薄煤層液壓支架的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

(此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改！)摘要隨著煤炭資源的日益減少，如何更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)薄煤層的開(kāi)采成為了一個(gè)重要話題。在我國(guó)西南部的很多礦區(qū)，薄煤層已經(jīng)成為主采煤層。液壓支架作為煤礦開(kāi)采的重要支護(hù)設(shè)備，在保證工人的人身安全的同時(shí)，還要提高煤礦的生產(chǎn)效率。因此，研制高質(zhì)高效的薄煤層液壓支架具有重要的意義。傳統(tǒng)的液壓支架使用兩柱或四柱支撐，工作阻力小，而且四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)起來(lái)十分困難，最終只能用近似的雙紐線實(shí)現(xiàn)頂梁端部的運(yùn)動(dòng)，頂梁仍然有傾向煤壁的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的液壓支架采用八根立柱支撐，支護(hù)阻力大，取消了四連桿機(jī)構(gòu)，用立柱的液壓力抵抗水平力，是液壓支架設(shè)計(jì)方法的巨大進(jìn)步。本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：頂梁、底座、前梁、立柱等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立液壓支架的三維模型，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，最后進(jìn)行有限元分析校核關(guān)鍵部件的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的過(guò)程中參考了現(xiàn)有液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，如頂梁的箱形結(jié)構(gòu)、底座的底分式結(jié)構(gòu)等。本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：八根立柱對(duì)頂板實(shí)現(xiàn)密集支護(hù)，不僅提高了支護(hù)阻力，而且可以通過(guò)更換不同缸徑的懸浮式立柱，實(shí)現(xiàn)支架的模塊化設(shè)計(jì)、集成化裝配和規(guī)?；a(chǎn)，大大縮短了生產(chǎn)和檢測(cè)周期，加快了我國(guó)綜采機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)程。薄煤層液壓支架一般采用鄰架控制，為了減少管路上的壓力損失，方便人員的操作，設(shè)計(jì)了一種先導(dǎo)控制的液壓系統(tǒng)，對(duì)液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：液壓支架；超靜定結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真；有限元分析ABSTRACTWiththedecreaseofthecoalresources,coalseambetterbecameanimportanttopic.InthesouthwestofChina,thethincoalseamthemainlyminingarea.Hydraulicsupportastheimportantsupportingequipmentincoalmining,notonlytoensurethesafetyofworkers,butalsotoimproveproductionefficiencyofcoalmine.Therefore,thedevelopmentofthethincoalseamoffourbarlinkageisverydifficult.BecausethemovementofthetopbeamcanonlyrealizewithapproximateDoublenewline,therearestillatendencyofcoalwalltrend.Thispaperintroducesthedesignofmethodofofthispaperintroduce:Thestructureoftopbeam,basebeam,frontbeamand,usefiniteelementanalysistoanalysethestructurestrengthofkeyparts.Thedesignprocessoftheoftheexistinginnovationofthisdesignis:eightthroughreplacingdifferentdiameterofthe,integratedassemblyandlarge-scaleproduction,whichgreatlyreducethecycleofproductionandtesting,andalsospeedupthemechanizationofmanufacturingprocess.Thincoalseamordertoreducethepressurelossonthepipeline,thedesignoftheofthe；Finiteelementanalysis目錄1緒論 11.1薄煤層開(kāi)采技術(shù) 11.2液壓支架的用途及分類 11.2.1液壓支架的作用 11.2.2液壓支架的工作過(guò)程 11.2.3液壓支架的現(xiàn)場(chǎng)布置 31.2.4液壓支架的分類 41.2.5液壓支架的支護(hù)方式 51.2.6對(duì)液壓支架的基本要求 51.3薄煤層液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 51.4液壓支架的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 61.5超靜定結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)點(diǎn) 92液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 102.1液壓支架的設(shè)計(jì)參數(shù) 102.2支架的高度和支架的伸縮比 102.2.1支架高度 102.2.2支架的伸縮比 102.3支架間距 112.4底座長(zhǎng)度的確定 112.5頂梁尺寸 112.5.1支架工作方式對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 112.5.2頂梁長(zhǎng)度 112.5.3頂梁寬度 122.5.4頂板覆蓋率 132.6立柱布置 132.6.1立柱數(shù) 132.6.2支撐方式 133液壓支架部件設(shè)計(jì) 143.1頂梁 143.1.1主要作用 143.1.2結(jié)構(gòu)型式 143.1.3頂梁結(jié)構(gòu)和斷面形狀 153.2側(cè)護(hù)板的設(shè)計(jì) 173.2.1側(cè)護(hù)板的作用 173.2.2側(cè)護(hù)板的結(jié)構(gòu)型式 173.2.3側(cè)護(hù)板尺寸的確定 183.3底座的設(shè)計(jì) 193.3.1底座的作用 193.3.2底座的結(jié)構(gòu)形式 193.4推移裝置的設(shè)計(jì) 203.4.1推移裝置的用途 203.4.2推移裝置的要求 203.4.3推移裝置的結(jié)構(gòu) 213.5立柱的設(shè)計(jì) 243.5.1立柱的類型 243.5.2懸浮式液壓支柱的優(yōu)點(diǎn) 243.6輔助裝置的設(shè)計(jì) 253.6.1護(hù)幫裝置的設(shè)計(jì) 253.6.2防倒裝置的設(shè)計(jì) 263.7液壓支架的主要技術(shù)參數(shù) 273.7.1支護(hù)面積 273.7.2支護(hù)強(qiáng)度 273.7.3支護(hù)效率 273.8千斤頂參數(shù)的設(shè)計(jì) 283.8.1推移千斤頂 283.8.2側(cè)推千斤頂 284立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核 294.1單伸縮立柱缸徑和工作阻力的確定 294.1.1單伸縮立柱缸徑的確定 294.1.2泵站壓力的確定 294.1.3立柱初撐力的計(jì)算 294.1.4立柱工作阻力的計(jì)算 304.1.5立柱缸體壁厚的計(jì)算 304.2油缸穩(wěn)定性驗(yàn)算和立柱強(qiáng)度校核 314.2.1油缸穩(wěn)定性驗(yàn)算 314.2.2活柱強(qiáng)度驗(yàn)算 314.2.3缸體與缸底焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算 335液壓支架受力分析 345.1概述 345.1.1支架工作狀態(tài) 345.1.2計(jì)算載荷的確定 345.2液壓支架的受力分析與計(jì)算 355.2.1前梁的受力分析與計(jì)算 355.2.2主頂梁的受力分析與計(jì)算 365.2.3底座的受力分析與計(jì)算 375.3頂梁的載荷分布 375.4底座接觸比壓 386液壓支架強(qiáng)度計(jì)算 406.1強(qiáng)度條件 406.2前梁強(qiáng)度校核 416.3頂梁強(qiáng)度校核 446.4底座強(qiáng)度校核 486.5銷軸及耳板的強(qiáng)度校核 516.5.1前梁與頂梁聯(lián)結(jié)處銷軸的強(qiáng)度校核 526.5.2前梁與頂梁聯(lián)結(jié)處耳板的強(qiáng)度校核 536.5.3立柱與底座處銷軸的強(qiáng)度校核 536.5.4立柱銷軸支座的強(qiáng)度校核 546.5.5其他地方銷軸和耳板的強(qiáng)度校核 557液壓支架的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 567.1液壓支架的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 567.1.1液壓支架傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求 567.1.2液壓支架的液壓傳動(dòng)特點(diǎn) 567.1.3液壓支架的控制方式 567.2液壓支架的液壓系統(tǒng)擬定 578液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析 598.1基于ProE的三維實(shí)體建模 598.1.1建模的目的與意義 598.1.2ProE中建模方法 608.1.3ProE中虛擬裝配 628.1.4ProE中運(yùn)動(dòng)仿真 638.1.5ProE仿真結(jié)果分析 668.2基于ANSYSWorkbench12的有限元分析 688.2.1虛擬壓架實(shí)驗(yàn) 698.2.2ANSYSWorkbench12有限元分析 699結(jié)論 7810參考文獻(xiàn) 7911翻譯 80外文原文 80中文譯文 8412致謝 911緒論煤炭工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。我國(guó)的薄煤層資源豐富，全國(guó)薄煤層的儲(chǔ)量占全部可采儲(chǔ)量的17.5％，分布面廣，煤質(zhì)好。但由于薄煤層采煤生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟(jì)效益差，部分煤礦不重視薄煤層的開(kāi)采，造成許多薄煤層煤炭資源嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著厚煤層及中厚煤層煤炭資源的逐漸減少，許多煤礦開(kāi)始重視對(duì)薄煤層的開(kāi)采工作。