基于Proe的放顶煤液压支架设计及运动仿真

大学学士学位论文I摘要当前，我国制造业已全面完成甩图板工程，二维 CAD 技术的普及结束了手工绘图的历史，对减轻工程人员的劳动强度，提高经济效益起到了很明显的作用。随着技术的发展，CAD 技术正从二维 CAD 向三维 CAD过渡，三维建模技术是 CAD 技术的核心，建模技术的研究、发展和应用，代表了 CAD 技术的发展水平。三维 CAD/CAE 技术在产品的三维造型、虚拟装配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真、有限元分析等方面带来了革命性的突破，极大地提高了设计效率和设计质量。Pro/E 软件是目前国内外最为先进的基于特征的三维参数化设计系统之一。本论文较系统地阐述了利用 Pro/E 软件实现 ZF3700/16/26 型放顶煤液压支架三维实体建模与运动仿真分析的基本方法和技巧。并大体介绍了液压支架的选型原则、各部件的尺寸设计以及结构设计等内容。通过对液压支架进行运动仿真分析后证明，本设计支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域，顶梁前端一点的运动轨迹符合近似双扭线的要求。关键词: Pro/E; 液压支架; 三维建模; 仿真大学学士学位论文IIAbstractAt present, Our country manufacturing industry has completed the project comprehensively of fling the chart board, and the popularization of two-dimensional CAD technology has finished the manual cartography history, which plays a very obvious role in reducing the project personnels work and enhancing the economic benefit. With the development of technology, the CAD is transiting from two-dimensional to three-dimensional. Three-dimensional modeling technology is the CADs core, and its research, development, application on behalf of the CADs development. Three-dimensional CAD/CAE technology takes a revolutionary breakthrough at products three dimensional modeling, hypothesized assembly, creating the engineering plat, dynamic interference examination, organization movement analysis, dynamic simulation, finite element analysis etc, which enormously enhances the efficiency and the quality of design.Pro/E is at present one of the most advanced 3D parameter CAD soft wares that based on the features. It is introduced in a systematic way the method and technique for the 3D parameter solid model and simulation of the ZF3700/16/26 hydraulic support with Pro/E.After the movement simulation analysis of hydraulic support, it is proved that this hydraulic support have a reasonable size, flexible movement and no movement interferes region, the movement path of one point at the front of top-beam reaches request of similarly double turns the line.Key words: Pro/E; hydraulic support; modeling; simulation大学学士学位论文III目 