煤矿液压支架工作原理

摘摘 要要 本论文主要阐述了一般掩护式液压支架的设计过程 设计内容包括 选架型 总体设计 主要零部件的设计 主要零部件的校核和液压系统的 设计 由于该煤层厚度适中 选用掩护式液压支架 煤层厚度介于 之间 煤层厚度变化较大 选用调高范围大且抗水平推力强且带m8 3 5 2 护帮装置的掩护式支架 支架采用正四连杆机构 以改善支架受力状况 顶梁 掩护梁 底座均做成箱体结构 立柱采用双伸缩作用液压缸 以增 加工作行程来满足支架调高范围的需要 推移千斤顶采用框架结构 以减 少推溜力和增大移架力 为了提高移架速度 确保对顶板的及时支护 采 用锥阀液压系统 关键词 液压支架 液压 四连杆机构 采煤 支架选型 推溜 移架 XXXX 大学学士学位论 Abstract 目目 录录 1 1 概述概述 5 1 1 液压支架的组成和分类 5 1 2 液压支架的工作原理 8 1 3 液压支架的支护方式 11 1 4 支架选型的基本参数 12 2 2 总体设计总体设计 14 2 1 选架型 14 2 2 液压支架基本参数的确定 16 2 3 采煤机 液压支架和输送机的配套 19 2 4 四连杆机构设计 21 2 5 顶梁长度的确定 28 2 6 立柱及柱窝位置的确定 29 2 7 平衡千斤顶位置的确定 33 2 8 其它千斤顶位置的确定 36 3 3 支架的受力计算支架的受力计算 39 3 1 液压支架受力分析 39 3 2 确定支架的支护强度 40 3 3 底座接触比压计算 40 3 4 支架支护效率 40 4 4 液压支架的主要部件的设计液压支架的主要部件的设计 42 4 1 前梁 43 4 2 主顶梁 43 4 3 掩护梁 44 4 4 前 后连杆 45 4 5 底座 45 4 6 立柱 46 4 7 千斤顶 47 5 5 主要零 部件的强度校主要零 部件的强度校 核核 49 5 1 校核的基本要求 49 5 2 前梁的校核 50 5 3 主顶梁的校核 52 5 4 掩护梁的强度校核 55 5 5 底座强度校核 57 5 6 销轴和耳座的强度校核 59 5 7 立柱强度校核 62 6 6 液压系统设计液压系统设计 68 6 1 液压支架的液压系统的简介 68 6 2 液压支架的液压系统拟订 69 6 3 液压元件的选取 71 6 4 液压控制系统 72 结束语结束语 76 参考文献参考文献 77 1 概述概述 1 1 液压支架的组成和分类液压支架的组成和分类 1 1 1 液压支架的组成液压支架的组成 液压支架是综采工作面支护设备 它的主要作用是支护采场顶板 维 护安全作业空间 推移工作面采运设备 液压支架的种类很多 但其基本功能是相同的 液压支架按其结构特 点和与围岩的作用关系 般分为三大类 即支撑式 掩护式 图 1 2 和支 撑掩护式 图 1 3 根据支架各部件的功能和作用 其组成可分为 4 个部分 1 承载结构件 如顶梁 掩护梁 底座 连杆 尾梁等 其主要功 能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷 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 控制元部件 包括液压系统操纵阀 单向阀 安全阀等各类阀 以及管路 液压 电控元件等 其主要功能是操作控制支架各液压油缸动 作及保证所需的工作特性 图 1 2 掩护式液压支架结构 图 1 3 支撑掩护式液压支架结构 4 辅助装置 如推移装置 护帮 或挑梁 装置 伸缩梁 或插板 装 置 活动侧护板 防倒防滑装置 连接件等 这些装置是为实现支架的某 些动作或功能所必需的装置 1 1 2 液压支架的分类及特点液压支架的分类及特点 按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分 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所有位置的支 架 中间液压支架按其结构形式来划分 可分为三种基本类型 即 支撑 式 掩护式和支撑掩护式 1 支撑式支架支撑式支架 支撑式支架是出现最早的一种架型 按其结构和动作方式的不同 支 撑式支架又分为垛式支架 图 1 4 a 和节式支架 图 1 4 b 两种结构型式 垛式支架每架为一整体 与输送机连接并互为支点整体前移 节式支架由 个框节组成 移架时 各节之间互为支点交替前移 输送机用于支架3 2 相连的推移千斤顶推移 节式支架由于稳定性差 现已基本淘汰 支撑式 支架的结构特点是 顶梁较长 其长度多在左右 立柱多 一般是m4 根 且垂直支撑 支架后部设复位装置和挡矸装置 以平衡水平推力6 4 和防止矸石窜入支架的工作空间内 支撑式支架的支护性能是 支撑力大 且作用点在支架中后部 故切 顶性能好 对顶板重复支撑的次数多 容易把本来完整的顶板压碎 抗水 平载荷的能力差 稳定性差 护矸能力差 矸石易窜入工作空间 支架的 的工作空间和通风断面大 由上可知 支撑式支架适用于直接顶稳定 老顶有明显或强烈周期来 压 且水平力小的条件 此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用 2 掩护式支架 如图掩护式支架 如图 1 2 其主要由前梁 主梁 掩护梁和侧护板 底座 前后连杆 前梁千斤顶 推移千斤顶 操纵阀等组成 a b 图 1 4 支撑式支架结构形式 垛式支架 节式支架ab 它的结构特点是 有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空 