机械毕业设计979经济型掩护式液压支架的设计
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机械毕业设计979经济型掩护式液压支架的设计,机械毕业设计论文
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第 1 页 共 83 页 1 前言 著名诗人陆游说过“ 纸上 得来终觉浅，绝知此事要躬行！”作为当代的大学生，特别是象我们这样实践性很强的工科专业 机械设计制造及其自动化的本科生，我想大家都深深理解这句话的含义。我们毕业设计的意义也在如此。 毕业设计是对我们大学四年所学知识的系统总结和综合运用，同时也是对我们分析问题和决绝问题的能力的检验。它是我们大学生活的最后一环，也是我们大学学习最为重要的一环。因此，认真的作好这次毕业设计，无论是对于我们步入社会，投身于生产一线；还是以后继续深造都有着非常重要的意义。 毕业设计，是我们大学本科生活的完 美结束，也是我们美好新生活的开始！ 毕业设计的目的： 通过本次毕业设计，我们能够达到以下目的： 1， 培养我们综合运用和巩固扩展所学知识，提高理论联系实际的能力； 2， 培养我们收集、阅读、分析和运用各种资料，手册等科技文献的能力； 3， 使我们更加熟练的运用 AUTOCAD、 Word 等计算机办公软件，提高计算机辅助设计的能力； 4， 训练和提高机械设计的基本理论和技能； 5， 培养独立思考，独立工作的能力； 6， 培养我们的团队合作意识。 我的毕业设计是关于 经济型 掩护式 液压支架 的 设计 。 液压支架是综合机械化采煤的关键设备，对于提高采煤效率，降 低成本，改善作业环境 ，减少笨重的体力劳动具有举足轻重的作用。 其中， 掩护式液压支架是日本在引进英国垛式支架和苏联掩护式支架的基础上，结合我国特点于 1968 年首先研制成功的。它 保留了垛式支架支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞的优点，采用单排 立柱支撑顶梁（或顶梁于掩护梁）的结构； 具有 防护性能好，结构稳定的长处，采用坚固的掩护梁以及侧护板将支架于老塘完全隔开，并用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座。 因此，加深掩护式液压支架的设计和研究具有深远的意义。 nts 第 2 页 共 83 页 2 整个毕业设计已接近尾声，我们所忙碌的成果即将接受检验。我相信， 有 耕耘，定有收获；有付出，定会有回报 。 最后，感谢各位评阅老师在百忙之中评阅本文。由于时间仓促，本人水平有限，难免有错误和不足之处，敬请各位老师指正与赐教。 nts 第 3 页 共 83 页 3 第一章 绪 论 液压支架作为煤矿长壁综采工作面的关键设备，近年来得了迅速 地 发展， 它与综采系统中的“三机”（ 刮板输送机、转载机、带式输送机）配合使用 ， 是煤矿开采技术现代化的重要标志。 液压支架是综采工作面主要设备之一，近 10 年来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作 阻力、大中心距 (1 75m、 2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠 性大大提高。 在综合机械化采煤过程中， 液压支架 担当着极其重要的角色，其 主要功能 不仅用于 支撑管理顶板，隔离采空区，维护采煤作业空间，并能自行前移，推进采煤工作面 输送机和采煤机 。 因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。另外， 合理的选用采煤设备并结合先进的采煤工艺，可解决采煤工作面的采煤支护运输等生产环节之间的矛盾，可有效地提高工效增加成本减少损耗保护生产人员和设备的安全，以及减轻笨重的体力劳动，可为煤矿 获得很高的经济效益。 1.1 液压支架的工作原理 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。 支架的承载原理是：液压支架支撑在综采工作面的顶底板之间支撑顶板。 顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立 柱将 压力传递底板。为保证支架结构件的强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板压力超过立柱安全阀限定压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板压力下降到立柱工作阻力时，安全阀关闭进行保压承载。 1.2 液压支架的工作过程 液压支架对顶的作用过程主要取决于流体静力学原理工作的立柱工作过程。现以图 1-1所示的典型立柱控制系统来说明支架的工作过程。 支架操作的 基本功作过程 为： 急增阻阶段 ， 缓增阻阶段 ， 恒阻阶段 ， 无作用阶段 四 个 阶段 。 nts 第 4 页 共 83 页 4 图 立柱控制系统 立柱；安全阀；液控单向阀；操纵阀； P高压管路； O回液管 （ 1） 泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段 操纵阀手把 置于 A 位，从泵站来的压力液经高压管路 P，打开液控单向阀 3 进入立柱下腔，立柱上腔与回液管 O 连通，因而活柱伸出使支架升起接顶，对顶板 产生支撑力。