液壓支架的設計.doc

蘇州市職業(yè)大學目 錄摘要IABSTRACT II1緒 論11.1 國內外液壓支架的研究現(xiàn)狀及發(fā)展11.2 本課題的研究目的和意義22液壓支架基本理論分析32.1 液壓支架的工作原理32.2 液壓支架的類型和結構62.3 對液壓支架的基本要求72.4支架的選型設計83液壓支架的整體結構設計 103.1支架高度、中心距的確定103.2底座長度的確定113.4頂梁長度計算124支架主要部件的設計144.1支架主要部件的設計要求144.2頂梁的設計154.3底座的設計164.6千斤頂技術參數(shù)的確定165支架受力分析與計算235.1支架工作狀態(tài)235.2受力計算245.3頂梁載荷分布276液壓支架的強度校核 296.1強度條件296.2主頂梁的校核296.3掩護梁強度校核326.4底座強度校核346.5立柱強度校核387液壓系統(tǒng)設計 447.1液壓支架的液壓系統(tǒng)特點457.2液壓系統(tǒng)的設計方法467.3千斤頂系統(tǒng)467.4乳化液泵站系統(tǒng)509結論56II蘇州市職業(yè)大學1緒 論1.1國內外液壓支架的研究現(xiàn)狀及發(fā)展地下開采的煤產量主要是利用由液壓支架配套的綜采設備產出的。綜采設備的研制和廣泛的運用，對煤炭工業(yè)革新技木裝備不僅有著重大的作用，而且對采煤工藝各個環(huán)節(jié)技術水平的發(fā)展和提高，是強有力的促進因素。為適應我國煤礦綜采機械化的發(fā)展，國內綜采設備科研設計和制造企業(yè)已研制開發(fā)出具有較先進技術水平的大功率電牽引采煤機、重型刮板輸送機、電液控制強力液壓支架和多點驅動大運力帶式輸送機。配套設備的生產能力達到15002 500 t/h， 在適宜的煤層和礦井條件下，綜采工作面可實現(xiàn)年產300萬噸以上。 新型礦用單體支護設備，采用懸浮式液壓技術原理，生產礦用單體支護設備，技術水平達到了國際領先水平，填補了國際空白。DWX型液壓支柱的柱塞懸浮，密封脹緊，密封補償，無內泄漏、無圓弧焊縫等技術和安全特點，具有獨創(chuàng)性。新型礦用單體支護設備的誕生，消除了五十年來國內外單體支護設備一直存在的內泄漏和圓弧焊縫脆斷等安全隱患問題。解決了深部煤礦開采沖擊地壓條件下回采工作面頂板支護的關鍵技術，結束了由德國人發(fā)明的第二代單體支護設備的歷史，開創(chuàng)了中國人發(fā)明的第三代單體支護技術設備的歷史，并將會長期使用下去。該產品普遍適用于煤礦回采工作面的頂板支護和端頭支護，可廣泛應用于薄煤層、中厚煤層及較厚煤層工作面，是煤礦的重要支護設備。1.2本課題的研究目的和意義采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產量、提高經濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭增長的日益需要，必須大量生產綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面。由于采煤工作面的底頂板條件、煤層厚度、煤層的物理機械性質等的不同，對液壓支架的要求也不同。為了有效的支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸的液壓支架。因此液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量也是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。通過對液壓支架的理論學習，完成液壓支架的設計工作，加深對液壓支架工作原理、工作性能、工作環(huán)境及其結構的認識和了解。通過對液壓支架結構的分析，加深和鞏固機械原理的相關內容；通過對液壓支架受力的分析和強度的校核，加深對專業(yè)基礎課理論力學和材料力學及專業(yè)課機械設計相關內容的鞏固和理解。同樣通過對液壓支架的設計，能夠更好的認識國內外液壓支架的發(fā)展趨勢和發(fā)現(xiàn)目前煤礦液壓支架主要存在的問題，從而為以后更深認的了解和設計液壓支架打下良好的基礎。通過自己獨立地完成指定的課程設計任務，提高理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力，學會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術文件的能力，進一步加強設計計算和制圖等基本技能的訓練，為畢業(yè)后成為一名出色的機械工程師打好基礎。2液壓支架基本理論分析2.1 液壓支架的工作原理液壓支架在工作過程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護一定的安全工作空間，而且要隨工作面的推進，進行移架和推移輸送機。因此，支架要實現(xiàn)升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓液體，通過工作面性質不同的幾個液壓缸來完成的，如圖2.1所示。