重型超静定液压支架设计说明书论文

中国矿业大学2011届本科生毕业设计第1页摘要综合机械化采煤，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。而液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一，它的发展直接影响采煤技术的提高。但是，由于常规的液压支架都比较笨重、成本高、运输、安装都不方便。本文所设计的CJYZ重型超静定型液压支架是一种可自移式支架，具有整体性好、支护安全、能够自移，对工作面支护适应性强，重量轻，成本低，运输、安装、拆卸、使用均比较方便的特点。本文介绍了：支护设备的发展历史及最新动态；液压支架的发展历程及发展趋势；液压支架的组成、作用和分类；液压支架的液压控制系统；液压支架设计的一般步骤；液压支架的操纵、维护、故障分析及处理等。在CJYZ重型超静定型液压支架的设计过程中，着重对支架结构、液压系统、底座、顶梁和立柱，以及立柱与底座和顶梁的连接方式进行了分析和设计。对重要结构件如前梁、顶梁、底座和铰接销轴等进行了分析，根据其常见失效形式、影响因素及基本设计要求，给出了重要结构件的受力分析、强度和刚度的设计方法。在该支架的设计过程中，采用了超静定的结构型式和悬浮式液压立柱的新概念，根据活柱和油缸的受力特点，进行了受力分析和强度计算。关键词：超静定；液压支架；悬浮立柱；结构设计；强度分析。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第2页ABSTRACTThecomprehensivemechanizationofcoalminingistheaccelerationofcoalindustrialdevelopmentofourcountry,raiseslaborproductivitysubstantially,astrategicmeasureofcoalindustrytorealizesthemodern.Synthesizemechanizationnotonlyoutputbig,efficiencyhigh,haslowcostandcanalleviateheavyphysicallaborandimprovementworkingenvironment,isthetechnologyofcoalindustrydevelopdirection.Hydraulicsupportisoneofthemostimportantequipmentinthecomprehensivemechanizationmethodofcoalmining,itsdevelopmenteffectsthecoalminingtechnologyimprovementdirectly.But,becausetheconventionalhydraulicsupportisquiteunwieldy,thecostishigh,thetransportationandtheinstallmentisnotconvenient.CJYZheavystaticallyindeterminatehydraulicsupportthatdesignedinthispaperisonekindofSelf-advancehydraulicsupport,whichcanbeusedbetweenupscalecommonmechanizationcoalminingandcomprehensivemechanizationcoalmining,hasthecharacteristicofintegritywell,supportsafe,canself-advancing,adaptabilitystrong,theweightlight,thecostlow,thetransportationinstallment-disassemblyandtheusequiteconvenient.Thefollowingsareintroducedinthispaper:thedevelophistoryandlatestdynamicstateofthesupportequipmentsatdomesticandinternational;thedevelophistoryanddevelopdirectionofthehydraulicsupport;components,functions,andtypesofthehydraulicsupport;thehydrauliccontrolsystemofthehydraulicsupport;thenormaldesignprocessofthehydraulicsupport;thehydraulicsupportsoperation,maintenance,faultanalysisandprocessingandsoon.InthedesignprocessofCJYZheavystaticallyindeterminatehydraulicsupport,thispaperwillfocusontheanalysisanddesignofthestructureofhydraulicsupport,thehydraulicsystem,base,top-beamandleg,aswellastheconnectionmethodoflegwithbaseandtop-beam.Theimportantstructure,suchasex-beam,top-beam,base,hingedpinaxisandsoon,areanalyzed.Accordingtoitsfailures,affectingfactorsandbasicconsiderations,thedesignmethodofthestrengthandstiffnessoftheimportantstructureisintroduced.Thenewideaofhydraulicpropwithsuspendinghollowplugisusedinthissupport,andfollowsitstechnicalprincipleandstructuralcharacteristics,theforceanalysisandstrengthcalculationareintroduced.Keywords：staticallyindeterminate;hydraulicsupport;suspendedleg;structuredesign;strengthanalysis中国矿业大学2011届本科生毕业设计第3页目录1绪论1.1支护设备的发展历史11.1.1单体支柱的发展历史11.1.2液压支架的发展历史21.2我国液压支架的发展历史21.3液压支架的用途、分类和结构31.3.1液压支架的用途31.3.2液压支架工作面状态及布置31.3.3液压支架的分类41.3.4液压支架的机构型式及特点71.4液压支架的组成81.5液压支架的支护方式81.6液压支架的工作原理91.6.1支架升降和推移91.6.2支架的承载过程91.7采煤工作面液压支架设计的目的、要求和设计支架必要的基本参数91.7.1设计的目的91.7.2对液压支架的基本要求91.7.3设计液压支架必需的基本参数101.8本文所做的主要工作102液压支架整体结构设计2.1液压支架主要尺寸的确定112.1.1支架的高度和支架的伸缩比11中国矿业大学2011届本科生毕业设计第4页2.1.2支架间距和宽度的确定112.2底座的长度的确定122.3顶梁长度的确定122.3.1支架工作方式对顶梁长度的影响122.3.2顶梁长度计算123液压支架部件设计3.1前梁的设计143.1.1伸缩式前梁143.1.2挑梁式前梁143.2顶梁153.2.1主要作用153.2.2结构形式153.2.3顶梁结构和断面形状163.2.4顶梁侧护板173.3底座193.4推移装置203.5立柱和千斤顶的设计213.5.1立柱类型223.5.2悬浮式液压支柱的优点233.6喷雾降尘系统的设计233.6.1喷雾降尘系统的组成233.6.2设计原则243.7液压系统的设计243.7.1液压系统的特点243.7.2拟定液压系统25中国矿业大学2011届本科生毕业设计第5页3.8液压支架的主要技术参数263.8.1支护面积263.8.2支护强度和效率264立柱结构设计和强度计算4.1单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定274.1.1单伸缩立柱缸径的确定274.1.2站压力的确定274.1.3立柱初撑力的计算274.1.4立柱工作阻力的计算284.1.5立柱缸体壁厚的计算284.2立柱强度和稳定性验算294.2.1立柱缸体强度验算304.2.2立柱稳定性验算314.2.3立柱活塞杆强度验算334.2.4立柱的纵向弯曲稳定性计算355液压支架受力分析5.1概述375.1.1支架工作状态375.1.2计算载荷的确定375.2支架的受力分析与计算385.2.1前梁的受力分析与计算385.2.2主顶梁的受力分析与计算395.2.3底座的受力分析与计算395.3顶梁的载荷分布405.4底座接触比压42中国矿业大学2011届本科生毕业设计第6页5.5前梁千斤顶参数的确定425.6推移千斤顶参数的确定435.7侧推千斤顶参数的确定445.8液压支架主要技术参数一览表446液压支架强度计算6.1强度条件476.2前梁强度校核476.3顶梁强度校核526.4底座强度校核556.5支架是否倾倒校核596.6销轴及耳板的强度校核607液压支架的使用、维护与发展7.1液压支架操作维护要求647.2液压支架操作647.3液压支架操作管理事项647.4维护和管理具体内容657.5液压支架的故障排除667.5.1结构件和连接销轴667.5.2液压系统及液压元件667.5.3支架在操作过程中的问题677.6液压支架的发展趋势688液压支架防倒防滑及调架装置的设计研究8.1液压支架防倒防滑及调架装置的设计研究699液压支架的研究途径和现代设计方法9.1液压支架的研究途径70中国矿业大学2011届本科生毕业设计第7页9.2液压支架的现代设计方法709.3本文存在的问题71结论72参考文献73翻译英文原文74中文译文79致谢83中国矿业大学2011届本科生毕业设计第8页1绪论我国煤炭储量十分丰富，1979年世界能源会议估计我国煤炭资源为15000亿吨，其中煤层厚度大于3.5米的厚煤层占40%左右。