液压支架组成及工作原理毕业论文.doc

华北科技学院毕业设计 论文 1 液压支架组成及工作原液压支架组成及工作原 理毕业论文理毕业论文 目录目录 绪论绪论 1 1 1 液压支架概述液压支架概述 2 1 11 1 液压支架的组成及工作原理液压支架的组成及工作原理 2 1 1 1 液压支架的组成 2 1 1 2 液压支架的工作原理 5 1 21 2 液压支架的类型和结构液压支架的类型和结构 6 1 2 1 支撑式支架 8 1 2 2 掩护式支架 8 1 2 3 支撑掩护式支架 9 1 2 4 特种支架 10 2 2 实体建模和虚拟现实简介实体建模和虚拟现实简介 11 2 12 1 参数化设计软件参数化设计软件 P PRORO ENGINEER ENGINEER 11 2 22 2 VRMLVRML 虚拟现实语言虚拟现实语言 12 2 2 1 VRML 的发展史 12 2 2 2 VRML 的工作原理 13 3 3 支撑掩护式液压支架总体方案选择支撑掩护式液压支架总体方案选择 23 3 13 1 采煤工作面顶板组成及其分类采煤工作面顶板组成及其分类 23 3 1 1 顶板组成 23 3 1 2 顶板稳定性特征及分类 23 3 23 2 支架架型选择支架架型选择 23 3 2 1 液压支架选型准则 25 3 2 2 围岩可控性分组 26 3 2 3 液压支架型选择 26 3 33 3 支架参数确定支架参数确定 28 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 2 3 3 1 支架高度 28 3 3 2 支护强度和工作阻力 29 3 3 3 中心距和宽度 29 3 3 4 初撑力 30 3 3 5 移架力和推溜力 30 3 3 6 梁端距和顶梁长度 30 3 43 4 支架受力分析支架受力分析 30 3 4 1 四柱支撑掩护式支架受力分析 31 3 53 5 支架结构选择支架结构选择 32 3 5 1 顶梁 32 3 5 2 侧护板 32 3 5 3 底座 33 3 5 4 推移装置 33 4 4 液压支架液压系统设计液压支架液压系统设计 34 4 14 1 支架液压系统的特点支架液压系统的特点 34 4 1 1 液压系统特点 34 4 1 2 液压支架传动系统基本要求 35 4 24 2 液压系统拟定液压系统拟定 35 4 2 1 立柱系统 35 4 2 2 千斤顶系统 36 4 34 3 液压系统的计算液压系统的计算 37 4 3 1 液压损失的计算 37 4 3 2 支架移架速度的计算 38 5 5 PRO EPRO E 建模与仿真建模与仿真 42 5 15 1 液压支架的测绘液压支架的测绘 42 5 25 2 P PRORO E E 实体建模实体建模 42 5 2 1 液压支架各部件实体建模 43 5 2 2 典型部件建模 48 5 2 3 液压支架装配 52 6 6 VRMLVRML 机构仿真机构仿真 59 6 16 1 实体模型数据处理实体模型数据处理 59 6 1 1 数据转换 59 6 1 2 VRML 模型文件整理 60 6 26 2 液压支架液压支架 VRMLVRML 仿真仿真 63 6 2 1 液压支架仿真规划 63 6 2 2 液压支架仿真实现 63 6 36 3 虚拟液压支架的使用虚拟液压支架的使用 68 参考文献参考文献 76 致谢致谢 77 华北科技学院毕业设计 论文 3 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 4 1 1 液压支架概述液压支架概述 采煤工作面支护设备是支撑和维护采煤工作面控顶区顶板 为采煤创造安全作业 空空间的设备 按结构特点和支护方式不同分为单体支架 液压支架 特种支架 单 体支架是由单体支柱和顶梁组成的支护设备 单体支柱为支撑于顶板或顶梁和底板之 间的单根杆状构建 液压支架以液压为动力实现升降 前移等运动 既能支撑又能维 护顶板的支护设备 为采煤工作面综合机械化的主要设备 特种支架按结构 功能等 因素分为工作面锚杆支架 刚性或柔性掩护支架和气囊支架 液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板 隔离采空区 防止矸石窜入工 作面 保证作业空间 并且能够随着工作面的推进而机械化移动 不断地将采煤机和 刮板输送机推向煤壁 从而满足工作面高产 高效和安全生产的要求 液压支架的总 重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的 60 70 左右 因此液压支架是现代采 煤技术中的关键设备之一 1 11 1 液压支架的组成及工作原理液压支架的组成及工作原理 1 1 1 液压支架的组成 液压支架是以高压液体为动力 由若干液压元件与一些金属结构件按一定连接方 式组合而成的一种采煤工作面支护设备 一般由承载结构件 执行元件 控制元件和 辅助装置四大部分组成 如图 1 1 所示 一 承载结构件 承载结构件包括顶梁 底座 掩护梁和连杆等金属构件 一 顶梁 顶梁直接与顶板接触 传递支撑力并起护顶作用的承载构件 除满足一定的风度 和强度要求外 还要保证支护顶板的需要 如 有足够的顶板覆盖率 同时要适应顶 板的不平整性 避免因局部应力而引起的损坏 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 之间焊有加强筋板 构成封闭式棋盘型 顶梁前端呈滑撬式圆弧形 以减少移架阻力 支撑式支架后端焊有挂帘板 作为挂挡矸帘之用 