圖2.1 液壓支架工作原理1頂梁；2立柱；3推移千斤頂；4安全閥；5單向筏； 6、7操縱閥；2.1.1 支架升降當操作閥處于升柱位置時，從乳化液泵站來得高壓液體通過操縱閥液控單向閥5進入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當操縱閥處于降柱位置時，工作液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。2.1.2支架推移支架的前移和推移輸送機是通過操縱閥和推移千斤頂3來進行的。移架時，先使支架卸載下降，再把操縱閥置于移架位置，從乳化液泵站來的高壓液體進入推移千斤頂?shù)那扒患椿钊麠U腔，后腔即活塞腔回液。這時，支架以輸送機為支點前移。移架結束后，再把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥置于推溜位置，高壓液體進入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時輸送機以支架為支點被推向煤壁。2.1.3 支架承載過程 支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學作用的過程，它包括初撐、承載增阻和恒阻三個階段。(1) 初撐階段在升架過程中，當支架的頂梁接觸頂板，直到立柱下腔的液體壓力逐漸上升到泵站工作壓力時，停止供液，液控單向閥6立即關閉，這一過程為支架的初撐階段。此時支架對頂板的支撐力為初撐力。(2) 承載增阻階段支架初撐結束后，隨著頂板的下沉，立柱下腔的液體壓力逐漸升高，支架對頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過程為支架的承載增阻階段。(3) 恒阻階段隨著頂板壓力的進一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高，當升高到安全閥5的調定壓力時，安全閥打開溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當降到安全閥的調定壓力時，安全閥關閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復這一過程。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這是支架的恒阻階段。此時，支架對頂板的支撐力成為工作阻力，它是由支架安全閥的調定壓力決定的。對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。 圖2.2 支架的工作特性曲線由上可知，支架工作時，其支撐力與時間的關系，可用支架工作特性曲線表示，如圖 所示，曲線上的、分別表示支架的初撐、增阻、和恒阻階段的時間。上述工作過程表明：支架在達到額定工作阻力以前具有增阻性，以保證支架對頂板有效的支撐作用；當支架達到額定工作阻力以后，支架能隨頂板的下沉而下縮，即具有可縮性和恒阻性，支架的工作特性決定于立柱、液控單向閥、安全閥和操縱閥的性能和密封的好壞。所以這些元件是支架的關鍵液壓元件通常液控單向閥和安全閥組合在一起，稱為控制閥。支架的工作阻力是支架的一個重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，通常單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即 (式2.1)式中 支架的支護面積，2.2 液壓支架的類型和結構液壓支架按其對頂板的支護方式和結構特點的不同，分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種基本架型。2.2.1 支撐式支架支撐式支架的結構特點是：頂梁較長，其長度多在4左右；而且立柱多，一般46根，且垂直支撐；支架后部設復位裝置和擋矸裝置。以平衡水平推力和防止矸石竄入支架的工作空間內。支撐式支架的支護性能是：支撐力大，且作用點在支架后部，故切頂性能好；對頂板重復支撐的次數(shù)多，容易把本來完整的頂板壓碎；抗水平載荷的能力差，穩(wěn)定性差；護矸能力差，矸石易竄入工作空間；支架的工作空間和通風斷面大。由上可知，支撐式支架適用于直接頂穩(wěn)定、老頂有明顯或強烈周期來壓，且水平力小的條件。2.2.2 掩護式支架掩護式支架的結構特點是：有一個較寬的掩護梁以擋住采空區(qū)的矸石進入作業(yè)空間，其掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端通過前后連桿與底座連接。底座、前后連桿和掩護梁形成四連桿機構，以保持穩(wěn)定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撐力間接作用于頂梁或直接作用于頂梁上。掩護式支架的立柱較少，除少數(shù)掩護式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。這種支架的立柱都為傾斜布置，以增加支架的調高范圍，支架的兩側有活動側護板，可以把架間密封。通常頂梁較短，一般為3.0mm左右。