支架接顶后，泵压使下腔内的液体压强迅速上升，支架对 顶板支撑力急剧增加。这就是支架对顶板的急增阻阶段。 （ 2） 闭锁承载，支架 对顶板缓增阻阶段 操纵阀手把放回零位后，立柱下腔内的压力液被液控单向阀 闭锁，不能流出，从而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板逐渐下沉，立柱下腔内的液体受到进一步压缩，压强逐渐增高，使直接对顶板产生更大的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉，一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架对顶板的支撑力增长也就相应缓慢，所以这个阶段被称为 支架对顶板缓增阻阶段。 （ 3） 溢流承载，支架对顶恒阻阶段 顶板继续下沉，立柱下腔内的压强继续升高，当达到立柱安全阀的调定值时，安全阀便开启溢流， 使立柱下腔内的压强保持定植，从而支架对顶板的支撑力不变，即支架处于对顶板恒阻阶段。 （ 4） 解锁降柱，支架与顶板无作用阶 段 采煤机截煤后，欲将支架移到新的位置，首先把操纵阀手把置于 B 让从泵站来的压力液进入立柱上腔，同时作用于液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解除对立柱下腔液体的闭锁，允许其回到回液管 。这时，活柱缩回，支架降落离开顶板，支架对顶板无压力。 在这一阶段如要保证顶梁平行下降需协调操纵平衡千斤nts 第 5 页 共 83 页 5 顶操纵阀。 需要说明，目前为了防止破碎顶板漏顶 ，掩护式和支撑掩护式支架可以采用擦顶带移架方式，即支架顶梁实际并不脱离顶板，在移架过程中仍保持约每柱五吨左右的支撑力。因而，对于擦顶带压移架方式，此阶段应是解锁卸载，支架对顶板 仍有轻微作用力。 1.3 支架组成 液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。 （ 1） 金属结构件主要有顶梁、掩护梁、 前梁、 前连杆、后连杆、底座、侧护板 、护帮板 等。 （ 2） 油缸主要有 立柱、推移千斤顶、平衡千斤顶、侧护千斤顶 、前梁千斤顶 等。 （ 3） 液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀等及液压辅助元件等。 1.4 液压支架主要结构件及其作用 1.4.1 顶梁 顶梁采用整体顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部件之一， 由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度 要求。 结构如图 1-2 所示： 图 1 2 顶梁 其主要作用是： （ l） 承接顶板岩石及煤的载荷； （ 2） 反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用； （ 3） 隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。 本支架采用 分段组合式 顶梁结构 （刚性顶梁铰接式前梁） ，强度高，对顶板维护较好；另外，在顶梁前部还布置有起吊耳，可方便吊挂较小的机件。 nts 第 6 页 共 83 页 6 1.4.2 掩护梁 1 32451 煤尘控制装置 ； 2 侧护板； 3前连杆耳座； 4后连杆耳座； 5侧推 千斤顶； 图 1 3 掩护梁 掩护梁分别与顶梁和前、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。 1.4.3 底座 底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。该支架设计为整体刚性底座，底座接底面积大，有利于减小对底板的比压。该型底座的缺点是在推移机构外易积存浮煤碎矸，要求及时清理。 底座结构如图 1-3 所示 nts 第 7 页 共 83 页 7 1推移千斤顶耳座； 2立柱销孔； 3 前连杆销孔； 4后连杆销孔； 5侧板； 图 1 4 底座 其主要作用是： (1) 将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提供安装空间； (2) 给工作人员创造良好的工作环境； (3) 保证支架的稳定性。 1.4.4 前后连杆 前、后连杆分别与掩护梁和底座铰接，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，嫌少使用寿命 。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，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的 强度，这里采用整体式。前后连杆的结构如图 1 5，图 1 6。 