超静定薄煤层液压支架设计【含9张CAD图纸】
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本科生毕业设 计姓 名： 学 号： 学 院： 机电工程学院机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化机械工程及自动化 设计题目： 超静定薄煤层液压支架超静定薄煤层液压支架 专 题： 指导教师： 职 称： 二二 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 任任务务下下达达日日期期：2011 年 3 月 1 日毕业设计日期：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：毕业设计题目： 超静定薄煤层液压支架毕业设计专题题目：毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：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 ANSYS Workbench 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 ABSTRACTWith the decrease of the coal resources, how to mine the thin coal seam better became an important topic. In the southwest of China, the thin coal seam has been the mainly mining area. Hydraulic support as the important supporting equipment in coal mining, not only to ensure the safety of workers, but also to improve production efficiency of coal mine. Therefore, the development of the high quality and high efficient hydraulic support in thin coal seam has vital significance. The traditional hydraulic support using two or four hydraulic pillars support the roof of coal seam, the force of the support is small, and the design of four bar linkage is very difficult. Because the movement of the top beam can only realize with approximate Double new line, there are still a tendency of coal wall trend. This paper introduces the design of hydraulic support adopted eight hydraulic pillars, cancelled four bar linkage, using the hydraulic pressure resist level force. The design method of hydraulic support is a great progress. The main of this paper introduce: The structure of top beam, base beam, front beam and hydraulic pillars and other key parts of the hydraulic support, build hydraulic supports 3 d model to realize the movement simulation, use finite element analysis to analyse the structure strength of key parts. The design process of the hydraulic support reference the structure design of the existing hydraulic support, such as the box structure of the top beam. The main innovation of this design is: eight hydraulic pillars to realize intensive supporting, not only improve support resistance, but also can through replacing different diameter of the hydraulic pillars to realize the modular design , integrated assembly and large-scale production, which greatly reduce the cycle of production and testing, and also speed up the mechanization of manufacturing process. Thin coal seam hydraulic support general use of the neighboring support control, in order to reduce the pressure loss on the pipeline, the design of the hydraulic system introduce a method of pilot control , which has some reference value for the design of the hydraulic system.Key words: Hydraulic support； Super static set structure； Movement simulation； Finite element analysis 目 录1 绪论绪论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 20 3.4.3 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53 6.5.4 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598.1.2 PRO/E 中建模方法608.1.3 PRO/E 中虚拟装配628.1.4 PRO/E 中运动仿真638.1.5 PRO/E 仿真结果分析668.2 基于 ANSYS WORKBENCH 12 的有限元分析688.2.1 虚拟压架实验698.2.2 ANSYS WORKBENCH 12 有限元分析699 结论结论7810 参考文献参考文献 7911 翻译翻译80外文原文 80中文译文 8412 致谢致谢91 第 1 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液压支架的工作过程1 支架的升降和推移 第 2 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 3 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 4 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，提高采煤工作效率。1.2.4 液压支架的分类液压支架的分类 1 按架型结构及与围岩关系分 （1）掩护式 1）支掩掩护式支架分插底式和不插底式； 2）支顶掩护式分为支架平衡千斤顶设在顶梁与掩护梁之间和支架平衡千斤顶设在底座与掩护梁之间。 （2）支撑掩护式 1）支顶支撑掩护式支架； 2）支顶支掩支撑掩护式，其中一排立柱支撑在掩护梁上。 （3）支撑式支架 1）节式支架分两框架式、三框架及四框架组合式两类； 2）垛式支架。 2 按适用煤层倾角分 （1）一般工作面支架； （2）大倾角支架。 3 按适用采高分 （1）薄煤层支架； （2）中厚煤层支架； （3）大采高支架。 4 按适用采煤方法 （1）一次采全高支架； （2）放顶煤支架；（3）铺网支架； （4）充填支架。 5 按在工作面中的位置分 （1）工作面支架； （2）过渡支架（排头支架）； （3）端头支架。 6 按稳定机构分（1）四连杆机构支架； （2）单铰点机构支架； （3）反四连杆机构支架； （4）单摆杆式支架； （5）机械限位支架（橡胶限位、弹簧钢板限位、千斤顶限位）。7 按组合方式（1）单架式支架； （2）组合式支架。8 按控制方式分 第 5 页（1）本架控制方式； （2）邻架控制方式； （3）成组控制方式。9 按控制原理分（1）液压直接控制支架； （2）液压先导控制支架； （3）电液控制支架。1.2.5 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 一般循环方式为：割煤移架推溜。 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 滞后方式 一般循环方式为：割煤推溜移架。 滞后支护的特点是：支护滞后时间较长，梁端距大，支护顶梁较短。