液壓支架是現(xiàn)代化煤礦進(jìn)行高效綜采和安全生產(chǎn)最為關(guān)鍵的設(shè)備之一。無(wú)論是采用刮板輸送機(jī)、滾筒采煤機(jī)和液壓支架的綜采技術(shù)，還是運(yùn)行軌道、強(qiáng)力刨煤機(jī)和液壓支架的綜采技術(shù)，液壓支架都是作為煤礦井下支護(hù)關(guān)鍵設(shè)備，因此，研究高質(zhì)高效的薄煤層液壓支架有著重要的意義。1.1薄煤層開(kāi)采技術(shù)五十年代以前，我國(guó)在薄煤層中主要使用炮采工藝，以后使用了截煤機(jī)掏槽爆破落煤，并發(fā)展了薄煤層采煤機(jī)，六十年代開(kāi)始采用刨煤機(jī)，并在技術(shù)上逐步得到完善。薄煤層開(kāi)采應(yīng)有合適的配套設(shè)備，目前，從國(guó)內(nèi)外發(fā)展來(lái)看，比較理想的是刨煤機(jī)或爬底板式采煤機(jī)采煤，用液壓支架進(jìn)行支護(hù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)械化。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，1.0m左右煤厚的煤層可用的采煤方法有：1傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁炮采采煤法；2單體液壓支柱高檔普采采煤法；3薄煤層螺旋鉆采煤法；4綜合機(jī)械化采煤法。以上四種可行的薄煤層采煤方法中，第一、二種采煤方法由于工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)條件惡劣，生產(chǎn)效率低，同時(shí)不符合現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展方向，除個(gè)別開(kāi)采條件過(guò)于復(fù)雜，難以使用綜采機(jī)組開(kāi)采的區(qū)域以外，不應(yīng)推薦其作為主要的采煤方法。第三種采煤方法具有勞動(dòng)強(qiáng)度較小，作業(yè)環(huán)境良好的優(yōu)點(diǎn)，但由于其生產(chǎn)效率太低，難以使作為保護(hù)層開(kāi)采的薄煤層開(kāi)采和主采煤層的開(kāi)采速度相配套，也難以作為薄煤層開(kāi)采的主要采煤方法。只有薄煤層綜采開(kāi)采既具有工人勞動(dòng)強(qiáng)度小、作業(yè)環(huán)境較好的優(yōu)點(diǎn)，也具有安全高效的優(yōu)勢(shì)，滿足了主采煤層高強(qiáng)度開(kāi)采的需要，更代表了薄煤層采煤方法的技術(shù)發(fā)展方向,因此，對(duì)于薄煤層的高產(chǎn)高效提出了更高的要求。1.2液壓支架的用途及分類1.2.1液壓支架的作用液壓支架是綜采工作面的主要設(shè)備之一，它的主要作用是支護(hù)采場(chǎng)頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。實(shí)踐表明，液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓支架與可彎曲刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)組成綜采機(jī)械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對(duì)增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、安全上可靠，是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的主要設(shè)備。1.2.2液壓支架的工作過(guò)程1支架的升降和推移圖1.1液壓支架工作原理圖1-頂梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤頂；5-安全閥；6-液控單向閥；7、8-操縱閥；9-輸送機(jī)；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管當(dāng)操縱閥8處于升柱位置時(shí)，從乳化液泵站來(lái)的高壓液體通過(guò)操縱閥8、液控單向閥6進(jìn)入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥8處于降柱位置時(shí)，工作液體進(jìn)入立柱的上腔，同時(shí)打開(kāi)液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。支架的前移和推移輸送機(jī)是通過(guò)操縱閥7和推移千斤頂4來(lái)進(jìn)行的。移架時(shí)，先使支架卸載下降，再把操縱閥7置于移架位置，從乳化液泵站來(lái)的高壓液體進(jìn)入推移千斤頂4的前腔即活塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時(shí)，支架以輸送機(jī)為支點(diǎn)前移。移架結(jié)束后，在把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥7置于推溜位置，高壓液體進(jìn)入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時(shí)輸送機(jī)以支架為支點(diǎn)被推向煤壁。2支架的承載過(guò)程支架的承載過(guò)程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過(guò)程。它包括初撐、承載增阻和恒阻三個(gè)階段。（1）初撐階段在升架過(guò)程中，當(dāng)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(shí)，停止供液，液控單向閥6立即關(guān)閉，這一過(guò)程為支架的初撐階段。初撐力的大小取決于泵站的工作壓力、立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過(guò)早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。（2）承載增阻階段支架初撐結(jié)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(duì)頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過(guò)程為支架的承載增阻階段。（3）恒阻階段隨著頂板壓力的進(jìn)一步增加，立柱下腔的液體壓力越來(lái)越高。當(dāng)升高到安全閥5的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥打開(kāi)溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復(fù)這一過(guò)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(shí)，支架對(duì)頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。對(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計(jì)算還要考慮到立柱傾角的影響因素。支架的支撐力和時(shí)間的關(guān)系曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1.2所示。圖1.2支架的工作特性曲線t0—初撐階段；t1—增阻階段；t2—恒阻階段；p1—初撐力；p2—工作阻力1.2.3液壓支架的現(xiàn)場(chǎng)布置圖1.3液壓支架在工作面布置示意圖1－采煤機(jī)2－液壓支架3－傳送帶輸送機(jī)4－轉(zhuǎn)載機(jī)5－刮板輸送機(jī)6－主進(jìn)液管7－主回液管8－乳化液泵9－乳化液箱10－端頭支架11－單體液壓支柱圖1.3所示為液壓支架在工作面的布置示意圖。每個(gè)工作面一般由滾筒、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、裝載機(jī)、乳化液壓站和油管等主要設(shè)備組成。為了實(shí)現(xiàn)頂板及時(shí)支護(hù)，常采用先移架后推溜的方式。采煤機(jī)每切割一刀，液壓支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四個(gè)主要?jiǎng)幼鬟^(guò)程。A-A截面是采煤機(jī)割煤前支架的工作狀態(tài)。此時(shí)，推溜千斤頂活塞桿處于伸出狀態(tài)，端間距為零，輸送機(jī)緊靠煤壁。采煤機(jī)割煤后，支架尚未前移時(shí)（B-B截面），端面距最大（等于采煤機(jī)截深）；當(dāng)支架降柱卸載前移，然后升柱支護(hù)新裸露頂板時(shí)，端面距又達(dá)到最?。–-C截面）。支架支撐頂板后，以其為支點(diǎn)操作推溜千斤頂。將輸送機(jī)推向煤壁，實(shí)現(xiàn)推溜。此時(shí)，推溜千斤頂?shù)幕钊麠U又處于伸出狀態(tài)（D-D截面），以便完成下一個(gè)動(dòng)作過(guò)程。隨著采煤機(jī)割煤的繼續(xù)，工作面液壓支架不斷重復(fù)上述四個(gè)主要?jiǎng)幼鬟^(guò)程。從而對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，防止頂板冒落，保持一定的作業(yè)空間，確保綜采工作面人員和設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)頂板管理及采煤作業(yè)過(guò)程機(jī)械化，提高采煤工作效率。1.2.4液壓支架的分類1按架型結(jié)構(gòu)及與圍巖關(guān)系分（1）掩護(hù)式1）支掩掩護(hù)式支架分插底式和不插底式；2）支頂掩護(hù)式分為支架平衡千斤頂設(shè)在頂梁與掩護(hù)梁之間和支架平衡千斤頂設(shè)在底座與掩護(hù)梁之間。（2）支撐掩護(hù)式1）支頂支撐掩護(hù)式支架；2）支頂支掩支撐掩護(hù)式，其中一排立柱支撐在掩護(hù)梁上。（3）支撐式支架1）節(jié)式支架分兩框架式、三框架及四框架組合式兩類；2）垛式支架。2按適用煤層傾角分（1）一般工作面支架；（2）大傾角支架。3按適用采高分（1）薄煤層支架；（2）中厚煤層支架；（3）大采高支架。4按適用采煤方法（1）一次采全高支架；（2）放頂煤支架；（3）鋪網(wǎng)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）過(guò)渡支架（排頭支架）；（3）端頭支架。6按穩(wěn)定機(jī)構(gòu)分（1）四連桿機(jī)構(gòu)支架；（2）單鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)支架；（3）反四連桿機(jī)構(gòu)支架；（4）單擺桿式支架；（5）機(jī)械限位支架（橡膠限位、彈簧鋼板限位、千斤頂限位）。7按組合方式（1）單架式支架；（2）組合式支架。8按控制方式分（1）本架控制方式；（2）鄰架控制方式；（3）成組控制方式。9按控制原理分（1）液壓直接控制支架；（2）液壓先導(dǎo)控制支架；（3）電液控制支架。1.2.5液壓支架的支護(hù)方式綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。3個(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機(jī)”的不同配套關(guān)系。