液壓支架的設(shè)計及有限元分析

全套設(shè)計（圖紙）加扣扣194535455第1章前言能量作為人類生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)，從來都與我們的生活形影不離，而作為世界上儲藏量最多、分布面積最廣的煤炭是我們從古至今的最常規(guī)的能源之一。煤炭由于其低廉的運行成本，一直以來都作為世界范圍內(nèi)的主要能源[1]。煤炭科學(xué)在不斷發(fā)展的同時，與其相關(guān)的開采工藝和裝備水平也在隨之不斷提高。液壓支架的誕生和發(fā)展為煤礦高效、安全運行提供了極大地保證。1.1選題的提出及意義作為當前世界的第二大經(jīng)濟體，我國的經(jīng)濟社會的發(fā)展必定依賴于成熟、充足并且可靠的能源供給。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，就2014年而言，我國的火力發(fā)電的設(shè)備容量大約是全部發(fā)電設(shè)備容量的67.28%，由此可以見得，作為傳統(tǒng)的主要能源，煤炭依然能在新型能源發(fā)展不充分時占有著國民經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略地位。而為了能讓煤礦礦井實現(xiàn)現(xiàn)代化高產(chǎn)高效綜采，液壓支架是最基本的保障，并且還作為保障生產(chǎn)安全的關(guān)鍵性設(shè)備。液壓支架的出現(xiàn)以及其發(fā)展是對于煤炭行業(yè)來說其實是的一次重大的歷史革新。液壓支架從根本上改善了公認的煤礦礦井的工作條件，提高了作業(yè)的安全性，同時也提升了采煤的效率并且大幅度地提高了礦井產(chǎn)量。液壓支架是主要通過若干個液壓元件（油缸、閥件）和金屬結(jié)構(gòu)件組成[2]，以高壓液體作為動力，一種適用于采煤工作面的支撐和控制頂板的設(shè)備，具有安全可靠、快速移動、高強度、強大的支護性能等一系列特性[3]。在現(xiàn)代化綜合采煤的過程當中，液壓支架起到的主要作用是預(yù)防頂板冒落、為工人在安全作業(yè)時提供一定的工作空間以及各項采煤作業(yè)能夠正常運作[4,5]。因此液壓支架需要提供足夠的支撐力才能可靠有效地支撐和控制工作面頂板，然后隔離開采空區(qū)，防止矸石落入工作面造成支架受到偏載[6]，并且能夠?qū)崿F(xiàn)基本的支撐、推溜以及移架等一系列基本操作。目前我國煤礦礦井當中，四柱掩護式液壓支架是采用的主要的架型。但是由于其工作的環(huán)境不穩(wěn)定，因此液壓支架受到的承載載荷變化極大，尤其是一些重要零部件極易在正常工作條件下因受偏載而損壞[7]。由于在采煤過程中，綜采工作面頂板附近處于不穩(wěn)定狀態(tài)的圍巖，以及地質(zhì)條件復(fù)雜多變的煤層，支架的底座和頂梁是受到應(yīng)力變化最大的零部件，支架整體傾斜也較為嚴重，同時不同的開采過程采用的工藝會導(dǎo)致頂梁和底座不能保證時刻處于水平狀態(tài)而導(dǎo)致支架整體傾斜，因此支架的四連桿機構(gòu)永遠不會在實際使用的過程中處于理想狀態(tài)，所以在這樣的工作狀態(tài)下的支架基本上都處于惡劣的偏載狀態(tài)中，支架在這樣的工作工況下使用時，液壓支架在承受扭曲時產(chǎn)生的疲勞損壞就會增加，支架的使用壽命大大減少，支護過程的安全系數(shù)也同時降低[8]。因此，為了讓液壓支架能夠安全可靠地工作，同時最大限度地提升液壓支架的穩(wěn)定性和可靠性，就需要使用有限元分析軟件ANSYS對液壓支架的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)元件做相關(guān)的靜力學(xué)分析，得到相關(guān)可以用來進行參考分析的結(jié)果。本文的重點就是通過已有的流程，進行液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計和其三維建模并用于有限元分析，而液壓系統(tǒng)的設(shè)計和有限元分析是作為本文的重點和難點。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢自從液壓支架誕生以來的幾十年時間里，各國在煤礦礦井井下開采支護設(shè)備在設(shè)計以及使用中有了的根本性變化，就是廣泛的采用了液壓支架用來作為長壁開采支護設(shè)施的最主要設(shè)備[9]。通過使用液壓支架來管理頂板是針對現(xiàn)代采煤來說的一次全新的技術(shù)變革，同樣也成為了煤礦現(xiàn)代化采煤的標志之一[10]。液壓支架作為高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化礦井中綜采的重要設(shè)備，同樣也是保證安全生產(chǎn)和作業(yè)空間的關(guān)鍵設(shè)備，它的整體重量大約占整個綜采設(shè)備總體重量的80%~90%，其費用大約占總體綜采設(shè)備總體費用的60%~70%[11,12]。而液壓支架中大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性決定了綜采技術(shù)最終的成敗。因此世界各產(chǎn)煤大國長期以來都在對液壓支架進行研究，以能夠達到提高采煤效率、降低成本以及改善工作條件等為最終目的。1.2.1國內(nèi)液壓支架的發(fā)展我國采礦業(yè)相對于先進國家來說起步晚，煤礦地質(zhì)條件也頗為復(fù)雜，煤層厚度變化大，有薄煤層、急傾斜煤層和特厚煤層等諸多類型的煤層，所以我國液壓支架具備了批量小、品種多的明顯生產(chǎn)特色[13]。經(jīng)過大半個世紀的發(fā)展，我國目前在支液壓架的結(jié)構(gòu)和配套設(shè)備上有了喜人的成績，但是總體仍與發(fā)達國家存在有較大差距，特別是在材料制造、焊接技術(shù)的應(yīng)用等方面。但是我國在支架的制造結(jié)構(gòu)上已經(jīng)掌握了世界的先進技術(shù)，特別是在一些相對關(guān)鍵性的部件和具有特別針對性性能的液壓支架，如鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強力支撐、支撐特厚煤層的放頂煤支架、端頭支架等，但在精細程度上仍然與國外同等類型液壓支架存在明顯差距[14]。我國自行研發(fā)的液壓支架在系統(tǒng)的自動控制這一塊上的可靠性較差，而且液壓系統(tǒng)當中設(shè)定的額定壓力值一般來說都不足35，額定流量一般來說也低于200徑一般介于25到32之間，回液管的直徑一般介于25到50之間[12]。與此同時常采用屈服極限為345的鋼材，而井下實際應(yīng)用時移架最高速度在20甚至以上，高于理論移架的最高速度10~12架，實測初撐比為0.25~0.4，也低于一般水平的0.52~0.77[6]。因此在未來國內(nèi)的液壓支架的發(fā)展進程中，我國的主要研究的方向?qū)⒊邚姸蠕摪濉⒏呒夹g(shù)含量、快速移架以及電液控制閥這幾個大方向發(fā)展[15]。針對有破碎帶以及斷層的工作面會增加支架的移架力，并且精良使用整體可靠推桿及抬底座機構(gòu)的同時減少千斤頂?shù)臄?shù)量[16]。另外還將大范圍將額定壓力設(shè)定為40、額定流量設(shè)定為400的高壓大流量乳化液泵站考慮進增加快速移架時間的方案中[17]。為了讓支架具有達到初撐力需求所足夠的壓力，液壓系統(tǒng)一般選用雙向或環(huán)形供液，并保證精確的接頂位置[18]。同時為了能增加液壓支架工作時的穩(wěn)定性，還需要對四連桿機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。1.2.2國外液壓支架的發(fā)展上世紀五十年代，由英、法兩個國家分別研制出的垛式、節(jié)式液壓支架并以之從此結(jié)束了原有煤礦固定支架的時代，液壓支架便開啟了新的煤礦安全支護的新篇章。到六十年代前蘇聯(lián)在原有基礎(chǔ)上改進后的OMKT型掩護式支架，到七十年代全球廣泛使用的立即支護式支架，到八十年代澳大利亞引入電液控制技術(shù)，再到九十年代美國引入乳化液泵站讓推進速度有了大幅度的提升，液壓支架在大半個世紀以來始終朝著高效安全的方向不斷的進行著改進和革新，特別是八十年代以后，高度可靠性、大功率、重型的設(shè)備成為全球液壓支架新的發(fā)展趨勢。