从采煤工艺看，我国1972年开始装备综合机械化采煤，至1990年已经达到29.8%。当时对厚度在3.55米的煤层多采用一次采全高工艺，特别是大采高支架，平均单产可超过3万吨，最高超过6万吨，最高月产142211吨。然而，对于厚度大于5米的特厚煤层的开采，存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题，尽管分层开采技术较为成熟，但其成本高、工序多，影响效率。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。综合机械化采煤不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻繁重的体力劳动，改善工人的作业环境，保护工人的生命安全，是煤炭工业技术的发展方向。我国综采技术日趋成熟，不但生产水平，而且工艺水平已进入世界先进行列。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约为综采设备总重量的80%-90%，其费用约占综采设备总费用的60%-70%。因此，为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。依靠科技进步，建设高产高效矿井，实现煤矿生产的机械化、自动化和安全高效，是煤炭工业发展的根本出路。改革开放以来，我国煤炭科学技术取得了突飞猛进的发展，开采工艺及装备水平不断提高，机械化程度逐年上升，安全生产状况显著改善，高产高效记录不断刷新。一大批创新科研成果不断涌现并推广应用，使我国煤矿开采技术跻身世界先进行列。1.1支护设备的发展历史煤矿支护设备是保证回采工作面正常生产和安全生产的重要设备之一，也是煤矿工作面使用规模最大、耗费资金最多的煤机产品。目前世界各国使用的煤矿支护设备主要是回采工作面单体支柱和回采工作面液压支架。回采工作面使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支柱和自移式液压支架。它们与采煤机和工作面输送机分别组成“普采”、“高档普采”和“综采”设备。1.1.1单体支柱的发展历史我国所使用的单体支柱主要有：1、木支柱2、金属摩擦支柱3、DZ型单体液压支柱4、DWX悬浮式液压支柱20世纪50年代出现了木支柱，它是一种古老而又简陋的支护材料，没有初撑力，也没中国矿业大学2011届本科生毕业设计第9页有恒增阻降距，支撑力也无法保证，而且也浪费了大量的木材。20世纪60年代出现了单体金属摩擦支柱，与木支柱相比可节省大量木材，而且也可复用。但是它不能保证恒增阻降距，支撑力受温度、湿度及操作工人的人为等不可控制的因素很多，顶板随时都有发生冒顶伤亡事故的可能。20世纪80年代出现了DZ型单体液压支柱，与前两种单体支柱相比可保证恒增阻降距，支撑力也能得到控制，但是由于这种支柱存在内泄露，因此存在严重的安全隐患。在20世纪90年代末，中国矿业大学矿山机械研究所所长李炳文教授成功研制了DWX型悬浮式单体液压支柱。该项产品凝聚了李教授十余年的心血。通过各项指标测试和现场应用证明，DWX型悬浮式单体液压支柱具有显著的优点，能够切实地保证矿工的生命安全，它必将取代以上三种单体支柱。1.1.2液压支架的发展历史液压支架的发展从20世纪50年代开始1954年，英国研制出剁式支架。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，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并与1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起剁式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好。为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT形掩护式支架的基础上作了许多改进：1、利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。2、利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以保持端面距基本不变。3、将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且开辟了液压支架设计的新时代。4、1964年，英国国家煤炭局实施的液压支架试验规范；1965年，F.Dobson等人研制的刚中国矿业大学2011届本科生毕业设计第10页性底座都促进了液压支架的进一步发展。60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。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。并且，为适应底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。1981年杜赛尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计了强力液压支架等。1.2我国液压支架的发展我国研制液压支架起步也不算晚。