间 其掩护梁的上端与顶梁铰接 下端通过前后连杆与底座连接 底座 前后连杆和掩护梁形成四连杆机构 以保持稳定的梁端距和承受水平推力 立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上 掩护式支架的立柱较 少 除少数掩护式支架 1 根立柱外 一般都是一排 2 根立柱 这种支架的 立柱都为倾斜布置 以增加支架的调高范围 支架的两侧有活动侧护板 可以把架间密封 通常顶梁较短 一般为左右 3 0mm 掩护式支架的支护性能是 支撑力较小 切顶性能差 但由于顶梁短 支撑力集中在靠近煤壁的顶板上 所以支护强度较大 且均匀 掩护性好 能承受较大的水平推力 对顶板反复支撑的次数少 能带压移架 但由于 顶梁短 立柱倾斜布置 故作业空间和通风断面小 由上可知 掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定 老顶周期来压 不明显 瓦斯含量少的破碎顶板条件 3 支撑掩护式支架 如图支撑掩护式支架 如图 1 3 其主要由防片帮千斤顶 前梁 顶梁 掩护梁 底座 推移千斤顶 立柱等组成 支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发 展起来的一种支架 因此 它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能 可适应各种顶底板条件 此种支架的优点是 支撑力大 切顶性能强 防护性能好 通风断面 大 稳定性好 应用范围广 它的缺点是 结构复杂 成本较高 支撑掩护式支架的立柱均为两排 立柱可前倾或后倾 也可倒八字形 布置和交叉布置 通常 两排立柱都是直接支撑在顶梁上 个别情况下 也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上 4 特种液压支架特种液压支架 特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架 在 结构形式上仍属于以上某种液压支架 包括放顶煤支架等 1 2 液压支架的工作原理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实现 完成的 如图 1 5 示 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接触顶板 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 图 1 5 液压支架工作原理 顶梁 立柱 底座 推移千斤顶 安全阀 液控单向阀 操纵阀 123456789 输送机 乳化液泵 主供液管 主回液管101112 3 支架和输送机前移 支架和运输机的前移 都是由底座上的推移千斤顶来完成的 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 腔回液 以输送机为支点 缸体 前移 把整个支架拉向煤壁 当需要推运 输机时 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 是活塞杆伸出 把运输机推向煤壁 支架的支撑力与时间曲线 称为支架的工作特性曲线 如图 1 6 所示 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 初撑阶段 增阻阶段 恒阻阶段 初撑力 工作阻力 0 t 1 t 2 t 1 P 2 P 1 初撑阶段 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 支架的夜控 单向阀关闭 立柱下腔压力达到初撑力 此阶段为初撑阶段 0 t 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 1 1 32 10 4 nPDP bc KN 图 1 6 支架的工作特性曲线 式中 支架立柱的缸径 Dm 泵站的工作压力 b PMPa 支架立柱的数量 n 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 合理的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 2 承载增阻阶段 支架初撑后 随顶板下沉 立柱下腔压力增加 直到增加到支架的安 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 1t 3 恒阻阶段 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 使顶板压力减小 立柱下腔压力降 低 当低于安全阀压力调整之后 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形变化 此阶段为恒阻阶段 此时 2 t 支架对顶板的支撑力称为工作阻力 它是由支架安全阀的调定压力决定的 支撑式支架的工作组力为 1 2 32 10 4 nPDP a KN 式中 支架安全阀的调定压力 a PMPa 支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力 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 支架的工作阻力是支架的一个重要参数 