nts 第 8 页 共 83 页 8 图 1 5 前连杆 8 、 9AA108 、 96 、 7534211连杆 2侧护板 3弹簧导向装置 4千斤顶螺钉 5压缩弹簧 6、 8 销 7、 9弹簧销 10千斤顶 图 1 6 后连杆 nts 第 9 页 共 83 页 9 其主要作用是： （ l） 使支架在调高范围内，顶板 平稳地升降，并使顶梁前端与煤壁的距离 (梁端距 )变化尽可能小，更好地支护顶板。 （ 2） 承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。 本支架采用正四连杆机构， 为使冒落矸石不从连杆处涌入支架内，后连杆为整体式 ， 前连杆为分体式。 均为钢板焊接的箱形结构，这种结构有较强的抗拉、抗压和抗扭性能。 1.4.5 推移机构 图 1 7 推移框架 支架的推移机构包括推杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送机和拉移支架。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的下滑 1.5 液压系统及其控制元件 支架液压系统由乳化液泵站、主进、主回液胶管、各种液压元件、立柱及各种千斤顶等组成。支架操纵方式采用邻架操作控制，使用快速接头拆装方便，性能可靠。 nts 第 10 页 共 83 页 10 由乳化液泵站输出的高压乳化液经主进液管 支架进液截止阀 过滤器 操纵阀 立柱或各千斤顶 架液截止阀 主回液胶管 乳化液泵站。 1.6 支架的设计特点 结合首采工作面及矿区此类地质构造条件下，使用 ZY2400/17/30 二柱掩护式支架的成功经验，本架型应有如下特点： （ 1）支架型式为：带机械加长的 两 柱掩护式 薄 煤层液压支架； （ 2）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、刚度应充分保证； （ 3）支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其它构件形成刚性好、强度高、稳定性好的整体结构； （ 4）整体顶梁和掩护梁带单侧活动长侧护板，能实现对护顶的严密调整； （ 5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度； （ 7） 采 用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座 ，以增加支撑力，增强支架的稳定性。 nts 第 11 页 共 83 页 11 第 二 章 液压支架的结构设计 2.1 主要 原始 设计参数 架型 ： ZY2000/14/26 经济型 液压支架 顶板条件：老顶级，直接顶 I 类 工作阻力： 2000kN 支架高度： 1.4 2.6m 推溜力： 100kN 拉架力： 150kN 泵站压力： 32Mpa 适应煤层倾角： 18 时， 应选用同时带防滑防倒装置的支架。 nts 第 14 页 共 83 页 14 （ 3） 底板强度 验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许比压。 为使 移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。 (4) 瓦斯含量 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风端面较大的支承式或支承掩护式支架。 (5) 煤层硬度 当煤层为软煤层时，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 1.6,故应选双伸缩立柱或带机械加长杆的单伸缩立柱。考虑到 伸缩比不太大，以及设备成本拟选择机械加长杆的单伸缩立柱。 2.3.2 支架间距 支架间距 B 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 的一节溜槽相连，因此主要根据输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接块的位置 来 确定，我国刮板输送机溜 槽每节长度为 1 5m，千斤顶 连接块的位置 在溜槽中长的中间，所 以除节式相迈步式支架外，支架 架间距一般为 1 5m。 2.3.3 底座长度 底座是将顶板压力传递 到底板和稳固支架的 部 件。在设计支架的底座长度时，应考虑如下 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；使于人员操作相行走，保 证支架的稳定性等。通 常，掩护式支架的底座长度是 3 5 倍的移架步 距 (一个移架步距为 o 6m)，即 2 1m 左右。故初选底座长度为 2.1m。 2.4 四连杆机构的作用和四连杆机构 设计 2.4.1 四连杆 机构的作用 具有四连杆机构的液压支架从问世以来，经过长期的实践考验，显示出巨大优越性，并从根本上克服了 支 撑式支架稳定性和力学持性的缺陷，成为液压支架技术发展史上的一个重要里程碑。 四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性；承受和传递外载；保持支架的整体刚度。因此，对液压支架 的研究常常离不开对四连杆机构的研究和认识。下面通过对液压支架的运动过程进一步分析四连杆机构的特性和作用。支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁交点 E 的轨迹所决定。