兩柱掩護式液壓支架支架是目前國外綜采工作面選用液壓支架的主要架型，該型支架的結(jié)構(gòu)是通過剛性連接的分體式底座和整體頂梁，并且附帶提底座裝置，其工作阻力相對較高[19]。該液壓支架最大的組成特點是將推移千斤頂?shù)南嚓P(guān)機構(gòu)進行反向裝配的倒拉框架式結(jié)構(gòu)[20]。以支架的支護狀態(tài)能夠自行進行調(diào)控為目的，通過控制環(huán)形供液和電液閥儀器配合形成的控制方式，使得支架的升柱、降柱、移架的循環(huán)時間一般不超過10s，且該支架有5萬次以上的壽命試驗[21]。德國DBT公司開發(fā)研制液壓支架時，會結(jié)合有限元分析和運動學(xué)仿真來進行支架的設(shè)計，同時還對四連桿機構(gòu)進行了相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和完善，推出了有著相當?shù)氖褂酶叨鹊囊幌盗羞m用度較高的架型。作為世界上采煤業(yè)最為發(fā)達的國家，美國早在1990年就已廣泛使用額定壓力為50、額定流量為478的乳化液泵站來提供高壓液體，從而讓支架能夠快速移架，移速達到6~8架[13]。美國研究設(shè)計的兩柱掩護式液壓支架支架，其使用壽命一般可以達到8~10年，支架平均工作阻力范圍一般可以達到6470，最大峰值為9800，且中心距也在逐漸向2及2以上的方向發(fā)展，同時為了減少支架數(shù)量帶來的繁瑣和移架時間的縮短，單個液壓支架的架寬也在逐步進行加大。澳大利亞也普遍采用一井一面的機械化生產(chǎn)，兩柱掩護式支架的平均工作阻力也高達7640，與此同時英國研究的兩柱掩護式液壓支架其工作阻力范圍也達到了7000～8000[17]。就當前的液壓支架的發(fā)展前景來看，大噸位、大缸徑仍然在未來液壓支架發(fā)展方向中占據(jù)主要的部分。使用大流量安全閥可以有效地對大噸位、大缸徑的液壓支架形成保護，但是目前針對大流量安全閥的技術(shù)尚未不夠完善。1.3液壓支架的設(shè)計方法及存在問題傳統(tǒng)的液壓支架設(shè)計采用二維平面設(shè)計，設(shè)計周期長、試驗費用大，液壓支架的強度得不到保證，耗費大量的人力和物力。目前世界上研究開發(fā)液壓支架的技術(shù)手段基本都是采用三維力學(xué)模型分析法，即研究設(shè)計的工作中引入有限元技術(shù)以及計算機輔助設(shè)計技術(shù)，并且在對液壓支架技術(shù)進行相關(guān)標準化、規(guī)范化的建設(shè)或者是改進。1.4本文研究內(nèi)容及技術(shù)路線根據(jù)前文當中提及的液壓支架的設(shè)計方法和存在的相關(guān)問題，本文的研究內(nèi)容采用三維設(shè)計軟件Pro/E以及有限元分析軟件ANSYS進行工作的展開。研究的具體內(nèi)容及技術(shù)路線如下：1.4.1論文的主要研究內(nèi)容本論文以四柱掩護式支架為主要研究內(nèi)容，研究內(nèi)容如下：（1）完成某礦井生產(chǎn)條件下液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行相關(guān)三維建模。（2）完成液壓支架液壓系統(tǒng)設(shè)計，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。（3）模擬液壓支架在不同工作狀態(tài)，利用有限元分析軟件ANSYS做出有限元分析，通過結(jié)果得出其工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性、強度。1.4.2論文研究所采用的技術(shù)路線和方法（1）利用三維建模軟件Pro/E，采用自底向上的建模方法完成液壓支架的三維結(jié)構(gòu)建模并且裝配以及干涉檢查。（2）通過ANSYS，對需要進行有限元分析的三維結(jié)構(gòu)模型做出必要的簡化、設(shè)置相關(guān)邊界條件、劃分網(wǎng)格后，然后進行有限元分析，然后根據(jù)支架主要零部件的應(yīng)力分布完成合理的分析和總結(jié)。

第2章液壓支架的系統(tǒng)構(gòu)成2.1液壓支架的機械結(jié)構(gòu)2.1.1液壓支架的組成常見的液壓支架主要有四個組成部分，分別是：液壓元部件、承載結(jié)構(gòu)件、控制元部件以及輔助裝置[10]。（1）承載結(jié)構(gòu)件的主要功能是承載并傳遞頂板載荷和防止矸石掉落，包括頂梁、前連桿、后連桿、掩護梁、底座、支護梁、伸縮梁等[22]。頂梁與頂板在接觸后承受來自于頂板產(chǎn)生的載荷，達到支撐和管理頂板的目的；而支架的掩護梁、前連桿、后連桿以及底座組成了一個四桿機械機構(gòu)，分擔了水平方向上的支架收到的力和支架不平整時掩護梁的扭轉(zhuǎn)載荷；底座通過連接推移千斤頂后，達到讓運輸機和支架快速地進行移動的目的。（2）液壓元部件的主要功用是通過乳化液泵站產(chǎn)的生液壓動力來實現(xiàn)液壓支架的各個不同的動作，主要包括各種類型的千斤頂以及立柱。立柱是液壓缸的一種形式，用來調(diào)整支架的支護高度；千斤頂則根據(jù)在液壓支架中不同的功能可以分為前梁千斤頂、側(cè)推千斤頂、推移千斤頂、防滑千斤頂、防倒千斤頂?shù)戎T千斤頂，且千斤頂一般在支架中都是作為輔助裝置的構(gòu)成部分[23]。（3）控制元件是控制各個立柱或者千斤頂動作并能保證其相關(guān)的功能，從大致上基本可以分為方向控制閥和壓力控制閥。方向控制閥囊括操縱閥單、向閥等，用來保持腔體油液壓力恒定或切換到不同的工作狀態(tài)；壓力控制閥包括節(jié)流閥、溢流閥等多種閥類，可以用來防止千斤頂和立柱的過載，保證使用安全。（4）在支架中設(shè)置輔助裝置的目的是為實現(xiàn)液壓支架的某些特定功能或者動作，所以必定就會安裝相應(yīng)的輔助裝置，例如推移裝置、護幫裝置、防倒滑裝置等等這些具有特定功能的裝備[5]。輔助裝置可以為液壓支架找到合適的工作位置，保障人員和設(shè)備的安全，防止支架推移過程或降落過程的不穩(wěn)定。2.1.2液壓支架的承載分析要設(shè)計出合理的液壓支架液壓系統(tǒng)，需要結(jié)合特定環(huán)境中圍巖的作用，然后分析支架在各個工作階段的承載狀況。（1）液壓支架受到載荷的確定從液壓支架的設(shè)計經(jīng)驗上來說，需要對液壓支架與采場周圍的巖石的作用關(guān)系進行分析，才能保證設(shè)計的液壓支架具有足夠的支護強度。從力學(xué)關(guān)系上看，圍巖和支架之間存在的是作用與反作用力的關(guān)系。圍巖運動過程中會有圍巖變形、不可控巖層的下沉等，造成作用于支架的外載荷不同[9]。在液壓支架的設(shè)計過程中，主要參考的對象是支架受到的可控巖層的最大載荷，這個載荷對支架的工作阻力由很大的影響。因此，確定圍巖對于支架的外載荷是進行支架阻力計算是的首要任務(wù)。液壓支架主要受到靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷兩種載荷方式。其中，靜態(tài)載荷頂板產(chǎn)生的負載和壓力，并通過大量的理論計算和實驗驗證，通常在頂板下沉?xí)r，直接作用在支架上的力可以近似看成常量值；而動態(tài)載荷的主要的形成因素是在老頂巖塊斷裂后產(chǎn)生了回轉(zhuǎn)[13,24]。靜載荷的計算公式為：(2-1)其中，是直接頂重（即靜載荷）；是直接頂高，；是懸頂距，；是直接頂巖體的容重，3。初次來壓時，動載荷的計算公式為：(2-2)(2-3)其中：是動載荷，；是基本頂?shù)木驾d荷，；是基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?；是基本頂?shù)膸r層抗拉強度系數(shù)；是基本頂?shù)膸r層參考抗拉強度，。根據(jù)實際的工作過程得出的數(shù)據(jù)表明，頂板下降階段的過程中，根據(jù)上述公式計算出的受力比較符合實際的情況，切受力比較穩(wěn)定。（2）液壓支架在不同的工況階段下的承載情況液壓支架的工作過程概括起來分為四個過程：升、降柱，移架以及推溜，而且支架在不同的工作階段，它的承載狀況是截然不同的。