适用于稳定、完整的顶板。 3 复合支护 一般循环方式为：割煤支架伸出伸缩梁推溜收伸缩梁移架。 复合支护的特点是：支护滞后时间短，但增加的反复支撑的次数。可用于各种顶板条件，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。1.2.6 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 100kN 左右；移架力按煤层厚度而定，对中厚煤层一般为 150250kN。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，能够承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。10 在满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。11 要易于拆卸，结构要简单。12 液压元件要可靠。1.3 薄煤层液压支架的结构特点 第 6 页根据煤层厚度划分，薄煤层截高一般小于 1.3m。我国不少矿区薄煤层是主采煤层。薄煤层支架的结构特点是：1 伸缩比大立柱大多采用双伸缩立柱，薄煤层支架高度低，操作不太方便，立柱很少采用带机械加长段结构。为满足大伸缩比的要求，特别是掩护式液压支架，立柱倾角较大，在低位状态工作时，支护效率较低。2 人行通道困难对于薄煤层支架，如何设置人行通道是十分重要的。在瓦斯含量大、对通风有特殊要求的综采工作面，大多设计成双人行通道。支撑掩护式支架的前立柱前留有人行通道，在前、后柱间再设计一个人行通道，二柱掩护式支架立柱前后各设一通道这样有利于通风，便于行人。对于通风没有特殊要求的综采工作面，大多设计成二柱掩护式液压支架，在柱前设置人行通道。3 梁体薄薄煤层支架由于其伸缩比大，且最低高度很低，所以结构件设计既要满足强度要求，又要截面高度尺寸尽可能小。为此，结构件大多采用高强度钢板、箱形结构，顶梁前部有的设计成板式结构，甚至是几层弹簧钢板叠加。4 结构交叉布置薄煤层支架由于其最低位置的高度十分低，结构件除了尽量薄之外，结构件间尽量采用空间交错布置，所以，前连杆大多设计成单连杆，后连杆设计成双连杆，在最低位置时，前、后连杆可以侧投影重叠而不干涉，底座设计成分底座、活连接，左右底座中间为推移机构布置的空间；对于两柱掩护式支架，平衡千斤顶和推移液压缸采取交错布置，以满足最大重合度。由于柱前大多为人行通道，所以薄煤层支架推杆前部大多设计成板式，厚度为 5070mm。人行通道最小要求宽 0.6m，净高 0.4m。5 简化结构薄煤层支架结构要尽量简单，以减少事故，顶梁可设计成整梁，适当加宽顶梁宽度，一般可不设置活动侧护板。6 提高控制系统自动化薄煤层工作面行人困难，所以操作系统最好实现成组控制、自动控制或邻架控制，以减轻工人体力劳动和提高安全程度、工作效率及产量。1.4 液压支架的国内外现状及发展趋势液压支架的设计、制造和使用，从 1854 年英国研制成功发展到现在，已经基本成熟，形成了能适应各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。 从液压支架的形式来看，有掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。从支架的质量来看，有轻型液压支架、中型液压支架和重型液压支架。从支撑高度来看，有薄煤层液压支架、中厚煤层液压支架和厚煤层液压支架。厚煤层液压支架又分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架。从用途来看，有端头液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状来看，已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看，由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之，随着时代的发展和进步，液压支架设计、制造和使用，将越来越完善、安全、可靠。 第 7 页新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感器装置，立柱缸径超过 400MPa。为减少割煤时间，一般采用 0.81m 的截深。支架还采用屈服强度 8001000MPa 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为 4050MPa，额定流量400500L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，达到 68s/架。美国是世界上最先进的采煤国家，早在 1990 年就己采用额定压力 50MPa，额定流量478L/ mi n 的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架速度达 68s/架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用寿命 810 年，可用率高达 95% 98%。支架平均工作阻力 6470kN(最大为 9800kN)，支架宽度普遍增大，中心距达到 1.75m，并向 2m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司 20 英里矿在 2505280m 长壁综采面用工作阻力为 28565kN 电液控制两柱掩护式支架，1997 年 6 月产商品煤 90.43 万吨，成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面；1995 年 9 月，糜鹿矿用工作阻力为 8900kN 电流控制的两柱掩护式支架，月产煤达到60. 11 万吨。美国综采工作面最高日产超 7 万吨，工效为 1336 吨/工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式支架，支架的平均工作阻力为 7640kN。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在 1995 年 8 月 8 日创下澳大利亚有史以来日产 3.41 万吨的最高记录，班产一直保持在 50006000 吨。英国也在大力发展两柱掩护式支架，工作阻力有了很大提高，达到 60008000kN。液压支架的发展不断完善，未来的发展趋势主要有以下几种：1 前连杆加油缸的液压支架 在掩护式和支撑掩护式液压支架中的四连杆机构，克服了顶板作用在支架上的水平力，但当水平力过大时，不能让压，为了安全起见，所以掩护梁和前、后连杆的强度计算中安全系数比其他构件增加 20%，为了解决此问题，目前国外正在设计一种前连杆带油缸的液压支架。油缸为双作用单伸缩，上下腔都带安全阀，当顶板水平力大于额定值时，油缸让压，使液压支架达到新的平衡，从而在设计时可降低安全系数，减轻了液压支架的质量。2 沿顶板移架的液压支架 为适应破碎顶板下使用液压支架，设计了一种不在底板上移架的液压支架，利用提起底座擦顶移架的液压支架，底座与节式液压支架类似，为底靴式，质量较轻，架与架之间用液压千斤顶连接起来。 3 适用特种条件下的液压支架 （1）特厚煤层一次采全高液压支架 目前北京煤矿机械厂生产的 BC520-25/47 型液压支架，支架高度为 2.54.7m，还可根据需要设计支架高度为 6m 的液压支架，立柱可采用三伸缩柱的液压支架。（2）新型放顶煤液压支架可设计一种回收率高、夹矸少的放顶煤液压支架。 （3）水采液压支架为适应水采工作面的支护，可设计一种水采工作面液压支架。 （4）重型液压支架 第 8 页为适应顶板压力特大的需要，还可依据将工作阻力设计适当的液压支架。 （5）新型端头液压支架为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作，既安全又可靠的新型端头支架。（6）大倾角工作面液压支架为适应煤层倾角小于或等于 45的工作面，设计一种新型的大倾角工作面液压支架。 4 液压支架结构设计方向 （1）轻型化 对液压支架各部分进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度条件和配套的条件下，底座及顶梁尽量短些，使液压支架轻型化。 （2）标准化 为了减轻支架质量、降低成本，提高对煤层厚度变化和顶板条件的适应性，使液压支架的范围变小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。 （3）材质强化 提高结构件钢材的强度，采用优质钢材，减轻液压支架的质量，设计时可进行技术经济分析比较，选用合理的材质。 （4）高压化 各种阀类的压力等级加高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架的质量减轻。5 操作自动化 能适应无人采煤工作面的需要，设计自动化操作的新型全自动液压支架。 我国液压支架经过 30 多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产超万吨的记录。但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无儿，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材的耐压能力一般为 260MPa，最好的屈服极限才700MPa，液压系统压力在 35MPa 以下，流量在 200L/min 以内，供液管直径 2532rnrn，回液管直径 2550mrn，最快移架速度为 1012s/架(井下实际应用有时在 20s 以上)，工作阻力更是相对较低。