1即時(shí)支護(hù)一般循環(huán)方式為：割煤—移架—推溜。即時(shí)支護(hù)的特點(diǎn)是：頂板暴露時(shí)間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護(hù)方式。2滯后方式一般循環(huán)方式為：割煤—推溜—移架。滯后支護(hù)的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間較長(zhǎng)，梁端距大，支護(hù)頂梁較短。適用于穩(wěn)定、完整的頂板。3復(fù)合支護(hù)一般循環(huán)方式為：割煤—支架伸出伸縮梁—推溜—收伸縮梁—移架。復(fù)合支護(hù)的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間短，但增加的反復(fù)支撐的次數(shù)。可用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應(yīng)高產(chǎn)高效要求，目前應(yīng)用較少。1.2.6對(duì)液壓支架的基本要求1為了滿足采煤工藝及地質(zhì)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100kN左右；移架力按煤層厚度而定，對(duì)中厚煤層一般為150～250kN。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(fēng)斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。6為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?調(diào)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)定值。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(qiáng)度條件下，盡可能減輕支架重量。11要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。12液壓元件要可靠。1.3薄煤層液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)根據(jù)煤層厚度劃分，薄煤層截高一般小于1.3m。我國(guó)不少礦區(qū)薄煤層是主采煤層。薄煤層支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：1伸縮比大立柱大多采用雙伸縮立柱，薄煤層支架高度低，操作不太方便，立柱很少采用帶機(jī)械加長(zhǎng)段結(jié)構(gòu)。為滿足大伸縮比的要求，特別是掩護(hù)式液壓支架，立柱傾角較大，在低位狀態(tài)工作時(shí)，支護(hù)效率較低。2人行通道困難對(duì)于薄煤層支架，如何設(shè)置人行通道是十分重要的。在瓦斯含量大、對(duì)通風(fēng)有特殊要求的綜采工作面，大多設(shè)計(jì)成雙人行通道。支撐掩護(hù)式支架的前立柱前留有人行通道，在前、后柱間再設(shè)計(jì)一個(gè)人行通道，二柱掩護(hù)式支架立柱前后各設(shè)一通道這樣有利于通風(fēng)，便于行人。對(duì)于通風(fēng)沒(méi)有特殊要求的綜采工作面，大多設(shè)計(jì)成二柱掩護(hù)式液壓支架，在柱前設(shè)置人行通道。3梁體薄薄煤層支架由于其伸縮比大，且最低高度很低，所以結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要截面高度尺寸盡可能小。為此，結(jié)構(gòu)件大多采用高強(qiáng)度鋼板、箱形結(jié)構(gòu)，頂梁前部有的設(shè)計(jì)成板式結(jié)構(gòu)，甚至是幾層彈簧鋼板疊加。4結(jié)構(gòu)交叉布置薄煤層支架由于其最低位置的高度十分低，結(jié)構(gòu)件除了盡量薄之外，結(jié)構(gòu)件間盡量采用空間交錯(cuò)布置，所以，前連桿大多設(shè)計(jì)成單連桿，后連桿設(shè)計(jì)成雙連桿，在最低位置時(shí)，前、后連桿可以側(cè)投影重疊而不干涉，底座設(shè)計(jì)成分底座、活連接，左右底座中間為推移機(jī)構(gòu)布置的空間；對(duì)于兩柱掩護(hù)式支架，平衡千斤頂和推移液壓缸采取交錯(cuò)布置，以滿足最大重合度。由于柱前大多為人行通道，所以薄煤層支架推桿前部大多設(shè)計(jì)成板式，厚度為50～70mm。人行通道最小要求寬0.6m，凈高0.4m。5簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)薄煤層支架結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，以減少事故，頂梁可設(shè)計(jì)成整梁，適當(dāng)加寬頂梁寬度，一般可不設(shè)置活動(dòng)側(cè)護(hù)板。6提高控制系統(tǒng)自動(dòng)化薄煤層工作面行人困難，所以操作系統(tǒng)最好實(shí)現(xiàn)成組控制、自動(dòng)控制或鄰架控制，以減輕工人體力勞動(dòng)和提高安全程度、工作效率及產(chǎn)量。1.4液壓支架的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)液壓支架的設(shè)計(jì)、制造和使用，從1854年英國(guó)研制成功發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)基本成熟，形成了能適應(yīng)各種不同煤礦地質(zhì)條件的各類液壓支架。從液壓支架的形式來(lái)看，有掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架。從支架的質(zhì)量來(lái)看，有輕型液壓支架、中型液壓支架和重型液壓支架。從支撐高度來(lái)看，有薄煤層液壓支架、中厚煤層液壓支架和厚煤層液壓支架。厚煤層液壓支架又分厚煤層一次采全高液壓支架、厚煤層分層開(kāi)采液壓支架和放頂煤液壓支架。從用途來(lái)看，有端頭液壓支架和中間液壓支架。所以從液壓支架的現(xiàn)狀來(lái)看，已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)完整的液壓支架體系。從液壓支架的設(shè)計(jì)來(lái)看，由過(guò)去的手工設(shè)計(jì)發(fā)展到全部計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)?？傊S著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，液壓支架設(shè)計(jì)、制造和使用，將越來(lái)越完善、安全、可靠。新型液壓支架普遍具有微型電機(jī)或電磁鐵驅(qū)動(dòng)的電液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器，采煤機(jī)裝有紅外線傳感器裝置，立柱缸徑超過(guò)400MPa。為減少割煤時(shí)間，一般采用0.8~1m的截深。支架還采用屈服強(qiáng)度800~1000MPa的鋼板，既有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性，又具有良好的冷焊性能。隨著長(zhǎng)壁工作面長(zhǎng)度的不斷增加，為適應(yīng)快速移架的需要，國(guó)外還廣泛采用高壓大流量乳化液泵站，其額定壓力為40~50MPa，額定流量400~500Lmin，可實(shí)現(xiàn)工作面成組或成排快速移架，達(dá)到6~8s架。美國(guó)是世界上最先進(jìn)的采煤國(guó)家，早在1990年就己采用額定壓力50MPa，額定流量478Lmin的乳化液泵站，以實(shí)現(xiàn)支架快速推進(jìn)，移架速度達(dá)6~8s架。美國(guó)的高產(chǎn)高效工作面采用兩柱掩護(hù)式支架，使用壽命8~10年，可用率高達(dá)95%~98%。支架平均工作阻力6470kN(最大為9800kN)，支架寬度普遍增大，中心距達(dá)到1.75m，并向2m發(fā)展，增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時(shí)間、增加有效工作時(shí)間和提高單產(chǎn)。如洛斯公司20英里礦在250×5280m長(zhǎng)壁綜采面用工作阻力為2×8565kN電液控制兩柱掩護(hù)式支架，1997年6月產(chǎn)商品煤90..43萬(wàn)噸，成為世界上首次月產(chǎn)商品煤近百萬(wàn)噸的工作面；1995年9月，糜鹿礦用工作阻力為8900kN電流控制的兩柱掩護(hù)式支架，月產(chǎn)煤達(dá)到60.11萬(wàn)噸。美國(guó)綜采工作面最高日產(chǎn)超7萬(wàn)噸，工效為1336噸工。澳大利亞也基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)，使用兩柱掩護(hù)式支架，支架的平均工作阻力為7640kN。如尤蘭礦用電流控制的兩柱掩護(hù)式支架，在1995年8月8日創(chuàng)下澳大利亞有史以來(lái)日產(chǎn)3.41萬(wàn)噸的最高記錄，班產(chǎn)一直保持在5000~6000噸。英國(guó)也在大力發(fā)展兩柱掩護(hù)式支架，工作阻力有了很大提高，達(dá)到6000~8000kN。液壓支架的發(fā)展不斷完善，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾種：1前連桿加油缸的液壓支架在掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式液壓支架中的四連桿機(jī)構(gòu)，克服了頂板作用在支架上的水平力，但當(dāng)水平力過(guò)大時(shí)，不能讓壓，為了安全起見(jiàn)，所以掩護(hù)梁和前、后連桿的強(qiáng)度計(jì)算中安全系數(shù)比其他構(gòu)件增加20%，為了解決此問(wèn)題，目前國(guó)外正在設(shè)計(jì)一種前連桿帶油缸的液壓支架。油缸為雙作用單伸縮，上下腔都帶安全閥，當(dāng)頂板水平力大于額定值時(shí)，油缸讓壓，使液壓支架達(dá)到新的平衡，從而在設(shè)計(jì)時(shí)可降低安全系數(shù)，減輕了液壓支架的質(zhì)量。2沿頂板移架的液壓支架為適應(yīng)破碎頂板下使用液壓支架，設(shè)計(jì)了一種不在底板上移架的液壓支架，利用提起底座擦頂移架的液壓支架，底座與節(jié)式液壓支架類似，為底靴式，質(zhì)量較輕，架與架之間用液壓千斤頂連接起來(lái)。3適用特種條件下的液壓支架（1）特厚煤層一次采全高液壓支架目前北京煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的BC520-2547型液壓支架，支架高度為2.5~4.7m，還可根據(jù)需要設(shè)計(jì)支架高度為6m的液壓支架，立柱可采用三伸縮柱的液壓支架。（2）新型放頂煤液壓支架可設(shè)計(jì)一種回收率高、夾矸少的放頂煤液壓支架。（3）水采液壓支架為適應(yīng)水采工作面的支護(hù)，可設(shè)計(jì)一種水采工作面液壓支架。（4）重型液壓支架為適應(yīng)頂板壓力特大的需要，還可依據(jù)將工作阻力設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)囊簤褐Ъ?。?）新型端頭液壓支架為了加快綜采速度和無(wú)人采煤工作面的需要，設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)井上操作，既安全又可靠的新型端頭支架。