①升柱過程液壓支架升柱過程分為頂梁與頂板接觸階段和不接觸階段[13]。在頂梁還沒有接觸頂板時，支架受到的載荷是支架本身的重力和立柱自身的摩擦力；接觸頂板后，頂梁對頂板的支撐力不斷增加直到達到初撐力為止，這時就需要考慮頂板、頂梁以及底板的彈性變形而引起的彈性力帶來的影響了。圖2-1是升柱過程中的受力簡圖。圖2-1升柱過程受力簡圖②降柱過程在立柱卸載降柱的階段，頂梁會在脫離頂板后降到制定的高度。降柱過程包括頂梁和頂板接觸和不接觸兩個階段[12]。降柱過程的各元件的動作順序與升柱過程相反。圖2-2是降柱過程中的受力簡圖。圖2-2降柱過程受力簡圖③移架過程當支架移動時，從臺階深入移出，接著繼續(xù)移動，一直到達到移架的步距，這就需要考慮由靜摩擦系數(shù)以及底座壓入底板所形成的臺階大小來決定的阻力。④推溜過程推溜過程主要是控制千斤頂動作，使工作面向煤壁一側(cè)移動。推溜過程中，載荷主要來自于底板間的摩擦力以及液壓元件的粘性摩擦力。2.2液壓支架的液壓系統(tǒng)2.2.1液壓支架液壓系統(tǒng)的基本組成及特點液壓支架的液壓系統(tǒng)是通過各種不同的管接頭附件以及高壓膠管，將系統(tǒng)中的立柱、各個裝置中的千斤頂及各種閥類與泵站，主供、回液管連接起來，讓液壓支架能系統(tǒng)地完成預(yù)先設(shè)定的動作和需要完成的各類需求[25]。液壓支架的液壓系統(tǒng)是泵-缸開式系統(tǒng)。這樣的回路系統(tǒng)是以乳化液泵作為動力源，各種液壓缸作為執(zhí)行元件，工作介質(zhì)是高壓乳化液，通過液壓泵把發(fā)動機產(chǎn)生的機械能通過液壓缸轉(zhuǎn)換成液壓能，經(jīng)過傳送后又轉(zhuǎn)變回機械能，就這樣通過機械能的傳遞和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)液壓支架的不同動作[26]。通常來說，液壓支架的液壓系統(tǒng)根據(jù)液壓支架需要實現(xiàn)的不同的功能可以分為三個基本的部分，即泵站、立柱控制、千斤頂控制這三個相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。油箱、乳化液泵、控制元件和相當?shù)妮o助元件共同組成了乳化液泵站，普遍是在工作面的下順槽進行安裝，讓其能夠隨著工作面一同推進[25]。單個液壓支架在維護時，可以關(guān)閉需要維護的支架與主管路相連的截止閥，系統(tǒng)回路中的其他支架仍然能正常進行工作[25]。液壓支架液壓系統(tǒng)具有以下的特點：（1）液壓系統(tǒng)龐大，液壓元件多。液壓支架是沿采煤工作面全長鋪設(shè)的，因此具有大量的立柱以及千斤頂，還有相當數(shù)量的方向控制閥和壓力控制閥，有很多管接頭和高壓軟管使整個液壓系統(tǒng)變得復(fù)雜[25]。因此在系統(tǒng)中的各個部件之間的密封性能和工作時的可靠性對支架工作時的影響相當大。（2）工作壓力高。在綜采工作面，液壓支架需要有相當數(shù)值的支撐力才能支護頂板，初撐力的大小一般是由泵站的工作壓力來決定的，所以一般選取的泵站工作壓力的范圍在10～35之間[27]。立柱的活塞腔在支架完成初撐后就需要立刻封閉，這樣就使得其達到工作阻力后的回路壓力遠大于工作壓力。所以，液壓元件的耐高壓強度就需要足夠的高[28]。（3）供液回路長，沿程壓力損失較大。乳化液來自安裝在工作面下順槽的乳化液泵站，是支架的千斤頂和立柱工作的基礎(chǔ)，但是經(jīng)過長距離的輸送后導(dǎo)致其沿程壓力損失較大，特別是在移架及推移輸送機的過程中，在液壓回路中存在較大容量的工作液在持續(xù)不斷地循環(huán)流動，所以主管路需要考慮有相當充足的過流斷面[27]。（4）工作環(huán)境潮濕、粉塵較多，采煤工作條件不穩(wěn)定。由于地下工作面的空間有限所以檢修不方便，因此還要求液壓元件可靠，工作的壽命足夠長。（5）對液壓元件有高要求。由于工作液體是含水量為95%的乳化液，所以這樣就使?jié)櫥院头冷P性相對礦物液壓油而言要低，因此需要液壓元件精度高、使用良好材料制造之外，還要具有比較好的防銹和防腐蝕的能力[28]。2.2.2液壓支架液壓系統(tǒng)的基本工況分析液壓支架的龐大的液壓系統(tǒng)，由于牽涉到大量的液壓元件和液壓回路，工作狀態(tài)比較的復(fù)雜。根據(jù)如圖2.3所示的液壓系統(tǒng)的工作原理圖，下面對液壓支架具體的工況分析如下：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-運輸機；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管圖2.3液壓支架液壓系統(tǒng)工作原理圖（1）升柱：移動液壓支架后需要將露出的頂板及時地進行支撐。將三位四通操縱閥8打到升柱位，高壓油液從泵站流至液控單向閥6，頂開單向閥球后流進立柱的活塞腔。頂板和頂梁之間相互作用關(guān)系在升柱的過程中一直在變化著，立柱的負載也就因為作用力的變化而進行相對應(yīng)變化[29]。這個變化過程有三個階段：初撐階段、增阻承載階段和溢流承載階段，如圖2.4：圖2.4工作曲線圖①初撐階段：支架上升讓頂梁和頂板產(chǎn)生接觸，立柱的下腔壓力增大至乳化液泵站的工作壓力后就關(guān)閉泵站液控單向閥。這個時候立柱活塞腔下腔受到的液體壓力即為初撐力。②增阻承載階段：初撐完成后，頂板下沉?xí)r立柱活塞腔內(nèi)的油液就會被壓縮，使得其壓力增大，支架下腔受到的壓力值增大直到支架安全閥預(yù)先調(diào)定的壓力值，此時立柱下腔壓力即為支架的工作阻力[30]。頂板的下沉有兩個因素，分別是支架對于頂板的初撐力大小以及頂板巖層的結(jié)構(gòu)特征。因此為了避免初撐力太小時不能保證受支撐頂板的穩(wěn)定性，或者初撐力太大時又會將頂板頂碎導(dǎo)致矸石冒落，所以從一般生產(chǎn)經(jīng)驗看來，掩護式支架的初撐力根據(jù)生產(chǎn)、設(shè)計經(jīng)驗設(shè)定為支架工作阻力的70%。③溢流承載階段：頂板下沉?xí)r需要支架提供的支撐力會隨之增大，當大于安全閥設(shè)定的調(diào)定壓力值時，安全閥就會打開溢流從而讓立柱下腔受到的壓力降低；當立柱下腔受到的壓力小于安全閥設(shè)置的調(diào)定壓力值時，安全閥就會立刻關(guān)閉以讓立柱下腔壓力得到相應(yīng)提升[31]。所以壓力在安全閥設(shè)置的調(diào)定范圍內(nèi)，立柱下腔受到的壓力曲線隨時間呈現(xiàn)出波浪形的變化[13]。（2）降柱：當液壓支架需要降柱操作時，高壓油液進入立柱的活塞腔上腔，另一腔油液流回泵站，從而使活塞桿下降并最終讓頂梁脫離頂板。降柱過程和生柱過程比較相似，一般分為兩個階段：頂梁和頂板仍然還有接觸時稱為卸載沖擊階段；徹底分離之后是為降柱階段。（3）移架：液壓支架卸載過后，把三位四通操縱閥7打到移架位，此時高壓液體從乳化液泵站流入推移千斤頂后流回主回油管，支架完成移架。此時利用相鄰支架之間的的推移千斤頂就可以用來固定運輸機，避免支架不穩(wěn)定的現(xiàn)象[25]。（4）推移運輸機：支架完成移架且重新支撐頂板后就需要吧運輸機推移到新的工作位，將操縱閥7打到推溜位，運輸機就會反將支架作為支點快速移動到下一個新的工作位置。2.2.3液壓支架液壓系統(tǒng)的基本回路液壓支架的液壓控制系統(tǒng)包括兩個最為基本的部分：主管路和基本控制回路。液壓控制系統(tǒng)囊括了包括換向、差動、連鎖、阻尼、鎖緊等在內(nèi)的許多基本控制回路。（1）換向回路換向回路是對各個液壓缸的工作腔中的液流行進方向進行改變，從而最終讓液壓缸達到縮回或伸出的目的。從一般的生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗來說，換向回路又分為簡單和多路兩種換向回路。①簡單換向回路：如圖2.5(a)中所示，該回路的操縱閥由數(shù)個三位四通換向閥構(gòu)成，而且其中的每個換向閥只能控制單個液壓缸進行換向。簡單換向回路各個閥之間可以獨立操作，可以達到各個缸之間的系統(tǒng)動作，但是對操作人員的高要求操作水平和技能，不能容忍失誤操作對支架的損壞。②多路換向回路：如圖2.5(b)中所示，操作閥3是就九位十通的控制閥，整體就一個把手操作，液壓缸之間只能一次實現(xiàn)動作。