录摘要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪论 .11.1 本课题的研究目的和意义 .11.2 相关技术研究现状 .21.2.1 放顶煤液压支架的技术现状 .21.2.2 液压支架研究发展趋势 .31.2.3 建模与仿真技术发展现状 .41.3 本论文主要研究内容 .6第 2 章 液压支架整体结构设计 .72.1 选型 .72.1.2 支架选型要素及简要评价 .82.1.3 液压支架选型建议 .92.2 支架高度、支架间距、底座长度的确定 .102.2.1 支架高度和支架的伸缩比 .112.2.2 支架间距 .122.2.3 底座长度 .132.3 四连杆机构长度尺寸的确定 .132.3.1 四连杆机构的作用 .132.3.2 运用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸 .152.4 顶梁长度的确定 .212.4.1 支架工作方式对支架顶梁长度的影响 .212.4.2 配套尺寸对顶梁长度的影响 .222.4.3 顶梁长度计算 .222.5 立柱和千斤顶位置的确定 .232.5.1 立柱布置 .232.5.2 立柱柱窝位置的确定 .232.5.3 侧推千斤顶位置的确定 .26第 3 章 液压支架部件设计 .283.1 顶梁 .283.2 掩护梁和四连杆机构 .283.2.1 掩护梁 .283.2.2 四连杆机构 .293.3 侧护板 .313.3.1 侧护板的种类 .31大学学士学位论文IV3.3.2 侧护板的结构型式 .323.3.3 侧护板尺寸确定 .333.4 底座 .33第 4 章 液压支架三维建模及装配 .354.1 液压支架三维实体建模 .354.1.1 底座 .364.1.2 顶梁 .474.1.3 护帮板 .524.1.4 掩护梁 .534.1.5 尾梁 .544.1.6 插板 .554.2 液压支架整机装配 .564.2.1 将底座导入装配模式作为第一个零件 .574.2.2 添加前、后连杆 .604.2.3 添加掩护梁 .614.2.4 添加顶梁 .624.2.5 添加护帮板 .634.2.6 添加尾梁及插板 .644.2.7 添加立柱、护帮千斤顶、尾梁千斤顶及插板千斤顶 .65第 5 章 液压支架的三维实体运动仿真 .675.1 定义伺服电动机 .675.2 运动分析 .715.3 绘制运动曲线 .72第 6 章 主要研究成果及结论 .74参考文献 .76致谢 .77附录 .78大学学士学位论文1第 1 章 绪论1.1 本课题的研究目的和意义课题提出：目前,许多国内外的大型辅助设计软件都包含了机械虚拟装配和运动仿真的模块，如国外 PTC 公司的 Pro/ENGINEER，EDS 的 UG，SDRC 的 I - DEAS， MATRA 的 EUCLID 和国内的 CAXA 等。这些软件都给设计人员提供了更完善的机械设计途径。本文主要基于美国 PTC 公司的 Pro/ ENGINEER WILDFIRE 软件，对 ZF3700/16/26 型放顶煤液压支架进行三维建模与运动仿真分析。目的和意义：1、采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一,加大对液压支架的设计与研究力度，对实现我国煤炭工业高产高效科学发展具有重要意义。2、随着全球经济的一体化，工程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，降低开发成本。在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，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，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。Pro/E 软件是目前国内外最为先进的基于特征的三维大学学士学位论文2参数化设计系统之一，易学易用、功能强大。利用 Pro/E 软件实现放顶煤液压支架的三维参数化造型与运动仿真，简捷方便、形象直观、效果逼真，能显著提高提高液压支架的设计效率、降低研发周期。1.2 相关技术研究现状1.2.1 放顶煤液压支架的技术现状（1） 支架设计随着计算机技术的发展和应用，支架 CAD 理论的发展已相对成熟，借助 Pro/ ENGINEER 或其他实体设计软件，可以实现支架的总体设计、部件设计及零件设计，并可根据参数变化，实现总装图、部件图和零件图的自动生成、打印；为了验证支架结构设计的合理性，可进行支架的运动模拟分析，实现支架的可视化。（2） 生产工艺放顶煤液压支架金属结构为焊接件，目前已从手工切割板材全部改为数控切割，切割得到的板材零件只需去毛刺，即可进入焊接工序，而且已淘汰传统的人工焊接，改为二氧化碳气体保护自动焊；支架的立柱及千斤顶的活塞杆多采用 27SiMn 材料，并采用双镀铬技术，彻底防止锈蚀产生；液压阀以 45#钢为基础材料，表面镀锌，其防锈能力可达 6 个月。