（6）大傾角工作面液壓支架為適應(yīng)煤層傾角小于或等于45°的工作面，設(shè)計(jì)一種新型的大傾角工作面液壓支架。4液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向（1）輕型化對(duì)液壓支架各部分進(jìn)行受力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足強(qiáng)度條件和配套的條件下，底座及頂梁盡量短些，使液壓支架輕型化。（2）標(biāo)準(zhǔn)化為了減輕支架質(zhì)量、降低成本，提高對(duì)煤層厚度變化和頂板條件的適應(yīng)性，使液壓支架的范圍變小，對(duì)同一型號(hào)設(shè)計(jì)成系列化，適應(yīng)不同煤層厚度的要求。（3）材質(zhì)強(qiáng)化提高結(jié)構(gòu)件鋼材的強(qiáng)度，采用優(yōu)質(zhì)鋼材，減輕液壓支架的質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，選用合理的材質(zhì)。（4）高壓化各種閥類的壓力等級(jí)加高，相應(yīng)的強(qiáng)度增高，使閥和油缸的體積減小，使液壓支架的質(zhì)量減輕。5操作自動(dòng)化能適應(yīng)無(wú)人采煤工作面的需要，設(shè)計(jì)自動(dòng)化操作的新型全自動(dòng)液壓支架。我國(guó)液壓支架經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，盡管取得了顯著成績(jī)，在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn)過(guò)日產(chǎn)萬(wàn)噸甚至班產(chǎn)超萬(wàn)噸的記錄。但總體水平與世界先進(jìn)采煤國(guó)家仍存在一定差距。在支架架型功能上我國(guó)與國(guó)外相差無(wú)兒，有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強(qiáng)力支架、端頭支架還有獨(dú)到之處，但國(guó)產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏低，電液控制閥可靠性差，所用鋼材的耐壓能力一般為260MPa，最好的屈服極限才700MPa，液壓系統(tǒng)壓力在35MPa以下，流量在200Lmin以內(nèi)，供液管直徑25~32rnrn，回液管直徑25~50mrn，最快移架速度為10~12s架(井下實(shí)際應(yīng)用有時(shí)在20s以上)，工作阻力更是相對(duì)較低。我國(guó)科學(xué)工作者經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展和努力，液壓支架的設(shè)計(jì)、制造水平在不斷提高，特別是在緩傾斜中厚煤層的液壓支架方面積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，架型已基本趨于成熟、完善，在品種和質(zhì)量方面與國(guó)際先進(jìn)水平相比，差距越來(lái)越小。但在控制元件和控制系統(tǒng)方面，與先進(jìn)國(guó)家的產(chǎn)品相比還有較大差距。所以.今后除應(yīng)繼續(xù)針對(duì)我國(guó)國(guó)情和煤層具體條件，開(kāi)發(fā)一些新架型、新品種外，還應(yīng)將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在支架控制系統(tǒng)和提高支架的工作可靠性方面。今后，我國(guó)的液壓支架的設(shè)計(jì)將向著技術(shù)含量大、鋼板強(qiáng)度高、移架速度快(6~8s架)和電液控制閥的方向發(fā)展，對(duì)有破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力，盡量采用整體可靠推桿和抬底座機(jī)構(gòu)，并減少千斤頂?shù)臄?shù)量。另外，將普遍采用額定壓力為40MPa，額定流量為400Lmin的高壓大流量乳化液泵站，以適應(yīng)快速移架的需要，系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液，保證支架有足夠的壓力達(dá)到初撐力，保證支架接頂位置準(zhǔn)確。ZY兩柱掩護(hù)式支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至360mm，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。1.5超靜定結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)點(diǎn)1頂梁和底座通過(guò)8根懸浮式液壓立柱鉸接連接,，立柱均為二力桿，所以支架頂梁無(wú)論承受哪個(gè)方向上的壓力都不會(huì)對(duì)底座產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。2頂梁所受的水平力均轉(zhuǎn)化為立柱的內(nèi)壓力，因此只要立柱能夠承受足夠的壓力,，則支架就能承受與之相應(yīng)的水平載荷。3立柱布置成正三角形，不但使支架的水平內(nèi)力互相抵消，減少了頂梁和底座的內(nèi)力，也使支架具有很高的穩(wěn)定性。4八根立柱密集支撐頂梁，在相同的泵站壓力下，可以用較小的缸徑實(shí)現(xiàn)較大的支撐力。同時(shí)，頂梁成為具有多點(diǎn)支撐的柔性頂梁，受力合理，可靠性高。5可以通過(guò)只更換缸徑相同、行程不同的立柱的方法，裝配成采高不同而工作阻力相同的一系列液壓支架，從而實(shí)現(xiàn)支架的模塊化設(shè)計(jì)、集成化裝配和規(guī)?；a(chǎn)，大大縮短了生產(chǎn)和檢測(cè)周期，加快了我國(guó)綜采機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)程。6由于沒(méi)有四連桿機(jī)構(gòu)，頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡為垂直直線而不是近似的雙扭線，克服了傳統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)給支架設(shè)計(jì)帶來(lái)的缺陷和不足。7支架前梁可以上擺3°，下擺42°，用2個(gè)缸徑相同的懸浮式液壓千斤頂支撐，不僅支撐力大，而且對(duì)不平整頂板的適應(yīng)性強(qiáng)。8立柱采用懸浮式技術(shù)原理，懸浮力達(dá)到工作阻力的45，立柱的受力僅為15，大大提高了立柱的穩(wěn)定性和安全性，從而提高了支架的承載能力和抗偏載能力。9懸浮式液壓立柱各密封點(diǎn)采用密封補(bǔ)償和密封脹緊技術(shù)，而且內(nèi)部無(wú)圓弧焊縫，無(wú)內(nèi)泄漏。立柱一旦泄漏，肉眼便可發(fā)現(xiàn)。如果支架中有1一3根立柱損壞，可以在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行更換與維修，而不影響整個(gè)支架的超靜定結(jié)構(gòu)和工作狀況，大大減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了維修設(shè)備的時(shí)間。10在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)支架各部件進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析和強(qiáng)度校核，并對(duì)各結(jié)構(gòu)件的焊縫進(jìn)行了強(qiáng)度校核，而且充分考慮了沖擊載荷的影響，其安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

2液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1液壓支架的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值支架的立柱數(shù)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立柱伸縮形式單伸縮煤層傾角<8°2.2支架的高度和支架的伸縮比2.2.1支架高度支架高度的確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來(lái)確定，其最大與最小高度為：（2-1）（2-2）式中：——支架最大高度（mm）；——支架最小高度（mm）；——煤層最大厚度（mm）；——煤層最小厚度（mm）；——考慮偽頂、煤皮冒落后仍有可能靠初撐力所需要的支撐高度——頂板最大下沉量，一般取100～200mm；——移架時(shí)支架的最小可縮量，一般取50mm；——浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm；由設(shè)計(jì)參數(shù)=1.3m及液壓缸的活塞行程L=400mm，可得出液壓支架的最小高度約為=0.9m，所以液壓支架的高度范圍為：0.9～1.3m。通過(guò)公式2-1、2-2可得，可采煤層的高度約為1.1m。2.2.2支架的伸縮比支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值即：（2-3）由于液壓支架的使用壽命較長(zhǎng)，并可能被安裝在不同的采煤工作面，所以，支架應(yīng)具有較大的伸縮比。一般范圍是1.5至2.5，煤層較薄時(shí)選大值。但是考慮盡量減輕支架重量，降低造價(jià)，可搞系列化，加強(qiáng)支架對(duì)頂?shù)装宓倪m應(yīng)性，降低伸縮比，盡量采用單伸縮油缸或帶機(jī)械加長(zhǎng)桿來(lái)增加調(diào)高范圍。該支架的伸縮比m=1.44。.2.3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(jì)算： （2-4）式中:b——支架間距（支架中心距）；B——每架支架頂梁總長(zhǎng)度；c——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n=1；整體邁步式支架n=2；節(jié)式邁步支架，n=支架節(jié)數(shù)。支架間距b要根據(jù)支架型式來(lái)確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度及幫槽上千斤頂連結(jié)塊的位置來(lái)確定，我國(guó)刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度為1.5m,千斤頂連結(jié)塊位置在溜槽中長(zhǎng)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。大采高支架為提高穩(wěn)定性，中心距可采用1.75m，輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。本次設(shè)計(jì)的薄煤層液壓支架，取支架的中心距為1.5m。2.4底座長(zhǎng)度的確定底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；便于人員操作和行走；保證支架的穩(wěn)定性等。通常掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取3.5倍的移架步距（一個(gè)移架步距為0.6m），即2.1m左右，支撐掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取4倍的移架步距，即2.4m左右。