在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柱和顶梁连接起来 掩护式支架和支撑掩护式支架在顶 梁后端有孔 通过销轴与掩护梁上的销孔相连 二 底座 底座直接与底板接触 传递支撑力并用于支托立柱和其他部件的承载构件 支架 通过底座与推移装置相联 实现自身前移和推动刮板输送机前移 因此 底座除 满足一定的刚度和强度要求外 还要求其对底板起伏不平的适应性要强 对底板的接 华北科技学院毕业设计 论文 5 触比压要小 要有足够的空间为立柱 推移装置和其他辅助装置提供必要的安装条件 要便于人员操作和行走 能起一定的挡矸作用及具有一定的排矸能力 要有一定的重量 以保证支架的稳定性等 底座的结构型式有下图几种 分别是 1 整体式底座 如图中 a b 整体式底座是由钢板焊接的箱式整体结构 又称刚性底座 这种底座稳定性好 强度高 不易变形 与底板接触面积大 比压小 如图中 a 所示的底座箱体高度大 便于安装立柱的复位装置 底座箱后部具有一定的档矸作用 前 后底座箱中间有人 行道 但占用空间大 一般只用于支撑式支架 如图中 b 所示的底座高度低 占用空 间小 一般用于掩护式或支撑掩护式支架 整体式底座的缺点是接底性较差 图图 1 11 1 支架底座结构型式支架底座结构型式 2 对分式底座 如图中 c d e 为使底座在一定范围内适应底板起伏不平的变化 将底座做成前后或左右对分式 结构 如图中 c d 所示底座为前 后座对分式结构 前座箱与后座箱用销轴直接铰接 如图中 c 或通过弹簧钢板连接 如图中 d 图中 e 所示底座为左右座箱对分式结构 左 座箱与右座箱用过桥 弹簧钢板和销轴等连接 对分式底座接底性能好 有较大的变 形能力 又称半刚性底座 其缺点是稳定性较差 3 底靴式底座 如图中 f 整个底座分为 4 个底靴 每个底靴上支承 1 根立柱 用销轴连接 立柱之间用弹 簧钢板连接 这种底座结构轻巧 动作灵活 对底板起伏不平适应性很强 但刚度差 稳定性差 接底面积小 对底板比压大 易压人底板 所以底靴式底座只适用于底板 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 6 坚硬且起伏较大的工作面 多用于节式支架 各种型式的底座前端均做成滑橇形 可减小支架的移动阻力 避免移架时出现啃 底现象 底座与立柱均采用球面接触 并用限位板或销轴限位 以防止因立柱偏斜而 受到横向载荷 或防止支架在升降过程中立柱脱出柱窝 三 掩护梁 掩护梁连接顶梁与底座 或连杆 承受支架水平力和垮落顶板岩石压力 防止采空 区冒落矸石涌入工作面 掩护梁也是钢板焊接的箱式结构 是掩护式和支撑掩护式支 架的特征结构部件 掩护梁上端与顶梁铰接 下端通过前后连杆与底座连接 四 前 后连杆 掩护式和支撑掩护式支架的特征结构部件 前 后连杆与掩护梁 底座铰接形成 支架四连杆机构 既可承受顶板水平力 使立柱无需复位装置 又可在支架升降时顶 梁前端沿双纽线运动 使梁端与煤壁之间的端面距变化较小 从而提高了支架控制顶 板的可靠性 二 执行元件 执行元件包括立往和各种千斤顶 1 立柱 在底座和顶梁或掩护梁之间 调节支架高度并承载的液压缸 立柱是液压支架的 主要执行元件 用于承受顶板载荷 调节支护高度 国产液压支架中 立柱根据结构 的不同大致可分为 单伸缩立柱和双伸缩立柱两种 单伸缩立柱有不带机械加长杆和 带机械加长杆两种型式 当要求支架调高范围较大时 可选用带机械加长杆的单伸缩 立往 也可选用双伸缩立柱 单伸缩立柱结构简单 成本低 但不如双伸缩立柱使用 方便 2 千斤顶 液压支架上除立柱以外的用于完成推移 护帮和调架等功能的其他液压缸的总称 主要有前梁千斤顶 推移千斤顶 侧推千斤顶 平衡千斤顶 护帮千斤顶 复位千斤 顶 防倒防滑干斤顶和调架千斤顶等 三 控制元件 液压支架液压系统中使用的控制元件主要有两大类 压力控制阀和方向控制阀 压力 控制阀主要有安全阀 方向控制阀主要有掖控单向阀 操纵树等 1 安全阀 支架液压控制系统中限定掖体压力的液压元件 当立柱和千斤顶工作 腔内的液体压力在外载作用下超过安全阀的调定压力时 安全阁开启 工作腔内的压 力液通过安全阀位流 达到卸压的目的 卸载后 当工作腔内的压力低于调定压力时 安全阀自动关闭 这样可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力 避免立柱 千斤顶过 载损坏 华北科技学院毕业设计 论文 7 2 液控单向阀 闭锁并控制释放立柱或千斤顶工作腔液体 使立柱或千斤顶获得 额定工作阻力的液压元件 3 操纵阀 支架液压系统中使液压缸换向 实现支架升降 推移等不同动作的换向 分配 阀 4 截止阀 液压支架管路系统中截断供液的液压元件 四 辅助装置 辅助装置包括推移装置 挡矸装置 复位装置 护帮装置 防倒防滑装置等 一 推移装置 推移装置是液压支架必备的辅助装置 担负着推溜和移架任务 推移装置由推移千斤顶及其附属装置组成 对整体自移的垛式 掩护式和支撑掩护式 支架 移架和推溜动作用 1 个千斤顶来完成 将千斤顶布置在底座的中部缺口处 两 端分别与支架底座和刮板输送机连接 对于节式或各种组合迈步式支架 移架和推溜 动作各用 1 个千斤顶来完成 移架千斤顶布置在主 副架之间 分别与两者的底座相 连 推溜千斤顶一端与支架相连 另一端与刮板输送机相连 推溜千斤顶是单作用的 它的数量可适当减少 每 5 6m 布置 1 个 推移装置按结构和推移方式的不同 可分为 直接推移装置和间接推移装置两种 二 侧护装置 布置在顶梁 掩护梁或连杆侧面 