根据机构运动学分析， E 点的运动轨迹一般为一条双纽线，如图 2 1 所示。合理设计四连杆参数，即可控制 E 点的运动轨迹，改善支架支 护性能，减少连杆受力。 nts 第 16 页 共 83 页 16 图 2 1 支架四连杆机构的运动轨迹 支架在最大高度和最小高度范围内运动时， E 点的运动轨迹呈 3 种形式：双向摆动 (ABCD 段 )、单向向后摆动 (BC 段 )和单向向前摆动 (AB 段和 CD 段 )。选择不同的四连杆参数可以使 E 点轨迹处于上述 3 种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当 E 点轨迹处于 AB 段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的 摩擦 力指向采空区侧。当 E 点轨迹处于 BC 段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的 摩擦 力 指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的 摩擦 力 方向将取决于顶板的运动趋势。 从顶板管理方面分析，顶梁 向 煤壁方向移动比顶梁向采 空区方向移动有利。前者对于保 持粱端顶板处于挤压状态有利，而后者容易导致顶板产生离层或断裂，造成顶板断裂线前移或梁端冒顶。因此，合理设计四连杆参数使支架工作段内， E点轨迹处于 AB 段比较理想，但对于调高范围大的支架，要达到要求是困难的。然而，由于四连杆销孔间隙的作用，使 E 点实际运动轨迹与上述理论轨迹不完全相同。为了保持支架梁端距的稳定，一般应控制梁端摆动幅度 xE 3070mm。液压支架的纵向稳定性完全是由四连杆机构决定的，而不取决于立柱的多少。 液压支架实际受力状态十分复杂，经常受到 非对称载荷和横向载荷的作用，保持支架横向稳 定性 和 整体 刚性十分重要 。如图示 支架立柱为二力构件，不具有承受较大横向载荷的能力。支架的横向载荷只能靠四 连杆机构 承受。 2.4.2 四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定 在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特性来确定。其四连杆机构的几何特性如下： (1) 支架从最高高度降到最低高度时，如下图所示顶梁端点运动轨迹的最大宽nts 第 17 页 共 83 页 17 度 e 应小于或等于 70mm,最好为 30mm以下。 图 2 2 四连杆机构几何特征图 (2) 掩护梁上铰点到顶梁顶面之距 离 H 和后连杆下铰点至底座底面之距 Y0如图 2 2 所示，当支架高度确定后，要用作图法确定四连杆机构，首先要根据配套尺寸 La(此处 La 3130mm)。 初步确定顶梁长度 Lf和底座长 Le然后确定顶梁与掩护梁铰点相对于后连杆下铰点的水平距离，该铰点至顶梁顶面距 H 和后连杆下铰点的高度 Y0。 H2一般根据支架工作阻力初步确定顶梁梁体的高度后，在根据结构的合理性确定，一般支架距 H2 150 200mm，重型支架可取 H2 210260mm。 对于经济型液压支架此处取 H 2 =100mm. Y0一 般根据支架最小高度确定 ， 薄煤层支架取 Y0 150 250mm ， 对中厚煤层支架取 Y0 250 450mm； 对大采高支架取 Y0 450 600mm。 对于经济型液压nts 第 18 页 共 83 页 18 支架此处取 Y0 =100mm. (3) 支架最大和最小高度时掩护梁与水平夹角 Amax和 Amin掩护梁是掩护采面 工 作空间密 封隔离采空区的重要梁体，它不直接支撑顶板，而是作为重要的传力构件，把顶梁载荷传递到 四 连杆机构，这对保持支架 围岩力学状态的稳定有着显著的作用。其主要表现是： 掩护梁载荷参与顶梁的力矩平衡，提高了梁端承载能力； 支架受到一个指向煤壁的水平推 力， 当支架处于支护工况时，有阻止顶板岩体向采 空区移动的作用，而当处于移架工况时，有利于克服架体各方面的摩擦力，增强架体运动的稳定性。掩护梁水平投影过大，将增大掩护梁载荷，并承受顶板岩块的冲击载荷，而掩护梁载荷过大将减小顶板支护强度，造成移架困难。一般掩护式支架取 Amax 52 62 ； 支撑掩护式支架取 Amax 60 70 。 在支架最小支护高度时， 为有利于 矸 石能沿梁体 下滑， 防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知， 即满足 tan Amin W，其中 W为岩石与钢的静摩擦因数，一般为 0.15 0.3。 一般为偏于安全取 w=0.3。 (4) 掩护梁与后连杆长度比的确定 在用作图法确定四连杆机构时，杆长比主要根据设计经验确定，一般应保证 A0 5 ， 使后连杆在 第一象限内摆动。根据近百种支架的统计，掩护梁与后连杆 的长度比 （ Lb Lc） /Ld， 对两柱掩护式 支架一般为 0.9 1.2，对四柱支撑掩护式支架一般为 1.2 1.8。 掩护梁与前后连杆铰点间的距离可根据支架高度及连杆销子直径确定 ，一般取300 500mm，前后连杆间夹角越大，连杆力越小。 5 支架工作 段 要取曲线向前突的一端，如上图所示的 H1段。