掩護式支架的支護性能是：支撐力較小，切頂性能差，但由于頂梁短，支撐力集中在靠近煤壁的頂板上，所以支護強度較大、且均勻，掩護性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復支撐的次數(shù)少，能帶壓移架。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風斷面小。由上可知，掩護式支架適用于頂板不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定、老頂周期來壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。2.2.3 支撐掩護式支架支撐掩護式支架是在吸收了支撐式和掩護式兩種支架優(yōu)點的基礎上發(fā)展起來的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護式支架的結構特點和性能，可適用于各種頂?shù)装鍡l件。支撐掩護式支架的頂梁由前梁與主梁構成，四根立柱支撐在頂梁和立柱之間，掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端用連桿與底座相連。這種支架的優(yōu)點是：支撐力大，切頂性能強，防護性能好，通風斷面大，穩(wěn)定性好，應用范圍廣。它的主要缺點是：結構復雜，成本較高。支撐掩護式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾和后傾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，兩排立柱都直接支撐在頂梁上，個別情況下，也有后排立柱支撐在掩護梁上而前排立柱支撐在頂梁上。2.2.4 特種液壓支架特種液壓支架是為滿足某些特殊要求而發(fā)展起來的液壓支架，在結構型式仍屬于上述某種基本架型。2.3 對液壓支架的基本要求1. 為了滿足采煤工藝及地質條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。2. 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為100左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100kN150kN，中厚煤層一般為150kN 250kN，厚煤層一般為250kN 400kN。3. 防矸性能要好。4. 排矸性能要好。5. 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有毒氣體等安全方面的要求。6. 為了操作和生產的需要，要有足夠寬的人行道。7. 調高范圍要大，照明和通訊方便。8. 支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定植。9. 要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。10. 在滿足強度條件下，盡可能減輕支架重量。11. 要易于拆卸，結構要簡單。12. 液壓元件要可靠。2.4支架的選型設計2.4.1設計的原始條件煤層厚度：H1.83.2米；頂設條件老頂II級、直接頂II級，底板平整，無影響支架通過的斷層。工作面配套設備：采煤機：MXA-300/3.5，刮板輸送機：SGZ730/320。煤層傾斜角小于15度，支護強度、底板抗壓強度、泵站壓力、安全閥調定壓力40MPa。2.4.2支架的支護性能與外載荷由液壓支架的工作狀態(tài)知，支架承受的外載荷是頂板下沉形成的。在頂板下沉過程中，支架的頂梁與頂板有相對滑動的現(xiàn)象，支架不僅受有垂直于頂梁的力，還受有平行于頂梁的摩擦力。垂直于頂梁的力由支架的工作阻力來平衡。在支架承載過程中，支架底座承受工作面底板反作用力。 為了設計計算方便，要對支架的外載荷和支架本身進行簡化，概述如下：把支架簡化成一個平面桿系結構。為偏于安全，在計算時把外載荷視為集中載荷；金屬結構件按直梁理論計算；頂梁、底座與頂?shù)装灞徽J為均勻接觸，載荷沿支架長度方向按線性規(guī)律分布，沿支架寬度方向為均布；通過分析和計算可知，掩護梁上矸石的作用力，只能使支架實際支護阻力降低所以，在進行強度計算時不計，使掩護梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力計算；產生作用在頂梁上的水平力的情況有兩種，是由于支架讓壓回縮，頂梁前端點運動軌跡為近似雙紐線，頂梁與頂板間產生相對位移，頂板給予頂梁水平摩擦力，另一種是由于頂柜向采空區(qū)方向移動，使支架頂梁受一指向采空區(qū)的水平摩擦力。頂梁和頂板的靜摩擦系數(shù)W，一般取0.150.3；按不同支護高度時各部件最大受力值進行強度校核。 