开题报告-矿用液压支架设计

一种矿用液压支架设计开题报告一课题研究的背景、目的和意义煤炭综采装备由液压支架、采煤机和运输机构成，液压支架作为综合机械化采煤工作主要设备，一次性投资占综采装备总资金的70%以上[1],是综采工作面实现安全、高效生产的关键。液压支架是以乳化液泵站输送的高压油为动力，来驱动液压元件立柱和千斤顶动作，使金属构件（掩护梁，顶梁和底座等）实现对顶板的支撑和维护功能，与此同时能够对采空区进行隔离，对作业空间有保证并能够前移和推移输送机，使综采设备可以跟随工作面进行同步前移，以确保工作面的高效，高产和安全生产。经过几十年的研制和发展，我国在液压支架的设计与加工方面取得了重大突破，研制开发了可适应不同地质条件、不同煤层厚度的多种液压支架。但我国综采机械化水平总体上是较低的，工作面年单产量大部分在100万吨左右，达到200-300万吨的工作面较少，尽管有地质条件复杂等客观原因，但主要原因是装备水平落后，尤其在4-6m厚煤层一次采全高高产高效工作面的大采高强力液压支架设计制造上，还处于初级阶段[2]。因此，本课题研究的主题是“在厚煤层下进行综采的液压支架设计”。二国内、外液压支架发展现状国外：1954年英国首次研制出垛式液压支架，紧接着法国研制的节式液压支架代替了木支架和金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命。60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架(具有四连杆机构)，解决了支架端距变化的问题，开辟了液压支架设计的新时代;70年代主要是“立即支护”方式;20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制液压支架，最先将电液控制液压支架用于长壁工作面的是澳大利亚的科里曼尔煤矿。80年代以来，世界主要采煤国家-直围绕减面提产、减人提效、降低成本，实现.矿井集中生产做努力。他们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制。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装置,立柱缸径超过400mm,为减少割煤时间，一般采用0.8-1m的截深，支架还采用屈服强度800-1000MPa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40-50MPa，额定流量400-500L/min，可实现工作面成组或成排快速移架，达到6-8s/架[3]。国内：我国对液压支架的研究开始较晚，从1964年至今,我国对液压支架的研究先后经历几个阶段:学习阶段、发展阶段、完善提高阶段、高速发展阶段。目前，相关的科研人员对液压支架架型的选型以及结构设计投入了大量的精力及财力，经过努力，国内的研究及制造水平已达到国外先进水平。但在千斤顶的设计、制造以及液压系统的设计方面，国内的研究起步较晚，目前的研究水平还落后于先进国家。尤其液压支架立柱、千斤顶的加工制造工艺以及系统的设计等方面存在很大的问题，并且这些问题也成为制约我国液压支架发展的主要因素。随着高产高效综采技术、采煤工艺的不断发展，不管是国内市场还是国际市场竞争相当的激烈，这就液压支架的设计研究水平、制造水平、可靠性提出了更高的要求。因此，对液压支架进行更加深入的研究具有十分重要的意[4,5]。三矿用液压支架的研究思路本课题研究的是一种矿用液压支架设计，在厚煤层下进行综采。分别从液压支架的液压系统和液压支架的结构这两个方面对课题进行分析和设计。液压支架由液压缸（立柱和千斤顶）、承载结构件（顶梁、掩护梁和底座）、推移装置、控制系统和其它辅助装置组成。如图1图1液压支架结构简图1-顶梁；2-立柱；3-掩护梁；4-活动侧板；5-连杆；6-底座；7-推移装置；8-互帮装置3.1液压支架的结构3.1.1液压支架的选型液压支架架型结构有很多，不同的工况下会选择不同的支架类型。根据使用经验，在综采工作面支架选型时，应注意与煤层顶底板条件相适应，目前矿用主要有支撑式、掩护式和支撑掩护式3种液压支架形式：（1）支撑式支架支撑式支架主要是顶梁比较长，控顶距比较大，立柱基本上都是竖直的，并且立柱主要集中在顶梁的后端。