我国科学工作者经过 30 多年的发展和努力，液压支架的设计、制造水平在不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型已基本趋于成熟、完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比，差距越来越小。但在控制元件和控制系统方面，与先进国家的产品相比还有较大差距。所以.今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件，开发一些新架型、新品种外，还应将设计重点放在支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面。今后，我国的液压支架的设计将向着技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68s/架)和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为 第 9 页40MPa，额定流量为 400L/min 的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需要，系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。ZY两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸的直径将增至 360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。1.5 超静定结构的创新和优点1 顶梁和底座通过 8 根悬浮式液压立柱铰接连接,，立柱均为二力杆， 所以支架顶梁无论承受哪个方向上的压力都不会对底座产生附加弯曲应力。2 顶梁所受的水平力均转化为立柱的内压力，因此只要立柱能够承受足够的压力,，则支架就能承受与之相应的水平载荷。3 立柱布置成正三角形，不但使支架的水平内力互相抵消，减少了顶梁和底座的内力，也使支架具有很高的稳定性。4 八根立柱密集支撑顶梁，在相同的泵站压力下，可以用较小的缸径实现较大的支撑力。同时，顶梁成为具有多点支撑的柔性顶梁，受力合理，可靠性高。5 可以通过只更换缸径相同、行程不同的立柱的方法，装配成采高不同而工作阻力相同的一系列液压支架，从而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。6 由于没有四连杆机构，顶梁的运动轨迹为垂直直线而不是近似的双扭线，克服了传统四连杆机构给支架设计带来的缺陷和不足。7 支架前梁可以上摆 3，下摆 42，用 2 个缸径相同的悬浮式液压千斤顶支撑，不仅支撑力大，而且对不平整顶板的适应性强。8 立柱采用悬浮式技术原理，悬浮力达到工作阻力的 4/5，立柱的受力仅为 1/5，大大提高了立柱的稳定性和安全性，从而提高了支架的承载能力和抗偏载能力。9 悬浮式液压立柱各密封点采用密封补偿和密封胀紧技术，而且内部无圆弧焊缝，无内泄漏。立柱一旦泄漏，肉眼便可发现。如果支架中有 1 一 3 根立柱损坏，可以在现场直接进行更换与维修，而不影响整个支架的超静定结构和工作状况，大大减小了工人的劳动强度，缩短了维修设备的时间。10 在设计过程中，对支架各部件进行了详细的受力分析和强度校核，并对各结构件的焊缝进行了强度校核，而且充分考虑了冲击载荷的影响，其安全系数满足设计要求。 第 10 页2 液压支架整体结构设计2.1 液压支架的设计参数设计参数数值支架的立柱数8支架的工作阻力（KN）5000支架的中心距（mm）1500支架的最大高度（mm）1300立柱伸缩形式单伸缩煤层倾角3.2 时，按中等壁厚缸体公式计算：D （4-5）() 2.3()P DCCC计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般取 C=2mm。P油缸内工作压力，P=52MPa；代入公式得：=266.09MPa。安全系数 3.7 bn一般安全系数可在 3.5-5 范围内选取，计算可知，此立柱满足要求。22cos4 10aDPP 0.412 1.3DPP 第 32 页4.2 油缸稳定性验算和立柱强度校核4.2.1 油缸稳定性验算油缸稳定性验算验算活柱全部伸出并受最大同心纵向载荷的稳定性，立柱的稳定性条件按下式进行验算： （4-6）式中：立柱的稳定极限力； kP 立柱的最大工作阻力；P 活柱断面惯性矩；1J444101()79864ddJcm 缸体断面惯性矩，。2J4cm44142221464DDJcm上述各式中: 活柱外径，12.51dcm 活柱内径，9.50dcm 缸体外径，171Dcm 缸体内径，14Dcm根据=1.7 及 =1.22521ll查极限阻力计算图得： =64.3式中： 活塞杆端部销孔至最大挠度处距离，40cm；1l 缸底销孔至最大挠度处的距离，49cm。2l立柱稳定性的极限力为： =32.3MNkP立柱的最大工作阻力 P=800KNl(活塞杆头部距最大挠度处的距离)kP122802277JxlP从以上计算可知，油缸稳定性满足条件。4.2.2 活柱强度验算活柱强度验算（1）在承受同心最大轴向载荷时，立柱的初始挠度为： 211kkPPJPJ21JJ1kPJ 第 33 页 (4-7)式中: 活柱与导向套处得最大配合间隙， =0.016cm；11 活柱和缸体的最大配合间隙， =0.013cm，22 活柱头部至最大挠度处的距离， =40cm；l1l1 缸体尾部至最大挠度处的距离， =70cm；2l2l 活柱全部外伸时，导向套前端至活柱末段间距，=9cm。aa 活柱全部伸出时立柱的长度， =110cm。ll 立柱总重，估取为 260Kg。G 油缸轴线与水平面的夹角，=84。 通过上式求得：=0.0453cm。1(2)立柱的最大挠度： 12125,5lllJJd当 时， (4-8) 式中： 11PKEJ22PKEJ 11 1tan 57.3tK l 22 2tan 57.3tK l 钢材弹性模量，:E52.1 10 MPaE 通过上式求得：=0.046cm。(3)活塞杆的合成应力为： (4-9)式中：活柱的断面积， A2210()4Add 活柱的断面模数，当活塞杆为空心时，其断面模数为W 34(1)32DW121 21 21cos22l lGl lalPl 1121 212lkkl lttPPAW 第 34 页所以，活柱的合成合力=157.3mpa。合安全系数计算如下： snn式中：许用安全系数，一般最小为 1.4。 n本设计中活柱材料为 27SiMn， =835MPa。安全系数 n=5.3，满足要求。s4.2.3 缸体与缸底焊缝强度验算缸体与缸底焊缝强度验算 (4-10)式中：立柱最大工作阻力，800KN;P 环形焊缝内径，17cm；0d 环形焊缝外径（缸底外径）,19.6；0Dcm 焊接效率，取=0.7。11代入相关数据，得：，焊缝抗拉强度一般取 539MPa： 153MPa安全系数为：许用安全系数n=3.3-4,由计算结果可知，焊缝强度满足条件。 220014PDd3.52bn 第 35 页5 液压支架受力分析5.1 概述5.1.1 支架工作状态支架工作状态1 顶板状态在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于受上部岩层压力，出现离层和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就越大。而顶板冒落是有一定过程的，一般可分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，此时顶板较完整，而且没有下沉，称为无压状态；但经一定时间后，顶板就会下沉，通常称为老顶来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉带有一定的周期性，所以称为老顶周期来压状态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。2 支架工作状态支架在这三种状态下是这样工作的：开始支架以初撑力支撑顶板，此时为无压状态；当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增大，当增大到大于安全阀调正压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称为立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如果继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称为压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现象；当支架前移后，此时顶板处于无支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架在工作过程中的三种状态。3 支架受力支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板反力，其中顶板合力的垂直分力,由支架工作阻力来克服，所以在计算支F架的工作载荷时按支架的工作阻力来确定。F5.1.2 计算载荷的确定计算载荷的确定液压支架实际受载荷很复杂，顶梁和底座上的载荷既非集中载荷，又非均布载荷，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算，作如下假设：1 把支架简化成一个平面杆系结构，同时为偏于安全，按集中载荷进行计算。2 金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。3 顶梁、底座与顶底板认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律，沿支架宽度方向为均布。