（3） 控制系统影响液压支架性能的主要因素是支架的液压系统和液压元件的性能，而液压支架的控制方式即支架系统中方向换向阀的采用决定了工作面支架的移动速度，也是决定采掘工作面高产高效的重要因素之一。根据现场调研，国产液压支架的控制方式主要是手动液压控制，相当于国外 20 世纪70 年代的控制方式，实际上，20 世纪 80 年代以来，在支架液压系统设计中，方向换向阀的选用多为电磁换向阀，但由于井下现场恶劣的工作条件，大学学士学位论文3目前市场上的电磁阀、传感器及其他关键部件的性能、可靠性不能完全满足实际应用的需要，有的矿井不得不将支架的电磁换向阀换为手动换向阀。目前，国外液压支架几乎全部采用电液控制技术，其移架速度是国产手动液压控制的 3 倍左右。因此开发适应我国矿井条件的电液比例控制系统，提高液压元件及传感器的可靠性，是提高综采效率的途径之一，也是支架控制方式的发展方向 1。1.2.2 液压支架研究发展趋势随着科学技术的高速发展，新技术、新方法、新材料的不断应用，微机和计算机技术进一步普 及。为液压支架的发展提供了有利的条件。目前，液压支架研究发展主要着手于以下几个方面：( 1 ) 液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展，如液压支架的架型明显地向两柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。 ( 2 ) 在已有支架设计与应用经验的基础上，将有限元和计算机辅助设计相结合，研究支 架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。其中在设计中应注意以下几个方面： 提高液压支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面； 如何提高支架的移架速度； 改进支架个别部件结构，加大联结件强度。 ( 3 ) 改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密封件入手，制定更严格的质量和抗腐蚀标准。 ( 4 ) 对不稳定顶板、松软底板、地质构造较复杂等特殊条件、加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。 ( 5 ) 新型元件与材质，可减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命 。 ( 6 ) 结构上寻求克服四连杆的新型架型。 大学学士学位论文4( 7 ) 快速支架电液控制系统的研制和投入，研究支架的遥控、程控控制和性能自动监控 ，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。 1.2.3 建模与仿真技术发展现状经过半个多世纪的发展，现代建模与仿真的技术体系日趋形成。宏观地来看，现代建模与仿真的技术体系由建模技术、建模与仿真支撑系统技术，以及仿真应用技术为核心构成。 从被建模系统类型分，建模技术包括人体建模技术、环境建模技术和实体建模技术。其中，人体建模技术主要涉及模拟人体器官组织和人体在外界物理刺激下反应的人体外表、功能、性能和行为等的建模技术；环境建模技术主要解决环境仿真模型的建立问题 (如地形/ 地貌/ 海洋/大气/ 空间/电磁环境等)；实体建模技术涉及工程与非工程领域各类实体的建模技术。按建模技术分类，建模技术包括机理建模技术、辨识建模技术、面向对象建模技术、面向组件/服务的建模技术、多视图建模技术、多模式建模技术、多分辨率建模技术、数据可视化建模技术和多媒体建模技术等。其中，典型的机理建摸技术如用微分方程、差分方程、代数方程描述线性/非线性、连续/ 离散、确定/随机、集中/分布、定常/时变、存储/非存储等连续系统建摸技术；面向活动、面向事件、面向进程等离散事件系统建摸技术；神经网络、模糊神经网络、智能代理、本体论等智能系统建摸技术等；典型的辨识建摸技术如最小二乘、极大似然、结构辨识、模糊辨识等；典型的面向对象建摸技术如 UML、HLA/OMT 等；典型的面向组件/ 服务的建模技术如 SIMKIT2、DEVS/HLA 3、COSIM-Platform 4等; 典型的多视图建摸技术如 Petri 网、Bond 图、IDEF 等。典型的数据可视化建模技术如标量 /矢量/ 张量，动态数据场/流场，多参数数据场可视化建模技术等。典型的多媒体建模技术如声音、图形/图象建模技术等。 建模与仿真支撑系统技术涉及系统总体技术、建模/仿真实验/ 评估工大学学士学位论文5具引擎技术、VR/可视化技术、网络/通信技术、数据库/ 模型库/知识库/ 内容管理技术、中间件/平台技术、仿真计算机技术等。