侧护装置用于掩护式和支撑掩 护式支架 作用是防止架间漏矸和调架 侧护装置由位于支架顶梁和掩护梁两侧的侧 护板 侧推千斤顶 伸出弹簧等组成 侧护装置的伸缩动作是在支架卸载后进行的 由侧推千斤顶和伸出弹簧控制 三 梁端支护装置 割煤后梁端距扩大 用于及时支护顶板的装置 多用伸缩前 梁实现 四 挡矸装置 防止矸石从采空区涌入工作面的装置 五 复位装置保证支撑式支架立柱在垂直顶板的位置 使支架结构稳定且具有抵 抗顶板水平分力的装置 掩护式和支撑掩护式支架靠支架四连杆机构复位 六 护帮装置 护帮装置安装在顶梁前端下部 一般由护帮千斤顶和护帮板组 成 正常情况下 护帮板伸出紧贴煤壁 防止片帮或在片帮时起缓冲作用 当采煤机 割到支架前面时 需将护帮板收回 让采煤机通过 支架移到新的工作位置后 重新 伸出护帮板 以支护新裸露的煤壁 七 防倒防滑装置防止支架倾例和支架移动时下滑的装置的总称 1 1 2 液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中 不仅要可靠的支撑顶板 维护一定的安全工作空间 而且 要随工作面的推进 进行移架和推移输送机 因此 支架要实现升 降 推 移四个 基本动作 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 8 图图 1 21 2 液压支架工作原理液压支架工作原理 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 这些动作是利用泵站供给的高压液体 通过工作性质不同的几个液压缸来完成的 如图所示 一 支架的升降和推移 当操纵阀 8 处于升柱位置时 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 支架的前移和推溜是通过操纵阀 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 的前腔及活塞杆腔 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 再把支架升起 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 输送机将以支架为支点被推向 煤壁 二 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过程 它包括初撑 承载和恒阻 三个阶段 一 初撑阶段 在升架过程中 当支架的顶梁接触到顶板 直到立柱下腔的液体压力逐渐上升 到泵站的工作压力时 停止供液 液控单向阀 6 立即关闭 这一过程为支架对顶板的 支撑力为初撑力 支撑式液压支架的初撑力为 22 10 4 P npD bC KN 式中 D 支架立柱的缸径 m Pb 泵站的工作压力 MPa 华北科技学院毕业设计 论文 9 n 支架立柱的数量 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 二 承载增阻阶段 支架出城结束后 随着顶板下沉 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 三 恒阻阶段 随着顶板来压的进一步增加 立柱下腔的液体压力越来越来高 当升高到安全 阀 5 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 这时支架的恒阻阶段 此时 支架对顶 板的支撑力称为工作阻力 它是由支架安全阀调定压力决定的 支撑式支架的工作阻 力为 22 10 4 P npD a KN 式中 Pa 支架安全阀调定压力 支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力 是支架的一个重要参数 但是 由 于之家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 常用单位面积支护面积顶板上所受支架工作阻力的大小 即支护强度来表示支架 的支护性能 即 3 10 F P q MPa 式中 F 支架的支护面积 m2 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 由上可知 支架工作时的支撑力与时间 的关系 开始升柱至单向阀关闭时的初 撑增阻阶段 t0 初撑后至安全阀开启前 的增阻阶段 t1 以及安全阀出现脉动卸载时的恒 阻阶段 t2 这就是液压支架的阻力 时间特性 它表明液压支架在低于额定工作阻力 图图 1 31 3 液压支架特性曲线液压支架特性曲线 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 10 下工作时 具有增阻性 以保证对顶板的有效支撑作用 在达到额定工作阻力下 能 随顶板下沉而下缩 增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能 恒阻性与可缩 性主要由安全阀来实现 因此安全阀 液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要 元件 1 21 2 液压支架的类型和结构液压支架的类型和结构 液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同 分为支撑式 掩护式和支撑 掩护式三种基本架型 1 2 1 支撑式支架 支撑式支架是出现的最早的一种架型 按其结构和动作方式的不同 