其原因是当顶板来压时， 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，同时底板阻止底座向后移动。使整个支架产生顺时针方向转动的趋势，从而增加了前梁断部的支护力，防止顶梁前断顶部冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，水平力的合力也相应的减小，由于nts 第 19 页 共 83 页 19 支架所承受的水平力由掩护梁来克服，所以减轻了掩护梁受力。 从以上的分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连机构时曲线运动轨迹应尽量使支架的工作段要取曲线向前突的一段，所以当掩护梁和后连杆长度已知后，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，进行作图就可以了。 2.4.3 四杆机构优选设计法 目标函数的确定 根据附加力对液压支架受力影响的分析，为减少附加力，必须使 tg 有较小值。同时，为有效支控顶板，要求支架由高到低变化时，顶梁前端点与煤壁距离的变化要小。而支架在某一同高度时的 角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要令支架由高到低变化时，顶 梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求 都能满足。 2 四杆机构的几何特征 如下图 2-3所示 图 2-3 四杆机构的几何特征 图 （ 1）支架在最高位置时： p1=52 -62 ,即 0.91-1.08弧度 ;Q1=75 -85 , 即：1.31-1.48弧度 。 (2) 后连杆与掩护梁的比值 ,掩护式支架为 I=0.45-0.61;支撑掩护式支架 为nts 第 20 页 共 83 页 20 I=0.61-0.82。 (3)前 ,后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为 I1=0.22-0.3。 （ 4） e 点的运动轨迹呈近似双曲线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度e #include main() float h1,p1,q1,i1,i,q2,s1; float g,a,b,f,e1,x1,y1,p2; float x2,y2,p3,q3,x3,y3,m,n,t,xc,yc,c,o; float w,w1,w2,w3,w4,w5; float d,e,x4,y4,x5,y5,c1,k1,k2,x6,y6,l,s,u; FILE *fp; fp=fopen(list.h,w+); h1=2.4; q2=0.436; for(p1=0.85;p10.9)&(o0)&(d nts 第 30 页 共 83 页 30 #include main() float h1,h2,q4,x,y,p4,k,j,r; float a,b,c,d,e,g,ex,z,cx,cy; FILE *fp; fp=fopen(newlist.h,w+); h1=2.4; h2=0.9; a=1.034782; b=0.393862; c=0.991655; d=0.452725; e=0.531994; g=1.790280; for(q4=0.436;q4=0) cx=k*k*r*r-(k*k+j*j)*(r*r-j*j); z=(k*r+sqrt(cx)/(k*k+j*j); cy=sqrt(1-z*z); p4=atan(cy/z); x=g*cos(p4)-a*cos(q4); y=a*sin(q4)+g*sin(p4); nts 第 31 页 共 83 页 31 if(yh2) printf(nx=%f,y=%fn,x,y); fprintf(fp,x=%f , y=%fn,x,y); 运行结果如下： x=0.950737 , y=0.833340 x=0.946599 , y=1.021055 x=0.941912 , y=1.161735 x=0.937991 , y=1.278957 x=0.935097 , y=1.381429 x=0.933236 , y=1.473501 x=0.932334 , y=1.557710 x=0.932287 , y=1.635684 x=0.932972 , y=1.708537 x=0.934260 , y=1.777071 x=0.936014 , y=1.841887 x=0.938094 , y=1.903446 x=0.940349 , y=1.962116 x=0.942621 , y=2.018194 x=0.944741 , y=2.071928 x=0.946527 , y=2.123526 x=0.947781 , y=2.173170 x=0.948281 , y=2.221019 x=0.947785 , y=2.267216 x=0.946014 , y=2.311891 x=0.942652 , y=2.355165 x=0.937331 , y=2.397150 x=0.929620 , y=2.437950 x=0.918999 , y=2.477664 nts 第 32 页 共 83 页 32 Ex=0.032 运行结果使顶梁端点运动轨迹最大宽度为 emax=xmax-xmin 0.032m 32mm，这说明四杆机构优化设计结果是可用的。 