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所受支架工作阻力值的 大小 即支护强度来表示支架的支护性能 即 1 3 3 10 F P qMPa 式中 支架的支护面积 F 2 m 1 3 液压支架的支护方式 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 即时支护即时支护 般循环方式为 割煤一移架一推溜 工作面 三机 的配套关系 即时支护的特点是 顶板暴露时间短 梁端距较小 适用于各种顶板条件 是目前应用最广泛的支护方式 2 滞后支护滞后支护 一般循环方式为 割煤一推溜一移架 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 复合支护复合支护 般循环方式为 割煤一支架伸出伸缩梁一推溜一收伸缩梁一移架 复合支护的特点是 支护滞后时间短 但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 不能适应高产高效要求 目前 应用较少 1 41 4 支架选型的基本参数支架选型的基本参数 1 4 1 对液压支架的基本要求对液压支架的基本要求 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 以便有效地控制顶板 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 推溜力一般为左右 KN100 移架力按煤层厚度而定 薄煤层一般为 中厚煤层一般为KNKN150 100 厚煤层一般为 KNKN250 150KNKN400 300 3 防矸性能要好 4 排矸性能要好 5 要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面 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 能够承受一定得不均匀载荷和冲击载荷 10 满足强度条件下 尽可能的减轻支架重量 11 要易于拆卸 结构要简单 12 液压元件要可靠 1 4 2 设计液压支架必需的基本参数设计液压支架必需的基本参数 1 顶板条件 根据老顶和直接顶的分类 对支架进行选型 给定参数 老顶 I 级直接顶 2 级 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 给定煤层厚度 2 5 3 8m 3 瓦斯等级 根据瓦斯等级 按保安规程规定 验算通风断面 给定条件 瓦斯等级 1 级 4 底板岩性及小时涌水量 根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压 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 决定是否选用防倒防滑装置 给定条件 煤层倾角 o 8 7 井筒罐笼尺寸 根据井筒罐笼尺寸 考虑支架的运输外形尺寸 8 配套尺寸 据配套尺寸及支护方式来计算定量长度 2 液压支架的总体设计液压支架的总体设计 2 1 液压支架的选型液压支架的选型 正确选择液压支架的架型 对于提高综采工作面的产量和效率 充分 发挥综采设计的效能 实现高产高效 是一个很重要的因素 在具体选择 架型时 首先要考虑煤层的顶板条件 表 2 1 是根据国内外液压支架的使用 经验 提出了各种顶板条件下适用的架型 它是选择支架的主要依据 由于给定参数中顶底版性质 老顶 I 级 直接顶 2 级 底板平整 无影 响支架通过的断层 初步选择为掩护式支架 1 煤层厚度煤层厚度 煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力 而且还影响到支架 的稳定性 当煤层厚度大于 软煤层下限 硬煤层上限 时 应选2 5 2 8m 用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架 当煤层厚度变 化较大时 应选用调高范围大的支架 因此本次设计应选用抗水平推力强 且带护帮装置的掩护式支架 2 煤层倾角煤层倾角 煤层倾角主要影响支架的稳定性 倾角大时易发生倾倒下滑等现象 当煤层倾角大于时 应设防滑和调架装置 当倾角超过时 应10 15o18o 同时具有防滑防倒装置 给定煤层倾角 不用设置防滑和调架装置 o 8 3底板性质底板性质 底板承受支架的全部载荷 对支架的底座影响较大 底板的软硬和平 整性 基本上决定了支架地做的结构和支撑面积 选型时 要验算底座对 底板的接触比压 其值要小于底板允许比压 对于砂岩底板 允许比压为 软底板为左右 MPa16 2 96 1 MPa98 0 4瓦斯涌出量瓦斯涌出量 对于瓦斯涌出量大的工作面 支架的通风断面应满足通风的要求 选 型时要进行验算 表 2 1 老顶级别IIIIIIIV 直接顶级别1231231 2344 支撑式采高 小于 2 5m 时 支架类型掩 护 式 掩 护 式 支 撑 式 掩 护 式 掩 护 式 或 支 撑 掩 护 式 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 掩护式 采高 大于 2 5m 时 支架 支护 强度 a MP 采 高 1 2 3 4 0 294 0 343 0 245 0 441 0 343 0 539 0 441 1 30 294 1 30 343 0 245 1 30 441 0 343 1 30 539 