支撑式支架 又分为垛式支架和节式支架两种结构型式 垛式支架每架为一整体 与输送机联接并 互为支点整体前移 节式支架由 2 3 个框节组成 移架时 各节之间互为支点交替前 移 输送机由与支架相连的推移千斤顶推移 节式由于稳定性差已基本淘汰 支撑式支架的结构特点 顶梁较长 其长度多在 4m 左右 立柱多 一般 4 6 根 而且垂直支撑 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 支撑力大 且作用在支架中后部 故切顶性能好 对顶板重复支撑次数多 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 矸石以窜入工作空间 支架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 a 垛式支架 b 节式支架 图图 1 41 4 支撑式支架结构型式支撑式支架结构型式 1 2 2 掩护式支架 掩护式支架的结构型式如下图所示 它的结构特点是有一个较宽的掩护梁以挡住 采空区的矸石进入作业空间 其掩护梁上端与顶梁铰接 下端通过前后连杆与底座链 华北科技学院毕业设计 论文 11 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于顶梁 下图 a 或直接作用于顶梁上 下图 b 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 支架两侧有活动侧护板 可把架间密封 通常顶梁较 图图 1 51 5 掩护式支架的结构型式掩护式支架的结构型式 短 一般为 3 0m 左右 掩护式支架的支护性能 支撑力较小 切顶性较差 但由于顶梁较短 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 但由于顶梁较短 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 1 2 3 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架式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 可适应各种顶板 条件 按支撑位置不同支撑掩护式支架分为 支顶支撑掩护式支架 如图 a 所示 支顶支 掩支撑掩护式支架 如图 b 所示 其中一排立柱支撑在掩护梁上 a b 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 12 图图 1 61 6 支撑掩护式液压支架支撑掩护式液压支架 支撑掩护式支架结构 顶梁一般由前梁和主梁构成 四根立柱支撑于顶梁和底座 支间 掩护梁的上端与顶梁铰接 下端用连杆与底座相连 这种支架的优点是 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 也可倒八字形和交叉布置 通常 两排立柱都直接支撑在顶梁上 个别的有后排支撑在掩护梁上 前排支撑在顶 梁上 如图 1 6 b 1 2 4 特种支架 特种支架是为了满足某些特殊要求发展起来的液压支架 在结构型式上仍属于上 述几种基本架型 具体的有放顶煤支架 铺网支架 三软支架和端头支架 其它分类方法有 按适用煤层倾角分 一般工作面支架 大倾角支架 按适用采高分 薄煤层支架 中厚煤层支架 大采高支架 按适用采煤方法分 一次采全高支架 放顶煤支架 铺网支架 充填支架 按在工作面中的位置分 工作面支架 过渡支架 排头支架 端头支架 按稳定机构分 四连杆机构支架 单铰点机构支架 反四连杆机构支架 单摆杆式 支架 机械限位支架 橡胶限位 弹簧钢板限位 千斤顶限位 按组合方式分 单架式支架 组合式支架 按控制方式分 1 本架控制支架 邻架控制支架 成组控制支架 按控制原理分 液压直接控制支架 液压先导控制支架 电液控制支架 华北科技学院毕业设计 论文 13 2 2 实体建模和虚拟现实简介实体建模和虚拟现实简介 在这一章中重点介绍制作虚拟液压支架的工具 建模软件 Pro Engineer 和仿真编程 语言 VRML Virtual Reality Model Language 2 12 1 参数化设计软件参数化设计软件 Pro ENGINEERPro ENGINEER Pro ENGINEER 是参数化 基于特征的实体造型软件 由美国参数技术公司 Parametric Technology Corporation 简称 PTC 开发 其功能十分广泛 包含实体建模 曲面设计 工程图 拆模 NC 加工等 Pro ENGINEER 第一个提出参数化设计的概念 并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题 另外 它采用模块化方式 用户可 以根据自己的需要进行选择 而不必安装所有模块 Pro ENGINEER 基于特征方式 能够将设计到生产全过程集成到一起 实现并行工程设计 软件界面如下图 图图 2 12 1 Pro ENGINEERPro ENGINEER 软件界面软件界面 在此 利用 Pro ENGINEER 的实体建模 Solid 功能完成对 ZY 型液压支架各个部分 的三维模型建立 再利用其装配 ASM 功能完成液压支架各个部件的整体装配 得到 一个完整的 3D 液压支架模型 装配过程中 采用一定连接约束条件使支架能够用 Pro ENGINEER 的机构仿真模块进行运动仿真 以及通过改变机构位置并导出为 