大流量安全阀和操纵 阀等。这一阶段开发出的支架重量普遍较轻，工作阻力偏小，支架的可靠性较差， 试验寿命仅8 0 0 0 次，与国外支架的差距较大。 完善提高阶段：自2 0 世纪9 0 年代中期开始，我国液压支架进入了快速发展阶 段，液压支架的可靠性及性能、参数有了明显的提高，支架的架型不断丰富，各种 特征参数的大采高液压支架、大倾角液压支架、薄煤层液压支架以及铺网液压支架 和端头液压支架纷纷研制成功，全国综掘综采工作面数量大幅度提高。到目前为止， 适于我国高产高效工作面的液压支架有2 0 余种架型【2 l 。 高速发展阶段：近几年来，国内对高端液压支架的需求量不断增加，随着液压 支架国产化进程的发展，国产液压支架进入了高速发展阶段。支护高强、支护强度、 移架速度都有了较大提高，液压支架的设计和制造水平逐步接近国际先进水平。 1 2 液压支架设计制作现状及存在的问题 1 2 1 液压支架设计制作现状 十一五期间，我国计划建立1 3 个亿吨级超级煤炭基地。为此，国家煤炭工业“十 一五规划技术进步的主要目标是：采用高新技术和先进实用技术，加快安全高效 大型现代化煤矿建设。煤炭要振兴，煤机要先行。在国家振兴装备制造业政策指导 下，极大的促进了综合机械化采煤装备制造业的发展。 最近几年来，我国煤机装备制造业发展迅速。其中的液压支架产品，正在向着 高可靠性、大工作阻力、大采高、电液控制等方向发展。如2 0 0 7 年在北京举办的第 十二届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会上，展出的液压支架工作阻力最大 为1 0 8 0 0 k n ，高度最高为6 3 m 。而在2 0 0 9 年在北京举办的第十三届中国国际煤炭采 矿技术交流及设备展览会上，许多厂家设计制作的液压支架的工作阻力已经达到 1 7 0 0 0 k n ，支架高度最高已经达n 7 5 m 。在掩护支架方面，北京煤矿机械有限责任 公司展出了z y l 7 0 0 0 3 3 7 5 d 型电液控制掩护式液压支架，如图1 2 所示，支架工作阻 力达1 7 0 0 0 k n ，最大支护高度达7 5 米。郑州四维展出了z y l 7 0 0 0 3 3 7 3 d 支架，而郑 煤机集团展出的z y l 6 8 0 0 3 2 7 0 d 型掩护式液压支架已经代表当前世界最先进水平。 该支架为郑煤机集团最新研发的强力大采高高可靠性两柱掩护式支架，支架采用电 液自动化控制，缸径达5 0 0 r a m ，首创三级护帮装置，护帮高度达3 0 m 以上，采用2 0 5 m 中心距，增强了大采高支架稳定性。该支架是当时世界上投入使用的高度最高、工 作阻力最大的液压支架，现使用于中国神华神东煤炭集团上湾矿、大柳塔矿。在放 顶煤液压支架方面国产支架也有很大进步，在第十三届中国国际煤炭采矿技术交流 3 河北科技大学硕士学位论文 及设备展览会上，北京煤矿机械有限责任公司展出了在大同煤业集团塔山矿使用的 如图1 3 所示的z f l 5 0 0 0 2 8 5 2 型放顶煤液压支架，支架工作阻力达1 5 0 0 0 k n 。在薄煤 层支架方面，郑州四维展出了电液控制极薄煤层z y 2 4 0 0 0 5 11 d 型掩护式支架。 图l 一2 z y l 7 0 0 0 3 3 7 5 d 型液压支架 f i g1 - 2 z y l7 0 0 0 3 3 7 5 dh y d r a u l i cs u p p o r t 图1 3 z fi5 0 0 0 2 8 5 2 型放顶煤液压支架 f i g1 3 z f15 0 0 0 2 8 5 2c a v i n gh y d r a u l i cs u p p o r t 4 1 第1 章绪论 随着液压支架技术的不断发展，我国逐步形成了以煤炭科学研究总院、郑州煤 矿机械厂、北京煤矿机械厂、沈阳煤机所等单位为主的支架研究设计队伍。在液压 支架设计中，计算机辅助设计和优化设计在液压支架的设计中得到了广泛的应用， 使用c a d 软件作为基础设计平台，并在此基础上组织设计和计算机骨干进行二次开 发，构建了液压支架及液压零部件设计的专用平台。