0 441 1 60 294 1 60 343 1 60 441 1 60 539 20 294 20 343 20 441 20 539 应结合 深孔爆破 软化顶 板 等措施 处理采空 区 单体 支柱 支护 强度 采 高 1 2 3 0 147 0 245 0 343 1 30 147 1 30 245 1 30 343 1 60 147 1 60 245 1 60 343 按采空区 处理方法 确定 注 括号内的数字是掩护式支架的支护强度 表中所列支护强度在选用时 可根据本矿情况允许 有5 的波动范围 表中 1 3 1 6 2 分别为 II III IV 级老顶的分级增压系数 IV 级老顶只给出最低值 2 选用 时可根据本矿实际确定适宜值 5 地质构造地质构造 地质构造十分复杂 煤层厚度变化又较大 顶板允许暴露面积和时间 分别在和以下时 暂不宜采用液压支架 2 5 8m20min 6 设备成本设备成本 在满足要求的前提下 应选用价格便宜的支架 此外 对于特定的开采要求 应选用特种支架 2 2 液压支架参数的确定液压支架参数的确定 2 2 1 支护强度和工作阻力支护强度和工作阻力 支护强度取决于顶板性质和煤层厚度 支护强度可根据下列公式估算 2 1 MPaKHq 5 10 式中 K 作用与支架上的顶板岩石系数 一般取 顶板条件好 5 8 周起来压不明显时取下限 否则取上限 H 采高 m 顶板岩石密度 一般为MPa7 0 5 0 放顶煤支架的支护强度一般为MPa7 0 5 0 支架工作阻力 P 应满足顶板支护强度的要求 即支架工作阻力由支护强度 和支护面积所决定 2 2 KNqFp 3 10 式中 F 支架的支护面积 可按下式计算 2 m 2 3 1 FLC BKLC A 2 m 式中 支架顶梁长度 Lm 两端距 Cm 支架顶梁宽度 Bm 架间距 1 Km 支架中心距 Am 对于支撑式支架 支架立柱的总工作组力等于支架工作阻力 对于掩 护式和支撑掩护式支架 由于受到立柱倾角的影响 支架工作阻力小于支 架立柱的总工作阻力 工作阻力与支架立柱的总工作阻力的比值 称为支 架的支撑效率 所以支架立柱的总工作阻力为 总 P 2 4 KN P P 总 支撑式支架的 支撑掩护式和掩护式支架取左右 100 80 2 2 22 2 2 初撑力初撑力 初撑力的大小是相对与支架的工作阻力而言 并与顶板的性质有关 较大的初撑力可以使支架较快地达到工作阻力 防止顶板过早的离层 增 加顶板的稳定性 对于不稳定和中等稳定顶板 为了维护机道上方的顶板 应取较高的初撑力 约为工作阻力的 80 对于稳定顶板 初撑力不宜过大 一般不低于工作阻力的 60 对于周期来压强烈的顶板 为了避免大面积的 垮落对工作面的动载威胁 应取较高的初撑力 约为工作阻力的 75 2 2 32 2 3 移架力与推溜力移架力与推溜力 移架力与支架结构 吨位 支撑高度 顶板状况是否带压移架等因素 有关 一般薄煤层支架的一架力为 中等厚度煤层支架为100 150KN 厚煤层为 推溜力一般为 150 300KN300 400KN100 150KN 2 2 42 2 4 支架调高范围支架调高范围 支架最大结构高度 2 5 mSMH1 43 08 3 1maxmax 支架最小结构高度 2 6 mSMH3 22 05 2 2minmin 式中 煤层最大 最小采高 max M min M 伪顶冒落的最大厚度 一般取 1 Sm3 0 2 0 顶板周期来压时的最大下沉量 移架使支架的下降量和 2 S 顶梁上 底座下的浮矸 煤层厚度之和 一般取m35 0 25 0 确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度 支架的伸缩比 2 7 78 1 3 2 1 4 min max H H KS 值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力 其值越大 说明 s K 支架适应煤层厚度变化的能力越强 采用单伸缩立柱 值一般为 1 6 左 S K 右 若进一步提高伸缩比 需采用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱 其 值一般为 2 5 左右 薄煤层厚度可达 由于又考虑到煤层 s Km378 1 S K 厚度较高 初选双伸缩立柱 2 2 5 中心距和宽度的确定中心距和宽度的确定 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 大采高支架为提高稳定性中心距可采用 轻型支m5 1m75 1 架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求 中心距可采用 因此设计m25 1 中预取 1 5m 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 当支架中心距为时 最小宽度一般取 最mm200 170m5 1mm1430 1400 大宽度一般取 当支架中心距为时 最小宽度一般取mm1600 1570m75 1 最大宽度一般取 当支架中心距为mm1680 1650mm1880 1850 时 如果顶梁带有活动侧护板 则最小宽度一般取 m25 1 mm1180 1150 最大宽度一般取 如果顶梁不带活动侧护板 则一般取mm1350 1320 mm1200 1150 2 2 6 底座宽度底座宽度 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 