3 液壓支架的整體結構設計3.1 支架高度、中心距的確定3.1.1支架高度的確定 支架高度的確定原則，應根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內地質條件的變化等因素來確定，其最大與最小高度為： （式3.1） （式3.2）煤層最大采高，煤層最小采高偽頂冒落的最大厚度，一般取0.20.3m頂板最大下沉量，一般取100200mm移架時支架的最小可縮量，一般取50mm矸、浮煤厚度，一般取50mm本設計采高1.83.2m,取支架高度為1.53.5m 3.1.2支架伸縮比支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值為： （式3.3）代入數(shù)據(jù)得m=2.33。3.1.3支架間距 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。按下式計算： （式3.4）式中： 支架間距（支架中心距）；每架支架頂梁總長度；相鄰支架（或框架）頂梁之間的間隙；n每架所包含的組架的組數(shù)或框架數(shù)，整體自移式支架。支架間距要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機溜槽每節(jié)長度及幫槽上千斤頂連結塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為1.5m,千斤頂連結塊位置在溜槽中長的中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距一般為1.5m。本次設計取支架的中心距為1.5m。3.2底座長度的確定3.2.1底座長度底座是將板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設計支架的底座長度時，應考慮如下諸方面：支架對底板的接觸比壓要??；支架內部應有足夠的空間用于安裝立柱，液壓控制控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作相行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度職3.5倍的移架步距(一個移架步距為0.6m)，即2.1m左右；支撐掩護式支架的底座長度取4倍移架步距，即2.4m左右。本次設計取底座長2.18m。3.2.2 底座寬度支架底座寬度一般為1.11.2m。為提高橫向穩(wěn)定性和減小對底板比壓，厚煤層支架可加大到1.3m左右，放頂煤支架為1.31.4m。底座中間安裝推移裝置的槽子寬度與推移裝置的結構和千斤頂缸徑有關，一般為300380mm。寬度取1350mm。3.3頂梁長度計算根據(jù)支架工作方式和設備配套尺寸來確定頂梁長度。3.4.1支架工作方式對頂梁長度的影響支架工作方式對支架頂梁長度有很大影響。先移架后推溜方式（及時支護）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式（滯后支護）要求頂梁長度較小。這是因為采用先移架后推溜的工作方式時，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后，支架能及時前移，支控新暴露的頂板，做到及時支護，因此，先移架后推溜時頂梁長度要比先推溜后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為600 mm 。本次設計采用及時支護方式。3.4.2頂梁長度計算 頂梁長度=配套尺寸+底座長度+Acos()-Gcos()+300+e+掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之距 （式3.5）式中：底座長度底座前端至后連桿下鉸點之距；支架由高到低頂梁前端點最大變化距離；、支架在最高位置時，分別為后連桿和掩護梁與水平面的夾角。采煤機：MXA-300/3.5，刮板輸送機：SGZ-730/320。查綜采設備手冊得三機配套尺寸為：配套尺寸=671+1553=2224mm 代入相關數(shù)據(jù)得： 頂梁長度=2224+2100+1131cos(78)-2300cos( 53)300+65+100=2910mm頂梁的寬度:頂梁不僅必須滿足支架的工作阻力的要求，還要使頂梁覆蓋住頂板，以減少矸石的冒落。頂梁的覆蓋率為頂梁面積與控制頂板面積比值的百分數(shù)，即 （式3.6） 式中 B頂梁寬度；l頂梁長度；j架間距；c頂梁前端到煤壁的距離；中等穩(wěn)定頂板 ；一般j取100200mm。如果給定和j值，可以求出B值，即 （式3.7）取， =79% 、 j=200mm。頂梁寬度的決定，除用上式計算外，還要考慮到整體支架與一節(jié)溜槽長度相匹配的問題。故頂梁寬取1.4m。4支架主要部件的設計4.1支架主要部件的設計要求各部件設計要求要滿足總體配套的要求，就是應滿足采煤機、雙輸送機和支架配套的空間要求。各部件設計的基本要求：（1）前梁由前梁千斤頂控制，可上下擺動15，與頂板保持良好的接觸，維護機道上方頂板。挑梁是和前梁鉸接的可翻轉支護板，由防片幫千斤頂控制，可及時支護，并超過水平線上挑35，拉架時收回，還可在移架后支護煤壁，以防止片幫。（2）頂梁 頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。