本次設(shè)計(jì)的超靜定液壓支架，由于立柱數(shù)目較多，設(shè)置雙人行通道的要求，底座寬度相對(duì)較長(zhǎng)，參照以前的支架，人行道寬度600mm，單根立柱安裝空間300mm，立柱距底座前后端面400mm，由此暫將底座長(zhǎng)度確定為3.2m。2.5頂梁尺寸根據(jù)支架工作方式和設(shè)備配套尺寸來(lái)確定頂梁長(zhǎng)度。2.5.1支架工作方式對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響支架工作方式對(duì)支架頂梁長(zhǎng)度有很大影響。先移架后推溜方式（即時(shí)支護(hù)）要求頂梁有較大長(zhǎng)度；先推溜后移架方式（滯后支護(hù)）要求頂梁長(zhǎng)度較小。這是因?yàn)椴捎孟纫萍芎笸屏锏墓ぷ鞣绞綍r(shí)，支架要超前輸送機(jī)一個(gè)步距，以便采煤機(jī)過(guò)后，支架能及時(shí)前移，支控新暴露的頂板，做到及時(shí)支護(hù)，因此，先移架后推溜時(shí)頂梁長(zhǎng)度要比先推溜后移架時(shí)的頂梁長(zhǎng)度要長(zhǎng)一個(gè)步距，一般為600mm。本次設(shè)計(jì)采用了雙人行通道，頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為減小控頂距，降低控頂面積，因此采用滯后支護(hù)方式。2.5.2頂梁長(zhǎng)度頂梁長(zhǎng)度的確定應(yīng)根據(jù)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的配套尺寸來(lái)確定，薄煤層“三機(jī)”配套除了從生產(chǎn)能力、性能、壽命考慮外，由于薄煤層的復(fù)雜賦存條件，它還必須結(jié)合煤礦的實(shí)際情況，更多地考慮機(jī)械設(shè)備工作機(jī)構(gòu)的最大結(jié)構(gòu)高度、調(diào)高范圍、機(jī)身高度及過(guò)機(jī)空間等問(wèn)題，否則會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)能力和設(shè)備性能的發(fā)揮，降低設(shè)備的使用壽命。1采煤機(jī)與液壓支架的配套原則：（1）采煤機(jī)的采高范圍應(yīng)與液壓支架的調(diào)高范圍相適應(yīng)。一般，支架的最大高度應(yīng)大于采煤機(jī)最大高度0.1～0.2m。（2）為減小液壓支架的控頂距，尤其是對(duì)于破碎頂板，應(yīng)采用較載機(jī)身的采煤機(jī)。（3）采煤機(jī)的最大可能工作牽引速度應(yīng)與支架的移架速度相適應(yīng)。對(duì)滾筒采煤機(jī)： 式中:t——每架支架的平均移架時(shí)間，s；A——支架中心距，m；v——采煤機(jī)工作牽引速度，mmin。（4）液壓支架的移動(dòng)步距應(yīng)與采煤機(jī)的截深相適應(yīng)。由于推移機(jī)構(gòu)間隙等原因，推移千斤頂?shù)男谐桃话阋?00～200mm。（5）梁端距一般取150～400mm。它主要取決于采高、底板起伏情況、頂板條件及采煤機(jī)械的型式。從頂板管理的角度看，梁端距應(yīng)盡可能的小，但由于采煤機(jī)沿走向方向傾角的變化，容易引起割頂梁。所以，一般采高較大，底板起伏變化大，梁端距要求也大。事實(shí)上一些掩護(hù)式支架在初撐時(shí)都有頂梁移向煤壁、使梁端距減小的趨勢(shì)，所以在確定梁端距時(shí)應(yīng)考慮以上因素。本次設(shè)計(jì)的超靜定薄煤層液壓支架，取消了傳統(tǒng)的四連桿機(jī)構(gòu)，采高較小，所以梁端距定為200mm。2采煤機(jī)的選型：MG2×75-PF型外牽引爬底板式采煤機(jī)，采高范圍0.7～1.2m，牽引速度0～5m，截深800mm，外形尺寸5600×1660×550，生產(chǎn)能力：Q=60HBVP=369.6t，=835MPa。安全系數(shù)n=5.3，滿足要求。4.2.3缸體與缸底焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算(4-10)式中：——立柱最大工作阻力，800KN;——環(huán)形焊縫內(nèi)徑，17cm；——環(huán)形焊縫外徑（缸底外徑）,19.6；——焊接效率，取=0.7。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得：，焊縫抗拉強(qiáng)度一般取539MPa：安全系數(shù)為：許用安全系數(shù)[n]=3.3-4,由計(jì)算結(jié)果可知，焊縫強(qiáng)度滿足條件。

5液壓支架受力分析5.1概述5.1.1支架工作狀態(tài)1頂板狀態(tài)在采煤工作面中，當(dāng)煤被采出后，就會(huì)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(shí)支護(hù)，頂板就要冒落，不支護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)，危險(xiǎn)就越大。而頂板冒落是有一定過(guò)程的，一般可分為三個(gè)階段，開(kāi)始頂板處于無(wú)壓狀態(tài)，此時(shí)頂板較完整，而且沒(méi)有下沉，稱為無(wú)壓狀態(tài)；但經(jīng)一定時(shí)間后，頂板就會(huì)下沉，通常稱為老頂來(lái)壓，此時(shí)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(lái)壓狀態(tài)；如果不及時(shí)支護(hù)，頂板就會(huì)破裂而冒落，此時(shí)叫冒落狀態(tài)。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(kāi)始支架以初撐力支撐頂板，此時(shí)為無(wú)壓狀態(tài)；當(dāng)周期來(lái)壓時(shí)，頂板下沉，使立柱下腔壓力增大，當(dāng)增大到大于安全閥調(diào)正壓力時(shí)，安全閥被打開(kāi)，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(hù)頂板；如果繼續(xù)來(lái)壓，就要不斷讓壓，所以立柱要有一定的向下行程，如沒(méi)有向下行程，稱為壓死狀態(tài)，這是在設(shè)計(jì)和使用中必須注意避免的現(xiàn)象；當(dāng)支架前移后，此時(shí)頂板處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，頂板就要冒落，這就是液壓支架在工作過(guò)程中的三種狀態(tài)。3支架受力支架在工作面受力是由于頂板下沉，同時(shí)又有向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，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(lái)克服，所以在計(jì)算支架的工作載荷時(shí)按支架的工作阻力來(lái)確定。5.1.2計(jì)算載荷的確定液壓支架實(shí)際受載荷很復(fù)雜，頂梁和底座上的載荷既非集中載荷，又非均布載荷，分布規(guī)律隨著支架與頂?shù)装宓慕佑|情況而變化，為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：1把支架簡(jiǎn)化成一個(gè)平面桿系結(jié)構(gòu)，同時(shí)為偏于安全，按集中載荷進(jìn)行計(jì)算。2金屬結(jié)構(gòu)件按材料力學(xué)上的直梁理論來(lái)計(jì)算。3頂梁、底座與頂?shù)装逭J(rèn)為均勻接觸，載荷沿支架長(zhǎng)度方向按線性規(guī)律，沿支架寬度方向?yàn)榫肌?通過(guò)分析和計(jì)算可知，掩護(hù)梁上矸石的作用力，只能使支架實(shí)際支護(hù)阻力降低，所以在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不計(jì)，使掩護(hù)梁偏于安全。5立柱和短柱按最大工作阻力來(lái)計(jì)算。6作用在頂梁上水平力的產(chǎn)生有兩種情況：一種是由于支架在承載讓壓時(shí)，由于頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡為雙紐線，所以頂梁與頂板有產(chǎn)生位移的趨勢(shì)，水平力為頂梁合力與靜摩擦系數(shù)的乘積，其方向與頂梁產(chǎn)生位移方向的趨勢(shì)相反；另一種是由于頂板向采空區(qū)方向移動(dòng)，使支架頂梁受一指向老塘的水平力，最大水平力與上相同。頂梁與頂板的靜摩擦系數(shù)，目前國(guó)內(nèi)一般取。7支架各部件受力，按不同支護(hù)高度時(shí)受力最大值進(jìn)行強(qiáng)度校核。8各結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度校核，除按理論支護(hù)阻力校核危險(xiǎn)斷面外，還要按《液壓支架型式試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的各種加載方式，以支架的額定工作阻力逐一校核，超過(guò)額定工作阻力10％的超載試驗(yàn)，將由安全系數(shù)保證強(qiáng)度。5.2液壓支架的受力分析與計(jì)算支架的受力分析與計(jì)算，是按理論力學(xué)中一物體受幾個(gè)力作用下處于平衡狀態(tài)時(shí)，所受力和力矩之和為零的原理來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算的。所以當(dāng)支架支撐后在處于平衡狀態(tài)時(shí)，取整體或某一部件為分離體也處于平衡狀態(tài)。其合力與合力矩為零。即：滿足靜力平衡的充分必要條件為： ；；（5-1）支架受力如下圖所示：圖5.1支架受力圖5.2.1前梁的受力分析與計(jì)算圖5.2前梁受力圖上圖中，為前梁千斤頂支撐力，為前梁端部的集中載荷力，、、由支架的結(jié)構(gòu)確定，由平衡條件得：由得：（5－2）由得：（5－3）由得：（5－4）由式（5－2），得：由式（5－3），得：由式（5－4），得：由普通千斤頂?shù)募夹g(shù)特征和適用范圍，選取前梁千斤頂?shù)囊?guī)格為10060，代號(hào)為Q10060W，在工作壓力為31.5MPa時(shí)，推力為245KN，拉力為158KN，因支架適用兩個(gè)前梁千斤頂，故單個(gè)千斤頂推力的兩倍。代入數(shù)據(jù)得：5.2.2主頂梁的受力分析與計(jì)算圖5.3主頂梁受力圖取頂梁為分離體，F(xiàn)為立柱的工作阻力，為前梁在頂梁與前梁鉸接處對(duì)頂梁在水平和垂直方向的力，為前梁千斤頂對(duì)頂梁的作用力，為頂板對(duì)頂梁的集中載荷力。由得：（5－5）由得：（5－6）由得：（5－7）由式（5-6）得：由式（5－7）得：代入數(shù)據(jù)得：5.2.3底座的受力分析與計(jì)算圖5.4底座受力圖取底座為分離體，受力如圖5-4所示，為立柱的工作阻力，為地板對(duì)支架的支撐力。由，得：（5－8）由，得：（5－9）由式（5-8）得：5.3頂梁的載荷分布在把頂梁所受頂板的載荷求出后，就可以進(jìn)一步計(jì)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(shí)際分布很復(fù)雜。為計(jì)算方便，假設(shè)頂梁與頂板均勻接觸且載荷為線性分布。設(shè)頂梁長(zhǎng)為，頂板的集中載荷為，其作用點(diǎn)距頂梁一端為。（1）當(dāng)時(shí)，載荷分布為三角形。如圖5.5所示。圖5.5頂梁三角形載荷分布頂梁前端比壓為0，頂梁后端比壓為：（2）當(dāng)時(shí)，載荷分布呈梯形分布，如圖5.6所示。