VR 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 14 文件 wrl 获得 VR 仿真中的关键帧 key frame 用于支架动作仿真 2 22 2 VRMLVRML 虚拟现实语言虚拟现实语言 2 2 1 VRML 的发展史 VRML 的历史可以上溯到 1994 年 当时在日内瓦的第一次 WWW 年会上 一些 与会者提出为创建三维网络的界面必须有一种通用的描述性语言 用于在 WWW 上超 级链接 类似于超文本描述语言 HTML 于是诞生了虚拟现实描述语言 Virtual Reality Makeup Language 稍后 改为虚拟现实建模语言 Virtual Reality Modeling Language 用于反映图像的本质 现在世界上有一个管理 VRML 的团体 简称为 VRML 结构组织 VGA VGA 为网络的三维功能建立了标准 1995 年 5 月 VRML1 0 规范正式出台 但此规范缺少对一些关键特性如动作 交互和行为的支持 为此 急需对它进行修订 1996 年 8 月 在新奥尔良举行的 SIGGRAPH 96 会议上公 布了 VRML2 0 规范的第一版 经 ISO JTCI SC2 4 同意 这一版被作为 14772 号委员 会草案公布 并且于 1997 年 4 月提交审议 该草案又称为 VRML 97 遵循 ISO 把发布 年号写入名字的命名约定 从此之后 许多公司纷纷推出了自己的 VRML 浏览器 如 Netscape 公司 Live3D IE 内嵌的 Microsoft VRML 2 0 Viewer Apple 公司的 Quick Time VR 等等 我国对 VR 技术的正式研究起步却很晚 大概在 20 世纪 90 年代初 发展到现在 已初步取得了成果 但与发达国家相比还有很大的差距 其研究概述如下 国内最早开展此项技术试验的是西安虚拟现实工程技术研究中心 北京航空航天大学 计算机系也是国内最早研究 VR 的单位之一 它在 VR 视觉接口方面获得了一部分研究 成果 北京大学设计了基于 PC 机的 VR 系统 清华大学国家光盘工程研究中心所作的 布达拉宫 采用了 QuickTime 技术 实现大全景 VR 制作 浙江大学 CAD分层厚度 0 13 0 41m 抗 压强度小于 38MPa 综合弱 化常量 泥岩 碳质泥岩 节理裂隙较发育 分层厚度 0 5 0 42m 抗压 强度 10 60MPa 综合弱化常最 0 18 0 383 致密泥岩 粉砂岩 砂 质页岩 砂岩 节理裂隙 不发育 分层厚度 0 16 0 86m 岩石强度 26 66 3MPa 综合弱化常 量 0 18 0 42 砂岩 石灰岩 节理裂隙很少 分层厚度 0 33 1 0 m 岩石强度 32 99 MPa 综 合弱化常量 C 0 28 0 59 致密砂岩 石 灰岩 节理裂 隙极少 分层 厚度 0 37 1 1m 岩石强 度 22 56MPa 综 合弱化 常量 0 37 0 59 二 基本顶矿压显现分级 基本顶是指直接位于煤层之上对干工作面动态有不同程度影响的较硬岩层 它的 运动特征对于综采工作面支架设计和选型有重要意义 研究表明 基本顶断裂对工作 面压力显现的影响程度取决于 一 基本顶初次或周期来压步距 它是基本顶厚度 抗拉或抗压强度及被裂隙弱化 程度的综合反映 二 直接顶垮落后的充填程度 通常用直接顶厚度与采高的比值表示 三 采高在直接顶厚度一定的情况下 采高愈大 矿压显现愈强烈 三 回采工作面底板分类综述 对综采工作面围岩控制有重要影响的是直接底板对支架的抗压人特性 实测研究 表明 底板抗压人特性可分为 3 种典型类型 脆性 塑脆性和塑性 每种类型又可分 为增阻型和降阻型两类 其共同特点是 在支架未压入底板前 底板具有线弹性特征 具有不同的抗压缩刚度 二一旦支架或支柱压入底板后抗压缩刚度显著降低 顶板下 沉显著增大 为便于进行地板控制的优化设计 需对底板进行分类 底板分类的基本原则是 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 28 根据实测的底板容许极限载荷作为基本指标 底板抗压入刚度作为辅助指标对工作面 底板进行分类 依此作为支架选型和围岩可控性分类的基本依据 避免支架或支柱在 相应类别工作面出现压入底板 采煤工作面底板分类标准 见表 3 2 表表 3 2 采煤工作面地板分类标准采煤工作面地板分类标准 底板类别基本指标辅助指标参考指标 名称代号 容许比压 pp MPa 容许刚度 Sp MPa mm 1容许单向抗压 Rp MPa 极软 松软 较软 a b pp 3 0 3 0 pp 6 0 6 0 pp 10 10 pp 16 Sp 0 10 0 10 Sp 0 38 0 38 Sp 0 75 0 75 Sp 1 32 Rp 8 5 8 5 Rp 13 2 13 2 Rp 19 6 19 6 Rp 29 1 中硬 坚硬 16 pp 32 pp 32 1 32 Sp 2 82 Sp 2 82 29 1 Rp 54 6 Rp 54 6 3 23 2 支架架型选择支架架型选择 在液压支架与围岩力学相互作用的基础上 综合分析不同地质条件下支护力确定的 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 3 2 1 液压支架选型准则 液压支架选型必须考虑的主要地质条件和采矿条件是 直接顶稳定性类型 基本顶级别及相应的矿压显现参数 初次和周期来压步距 来压时载荷 直接顶厚 