支撑式支架的控顶距也主要集中在顶梁后端，用来阻止.上覆岩层的运动，主要用于实现切顶作用的。然而支撑式支架对煤壁附近的工作面空间却无立柱支撑，仅依靠支撑力较小的前梁来支撑;因此当项板破碎时支撑式支架就会失效;如图2所示。图2支撑式液压支架受力图（2）掩护式支架掩护式支架的特点主要是顶梁较短，控顶距较小，支撑力主要集中在项梁部位，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑式支架大，其支撑力的分布规律如图3所示。图3掩护式液压支架受力图不稳定和中等稳定顶板优先选用掩护式支架。在底板极松软条件下，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。两柱掩护式支架的优点:①结构简单，减少两根大立柱和相应的液压元件，大大节省制造成本;②支架调高范围大，适合煤层高度变化较大的工作面，支架中，重量轻，便于运输;③架型以掩护为主，定量较短，单位支护强度高;④在煤层顶底板条件较好的情况下，支架的平衡千斤顶可以随意控制。（3）支撑掩护式支架支撑掩护式液压支架是基于支撑式液压支架和掩护式液压支架对顶板的适应性的基础上改进的，主框架是以支撑式支架为设计原型，其支撑力的分布规律如图4所示。图4支撑掩护式液压支架受力图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，会优先考虑选取支撑掩护式支架。相比以上三种架型，掩护式支架有其突出优点:双柱可适当斜撑，调高范围较大;闭锁两腔的平衡千斤顶，能更好地自动适应项板压力的变化;顶板压力经立柱传递至底板，支架支撑力使用效率高;支架结构相对简单，重量和费用也相应较低;管理、维护和操作方便。不足的是，大支撑力特别是超大支撑力的支架，因其立柱缸径大，底座等部件主立筋排布受限，支架中心距要适当加大。坚硬顶板选用支撑掩护式支架也是可以的，但在变化的顶板压力状况下，前后立柱受力不均衡，支架总支撑力会有所降低。但产品总体上都存在着生产能力低、寿命短的问题，远达不到国外产品的高可靠性。开发中主要根据煤层赋存条件，顶板压力显现，生产条件和使用习惯，选择合适的综采方式和架型，掩护式和支撑掩护式均为成熟架型，都可选用。目前，大采高综采选用掩护式液压支架居多。本课题研究的主题是在厚煤层下进行综采的液压支架设计，所以选用掩护式液压架这一架型更为合适。3.1.2立柱个数的选择目前，我国四柱支架要比二柱支架多，但是二柱支架是主导架型。相比较而言二柱支架具有的优势有：（a）两柱掩护式液压支架顶梁相对较短，支护面积小，相同工作阻力的支架支护强度高，支护能力强。两柱掩护式液压支架比四柱支撑掩护式支架减少了一排立柱，相应地，其顶梁长度一般也缩短了约0.4-0.6m,有的甚至更大，这样就不仅减小了顶梁的实际控顶距离，而且减少了支架对顶板的反复支撑和破坏的次数，有利于顶板的维护[6]。（b）两柱掩护式液压支架留有双人行通道，少一排立柱，通道宽敞两柱掩护式液压支架由于立柱呈倾斜布置，其调高范围比四柱式支架要大,通过断层等构造比较容易，支架运输高度较低。（c）两柱掩护式液压支架的稳定性优于四柱支架。支架的结构稳定性是出四连杆机构(支架的稳定机构)保证的，认为“四柱支撑掩护式支架四平八稳，比两柱掩护式液压支架稳定”的观点是错误的，支架的横向稳定性取决于四连杆参数和销孔问隙，两柱支架比四柱支架尺寸紧凑[7]。因此，其稳定性优于四柱支撑掩护式支架。（d）两柱掩护式液压支架比四柱支撑掩护式支架重量轻[8]。因此，从以上对比分析中可以看出，两柱掩护式液压支架较四柱支撑掩护式支架在性能方面有许多优越性，它不但适用于薄煤层综采工作面，在中厚煤层和厚煤层综采工作面开采中使用，效果更为突出。本主题的煤层属于厚煤层，故选用两柱掩护式液压支架如图5。图5两柱掩护式支架实物图3.2，液压支架的液压系统液压支架的工作原理如图6：乳化液泵站提供的高压油液通过主供油管路P输送至支架液压系统，通过操纵阀实现对立柱和千斤顶动作的控制，完成支护与推移输送机等动作。其基本工作过程包括升架、降架、推移输送机、移架[9]。