1959年10月，原北京矿业学院设计了三种液压支架。1961年设计了“本溪-型”支架，并制造出样机进行井下试验。1965年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。1967年，太原煤炭研究所首次研究出四组迈步式支架，经修改后于1972年由郑州煤矿机械厂制造，并进行井下试验。1970年又为大同矿务局设计了TZ-140型支架，在此基础上研制出TZ-支架，开发了TZ-IB、TZ-、TZ-、TZ-和TZ-型等液压支架。1973年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。此外，有关院校、研究所和制造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如ZY-3、WKM-400、BZZB、KD-280和FX-440等。这些液压支架由于受到多种因素的限制，虽然使用效果不佳，几乎全被淘汰，但为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974年和1979年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了48套和100套综采设备。国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。到1983年末，全国在籍的各类支架共31990架。其中，国产支架64套，其性能质量和使用效果都是早期支架所不能比拟的。从70年代至今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出30余种不同结构型式的液压支架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架，如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。其中，20多种支架已通过鉴定，五种支架获奖。总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。1.3液压支架的用途、分类和结构1.3.1液压支架的用途中国矿业大学2011届本科生毕业设计第11页在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板支护。而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设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。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。1.3.2液压支架工作状态及布置图1.1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，提高采煤工作效率。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第12页图1.1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1.3.3液压支架的分类液压支架分类的方式很多，主要可以按照支架与围岩的相互作用关系、立柱布置方式、使用条件和结构特点等来分类。1、按照支架与围岩的相互作用和立柱布置特点分类如图1.2所示。2、按使用条件分类表1-1详细表示了支架按使用条件分类情况。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第13页图1.2液压支架的分类表1-1按使用条件分类表分类标准具体分为厚煤层一次采全高支架（3.5m）中厚煤层支架（1.3mh3.5m）使用高度薄煤层支架（1.3m）使用倾角缓倾斜工作面支架（25）中国矿业大学2011届本科生毕业设计第14页倾斜工作面支架（2545）倾斜工作面支架（45）放顶煤支架机械铺（连）网支架采煤工艺充填支架排头支架端头支架工作面支架使用地点顺槽超前支架3、按主要结构特点（表1-2）表1-2按主要结构特点分类分类标准具体分为分类标准具体分为四连杆式本架控制单铰点式邻架控制调高机构摆杆式控制方式成组控制和顺槽控制插腿式单架式配套方式不插腿式组合方式组合式1.3.4液压支架结构型式及特点根据用途和在采煤工作面的安装位置，液压支架分为两大类，即端头支架和中间支架。端头支架安装在采煤工作面两端与顺槽连接处。由于此处顶板悬露面积较大，综采设备较多，又是人员的安全出口，要求端头支架不仅能支护顶板，而且要与端面处的各种机械设备相适应。因此，端头支架具有特殊性。一般来说，它的顶梁较长，支护空间较大，具有较大的支撑力，并兼有支撑和锚固作用，其整体性和结构强度均较高。中间支架安装在除端头支架以外的采煤工作面的全部作业位置。其作业是确保采煤工作面人员与设备的安全，并实现顶板管理与支护以及采煤作业过程机械化。因此，一方面，要求中间支架工作可靠，使用方便，易于制造和运输，在整个服务年限内使用费用的总和最低；另一方面，要求中间支架的结构即及布置方式采场围岩的运动规律，与其支护的工作面顶板压力相适应，兼有支撑和掩护作用既能支撑住采煤工作面下沉的顶板，又能防止矸石涌入中国矿业大学2011届本科生毕业设计第15页工作面。