4 通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全。5 立柱和短柱按最大工作阻力来计算。6 作用在顶梁上水平力的产生有两种情况：一种是由于支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双纽线，所以顶梁与顶板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘积，其方向与顶梁产生位移方向的趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向老塘的水平力，最大水平力与上相同。顶梁与顶板的静摩擦系数，目前国内一般取。f0.2-0.37 支架各部件受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。8 各结构件的强度校核，除按理论支护阻力校核危险断面外，还要按液压支架型式试验技术规范的各种加载方式，以支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力 第 36 页10的超载试验，将由安全系数保证强度。5.2 液压支架的受力分析与计算支架的受力分析与计算，是按理论力学中一物体受几个力作用下处于平衡状态时，所受力和力矩之和为零的原理来进行分析和计算的。所以当支架支撑后在处于平衡状态时，取整体或某一部件为分离体也处于平衡状态。其合力与合力矩为零。即：满足静力平衡的充分必要条件为：； （5-1）0xF 0yF 0xM 支架受力如下图所示：图5.1 支架受力图5.2.1 前梁的受力分析与计算前梁的受力分析与计算图5.2 前梁受力图上图中，为前梁千斤顶支撑力，为前梁端部的集中载荷力， 、由支架kPmF1l1h2h的结构确定，由平衡条件得：由 得： 0akxP （52）由 得： 0amyF （53） 由 得： （54）1120mkF lP hh由式（52），得： akxP0X0Y0aM 第 37 页由式（53），得： amyF由式（54），得： 121kmP hhFL（）由普通千斤顶的技术特征和适用范围，选取前梁千斤顶的规格为 100/60，代号为Q100/60W，在工作压力为 31.5MPa 时，推力为 245KN，拉力为 158KN，因支架适用两个前梁千斤顶，故单个千斤顶推力的两倍。kP代入数据得： 245 2=490KNakxP 12149010599.2KN899kamP hhyFL（）（285）5.2.2 主顶梁的受力分析与计算主顶梁的受力分析与计算图5.3 主顶梁受力图取顶梁为分离体，F 为立柱的工作阻力，为前梁在顶梁与前梁铰接处对顶梁在,aaxy水平和垂直方向的力，为前梁千斤顶对顶梁的作用力，为顶板对顶梁的集中载荷力。kPnF由 得：0akxP （55）由 得：8cos0naFyFa （56）由 得：0bM （57）112345612342()2cos(432)0nkaaFxP hyllllllFllllxh 由式（5 -6）得： 6265.7nFKN由式（57）得：1234212345612cos(432)/()anakFllllxhxFyllllllP h代入数据得：0ax 0ay 第 38 页1241.6mmx 5.2.3 底座的受力分析与计算底座的受力分析与计算图5.4 底座受力图取底座为分离体，受力如图 5-4 所示，为立柱的工作阻力，为地板对支架的支撑FP力。由，得：0y （58）8cos0PFa由，得：0cM （59）1232cos(32)0PxFlll由式（5-8）得：=8cos6365PFaKN1110mmx 5.3 顶梁的载荷分布在把顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。由于顶板与顶梁接触情况不同，载荷实际分布很复杂。为计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分布。设顶梁长为，顶板的集中载荷为，其作用点距顶梁一端为。gL1Fx（1）当时，载荷分布为三角形。如图 5.5 所示。3gLx q3F1Lgq2图5.5 顶梁三角形载荷分布顶梁前端比压为 0，顶梁后端比压为：2q3q 第 39 页 1323mFqB（2）当时，载荷分布呈梯形分布，如图 5.6 所示。Lgx3顶梁前端比压为： 1322(62)10 MPaggmFxLqL B顶梁后端比压为: 1332(46 )10 MPaggmFLxqL B图5.6 顶梁梯形载荷分布式中：由前面计算可知，属于第二种情况。代入数据计算得：2 1.6m3xll3226265.76 1.242 3.2100.489MPa3.21.3q 3326265.74 3.26 1.24102.52MPa3.21.3q 5.4 底座接触比压顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。底板与底座的接触面积： 2321;m ;mmgmqqlFxQB 顶梁前端比压，M Pa 顶梁后端比压，M Pa 顶梁长度， 顶梁所承受最大载荷，KN 合力作用点位置，； 顶梁宽度，。 第 40 页 dddAL b式中： 底座的长度；dL底座的宽度。db底座对底板的平均比压： （520）-611100dFq =AMPa代入数据求得：22.81 0.435 22.44mdA 3606365 10102.61MPa2.44q由于底板凹凸不平或底座下垫有碎矸，底座对底板的比压很不均匀。为简化计算而又不失其有效性，假设底座对底板均匀接触且载荷为线性分布。底座接触比压的计算公式和顶梁的计算方法相同，由公式（5-8）、（5-9）知，力的作用点距底座后端的距离2gLx 所以，底座的接触比压分布为矩形分布，接触比压的数值为平均接触比压的大小。 第 41 页6 液压支架强度计算6.1 强度条件我国液压支架强度计算中的强度条件如下：1、强度校核均以材料的屈服极限计算安全系数;s2、常用的承载结构件材料及工艺，见表 6.1表6.1 常用承载结构材料工艺表主要零部件名称常用材料(MPa)s工艺性能16Mn280350Q460450-470可焊性好、焊后无需热处理15MnVN450470顶梁、底座、14MnNbB700可焊性差、焊接时需要预热，工艺困难柱冒、连接座ZG270500ZG35Cr270350一般需调质处理，铸造缺陷较多，要严格控制质量销轴、连杆40Cr4540Mn230CrMnSi550360750900调质处理3、安全系数安全系数如表 6.2：表6.2 安全系数表 注：（1） 、顶梁、底座安全系数为 1.1，主要考虑加载时加载工作阻力 1.1 倍，掩护梁、连杆、销轴等不能进行加载强度校核，为偏于安全取 1.3. （2） 、如果各结构件计算出来的安全系数偏大时，可按标准钢材厚度减薄，或减少加强筋数量和筋板高度，以减轻支架重量，降低成本。根据计算表明，改变结构件高度对强度影响较大，而改变结构件钢板厚度对强度影响较小，在设计时可根据结构件具体情况酌情处理。安全系数前梁顶梁底座掩护梁前连杆后连杆n安全系数主要轴缸体活塞杆n1.33.341.4 第 42 页6.2 前梁强度校核由图 6-1 可以看出，最大弯矩在前梁千斤顶作用处。根据计算表明，按弯压联合作用计算，不如按最大弯曲应力计算应力大，为安全起见，故采用最大弯曲应力校核，即危险截面，所以只需校核危险截面的弯曲强度。断面处的弯矩的确定：aa1 绘制前梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图图6.1 前梁强度校核图2 计算剪力与弯矩（1）剪力=99.2KNsF(2) 弯矩 max0.61360.8mMFKN3 按弯曲应力进行强度校核 首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号，再计算截面积，最后计算截面形心距。钢板的编号如图6.2所示。图6.2 前梁截面图 第 43 页（1）板1： =1300mm =30mm1l1 板2：=165mm =30mm1h2 板3：=1100mm =30mm2l3（2）求解截面形心坐标 2111 111300 3039000,152Almmymm 212122144 165 3019800,112.52hAhmmymm 233233111110 2022200,2052Almmyhmm 1190.91niiiniiA yymmA（3）每个零件至截面形心之距可用下式进行计算iaiiayy代入数据得：1175.91ayymm 2221.59ayymm 33114.09ayymm（4）截面形心主惯性矩 32841 11112.28 1012zlJa Amm 32742 12222.05 1012zhJa Amm 3284233332.9 1012zlJa Amm 84123145.385 10 mmnZznzzziJJJJJ（5）弯曲应力的计算 第 44 页 max113121590.91124.09yhymm62maxmaxmax878.9 10(21590.91)18.2N/mm5.385 10ZMyJ（6）安全系数的计算前梁采用 Q460，可焊性好、焊后无需热处理，所以屈服极限为 460MPa。smax460sn由此可知，前梁的强度满足要求。4 按剪切强度进行校核由力矩图可以看出，在危险截面处的剪应力为最大，并且腹板采用钢板焊接，不如型钢，故需校核。由材料力学可知，中性轴处剪应力为最大，所以按此处进行校核。（1） 中性轴以下的部分截面面积对中性轴的静矩0S0iiiSSF y式中：中性轴以下各部分零件断面的面积；iF 中性轴以下各部分零件的中心坐标（对截面形心）；iy iiyyy 危险界面的形心坐标；y 每个零件的形心坐标；iy 中性轴以下各部分零件面积对中性轴之矩。