使于人员操作和行走 保证支 架的稳定性等 通常 掩护式支架的底座长度取 3 5 倍的移架步距一个移架 步距为 即左右 支撑掩护式支架的底座长度取 4 倍的移架步距 m6 0m1 2 即左右 m4 2 2 32 3 采煤机 液压支架和输送机的配套采煤机 液压支架和输送机的配套 2 3 1 采煤机 液压支架和输送机的配套采煤机 液压支架和输送机的配套 综采工作面采煤机 液压支架和输送机之间在性能参数 结构参数 空间尺寸及相互连接等方面 有着严格的配套要求 以保证综采工作面的 最大生产能力和安全生产的要求 1 生产能力的配套 采煤机是综采工作面的主要生产设备 综采工作面的生产能力主要取 决于采煤机的落煤能力 因此 为保证采煤机生产能力的发挥 工作面输 送机的生产能力要大于采煤机的生产能力 液压支架移架的速度应大于采 煤机的牵引速度 通常与采煤机配套的工作面输送机 液压支架 平巷转 载机 可伸缩皮带机等设备 其生产能力要按采煤机生产能力的 120 计算 2 性能配套 综采工作面 三机 性能配套 主要通过设备结构参数的配套来实现 以解决设备性能间互相制约的问题 如采煤机的摇臂长度应大于输送积机 尾的长度 这样才能保证采煤机割煤到输送积机尾底座端部 3 几何关系的配套 为便于司机观察和操作 并考虑顶板下沉量的影响 适应顶底板起伏 以及煤层变化 机身调斜等情况 使采煤机沿工作面顺利通过 要求支架 顶梁和采煤机工作面之间留有足够的空间 该空间高度 C 称为过机高度 一般 C 小于 mm250 150 采机底托架应有足够的高度 以保证过煤高度 mmE400 250 从安全角度考虑 F 应愈小愈好 但却受到机器结构参数等因素的约束 由图可知 2 8 xGeBF 式中 煤壁与输送机铲板之间的距离 以防止采emmE200 100 煤机滚筒在输送机弯曲段切割铲煤 立柱倾斜时的水平增距 x 输送机宽度 由铲煤机宽度 f 输送机中部溜槽宽度 电缆槽GS 和导向槽宽度及前柱与电缆槽间的距离组成 ab 其它符号的意义同前 为避免由于输送机偏斜时采煤机截割顶梁 支架梁端与煤壁间应留有 mm400 200 从前柱到梁端的距离 L 为 2 9 LFBDx 支架工作时的最小支撑高度 H 为 2 10 HACt 其中 顶梁厚度t 采煤机机面高度 为采煤机机身高度 输送机高度和底托架高度A 和 2 3 2 其他附属设备的配套其他附属设备的配套 煤层倾角大于时 采用链牵引的采煤机应设置防滑装置 当倾角大于10o 时应安装防滑绞车 输送机应设置防滑锚固装置 支架也应有防倒防滑和调16o 架装置 而对于大采高工作面设备 煤层倾角大于时 即应设防滑装置 10o 落煤块度过大时 工作面转载机上应设置破碎装置 本设计采用配套 液压支架 北京煤机厂42 23 4410YY 采煤机 20022 MG 刮板运输机 264 764 SGZ 配套图如下图 2 1 图 2 1 2 42 4 四连杆机构设计四连杆机构设计 2 4 12 4 1 四连杆机构的作用四连杆机构的作用 四连杆机构是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 这些特征是 四连杆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 顶梁端点运动轨迹的最大宽度 最好为以下 70emm mm30 2 支架在最高位置时和最低位置时 顶梁与掩护梁的夹角和后连杆与p 底平面的夹角 应满足如下要求 Q 支架在最高位置时 支架在最低位置时 为 oo P62 52 oo Q85 75 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 如果刚和矸石的摩擦系数 则 为了安全WtgP 0 3W o P 7 16 可靠 最低工作位置应使为宜 而角主要考虑后连杆底部距底板 o p25 Q 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 在特殊情况下需要角度较小时 可提高后连杆下铰点的高 oo Q35 25 度 3 掩护梁与顶梁铰点和瞬心中心间的只限于水平线夹角 满足 原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小 0 35tg 4 应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段 如图 2 2所示的 h 段 图 2 2 所示 其原因为当顶板来压时 立柱让压下缩 使顶梁有向前移的趋势 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 板防止底座向后移 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 并且使底座前端比压减小 防止啃底 有利移架 水平力的合力也相应减小 所以减轻了掩护梁的外 负荷 2 4 2 用优选设计法设计四连杆机构用优选设计法设计四连杆机构 目标函数的确定 令支架由高到低时 顶梁前端运动轨迹近似呈斜线 这样比用直线作为目标函数的双纽线的上半部分要长 四连杆机构的设计通过程序来计算和验证 程序编制如下所示 Private Sub Command1 Click Dim h1 h2 As Double 支架最高 最低计算高度 Dim p1 As Double 支架在最高位置时 顶梁与掩护梁夹角 Dim q1 As Double 支架在最高位置时 