在此平台上可以快速有效地进 行液压支架的设计与计算，实现液压支架相关数据的自由交换，能实现部分零部件 的参数化设计，开发出强度计算软件，可以模拟支架在井下的各种使用工况并进行 强度分析计算，三维动画模拟可以对支架进行全方位的运动学分析，庞大的液压支 架零部件数据库为设计提供了极大方便，可以迅速地从几百个方案中确定最优化的 设计方案【1 2 】。： 伺时，虚拟样机技术在液压支架设计领域也得到了广泛应用总体来看，目前虚 拟样机技术在液压支架设计领域的应用研究现状主要体现在静力学分析、运动仿真、 含铰接间隙液压支架梁端轨迹曲线研究以及结构有限元优化等方面【l 引。如：天地科 技股份有限公司的徐亚军、王国法等人经分析认为用c o s m o s w o r k s ，d e s i g n s p a c e 和 v i s u a ln a n tr a nd e s k t o p 作为液压支架模拟样机的静强度分析模块【1 4 】可以满足支架 设计的要求。北京开采研究所和兖州矿业( 集团) 公司综采设备租赁中心针对液压支 架柱帽结构特点，就其载荷加载方式进行了研究，应用接触力学方法来确定接触面 并进行载荷加载，采用c o s m o s m 软件对液压支架柱帽的受力情况进行了静力学分 析，并在此基础上对结构进行了优化【l5 1 。煤炭科学研究总院检测研究分院的赵忠辉 应用有限元分析软件a n s y s 对液压支架立柱与柱窝的接触部位进行接触分析，得到 了柱窝、立柱柱头的应力分布状况，明确了最大应力的发生位置，为立柱与柱窝的 设计提供了参考依据【1 6 】。中国矿业大学的蔡文书等用s o l i d w o r k s 软件中的 c o s m o s m o t i o n 模块对z f 7 2 0 放顶煤液压支架进行了运动仿真【1 7 】。中国矿业大学的 臧峰、赵啦啦等人利用p r o e 软件的m e c h a n i s m ( 机构动力学分析) 模块和a n a l y s i s 模 块，对z y 3 6 0 0 2 5 5 0 型掩护式液压支架进行了运动仿真和干涉检验【l 引。张缓缓、周 新建等人就p r o e n g i n e e r 中动态干涉检查的实现方法进行了研究【1 9 】。天地科技股份有 限公司的徐亚军、朱永战等人采用虚拟样机技术构建了液压支架动态仿真系统，利 用该系统研究了液压支架在整个调高范围内重心轨迹曲线的特点，为该类问题的最 终解决奠定了基础【2 川。 郑州轻工业学院的何文斌等人基于a n s y s 平台对z f s 6 2 0 0 1 8 3 5 液压支架顶梁 进行了参数化建模，利用a n s y s 优化模块，在外形和连接尺寸一定的前提下，对顶 梁截面参数进行优化，通过调整梁体顶板、盖板及主筋板分布位置与厚度、改善应 力分布、完成了顶梁的减重设计，优化方案较原设计方案最大等效应力降1 9 6 5 ， 重量减少1 1 ，减重效果十分显著【2 i 】。山东科技大学的曾庆良等人利用先进的 5 河北科技大学硕士学位论文 a d a m s 软件不仅实现了某大倾角放顶煤液压支架的四连杆的参数化建模、运动轨迹 仿真和优化设计，而且还借助其运动仿真对相关运动构件的运动状态进行了分析， 验证了基于a d a m s 软件的大倾角液压支架四连杆的优化设计的可行【2 2 1 。 由于高可靠性设计、有限元分析、虚拟样机技术等理论得到了普遍应用，使支 架的设计强度有了充分的保障1 1 2 1 。 1 2 2 液压支架设计制作存在的问题 在液压支架设计方面，我们虽取得了一些进步，但由于起步较晚，在某些方面 还远远落后于一些先进国家【6 】。尤其在大采高强力液压支架的设计制造方面，还处于 初级阶段。郑煤机集团研制的z y l 6 8 0 0 3 2 7 0 d 型掩护式液压支架虽然已经达到当前 世界最先进水平，但高端液压支架的国产化还有许多难题要攻克，如：( 1 ) 支架的可 靠性同国外相比有较大差距。我国的支架平均产煤4 5 m t 就要大修，而神华集团进 驵的支架，- 大修周期为产煤1 5 m t 以上，是国产支架的三倍多。国产支架产品总体 上都存在着生产能力低、寿命短的问题，远达不到国外产品的高可靠性。( 2 ) 材料的 使用上同国外相比还有一定差距，目前国外普遍使用屈服强度在7 0 0 m pa 以上的钢 板，而我国普遍使用的是屈服强度在4 5 0 m p a 以下的钢板。立柱大直径油缸材料和 柱窝等关键部位的专用材料同国外材料相比在性能方面也有较大差距。