度 底板类别及相应的力学参数 容许载荷强度 抗压缩刚度 截高 煤层强度 节理方向 煤层厚度变化等 煤层倾角和工作面推进方向 瓦斯等级和必需的通风断面等 除以上常见的主要条件外 还必须考虑以下特殊因素 上下部采动条件 相邻区段或两侧开采条件 地质构造 断层 褶曲等分布和参数 华北科技学院毕业设计 论文 29 开采深度 顶底板含水层等 3 2 2 围岩可控性分组 根据直接顶类别 基本压力显现级别和底板抗压入特性类别的不同组合 将采煤工作 面围岩的控制难易程度分为 3 组 表 3 3 围岩可控性分组 难控围岩较难控围岩易控围岩 项目 G11G12G2G3 直接顶类别 基本顶类别 底板类别 3 4 a b 1a 1b 2 2 3 3 2 3 液压支架型选择 一 支架选型要素 已知地质和采矿条件 进行液压支架结构选择时 必须考虑支架力学特征和对围岩的 适应性 做出模糊评价 评价表见表 3 4 表表 3 4 支架选型要素及评价支架选型要素及评价 掩护式支撑式 要素 插底掩护式一般掩护式 支撑掩护式 垛式节式 支 架 围 岩 适 应 性 基本顶冒落倾向 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 顶梁后端支撑力 顶板覆盖率 隔绝采空区能力 横向稳定性 对截高适应性 支撑效率 支护强度 优 差 良 优 差 优 差 优 优 良 良 差 良 良 良 差 良 良 良 良 优 优 优 优 良 良 良 优 优 良 优 良 优 优 优 优 优 优 优 差 优 优 差 优 差 优 差 差 差 良 优 优 差 良 优 差 优 差 优 差 差 差 良 优 优 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 30 对倾角适应性良优良良差 进一步考虑不同架型和结构的支架 围岩力学相互作用 支撑力矩 底板比压等特 点 掩护式和支撑掩护式支架的围岩适应性进行比较结果见表 3 5 表表 3 5 不同结构液压支架的力学特征不同结构液压支架的力学特征 支架型式结构特征主要力学特征对围岩适应性评价 掩 护 式 支掩式 支顶式 二柱支掩掩护式 二柱支顶掩护式 支架承载力较小 底板比压均匀 主动水平力较大 支架承载力大 稳定性好 底座 尖端比压较大 对顶板的主动水 平力大 前端支撑力大 基本顶 级岩层 组合 适应直接顶 1 2 3 类 基本顶 级 底板 类以上 类底板 需限制支架对底板尖 端比压 支 撑 掩 护 式 支顶支掩 支顶式 四柱支顶支掩式 四柱 X 型 四柱支撑掩护式 稳定性好 抗水平力强 比压均 匀 但支撑力利用率低 顶梁合力调节范围大 承载力高 承载力大 切顶性能强 比压较 均匀 主要适应 2 3 类直 接顶 级基本 顶 主要适于薄煤层 主要适于 2 3 4 类 直接顶 类级基本顶 底板类 别不限 华北科技学院毕业设计 论文 31 二 液压支架选型建议 对于具体条件下的液压支架选型 必须考虑该条件的直接顶的类型 基本定级别 底 板类型 对于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出发 提 出选型建议 见表 3 6 参考表 3 6 根据上述分析及国内使用经验 在综采工作面支架选型时 还应注意以下 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 但在底板极松软条件下 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 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 32 表表 3 6 围岩类型与支架选型建议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 12 1 2 3 4 支撑掩护式 支顶掩护式 支顶掩护式 支顶掩护式 支撑掩护式 支撑掩护式 强力支撑掩护式 轻型支顶掩护式 支掩掩护式 支掩掩护式 支掩掩护式 支顶掩护式 支顶掩护式 注 强力支撑掩护式 短顶梁 大流量安全阀 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 四柱支撑掩护式支架 3 有顶板不平 四柱式支架中总有一根立柱对顶板的实际支撑力很低 因而二柱式掩 护式支架支撑能力利用效率高于四柱式 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 3 33 3 支架参数确定支架参数确定 3 3 1 支架高度 一般应首先确定支架适用煤层的平均截高 然后确定支架高度 支架最大结构高度 m Hmax Mmax S1 支架最小结构高度 m Hmin Mmin S2 式中 Mmax Mmin 煤层最大截高 最小截高 S1 考虑伪顶冒落的最大厚度 对于大采高支架取 200 400mm 对于中厚煤层 支架取 200 300mm 对于薄煤层支架取 100 200mm S2 考虑周期来压时的下沉量 移架时支架的下降量和顶梁上 底板下的浮矸 华北科技学院毕业设计 论文 33 之和 对于大采高支架取 500 900mm 对于中厚煤层支架取 300 400mm 对于薄煤层 支架取 150 250mm 支架的最大结构高度与最小结构高度之差为支架的调高范围 调高范围大 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 可靠性降低 支架最大 结构高度和最小结构高度取值应符合规定 