图6液压支架的工作原理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（1）升架。降操纵阀置于升架的位置，泵站提供的高压油液经主供液管P进入立柱下腔，立柱上腔的液体通过主回液管O流回泵站，于是立柱伸出，实现升架。（2）推移输送机。在支撑状态下，将操纵阀置于推移输送位置，高压油液进入推移千斤顶左腔，右腔油液流回主回液管O。此时，推移千斤顶活塞杆伸出，推动输送机向煤壁移动。推移距离一般为采煤机的一个截深。（3）降架，将操纵阀置于下降架位置，高压油液进入立柱上腔，在高压油的作用下打开立柱下腔回液管路的液控单向阀，使下腔油液流回主回液管O，于是立柱缩回，完成降架。（4）移架。在支架降架或部分卸载后，将操纵阀置于移架位置，高压油液进入推移千斤顶右腔，左腔低压油液流回主回液管O。此时，千斤顶活塞杆缩回，拉动支架前移，移动的距离等于推移输送机的距离[10]。根据液压支架的工作原理图建立升架、降架、推移输送机、移架仿真模型图。如图7、图8图7立柱升降仿真模型图图8移架系统仿真模型图四课题的进度安排2020.1.18-2020.2.23熟悉现有对一种矿用液压支架设计装置，明确设计目标与要求。查阅文献，提出设计方案与设计思路。2020.2.23-2020.3.31完成设计绘图，包括使用CAD软件完成对矿用液压支架的3D结构建模、装配图、非标准零件的零件图。2020.4.01-2020.4.25撰写论文，同时完成对矿用液压支架的三维动画图形绘制。2020.4.26-2020.6.05检验设计装置的适用性，修改完善论文。2020.6.06-2020.6.08毕业论文答辩。参考文献：[1]罗恩波.国内液压支架现状及我国的发展趋势[J].煤矿机电,2000,(3):27-30[2]栾振辉，侯波.液压支架的技术现状与发展[J].矿山机械,2004,(9):15[3]ShiYuanwei.ResearchontheInteractionBetweenRoofStrataandShieldSupports[C].16thConferenceOnGroundControlinMining1999.[4]王国法.十二五煤矿开采装备技术的发展展望[J].北京：煤矿开采，2011(6)：19-24[5]孙长春.液压支架的现状与发展思路[J]科技情报开发与经济,2009,19(6):150-152[6]刘文彦.谈两柱掩护式液压支架与四柱支撑掩护式支架的性能比[J].煤炭企业管理.2006.3:53-55[7]韩伟.液压支架控制系统及移加速度定量化研究[D].煤炭科学总院,2006.1:9-14[8]唐艳云，丁伟雄.支架掩护是液压支架的结构特点及合理应用[J].煤矿机械,200(1):74-75[9]王勇液压仿真软件的研究进展切系统仿真学报,1998(10):5457[10]毛君，谢苗.工矿装备液压系统.2014-07[11]高利霞.关于矿用液压支架结构减重的设计研究.同煤矿集团机电装备同吉液压有限公司.1003-773X(2018)11-0034-02[12]Bondarenka,YuV:MakeeyAYuZhurek,P:KlegaTechnalogyofcoalextractianfromseepseanintheOstravaKarvinabasin[J]UgolUIrainy,1993,138(3):45-48[13]杨师斌,祁利巧.液压支架架型优化设计与模拟1672-058X(2008)06-0646-04[14]Vakilian,M,RC.DegenefandM.Kupferschmid,Computingtheintrnaltransientvoltageresponseofatransfomerwithanonlinearcoreusinggear'smethod,part1aheory.IEEETransactionsonPowerDelivery,1995.10(4):1836-1841[15]李鹏飞.新型液压支架的设计与研究.煤矿机械1003-0794(2018)05-0023-02[16]蒋国安，郭福君液压支架[M]山东山东科学技术出版社,1980.[17]ProyavkinE.T.Newnontraditionaltechnologyofwo