根据以上 两个优化设计程序运算结果，对其中个别 参数修正列出 指 主要结构参数如下表 2 3 所示： 表 2 3 输入 输出 标识 符 号 说明 结果 输入 H1 支架最高位置的计算高度 2400mm H2 支架最低位置的计算高度 1200mm 输出 U tg值（掩护梁与顶梁铰点至瞬心和底座平面夹角为） 9.1 度 Q1 支架最高位置 时，后连杆与底座平面夹角 79 度 A 后连杆长度 1035mm B 前 ， 后连杆 上 铰点 之距 394mm C 前连杆长度 1082mm D 前连杆下铰点高度 453mm E 前 ， 后连杆下铰点在底座上的投影之距 540mm F 前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距 1396mm G 掩护梁长度 1790mm P1 支架最高位置时，顶梁与掩护梁夹角 51 度 C1 支架最高位置时，前 连杆与底座平面夹角 64 度 EX 顶梁端点 运动轨迹最大宽度 32mm 画出结构尺寸简图如下页图 2 10： nts 第 33 页 共 83 页 33 图 2 10 支架主要尺寸 2.5 液压支架的总体布置 2.5.1 设计要求 满足采煤工艺及地质条件的要求 ,要有足够的初承力和工作阻力 ,以便有效的控制顶板 ,保证其合理的下沉量。 推 溜力一般为 10 吨左右 ,移架力按煤层厚度而定 ,薄煤层一般为 10 15 吨 ,中厚煤层一般为 15 25吨 ,厚煤层一般为 30 40吨 。 防煤性能要好。 排煤性能要好。 要求有足够的通风端面。 从安全性考虑 ,要有足够宽的人行道。 调节范围要大 ,照明 ,通讯方便。 支架要求有足够的刚度 ,能够承受一定的不均衡载荷和冲击载荷。 支架稳定性好 ,底座最大比压小于规定值， 要易于拆卸 ,结构简单。 在满足强度条件下 ,尽可能减轻支架重量， 液压元件要可靠。 2.5.2 支架整体机构尺寸的确定 按照以前的支架设计经验 ,确定支架底座长度 l=2100mm。 按确定四连杆机构尺寸的方法 ,确定四连杆及掩护梁 长度，设计结果已列于nts 第 34 页 共 83 页 34 表 2 3中 。 根据工作方式及设备配套尺寸计算 顶梁长度 掩护式与支撑掩护式支架顶梁长度的计算 顶梁长度 配套尺寸十底座长度 十 A COS(Q1)一 G COS(P1)十 300 十e十掩护梁与顶梁铰点至顶粱后端点之距 (mm) 式中： 配套尺寸 参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定； 底座长度一底座前端至后连杆下铰点之距； 取 2100mm e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离； 32mm P1-支架最高位置时，顶梁与掩护梁夹角 ,51 度 Q1-支架最高位置 时，后连杆与底座平面夹角 ,79 度 根据前面计算结果工作面配套机器为 MG170H 采煤机（鸡西厂）和 SGD630/180刮板输送机（西北厂），配套尺寸 =249+630 176 600 1655mm。 故顶梁长度 L为： L= ( 1 6 5 5 2 1 0 0 1 0 3 5 7 9 ) ( 1 7 9 0 5 1 3 0 0 3 1 0 ) 1 5 0 2 3 7 0C O S C O S oomm 确定立柱布置 （ a） 立柱数 掩护式支架立柱数为两根。 （ b） 支撑方式 掩护式文架为倾斜布置 ，这样可克服一部分水平力，并 增加调高范围。一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于 30 度（支架在最低工作位置时），立柱倾角加大可以可以使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增大。 确定立柱布置可以用类比法 ,其确定原则考虑支架的稳定性及支架的合力作用位置综合进行考虑 ,我们知道 ,作用位 置超前易产生啃底现象 ,所以一般尽量使合力位置向后移 。 支架顶梁只支承两柱时 ,上柱窝位置在顶梁后部 ,一般顶梁前端与后端之 2.2 2.4:1此处取 2.3:1,而下柱窝的位置根据立柱的角度来定 。 （ c） 立柱柱窝位置的确定 nts 第 35 页 共 83 页 35 液压支架立柱上柱窝位置的确定原则，从理 论上分析，要使顶梁支撑力分布与顶板载荷分布一致。但顶板载荷复杂，分布规律因 支架顶梁与顶板的接触情况而异。为简化计 算，假 定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁良 度方向按线性规 变化，沿支架宽度方向均 布。把支架的空间杆系结构，简化成平面杆 系 结构。同时为偏于安全，可以认为 顶梁前端载荷为零，载荷沿 长度方向向后越来越大呈 三角形分布 ，并按集中载荷计算。所以，支架 支 撑力分析也为三角形，以此计算立往上住窝 位置。