支架的最大结构高度与最小结构高度之比称为支架的伸缩比 Ka Hmax Hmin 3 3 2 支护强度和工作阻力 支架的有效工作阻力与支护面积之比定义为支护强度 顶板所需的支护强度取决于顶 板的等级和煤层厚度 我国已定制了不同顶板等级的支护强度标准 支护强度除可按 规定选用外 还可按经验公式结算 q KM 10 5 式中 K 作用于支架上的顶板岩石厚度系数 一般取 5 8 M 截割高度 m 岩石密度 一般取 2 5 103 支架支撑顶板的有效工作阻力为 R qF 103 kN 式中 F 支架的支护面积 m2 F L C B K m2 式中 L 支架顶梁长度 m C 梁端距 m B 支架顶梁宽度 m K 架间距 m 3 3 3 中心距和宽度 支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度 目前液压支架中心距大部分采用 1 5m 大 采高支架为提高稳定性中心距可采用 1 75 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 支架宽度是指支架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 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 34 和调架要求 支架顶梁一般装有活动侧护板 侧护板行程一般取 170 200mm 当支架 中心距为 1 5m 时 最小宽度一般取 1400 1430mm 最大宽度一般取 1570 1600mm 当支架中心距为 1 75m 时 最小宽度一般取 1650 1680mm 最大宽度一般取 1850 1880mm 当中心距为 1 25m 时 如果顶梁带有活动侧护板 则最小宽度取 1150 1180mm 最大宽度取 1320 1350mm 如果顶梁不带活动侧护板 则宽度一般取 1150 1200mm 3 3 4 初撑力 初撑力的大小对之家的支护性能和成本都有很大影响 较大的初撑力能使支架较快 达到工作阻力 减慢顶板的早期下沉速度 增加顶板稳定性 但对乳化液泵站和液 压元件要求提高 一般初撑力为 0 6 0 8 倍的工作阻力 3 3 5 移架力和推溜力 移架力与支架结构 质量 煤层厚度 顶板性质等有关 一般薄煤层支架的移架力 为 100 150kN 中厚煤层支架为 150 300kN 厚煤层支架为 300 400kN 推力一般 为 100 150kN 3 3 6 梁端距和顶梁长度 梁端距是指移架后顶梁端部至煤壁的距离 梁端距是考虑工作面顶板起伏不平造成 输送机和采煤机的倾斜 以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜 为 避免割顶梁而留的安全距离 支架高度越大梁端距也应越大 当采用即时支护方式时 一般大采高支架梁端距取 350 480mm 中厚煤层支架 梁端距取 280 340mm 薄煤层支架梁端距取 200 300mm 顶梁长度受支架型式 配套采煤机截深 滚筒宽度 刮板输送机尺寸 配套 关系及立柱缸径 通道要求 底座长度 支护方式等因素的制约 减小顶梁长度 有利于减小控顶面积 增大支护强度 减少顶板反复支撑次数 保持结构紧凑 减 轻质量 3 43 4 支架受力分析支架受力分析 当煤层被采动后 顶板有压力显现 作用在支架上的载荷大体可分为两个部分 其一 华北科技学院毕业设计 论文 35 是直接顶形成的压力 其二是老顶形成的压力 如果直接顶比较完整 在工作面煤壁 上方的直接顶呈悬臂状态 则直接顶压力有工作面煤壁和支架共同承受 若直接顶很 破碎 在工作面煤壁上方的直接顶已经断裂 则直接顶压力由支架单独承受 位于直 接顶上方的老顶通常不与直接顶一起冒落 当直接顶在支架顶梁之后冒落时 老顶呈 悬臂梁状态 由老顶形成的悬臂梁一端支承在直接顶垮落后的碎矸上 另一端则支承 在支架和煤壁上的直接顶上 随着煤壁的推进 老顶悬露部分加长 载荷在增加 当 老顶悬露达到一定长度 其自重使其断裂 于是老顶悬露长度变短 载荷立即减小到 最小值 在采煤工作面连续开采过程中 工作面不断前移 载荷由小到大 再由大到 小 这样周而复始的变化 载荷每次递增至老顶断裂 称为老顶周期来压 支架主动支撑顶板 初撑 后处于被动承载状态 围岩与支架相互作用的载荷使 支架顶梁相对底座产生下沉 作用在支架上的垂直力和水平力是由顶板到底板和工作 面到采空区的围岩位移 以及围岩对支架内力的阻力而产生的 支架的内力产生支架 顶梁相对底座的运动 支架顶梁和底座不是刚性的 直接顶和底板一般也不是刚性的 因此 围岩与支 架相互作用的边界条件相当复杂 为简化计算 假设支架横向均匀受载 简化为平面 力系分析支架的受力状态 3 4 1 四柱支撑掩护式支架受力分析 支架的支撑合力是指支架立柱达到额定工作阻力时 支架对顶板的垂直作用合力 Q 计算时 应分别选取顶梁与顶板的摩擦因数为 0 0 2 和 0 3 三个值 立柱取额定 工作阻力 平衡千斤顶取推 拉力额定值 支架在工作高度范围内每隔 100mm 计算一 次 型液压支架为四柱四连杆支撑掩护式支架 四连杆支撑在顶梁上 顶梁与顶板之 间存在摩擦力时 四柱式正四连杆支撑掩护式支架受力图 3 1 假设背矸 w 不计 所 示 在受力平衡状态下 顶梁垂直合力 Q 表示为 sin 21 sin 1 cos 21 cos 1 PP fhl h PP fhl l Q 式中 f 为摩擦系数 h 连杆瞬心到顶梁之间的垂直距离 l 瞬心到顶梁末端之间的水平距离 