頂梁前端比壓為：頂梁后端比壓為:圖5.6頂梁梯形載荷分布式中：由前面計(jì)算可知，，屬于第二種情況。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：5.4底座接觸比壓頂板對(duì)支架的巨大載荷經(jīng)由整臺(tái)支架傳到底板，在支架底座與底板接觸處將具有一定的比壓。由于底板巖性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗壓強(qiáng)度。則在設(shè)計(jì)支架時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算底板的比壓。底板與底座的接觸面積：式中：——底座的長(zhǎng)度；——底座的寬度。底座對(duì)底板的平均比壓：（5－20）代入數(shù)據(jù)求得：由于底板凹凸不平或底座下墊有碎矸，底座對(duì)底板的比壓很不均勻。為簡(jiǎn)化計(jì)算而又不失其有效性，假設(shè)底座對(duì)底板均勻接觸且載荷為線性分布。底座接觸比壓的計(jì)算公式和頂梁的計(jì)算方法相同，由公式（5-8）、（5-9）知，力的作用點(diǎn)距底座后端的距離所以，底座的接觸比壓分布為矩形分布，接觸比壓的數(shù)值為平均接觸比壓的大小。 6液壓支架強(qiáng)度計(jì)算6.1強(qiáng)度條件我國(guó)液壓支架強(qiáng)度計(jì)算中的強(qiáng)度條件如下：1、強(qiáng)度校核均以材料的屈服極限計(jì)算安全系數(shù);2、常用的承載結(jié)構(gòu)件材料及工藝，見(jiàn)表6.1表6.1常用承載結(jié)構(gòu)材料工藝表主要零部件名稱常用材料(MPa)工藝性能頂梁、底座、16Mn280350可焊性好、焊后無(wú)需熱處理Q460450-47015MnVN450470可焊性差、焊接時(shí)需要預(yù)熱，工藝?yán)щy14MnNbB700柱冒、連接座ZG270500ZG35Cr270350一般需調(diào)質(zhì)處理，鑄造缺陷較多，要嚴(yán)格控制質(zhì)量銷軸、連桿40Cr4540Mn230CrMnSi550360750900調(diào)質(zhì)處理3、安全系數(shù)安全系數(shù)如表6.2：表6.2安全系數(shù)表安全系數(shù)前梁頂梁底座掩護(hù)梁前連桿后連桿[n]安全系數(shù)主要軸缸體活塞桿[n]1.33.3~4>1.4注：（1）、頂梁、底座安全系數(shù)為1.1，主要考慮加載時(shí)加載工作阻力1.1倍，掩護(hù)梁、連桿、銷軸等不能進(jìn)行加載強(qiáng)度校核，為偏于安全取1.3.（2）、如果各結(jié)構(gòu)件計(jì)算出來(lái)的安全系數(shù)偏大時(shí)，可按標(biāo)準(zhǔn)鋼材厚度減薄，或減少加強(qiáng)筋數(shù)量和筋板高度，以減輕支架重量，降低成本。根據(jù)計(jì)算表明，改變結(jié)構(gòu)件高度對(duì)強(qiáng)度影響較大，而改變結(jié)構(gòu)件鋼板厚度對(duì)強(qiáng)度影響較小，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)件具體情況酌情處理。6.2前梁強(qiáng)度校核由圖6-1可以看出，最大彎矩在前梁千斤頂作用處。根據(jù)計(jì)算表明，按彎壓聯(lián)合作用計(jì)算，不如按最大彎曲應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力大，為安全起見(jiàn)，故采用最大彎曲應(yīng)力校核，即危險(xiǎn)截面，所以只需校核危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度。斷面處的彎矩的確定：1繪制前梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、受力圖、剪力圖和彎矩圖圖6.1前梁強(qiáng)度校核圖2計(jì)算剪力與彎矩（1）剪力=99.2KN(2)彎矩3按彎曲應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核首先對(duì)每塊鋼板編號(hào)，把位置狀態(tài)相同和截面積相同的鋼板編成1個(gè)號(hào)，再計(jì)算截面積，最后計(jì)算截面形心距。鋼板的編號(hào)如圖6.2所示。圖6.2前梁截面圖（1）板1：=1300mm=30mm板2：=165mm=30mm板3：=1100mm=30mm（2）求解截面形心坐標(biāo)（3）每個(gè)零件至截面形心之距可用下式進(jìn)行計(jì)算 代入數(shù)據(jù)得：（4）截面形心主慣性矩（5）彎曲應(yīng)力的計(jì)算（6）安全系數(shù)的計(jì)算前梁采用Q460，可焊性好、焊后無(wú)需熱處理，所以屈服極限為460MPa。由此可知，前梁的強(qiáng)度滿足要求。4按剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核由力矩圖可以看出，在危險(xiǎn)截面處的剪應(yīng)力為最大，并且腹板采用鋼板焊接，不如型鋼，故需校核。由材料力學(xué)可知，中性軸處剪應(yīng)力為最大，所以按此處進(jìn)行校核。（1）中性軸以下的部分截面面積對(duì)中性軸的靜矩式中：——中性軸以下各部分零件斷面的面積；——中性軸以下各部分零件的中心坐標(biāo)（對(duì)截面形心）；——危險(xiǎn)界面的形心坐標(biāo)；——每個(gè)零件的形心坐標(biāo)；——中性軸以下各部分零件面積對(duì)中性軸之矩。此處按中性軸以下面積進(jìn)行計(jì)算，代入有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，得：（2）危險(xiǎn)截面處的最大剪應(yīng)力式中：——最大剪應(yīng)力,；——截面沿中性軸的總合寬度，此處，。代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：（3）安全系數(shù)的計(jì)算代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：由此可知，前梁的剪切強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。6.3頂梁強(qiáng)度校核1繪制頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、受力圖、剪力圖和彎矩圖圖6.3頂梁強(qiáng)度校核圖2計(jì)算剪力與彎矩（1）剪力(2)彎矩3按彎曲應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核首先對(duì)每塊鋼板編號(hào)，把位置狀態(tài)相同和截面積相同的鋼板編成1個(gè)號(hào)，再計(jì)算截面積，最后計(jì)算截面形心距。鋼板的編號(hào)如下圖所示。圖6.4頂梁斷面圖（1）板1：=1270mm=20mm板2：=435mm=20mm板3：=60mm=180mm板4：=60mm=180mm板5：=60mm=20mm板6：=60mm=20mm（2）求解截面形心坐標(biāo)（3）每個(gè)零件至截面形心之距可用下式進(jìn)行計(jì)算 代入數(shù)據(jù)得：（4）截面形心主慣性矩（5）彎曲應(yīng)力的計(jì)算（6）安全系數(shù)的計(jì)算頂梁采用Q460，可焊性好、焊后無(wú)需熱處理，屈服極限為460MPa。由此可知，頂梁的強(qiáng)度滿足要求。4按剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核由力矩圖可以看出，在危險(xiǎn)截面處的剪應(yīng)力為最大，并且腹板采用鋼板焊接，不如型鋼，故需校核。由材料力學(xué)可知，中性軸處剪應(yīng)力為最大，所以按此處進(jìn)行校核。（1）中性軸以上的部分截面面積對(duì)中性軸的靜矩式中：——中性軸以上各部分零件斷面的面積；——中性軸以上各部分零件的中心坐標(biāo)（對(duì)截面形心）；——危險(xiǎn)界面的形心坐標(biāo)；——每個(gè)零件的形心坐標(biāo)；——中性軸以上各部分零件面積對(duì)中性軸之矩。此處按中性軸以上面積進(jìn)行計(jì)算，代入有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，得：（2）危險(xiǎn)截面處的最大剪應(yīng)力式中：——最大剪應(yīng)力,；——截面沿中性軸的總合寬度，此處，。代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：（3）安全系數(shù)的計(jì)算代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：由此可知，頂梁的剪切強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。6.4底座強(qiáng)度校核1繪制底座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、受力圖、剪力圖和彎矩圖圖6.5底座強(qiáng)度校核圖2計(jì)算剪力與彎矩（1）剪力(2)彎矩3按彎曲應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核首先對(duì)每塊鋼板編號(hào)，把位置狀態(tài)相同和截面積相同的鋼板編成1個(gè)號(hào)，再計(jì)算截面積，最后計(jì)算截面形心距。鋼板的編號(hào)如下圖所示。圖6.6底座斷面圖（1）板1：=435mm=40mm板2：=170mm=60mm板3：=460mm=180mm（2）求解截面形心坐標(biāo)（3）每個(gè)零件至截面形心之距可用下式進(jìn)行計(jì)算 代入數(shù)據(jù)得：（4）截面形心主慣性矩（5）彎曲應(yīng)力的計(jì)算（6）安全系數(shù)的計(jì)算頂梁采用Q460，可焊性好、焊后無(wú)需熱處理，屈服極限為460MPa。由此可知，頂梁的強(qiáng)度滿足要求。4按剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核由力矩圖可以看出，在危險(xiǎn)截面處的剪應(yīng)力為最大，并且腹板采用鋼板焊接，不如型鋼，故需校核。由材料力學(xué)可知，中性軸處剪應(yīng)力為最大，所以按此處進(jìn)行校核。（1）中性軸以上的部分截面面積對(duì)中性軸的靜矩式中：——中性軸以上各部分零件斷面的面積；——中性軸以上各部分零件的中心坐標(biāo)（對(duì)截面形心）；——危險(xiǎn)界面的形心坐標(biāo)；——每個(gè)零件的形心坐標(biāo)；——中性軸以上各部分零件面積對(duì)中性軸之矩。此處按中性軸以上面積進(jìn)行計(jì)算，代入有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，得：（2）危險(xiǎn)截面處的最大剪應(yīng)力式中：——最大剪應(yīng)力,；——截面沿中性軸的總合寬度，此處，。代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：（3）安全系數(shù)的計(jì)算代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：由此可知，頂梁的剪切強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。6.5銷軸及耳板的強(qiáng)度校核支架所有連接處的銷軸和耳板，都要受擠壓和拉伸的作用，所以，要計(jì)算擠壓應(yīng)力和拉應(yīng)力并進(jìn)行強(qiáng)度校核。