此时认为支 架顶梁承受集中载荷 F1 在顶梁 1 3处，取顶梁 为分离体，受力情况如图 2 11 示 图 2 11 对 A 点取矩： nts 第 36 页 共 83 页 36 根据 以计算结果和已知参数为： F1=2100kN,Pt=2400 kN,W=0.3,Fc=4.2 2m ,h1=0.1m,h2=0.15m,Lg=2.37m, =22o 代入以上公式计算得 x 0.676m，取 0.67m。 用同样的方法计算立柱下柱窝的位置，立柱下柱窝位置计算图如下图 2 12所示 计算得 x1=0.698m,取 0.7m。 （ 3）平衡千斤顶位置的确定 1. 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 取顶梁和掩护梁为分离体如图 2-12 所示 nts 第 37 页 共 83 页 37 L 1 +L 2h 2X L 3h 1a 1F 1 W0h 6F 5F 62-12 顶梁和掩护梁分离体 取 0 0M 1 1 6 t 1 2 3 1 6 2 1 3h h p c o s ( ) s i n ( h h ) ( ) 0tF W L L L p h F x L （ ） 取顶梁为分离体 0aM 1 2 2 2 2 7 1 1 1 2 1 2 1 1 1s i n c o s ( ) s i n ( ) s i n ( ) 0s t tF x p L P h h p L L p h h F W h 式中 sp-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 平衡千斤顶在拉力时 ,取 X=0.27gL,平衡千斤顶在推力时，取 X=0.35gL,式中gL为顶梁的长度。 nts 第 38 页 共 83 页 38 通过以上计算可以求出2L，计算所得2L=300mm 2平衡千斤顶的行程计算 为了防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身被拉坏，对平衡千斤顶的行程又如下要求，当支架仔最高位置时，顶梁能下摆 15 ；当支架在最低位置时顶梁能上摆 10 ，或顶梁和掩护梁近似成 180 。为简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞杆全部伸出时顶梁和掩护梁成 180 ；平衡千斤顶的活塞杆全 部缩回时，支架恰好在最高位置。 当支架在最高位置时，平衡千斤顶达到最小长度为4L，如下图所示 支架在最高位置是的4L5L计算图 nts 第 39 页 共 83 页 39 4L=7 Lx上式中 x 由下式进行计算 2 2 2 2 712 7 1 4 2 7 12 ( ) s i n ( ) s i n ( 9 0 )hhx L h h a L h h a r c t g L =151.5mm 当顶梁和掩护梁成 180 时，平衡千斤顶达到最大长度为5L，如上图所示 5L=72LL=347+300=647mm 行程 54s L L 2 Lx300-151.5=148.5mm 3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，即可以确定它在掩护梁上的位置，如上图所示 7 5 2 1 1 22L L L a b s L = 2 1 0 + 1 4 0 + 2 1 4 8 . 5 3 0 0 3 4 7 mm 式中 1a- 当活塞全部缩回后，缸体上铰点至活塞上部之距，对于 QY2000 型支架1a取 210mm 1b-当活塞杆全部缩回后，活塞杆铰点至活塞杆腔出油孔中心线之距于ZY2000 型支架1b取 140mm 6 1 0 0 1 6 0 3 0 1 6 02 2 2 2eb bBDL mm 通过计算6L和7L的计算，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。 (5) 侧护板尺寸的确定 顶梁侧护板侧向宽度 ,按支 架 升降高度和移架步距来定 。 即考虑到一架升起 ,另一架降柱时 ,要保证两侧护板不离开 ,同时考虑到支架降柱后要前移 ,为防止顶梁后部侧护板离开 ,所以顶梁侧护板要加宽 ,加宽的宽度为顶梁后部起大于一个步距 ,nts 第 40 页 共 83 页 40 即大于 600。 掩护梁侧护板的侧向宽度 ,主要考虑 移架步距 ,一般比一个步距大 100mm,即侧护板宽度大于 700mm,当一架固定另一架前移时 ,两架支架之间能封闭 .同时又考虑到降架前移时 ,原不动支架的掩护梁的侧护板不至于离开 ,所以掩护梁侧护板下部要加宽。 顶梁与掩护梁侧护板的上部宽度 ,与活动侧护板行程有关 . 顶梁和掩护梁的连接部位及侧护板在次的连接部位 ,在考虑动作可靠的情况下 ,尽量减小间隙 ,加强密封性。 nts 第 41 页 共 83 页 41 第三章 液压支架主要零部件的设计 3 1 顶梁 3 1 1 掩护式支架顶梁结构形式 参照设计资料选 ZY2000/14/26 液压支架顶梁为 铰接 式顶梁，结构如下图 3 1所示 图 3 1 顶梁结构形式 1顶梁 ， 4掩护梁， 5立柱， 8平衡千斤顶 3 1 2 顶梁结构和断面形状 (1) 前梁 前梁为一钢板焊接件，它可以向上摆动 10，向下摆动 15，从而改善了前梁与顶板的接触状况。 采高大于 2.5m 的支架，为了防止煤壁片帮和房子煤壁向人行道一侧片落，保护人的安全，一般要采用护帮装置。本支架采用四连杆回转式护帮装置，该装置由长杆、短杆、护帮板和前梁组成四连杆 机构，能使护帮板回转 180，支护顶板时的支撑力能达到 10 20kN。