它可多次反復支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側護板，活動側裝有千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸及調節(jié)支架間距。（3）掩護梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。（4）底座 底座是將支架承受的頂板壓力和側向力傳至底板。它既要有足夠的強度和剛度，又應滿足底板比壓不超限。保證支架整體穩(wěn)定性的關鍵是在底座上鉸接四連桿機構，在底座中間設置有推移裝置，側面設置拉后輸送機的千斤頂和推移桿。（5）推移裝置 此機構關系到支架能否正常推移，由千斤頂和推移桿組成。推移桿結構有長推桿或是由兩部分短推移桿組成。（6）液壓控制系統(tǒng)及立柱、千斤頂 液壓系統(tǒng)由各液壓件、管路系統(tǒng)組成，它應保證立柱、千斤頂完成支架要求的各種性能，并達到設計技術參數(shù)。4.2頂梁的設計圖4.1 支架的頂梁頂梁前、后分別與前梁和掩護梁鉸接，球面柱窩與立柱的活柱頭相連。頂梁有鉸接耳座與四連桿機構的上連桿聯(lián)接，此外還設有所需千斤頂?shù)亩?，如前梁、掩護梁千斤頂耳座。頂梁體箱式結構件的設計可根據(jù)總體受力分析，按不同支護高度時各部件最大受力值計算其強度。一般柱窩斷面為最危險斷面，斷面安全系數(shù)n應大于1.1，同時要充分考慮各個鉸接孔的擠壓強度，以免孔受塑變拉長而損壞，特別是與上連桿鉸接的耳座，一定要加大強度。側護板與導桿連接的結構以長方形拉板為好，可以保證導桿與側護板的連接強度。其機構與一般掩護式支架相同，梁體由鋼板焊成箱式結構件，設計強度要求同上，安全系數(shù)n大于1.1，側護板設計要考慮降架式不與鄰架側護板脫離接觸。側護板采用長方形拉板與導桿連接，支架工作阻力400噸以上時，側推千斤頂采用內供液式，有利于保證梁體的焊接強度。本設計采用鉸接式的頂梁，具體結構見圖紙。4.3底座的設計4.3.1液壓支架的底座圖4.2四連桿機構的底座底座為整體式剛性底座，四連桿機構鉸接在底座前部(有的鉸接在中部或后部)，有兩個球面柱窩與立柱缸底相連，底座中間布置有推移裝置，側面有拉后輸送機千斤頂固定耳座。該底座整體性強，穩(wěn)定性好，與底板接觸面積大，比壓小。由于四連桿機構在中部連接，使底座受力狀態(tài)不好。上連桿與底座的鉸接座為兩突出的內主筋形成的箱體結構，應合理設計，使突變過渡處強度足夠，呈圓弧狀過渡，以免損壞。本設計采用整體式剛性的底座，具體結構見圖紙。4.4 千斤頂技術參數(shù)的確定4.4.1推移千斤頂推移千斤頂選用框架推移方式，則其缸體內徑為： mm （式4.12）式中 推移千斤頂?shù)囊萍芰Γ琸N。在薄煤層中=100150 kN；中厚煤層中=150250 kN；厚煤層中=300400 kN。由于是中厚煤層，所以取=150 kN，代入公式得推移千斤頂缸體內徑為： mm由以上計算出來的推移千斤頂?shù)母左w內徑，再查表選用標準缸80mm。 推移千斤頂?shù)男谐膛c推移步距有關，當推移步距為600mm時，推移千斤頂?shù)男谐虨?00750mm，按液壓缸行程系列表選用700mm。4.4.2平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 (1)參考液壓支架技術表千斤頂缸徑、活塞桿徑與工稱載力匹配關系選取平衡千斤頂缸徑160，推力/拉力()633/454。取頂梁為分離體如圖所示，對a點取距有：圖4.6頂梁受力圖 （式4.13） 平衡千斤頂推力/拉力W 頂板與頂梁之間的摩擦系數(shù)，計算時取0.3支架在最高位置時立柱傾角支架在最高位置時平衡千斤頂傾角為保證平衡千斤頂與掩護梁不發(fā)生干涉，保證支架在不同高度時平衡千斤頂與掩護梁平行，可以取在最高位置時頂梁上平面與掩護梁的夾角。為保證平衡千斤頂與掩護梁不發(fā)生干涉，按下式計算 （式4.14）式中： 掩護梁厚度（） 平衡千斤頂外徑（） P平衡千斤頂外徑與掩護梁間之間隙，一般取0.030.05（） L2平衡千斤頂上鉸點至頂梁和掩護梁鉸點之距平衡千斤頂受拉力時，取x=0.27Lg 平衡千斤頂受推力時取x=0.35Lg以上參數(shù)具體數(shù)值如下表，將數(shù)據(jù)代入得L2=0.322m表4.4 計算平衡千斤頂各種參數(shù)W32006334540.315531602600.35L0.27LL4Db6118001018.5785.76702201601661(2)平衡千斤頂?shù)男谐逃嬎銥榱朔乐蛊胶馇Ы镯數(shù)亩h(huán)或平衡千斤頂本身背被拉壞，對平衡千斤頂?shù)男谐逃腥缦乱螅寒斨Ъ茉谧罡呶恢脮r，頂梁能下擺15度；支架在最低位置時頂梁能上擺10度，或頂梁和掩護梁近似180度。為簡化計算，取如下兩種情況：假設平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部伸出時頂梁和掩護梁成180度；平衡千斤頂?shù)幕钊靠s回時，支架恰好在最高位置。