銷軸處不僅受剪力，而且還受一定的彎曲應(yīng)力，所以應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合成應(yīng)力校核。下面對(duì)各部件聯(lián)結(jié)處分別進(jìn)行軸及耳板強(qiáng)度校核。6.5.1前梁與頂梁聯(lián)結(jié)處銷軸的強(qiáng)度校核前梁與主梁聯(lián)結(jié)處的銷軸受力如圖6.7所示：由式（5－2）和式（5－3）知，在前梁與主頂梁連接處：其合力為：此處有四條筋板，則：圖6.7前梁與主梁銷軸受力圖帶入數(shù)據(jù)得：材料選取40Cr，6.5.2前梁與頂梁聯(lián)結(jié)處耳板的強(qiáng)度校核前梁與主梁聯(lián)結(jié)處，前梁的耳板厚度較小，所以只要前梁耳板符合要求，則主梁處必然符合要求，此處只選擇校核前梁耳板。耳板在擠壓力作用下，銷軸向耳板銷孔擠壓。耳板所受擠壓應(yīng)力按下式計(jì)算：式中：—偏載系數(shù)，一般??；—耳板數(shù)量，—耳板厚度，m—銷孔直徑，m所以：擠壓安全系數(shù)：耳板受拉的危險(xiǎn)斷面為銷軸直徑處，其拉應(yīng)力為：式中：—耳板寬度從圖6.7可知：所以此處：拉伸安全系數(shù)：所以此處的耳板強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。6.5.3立柱與底座處銷軸的強(qiáng)度校核立柱與底座處銷軸的受力如圖6.8所示：圖6.8立柱與底座銷軸受力圖帶入數(shù)據(jù)得：材料選取40Cr，6.5.4立柱銷軸支座的強(qiáng)度校核支座在擠壓力作用下，銷軸向耳板銷孔擠壓。耳板所受擠壓應(yīng)力按下式計(jì)算：式中：—偏載系數(shù)，一般??；—耳板數(shù)量，—耳板厚度，m—銷孔直徑，m所以：擠壓安全系數(shù)：6.5.5其他地方銷軸和耳板的強(qiáng)度校核主頂梁和上連扳、上下連扳聯(lián)結(jié)處的銷軸和耳板，受力小于前梁處的銷軸和耳板，而且主頂梁和尾梁聯(lián)結(jié)處的銷軸和耳板尺寸相同，前面已經(jīng)校核了前梁處的銷軸和耳板的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，所以該處的強(qiáng)度也應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，在此不再計(jì)算。其余千斤頂耳座及銷軸可參考有關(guān)手冊(cè)選定，這里不再進(jìn)行強(qiáng)度校核。7液壓支架的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1液壓支架的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介整個(gè)綜采工作面液壓支架的液壓系統(tǒng)由乳化液泵站、主管路和各個(gè)支架的控制系統(tǒng)等三大部分組成。液壓支架的控制系統(tǒng)由不同數(shù)量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實(shí)現(xiàn)升柱、降柱、移架、推溜等動(dòng)作。雖然支架的液壓缸（立柱與千斤頂）種類、數(shù)量很多，但其液壓系統(tǒng)都是采用多執(zhí)行元件的并聯(lián)系統(tǒng)。7.1.1液壓支架傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求對(duì)于液壓支架的傳動(dòng)裝置，應(yīng)具有以下基本要求：采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備外形尺寸小，能遠(yuǎn)距離地傳遞大的能量；能承受較大的載荷；沒(méi)有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；在爆炸危險(xiǎn)和含塵的空氣里能保證工作安全；動(dòng)作迅速；操作、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單；過(guò)載及損壞保護(hù)簡(jiǎn)單。7.1.2液壓支架的液壓傳動(dòng)特點(diǎn)液壓支架的液壓傳動(dòng)，與其他機(jī)械的容積式液壓傳動(dòng)有很大的區(qū)別，其特點(diǎn)如下：1）工作液的壓力高（管路內(nèi)的壓力達(dá)20~40MPa，立柱內(nèi)的壓力達(dá)30~70MPa），流量大（35~140Lmin）；2）在液壓系統(tǒng)中，采用黏度低和容量大的液體作為工作介質(zhì)；3）很長(zhǎng)的液壓管路（200~300m剛性管，500~3000m高壓軟管）；4）泵——液壓缸傳動(dòng)系統(tǒng)的換算彈性模數(shù)較低；5）所有支架在結(jié)構(gòu)上都有著相同的液壓缸、液壓裝置以及它們之間都有著相同的連接方法（相同的液壓系統(tǒng)）；6）每節(jié)支架重復(fù)著相同的工序，這些工序的總和構(gòu)成液壓支架的基本工序；7）為保證系統(tǒng)具有較高的容積效率，實(shí)現(xiàn)無(wú)故障作業(yè)及工作人員的安全，液壓系統(tǒng)的元件和部件要有良好的密封性和可靠性。這些特點(diǎn)決定了液壓傳動(dòng)元件以及整個(gè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，即：液壓支架是以單節(jié)點(diǎn)支架為單元的，這就決定了液壓系統(tǒng)的構(gòu)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(tái)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(gè)部分都具有其獨(dú)立的功能，在改善液壓傳動(dòng)或者制定新的方案時(shí)，一般都可以單獨(dú)地加以研究。7.1.3液壓支架的控制方式1手動(dòng)控制目前液壓支架多采用手動(dòng)鄰架控制。操作人員隨采煤機(jī)前進(jìn)，依次站在被移支架傾斜上方的支架里進(jìn)行操作，使被移支架完成各個(gè)必要的動(dòng)作。（1）全流量控制全流量控制是目前支架的基本控制方式。它使用全流量操縱閥，根據(jù)操作人員的要求，直接向液壓缸工作腔輸入壓力液，實(shí)現(xiàn)支架的各個(gè)動(dòng)作。在采取鄰架控制時(shí)的全流量控制系統(tǒng)，過(guò)架管路除了主管路以外，還有許多控制管路，因而行人不便，系統(tǒng)可靠性不高，維護(hù)工作量大。（2）先導(dǎo)液壓控制先導(dǎo)液壓控制近年來(lái)在支架液壓控制系統(tǒng)中發(fā)展很快。它是通過(guò)先導(dǎo)液壓操縱閥將操作人員的要求變成液壓指令，再由液控分配閥完成向液壓缸工作腔供給壓力液的任務(wù)。因?yàn)橄葘?dǎo)控制需要傳輸?shù)牟皇橇髁慷且簤?，所以先?dǎo)控制管可以做得很細(xì)小，于是必須過(guò)架的許多先導(dǎo)控制管可以用一根直徑不大的多芯管(每芯直徑僅2毫米左右)來(lái)代替，并且簡(jiǎn)化了支架在井下工作面的安裝，系統(tǒng)可靠性增加。采用多芯管傳輸液壓指令，只要增加芯管數(shù)目，就能實(shí)現(xiàn)雙向鄰架控制，也不會(huì)增加過(guò)架管路數(shù)目，這對(duì)在水平或近永平媒層工作面中雙向采煤時(shí)的支架操作很有利。2自動(dòng)控制手動(dòng)控制的操作速度受到人員在工作面行走速度限制。特別是在薄煤層中工作時(shí)，操作人員花費(fèi)在從一個(gè)支架行走到另一個(gè)支架的時(shí)間較長(zhǎng)，體力消耗也很大。因此，手動(dòng)控制液壓支架使高效采煤機(jī)械的工作能力不能充分發(fā)揮出來(lái)。所以，研制和發(fā)展液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)是液壓支架進(jìn)一步發(fā)展的方向之一。目前，液壓支架的自動(dòng)控制大都處于試驗(yàn)階段。這是因?yàn)榈叵鹿ぷ鳁l件復(fù)雜多變，在工作條件的監(jiān)控方面，在人機(jī)之間和在采煤機(jī)與支架之間的完善聯(lián)系還有大量工作要做?？偟内厔?shì)是采用帶有電腦控制的電液先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)。分配閥多采用安全火花型電液控制分配閥，監(jiān)控裝置如壓力傳感器、位置傳感器等多轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入電腦指令系統(tǒng)。它們可以是分組程序控制，每組支架只需按一次電鈕便可依次完成各個(gè)支架的移架過(guò)程;也可以是由設(shè)在巷道中的集中控制臺(tái)進(jìn)行遙控或白動(dòng)控制。它們一般都保留有進(jìn)行本架控制的相應(yīng)控制元件，以便在必要時(shí)進(jìn)行臨時(shí)應(yīng)急處理。7.2液壓支架的液壓系統(tǒng)擬定根據(jù)液壓支架的架型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定立柱和千斤頂?shù)臄?shù)目，并擬定液壓系統(tǒng)。由于薄煤層液壓支架必須采取鄰架控制，為了減小管路上的壓力損失，特采用了先導(dǎo)控制回路，如圖7.1所示。它的主要控制元件是先導(dǎo)掖壓操縱閥和液控分配閥。先導(dǎo)液壓操縱閥發(fā)出先導(dǎo)液壓指令，波控分配閥接到液壓指令后立即動(dòng)作，向相應(yīng)液壓缸工作腔供液。先導(dǎo)控制可以減少液壓損失，減少采用鄰架控制方式時(shí)的過(guò)架管路(因?yàn)橄葘?dǎo)液壓控制管路的流量極小，可以采用多芯管傳輸多路液壓指令)，便于向集中控制、遙控和自動(dòng)控制方式發(fā)展。圖7.1先導(dǎo)控制回路圖7.1所示先導(dǎo)控制回路的液控分配閥2是由四個(gè)液控二位二通閥組成的，它不僅可以根據(jù)先導(dǎo)液壓指令實(shí)現(xiàn)液壓缸的換向動(dòng)作，還可以實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。圖中所示液壓缸為支架立柱3，液控分配閥2中右邊兩個(gè)常閉式二位二通閥E和F組合控制立柱3下腔的進(jìn)液和回液，左邊一個(gè)常閉式和一個(gè)常開(kāi)式二位二通閥C和D組合控制立柱3上腔的進(jìn)液和回液。使先導(dǎo)液壓操縱閥1中B閥動(dòng)作，則先導(dǎo)液壓指令將傳至E閥液控口而使之開(kāi)啟，壓力液從壓力管路P經(jīng)E閥進(jìn)入立柱3的下腔，使之升柱接頂。松開(kāi)B閥手把，E閥則在彈簧作用下復(fù)位關(guān)閉，立柱下腔被鎖緊。操作先導(dǎo)液壓操縱閥中A閥使之發(fā)出液壓指令，則C閥開(kāi)啟，D閥關(guān)閉，壓力液從壓力管路P經(jīng)C閥進(jìn)入立柱3的上腔；F閥開(kāi)啟，立柱3的下腔經(jīng)F閥與回液管路O連通，所以立柱3降柱。本次設(shè)計(jì)的液壓支架的液壓控制系統(tǒng)如下圖所示。圖7.2液壓系統(tǒng)原理圖8液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析8.1基于ProE的三維實(shí)體建模隨著科技的發(fā)展，單一使用二維CAD技術(shù)進(jìn)行液壓支架設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需求。