其缺点是结构比较复杂。 考虑到 所设计的为经济型液压支架为减轻结构重量决定不采用护帮装置。 (2) 主顶梁 顶梁用于支撑维护控顶区的顶板，承受顶板压力，将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。 各 类顶梁都为箱式结构，一般 由 钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间 还焊有加强筋板，构成封闭式棋盘形。顶梁前端早滑撬式或圆弧形，以减少移架阻力。 式支架庸端焊有拧帘权，顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立立和顶 梁接起来，掩护式支架和支撑掩护式支架顶梁后端有销孔，通过销轴与掩护梁上的销孔 相连。 顶梁的断面形状如下图 3 2 所示 nts 第 42 页 共 83 页 42 图 3 2 顶梁筋板焊接方式 具体设计尺寸见下图 3 3 图 3 3 强度校核见下章。 3 2 立柱 该立柱为一 单伸缩 双作用油缸，为了适应顶底板的变化和改善其受力状况，立柱两端均采用球面结构，以便更好地承受顶板压力。 为了补充立柱液压行程的不足，加设有机械加长段。在煤层厚度变化不大的工作面，可在安装时一次将加长杆调节到所需要的高度，在回采工作中可不再调 节加长杆的长度。加长杆的调节长度为 750mm，分 6 挡，每挡 125mm。 加长杆的拉出办法： 根据采高的要求首先确定加长杆所需伸出的长度，然后把操纵阀打到升柱位置，伸出长度稍大于所需长度； 用单体支柱或圆木撑住顶梁； 拆卸开口销、销轴、挡套和卡环； nts 第 43 页 共 83 页 43 把操纵阀打到降柱的位置，使立柱下降，加长杆即可伸出，直到所需要的高度； 装上卡环、挡套和销轴及 开口销。 缩短加长杆的方法： 决定了缩短加长杆的数值以后，调节活柱高度，使加长杆的销轴中心高于导向套顶端的距离； 用单体支柱或圆木撑住梁顶； 拆除开口销、销轴、挡套和卡环、 伸出活柱，使加长杆缩进活柱套管，直到所需的高度； 装上卡环、挡套、销轴和开口销。 图 3-4 带机械加长的双作用单伸缩立柱 1 机械加长段； 2 卡环； 3 挡套； 4 开口销； 5 活柱； 6 缸体； 7 活塞； 3.2.1 立柱参数的确定 立柱缸体 内径按下式进行计算： 式中 Da 立柱缸 体内径 (cm)， Fl 支架承受的理论工作阻力 (kN)； 1CxF F q kN Fc-支护面积（） 支架得支护面积按如下进行计算 Fc =B(L + m) B顶梁宽度，为 1.4m。 nts 第 44 页 共 83 页 44 L 顶梁长度，为 2.37m m 移架后顶梁前端至煤壁的距离，一般 m=640mm 算得 Fc =4.2 2m 。 xq支护强度，查表选取后加以修正，为 284 Mp。 dn立柱数，为 2根。 ap安全阀调正压力 ,参考其他同类支架选取为 40Mp. ma立柱最 大倾角，前面计算为 31 度。 把以上数据代入公式求出立柱缸体 内径 Da 149.7mm。参照国标 (GB2348-80)选取标准指为 160mm，同时活柱直径选取为 150mm. 3.2.2 立柱的初撑力与泵站额定工作压力 立柱初撑力按下式 进行计算： Pb 一泵站额定工作压力 ,按国内生产的乳化液泵站选取 35Mp. 代入上式计算得 P1=643kN. 安全阀压力与立核工作阻力的确定 安全阀压力 参考其他同类支架选取为 48Mp. 立柱 工作阻力 P2按 下 式进 行 计算 计算得 P2=980 kN. 千斤顶 在 ZY2000/14/26 经济 型液压支架上有推移千斤顶、护帮千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶 、平衡千斤顶 等。都是采用外供液固定活塞式千斤顶。 nts 第 45 页 共 83 页 45 4.44.14.134.2134.174.94.84.154.164.144.74.1024.11 4.124.54.34.65图 3-5 平衡 千斤顶结构图 1 缸体 ； 2 活塞杆 ； 3、 5 距离套 ； 4.1、 4.7 导向环 ； 4.2 活塞 ； 4.3 保护套 ； 4.4 半圆环 ； 4.5、 4.6 卡环 ； 4.8 钢丝卡环 ； 4.9、 4.11、 4.13、 4.14、 4.16 密封 圈； 4.10、 4.12 挡圈 ； 4.15 防尘圈 4.17接头 3.2.3 主要参数的确定 1支护面积： 支架得支护面积按如下进行计算 Fc = B(L + m) Fc： 支护面积（） L： 顶梁长度（ m） m: 移架后顶梁前端至煤壁的距离，一般 m=640mm 则 Fc 1.4（ 2.37 640） 4200000mm2 4.2 2支护强度 支护强度是指支架对单位面积顶板提供的工作阻力，按下式Fc 4.2 1q=245 2q=343 mH=2.4 1qh=2 nts 第 46 页 共 83 页 46 计算 ： 211 2 112 . 4 2( ) 2 4 5 ( 3 4 3 2 4 5 ) 2 8 4 . 232qmqxqHhq q q qhh 式中xq m当 支
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