當支架在最高位置時，平衡千斤頂達到最小長度L4,如圖4.7所示 圖4.7平衡千斤頂最短位置 （式4.15）上式中X由下式進行計算 （式4.16） 當頂梁和掩護梁成180度時，平衡千斤頂達到最大長度L5,如圖4.8所示。 行程 （）查表液壓活塞行程系列表取 圖4.8平衡千斤頂最長位置(3)平衡千斤頂在掩護梁上位置的確定 平衡千斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護梁上的位置，如圖4.8 （4.17） 式中 -當活塞全部縮回時，缸體上鉸點之活塞上部之距，如圖4.8所示。對于掩護型支架， =209。 -當活塞桿全部縮回時，活塞桿鉸點之活塞桿腔出油孔中心線之距，對于掩護式支架，=141。 4.4.3側推千斤頂位置的確定側推千斤頂伸出時，使活動側護板外移，可密閉架間間隙，起到防矸、導向、防倒和調架等作用；側推千斤頂縮回時，使活動側護板回縮，可減少移架阻力。1. 側推千斤頂控制方式(1)無鎖緊回路且在不操作時，側推千斤頂處于浮動狀態(tài)，靠彈簧筒的彈簧力控制活動側護板與鄰架的間隙。防止頂板巖石從架間冒落，移架時摩擦阻力小。其中ZYZ型掩護式支架每個彈簧筒的彈簧力為6.2KN，QY型掩護式支架每個彈簧筒的彈簧力為17.2KN。這種結構的缺點在于防矸、防倒效果與彈簧式差不多。(2)有鎖緊回路時，用液控單向閥鎖緊。優(yōu)點為防矸、防倒效果好。缺點在于移架時要操縱千斤頂，使移架操作復雜化，而且架間易掉矸。2. 側推千斤頂位置布置由于頂梁在頂板載荷作用下，要求側推千斤頂?shù)耐评Υ螅拍莒`活操縱頂梁側護板。因此在頂梁上一般布置兩個側推千斤頂，兩個彈簧筒。在掩護梁上一般僅在中間一個側推千斤頂，兩端各對稱布置一個彈簧筒。由于在頂梁和掩護梁上焊有橫筋板，則側推千斤頂?shù)陌惭b位置要與橫筋板相適應。一般為對稱布置，這樣可以使側護板受力平衡。具體布置方式有如下三種：二孔式采用兩個側推千斤頂，在側推千斤頂處同時布置彈簧筒，靠彈簧力實現(xiàn)架間密封。三孔式中間孔安裝側推千斤頂，兩側對稱安裝彈簧筒。四孔式中間兩孔安裝側推千斤頂，側面兩孔布置彈簧筒。5 支架受力分析與計算5.1支架工作狀態(tài)5.1.1 頂板狀態(tài)在采煤工作面中，當煤被采出后，就會出現(xiàn)一定的空間，由于受上部巖層壓力，出現(xiàn)離層和裂隙，如果不及時支護，頂板就要冒落，不支護的時間越長，危險就越大。而頂板冒落是有一定過程的，一般可分為三個階段，開始頂板處于無壓狀態(tài)，此時頂板較完整，而且沒有下沉，稱為無壓狀態(tài)；但經一定時間后，頂板就會下沉，通常稱為老頂來壓，此時頂板并不破裂，而且這種下沉帶有一定的周期性，所以稱為老頂周期來壓狀態(tài)；如果不及時支護，頂板就會破裂而冒落，此時叫冒落狀態(tài)。5.1.2支架工作狀態(tài)支架在這三種狀態(tài)下是這樣工作的：開始支架以初撐力支撐頂板，此時為無壓狀態(tài)；當周期來壓時，頂板下沉，使立柱下腔壓力增大，當增大到大于安全閥調正壓力時，安全閥被打開，使立柱下腔壓力下降，稱為立柱讓壓狀態(tài)，使支架以工作阻力支護頂板；如果繼續(xù)來壓，就要不斷讓壓，所以立柱要有一定的向下行程，如沒有向下行程，稱為壓死狀態(tài)，這是在設計和使用中必須注意避免的現(xiàn)象；當支架前移后，此時頂板處于無支護狀態(tài)，頂板就要冒落，這就是液壓支架在工作過程中的三種狀態(tài)。5.1.3支架受力支架在工作面受力是由于頂板下沉，同時又有向采空區(qū)移動的趨勢，使頂梁受合力和底座受底板反力，其中頂板合力的垂直分力,由支架工作阻力來克服，所以在計算支架的工作載荷時按支架的工作阻力來確定。5.2受力計算該支架整體受力如圖5.1所示，圖中和為已知，需求、及作用點位置。圖5.1鉸接式頂梁支架受力首先取頂梁為分離體：圖5.2 頂梁分離體受力各力對點取矩，可寫出作用點的位置的表達式：(式5.1） 再取頂梁和掩護梁為分離體：如圖5.3所示，對點取矩，可求得的表達式，將此式與上式聯(lián)立，解出如下： （式5.2）再把此式代回上式，可解出。圖5.3頂梁和掩護梁分離體所以，在驗算頂梁強度時，按平衡千斤頂受拉且=0.3時進行計算。若這個條件強度計算能滿足，其他條件都能滿足。將=3200 kN，=-454 kN，=0.3，=15，=53，=0.322m，=1.661m，=0.611m，=0.16m，=0.39m代入公式得為：代入數(shù)據(jù)算得=3242kN 將值代入公式得作用點的位置為： =0.77m再取掩護梁為分離體如圖5.4所示:圖5.4掩護梁分離體由頂梁分離體寫出力系平衡方程，再由此解出頂梁與掩護梁鉸點的內力 （式5.3） （式5.4）從這兩式中可以看出平衡千斤頂受推力時，有最大值，掩護梁受力最大，前后連桿受力也最大，所以，演算掩護梁和前后連桿強度時，用這種情況進行。計算得kN kN取掩護梁為分離體，寫出力系的x方向和y方向平衡方程解出、。 （式5.5）= -588kN （式5.6） =-39.2kN底板對底座的支撐反力與大小相等。作用點的位置可以由取整體支架為分離體求出。對圖點取矩，整理后有： （式5.7） 將各數(shù)值代入公式(3.19)得值為：m5.3 頂梁載荷分布在把頂梁所受頂板的載荷求出后，就可以進一步計算出載荷在頂梁上面的分布情況。