其中，总体技术涉及规范化体系结构和采用的标准、规范与协议，系统集成技术和集成方法，以及系统运行模式等。工具引擎技术涉及支持复杂仿真工程全生命周期各类活动、面向问题的建模/仿真实验/评估算法、程序、语言、环境及工具集。VR/ 可视化环境技术包括计算机图形生成技术、多媒体技术、VR 技术、人机交互技术等；典型的中间件/平台技术如CORBA/COM/DCOM/XML、HLA/DIS，以及新一代面向服务中间件技术等。典型的网络/通信技术如以 MPLS 、IPv6 为重点的下一代 IP 网技术，以智能光网为核心的下一代光网络技术，采用 3G、4G 的下一代无线通信网技术等。数据库/模型库/知识库/内容管理技术涉及到关系/ 面向对象等数据库技术，分布式数据库、主动数据库、实时数据库、演译数据库、并行数据库、多媒体数据库等建立与管理技术，数据/知识的挖掘技术，数据 /知识仓库技术，实时/分布模型库技术、内容管理技术等。仿真计算机包括适合于仿真的各类个人计算机、大/中型机、并行机及基于 Internet/web 网格技术的网络计算系统。 仿真应用技术包括共性应用技术及应用领域有关的专用仿真应用技术。其中，共性应用技术涉及系统的 VV&A 技术、仿真运行实验技术、仿真结果的评估技术等；应用领域有关的专用仿真应用技术涉及自然科学与工程、社会科学、管理科学、生命科学及军事等各领域有关专用仿真应用技术。例如，自然科学与工程领域中的制造领域仿真应用技术涉及产品研制各阶段有关的仿真技术，包括虚拟产品及其在虚拟环境中功能、性能、行为、外观的仿真技术和对其成本、加工、制造过程，直至使用、报废的仿真分析技术；以及企业层次的企业建模(包括结构、资源、过程、供应链等)、战略决策分析、市场评估分析、风险预测、效益评估、质量成本分析等仿大学学士学位论文6真技术。军事领域仿真应用技术涉及分析、训练与工程等不同应用目的与应用对象，以及战略、战役、战术与技术等多个层次的军事仿真技术。1.3 本论文主要研究内容 根据设计原始资料要求拟定支架的总体方案，确定架型，进行总体结构设计； 液压支架总体结构尺寸的确定（包括：支架高度、支架间距、底座长度的确定；四连杆机构的结构设计、顶梁长度的确定；立柱和千斤顶位置的确定） ； 对液压支架各结构部件进行三维建模设计； 对液压支架各结构部件进行三维装配设计与分析； 对液压支架进行运动仿真分析。大学学士学位论文7第 2 章 液压支架整体结构设计2.1 选型液压支架的合理选型对综采工作面的有效支护意义重大。在液压支架与围岩力学相互作用研究的基础上，需综合分析不同地质条件下支护阻力确定的理论研究成果并分析不同支架的结构力学特征，为支架选型提供依据。2.1.1 液压支架的力学特征综述（见表 2-1）表 2-1 不同结构液压支架比较的力学特征支架形式 结构特征 主要力学特征 对围岩适应性评价支撑式 二柱支掩掩护式支架承载力较小，底板比压均匀，主动水平力较大基本顶 、级岩层组合掩护式支顶式 二柱支顶掩护式支架承载力大，稳定性好，底座尖端比压较大，对顶板主动水平力大，前端支撑力大适应直接顶 1、2、3 类，基本顶、级，底板级以上，类底板需限制支架对底板尖端比压支撑支顶支掩四柱（或三柱）支顶支掩式稳定性好，抗水平力强，比压均匀，但支撑能力利用率低主要适应 2、3 类直接顶，、级基本顶大学学士学位论文8四柱 X 型 顶梁合力调节范围大，伸缩比大，承载力高主要适于薄煤层掩护式支顶式四柱支撑掩护式承载力大，切顶能力强，比压较均匀主要适于 2、3、4 类直接顶，、级基本顶，底板类别不限2.1.2 支架选型要素及简要评价液压支架结构选型必须考虑的要素及对各类型支架的评价见表 2-2。表 2-2 支架选型要素及评价支架型式 支撑式 顶梁结构要素 插底掩护式 一般掩护式 支撑掩护式垛式 节式 a b c支架围岩直接顶冒落倾向基本顶周期来压底板压入倾向防煤壁片帮通风断面顶梁前端支撑力顶梁后端切优差良优差优良良差良良良良优优良优良差优优差优差差良优差优差差优差差良良良良优差优优大学学士学位论文9适应性 顶力对顶板遮盖率隔绝采空区能力横向稳定性对采高适应性支撑效率支护强度对倾角适应性差优优良良差良良良优优优优良良优优优优优优优优良优差差差良优优良优差差差良优优差优差差良良良良优优2.1.3 液压支架选型建议对于具体条件下的液压支架选型，必须考虑该条件直接顶的类别、基本顶级别、底板类型，对各种典型围岩结构组合，从有利于改善支架与围岩适应性方面，在部颁标准 MT554-1996综采工作面顶板分类的附件中提出了液压支架选型的建议 5，见表 2-3 所示。表 2-3 围岩类型与支架选型建议液压支架直接顶类别基本顶来压级别底板类别1 21 、支掩掩护式支顶掩护式轻型支顶掩护式大学学士学位论文10支掩掩护式2、支顶掩护式支顶掩护式支掩掩护式支撑掩护式3 、 、 支撑掩护式 支顶掩护式4、支撑掩护式强力支撑掩护式（短顶梁、大流量安全阀）支顶掩护式参考表 2-3，根据上述分析及国内外使用经验，在综采工作面支架选型时，还应注意下述原则：（1）对于不稳定和中等稳定顶板，应优先选用二柱掩护式支架，但在底板松软条件下必须严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷强度。