超静定薄煤层液压支架设计

本科生毕业设计姓名：学号：学院：机电工程学院专业：机械工程及自动化设计题目：超静定薄煤层液压支架专题：指导教师：职称：二O年六月毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日毕业设计答辩及综合成绩答辩情况回答问题提出问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日毕业设计任务书学院机电学院专业年级学生姓名任务下达日期：2011年3月1日毕业设计日期：2011年3月1日至2011年6月15日毕业设计题目：超静定薄煤层液压支架毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：（1）完成液压支架所有部件的结构设计，运用Pro/E建立其三维模型，实现运动仿真，绘制关键点的运动轨迹。（2）利用ANSYSWorkbench对液压支架的主要部件进行有限元分析，验证结构强度。（3）工作量要求：0#图纸不少于3.5张，说明书不少于70页院长签字：指导教师签字：摘要随着煤炭资源的日益减少，如何更好的实现对薄煤层的开采成为了一个重要话题。在我国西南部的很多矿区，薄煤层已经成为主采煤层。液压支架作为煤矿开采的重要支护设备，在保证工人的人身安全的同时，还要提高煤矿的生产效率。因此，研制高质高效的薄煤层液压支架具有重要的意义。传统的液压支架使用两柱或四柱支撑，工作阻力小，而且四连杆机构设计起来十分困难，最终只能用近似的双纽线实现顶梁端部的运动，顶梁仍然有倾向煤壁的趋势。本文设计的液压支架采用八根立柱支撑，支护阻力大，取消了四连杆机构，用立柱的液压力抵抗水平力，是液压支架设计方法的巨大进步。本文设计的内容主要包括：顶梁、底座、前梁、立柱等关键部件的结构设计，建立液压支架的三维模型，实现运动仿真，最后进行有限元分析校核关键部件的强度。设计的过程中参考了现有液压支架结构设计的优点，如顶梁的箱形结构、底座的底分式结构等。本设计的主要创新点在于：八根立柱对顶板实现密集支护，不仅提高了支护阻力，而且可以通过更换不同缸径的悬浮式立柱，实现支架的模块化设计、集成化装配和规模化生产，大大缩短了生产和检测周期，加快了我国综采机械化生产进程。薄煤层液压支架一般采用邻架控制，为了减少管路上的压力损失，方便人员的操作，设计了一种先导控制的液压系统，对液压支架液压系统的设计具有一定的参考价值。关键词：液压支架；超静定结构；运动仿真；有限元分析ABSTRACTWiththedecreaseofthecoalresources,howtominethethincoalseambetterbecameanimportanttopic.InthesouthwestofChina,thethincoalseamhasbeenthemainlyminingarea.Hydraulicsupportastheimportantsupportingequipmentincoalmining,notonlytoensurethesafetyofworkers,butalsotoimproveproductionefficiencyofcoalmine.Therefore,thedevelopmentofthehighqualityandhighefficienthydraulicsupportinthincoalseamhasvitalsignificance.Thetraditionalhydraulicsupportusingtwoorfourhydraulicpillarssupporttheroofofcoalseam,theforceofthesupportissmall,andthedesignoffourbarlinkageisverydifficult.BecausethemovementofthetopbeamcanonlyrealizewithapproximateDoublenewline,therearestillatendencyofcoalwalltrend.Thispaperintroducesthedesignofhydraulicsupportadoptedeighthydraulicpillars,cancelledfourbarlinkage,usingthehydraulicpressureresistlevelforce.Thedesignmethodofhydraulicsupportisagreatprogress.Themainofthispaperintroduce:Thestructureoftopbeam,basebeam,frontbeamandhydraulicpillarsandotherkeypartsofthehydraulicsupport,buildhydraulicsupports3dmodeltorealizethemovementsimulation,usefiniteelementanalysistoanalysethestructurestrengthofkeyparts.Thedesignprocessofthehydraulicsupportreferencethestructuredesignoftheexistinghydraulicsupport,suchastheboxstructureofthetopbeam.Themaininnovationofthisdesignis:eighthydraulicpillarstorealizeintensivesupporting,notonlyimprovesupportresistance,butalsocanthroughreplacingdifferentdiameterofthehydraulicpillarstorealizethemodulardesign,integratedassemblyandlarge-scaleproduction,whichgreatlyreducethecycleofproductionandtesting,andalsospeedupthemechanizationofmanufacturingprocess.Thincoalseamhydraulicsupportgeneraluseoftheneighboringsupportcontrol,inordertoreducethepressurelossonthepipeline,thedesignofthehydraulicsystemintroduceamethodofpilotcontrol,whichhassomereferencevalueforthedesignofthehydraulicsystem.Keywords:Hydraulicsupport；Superstaticsetstructure；Movementsimulation；Finiteelementanalysis目录1绪论11.1薄煤层开采技术11.2液压支架的用途及分类11.2.1液压支架的作用11.2.2液压支架的工作过程11.2.3液压支架的现场布置31.2.4液压支架的分类41.2.5液压支架的支护方式51.2.6对液压支架的基本要求51.3薄煤层液压支架的结构特点51.4液压支架的国内外现状及发展趋势61.5超静定结构的创新和优点92液压支架整体结构设计102.1液压支架的设计参数102.2支架的高度和支架的伸缩比102.2.1支架高度102.2.2支架的伸缩比102.3支架间距112.4底座长度的确定112.5顶梁尺寸112.5.1支架工作方式对顶梁长度的影响112.5.2顶梁长度112.5.3顶梁宽度122.5.4顶板覆盖率132.6立柱布置132.6.1立柱数132.6.2支撑方式133液压支架部件设计143.1顶梁143.1.1主要作用143.1.2结构型式143.1.3顶梁结构和断面形状153.2侧护板的设计173.2.1侧护板的作用173.2.2侧护板的结构型式173.2.3侧护板尺寸的确定183.3底座的设计193.3.1底座的作用193.3.2底座的结构形式193.4推移装置的设计203.4.1推移装置的用途203.4.2推移装置的要求203.4.3推移装置的结构213.5立柱的设计243.5.1立柱的类型243.5.2悬浮式液压支柱的优点243.6辅助装置的设计253.6.1护帮装置的设计253.6.2防倒装置的设计263.7液压支架的主要技术参数273.7.1支护面积273.7.2支护强度273.7.3支护效率273.8千斤顶参数的设计283.8.1推移千斤顶283.8.2侧推千斤顶284立柱结构设计和强度校核294.1单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定294.1.1单伸缩立柱缸径的确定294.1.2泵站压力的确定294.1.3立柱初撑力的计算294.1.4立柱工作阻力的计算304.1.5立柱缸体壁厚的计算304.2油缸稳定性验算和立柱强度校核314.2.1油缸稳定性验算314.2.2活柱强度验算314.2.3缸体与缸底焊缝强度验算335液压支架受力分析345.1概述345.1.1支架工作状态345.1.2计算载荷的确定345.2液压支架的受力分析与计算355.2.1前梁的受力分析与计算355.2.2主顶梁的受力分析与计算365.2.3底座的受力分析与计算375.3顶梁的载荷分布375.4底座接触比压386液压支架强度计算406.1强度条件406.2前梁强度校核416.3顶梁强度校核446.4底座强度校核486.5销轴及耳板的强度校核516.5.1前梁与顶梁联结处销轴的强度校核526.5.2前梁与顶梁联结处耳板的强度校核536.5.3立柱与底座处销轴的强度校核536.5.4立柱销轴支座的强度校核546.5.5其他地方销轴和耳板的强度校核557液压支架的液压系统设计567.1液压支架的液压系统简介567.1.1液压支架传动系统的基本要求567.1.2液压支架的液压传动特点567.1.3液压支架的控制方式567.2液压支架的液压系统拟定578液压支架的运动仿真和有限元分析598.1基于PRO/E的三维实体建模598.1.1建模的目的与意义598.1.2PRO/E中建模方法608.1.3PRO/E中虚拟装配628.1.4PRO/E中运动仿真638.1.5PRO/E仿真结果分析668.2基于ANSYSWORKBENCH12的有限元分析688.2.1虚拟压架实验698.2.2ANSYSWORKBENCH12有限元分析699结论7810参考文献7911翻译80外文原文80中文译文8412致谢91第0页1绪论煤炭工业是国民经济重要的基础产业。我国的薄煤层资源丰富，全国薄煤层的储量占全部可采储量的17.5，分布面广，煤质好。但由于薄煤层采煤生产效率低，经济效益差，部分煤矿不重视薄煤层的开采，造成许多薄煤层煤炭资源严重浪费。随着厚煤层及中厚煤层煤炭资源的逐渐减少，许多煤矿开始重视对薄煤层的开采工作。液压支架是现代化煤矿进行高效综采和安全生产最为关键的设备之一。无论是采用刮板输送机、滚筒采煤机和液压支架的综采技术，还是运行轨道、强力刨煤机和液压支架的综采技术，液压支架都是作为煤矿井下支护关键设备，因此，研究高质高效的薄煤层液压支架有着重要的意义。1.1薄煤层开采技术五十年代以前，我国在薄煤层中主要使用炮采工艺，以后使用了截煤机掏槽爆破落煤，并发展了薄煤层采煤机，六十年代开始采用刨煤机，并在技术上逐步得到完善。薄煤层开采应有合适的配套设备，目前，从国内外发展来看，比较理想的是刨煤机或爬底板式采煤机采煤，用液压支架进行支护，实现采煤机械化。