iS此处按中性轴以下面积进行计算，代入有关数据，经计算，得：2531111()165(90.91 30) 301.625 1022hySAmm63322113()2.533 102SAhymm 630122.7 10iSSSSmm（2）危险截面处的最大剪应力max max0max0ZQSJ b 第 45 页式中： 最大剪应力, ；maxQmax99.2KNmQF 截面沿中性轴的总合宽度，此处，。0b055 30150mmb 代入有关数据，得：362max0max899.2 102.7 103.3/5.385 10150ZQSN mmJ b（3）安全系数的计算 maxmax0.55sn代入有关数据，得：0.55 4n76由此可知，前梁的剪切强度满足设计要求。6.3 顶梁强度校核1 绘制顶梁结构简图、受力图、剪力图和弯矩图图6.3 顶梁强度校核图2 计算剪力与弯矩（1）剪力max3182.4FKN(2) 弯矩 13=F17.6xMhKN m 232=F+1045.4xyMhF lKN m 第 46 页323=+F1063xMMhKN mmax4312=+2F ()1784.1yMMMxllKN m3 按弯曲应力进行强度校核 首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号，再计算截面积，最后计算截面形心距。钢板的编号如下图所示。图6.4 顶梁断面图（1）板1： =1270mm =20mm1l1 板2：=435mm =20mm2l2 板3：=60mm =180mm3l3h板4：=60mm =180mm4l4h板5：=60mm =20mm5l5板6：=60mm =20mm6l6（2）求解截面形心坐标 2111 1121270 2025400,+302Almmymm 222222435 208700,102Almmymm 2333 331260 18010800,1302hAl hmmymm2444441260 1609600,1202hAl hmmymm255555124470 209400,2102Almmyhmm266665200 204000,210Almmyymm 第 47 页 11106.85niiiniiA yymmA（3）每个零件至截面形心之距可用下式进行计算iaiiayy代入数据得：1176.85ayymm 2296.85ayymm 3323.15ayymm 4413.15ayymm 55103.15ayymm 66103.15ayymm （4）截面形心主惯性矩 32841 11111.51 1012zlJa Amm 3274222228.19 1012zlJa Amm 3284333333.49 1012zl hJa Amm 3274444442.21 1012zl hJa Amm 3284555551 1012zlJa Amm 3274666664.27 1012zlJa Amm 8412345614+25.804 10 mmnZznzzzzzziJJJJJJJJ（5）弯曲应力的计算 第 48 页 max123220 106.85113.15yhymm62maxmaxmax81784.1 10113.15347.8N/mm5.804 10ZMyJ（6）安全系数的计算顶梁采用 Q460，可焊性好、焊后无需热处理，屈服极限为 460MPa。smax4601.321.1347.8sn由此可知，顶梁的强度满足要求。4 按剪切强度进行校核由力矩图可以看出，在危险截面处的剪应力为最大，并且腹板采用钢板焊接，不如型钢，故需校核。由材料力学可知，中性轴处剪应力为最大，所以按此处进行校核。（1） 中性轴以上的部分截面面积对中性轴的静矩0S0iiiSSF y式中：中性轴以上各部分零件断面的面积；iF 中性轴以上各部分零件的中心坐标（对截面形心）；iy iiyyy 危险界面的形心坐标；y 每个零件的形心坐标；iy 中性轴以上各部分零件面积对中性轴之矩。iS此处按中性轴以上面积进行计算，代入有关数据，经计算，得： 11106.853076.85yyymm22106.85 1096.85yyymm123106.854033.42522yymm 630113.465 10nniiiiiSSA ymm（2）危险截面处的最大剪应力max max0max0ZQSJ b 第 49 页式中：最大剪应力, ；maxQmax99.2KNmQF 截面沿中性轴的总合宽度，此处，。0b055 30150mmb 代入有关数据，得：362max0max83182.4 103.465 1063.3/5.804 10300ZQSN mmJ b（3）安全系数的计算 maxmax0.55sn代入有关数据，得：0.55 459=3.991.163.3n由此可知，顶梁的剪切强度满足设计要求。6.4 底座强度校核1 绘制底座结构简图、受力图、剪力图和弯矩图图6.5 底座强度校核图2 计算剪力与弯矩 第 50 页（1）剪力max3182.5FKN(2) 弯矩 14=F16.7xMhKN m 213=1448.8yMMF lKN m 32=+16.71432.1MMKN mmax4312=2F ()1927yMMMllxKN m 3 按弯曲应力进行强度校核 首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成1个号，再计算截面积，最后计算截面形心距。钢板的编号如下图所示。图6.6 底座断面图（1）板1： =435mm =40mm1l1 板2：=170mm =60mm2l2 板3：=460mm =180mm3l3h（2）求解截面形心坐标 2111 11435 4017400,202Almmymm 2222221170 6010200,1252hAhmmymm 23333312460 4018400,2302Almmyhmm（3）每个零件至截面形心之距可用下式进行计算iaiiayy代入数据得： 第 51 页1186.7ayymm 2218.3ayymm 33123.3ayymm （4）截面形心主惯性矩 32841 11111.33 1012zlJa Amm 3274222222.8 1012zhJa Amm 3284333332.82 1012zlJa Amm84123146.6 10 mmnZznzzziJJJJJ（5）弯曲应力的计算 max123250 106.7143.3yhymm62maxmaxmax81879.2 10143.3408N/mm6.6 10ZMyJ（6）安全系数的计算顶梁采用 Q460，可焊性好、焊后无需热处理，屈服极限为 460MPa。smax4601.131.1408sn由此可知，顶梁的强度满足要求。4 按剪切强度进行校核由力矩图可以看出，在危险截面处的剪应力为最大，并且腹板采用钢板焊接，不如型钢，故需校核。由材料力学可知，中性轴处剪应力为最大，所以按此处进行校核。（1） 中性轴以上的部分截面面积对中性轴的静矩0S0iiiSSF y式中：中性轴以上各部分零件断面的面积；iF 中性轴以上各部分零件的中心坐标（对截面形心）；iy iiyyy 危险界面的形心坐标；y 第 52 页 每个零件的形心坐标；iy 中性轴以上各部分零件面积对中性轴之矩。iS此处按中性轴以上面积进行计算，代入有关数据，经计算，得： 212251.652hyyyymm33312106.7+123.32yyyhmm（+）25321023.2 102hySmm（+ -）630332.27 10SA ymm 6302312.59 10niiSSSSmm（2）危险截面处的最大剪应力max max0max0ZQSJ b式中：最大剪应力, ；maxQmax3182.5KNmQF 截面沿中性轴的总合宽度，此处，。0b044 60240mmb代入有关数据，得：362max0max83182.5 102.59 1052.04/6.6 10240ZQSN mmJ b（3）安全系数的计算 maxmax0.55sn代入有关数据，得：0.55 460=4.851.152.04n由此可知，顶梁的剪切强度满足设计要求。6.5 销轴及耳板的强度校核支架所有连接处的销轴和耳板，都要受挤压和拉伸的作用，所以，要计算挤压应力和拉应力并进行强度校核。销轴处不仅受剪力，而且还受一定的弯曲应力，所以应对其 第 53 页进行合成应力校核。下面对各部件联结处分别进行轴及耳板强度校核。6.5.1 前梁与顶梁联结处销轴的强度校核前梁与顶梁联结处销轴的强度校核前梁与主梁联结处的销轴受力如图 6.7 所示：由式（52）和式（53）知，在前梁与主顶梁连接处： 99.2kNaX 490kNaY 其合力为： 222299.2490500kNaaaFXY此处有四条筋板，则： 图6.7 前梁与主梁销轴受力图带入数据得： 125kN4aFR 30+60=452mm50dmm3-531.23 1032dWm5625cMRN m457.3cnMMpaW=63.8RMPaA223=470.5MPa合材料选取 40Cr，800sMPa4aFR 第 54 页800=1.71.3470.5sn合6.5.2 前梁与顶梁联结处耳板的强度校核前梁与顶梁联结处耳板的强度校核前梁与主梁联结处，前梁的耳板厚度较小，所以只要前梁耳板符合要求，则主梁处必然符合要求，此处只选择校核前梁耳板。耳板在挤压力作用下，销轴向耳板销孔挤压。耳板所受挤压应力按下式计算：aF aFZbd挤式中： 偏载系数，一般取；1.2耳板数量，Z耳板厚度，mb销孔直径，md所以：500 1.2100MPa4 30 50aeF aZbd挤挤压安全系数： 1.71.7 4607.81.3100sn挤耳板受拉的危险断面为销轴直径处，其拉应力为： ()aFZb Bd拉式中：耳板宽度 B从图 6.7 可知：50mm,147mmdB所以此处：3500 1.2 1030.9Pa4 5050M拉（147）拉伸安全系数： 46014.91.430.9sn拉所以此处的耳板强度满足设计要求。