液压支架的分类主要是对中间支架进行分类。中间支架按其结构及与围岩相互作用方式可分为:支撑式、掩护式和支撑掩护式三大类，如图1.3。后两类又统称为掩护型液压支架。1、支撑式液压支架支撑式液压支架是利用立柱与顶梁直接支撑和控制采煤工作面顶板的，没有掩护梁。其顶梁较长，立柱较多，一般呈垂直布置，联结着顶梁和底座，无法承受水平作用力，这是此种支架的最大弱点；靠立柱支撑顶梁来维持一定的工作空间；顶板岩石则在顶梁后部垮落。这类支架的特点是：具有较大的工作阻力和良好的切顶性能，通风面积大；采区防矸不严密；由于顶梁较长，对顶板重复支撑次数多；适用于老顶来压强烈的或直接顶稳定和坚硬的顶板。按其结构和工作方式的不同，支撑式液压支架又可分为垛式和节式两种。2、掩护式液压掩护式液压支架是利用立柱、顶梁、及掩护梁来支撑顶板和防止顶板岩石涌入工作面。其顶梁较短，立柱较少，一般呈倾斜布置，联结着顶梁和底座或掩护梁和底座；掩护梁直接与冒落的矸石接触，靠其掩护作用来维持一定工作空间；顶板岩石则在掩护梁后部垮落。掩护式液压支架的特点是:调高范围大，适应煤层厚度变化的能力强，调高比一般可达2.3左右，甚至超过了3；支撑煤壁合力靠近煤壁，能较好的维护裸露的顶板；顶梁短，减少了反复支撑顶板的次数，有利于保持顶板的完整；架间密封较严，能有效的防止窜矸露矸；由于采用了四连杆机构，支架抗侧向能力大，稳定性好，立柱不承受水平作用力；立柱少，移架速度快；平衡千斤顶可以来调节顶梁的工作状态，提高支架对不同顶板的适应性，能适用倾角较大的煤层；重量轻，长度小，便于运输和安装；造价低。较少了整套综采设备的投资。由于掩护式液压支架的这些优点，目前它已经成为世界各主要产煤大国研制和使用的重点架型。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第16页图1.3液压支架结构型式a)支撑式b)掩护式c)支撑掩护式1前探梁2顶梁及其侧护板3掩护梁及其侧护板4前连杆5后连杆6底座7立柱8推移千斤顶9平衡千斤顶10操纵阀与控制阀11护帮机构12护帮千斤顶13前梁千斤顶14挡矸帘3、支撑掩护式液压支架顾名思义，支撑掩护式液压支架是以支撑为主，掩护为辅，兼有掩护式和支撑式液压支架的结构特点的一种支架。它利用支撑和掩护的双重作用来维持一定的工作空间。这类支架的特点式：立柱较多，垂直支撑或立柱倾角较小，工作阻力大，切顶性能较好；采用掩护梁，架间密封，挡矸掩护性能好；采用四连杆机构，能承受侧向力；适用范围较宽。1.4液压支架的组成根据各部件的功能，液压支架的组成可归纳为五个部分见表1-3。表1-3液压支架组成表序号部件功能举例1承载结构件承受并传递顶板载荷作用的结构件顶梁、掩护梁、底座、连杆2动力油缸用液体作介质可以主动产生作用力，实现各种动作的油缸立柱、各类千斤顶3控制元部件操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压（电气）元部件操纵阀、单向阀、安全阀及管路、液压（电控）元件4辅助装置不直接承受顶板载荷，而实现支架某些动作或功能所必须的装置推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置5工作液体传递能量的工作液压介质乳化液1.5液压支架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。具体的循环方式见表1-4。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第17页表1-4液压支架的支护方式表支护方式循环方式支护特点应用条件即时支护割煤移架推溜支护滞后时间短适用于各种顶板条件，应用最为广泛滞后支护割煤推溜移架支护滞后时间较长可用于稳定、完整的顶板条件，较少支架结构紧凑，目前应用复合支护割煤支架伸出探梁推溜移架支护滞后时间短但增加了反复支撑可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，目前应用较少PO192345681720图1.4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1.6液压支架工作原理1.6.1支架升降和推移当操纵阀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。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第18页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。1.6.2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。1.7采煤工作面液压支架设计要求和设计必要的基本参数1.7.1设计目的采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。但是，由于常规的液压支架都比较笨重、成本高、运输和安装都不方便，一般的煤矿没有能力武装一个大型的综采工作面。基于以上原因本文设计了八型液压支架。