由于受材料 限制，相同工作阻力的国产支架要比进口支架重1 0 2 0 t ”。( 3 ) 液压元件的研发滞 后。国外目前已经研制出密封性能好、灵敏度高、抗冲击载荷强、流量大、可靠性 高、寿命长的各类液压元件。而我国目前仍沿用2 0 世纪8 0 年代的液压元件产品， 在液压元件的通用化、标准化、系列化、可靠性方面还有很大差距。如德国的操纵 阀寿命可达5 万次，而我国的只有5 0 0 0 次。国外安全阀的流量可达1 0 0 0 l m i n ，而 我国的安全阀流量在1 2 5 l m i n - 4 0 0 l m i n 之间。( 4 ) 电液控制系统方面的研发和应用 差距较大。目前国外发达国家的控制系统已经广泛采用电液控制。支架的移架速度 非常快，达到6 8 秒架。而我国目前绝大部分支架仍为手动控制，移架速度在1 5 - 2 0 秒架。同时在我国的工业领域中，液压支架的设计和制造技术水平相对落后于其他 行业，各种工序中工作机构的动作和工况转换的控制还是以手动为主，最先进的微 电子控制技术少采用；工作过程中线动态监测的技术还比较落后，对许多综采工作 面而言还是空白【l 引。，。 由于煤矿井下条件的特殊性，不同的顶板和底板情况、不同的采煤工作面以及 不同的配套刮板输送机和采煤机对相配套的液压支架具有不对的要求，加之液压支 架产品本身工况复杂，这就使得液压支架不仅具有普遍性的要求，更具有特殊性要 求，因此液压支架的设计和制作很难形成大批量生产。传统的设计开发方法更多的 是考虑产品的普遍性，往往导致液压支架在某些特殊场合无法正常运转，为了解决 这一问题，传统的液压支架制作方式都是先制作样机，然后对样机进行各种检验， 6 第1 章绪论 针对样机存在的问题，修改设计，更改制作，然后再次试验，如此反复直到样机没 有问题，然后确定最后的设计方案。这样设计出来的液压支架，一方面周期长、成 本高，另一方面往往由于对样机的检验不够充分使一些问题没有发现，导致批量生 产出来的产品在使用过程中出现问题。随着世界经济和科学技术的飞速发展，市场 全球化和竞争日益激烈。企业为了提高竞争力，必须不断缩短新产品的研制和开发 周期，提高产品的设计质量，降低产品的开发成本，不断进行技术创新，只有这样 才能满足市场不断变化的需求。而采用传统方式设计出来的液压支架，不但设计开 发成本高，而且存在着设计周期长；设计制造企业由于急于优先抢占市场，样机试 验不充分使得投放市场的产品不够完善，不能完全满足井下复杂多变的使用条件的 需求等缺点，这些问题都严重阻碍了我国煤矿机械事业的进一步发展。 计算机辅助设计和优化设计在液压支架的设计中虽然开始得到广泛应用，但起 步时间还不长，应用还不普遍，还存在一些问题，主要表现在：( 1 ) 现在液压支架三 维建模工具的软件设计平台基本上为国外产品所占有，还没有开发出完全具有自主 知识产权的国产液压支架建模系统。( 2 ) 用c a d 软件对支架进行三维实体建模时，做 了一定程度的简化，缺少对支架三维精细建模的研究。( 3 ) 在液压支架静力学分析方 面的研究基本上还局限于对局部结构和零件的应力分析。局部结构和零件的应力分 析主要集中在受力较大的底座、连杆、顶梁等关键部件和柱窝、柱帽等主要零件上。 对整架的应力分析尚处于起步阶段，而针对顶梁活动侧护板和掩护梁活动侧护板等 辅助构件的受力分析研究还很少。( 4 ) 还只是仿真支架的运动过程，只能进行动态干 涉检查，缺少对支架动力学方面的研究。 1 3 液压支架发展趋势 液压支架目前发展的主要趋势是：大力发展二柱掩护式架型；高工作阻力，高可 靠性：材料不断更新换代，支架强度不断提高；移架速度提高；改进个别部件的结 构( 整体顶梁、宽中心距等) ；液压阀件系列化、标准化、通用化；用微电子技术 实现机电液一体化的数字采集、工况监测、故障诊断和自动控制1 2 j 。 两柱掩护式液压支架经过3 0 多年的发展，取得了显著成绩。未来几年，我国两 柱掩护式液压支架的比重将大大增加。一次采全高普通支架将继续向着两柱掩护式 发展，并将进一步扩大适用范围【2 3 1 。同四柱支架相比，二柱支架具有支护强度高、 结构简单、受力均衡、操作方便、重量轻、造价低等优点，因此二柱掩护式支架将 是今后的发展方向【2 4 j 。 随着高产高效矿井建设的不断发展，对长壁综采设备生产能力和可靠性的要求 越来越高，支架向大工作阻力、高可靠性方向发展。