在此条件下，通常应避免使用重型支架。（2）对于非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，应优先考虑选用四柱支撑掩护式支架。（3）众所周知，三点决定一个平面，由于顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实际支撑力很低，因而二柱式掩护支架支撑能力利用率高于四柱式，即二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架，特别是对机道上方顶板的支护强度。（4）在不稳定顶板条件下使用四柱式支架应注意对机道上方的顶板控制，包括增加前柱阻力及可伸缩前梁等。在本设计中，综合考虑已知条件：直接顶类别 2、基本顶来压级别大学学士学位论文11、底板类别，以及其他因素，选用四柱支撑掩护式低位放顶煤支架。2.2 支架高度、支架间距、底座长度的确定2.2.1 支架高度和支架的伸缩比（1）支架高度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。其最大与最小高度为：Hm hm + S1Hn hn S2 a a式中 Hm - 支架最大高度；Hn - 支架最小高度；hm - 煤层最大厚度；hn - 煤层最小厚度；S1 - 考虑伪顶、煤皮冒落仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，取 200mm；S2 - 顶板最大下沉量，取 100mm；a - 移架时支架的最小可缩量，取 50mm；a - 浮矸石、浮煤厚度，取 50mm。本设计中，已知条件 hm = 2400mm , hn = 1800mm 。 故得到Hm = 2600mmHn = 1600mm大学学士学位论文12（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，即m = Hm/ Hn = 2600/1600 = 1.625确定 K1 值：K1 =（LmLn）/Ln = 980 / 1480 = 0.66式中 K1 - 单位缸长行程；Lm - 活塞全部伸出时立柱的总长度；Ln - 活塞全部缩回时立柱的总长度；LmLn - 活塞行程。考虑到 K10.7，故采用单伸缩立柱。2.2.2 支架间距所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离，按下式计算bc = Bm + nc3式中 bc - 支架间距；Bm - 每架支架顶梁总宽度；c3 - 相邻支架顶梁之间的间隙；n - 每架所包含的组架或框架数，取 n = 1.支架间距 bc 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，因此目前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宽度为大学学士学位论文131.5m ，千斤顶连接块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为 1.5m 6。2.2.3 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，应考虑如下诸方面：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 倍的移架布距，即 2.1m 左右；支撑掩护式支架的底座长度取 4倍的移架步距，即 2.4m 左右。在本设计中，取底座长度为 2.02m 。2.3 四连杆机构长度尺寸的确定2.3.1 四连杆机构的作用四连杆机构式掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一，其作用概括起来主要有两个，其一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使支架能承受较大的水平力。为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连杆机构的作用。下面通过四连杆机构动作过程的几何特征进一步阐述其作用，这些几何特征是四连杆机构动作过程的必然结果。1）支架高度在最大和最小范围内变化时，如图 2-1 所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度 e 应小于或等于 70mm ，最好为 30mm 以下。大学学士学位论文14图 2-1 四连杆机构几何特征2） 支架在最高位置和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角 P 和后连杆与底平面的夹角 Q，应满足如下要求：支架在最高位置时，P ，Q ;支架在最低位0520607508置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求 tanPW,如果钢和矸石的摩擦系数 W = 0.3，则 P = 16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使 P 为宜。而 Q 角主要考虑025后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般取 Q ,在特殊情况下需要角度较小时，可02503提高后连杆下铰点的高度。3） 从图 3-1 可知，掩护量与顶梁铰点 e和瞬时中心 o 之间的连线大学学士学位论文15与水平线夹角为 。设计时，要使 角满足 tan 0.35 的范围，其原因是 角直接影响支架承受附加力的数值大小。4） 应取顶梁前端点运动轨迹双扭线向前凸的一段为支架工作段，其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁又向前移的趋势，可防止岩石向后移动，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，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且是底座前端比压减小，防止啃底，有利于移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外载荷。2.3.2 运用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸1）确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距河后连杆下铰点至底座底面之距一般按同类型支架用类比法来确定。在本设计中取定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距 m = 150mm ，后连杆下铰点至底座底面之距 n = 604mm 。2）掩护梁和后连杆长度的确定用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度，如图 2-2 所示。大学学士学位论文16图 2-2 掩护梁和后连杆计算图设： G - 掩护梁长度；A - 后连杆长度；L2 - e点引垂线到后连杆下铰点之距；H1- 支架最高位置时的计算高度，H1=Hmm n = 1846mm ;H2- 支架最低位置时的计算高度，H2=Hnmn = 846mm 。大学学士学位论文17从几何关系可得到GcosP1AcosQ1L2 (2-1)GcosP2AcosQ 2L 2 (2-2)联立（2-1 ）式和（2-2 ）式有= (2-3)AG21cosPQ按四连杆机构的几何特征要求，选定 P1 = ，P2 = ，Q 1 =0503，Q2 = 代入（2-3）式，求得0704= 0.657AG又支架最高位置时的计算高度为H1 = GsinP1 + AsinQ1 (2-4)根据 = 0.657 和（2-4）式求得掩护梁长度 G = 1364.65 mm，后连杆长度 A = 899.3mm 。对 G 和 A 进行圆整后得G = 1365mmA = 900mm并重新算得P1 = 052大学学士学位论文18P2 = 031Q1 = 074Q2 = 053）几何作图法作图过程（1） 确定后连杆下铰点 0 点位置，使它比底座底面高 604mm。（2） 过 0 点作与底座底面平行的水平线 HH 线。（3） 过 0 点作与 HH 线的夹角为 Q1 的斜线。（4） 在此斜线上截取线段 等于 A 的长度，a 点即为后连杆与掩o护梁的铰点。（5） 过 a 点作与 HH 线夹角为 P1 的斜线，以 a 点为圆心，G为半径作弧交此斜线于点 e,e即为掩护梁与顶梁的铰点。（6） 过 e点作 HH 线的平行线 FF 线，则 HH 线与 FF线的距离为 H1，即液压支架最高位置时的计算高度。（7） 以 a 点为圆心，以（0.22 0.3）G 长度为半径作弧，在掩护梁上交一点 b，为前连杆上铰点的位置。（8） 过 e点作 FF 线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，e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e。大学学士学位论文19（10） 取 线中间某一点 e，为液压支架降到此高度时掩护梁e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扭线，中间这几点的位置直接影响顶梁前端点运动轨迹的形状、变化宽度等） 。