八型液压支架是一种轻型液压支架，成本低、安装和拆卸方便，实现了很高的性价比。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第19页1.7.2采煤工作面对液压支架的设计要求为了满足长臂工作面的生产要求对液压支架提出了以下要求：1.能有效的控制顶板。具体有这些要求：能适应顶板下沉、来压及冒落的特性；能防支架前方与上方冒顶；不应出现陷底而影响性能与移架。2.保证安全的工作空间。具体要求如下：有宽敞的工作空间；能很好的防矸、排矸；能良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。3.应该适应煤层地址条件变化。要求支架有足够的调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层等条件；适应煤层倾角变化。4.能够保证正常的生产循环。也就是说应保证正常移架、推溜；能与采煤、运输等工艺准确配合；运输，安装，搬家方便；还得便于维修。5.最后对于投资者来说，应该保证初期投资低、维修费用低。1.7.3液压支架设计的基本参数1.顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。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。3.瓦斯等级根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。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。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.配套尺寸中国矿业大学2011届本科生毕业设计第20页根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.8本文做的主要工作毕业设计名称：重型超静定液压支架参数如下：（1）要求工作阻力10000KN；（2）最大支撑高度4.2m。本次设计主要工作如下：超静定结构的设计、各个结构件的结构设计、各结构件的受力分析及强度校核、液压立柱的设计及支架液压控制系统统原理设计。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第21页2液压支架整体结构设计2.1支架主要尺寸的确定2.1.1支架的高度和支架的伸缩比一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。由于我国急斜煤层煤层厚度都比较大，煤层厚度在2080m之间，所以按厚煤层高度的确定原则来确定该放顶煤液压支架的高度。（200300）（2.1）maxaHM（300400）（2.2）ini式中：支架最大高度（mm）；max支架最小高度（mm）；inH最大采高（mm）；maxM最小采高（mm）。in根据任务书要求，本设计支架最大高度。max420H支架最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大的调高范围给支架结构设计造成困难，且可靠性降低。由于此次设计对最小采高无具体限制，并且放顶煤液压支架的调高范围无需太大，取支架的调高范围为1700mm,则支架的最小高度min4201750Hm支架的伸缩比系指其最大高度与最小高度之比值。即：(2.3)maxin代入有关数据，得中国矿业大学2011届本科生毕业设计第22页4201.685m2.1.2支架间距和宽度的确定大宽度为1580mm,亦即顶梁侧护板侧推千斤顶的行程取180mm。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：（2.4）3cmbBnC式中：支架间距（支架中心距）；c每架支架顶梁总长度；mB相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；3C每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架nn=1；整体迈步式支架n=2；节式迈步支架，n=支架节数。支架间距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cb一节溜槽相连，因此目前主要根据输送机溜槽每节长度及帮槽上千斤顶连结块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连结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。大采高支架为提高稳定性中心距可采用1.75m,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1.25m。由于本次设计的支架架型较大故取支架的中心距为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170mm200mm。其中宽面顶梁一般为1200mm1500mm，节式支架一般为400mm600mm。本次设计取支架顶梁的最小宽度为1400mm,最大宽度为1580mm。