后连杆与底座平面夹角 Dim i As Double 后连杆与掩护梁的比值 Dim i1 As Double 前后连杆上铰点之距与掩护梁的比值 Dim g As Double 掩护梁长度 Dim a As Double 后连杆长度 Dim b As Double 前后连杆上铰点之距 Dim f As Double 前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距 Dim b1 b2 b3 As Double Dim c As Double 前连杆长度 Dim d As Double 前连杆下铰点高度 Dim e As Double 前后连赶下铰点在底座上的投影距离 Dim a1 q2 o1 l As Double Dim s As Double h1 Val Text1 Text h2 Val Text2 Text For p1 0 91 To 1 08 Step 0 034 For q1 1 31 To 1 48 Step 0 034 For i 0 61 To 0 82 Step 0 042 For i1 0 22 To 0 3 Step 0 02 g h1 Sin p1 i Sin q1 a i g b i1 g f g b e1 g Cos p1 a Cos q1 X1 f Cos p1 Y1 h1 f Sin p1 q2 0 436 p2 Atn Sqr Abs g g e1 a Cos q2 2 e1 a Cos q2 X2 f Cos p2 Y2 b Sin p2 a Sin q2 p3 3 14 2 Atn a g Atn e1 Sqr g g a a e1 e1 q3 3 14 2 p3 x3 f Cos p3 y3 b Sin p3 a Sin q3 m x3 x3 X1 X1 y3 y3 Y1 Y1 n X2 X2 x3 x3 Y2 Y2 y3 y3 t 2 x3 X1 Y2 y3 y3 Y1 X2 x3 xc m Y2 y3 n y3 Y1 t yc n x3 X1 m X2 x3 t c Sqr X1 xc 2 Y1 yc 2 o c a If o 0 9 And o 1 2 Then d yc e e1 xc x4 e1 a Cos q1 y4 a Sin q1 x5 e1 y5 0 k1 Y1 yc X1 xc c1 Atn k1 k2 y4 y5 x4 x5 x6 k1 X1 Y1 k2 x4 y4 k1 k2 y6 k1 x6 X1 Y1 l x6 s h1 y6 u s l If u 0 And d h1 5 And e 4 5 2 前梁强度校核前梁强度校核 5 2 1 前梁受力情况前梁受力情况 假定前梁千斤顶缸体内径先按下表标准取为 125mm 表 5 2 506380100110125140 145 200 210 220 230 250 则前梁千斤顶的支撑力为 5 2 223 0 12525 5 10 44 a FD P KN 8 312 图 5 1 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 KNp130 1200 250 6 625 在断面 A A 处的弯矩为 mKNM 4 140 12 0 2 1 130 前梁做成变断面箱形结构 A A 断面如下图所示 图 5 2 A A 断面 5 2 2 前梁强度计算前梁强度计算 1 形心位置 各板件的计算数据如下表所示 表 5 3 件号12345 数量 面积 形心位置 惯性矩 1 138 0 5 11 6 2 16 9 340 1 123 17 5 10 2 74 19 5 4220 4 48 9 1024 结构件的形心位置为 5 3 F y F y n n n c cm25 11 484742123162138 9484 5 19742 5 1712391625 0138 2 惯性矩 5 4 2 yy FJ cn nn J 25 119 16340 2 25 115 0 138 6 11 22 25 11 5 19 744220 2 25 11 5 17 12310 22 53790 25 119 481025 4 2 4 cm 3 弯曲应力 5 5 J M yc 38 53790 25 1138 4 140 10 5 2 15 6982cmN 4 安全系数 钢板材料选取 16Mn 2 5 34335 N cm 5 6 5 15 6982 34335 s n 5 3 主顶梁强度校核主顶梁强度校核 5 3 1 主顶梁受力情况主顶梁受力情况 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 A P 1601 4cos8 2 654 1 661 o mKN 7 1574 图 5 3 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 图 5 4 5 3 2 主顶梁强度计算主顶梁强度计算 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 5 7 nn c n F y y F 9 11 5 524 9 11 8 2724 2 6 7328 0 2 139 1 114 30 2 219 252 2 215 352 2 21 1 37211 8 182 4 30 9 252 1 372 2 524 8 272 6 732 9 13 cm46 10 表 5 