6.5.3 立柱与底座处销轴的强度校核立柱与底座处销轴的强度校核立柱与底座处销轴的受力如图 6.8 所示： 第 55 页800kNR 图6.8 立柱与底座销轴受力图带入数据得： 180=356290RRKN70dmm3-533.37 1032dWm3560cMRNm106cnMMpaW=92.6RMPaA223=192MPa合材料选取 40Cr，800sMPa800=4.21.3192sn合6.5.4 立柱销轴支座的强度校核立柱销轴支座的强度校核支座在挤压力作用下，销轴向耳板销孔挤压。耳板所受挤压应力按下式计算：2R 式中： 偏载系数，一般取；1.2aFZbd挤 第 56 页耳板数量，Z耳板厚度，mb销孔直径，md所以：800 1.2171MPa2 40 70aFZbd挤挤压安全系数： 1.71.7 4604.571.3171sn挤6.5.5 其他地方销轴和耳板的强度校核其他地方销轴和耳板的强度校核主顶梁和上连扳、上下连扳联结处的销轴和耳板，受力小于前梁处的销轴和耳板，而且主顶梁和尾梁联结处的销轴和耳板尺寸相同，前面已经校核了前梁处的销轴和耳板的强度均满足设计要求，所以该处的强度也应符合设计要求，在此不再计算。其余千斤顶耳座及销轴可参考有关手册选定，这里不再进行强度校核。 第 57 页 第 58 页7 液压支架的液压系统设计 7.1 液压支架的液压系统简介 整个综采工作面液压支架的液压系统由乳化液泵站、主管路和各个支架的控制系统等三大部分组成。液压支架的控制系统由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱与千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。 7.1.1 液压支架传动系统的基本要求液压支架传动系统的基本要求 对于液压支架的传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离地传递大的能量；能承受较大的载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里能保证工作安全；动作迅速；操作、调节简单；过载及损坏保护简单。 7.1.2 液压支架的液压传动特点液压支架的液压传动特点 液压支架的液压传动，与其他机械的容积式液压传动有很大的区别，其特点如下： 1）工作液的压力高（管路内的压力达 2040MPa，立柱内的压力达 3070MPa），流量大（35140L/min）； 2）在液压系统中，采用黏度低和容量大的液体作为工作介质； 3）很长的液压管路（200300m 刚性管，5003000m 高压软管）； 4）泵液压缸传动系统的换算弹性模数较低； 5）所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及它们之间都有着相同的连接方法（相同的液压系统）； 6）每节支架重复着相同的工序，这些工序的总和构成液压支架的基本工序； 7）为保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有良好的密封性和可靠性。 这些特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点，即： 液压支架是以单节点支架为单元的，这就决定了液压系统的构成，即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外，可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有其独立的功能，在改善液压传动或者制定新的方案时，一般都可以单独地加以研究。7.1.3 液压支架的控制方式液压支架的控制方式 1 手动控制目前液压支架多采用手动邻架控制。操作人员随采煤机前进，依次站在被移支架倾斜上方的支架里进行操作，使被移支架完成各个必要的动作。（1）全流量控制全流量控制是目前支架的基本控制方式。它使用全流量操纵阀，根据操作人员的要求，直接向液压缸工作腔输入压力液，实现支架的各个动作。在采取邻架控制时的全流量控制系统，过架管路除了主管路以外，还有许多控制管路，因而行人不便，系统可靠性不高，维护工作量大。 （2）先导液压控制先导液压控制近年来在支架液压控制系统中发展很快。它是通过先导液压操纵阀将 第 59 页操作人员的要求变成液压指令，再由液控分配阀完成向液压缸工作腔供给压力液的任务。因为先导控制需要传输的不是流量而是液压，所以先导控制管可以做得很细小，于是必须过架的许多先导控制管可以用一根直径不大的多芯管(每芯直径仅 2 毫米左右)来代替，并且简化了支架在井下工作面的安装，系统可靠性增加。采用多芯管传输液压指令，只要增加芯管数目，就能实现双向邻架控制，也不会增加过架管路数目，这对在水平或近永平媒层工作面中双向采煤时的支架操作很有利。2 自动控制手动控制的操作速度受到人员在工作面行走速度限制。特别是在薄煤层中工作时，操作人员花费在从一个支架行走到另一个支架的时间较长，体力消耗也很大。因此，手动控制液压支架使高效采煤机械的工作能力不能充分发挥出来。所以，研制和发展液压支架自动控制系统是液压支架进一步发展的方向之一。目前，液压支架的自动控制大都处于试验阶段。这是因为地下工作条件复杂多变，在工作条件的监控方面，在人机之间和在采煤机与支架之间的完善联系还有大量工作要做。总的趋势是采用带有电脑控制的电液先导液压控制系统。分配阀多采用安全火花型电液控制分配阀，监控装置如压力传感器、位置传感器等多转换成电信号输入电脑指令系统。它们可以是分组程序控制，每组支架只需按一次电钮便可依次完成各个支架的移架过程;也可以是由设在巷道中的集中控制台进行遥控或白动控制。它们一般都保留有进行本架控制的相应控制元件，以便在必要时进行临时应急处理。7.2 液压支架的液压系统拟定根据液压支架的架型和结构设计，确定立柱和千斤顶的数目，并拟定液压系统。由于薄煤层液压支架必须采取邻架控制，为了减小管路上的压力损失，特采用了先导控制回路，如图 7.1 所示。它的主要控制元件是先导掖压操纵阀和液控分配阀。先导液压操纵阀发出先导液压指令，波控分配阀接到液压指令后立即动作，向相应液压缸工作腔供液。先导控制可以减少液压损失，减少采用邻架控制方式时的过架管路(因为先导液压控制管路的流量极小，可以采用多芯管传输多路液压指令)，便于向集中控制、遥控和自动控制方式发展。图7.1 先导控制回路 第 60 页图 7.1 所示先导控制回路的液控分配阀 2 是由四个液控二位二通阀组成的，它不仅可以根据先导液压指令实现液压缸的换向动作，还可以实现闭锁功能。图中所示液压缸为支架立柱 3，液控分配阀 2 中右边两个常闭式二位二通阀 E 和 F 组合控制立柱 3 下腔的进液和回液，左边一个常闭式和一个常开式二位二通阀 C 和 D 组合控制立柱 3 上腔的进液和回液。使先导液压操纵阀 1 中 B 阀动作，则先导液压指令将传至 E 阀液控口而使之开启，压力液从压力管路 P 经 E 阀进入立柱 3 的下腔，使之升柱接顶。松开 B 阀手把，E阀则在弹簧作用下复位关闭，立柱下腔被锁紧。操作先导液压操纵阀中 A 阀使之发出液压指令，则 C 阀开启，D 阀关闭，压力液从压力管路 P 经 C 阀进入立柱 3 的上腔；F 阀开启，立柱 3 的下腔经 F 阀与回液管路 O 连通，所以立柱 3 降柱。本次设计的液压支架的液压控制系统如下图所示。图7.2 液压系统原理图 第 61 页8 液压支架的运动仿真和有限元分析8.1 基于 Pro/E 的三维实体建模随着科技的发展，单一使用二维 CAD 技术进行液压支架设计已不能满足现代设计的需求。在科研人员到各煤矿和生产厂家进行方案汇报、项目招标的过程中，利用 Pro/E 软件建立的支架三维实体模型和运动仿真分析，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动轨迹都清晰、直观的显示出来，从视觉上带给客户更感性的认识，收到了很好的效果。现阶段比较有代表性、应用广泛的三维 CAD 软件有：美国 PTC 公司的 Pro/ENGNEER Wildfire、DRC 公司的 i-deas、SOLIDWORKS 公司的 solidworks、EDS 公司的 solid edge、北航海尔的 caxa。其中 Pro/E Wildfire 4.0 是 windows 平台下基于特征的参数化造型技术和变量化造型技术的三维实体造型系统，具有杰出的机械装配设计和制图性能，能够方便地与 windows 平台下其它应用软件进行数据转换和链接操作。其内容涵盖了从产品概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程，其中还包含了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块，应用范围涉及航空航天、汽车、机械、轻工、医疗和电子等诸多领域。Pro/E Wildfire 4.0强大的建模功能可以完成任何复杂的造型设计和装配设计，其工程图模块可以将零件环境、装配环境中生成的各类零件、装配件等实体进行投影，生成符合制图标准的二维工程图，极大地方便了液压支架零部件的设计，因此确定采用 Pro/E Wildfire 4.0 软件来进行液压支架三维实体的建模。8.1.1 建模的目的与意义建模的目的与意义Mechanism（机构动力学分析）模块是 PRO/E 软件中包含的一个运动分析和仿真模块，该模块既可以实现对机构的定义、建立零件之间的连接及装配自由度，对输入轴添加相应的电机驱动产生设计要求的运动，又可以在分析机构运动时观察和记录分析仿真过程的一些测量值，如位置、速度、和加速度等，还可以进行运动干涉检查和运动轨迹显示等。创建三维模型，不仅仅是为了造型，更多的是为了今后使用方便如设计的修改和调整、虚拟装配、动力学分析、运动分析等。一般对于开发性设计来说，造型的近期目标就是为了修改。具体到支架设计，由于每次设计所需要的支护强度各不相同，所以设计的支架模型在完成机构运动学目标后，还要通过强度验算同时确保支架总重量不超过一定数值，因此支架模型只有在通过强度验算合格和总重量不超标的情况下才能正式确定下来。