2.2底座长度的确定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倍的移架步距（一个移架步距为0.6m），即2.1m左右，支撑掩护式中国矿业大学2011届本科生毕业设计第23页支架的底座长度取4倍的移架步距，即2.4m左右。而这里的超静定型轻型支架是一种新型支架，可参考支撑掩护式支架选型。综合考虑取底座长度为3.2m，底座宽度为1.2m。2.3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。2.3.1支架工作方式对顶梁长度的影响支架工作方式对支架顶梁长度有很大影响。先移架后推溜方式（及时支护）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（滞后支护）要求顶梁长度较小。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要长一个步距，一般为600mm。本次设计采用及时支护方式。2.3.2顶梁长度计算11coscos30(2.5)AQGPe顶梁长度配套尺寸底座长度式中：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；底座长度底座前端至后连杆下铰点之距。e支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；、支架在最高位置时，分别为下连杆和上连杆与水平面的夹角。1QP重型超静定液压支架综采选用的配套设备如下：采煤机为MXA-300/45型；前输送机为SGZ-730/320型。经过计算得该支架的顶梁长度为2900mm如图2.1所示。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第24页图2.1顶梁长度示意图图2.2三机配套尺寸图中国矿业大学2011届本科生毕业设计第25页3重型超静定液压支架主要部件设计此类重型超静定液压支架的设计要充分依据煤层的赋存条件，顶、底板状况，矿压大小，工作面倾角，及煤层厚度、层理裂隙发育情况、硬度和开采方法等，支架总体技术参数的确定应满足：（1）工作阻力、支护强度的要求；（2）稳定性要好，抗扭能力强；(3)顶梁、上连杆以至下连杆封性能好；(4)拉架力大，走得动；（5）能放煤，出煤易控制，(6)液压系统简单合理；(7)喷雾降尘装置可靠实用。这样在设计支架各个部件时，不仅要满足强度要求，还要总体性能好。重型超静定液压支架的主要结构有前梁（伸缩式和挑梁式）、顶梁、上连杆、下连杆、底座推移装置、立柱及各种千斤顶、液压控制系统等组成。3.1前梁的设计3.1.1伸缩式前梁图3.1伸缩式前梁伸缩式前梁（图3.1）在顶梁前部铰接，由前梁体和伸缩梁组成，均是结构件。其强度应根据前梁千斤顶的工作阻力来确定，伸缩梁可伸出600mm。按伸缩千斤顶的安装位置可分为埋入式和外装式。但不论何种，伸缩梁和前梁梁体间导向结构应简单，运行可靠，不能造成蹩卡现象，其端部承载力在未伸出时一般为100160kN。3.1.2挑梁式前梁挑梁式前梁（图3.2）由前梁和挑梁组成，均为钢板焊成的箱式结构件，前梁前部与挑梁铰接，并设有与前梁千斤顶，防片帮千斤顶铰接的耳座。强度设计按前梁千斤顶的工作阻力来计算，前梁前端承载力l00180kN，前梁下部有起吊孔，以便用于维修输送机等工作。挑梁由防片帮千斤顶控制转动，可及时支护顶板，采煤机通过前收回挑梁；应在强度、结构中国矿业大学2011届本科生毕业设计第26页允许的条件下，力求减少前梁和挑梁的总高，一般应小于400mm，不应超过450mm,以免影响采煤机通行。前梁一般前窄后宽，没有侧护板，但遇到软煤或顶煤稳定性差，也可设计成具有侧护板，用弹簧、千斤顶控制，解决端面控顶和粉尘问题。图3.2挑梁式前梁本设计采用图3.1示前梁结构。3.2顶梁3.2.1主要作用（1）、用于支撑、维护和覆盖顶板，为工作面创造安全的工作空间；（2）、将立柱的支撑力传递至顶板，并给予合理地分布；对支架后部接近采空区的顶板起切顶作用；对无立柱空间的顶板起支撑作用；（3）、为护帮、防倒装置等提供依托；（4）、将顶板载荷通过立柱经底座传到底板。中国矿业大学2011届本科生毕业设计第27页图3.3顶梁的结构型式1前梁；2后梁；3尾梁；4前梁千斤顶；5前梁伸缩千斤顶3.2.2结构型式超静定型液压支架的顶梁在设计过程中，参考了支撑式支架顶梁的结构型式。其结构型式如图3-1所示。图3.3a为整体刚性顶梁，顶梁为一整体，刚性大，承载能力较好。但对顶板的适应性差。图3.3b为铰接式顶梁，由前梁和后梁铰接而成，分别由前、后排立柱支撑。其中图3.3b为全铰接式，它能适应顶梁上方前、后顶板的变化，但当顶板出现凹坑时，顶梁易成人字形，影响支撑效果和切顶性能。半铰接式顶梁如图3.3c所示，它克服了全铰接式的缺点，当顶梁中部顶板出现凸起时，使前、后梁向上翘；当顶板出现凹坑时，由于交接点下部有平整碰头阻止，支架顶梁仍保持平整位置。图3.3d为刚性顶梁带铰接式前梁，顶梁由前、后梁铰接。在铰接前梁2安装有前梁千斤顶4，用来支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以使前梁上、下摆角，适应顶板起伏变化和增加顶梁前端的支撑能力。为了使冒落的顶板矸石滑向采空区