4 件号123456789 数量 n F 2 cm n y 2 cm n j 4 cm 1 139 2 0 8 29 7 2 73 6 2 4 31 4 2 27 8 11 9 1404 8 4 52 2 11 9 5268 2 18 8 11 1107 4 2 37 1 21 2 5447 7 2 35 2 21 2 5166 2 25 9 21 2 3804 1 30 4 11 2 914 5 2 惯性矩 5 8 2 yy FJ cn nn J 46 104 2 6 73 4 31 2 46 108 0 2 139 7 29 22 46 10 9 11 2 525268 4 46 10 9 11 8 2714048 2 22 46 10 2 21 12 37 7 5447 2 46 1011 8 18 4 1107 2 22 46 10 1 11 4 30 5 914 2 4 54584cm 3 弯曲应力 5 9 J yM c 22 54584 46 1022 10 7 1574 6 2 33496cmN 4 安全系数 钢板材料选取 16Mn 2 34335 s N cm 025 1 33496 34335 s n 5 4 掩护梁强度校核掩护梁强度校核 5 4 1 掩护梁受力情况掩护梁受力情况 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 图 5 5 掩护梁受力图 最大弯矩发生在前连杆处 其值为 mKNM 7 141670sin89 2096719 0 最大弯矩处的断面表示如下图所示 图 5 6 5 4 2 掩护梁强度计算掩护梁强度计算 1 形心位置 各板件记算数据如下表所示 表 5 5 件号12345 数量11142 n F 2 cm 1561501751839 n ycm 0 64 414 81427 n J 4 cm 17 2673 52960 1249 414 2 结构件的形心位置 5 10 F y F y n n n c 141848 141754 41506 0156 239418175150156 27392 cm23 10 631 6 6457 2 惯性矩 5 11 2 nnnc JJF yy 23 104 4 150 5 673 23 106 0 1562 17 22 23 1014 18 4 249 23 10 8 14 175 1 2960 22 23 1027 392 14 2 2 8977 3cm 3 弯曲应力 J M yc 30 5 1416 7 10 30 10 23 89773 3 2 31198 76 N cm 4 安全系数 钢板材料选取 Mn16 2 34335 s N cm 34335 1 1 31198 76 s n 5 5 底座强度校核底座强度校核 5 5 1 底座受力情况底座受力情况 底座受力如下图所示 图 5 7 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 0M 1 1601 4cos8 1100 1587 1601 4sin8200 1601 4cos41587 ooo P 1601 4sin42002725 9sin389702725 9cos38 ooo 3300 50059cos89 2096 KN 9 17083300 1 56393573300 1 53998904 2148 67 1627884 6 22341253523136 4457467 4261085 最大弯矩发生在前柱窝处 最大弯矩为 mKN PM 56 1047 587 1 1 13 3 1max 最大弯矩处截面如下图所示 图 5 8 5 5 2 底座强度校核底座强度校核 1 形心位置 各板件的计算数据列于下表 表 5 6 序号123 数量261 n Fcm2 8193270 n Ycm 3417 51 n J cm4 30 37447 7590 结构件形心的位置 F y F y n n n c 270936812 1270 5 1793634812 cm 7 15 2 惯性矩 2 yy FJ cn nn J 7 15 5 17 9375 7447 6 7 1534 81 3 30 2 22 7 151 90 2 4 101113 29cm 3 弯曲应力 J M yc 35 5 1047 56 10 35 15 7 101113 29 4 19995 3 N cm 4 安全系数 钢板材料选取 16Mn 2 34335cmN s 72 1 3 19995 34335 s n 5 6 销轴和耳座的强度校核销轴和耳座的强度校核 5 6 1 耳座的校核 耳座的校核 支架所有连接处的耳座 要受到拉伸或挤压的作用 所以要进行拉伸 和挤压的强度校核 耳板在挤压的作用下的应力按下式计算 5 11 3 10 e Ra MPa Zbd 挤 式中 作用在销轴上的合力 R KN 偏载系数 一般取 e a 1 2 e a 耳板数量 Z 耳板厚度b 耳板受挤压的投影面积 bd 挤压安全系数为 5 12 1 7 nn 挤s 挤挤 式中 取 1 3 n 耳板受拉的危险截面为销轴直径处 其拉力为 5 13 e e Ra Z Bd b 拉 MPa 式中 耳板宽度 e B 安全系数为 式中 取 1 3 nn s 拉 n 5 6 2 销轴的强度校核 销轴的强度校核 为了简化校核步骤 把销轴与耳座的支反力按集中载荷进行计算 而 且这样校核比用均部力模型进行计算更加安全 设销轴截面积为 抗弯模数为 所受剪力为 则销轴弯曲应力 