要求支架试验寿命达到5 万次 以上，井下大修周期5 年以上或产煤8 m t 以上。 7 河北科技大学硕士学位论文 煤矿开采的需要将促使液压支架不断将向技术含量高、钢板强度高、移架速度 快( 6 8s 架) 和研发具有自主知识产权的电液控制系统方向努力。液压支架将逐步采 用屈服强度8 0 0m p a - 10 0 0m p a 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良 好的冷焊性能。支架宽度普遍增大，中心距达到1 7 5m ，并向2m 以上宽度发展， 增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。 实现电液控制既是液压支架发展的必然方向，也是实现全工作面自动化的必由之路。 虽然我国目前电液控制工作面并不多，但随着国产支架电液控制技术水平的不断提 高和完善，电流控制系统在我国将不断发展壮大。 一 、 另外，将普遍采用额定压力为4 0m p a 、额定流量为4 0 0l m i n 的高压大流量乳 化液泵站，以适应实现工作面成组或成排快速移架的需要。系统采用环形或双向供 液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。对有破碎带和断 层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千 斤顶的数量。缸径将增至5 0 0 m m ，最大支护阻力超过1 6 8 0 0k n ，最大支护高度 6 5 7 0 m 。目前，两柱掩护式液压支架正在向设计模块化、操作自动化、监测可视化 的方向发展b 引。 、另外，新型液压支架还将普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移 千斤顶装有位移传感器。 1 4 本课题提出的目的以及应用背景 为了提高液压支架的掩护和防矸性能，一般情况下，支架顶梁和掩护梁设有侧 护板。侧护板通常分为固定侧护板和活动侧护板两种，比较常见的形式是一侧为固 定侧护板，另一侧为活动侧护板。侧护板装置由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导 向杆和连接销轴等组成【2 5 】。活动侧护板一般都是由弹簧套筒和千斤顶控制。侧护板 的主要作用有：消除架间缝隙；移架向导；防止降架倾倒；调整支架间距 2 6 】 o 液压支架的活动侧护板装置，作为支架的辅助结构件，在各种液压支架的设计 研究中涉及的比较少。本课题以z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架为研究对象，通过对 该支架顶梁活动侧护板装置、掩护梁活动侧护板装置损坏现象的统计分析，确定了 主要损坏现象；在对支架井下实际使用情况调查分析和对实际零部件同设计要求符 合性验证的基础上，找出该型支架活动侧护板大范围损坏的原因；然后在对常见活 动侧护板装置结构形式进行分析对比的基础上，确实优化目标，对z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩 护式液压支架顶梁活动侧护板装置和掩护梁活动侧护板装置进行结构优化，改进设 计，制定出活动侧护板装置的大修方案，提高z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架活动侧 护板装置对井下使用情况的适应性。通过本课题的研究，为液压支架活动侧护板装 8 第1 章绪论 置的结构改进和优化积累了经验。 1 5 论文主要工作及组织结构 论文分析了国内外液压支架设计、制作、使用现状，指出了液压支架发展趋势。 依据原始给定条件设计出了z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架。对z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液 压支架在井下使用中发生的损坏情况进行了统计分析，通过支架井下使用情况调查、 现场实物检测与设计要求符合性验证结果、对原设计的校核等方式，经分析确定了 该型支架活动侧护板装置大量损坏的原因。针对损坏原因和实际需要，明确了 z y 3 0 0 0 l o 2 0 支架设计改进的方向，确定了支架活动侧护板装置优化目标。