在科研人員到各煤礦和生產(chǎn)廠家進(jìn)行方案匯報(bào)、項(xiàng)目招標(biāo)的過(guò)程中，利用ProE軟件建立的支架三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)仿真分析，將支架的每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)，每一層裝配關(guān)系，各種運(yùn)動(dòng)軌跡都清晰、直觀的顯示出來(lái)，從視覺(jué)上帶給客戶更感性的認(rèn)識(shí)，收到了很好的效果。現(xiàn)階段比較有代表性、應(yīng)用廣泛的三維CAD軟件有：美國(guó)PTC公司的ProENGNEERWildfire、DRC公司的i-deas、SOLIDWORKS公司的solidworks、EDS公司的solidedge、北航海爾的caxa。其中ProEWildfire4.0是windows平臺(tái)下基于特征的參數(shù)化造型技術(shù)和變量化造型技術(shù)的三維實(shí)體造型系統(tǒng)，具有杰出的機(jī)械裝配設(shè)計(jì)和制圖性能，能夠方便地與windows平臺(tái)下其它應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和鏈接操作。其內(nèi)容涵蓋了從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成品的全過(guò)程，其中還包含了大量的電纜及管道布線、模具設(shè)計(jì)與分析等實(shí)用模塊，應(yīng)用范圍涉及航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、輕工、醫(yī)療和電子等諸多領(lǐng)域。ProEWildfire4.0強(qiáng)大的建模功能可以完成任何復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)，其工程圖模塊可以將零件環(huán)境、裝配環(huán)境中生成的各類零件、裝配件等實(shí)體進(jìn)行投影，生成符合制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖，極大地方便了液壓支架零部件的設(shè)計(jì)，因此確定采用ProEWildfire4.0軟件來(lái)進(jìn)行液壓支架三維實(shí)體的建模。8.1.1建模的目的與意義Mechanism（機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析）模塊是PROE軟件中包含的一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析和仿真模塊，該模塊既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的定義、建立零件之間的連接及裝配自由度，對(duì)輸入軸添加相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)，又可以在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察和記錄分析仿真過(guò)程的一些測(cè)量值，如位置、速度、和加速度等，還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查和運(yùn)動(dòng)軌跡顯示等。創(chuàng)建三維模型，不僅僅是為了造型，更多的是為了今后使用方便——如設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整、虛擬裝配、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析等。一般對(duì)于開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，造型的近期目標(biāo)就是為了修改。具體到支架設(shè)計(jì)，由于每次設(shè)計(jì)所需要的支護(hù)強(qiáng)度各不相同，所以設(shè)計(jì)的支架模型在完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)后，還要通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算同時(shí)確保支架總重量不超過(guò)一定數(shù)值，因此支架模型只有在通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算合格和總重量不超標(biāo)的情況下才能正式確定下來(lái)。也可以說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)，修改零件模型是必不可少的。這就要求創(chuàng)建的零件造型結(jié)構(gòu)完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便在今后的零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨時(shí)可以方便地對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)做出修改。要明確零件造型的目的：在不影響零件的基本特征和受力的情況下，某些細(xì)小特征（如較小的圓角和倒角）可以忽略，還可以將有關(guān)部件直接繪成一個(gè)零件模型，減少模型儲(chǔ)存量及縮短模型再生時(shí)間，從而提高了工作效率。正確的建模是裝配的前提，恰當(dāng)?shù)难b配是運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)，裝配的好與壞直接影響到運(yùn)動(dòng)仿真的進(jìn)行，只有在模型裝配好之后才能正確的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。8.1.2ProE中建模方法ProE提供了兩種設(shè)計(jì)方法：1如果先將零件設(shè)計(jì)好，并繪制成三維模型，然后將這些零件裝配成裝配體，這種設(shè)計(jì)方法稱為自底向上設(shè)計(jì)（Down—Top）；2先設(shè)計(jì)產(chǎn)品的原理和結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)一步設(shè)計(jì)其中的零件，這種方法稱為自頂向下設(shè)計(jì)（Top—Down）。對(duì)液壓支架整機(jī)的三維實(shí)體建模一般采用自底向上的方法，即先依據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸建立各部件的三維模型，然后再按照它們彼此之間的裝配和約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝，最后形成一臺(tái)完整的機(jī)器。很顯然，對(duì)液壓支架各部件的精確建模和正確定義各部件之間的裝配關(guān)系，是完成液壓支架整機(jī)建模的關(guān)鍵。液壓支架的零部件眾多，但鑒于篇幅的限制，無(wú)法一一列出。所以，只列出其中四個(gè)部件供參考：頂梁（圖8.1）、底座（圖8.2）、前梁（圖8.3）、立柱（圖8.4）。圖8.1頂梁模型效果圖圖8.2底座模型效果圖圖8.3前梁模型效果圖圖8.4立柱模型效果圖8.1.3ProE中虛擬裝配創(chuàng)建好液壓支架的所有部件之后，就要開(kāi)始進(jìn)行裝配。裝配前，應(yīng)正確分析各部件在整機(jī)中的位置、作用以及相關(guān)部件之間的裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以保證裝配后整機(jī)定位可靠、運(yùn)動(dòng)靈活、互不發(fā)生干涉。裝配是在ProE的組件模塊中完成的。由于各部件之間的裝配關(guān)系不同，ProE提供了不同的裝配形式。如果裝配件與裝配件之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，裝配時(shí)應(yīng)選用“放置”選項(xiàng)定義板定義彼此之間的完全約束關(guān)系；否則，在裝配時(shí)應(yīng)選用“連接”選項(xiàng)板來(lái)定義它們之間的連接關(guān)系和約束關(guān)系。在裝配過(guò)程中，如果按照設(shè)定的約束關(guān)系并沒(méi)有使裝配件處于“正常的工作位置”，可使用“拖動(dòng)”選項(xiàng)板上的“平移”、“旋轉(zhuǎn)”等工具對(duì)配件進(jìn)行調(diào)整，直至符合要求為止。在ProE中，組件模塊提供了“匹配”、“對(duì)齊”、“插入”和“坐標(biāo)系”等多種約束類型和“平面連接”、“銷釘連接”、“滑動(dòng)桿連接”、“球連接”等多種連接形式，在具體的操作中，正確地選擇并使用這些約束類型和連接形式，對(duì)能否成功地實(shí)現(xiàn)液壓支架的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真至關(guān)重要。為此，八根立柱的上下鉸接點(diǎn)、千斤頂兩端的銷孔及上下連板的鉸接一律采用“銷釘聯(lián)接”，活柱與缸體之間一律采用“滑動(dòng)桿連接”，推移桿采用平面連接。一般情況下，采用的連接形式不同，接下來(lái)所需定義的約束類型也不同。只有當(dāng)裝配處于完全約束時(shí)，被裝配件才可能具有確定運(yùn)動(dòng)，“連接”才會(huì)生效圖8.5是本次設(shè)計(jì)的超靜定薄煤層液壓支架的三維模型。（a）(b)圖8.5整機(jī)模型效果圖8.1.4ProE中運(yùn)動(dòng)仿真液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真的一般過(guò)程如圖8.6所示：圖8.6仿真流程圖液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真是在成功建立裝配模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)定義靜止部件、運(yùn)動(dòng)部件，并在各起始運(yùn)動(dòng)件上定義驅(qū)動(dòng)電機(jī)、選擇連接軸和運(yùn)動(dòng)方向、設(shè)定運(yùn)動(dòng)條件或參數(shù)等一系列操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于液壓支架運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)件主要是立柱或油缸，活塞桿在油缸中只作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以，在建立液壓支架的仿真模型時(shí)，以底座為靜止部件，其他部件均為活動(dòng)件。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)放在立柱上，以立柱軸線作為聯(lián)接軸，然后根據(jù)各個(gè)活塞桿的行程和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在“輪廓”面板的“規(guī)范”欄中選擇“位置”來(lái)規(guī)范活柱的運(yùn)動(dòng)，在“?！睓谥羞x取“常數(shù)”選項(xiàng)；最后，利用“運(yùn)動(dòng)分析”命令定義運(yùn)動(dòng)仿真的起始和終止時(shí)間以及幀數(shù)，即可播放完成的動(dòng)畫(huà)。在組裝好裝配圖后，點(diǎn)選菜單欄中的“應(yīng)用程序”下拉菜單中的“機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入機(jī)構(gòu)仿真模塊。運(yùn)動(dòng)仿真的操作步驟如下：1定義伺服電動(dòng)機(jī)分別在立