e F c MR 和剪应力分别为 n 5 14 c n M W 5 15 e R F 其合成应力为 5 16 22 3 n 安全系数为 1 3 s nn 合 1 前梁与主顶梁连接处的销轴 销轴 直径 材料 60mm20CrMo685 s MPa 前梁和主顶梁上的耳座尺寸相同 宽 200 m Bmm 厚度 材料 30bmm 16Mn343 s MPa 拉力 2222 220 810771099 aaa RXYKN 0 1099 274 8 44 R RKN 销轴 3 3 0 1099 274 821205 75 4432 Rd RKNWmm 274 8 205496 c MRbNm 5 17 5496 259 17 21205 75 c n M MPa W 5 18 3 2 274 8 10 97 24 e R MPa Fr 2222 3259 173 97 24309 1 n MPa 合 5 19 685 2 211 3 309 1 s nn 合 所以 销轴设计合理 2 前梁上耳座 工作中耳座受拉 因此应校核其拉应力 拉力 2222 220 810771099 aaa RXYKN 拉应力为 3 1099 101 2 117 75 42006020 ae e R a MPa Z Bd b 拉 安全系数 685343 2 911 3 117 75 s nn 合 主顶梁上的耳座拉应力 5 20 3 1099 101 2 117 75 42006020 ae e R a MPa Z Bd b 拉 安全系数 685343 2 911 3 117 75 s nn 合 主顶梁与掩护梁连接用销轴和耳座 后连杆与掩护梁及底座连接用销 轴 前梁千斤顶用销轴及耳座校核 推移千斤顶用销轴和耳座校核同上 经校核均符合要求 5 7 立柱强度的校核立柱强度的校核 5 7 1 立柱稳定性校核立柱稳定性校核 油缸的稳定性校核 参考机械工业出版社的 机械工业设计手册 5 一根受压的直杆 在起负载力超过稳定临界力时 就不能保持其原有P k P 直线状态下的平衡而失稳 所以 液压缸的稳定性条件为 5 21 k K P P N 式中 活柱最大推力 P KN 液压缸稳定临界力 k P KN 稳定安全系数 一般取 k n 2 4 k n 液压缸的稳定临界力值与活塞杆和缸体的材料 长度 刚度及其两端 支撑状况等因素有关 由于缸体的刚度大都大于活塞杆的刚度 而且缸体 在理论上不承受负载的轴向压力 故液压缸的稳定性主要取决于活塞杆的 条件 如果液压缸在压缩工况下的最大挠度 的位置 发生在由导向中 max 心偏向活塞杆一侧 时 液压缸的稳定临界力可按等截面杆 截面 1 xl 等于活塞杆截面 来考虑 若是最大挠度点偏向缸体一侧 则应按 1 xl 不等截面阶梯杆来计算 判别最大挠度点位置的值可由下面的公式求得 x 5 22 111 2280 2 E JJ x PP 式中 活塞杆断面惯性矩 1 J 4 cm 立柱的基本参数如下 890 2 m PKN 5 23 4444 4 12 1 1714 2212 96 6464 dd Jcm 式中 立柱活柱的外径 1 d cm 立柱活柱的内径 2 d cm 活塞杆头部到最大挠度处的距离 一般来说挠度最大处发生在 1 l 活塞杆与缸体的交接处 即导向套处 但支撑高度为最大时 机械加长 杆利用全部 3 段加长段 支撑高度上连接销轴到顶梁上顶面的距离下连接销轴到底 1 l 座下底面距离缸体长度 1 2600 1802209501250mm l 8 1 3 2212 96 10 22800 010410 4 890 2 10 xmmml 所以 液压缸的稳定临界力可按等截面来考虑 计算柔度 l i 式中 活塞杆计算柔度 长度折合系数 由于立柱两端支撑 所以取 1 活塞杆计算长度 l 2600 1802202200lmm 活塞杆横断面的回转半径 i 5 25 4 11 2222 12 1869 435 10 56 170146 44 JJ imm A dd 柔性系数 查表 4 5 得 材料 12 1 100 2 60 27SiMn 1 2800 50 56 所以 活塞杆不会失稳 只抗拉强度不足而损坏 故只需进行强度校核 5 7 2 活塞杆强度校核计算活塞杆强度校核计算 油缸的挠度 1 5 26 121 2 0 1 2 1 cos 22 m l lG l l alP l 活塞杆与导向套处的最大配合间隙 1 cm 活塞与缸体处的最配合间隙 2 cm 活塞头部销孔中心至最大挠度处 即导向中心 的距离 1 l cm 缸体尾部销孔中心至最大挠度处的距离 2 l cm 缸体全部外伸时 液压缸两端销孔间的距离 l cm 活塞杆全部外伸时 导向套前端到活塞滑动面末端的距离 a cm 活塞杆最大推力 P KN 液压缸自重 0 G KN 液压缸轴线与水平面的夹角 活塞杆与导向套的配合为 活塞与缸体处的配170 9 171f 0 1353cm 合为 18010 178 5H 2 0 11 1 133 21 26 8 106158 4lcm 2 953 591 5lcm 12 158 491 5249 9lllcm 2 1113acm 890 2360PKNKg 质量约为 m360Kg360 9 83 528GmgKN 83o 把以上参数代入上式得 0 0 13530 11158 4 91 53 528 158 4 91 5 cos830 5612 2 13 249 92 890 2 249 9 cm 活塞杆的合成应力 5 27 0mmm x PPP l AWW 合 5 28