也可以说，在设计时，修改零件模型是必不可少的。这就要求创建的零件造型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，以便在今后的零件设计过程中，随时可以方 第 62 页便地对不合理的结构做出修改。要明确零件造型的目的：在不影响零件的基本特征和受力的情况下，某些细小特征（如较小的圆角和倒角）可以忽略，还可以将有关部件直接绘成一个零件模型，减少模型储存量及缩短模型再生时间，从而提高了工作效率。正确的建模是装配的前提，恰当的装配是运动仿真的基础，装配的好与坏直接影响到运动仿真的进行，只有在模型装配好之后才能正确的进行运动仿真。8.1.2 Pro/E 中建模方法中建模方法 Pro/E 提供了两种设计方法： 1 如果先将零件设计好，并绘制成三维模型，然后将这些零件装配成装配体，这种设计方法称为自底向上设计（DownTop）； 2 先设计产品的原理和结构，然后再进一步设计其中的零件，这种方法称为自顶向下设计（TopDown）。对液压支架整机的三维实体建模一般采用自底向上的方法，即先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型，然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装，最后形成一台完整的机器。很显然，对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之间的装配关系，是完成液压支架整机建模的关键。液压支架的零部件众多，但鉴于篇幅的限制，无法一一列出。所以，只列出其中四个部件供参考：顶梁（图 8.1）、底座（图 8.2）、前梁（图 8.3）、立柱（图 8.4）。图8.1 顶梁模型效果图 第 63 页图8.2 底座模型效果图图8.3 前梁模型效果图 第 64 页图8.4 立柱模型效果图8.1.3 Pro/E 中虚拟装配中虚拟装配 创建好液压支架的所有部件之后，就要开始进行装配。装配前，应正确分析各部件在整机中的位置、作用以及相关部件之间的装配关系、运动关系，以保证装配后整机定位可靠、运动灵活、互不发生干涉。装配是在 Pro/E 的组件模块中完成的。由于各部件之间的装配关系不同，Pro/E 提供了不同的装配形式。如果装配件与装配件之间没有相对运动，装配时应选用“放置”选项定义板定义彼此之间的完全约束关系；否则，在装配时应选用“连接”选项板来定义它们之间的连接关系和约束关系。在装配过程中，如果按照设定的约束关系并没有使装配件处于“正常的工作位置” ，可使用“拖动”选项板上的“平移” 、 “旋转”等工具对配件进行调整，直至符合要求为止。在 Pro/E 中，组件模块提供了“匹配”、“对齐”、“插入”和“坐标系”等多种约束类型和“平面连接”、“销钉连接”、“滑动杆连接”、“球连接”等多种连接形式，在具体的操作中，正确地选择并使用这些约束类型和连接形式，对能否成功地实现液压支架的虚拟装配与运动仿真至关重要。为此，八根立柱的上下铰接点、千斤顶两端的销孔及上下连板的铰接一律采用“销钉联接” ，活柱与缸体之间一律采用“滑动杆连接”，推移杆采用平面连接。一般情况下，采用的连接形式不同，接下来所需定义的约束类型也不同。只有当装配处于完全约束时，被装配件才可能具有确定运动， “连接”才会生效图 8.5 是本次设计的超静定薄煤层液压支架的三维模型。 第 65 页（a）(b)图8.5 整机模型效果图8.1.4 Pro/E 中运动仿真中运动仿真液压支架运动仿真的一般过程如图 8.6 所示： 第 66 页图8.6 仿真流程图液压支架的运动仿真是在成功建立装配模型的基础上，通过定义静止部件、运动部件，并在各起始运动件上定义驱动电机、选择连接轴和运动方向、设定运动条件或参数等一系列操作来实现的。由于液压支架运动部件的驱动件主要是立柱或油缸，活塞杆在油缸中只作往复运动，所以，在建立液压支架的仿真模型时，以底座为静止部件，其他部件均为活动件。将驱动电机放在立柱上，以立柱轴线作为联接轴，然后根据各个活塞杆的行程和运动时间，在“轮廓”面板的“规范”栏中选择“位置”来规范活柱的运动，在“模”栏中选取“常数”选项；最后，利用“运动分析”命令定义运动仿真的起始和终止时间以及帧数，即可播放完成的动画。在组装好装配图后，点选菜单栏中的“应用程序”下拉菜单中的“机构” ，进入机构仿真模块。运动仿真的操作步骤如下：1 定义伺服电动机分别在立柱、前梁千斤顶、侧推千斤顶、推移千斤顶处定义伺服电动机，主要包括起始位置和运动速度的定义，可将活塞或活柱未伸出时定为起始位置，根据运动的时间和活塞行程来确定运动速度。2 设置运动环境由于液压支架的主要工作过程为承载阶段，所以只进行了运动学仿真分析，故无需定义重力、阻尼、扭矩等参数。3 设置仿真条件通过对伺服电动机运动时间的定义来模拟液压支架的工作过程，液压支架的动作顺 第 67 页序为：升柱前梁伸出侧护板伸出推杆伸出推杆收回侧护板收回前梁收回降柱。为了更好的实现动画的效果，在每一个动作完成后，有 1 秒的暂停时间。伺服电动机的时间设置如图 8.7 所示。图8.7 伺服电动机的定义 第 68 页图8.8 电动机作用时间设定值8.1.5 Pro/E 仿真结果分析仿真结果分析获取仿真结果是将模拟的运动与实际运动进行对比分析，如运动干涉、运动包络等，对出现的问题提出改进方法，实现液压支架的最优化。在液压支架零、部件装配和运动仿真完成后，就可以利用 Pro/E 对设计的实体模型进行干涉检验，包括静态检查和动态检查。静态干涉检查是指在特定的装配结构形式下，检查装配体各个零件之间的相对位置是否存在零部件之间的运动干涉。直接利用 PRO/E对设计模型进行分析，重点对装配模型进行全局干涉检验，检验结果直接显示在模型中，同时用数字给出干涉区域的面积。这样对整个支架的装配结构进行干涉检验，可以观察和分析出区域问题，从而进行结构改进设计，将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态，减少试制样机费用和改进时间，并大大缩短机械产品的更新周期。在液压支架运动仿真完成之后，借助于 PRO/E 仿真分析测量还可以测量系统中需要跟踪的参数，如零件的位置、速度、加速度等，并将其变化趋势通过图表的形式直观的表现出来，假如结果不理想，可以在设计模式下直接修改模型参数，重复仿真分析以达到机构优化的目的。电动机参数和运动环境定义结束后即可进行运动分析，如图 8.9 所示。分析无误后保存分析果，利用“回放”命令可以对已运行的运动分析进行回放，在回放中还可以进行动态干涉检查和制作播放文件。对每个运行的运动定义，系统将单独保存一组运动结果，利用“回放”命令可以将其结果保存在一个文件中，也可以删除、恢复或输出这些结果而后可生成后缀名为 avi 的演示文件，如图 8.10。具体演示文件见视频。 第 69 页图8.9 运动回放图8.10 视频截图运动轨迹的绘制：1 为了防止降架时采煤机截割顶梁，要求支架从最高位置降到最低位置时，顶梁端点运动轨迹的最大宽度应小于或等于 70mm，最好为 30mm 以下。本次设计的超静定液压支架，由 8 根悬浮立柱支撑顶梁，运动轨迹曲线理论上应为竖直的直线，图 8.11 便是绘制出的顶梁端点的运动轨迹。 第 70 页图8.11 顶梁端点运动轨迹由图可以看出，顶梁前端运动轨迹的误差在 0.5mm 范围以内，近似为垂直运动，这也是超静定结构与传统的四连杆机构相比具有的优势之一。2 为了防止移架时的挤架现象，要求支架从最低位置升到最高位置时，顶梁前端中心与底座前端中心的偏移量应小于 80mm，图 8.12 为中心线的偏移量，从图中可以看出，中心线的相对偏移量是很小的，这也是采用了超静定结构的特点，8 跟立柱形成密集支护，支架的稳定性得以提高。 图8.12 顶梁与底座中心线的相对偏移量8.2 基于 ANSYS Workbench 12 的有限元分析ANSYS Workbench 12 作为一个集成框架，它整合现有的各种应用，并将仿真过程结合在一起。最新的 ANSYS Workbench 12 在工程页中首次引入了工程图解的概念，这跟以前的 Workbench 不同。通过该项功能将一个复杂的包含多场分析的物理问题，通过系统间的连接就能实现其相关性。此外，ANSYS Workbench 12 平台还可以作为一个应用开发框架，提供项目全脚本、报告、用户界面工具包和标准的数据接口。目前，在 ANSYS Workbench 12 中，工程数据和 DesignXplorer 将不再是独立的应用程序，这可通过 U1工具箱将它们重新设计整合在 ANSYS Workbench 工程页下。尽管工程页做了较大调整， 第 71 页但 Workbench 的核心应用程序及操作界面并无大的改变。在这个创新的框架下，工程师可以完成一个完整的仿真分析，包括 CAD 集成、几何修改和网格划分。工程页的概念图解能帮助和指导用户完成复杂的分析、说明和明确数据关系及捕捉自动化的过程。ANSYS Workbench 12 的特点主要有：1 几何体模型和网格划分ANSYS Workbench 12 融合了丰富的几何和网格划分技术，整合后的几何和网格划分解决方案使不同分析类型的仿真能够共享。ANSYS 12 增强了 ANSYS Workbench 12 环境下创建几何的功能，还提供了更多的自动化功能和更强的适应性，并增加了合并、连接和映射等用于曲面建模的功能。新增工具还可以自动探测处理常见问题，如小边、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面等，且新版本对几何模型的修改和处理速度更快。2 多物理场ANSYS Workbench 12 下的多物理场仿真速度比以前更快、更方便。它的一些新增及增强功能可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题，而且它将各种求解器技术整合在一个统一的仿真环境中，显然这为多场求解提供了更有效的工作流程。