多路換向回路的每一個工作位只對應(yīng)相應(yīng)的液壓缸動作，不會因為誤操作對支架造成損壞，因而對操作人員的操作水平和技能要求不是很高。(a)簡單換向回路(b)多路換向回路圖2.5換向回路（2）連鎖回路液壓缸再受到數(shù)個不同操縱閥控制的時候，連鎖回路的應(yīng)用可以使得他們之間的動作形成相互之間的制約，然后就能防止由于工人失誤操作帶來的嚴重后果。(a)單向順序閥控制的連鎖回路(b)液控單向閥控制的連鎖回路圖2.6連鎖回路圖2.6(a)的回路中使用了兩個單向順序閥以及兩個單向閥組成的連鎖回路，可以防止單個支架兩個立柱同時降柱時引起的頂板坍塌。當需要對立柱1的進行降柱動作時，從P口進入的高壓油液在單向順序閥2的阻攔下經(jīng)過單向閥3來到了立柱5的下腔回路，當立柱5正在支撐時，單向順序閥2就會因為壓力達到預(yù)先設(shè)定的閥值打開使立柱1完成降柱動作；當立柱5也處在降柱的動作中時，液壓油就會直接經(jīng)過單向閥和操縱閥8回流，立柱1就無法完成降柱的動作，從而保證液壓支架始終有立柱在支撐頂板；當立柱5處于為支撐狀態(tài)時，操縱閥8已經(jīng)歸為零位，液壓油就會直接進入立柱5的下腔使5完成升柱對頂板進行支撐，然后單向順序閥2就會打開使立柱1完成降柱的動作[25]。反之，要對立柱5進行降柱的操作同樣也有三種不同的情況。總之，這樣的連鎖回路可以保證始終有立柱對頂板進行支撐。圖2.6(b)使用了兩個液控單向閥，也同樣使回路中的兩根立柱不能同時降柱而導(dǎo)致的安全事故。在支架的每根立柱的下腔液路當中都安裝了兩個液控單向閥，當立柱13支撐時，液控單向閥11就會被解鎖，這樣就可以通過操縱閥12讓立柱9完成降柱的操作[33]。反之只有立柱9支撐時才能讓立柱13完成降柱的動作。在該回路中有兩套不一樣的液控單向閥，10和14是用來鎖定立柱下腔回路的，需要的打開壓力值并不大；11和15是對連鎖回路的控制，需要讓它的打開壓力大于立柱支撐時的最小支撐力才能保證支撐的安全性。（3）緊鎖回路為了使得液壓缸在不操作時也能承受回路中高壓的液壓油，就需要將液壓油封閉在液壓缸的工作腔中，緊鎖回路就能實現(xiàn)這一目的。當液壓缸的后腔封閉時能預(yù)防活塞桿往回縮，這樣就能達到讓液壓缸能夠承受推力負載的目的。當液壓缸的前腔封閉時，能預(yù)防活塞桿被強行拉出，這樣也就能達到讓液壓缸能夠承受拉力負載的目的。當前、后腔同時被封閉時，液壓缸就能同時承受推理負載和拉力負載[34]。需要注意的是，在回路中應(yīng)用普通單向閥來實現(xiàn)緊鎖回路的目的的時候，就需要并聯(lián)一條旁通解鎖支路如圖2.7(b)。在液壓支架的回路中，緊鎖回路主要都是應(yīng)用在推移千斤頂以及側(cè)推千斤頂?shù)幕芈分校鸬椒诺?、防滑的作用?a)單向緊鎖回路(b)單向緊鎖回路(c)雙向緊鎖回路圖2.7緊鎖回路（4）阻尼回路阻尼回路能夠讓處于浮動狀態(tài)下的液壓缸在一定范圍內(nèi)具備抗沖擊負荷的性能，同時還能使液壓缸更為平穩(wěn)的進行相關(guān)動作。阻尼回路主要是在支路中連接節(jié)流閥或者節(jié)流孔形成，如圖2.8。該圖中將節(jié)流閥2設(shè)置在液壓缸所在的前腔支路當中，所以不管在供液亦或是回液的回路當中其都能起到節(jié)流作用。而通過在前腔支路中設(shè)置的單向閥與一個節(jié)流閥進行并聯(lián)了之后，該回路就只能在回液時才能達到節(jié)流的目的，這樣就能保證液壓缸在動作縮回的時候能夠穩(wěn)定地完成該動作，并且同時具有承受一定的沖擊的能力?；谧枘峄芈返奶匦裕砸话銓⑵溆糜谇Ы镯敾蛘吡⒅目刂?。圖2.8阻尼回路2.3液壓系統(tǒng)原理圖通過前文對液壓系統(tǒng)的個別回路以及其運行的原理，結(jié)合目前已有的液壓支架的液壓系統(tǒng)和相關(guān)的參考資料，本文制定的該型液壓支架的液壓回路原理圖如圖2.9。圖2.9液壓支架液壓系統(tǒng)原理圖第3章液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計目前，液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計方法主要定量化設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計這兩種方式。經(jīng)驗設(shè)計就是參考應(yīng)用于目前已有的液壓支架的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中相關(guān)的主要參數(shù)基本都是通過設(shè)計經(jīng)驗來確定得出的[28]。目前對于國內(nèi)外來說，基本采用的方法都是通過經(jīng)驗設(shè)計得來的。所以本文也采用經(jīng)驗設(shè)計方法來進行本文液壓系統(tǒng)的設(shè)計。3.1液壓支架基本參數(shù)的確定要完整、合理地設(shè)計出液壓支架的液壓系統(tǒng)，需要提前確定所有千斤頂以及立柱的數(shù)目，各類控制元件的型號、規(guī)格以及數(shù)量，而這些因素又是主要根據(jù)液壓支架選用的架型、功能上的要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計來確定得到的，最終這些參數(shù)都得到之后就能制定出該型液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖[25]。3.1.1架型的選擇對于綜采工作面來說，安全生產(chǎn)的關(guān)鍵在于工作面煤層所在的地質(zhì)條件與支架架型是否相互適應(yīng)。在綜采工作面中，礦壓的一般顯現(xiàn)規(guī)律以及支架與頂煤之間存在的相互作用關(guān)系，在支架架型的選擇過程中，我們需要對生產(chǎn)技術(shù)條件、煤層地質(zhì)條件、經(jīng)濟條件進行相關(guān)的考慮。本文將設(shè)計的一些條件在這里做一些制定，將煤層厚度=5.8~6.8、煤層傾角為21.6°~31.2°制定為本型支架適用的原始條件。從實際的生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗來考慮，選用支撐掩護式放頂煤支架比較符合本文設(shè)定環(huán)境下的支護要求。3.1.2基本參數(shù)的確定根據(jù)參考成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗，并未綜合行人、工作面通風、合理采放比、頂板管理和高效開采配套設(shè)施這些基本要求，本文最后確定的支架高度范圍為2300~4500（數(shù)據(jù)來自附表一）。（1）支架工作阻力確定①估算法在該方法中，一般認為支架工作面的工作阻力需要大于頂板冒落巖層的總重量以及基本頂在失穩(wěn)時對支架產(chǎn)生的動載[35]，通過公式:(3-1)其中，是支架工作面所需要的支護強度，；是基本頂失穩(wěn)產(chǎn)生的動載系數(shù)，根據(jù)實際生產(chǎn)中的觀測結(jié)果，取為1.6；是冒落帶的巖層重力產(chǎn)生的應(yīng)力，：是頂板巖層容重，取24；是冒落帶的高度，本文根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗取13。所以支架的支護強度為：(3-2)②倍數(shù)巖重法其中：是巖重系數(shù)，取值范圍為4~8，這里我們?nèi)∽畲笾?；是采高，這里同樣也取最大值3.5；是頂板巖層容重，取24。所以支架的支護強度為：考慮到一定的安全因素，而且通過這兩種方法計算出來的支護強度都相對較為接近，因此本文確定的支架的支護強度需要大于0.7。（2）額定工作阻力的確定(3-3)其中：P是支架的額定工作阻力，；q是支架的支護強度，由前文的出為0.7；是控頂距，這里取0.35；是前梁和頂梁的長度，這里取4.8；B是支架的寬度，這里取為1.5。則：(3-4)考慮到一定的安全因素，并且基于以上的計算過程和高效安全的生產(chǎn)原則，本文在這里將工作阻力定為5600。