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 36 为立柱的工作阻力 1 p 2 p 1 p 2 p 为立柱的倾角 则顶梁垂直合力位置 sinsin coscos coscos 211211 22111 PP l h PP PlPl l fhl X 支架整体受力如图 图图 3 13 1 支撑掩护式支架受力图支撑掩护式支架受力图 3 53 5 支架结构选择支架结构选择 液压支架由承载结构件 液压缸 控制元件 辅助装置组成 其结构选择即是根据工 作面情况 参数对这及各部分进行选择 以满足工作面需要 保证安全 3 5 1 顶梁 常用定量形式有三种 整体 铰接 楔形顶梁 一 整体顶梁结构简单 可靠性好 顶梁顶板载荷的平衡能力较强 前端支撑力较 大 可设置全长侧护板 利于调高顶板覆盖率 改善支护效果 减少架间漏矸 二 铰接式顶梁前梁在千斤顶推拉下 可以上下摆动 对不平顶板的适应性强 且 运输时 可放下前梁减小尺寸 但要求前梁要有足够的支撑力和连接强度 三 楔形顶梁和铰接的比 前端支护力大 当遇到凸出顶板时 可以通过千斤顶调 节楔形梁角度 来适应顶板条件 当遇到凹下顶板时 楔形梁锁死 构成刚性梁 直 护顶板 根据顶板条件和使用要求 顶梁可设置伸缩梁 伸缩梁一般是为了实现超前支护 华北科技学院毕业设计 论文 37 内伸缩可靠性好 但接顶效果差 外伸式接顶效果好 但结构可靠性较差 易变形 3 5 2 侧护板 支架侧护板装置一般由侧护板 弹簧套筒 侧推千斤顶 导向杆和连接销轴等组成 支架常用的活动侧护板形式有三种 即直角式单侧活动侧护板 直角式双侧可调活动 侧护板和折页式单侧活动护板 一 直角式单侧活动侧护板固定侧护板可以加强梁体强度 减轻支架质量 适用于 工作面倾角较小的缓倾斜煤层或水平煤层 具有挡矸密封性和导向性好的特点 二 直角式双侧可调活动侧护板可根据工作面倾角方向 调整一侧固定 另一侧活 动 适应性强 可用于各种支架 三 折页式主要是结构简单 千斤顶可以布置在梁体的外侧 便于拆装和维修 但 挡矸密封性差 而且移架时导向性差 主要用于顶板比较稳定或坚硬条件的支撑掩护 式支架 顶梁侧护板高度一般取 250 500mm 薄煤层取下限 大采高支架取上限 掩护梁侧护 板高度一般根据支架最大高度时 侧护板水平尺寸等于移架步距加 100 200mm 的搭接 量原则确定 3 5 3 底座 底座常用形式有三种 整体式 底分式 铰接分体式底座 铰接式已很少使用 一 体刚性底座整体刚度和强度好 底座接地面积大 有利于减小对底座的比压 但推移机构处易积存浮煤碎矸 清理较困难 一般用于软底板条件下的工作面支架 二 底分式刚性底座不需人工清理浮煤碎矸 适应高产高效要求 但减少了接底面 积 增大了底座比压 3 5 4 推移装置 推移装由推移杆 推移千斤顶和连接头等组成 其中推移杆是决定推移装置形式和 性能的关键部件 推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆 短推移杆 结构简单可靠 质量轻 广泛使用 长推移杆分为框架式 整体箱式和铰接式 框架 式的 当油缸缸径超过 140mm 时 强度难以保证 可靠性下降 整体箱式长推移杆 一般是由钢板组焊而成 结构简单可靠 防止支架下滑的性能好 但在工作面难以更 换 因此必须保证其足够大的安全系数 铰接式长推移杆前后由两段箱式结构组成 支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟 38 中间用十字连接头铰接 可以上下 左右摆动 解决了整体式不变更换的缺点 兼有 短推移杆和长推移杆的特点 4 4 液压支架液压系统设计液压支架液压系统设计 4 14 1 支架液压系统的特点支架液压系统的特点 液压控制系统的设计取决于煤层地质条件 支架形式 设备配套情况 工作面产量 投资能力 劳动力成本 元件可靠程度及成本 工人文化程度与技术水平 维修能力等 我国目前有增加泵站流量 提高移架速度的趋势 我国液压控制系统主要由操纵阀 液 控单向阀 安全阀 双向锁 单向锁 过滤器 截止断路元件等组成的手动控制系统 美国 澳大利亚主要采用由单板机架控箱 电磁阀 液控换向阀 压力传感器 位移传 感器及液控单向阀 安全阀 双向锁 单向锁 过滤器 截止断路元件等组成的电液控 制系统 4 1 1 液压系统特点 液压支架不仅要求结构合理以适应所工作的煤层地质条件 而且还应配备完善可靠 的液压系统来实现支架的优良工作性能 液压支架液压系统属于液压传动中的泵 缸开式系统 动力源是乳化液泵 执行元 件是各种液压缸 乳化液泵从乳化液箱内吸入乳化液井增压 经各种控制元件供给各个 液压缸 支架各液压缸回液流人乳化液箱 乳化液泵 液箱 控制元件及辅助元件组成 乳化液泵站 通常安装在工作面运输巷 可随工作面一起向前推进 泵站通过沿工作面 全长铺设的主供液管和主回液管 向各支架供给高压乳化液和接收低压回液 工作面中 每架支架的液压控制回路相同 通过截止阀连接于主管路 相对独立 其中任何一架支 架发生故障进行检修时 可关闭该架支架与主管路连接的截止阀 不会影响其他支架工 作 液压支架液压系统具有下列特点 1 液压系统庞大 元件多 液压支架沿采煤工作面全长铺设 铺设长度大 可达 300m 液压系统中有大量的立柱 80 1000 根 和千斤顶 80 1500 根 还有数量很多的 安全阀 液控单向阀 操纵阀 以及大量的高压软管 管接头等 因而整个系统错综复 华北科技学院毕业设计 论文 39 杂 系统中各部件的密封性和可靠性对支架工作影响