（11） O 点为圆心， 为半径作圆弧。oa（12） 以 e点为圆心，掩护梁长 为半径作弧，交前圆弧上一点ea，此点位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 e点为圆心，掩护梁长 为半径作弧，交最前面圆弧ae上一点 a， 此点位支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。（14） 连接 、 ，并以 a点为圆心， 长为半径作弧，eab交 上一点 b。以 a点为圆心， 长为半径作弧，交 上a aae一点 b。则 b、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ao后连杆的位置。（16） 分别作 和 的垂直平分线，其交点 c 即为前连杆下铰b点， 为前连杆长度。c（17） 过 c 点向 HH 线作垂线，交点 d，则线段 、 、 、oabc和 为液压支架四连杆机构。do大学学士学位论文20（18） 以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再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，只要初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。图 2-3 液压支架四连杆机构的几何作图法经过优选，最终得到：前、后连杆上铰点之距 = 255mm；ab前连杆长度 = 887mm；c前连杆下铰点高度 = 282mm；d前、后连杆下铰点在底座上的投影距离 = 426mm；do前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距 = 789mm。be大学学士学位论文212.4 顶梁长度的确定根据支架工作方式和设备配套尺寸来确定顶梁长度。2.4.1 支架工作方式对支架顶梁长度的影响支架工作方式对支架顶梁长度影响很大，如图 2-4 所示。图 2-4 支架工作方式比较从图中可以看出，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（又称滞后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先移架后推溜的工作方式时，支架要超前输送机一个步大学学士学位论文22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推溜后移架时的顶梁长度多一个步距，一般为 600mm。2.4.2 配套尺寸对顶梁长度的影响设备配套尺寸与支架顶梁长度有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不截割顶梁，同时考虑到采煤机截割时，不一定把煤壁截割成一垂直平面，所以在设计时，要球顶梁前端距煤壁最小距离为 300mm。另外在输送机铲煤板前也留有一定距离，一般为 135150mm 左右，也是为了防止采煤机截割煤壁不齐，给推移输送机留有一定距离。除此而外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护下工作，以此来计算顶梁长度。2.4.3 顶梁长度计算顶梁长度 = 配套尺寸 + 底座长度 + AcosQ1 GcosP1 + 300 +e + 掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距 （mm）式中：配套尺寸 - 参考原煤炭部科学研究院编制的综采设备配套图册确定。本设计取 1916mm；底座长度 - 底座前端至后连杆下铰点支距，取1904mm；e - 支架由高到低顶梁前端点最大水平变化距离，e = 10mm；Q1、P1 - 支架在最高位置时，分别为后连杆和掩大学学士学位论文23护梁与水平面的夹角，P1 = 052，Q1 = 。074代入数值计算得顶梁长度 = 3050mm2.5 立柱和千斤顶位置的确定2.5.1 立柱布置1） 立柱数目前国内支撑式支架立柱数为 26 根，常用为 4 根；掩护式支架为二柱；支撑掩护式支架为四柱。故本设计取为四柱。2） 立柱布置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，一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于（支架在最低工作位置时） ，由于角度较大，可使调高范围增加，同03时由于顶梁较短，立柱倾角加大可使顶梁柱窝位置前移，使顶梁前端支护能力增大。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或直立布置，一般立柱轴线与顶梁的垂线夹角小于 (支架最高位置时)，由于夹角较小，有效01支撑能力较大。