3 流体动力学ANSYS 12 将流体产品完全整合进 Workbench 环境中，在该环境下就能进行仿真流程管理。如用户可以先采用 ANSYS CFX 或 ANSYSFLUENT 软件来创建、连接及重复使用等来完成自动化的仿真参数分析，然后再进行多物理场无缝对接仿真。4 仿真过程及数据管理在今天全球化环境中，仿真和设计不断整合，这促使合作和交流成为产品开发必不可少的一部分。ANSYS 工程知识管理(EKM)解决方案旨在解决仿真和 CAE 界的仿真过程和数据管理(SPDM)难题。ANSYS EKM 内容包括如何更好地管理、共享、重复使用仿真数据以及如何更好地捕捉和重复使用仿真结果等工程专业技术。5 显示动力学ANSYS 12 在显式动力学领域倾注了大量的精力，包括附加的新产品，这使该技术对于无使用经验者也易于使用。另外，增强了 ANSYS LS-DYNA 和 ANSYS AUTODYN 产品功能，为用户提供更大的便利。新增了 ANSYS Explicit STR 软件，它基于 ANSYS AUTODYN 产品的拉氏算子部分，这是 ANSYS Workbench 界面的第一个本地显式软件。该技术可用于满足固体、流体、气体及它们之间相互作用的非线性动力学仿真。8.2.1 虚拟压架实验虚拟压架实验传统的液压支架设计和生产时，必须要做出一台物理样机，到相关的研究检测部门按照 MT86-84 试验规范进行压架试验，只有压架试验合格后才能进行批量生产。由于压架试验等待周期较长，到指定的检测部门又要托运物理样机，加上本身制造物理样机的巨大成本，使得传统的液压支架设计和生产既成本高，又周期长，给企业在市场上的竞争带来很大的不利。利用液压支架虚拟样机三维造型，赋予各结构件一定的材质特性，导入各铰接点的力，按照 MT86-84 试验规范的加载形式定义边界条件，通过有限元分析软件的计算，可得出支架结构各部分的应力应变和安全系数等分布情况，既能快速找出支架的强度薄弱环节以便采取相应措施，又能优化结构设计参数,提高压架试验的一次成功率。8.2.2 ANSYS Workbench 12 有限元分析有限元分析 第 72 页压架实验通过在顶梁和底座的不同位置添加垫块，用来模拟工况下的集中载荷和扭转载荷等，通过 ANSYS Workbench 12 添加相应的约束和载荷，可以达到和压架实验相近的结果。在进行有限元分析的过程中，忽略对分析结果影响较小的次要因素是很重要的，不仅能提高计算的速度，而且能够节约模型建立的时间，本次分析中作以下假设：（1）忽略盖板和加强筋板等处的较小倒角。（2）通过分析可知，板与板之间的焊接只会使支架的强度增加，此处忽略焊接的影响只会使计算出来的结果趋于保守。（3）由于忽略焊接，对强度分析不起作用的结构进行压缩处理。1 顶梁两端集中载荷强度试验是模拟井下各种危险工况对支架进行加载，是对支架的设计和制造质量检验的重要方式。为了更好的模拟实际工况，采用内加载的方式，对垫块限制 x、y、z 三个方向的位移，把立柱的工作阻力放大 1.2 倍加在销轴支承座上，具体的操作过程将以顶梁的集中载荷作为例子详细阐述。（1）导入几何模型本次建模使用的是目前最流行的三维设计软件Pro/E，通过两软件之间的无缝连接，可以轻松的将 Pro/E 中建立的模型导入 ANSYS Workbench 12 中，对导入的模型只需设置对应的单位后边可以进行使用。（2）定义装配连接ANSYS Workbench 12 可以实现对连接的自动识别，如果没有特殊要求，无需对模型默认的连接关系进行修改。本次有限元分析便使用系统默认的连接关系。（3）划分网格ANSYS Workbench 12 具有强大的网格划分功能，这也是它与其他有限元软件的重要区别之一。典型的网格划分类型有四面体网格、扫掠型网格、自动划分法网格、Inflation法网格、多域扫掠型网格等，其中，自动划分网格法可以根据被划分的几何体能否被扫掠，自动在四面体和扫掠型网格之间进行切换。本次划分网格便是采用了这种方法，并对较小部件和有可能产生应力集中的零件控制网格大小，最终划分的顶梁网格如图 8.13所示。 第 73 页图8.13 顶梁集中载荷网格划分（4）添加载荷和约束按立柱工作阻力的 1.2 倍将约束力加在销轴支撑座上，并定义为轴承载荷，按力的方向根据投影面积来分布压力载荷。根据压架实验规范在顶梁的适当位置添加垫块（如图8.14 所示），限制 x、y、z 三个方向的自由度，检测顶梁上的最大位移和应力。图8.14 顶梁两端加集中载荷（5）结果处理与分析定义完约束和载荷后，便可以对模型进行有限元分析。图 8.15 是顶梁两端加载集中载荷时的应力云图，从图中可以看出最大应力约为 800MPa，因为处在垫块附近，故可以忽略应力集中的影响，对强度分析没有意义。内外主肋上应力范围在 0450MPa，盖板上的应力在 0300MPa，由于本支架采用的是 Q460，屈服极限为 460MPa，虽然比算出的结果偏大，但还是在可以接受的范围之内。 第 74 页图8.15 顶梁集中载荷应力云图图8.16 顶梁集中载荷应变云图图 8.16 为顶梁在两端加载集中载荷下的应变云图，从图中可以看出，最大的应变出现在盖板与主筋板的焊接处，约为 0.01mm，变形在允许的范围之内。从以上分析可以看出，顶梁的最大应力比手工计算出来的应力偏大，结合液压支架实际工况可知，超静定液压支架 8 根立柱形成密集支护，顶梁上的载荷更接近于均布载荷，可以考虑将顶梁上端面作为固定约束，会更接近实际情况，如图 8.17 所示，最大应力约为 266MPa。图8.17 顶梁均布载荷应变云图 第 75 页2 顶梁扭转载荷顶梁扭转载荷的压架实验规范如图 8.18 所示。 第 76 页图8.18 顶梁添加扭转载荷 顶梁在扭转载荷下的网格划分如图 8.19 所示。图8.19 顶梁扭转状态网格划分顶梁在扭转状态下的应力云图如图 8.20 所示。图8.20 顶梁扭转状态应力云图由图 8.20 可以看出，在顶梁与前盖板的连接处存在最大的应力约为 1200MPa，通过对盖板和筋板的单独分析可知，此处属于应力集中效应，不应成为分析和校核的内容，其他地方的应力均在 500MPa 以下，只有主筋板中间位置应力接近 600MPa，此处应当作为设计过程中的薄弱环节认真考虑，可以选择在此处添加筋板或加厚的方法予以解决。顶梁在扭转状态下的应变云图如图 8.21 所示。 第 77 页 图8.21 顶梁扭转状态应变云图由图 8.21 可以看出，顶梁在扭转时的最大位移约为 0.006mm，处于前盖板与主筋板的焊接处，变形很小，在允许的范围之内。3 底座两端集中载荷底座两端集中载荷的压架实验规范如图 8.22 所示。图8.22 底座两端添加集中载荷底座在两端集中载荷下的网格划分如图 8.23 所示。 第 78 页图8.23 底座集中载荷网格划分底座在两端集中载荷下的应力云图如图 8.24 所示。图8.24 底座两端集中载荷应力云图由图 8.24 可以看出，在人行道盖板和底座主筋板焊接处应力最大，约为 700MPa,主要是由于此处变形大，对两者之间的焊接强度提出了较高的要求，此外，和顶梁类似的是底座主筋板中间位置的应力也较大，约为 500MPa，这比计算出来的应力偏大，但与实 第 79 页际工况下的危险点的位置是相符的，在今后的设计过程中应予以重视。底座在两端集中载荷下的应变云图如图 8.25 所示。图8.25 底座两端集中载荷应变云图由图 8.25 可以看出，底座在两端集中载荷下的最大应变约为 0.003mm，变形很小，满足设计要求。底座在均布载荷下的应力云图如图 8.26 所示，最大应力约为 190MPa.图8.26 底座两端均布载荷应变云图 第 80 页9 结 论本文主要是设计了一种应用于薄煤层的超静定液压支架，支架的额定工作阻力5000KN,高度范围是 0.91.3m,与传统的液压支架相比具有明显的优点，这在第一章中已经做了详细的介绍。论文设计的内容主要包括：液压支架所有部件的结构选择与设计，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，并利用 ANSYS Workbench 对液压支架的主要部件进行有限元分析，验证结构强度。在该支架的设计过程中引入了新型悬浮式液压支柱的概念，把悬浮式液压支柱应用在超静定薄煤层液压支架中，便于实现液压支架的模块化设计、集成化装配和规模化生产。采用这种原理可以高效利用活柱材料，减轻支柱重量，使支柱具有结构简单、工作行程大、使用范围大、稳定性安全系数大、操作安全可靠等特点。在设计过程中，使下连扳的安装耳板位于底座之上，有效的避免了降架时被矸石卡住的可能，增强了支架的适用性，减少了维护时间。顶梁侧护板采用了双侧可活动侧护板，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。推移结构采用浮动活塞式千斤顶和短推杆，以满足推移输送机和拉架的需要。底分式刚性底座的底板是中分式的，中档推移机构直接落在煤层底板上，由于底分式刚性底座中档底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不需要人工清理，适应了高产高效的要求。同时，底座前端制成滑撬形，以减小支架的移架阻力；而且用过桥连接，增加了底座的刚度。顶梁设计成开式结构，在立柱铰接销轴处不焊接盖板，可在现场实现不降架时立柱的拆卸和维修。通过这次毕业设计，我对大学四年所学的知识有了更深入的认识。同时，我学会了如何提出问题、思考问题、解决问题，形成了一套比较适合自己的解决问题的方式方法。由于本人能力有限，实践经验不足，以及时间过于仓促，我所设计的液压支架肯定存在一系列的缺陷与不足，恳请各位老师以及参阅者批评指正，我将在今后的学习和工作中不断改正。 第 81 页参考文献：1 丁绍南.液压支架设计.北京：世界图书出版社,19922 张家鉴，陈享文.液压支架.北京：煤炭工业出版社，19853 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