然后利 用s o l i d w o r k s 软件建立了顶梁活动侧护板和掩护梁活动侧护板的实体模型，结合活动 侧护板的使用工况及损坏情况，利用s o l i d w o r k s 软件的c o s m o s x p r e s s i 具选择三种 方式分别对活动侧护板进行加载分析，根据加载结果对活动侧护板进行优化，经优 化后的活动侧护板满足了目标要求。另外对原侧推千斤顶进回液管路布置情况进行 了改进，缩短了接头座长度，加长了相应胶管的长度，达到了接头座不露出顶梁体 的目的，以减少接头座损坏现象。最后，制定了z y 3 0 0 0 支架大修方案，以指导支架 大修。 本课题要重点解决的关键问题主要有以下几个方面： 论文组织结构如下图1 4 所示： 第l 章绪论 第2 章 液压支架设计要 求及z y 3 0 0 0 j ，1oj 2 岐架设计 第3 章 z v 3 0 0 0 1 1 0 1 2 0 掩 护式液压支榘损 坏现象分析 第4 章 z t 3 0 0 0 l0 2 0 支 架活动侧护扳装 置结构优化 第5 章 z r 3ooo lo 2 0 3 l 絮大修方案 总结与展望 图1 4 论文组织结构图 f i g1 - 4p a p e ro r g a n i z a t i o nc h a r t l 、z y 3 0 0 0 10 2 0 掩护式液压支架顶梁活动侧护板装置、掩护梁活动侧护板装置 损坏原因分析。这部分的研究内容主要包括损坏情况统计、使用情况调查、活动侧 护板装置实物同设计要求符合性验证。在对以上内容充分调查和准确校核的基础上 分析, h q 7 , y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架顶梁活动侧护板装置、掩护梁活动侧护板装置 9 河北科技大学硕士学位论文 大量损坏的原因。o 一。j t 2 、z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架顶梁活动侧护板装置、掩护梁活动侧护板装置 结构优化设计。这部分的研究内容包括：几种活动侧护板装置结构形式和布置方式 比较、z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架活动侧护板装置结构优化原则、原顶梁活动侧 护板实体模型的建立及模型的分析、新顶梁活动侧护板模型的建立、分析及优化， 掩护梁活动侧护板装置实体模型的建立、掩护梁活动侧护板模型的分析及优化，侧 推千斤顶进回液管路布置改进。 3 、z y 3 0 0 0 l o 2 0 掩护式液压支架大修方案的制定。方案制定的原则是在满足大 修要求的前提下，尽量减少更换新件，以修复原件为主。 。： 。1 6 本章小节一 o 二：二一_ j ：j - 二一： 一介绍了国内外液压支架的发展历史、国产液压支架设计制作现状及存在的问题、 国产液压支架发展趋势、本课题提出的目的以及应用背景、论文主要工作、要解决 的关键问题及论文的组织结构。 1 0 第2 章液压支架设计要求及z y 3 0 0 0 1 0 2 0 支架设计 第2 章液压支架设计要求及z y 3 0 0 0 1o 2 0 支架设计 2 1液压支架设计必需的基本参数 由于煤矿井下地质条件的特殊性，不同工作面对配套使用的液压支架有着不同 的要求，因此液压支架的设计具有一定的特殊性。要想使设计出的液压支架产品能 够满足矿方的要求，很好的适应井下工况，在设计之前，必须知道以下一些基本参 数。 l 、顶、底板条件 液压支架的架型和支架阻力等参数应考虑采煤工作面的顶板类级和底板类别。 采煤工作面直接顶类别按其在开采过程中表现的稳定程度共划分为4 类，根据基本 顶压力显现强度程度可将基本顶也分为四类【2 7 1 。直接顶分类和基本顶分类对支架的 选型及参数选择应符合m t t 5 5 4 的要求。工作面底板按其允许底板载荷强度由小 到大分为五个类别【2 8 】，适应底板类别的支护设备底座参数选择及其设计要求应符合 m t t 5 5 3 的要求。 2 、最大和最小采高 根据最大和最小采高，来确定支架的最大和最小高度。 3 、瓦斯等级 根据瓦斯等级，来验算通风断面是否满足安全性要求。 4 、工作面煤壁条件 根据工作面煤壁条件，决定是否采用护帮装置。 5 、煤层倾角 根据煤层倾角，决定是否选用防倒防滑装置。 