3.2液壓支架液壓缸的設(shè)計3.2.1立柱（1）支護方式與布置本文設(shè)計的支架結(jié)構(gòu)如圖3.1：圖3.1支撐掩護式液壓支架結(jié)構(gòu)簡圖由圖可以得出：(3-5)(3-6)結(jié)合上述的兩個公式，同時根據(jù)本文在支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)部分中設(shè)定的參數(shù)，就能得到得到支架處于最高支撐狀態(tài)時前排立柱的傾角=5°，后排立柱的傾角=3°。為了便于工人進行相關(guān)操作，本文根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定得到的前后排支柱間距取為1080。（2）主要尺寸立柱的缸體內(nèi)徑：(3-7)其中：是理論支護阻力，；是立柱的橫截面積，；是乳化液的壓強。根據(jù)液壓支架的設(shè)計生產(chǎn)經(jīng)驗，本文將乳化液泵站的額定工作壓力定為28，考慮一定的沿程損失后取為22.4。所以經(jīng)過計算后得到的立柱的內(nèi)徑=22.6，按照有關(guān)設(shè)計標準取整為230。根據(jù)《液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊》中表2-3，活塞桿的直徑是液壓缸的內(nèi)徑的0.7倍，因此可以得到立柱柱徑為161，按照相關(guān)標準取作200。（3）立柱初撐力頂板對頂梁產(chǎn)生的初撐力關(guān)系為：(3-8)帶入數(shù)據(jù)計算得出：(3-9)（4）立柱的實際工作壓力及立柱用安全閥的調(diào)定壓力通過理論的支護阻力，就可以確定安全閥設(shè)定的調(diào)定值：(3-10)(3-11)由于支架設(shè)定的理論支護阻力受到支架支護的面積以及支架具有的支護強度的共同影響：(3-12)其中，是支護面積，是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計得到的。綜合這些數(shù)據(jù)，可以計算得出=33.61，根據(jù)四舍五入取安全閥的調(diào)定壓力為33.7，因此得到立柱的工作阻力(3-13)3.2.2推移千斤頂液壓支架具有的移架力和推溜力都取決于液壓支架的支撐高度、采煤深度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和頂板狀況。按照常規(guī)來說，液壓支架的移架力的取值范圍在150~300、推溜力的取值范圍在100~150時比較適用于中厚煤層的綜采工作[36]。根據(jù)本文前文當中設(shè)定的煤層和頂板的條件，本文在這里將移架力和推溜力分別取值為250和125。推溜時，我們只需要通過差動回路進行對推溜力進行計算：(3-14)移架時，則只需要根據(jù)普通液壓缸對移架力進行計算即可：(3-15)經(jīng)過反向計算后，參照液壓支架的有關(guān)設(shè)計標準和設(shè)計經(jīng)驗，本文將千斤頂缸徑取為=160，柱徑取為=105。3.3大流量系統(tǒng)設(shè)計為了盡量地讓液壓支架在升、降柱，拉架以及推移輸送機時花費的時間縮短，一般就會在液壓支架液壓回路中采用大流量系統(tǒng)，以便于直接有效地達到現(xiàn)代化采煤礦井高產(chǎn)高效的需求。3.3.1供液系統(tǒng)為液壓支架提供動力的是乳化液泵站，它為液壓支架的各項工作狀態(tài)和不同動作提供必須的工作液，液壓支架的使用效果的優(yōu)劣以及工作的性能的好壞都受到乳化液泵站的直接影響[37,38]。（1）確定泵站壓力根據(jù)液壓支架的實際生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗，通過支柱的初撐力以及千斤頂?shù)淖畲笸屏@兩種方式都能用于計算乳化液泵站工作壓力。①根據(jù)支柱初撐力(3-16)其中：是泵站提供給支柱所需要的工作壓力，；D是支柱缸徑，；是支柱的初撐力，。②根據(jù)千斤頂?shù)淖畲笸屏?3-17)其中：是支柱需要泵站提供的工作壓力，；是支柱缸徑，；是千斤頂?shù)淖畲笸屏?，。通過前文的兩種方法計算得到乳化液泵站的壓力之后，需要取得其中的最大值，同時考慮一定的管路中的壓力損失之后得出乳化液泵站的工作壓力。由于液壓支架的液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜且回路較多，所以壓力損失很大而且不便于具體的計算。根據(jù)目前的實際生產(chǎn)和設(shè)計經(jīng)驗來說，一般將液壓支架回路壓力損失的范圍設(shè)定在工作壓力的百分之十到百分之二十。所以根據(jù)這些選擇依據(jù)，并在經(jīng)過計算后，本文將該型支架的乳化液泵站的工作壓力取值為28MPa。（2）確定泵站流量泵站流量的大小是決定支架的移動速度的先決條件。一般而言在設(shè)計液壓支架時，我們需要根據(jù)支架在移架過程當中有需要進行動作的液壓缸設(shè)定的最大流量值才能最終確定出泵站的理論流量，同時由于操作時間、系統(tǒng)漏損這些因素的存在，所以最后得到的泵站的實際流量都大于計算得到的理論流量[39]。乳化液泵站的流量計算公式為：(3-18)其中，是單臺支架所有立柱和千斤頂在同時動作時需要的流量[40]，；是回路損失系數(shù)，一般取1.1~1.3；是采煤機的牽引速度，；是支架的中心距，。當前我國的牽引速度是5~6，取為5；取值1.1，則：(3-19)當前我國設(shè)計研發(fā)的泵當中，大流量液壓泵基本分為200和315兩種，當然也有更大的流量的液壓泵，因為我國實際的制造技術(shù)、高效高產(chǎn)生產(chǎn)以及需要與生產(chǎn)設(shè)別相互配套，所以本文乳化液泵的流量選擇200[25]。（3）確定泵站的電動機功率在本文的前文中得出了本文設(shè)計的泵站壓力、流量的值，那么在這里就可以確定出泵站的輸出功率，根據(jù)公式：(3-20)其中：是泵站額定壓力，；Q是泵站額定流量，；是泵站總效率，，是容積效率，是機械效率。（4）確定乳化液箱容積乳化液箱為液壓支架提供工作時的工作液，但是由于井下的空間限制，乳化液箱的大小需要在滿足液壓支架正常工作的前提下，又不能過分大使得安裝、搬運過程變得復(fù)雜。因此，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗本文采用集中式液壓站。同時還需要特別注意的是，支架停止運行后，管路中的有很大一部分的油液會回流到液壓箱，因此還需要預(yù)防油液從油箱當中溢流出來。根據(jù)實際的生產(chǎn)經(jīng)驗配合現(xiàn)有的設(shè)計研發(fā)的經(jīng)驗，液壓油箱的油位基本都只占油箱實際高度的80%左右。另外，確定乳化液箱的容積大小同時還需要首先滿足以下的條件：①乳化液箱的容積必須大于乳化液泵排量的3倍；②乳化液箱能夠容納所有供回液管路的回流液；③乳化液箱容積能夠容納因為采高變化引起的支架所需液量差[39]。3.3.2管道尺寸與控制元件的設(shè)計為了讓大功率采煤機的采煤效率得到應(yīng)有的充足發(fā)揮，滿足當前采煤礦井高產(chǎn)高效的時代需要，因此快速采煤時基本都采用大功率采煤機。因此，工作面液壓支架的必須相應(yīng)地提高其移架的速度，要達到這樣做的目的就在于液壓元件的選擇，而能滿足這樣要求的閥對于我國來說，已經(jīng)不再是歷史。在選擇液壓控制閥的具體規(guī)格、型號是，需要在一定程度上考慮控制閥的外形尺寸、油口尺寸、操縱方式、控制特性等一些閥門特點。選擇油管的尺寸時，一方面可以根據(jù)當前支架中選用的液壓元件的接口尺寸，一方面也可以按照管路的充許流速經(jīng)過一些列的計算得到。本文為了讓液壓回路增大流通流量以及油液壓力，綜合考慮諸多面的因素，所以將泵站到采煤工作面的主要供、回液管總長度各設(shè)定為100，主供液管管徑為31.5，主回液管管徑為32，主操縱閥與截止閥兩者之間的油管管徑為19，全部將管路之間的連接采用為快速接頭，把高壓膠管全部取成標準規(guī)格[25]。3.3.3控制方式的設(shè)計液壓支架的控制方式一般來說有手動、自動化控制。通常需要綜合考慮控制方式的主要依據(jù)是操縱要迅速、安全，動作要可靠和要便于日常的維修工作等。因為本文設(shè)定的工作面所在的煤層傾角為21.6°~31.2°，所以在這樣的煤層條件下經(jīng)常發(fā)生煤塊、矸石滾落的現(xiàn)象就比較的突出，非常不利于工人在開展采煤工作時的生產(chǎn)安全。