本设计中支撑掩护式支架立柱采用直立布置。3）立柱间距立柱间距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作、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 1 1.5m。本例中取为 0.75m。2.5.2 立柱柱窝位置的确定1）立柱上柱窝位置的确定大学学士学位论文24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于顶板载荷分布一致。但顶板载荷复杂，分布规律因支架顶梁于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，载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化，沿支架宽度方向均布，把支架的空间杆系结构简化为平面杆系结构，同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁长度方向向后越来越大成三角形分布，并按集中载荷计算。所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上柱窝位置，此时认为支架顶梁承受集中载荷 F1 在顶梁 处。取顶梁为分离体，受力情况如图1325 所示。图 2-5 顶梁受力分析列方程x 方向受力平衡：= 0FxWF1 xA = 0 （2-5） 大学学士学位论文25y 方向受力平衡：= 0FyF1P 1P2yA = 0 （2-6） 对 A 点取矩：= 0MF1Lg h1WF1P1（x850） P2x = 0 （2-7）3对 B 点取矩：= 0BF1（ Lgx）h2WF1850P1yAxxA（h2h1）= 0 3（2-8）对 C 点取矩：= 0CMF1（850 Lgx）3h2WF1850P 2yA（850x）xA（h2h1）= 0 （2-9）联立式（2-5） 、 （2-6） 、 （2-7） 、 （2-8） 、 （2-9）得：x = 0.29 m式中 x - 后立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距（ m） ；F1 - 支架支护阻力 （kN） ，F 1 = 3700 kN；大学学士学位论文26Lg - 顶梁长度（不包括顶梁与掩护梁铰点至顶梁后端之距）Lg = 3 m；P1 - 前立柱工作阻力之和（ kN） ；P2 - 后立柱工作阻力之和（ kN） ；h1 - 顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距（m）, h1 = 0.15 m；h2 - 立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距（m）, h2 = 0.18 m。2）立柱下柱窝位置的确定为满足底座前端与底板接触比压尽量小的要求，按底座接触比压分布为梯形进行计算，参照上柱窝的确定尺寸并综合考虑立柱倾角和立柱间距等因素，最终确定立柱下柱窝至后连杆与底座的铰点距离为 685mm，前、后柱窝间距 750mm。2.5.3 侧推千斤顶位置的确定侧推千斤顶伸出时，使活动侧护板外移，可密闭架间间隙，起到防矸、导向、防倒和调架等作用；侧推千斤顶缩回时，使活动侧护板回缩，可减少移架阻力。1） 侧推千斤顶控制方式（1）无缩紧回路且在不操作时，侧推千斤顶处于浮动状态，靠弹簧筒的弹簧力控制活动侧护板与邻架的间隙。防止顶板岩石从架间冒落，移架时摩擦阻力小。这种结构的缺点在于防矸、防倒效果与弹簧式差不多。（2）有缩紧回路时，用液压单向阀缩紧。优点为防矸、防倒效果好。缺点在于移架时要操纵千斤顶，使移架操作复杂化，而且架间易掉矸。大学学士学位论文272） 侧推千斤顶位置布置由于顶梁在顶板载荷作用下，要求侧推千斤顶的推拉力大，才能灵活操作顶梁侧护板，因此在顶梁上一般布置两个侧推千斤顶，两个弹簧筒。在掩护梁上一般仅在中间布置一个侧推千斤顶，两端各对称布置一个弹簧筒。由于在顶梁和掩护梁上焊有横筋板，则侧推千斤顶的安装位置要与横筋板相适应。一般为对称布置，这样可以使侧护板受力平衡。具体布置方式有如下三种：二孔式 - 采用两个侧推千斤顶，在侧推千斤顶处同时布置弹簧筒，靠弹簧力实现架间密封。三孔式 - 中间孔安装侧推千斤顶，两侧对称安装弹簧筒。四孔式 - 中间两孔安装侧推千斤顶，侧面两孔布置弹簧筒。本设计中，顶梁侧推千斤顶采用四孔式，而掩护梁侧推千斤顶采用三孔式。大学学士学位论文28大学学士学位论文29第 3 章 液压支架部件设计3.1 顶梁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外，还要保证支护顶班的需要，如：有足够的顶班覆盖率；同时要适应顶板的不平整性、避免因局部应力而