由于頂板與頂梁接觸情況不同，載荷實際分布很復雜。為了計算方便，假設頂梁與頂板均勻接觸且載荷為線性分布。設頂梁長為，頂板的集中載荷為，其作用點距頂梁一端為。則 圖5.5頂梁三角形載荷分布時，載荷分布為三角形。如圖5.5所示。頂梁前端比壓為0，頂梁后端比壓為：M （式5.8） 當時，載荷呈梯形分布，如圖5.5所示。頂梁前端比壓為： MPa （式5.9）頂梁后端比壓為： Mpa （式5.10）由于x=0.77小于所以載荷分布為三角形。將=3242 kN，=1.4m，=0.77m代入公式(5.10)得頂梁后端比壓為：MPa 6 液壓支架的強度校核6.1 強度條件在液壓支架的研制、試驗過程中，各構件的強度汁算是極為必要的。前面數(shù)章的內容已經給出了支架主要零件部件受力分析和負荷的計算方法。但是由于液壓支架的結構特點、外載荷特點以及使用條件的特殊性，在強度計算中的強度條件也有其特殊性。當然強度條件要以現(xiàn)階段液壓支架所選用的材料、制造工藝以及大致形式等為依據(jù)，隨著時間的推移，如果上述諸點有變，強度條件也必須作相應調整。強度校核均以材料的屈服極限為計算安全系數(shù)如表6.1所示。表6.1支架安全系數(shù)安全系數(shù)前梁底座頂梁掩護梁前連桿n1.11.11.11.31.3安全系數(shù)后連桿主要軸缸體焊縫活塞桿n1.31.33.343.341.46.2主頂梁的校核6.2.1主頂梁的彎距計算假設前梁失去作用，主頂梁受一集中載荷，其受力如圖6.1（a）所示：由上面求出F為3242kN，距離鉸接點770mm。做主頂梁的受力及力矩圖6.1所示：圖6.1（a）頂梁受力圖圖6.1（b）頂梁彎矩圖由圖可知：3200sin150.26+3200cos150.03=308.07N/m主頂梁做成等斷面箱式結構，在最大彎矩處的斷面如圖6.2所示：圖6.2最大彎矩斷面圖6.2.2主頂梁的強度計算(1) 形心位置各板件計算數(shù)據(jù)如表6.2所示：表6.2各板件計算數(shù)據(jù)件號123456789數(shù)量122422221139.273.627.852.226.840.3235.226.2560.82.415.815.81529.229.229.219.129.715.72133.74812.21107.48.65.65.64968結構件的形心位置為：= =14.23(2) 慣性矩=+=125318.6（3） 彎曲應力kN/6.2.3安全系數(shù)鋼板材料選取16Mn，s =34335 kN/ 滿足強度要求。6.3 掩護梁強度校核6.3.1掩護梁受力情況掩護梁的受力分析如圖6.3所示處理后的力學模型由受力圖可以看出掩護梁的危險截面在前連桿與掩護梁鉸接處，故需校核此危險截面的彎曲強度。此處截面的彎曲強度為：圖6.3掩護梁受力分析圖主頂梁做成等斷面箱式結構，在最大彎矩處的斷面如圖6.4所示： 圖6.4最大彎矩斷面圖6.3.2掩護梁強度計算(1)形心位置各板件計算數(shù)據(jù)如表6.3所示：表6.3掩護梁板件數(shù)據(jù)件號1234567數(shù)量1242122面積cm2151.290.8879.668.821.54040形心位置cm0.68.214.615.315.328.627.6結構件的形心位置為：代入數(shù)據(jù)得：13.3cm（2）慣性矩 將數(shù)據(jù)代入公式，算得總慣性矩為： =58210.3（3）彎曲應力kN/6.3.3安全系數(shù) 鋼板材料選取16Mn，s =34335 KN/ 滿足強度要求。6.4 底座強度校核6.4.1底座受力情況底座通過立柱，前后連桿支撐支架的頂梁及掩護梁，是支架的主要承壓部件，主要對其壓力強度進行校核，基本不受彎矩影響。底座的受力分析見圖6.5示。(a)底座受力圖(b)底座彎矩圖圖6.5底座受力情況圖中立柱的壓力以及前后連桿的拉力或壓力在前面已經算出，由得由上式求得前端的支反力為1）最高位置時的情況： = =1590.42=1748.45=1404.82在最低位置時的情況： =1296.46表6.4相應位置對應的彎矩 彎矩位置Mb KNmMc KNm最高位置1748.51404.8最低位置15991239.7由表6.4中可知，最大彎矩發(fā)生在立柱的柱窩處。但是柱窩處專門焊接了柱窩，斷面加強。危險斷面在離柱窩中心250mm處，如圖6.6所示。該處彎矩為 圖6.6 柱窩結構示意圖最大彎矩處截面如圖圖6.7底座最大彎矩箱體結構圖材料數(shù)據(jù)表6.5材料數(shù)據(jù)件號厚度鋼號 1鋼板4016Mn343352鋼板2014MnTiRe451263鋼板2014MnTiRe45126形心位置計算數(shù)據(jù)列于表6.6中表6.6形心位置件號123件數(shù)411Fn 80268268Jn 6060Yn 09.29.2結構的形心位置為結構的對稱軸線。其慣性距為 = 彎曲應力 故滿足要求。6.5立柱強度校核立柱的強度校核包括立柱的穩(wěn)定性驗算，活柱，加長桿和缸體的強度驗算。6.5.1預算缸筒內徑和缸壁厚度采用乳化液泵的壓力為31.4MPa。