所以本文選取單向鄰架控制的控制方式來預(yù)防機具這些不安全因素的情況發(fā)生。3.4驗算壓力損失3.4.1沿程壓力損失本文設(shè)定的液壓缸與泵站的管路長為100，內(nèi)徑為31.5，最大流速是0.5。因此油液在液壓管路當中的實際流速為：(3-21)帶入前文當中的數(shù)據(jù)，(3-22)雷諾數(shù)為：(3-23)帶入數(shù)據(jù)，(3-24)由上式的結(jié)果可以看出，油管中油液在管路中處于紊流流動的狀態(tài)，所以油液在這種情況下的沿程阻力系數(shù)：(3-25)沿程壓力損失：(3-26)通過代入數(shù)據(jù)計算得到，得到沿程壓力損失為：(3-27)3.4.2局部壓力損失液壓管路的局部壓力損失：(3-28)代入數(shù)據(jù)計算后：(3-29)閥類元部件產(chǎn)生的局部壓力損失的大小需要根據(jù)產(chǎn)品樣本以及相關(guān)的計算，從而得到0.88，所以從泵站到液壓缸的行程中產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力損失為：(3-30)通過以上結(jié)果，泵站出口壓力的實際值尚未達到本文泵站設(shè)定的的額定壓力，那么也就證明本文選擇出來的泵是合理的。3.4.3管路系統(tǒng)總壓力損失在該液壓回路中所有的局部壓力損失以及沿程壓力損失的總和就是在該液壓系統(tǒng)中存在于管路的總壓力損失，即(3-31)經(jīng)過計算，(3-32)3.4.4管路系統(tǒng)壓力效率(3-33)其中，是系統(tǒng)的調(diào)速壓力，在前文中取得經(jīng)驗值為22.4，因此計算可得該管路系統(tǒng)的壓力效率：(3-34)

第4章液壓支架三維模型的建立4.1三維建模軟件的選擇目前行業(yè)應(yīng)用的三維軟件有很多，譬如SolidWorks、Pro/E、Inventor、UG、CATIA等軟件都在現(xiàn)在的行業(yè)中得到各個領(lǐng)域不同程度的青睞。根據(jù)作者自己的學(xué)習(xí)以及未來工作的情況，本文將使用Pro/E進行相關(guān)參數(shù)的三維建模。Pro/E是美國PTC軟件公司在1989年開始發(fā)布的實體模型軟件，在20余年的發(fā)展過程當中，Pro/E已成為目前全世界普及度最高的三維CAD/CAM標準軟件，并且大量地應(yīng)用在機械、模具、工業(yè)設(shè)計、電子、航天、汽車、家電等諸多行業(yè)當中。Pro/E的核心技術(shù)特點如下[41]：（1）技術(shù)特點較為突出：提供出一整套機械產(chǎn)品設(shè)計的完整解決方案，是Pro/E和傳統(tǒng)繪圖工具（CAD)的最大區(qū)別，這套解決方案基本涵蓋了從設(shè)計到加工、從有限元分析到相關(guān)指定機構(gòu)的分析、從產(chǎn)品整個生命周期管理到產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理的許多內(nèi)容，讓這些數(shù)據(jù)能夠更為直觀的體現(xiàn)出來。Pro/E最大的優(yōu)點就在于同一個工程中的數(shù)據(jù)均來自同一個數(shù)據(jù)庫，其中數(shù)個獨立用戶能夠同步對一個產(chǎn)品的造型展開不同的工作。任意參數(shù)在設(shè)計過程中發(fā)生變動后，就可以同步映射到整個設(shè)計過程當中的相對應(yīng)的環(huán)節(jié)，例如二維工程圖中相關(guān)數(shù)據(jù)的改變，就會讓所設(shè)計的零件三維模型相應(yīng)的作出相關(guān)的改變[43]。（2）功能模塊更為齊全：從三維設(shè)計的角度來說，Pro/E的基本模塊較同類型的軟件更為齊全，如草繪模塊、零件模塊、裝配模塊、Surface曲面模塊等，可以對相關(guān)三維造型進行草繪、三維建模、設(shè)計裝配等設(shè)計需要的操作。（3）兼容性較強。目前來說，Pro/E能夠快速有效地與有限元分析軟件ANSYS和Cosmos、二維設(shè)計軟件AutoCAD、三維模型軟件UG、機構(gòu)運動學(xué)分析軟件MotionWorks和VisualNastranDesktop以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM(ProductDataManager)等設(shè)計軟件實現(xiàn)無縫兼容連接[44]。（4）易操作和掌握：Pro/E在眾多的三維建模軟件當中的數(shù)普度最高，相對而言它的相關(guān)操作比較簡單易學(xué)，同時能夠輔助設(shè)計人員對相對較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造型設(shè)計特別是其后續(xù)的分析計算有比較客觀科學(xué)的結(jié)論。4.2支架模型的建立本文的設(shè)計的液壓支架的三維模型，是利用Pro/E來進行三維建模工作的。本文首先構(gòu)建了頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿、立柱、千斤頂以及底座等重要零部件模型的三維構(gòu)造，接著再進行相關(guān)的裝配和后續(xù)的有限元分析。4.2.1支架零件的三維結(jié)構(gòu)模型（1）底座模型的建立，如圖4.1：底座裝配模型中主要零部件有用來連接底座與立柱底端的柱窩，其三維圖如下：(a)底座(b)柱窩圖4.1底座三維模型（2）頂梁模型的建立，如圖4.2：頂梁的三維模型中主要零部件有用來連接頂梁與立柱上端的窩柱，其三維圖如下：圖4.2頂梁三維模型（3）掩護梁模型的建立，如圖4.3：圖4.3掩護梁三維模型（4）前、后連桿模型的建立，如圖4.4：(a)前連桿(b)后連桿圖4.4前后連桿三維模型（5）前探梁模型的建立，如圖4.5：圖4.5前探梁三維模型（6）立柱模型的建立，如圖4.6：圖4.6立柱三維模型4.2.2基于虛擬樣機的虛擬裝配在結(jié)束液壓支架重要零部件的三維建模工作之后，就需要根據(jù)事先設(shè)定的設(shè)計要求對三維模型進行虛擬裝配的工作。而實際上，零件之間設(shè)置的裝配關(guān)系就是通過相互之間設(shè)置的位置約束關(guān)系來完成整體模型的組裝過程[45]。因為Pro/E的單一數(shù)據(jù)庫的關(guān)系，裝配完成的整體模型仍然能夠代表該設(shè)計模型的最新的數(shù)據(jù)特征和結(jié)構(gòu)特征。Pro/E中的約束方式一般有移動、連接和放置三種。放置適用于普通零件的裝配，而對于需要做運動仿真的裝配體來說，那么就需要選擇連接來進行裝配工作，才能完成接下來的分析工作。經(jīng)過裝配后的液壓支架模型如圖4.7。1-前梁；2-頂梁；3-立柱；4-掩護梁；5-前連桿；6-后連桿；7-底座圖4.7液壓支架整架模型

第5章液壓支架主要部件的有限元分析當前各國普遍采用的液壓支架的設(shè)計方法較傳統(tǒng)的設(shè)計方法而言，通過應(yīng)用計算機輔助制造（CAM），使用有限元方法對建立的三維實體模型進行有限元分析，不但讓得到的數(shù)據(jù)更加科學(xué)合理，而且也在節(jié)約了人力以及物力的同時也縮減了液壓支架設(shè)計的周期。5.1有限元法的原理及ANSYS軟件5.1.1有限元法基本原理利用有限單元法進行分析計算的思路就是，將受力的整體離散成為有限個有限小的互相之間存在聯(lián)系的單元，且每個單元間利用相互的單元節(jié)點連結(jié)[46]。劃分單元時，需要根據(jù)實際計算的需要和計算精度，合理的對單元進行劃分，包括單元的數(shù)目、和設(shè)置的單元機電等。然后分析單元的力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)出單元剛度矩陣，計算等效節(jié)點力來代替作用在單元上的力，利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件重新連接各單元并形成整體的有限元方程，最終得到問題的求解后的近似值[47,48]。5.1.2ANSYS軟件簡介ANSYS公司推出的ANSYSWorkbench作為新一代的CAE分析環(huán)境和應(yīng)用平臺，其強大的服務(wù)框架和總舵的模塊為有需求的產(chǎn)品整機以及物理分析提供了一個相當優(yōu)秀的科學(xué)合理的解決方案[49]。