6 、罐笼尺寸 根据罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。 7 、配套尺寸 根据配套尺寸和支护方式来计算定量长度。 2 2z y 3 0 0 0 10 2 0 支架设计初始条件 z y 3 0 0 0 1 0 2 0 掩护式液压支架是我厂按邯郸矿业集团陶二煤矿的委托为该矿 设计的，矿方提供的基本参数即设计初始条件如下： l 、顶、底板条件：顶板中等稳定以下，岩性和结构特征为随采随冒的泥质页 岩、粉砂岩、细砂岩、白砂岩等。底板坚硬，为f 0 3 的泥质页岩、粉砂岩、细砂 岩等。 一 2 、最大和最小采高：煤层厚度为1 2 2 米，平均厚度为1 5 米，落煤高度正常 1 l 河北科技大学硕士学位论文 范围为1 和1 8 米。一：、0 3 、瓦斯等级：低瓦斯矿井。 4 、工作面煤壁条件：煤壁坚硬，不易跨落。 5 、煤层倾角：工作面倾角6 0 7 0 。 6 、罐笼尺寸：1 4 5 m 。 7 、配套尺寸：配套采煤机为无锡产m g l 6 0 3 7 5 w 型采煤机，截割滚筒直径为 1 4 0 0 m m ，滚筒截深6 0 0 m m 。配套用刮板输送机为张家口产s g z 6 3 0 2 1 3 2 型铸焊 刮板输送机，刮板机槽宽5 9 0 m m ，高2 0 8 m m ，每节中部槽长1 5 0 0 m m 。 除以上基本参数，矿方对该支架的设计还提出了以下一些具体要求： 1 、支架梁端距不大于5 6 0 m m ，可利用伸缩梁调整梁端距。 2 、支架顶梁采用整体顶梁带内伸缩式伸缩梁结构。 3 、前部行人通道最小宽度空间不小于5 5 0 m m 。、 。 4 、支架采用单侧活动侧护板，活动侧护板布置在左侧。 5 、对底板平均比压1 1 。 。6 、侧推装置采用千斤顶与弹簧一起的形式。 设计完成的液压支架除满足m t 31 2 2 0 0 0 液压支架通用技术条件、m t t 5 5 6 液压支架设计规范的要求之外，还需满足矿方提出的上述各项具体要求。 2 3z y 3 0 0 0 1o 2 0 支架总体设计 2 3 1 液压支架设计基本要求 液压支架的设计除需符合m t t 5 5 6 液压支架设计规范、m t 3 1 2 液压支架 通用技术条件的要求外，不同类型的液压支架还需符合相关类型支架技术条件的 要求。如大采高支架需符合m t 5 5 0 大采高液压支架技术条件、大倾角液压支架 需符合m t 5 5 5 大倾角液压支架技术条件、放顶煤支架需符合m t t 8 1 5 放顶煤 液压支架技术条件的要求。总体来说，各种类型的液压支架的设计都要满足主要 参数、安全性和适应性的要求，基本要求如下： 1 、高度： 支架最大结构高度h m 戕= m m a x + s 1 ， 支架最小结构高度h m i 。= m m i n - s 2 m m 双、m m i 。分别为煤层最大、最小截高，单位为m n l 。 s l 为考虑伪顶冒落的最大厚度，s 2 为考虑周期来压时顶板的下沉量、移架时支 架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和。最大高度与最小高度的取值应符合 m t t 1 6 9 的规定。对大采高支架：最大高度应等于支架的最大使用高度加 2 0 0 - - , 4 0 0 m m ，最小高度应等于或小于最小使用高度减5 0 0 9 0 0 m m 。对中厚煤层支 1 2 第2 章液压支架设计要求及z y 3 0 0 0 10 2 0 支架设计 架：最大高度应等于支架的最大使用高度加2 0 0 3 0 0 m m ，最小高度应等于或小于最 小使用高度减3 0 0 4 0 0 m m 。对薄煤层支架：最大高度应等于支架的最大使用高度加 1 0 0 2 0 0 m m ，最小高度应等于或小于最小使用高度减1 5 0 2 5 0 m m 2 9 1 。 2 、支架中心距： 支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。目前国内外液压支架中心距大部分 采用1 5 m ，大采高支架为提高稳定性中心距可采用1 7 5 m ，轻型支架为适应中小煤 矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用