經以上立柱參數(shù)的計算確定：缸內徑為230mm，材料為27SiMn無縫鋼管，。安全系數(shù)選取1.5，許用應力。缸壁厚度為：=0.7cm式中 p缸內壓力，。我國液壓支架一般用27SiMn無縫鋼管做缸筒和立柱?？紤]到缸口要車槽、臺階或螺紋等，應選較厚的管壁。取壁厚為21.5mm。6.5.2計算重疊長度最小導向長度為：式中 L液壓行程，根據(jù)立柱長度需要，液壓行程為1000mm?？紤]了活塞厚度和導向長度，取重疊長度為228mm。為了使立柱結構簡單一些，立柱采用單伸縮加加長桿的結構。在計算加長桿作為伸縮活柱，因此，按雙伸縮立柱計算。立柱結構尺寸表示如圖6.8（a、b）。計算數(shù)據(jù)列于表6.7所示：P=1600KNl1=95.5cml2=239.5cml3=122.5cml=356.1cma1=11cma2=22.8cmp=3800N/cm2d1=180mmd3=230mmd2=210mmd3=273mmd2=179mm （a）立柱受力情況圖6.8（b）立柱等價受力圖6.5.3各段的彎矩 其中各系數(shù)的計算如下，假設立柱受一軸向力P，沒有橫向力，不偏載，即e1=e2=0。sink1l1=0.4848cos k1l1=0.8746sink2l2=0.8315cosk2l2=0.5554sink3l3=0.2662 cosk3l3=0.9639sink2l3=0.4813sink2l3=0.87656.5.4加長桿強度核算最大彎矩所在位置為：由上式知道最大彎矩發(fā)生在l1處。最大彎矩為： Ncm加長桿內的應力由于軸向力形成的壓應力和彎曲形成的彎曲應力，即： 加長材料選用45號鋼，。安全系數(shù)： n=1.4故滿足強度要求。6.5.5活柱強度核算油缸的撓度計算式中活塞桿與導向套處的最大配合間隙，=0.1353；活塞與缸體的最大配合間隙，=0.11；活塞桿頭部銷孔中心至最大饒度處的距離，；缸底尾部銷孔中心至最大饒度處的距離，；缸體全部外伸時，液壓缸兩端銷孔間的距離，；活塞桿的最大推力，即立柱的工作阻力，；活塞桿全部伸出時，導向套前端到活塞滑動面末端的距離；液壓缸的重力，；=；立柱軸線與水平面的夾角；=。把以上數(shù)據(jù)代入公式中得：cm最大彎矩所在位置為：=239.5由上式可知活柱的最大彎矩發(fā)生在處，即加長桿與活柱發(fā)生初折曲的地方?；钪淖畲髲澗貫椋?Ncm活柱內的應力為由于軸向力形成的壓力和彎曲形成的彎曲應力，即： 活柱選用27SiMn無縫鋼管，。安全系數(shù)：n=1.4故活柱滿足強度要求。6.5.6缸體強度核算最大彎矩發(fā)生的地方為：由上式知道，缸體最大彎矩發(fā)生在l3處，即活柱與缸體發(fā)生初曲折的地方。最大彎矩為：kNcm缸體內壁三個應力為：按第四強度理論進行驗算，即：安全系數(shù)： n=3.3故缸體滿足強度要求。 7 液壓系統(tǒng)設計7.1液壓支架的液壓系統(tǒng)特點液壓支架由不同數(shù)量的立柱合千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實現(xiàn)升柱、降柱、移架、推溜等功作。雖然支架的液壓缸(立柱和千斤頂)種類、數(shù)量很多，但其液壓系統(tǒng)都采用多執(zhí)行元件的并聯(lián)系統(tǒng)。液壓支架的液壓傳動，與其它機械的容積式液壓傳動有很大的區(qū)別，其特點加下：工作液的壓力高(管路內的壓力達2040MPa，立柱內的壓力達3070MPa)，流量大(35140l/min)；在液壓系統(tǒng)種，采用粘度低和容量大的液體作為工作介質；液壓缸、操縱閥，其它調節(jié)和控制裝置等總的數(shù)量大(高壓泵16臺、液壓缸3001500個、安全閥150300個，還有同樣數(shù)量的液控單向閥)；泵液壓缸傳動系統(tǒng)的換算彈性模數(shù)較低；根據(jù)支架的數(shù)目改變液流的參數(shù)；所有支架在結構上都有著相同的液壓缸、液壓裝置以及它們之間都有相同的連接方式(相同的液壓系統(tǒng))；每節(jié)支架都重復著相同的工序，這些工序的總和構成液壓支架的基本工序；為了保證系統(tǒng)具有較高的容積效率，實現(xiàn)無故障作業(yè)及工作人員的安全，液壓系統(tǒng)的元件和部件要有好的密封性和可靠性。這些特點體現(xiàn)了液壓傳動元件以及整個系統(tǒng)在結構上的特點，即：液壓支架是以單節(jié)支架為單元的，這就決定了液壓系統(tǒng)的構成，即工作面支架和端頭支架的液壓系統(tǒng)成為液壓支架的基本組成部分。此外，可以把泵站、中心控制臺和支架的液壓管路等部分作為支架的公用液壓系統(tǒng)。其中每個部分都具有獨立的功能，在改善液壓傳動或者制定新的方案時，一般都可以單獨地加以研究。7.2 液壓系統(tǒng)的設計方法根據(jù)液壓系統(tǒng)的架型和結構設計，確定立柱和千斤頂數(shù)目，并擬定液壓系統(tǒng)。帶壓移架回路如圖7.1所示。在立柱控制閥前面裝設一個由移架液路控制的支撐保持閥和一個與立柱活塞桿腔液路相通的截流閥，可時支架帶壓移架，設計時應考慮在移架時，支架對頂板的支撐力應大于10KN/m。圖7.1