在现有技术条件下，1.0m左右煤厚的煤层可用的采煤方法有：1传统的长壁炮采采煤法；2单体液压支柱高档普采采煤法；3薄煤层螺旋钻采煤法；4综合机械化采煤法。以上四种可行的薄煤层采煤方法中，第一、二种采煤方法由于工人劳动强度大，作业条件恶劣，生产效率低，同时不符合现代技术的发展方向，除个别开采条件过于复杂，难以使用综采机组开采的区域以外，不应推荐其作为主要的采煤方法。第三种采煤方法具有劳动强度较小，作业环境良好的优点，但由于其生产效率太低，难以使作为保护层开采的薄煤层开采和主采煤层的开采速度相配套，也难以作为薄煤层开采的主要采煤方法。只有薄煤层综采开采既具有工人劳动强度小、作业环境较好的优点，也具有安全高效的优势，满足了主采煤层高强度开采的需要，更代表了薄煤层采煤方法的技术发展方向,因此，对于薄煤层的高产高效提出了更高的要求。1.2液压支架的用途及分类1.2.1液压支架的作用液压支架是综采工作面的主要设备之一，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。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。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤设备，它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，液压支架是技术上先进、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。1.2.2液压支架的工作过程1支架的升降和推移第1页图1.1液压支架工作原理图1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀；7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管当操纵阀8处于升柱位置时，从乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀8处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。支架的前移和推移输送机是通过操纵阀7和推移千斤顶4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶4的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，在把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀7置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。2支架的承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。（1）初撑阶段在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。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。（2）承载增阻阶段支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。（3）恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高。当升高到安全阀5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，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。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。支架的支撑力和时间的关系曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1.2所示。第2页图1.2支架的工作特性曲线t0初撑阶段；t1增阻阶段；t2恒阻阶段；p1初撑力；p2工作阻力1.2.3液压支架的现场布置图1.3液压支架在工作面布置示意图1采煤机2液压支架3传送带输送机4转载机5刮板输送机6主进液管7主回液管8乳化液泵9乳化液箱10端头支架11单体液压支柱图1.3所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由滚筒、采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板及时支护，常采用先移架后推溜的方式。采煤机每切割一刀，液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。A-A截面是采煤机割煤前支架的工作状态。此时，推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态，端间距为零，输送机紧靠煤壁。采煤机割煤后，支架尚未前移时（B-B截面），端面距最大（等于采煤机截深）；当支架降柱卸载前移，然后升柱支护新裸露顶板时，端面距又达到最小（C-C截面）。支架支撑顶板后，以其为支点操作推溜千斤顶。将输送机推向煤壁，实现推溜。此时，推溜千斤顶的活塞杆又处于伸出状态（D-D截面），以便完成下一个动作过程。随着采煤机割煤的继续，工作面液压支架不断重复上述四个主要动作过程。从而对第3页顶板进行及时支护，防止顶板冒落，保持一定的作业空间，确保综采工作面人员和设备的安全，实现顶板管理及采煤作业过程机械化，提高采煤工作