AWB集集幾何建模、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計這三個模塊于一體，使得其分期的結(jié)果能夠?qū)AD與CAE之間的分析參數(shù)進行優(yōu)化對比和相互關(guān)聯(lián)為用戶得到更加合理的分析結(jié)果。液壓支架是復(fù)雜的大型機械結(jié)構(gòu)，選用大規(guī)模且較為成熟的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，如ANSYS、ADINA、SAPV，能夠比較科學(xué)全面的得到分析及結(jié)果?；谶@些考慮，本文選用ANSYS有限元軟件對本課題的液壓支架進行相關(guān)有限元分析與總結(jié)。5.2分析方案的制定5.2.1簡化模型當前業(yè)界研究液壓支架的方式主要是內(nèi)加載的方式，也就是將立柱產(chǎn)生的作用力看作是支架受到的載荷進行分析。液壓支架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜繁瑣，且每一個零件的結(jié)構(gòu)也是比較的復(fù)雜，所以為了讓有限元分析的過程比較順暢，我們需要對原有的支架模型進行一定程度上的簡化?？傮w結(jié)構(gòu)上來說，需要將非關(guān)鍵性的承載（如插板）元件去掉，將立柱也去掉后將其作用力掛載在相應(yīng)的位置上。零部件上的結(jié)構(gòu)來說，需要將一些零部件上的對受力較小的部分（如千斤頂）去掉。5.2.2工況載荷的確定在液壓支架工作過程中，支架主要受到來自頂板的壓力、底板產(chǎn)生的支撐力和相鄰兩支架之間產(chǎn)生的擠壓力[50]。但是對于煤礦工作面來說，因為本身地質(zhì)條件相對比較惡劣，所以支架受到的力長期處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以液壓支架實際受到的工況載荷比較的復(fù)雜。根據(jù)我國對液壓支架的分析研究實驗標準看來，頂梁和底座通常是主要受到載荷的零部件。通常來說，這兩者受到的載荷讓工作狀態(tài)變得惡劣的形式基本有4種，分別是中間集中、兩端集中載荷，單側(cè)偏載以及扭轉(zhuǎn)載荷。由于分析情況比較復(fù)雜，本文的有限元分析選擇3種不同組合的加載方式：（1）頂梁兩端集中載荷，底座受到偏載頂梁和底座受到的載荷如圖5.1，這種加載方式通過分析頂梁均勻受到的載荷和底座前方受到載荷時的情況，得到支架底部受力不平衡時的狀態(tài)。圖5.1頂梁兩端集中載荷，底座受到偏載（2）頂梁單側(cè)載荷，底座扭轉(zhuǎn)載荷頂梁和底座受到的載荷如圖5.2，這樣的工加載方式能夠通過分析結(jié)果得到頂梁變形后的屈服形變以及底座受到最大扭力是液壓支架的強度，得到支架支護不正常時的狀態(tài)。圖5.2頂梁單側(cè)載荷，底座扭轉(zhuǎn)載荷（3）頂梁扭轉(zhuǎn)載荷，底座兩端集中載荷頂梁和底座受到的載荷如圖5.3，這樣的加載方式頂梁受到相當大的扭力，得到頂板載荷不均的狀態(tài)。圖5.3頂梁扭轉(zhuǎn)載荷，底座兩端集中載荷5.3各工況下的有限元分析5.3.1頂梁兩端集中載荷，底座受到偏載（1）頂梁頂梁在該工況下頂梁分析后得到的應(yīng)力云圖如圖5.4。從圖中可以看出，在給定的工況條件下，頂梁在約束部位受到的應(yīng)力相對的比較集中，受到的最大應(yīng)力是394MPa，前后兩段受到的應(yīng)力都相對的比較大但是分布相對對稱。圖5.4工況一下頂梁應(yīng)力云圖（2）底座底座在該工況下頂梁分析后得到的應(yīng)力云圖如圖5.5。從圖中可以看出，底座受到的應(yīng)力相對來說比較均勻，應(yīng)力的分布也是相對的比較對稱，這其中最大應(yīng)力值根據(jù)分析報告為348Mpa。圖5.5工況一下底座應(yīng)力圖5.3.2頂梁單側(cè)載荷，底座扭轉(zhuǎn)載荷（1）頂梁頂梁在該工況下頂梁分析后得到的應(yīng)力云圖如圖5.6。從圖中可以看出，頂梁在受到加載載荷的地方表現(xiàn)出應(yīng)力集中，最大應(yīng)力大約為420MPa，其他未受到加載載荷的區(qū)域沒有明顯的應(yīng)力變化。圖5.6工況二下頂梁應(yīng)力云圖（2）底座底座在該工況下頂梁分析后得到的應(yīng)力云圖如圖5.7。從圖中可以看出，過橋受到的應(yīng)力變化相對比較大，最大應(yīng)力達到541MPa，大于了材料的屈服應(yīng)力450MPa，所以在這種工況下，受到最大應(yīng)力的過橋很危險。圖5.7工況二下底座應(yīng)力云圖5.3.3頂梁扭轉(zhuǎn)載荷，底座兩端集中載荷（1）頂梁頂梁在該工況下頂梁分析后得到的應(yīng)力云圖如圖5.8。從圖中可以看出，頂梁受到的應(yīng)力基本上集中在頂梁的中間位置，最大的應(yīng)力大小大約為609MPa，已經(jīng)處于很危險的狀態(tài)。圖5.8工況三下頂梁應(yīng)力云圖（2）底座底座在該工況下頂梁分析后得到的應(yīng)力云圖如圖5.9。從圖中可以看出，底座受到的應(yīng)力分布相對比較均勻，左右也相對對稱。最大的應(yīng)力分布在底座的中心位置，大小約為385Mpa。圖5.9工況三下底座應(yīng)力云圖5.4分析結(jié)果本文通過三種頂梁和底座受到的載荷分布情況來看，支架在受到偏載或者是扭轉(zhuǎn)時，頂梁或者是底座受到的應(yīng)力都相對的集中在加載載荷的地方，特別是頂梁或者是底座在受到扭轉(zhuǎn)時應(yīng)力會突增的特別大從而造成危險。本文選定的三種加載方式基本上模擬了支架在底座正常支撐狀態(tài)、頂梁正常受到頂板載荷狀態(tài)、底座支撐不平衡或扭矩狀態(tài)、頂梁受到頂板載荷不平衡或扭矩狀態(tài)下受到應(yīng)力的情況。從以上這些分析結(jié)果看來，支架正常支護狀態(tài)時能夠提供安全可靠的工作空間，當支護狀態(tài)發(fā)生改變后，極易發(fā)生危險。所以在綜采過程中，需要時刻保持支架處于正常的支護狀態(tài)，同時要保證支架的輔助裝置正常工作才能為支架的正常工作狀態(tài)所服務(wù)。

結(jié)論作為液壓支架執(zhí)行各種相關(guān)動作的技術(shù)基礎(chǔ)，液壓控制和液壓傳動的性能決定了液壓支架的高效的工作性能。就目前而言，液壓支架的設(shè)計都是靠經(jīng)驗積累和相互類比的方法進行的，通過計算機輔助設(shè)計進行仿真分析，而并非是通過樣機對設(shè)計的合理性進行檢驗，這樣就節(jié)約了大量的人力和物力，減小設(shè)計的漏洞造成的損失。本文完成的工作如下：（1）查閱相關(guān)液壓支架有關(guān)于其液壓系統(tǒng)、有限元分析以及結(jié)構(gòu)等的相關(guān)知識，比較系統(tǒng)的總結(jié)出了液壓支架在國內(nèi)和過載的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，從中明確本文需要研究的內(nèi)容和研究需要使用的引導(dǎo)方向。（2）通過相關(guān)知識分析出液壓支架的液壓系統(tǒng)，然后對液壓系統(tǒng)的基本組成、基礎(chǔ)回路和工況分析進行較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、分析過程。以某型支撐掩護式支架為例，進行了液壓系統(tǒng)的設(shè)計，然后根據(jù)本文實際計算得到的有關(guān)數(shù)值，然后再參考以往生產(chǎn)設(shè)計的經(jīng)驗繪制出本文需要的的液壓回路系統(tǒng)原理圖。（3）通過查閱相關(guān)的知識并獲取相關(guān)的規(guī)格參數(shù)之后，對該型液壓支架主要構(gòu)成零部件進行三維實體建模，并基于ANSYS完成液壓支架相關(guān)工況的有限元分析的工作。利用有限元分析軟件ANSYS，確定了液壓支架不同工況下受到的不同載荷時的有限元分析，并得出液壓支架的關(guān)鍵機械部件的應(yīng)力應(yīng)變分析云圖，并分析結(jié)果中得出設(shè)計過程中需要對結(jié)構(gòu)有特別設(shè)計或注意的地方。本文利用有限元軟件ANSYS對預(yù)先建立好的液壓支架的三維實體模型進行應(yīng)力應(yīng)變分析，并且得出了具有一定意義的結(jié)論，但是由于學(xué)業(yè)能力和電腦水平不足以說明其中的實際問題，所以在針對某些問題的學(xué)習(xí)、研究上尚未達到相當?shù)纳疃?。因此還需要對液壓支架的結(jié)構(gòu)模型進行相當程度的完善和改進；針對于液壓系統(tǒng)的研究也應(yīng)該更加深入；對液壓系統(tǒng)的相關(guān)計算或驗算同樣沒有足夠的全面，所以得到的結(jié)論比較的膚淺；有限元分析中的加載方式比較的理想化，還可以更加科學(xué)合理的進行分析。

致謝在本文的撰寫成稿的過程中，胡波老師盡心盡力在本文從選題、研究方法到研究過程等各個方面給予我指導(dǎo)，讓我能夠在駁雜的信息中找到研究和解決本文問題的方法和方向，為本文最終的呈現(xiàn)提供了極大的幫助。同時還要感謝汪締洪同學(xué)在液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算部分給予的幫助和探討，感謝孫建平同學(xué)在三維建模方向提供的幫助，感謝鄧明飛、鐘飛和陳建龍在有限元分析部分的交流學(xué)習(xí)以及討論。最后衷心的感謝各位老師和同學(xué)對于本論文完成給予的指導(dǎo)。

參考文獻[1]2014年中國煤炭行業(yè)分析報告[2]吳樂兵.液壓支架的發(fā)展與前瞻[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006,1:44-45.[3]李蓉.液壓支架報廢技術(shù)檢驗規(guī)范的研究[D].太原.太原理工大學(xué).2008.[4]張立新.綜采工作面支護系統(tǒng)可靠性理論研究[D].阜新.遼寧工程技術(shù)大學(xué).2006.[5]趙清鐵.液壓支護設(shè)備及組裝[J].品牌與標準化，2011,2:51-51[6]周曉萍.液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化與靜力學(xué)分析[D].太原.太原理工大學(xué).2013.[7]夏秋仲.液壓支架關(guān)鍵部件力學(xué)性能有限元分析[D].阜新.遼寧工程技術(shù)大學(xué).2007.[8]秦潤澤.放頂煤液壓支架的應(yīng)力測試及有限元分析[D].西安.西安科技大學(xué).2012.[9]李立.基于有限元法的ZFS3200型液壓支架工程分析[D].濟南.山東大學(xué).2007.[10]李長江.液壓支架的計算機輔助工程分析[D].濟南.山東大學(xué).2005.[11]王艷偉.煤礦綜采設(shè)備壽命評價的探討[J].科技資訊，2012,11:76-76

[12]沙寶銀，姜金球.液壓支架檢測檢驗技術(shù)綜述[J].煤炭工程，2012,1:118-119.[13]任錫義.液壓支架整體動態(tài)特性仿真分析[D].太原.太原理工大學(xué).2010.[14]張怡馨.液壓支架應(yīng)力分析研究[D].西安.西安科技大學(xué).2011.[15]孫洪敏.淺談綜采工作面液壓支架的應(yīng)用[J].科技視界，2013,24:279-279,307.[16]高郁,馮旻.我國液壓支架技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].煤炭技術(shù)，2003,7:4-6.[17]羅恩波.國內(nèi)外液壓支架現(xiàn)狀及我國的發(fā)展趨勢[J].煤礦機電，2000,3:27-29.[18]劉軍鋒.綜采工作面支架選型關(guān)鍵技術(shù)研究[J].青島.山東科技大學(xué).2013.[19]張杰.液壓支架設(shè)計軟件的開發(fā)研究[D].西安.西安科技大學(xué).2010.[20]王娟.ZY8700/17/32型液壓支架的數(shù)字化樣機研究[D].西安.西安科技大學(xué).2007[21]田振林，張傳偉，李建華.綜采工作面技術(shù)裝備的發(fā)展動態(tài)[J].煤炭技術(shù)，2006,25(10):1-2[22]李艷霞.ZY3000/10/20排斥式液壓支架改進設(shè)計研究[D].邯鄲.河北科技大學(xué).2010.[23]戴漢政.大傾角液壓支架整架仿真與穩(wěn)定性技術(shù)研究[D].青島.山東科技大學(xué).2009.[24]KlishinVI,Tarasik.Standtestsofhydraulicsupportwithrespecttodynamicloads[J].FizTekhProblRazrabPoleznIskop,2001.10:84-91[25]王磊.液壓支架液壓系統(tǒng)的仿真研究[D].青島.山東科技大學(xué).2009.[26]李強.煤礦乳化液泵站的使用維護[J].煤炭技術(shù)，2009,28(6):23-24.[27]張林，黃家正.綜采工作面液壓支架提高初撐力的途徑與效果[J].中國科技信息，2006,8:85-86[28]吳小旺.液壓支架機液聯(lián)合仿真與液壓控制系統(tǒng)分析[D].青島.山東科技大學(xué).2010.[29]徐鵬.礦用液壓支架電控系統(tǒng)的研究[D].阜新.遼寧工程技術(shù)大學(xué).2011.[30]周桂英，劉輝，謝苗，崔闖.薄煤層液壓支架虛擬樣機的參數(shù)化分析[J].煤礦機械，2008,29(11):77-78.[31]李曉白，張亮，王東攀.大采高工作面液壓支架安全閥損壞原因分析[J].煤炭工程，2014,46(4).[32]黃華.放頂煤液壓支架液壓系統(tǒng)可靠性分析與研究[D].遼寧.遼寧工程技術(shù)大學(xué).2007[33]吳義珍.ZF3500/17/29液壓支架頂梁的有限元應(yīng)力分析[D].西安.西安科技大學(xué).2007.[34]倪繼勇.自移式掘進機輔助支護設(shè)備液壓控制系統(tǒng)的研究[D].阜新.遼寧工程技術(shù)大學(xué).2012.[35]劉瑞生.準大采高綜放工作面液壓支架選型設(shè)計[J].煤礦開采，2007,5:25-27.[36]李學(xué)民等.淺談綜合采煤機械化的設(shè)備選型[J].中國科技投資，2013,6.[37]魏保玉.乳化液泵站在煤礦中的應(yīng)用[J].科技與生活，2011,20:186-187.[38]楊曉敏，韓鍵美.BRWZ550/31.5智能型高壓、大流量乳化液泵站使用壽命分析[J].科技信息，2010,12.[39]魏新生，劉進.淺議液壓支架制造總裝廠房的動力系統(tǒng)施工方案[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)：下，2011,10:163-165.[40]王勇.綜采支架液壓控制技術(shù)發(fā)展與展望[J].煤礦開采，2005,3:4-6.[41]芮冰，黃軟宗.我國采煤機30年發(fā)展回顧和展望[J].煤礦機電，2000,5:36-40.[42]劉欣麗.液壓支架雙伸縮立柱承載特性研究[D].青島.山東科技大學(xué).2010.[43]陳浩.Pro/E在計算機輔助夾具設(shè)計中的新應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2010,3:22-24.[44]王國法，徐亞軍.液壓支架三維建模及其運動仿真[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003,1:42-45.[45]韓毅.虛擬裝配技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用與研究[J].中國科技投資,2014.[46]殷增振.主軸系統(tǒng)試驗臺理論建模及結(jié)合部動態(tài)特性研究[D].昆明.昆明理工大學(xué).2005.[47]范云霄，楊兵，魯緒閣，錢抗抗.JG21-250A開式壓力機機身的優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械，2008,29(4):25-27.[48]DesaiCS，AbelJF.Intro