支撐掩護式液壓支架設(shè)計

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中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計 1 摘 要 采煤綜合機械化 是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展 大幅度提高勞動生產(chǎn)率 實現(xiàn)煤 炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項戰(zhàn)略措施 綜合機械化不僅產(chǎn)量大 效率高 成本低 而且能 減輕笨重的體力勞動 改善作業(yè)環(huán)境 是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向 液壓支架是綜 合機械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一 液壓支架主要包括以下幾個基本部分組成 頂梁 掩護梁和四連桿機構(gòu) 側(cè)護 板 底座 立柱 千斤頂 設(shè)計要遵從支護性能好 強度高 移架速度快 安全可 靠等原則 在支撐掩護式液壓支架的設(shè)計過程中 四連桿機構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)件的設(shè)計是重點 本論文介紹了液壓支架的結(jié)構(gòu) 類型 工作原理 特點 目的及要求 對支撐掩護 式液壓支架作了詳盡的分析和介紹 講述了這種支架的方案和用途 另外 對液壓 支架的結(jié)構(gòu)性能 受力狀況和如何選型等進(jìn)行了分析 同時介紹了液壓支架的使用 維修和故障排除等問題 關(guān)鍵詞 液壓支架 支護 四連桿機構(gòu) 底座 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計 1 目 錄 摘 要 1 目 錄 1 1 緒 論 1 1 1 液壓支架的工作原理 1 1 2 液壓支架的工作過程 1 1 3 支架組成 3 1 4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用 3 1 4 1 頂梁 3 1 4 2 掩護梁 4 1 4 3 底座 5 1 4 4 前后連桿 5 1 4 5 推移機構(gòu) 8 1 5 液壓系統(tǒng)及其控制元件 8 1 6 支架的設(shè)計特點 9 2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 2 1 液壓支架的選型 11 2 1 1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選 11 2 1 2 液壓支架的架形選擇原則 12 2 1 3 影響架形選擇的因素 13 2 2 主要設(shè)計參數(shù) 14 2 3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 2 3 1 四連桿機構(gòu)的作用 15 2 3 2 四連桿機構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 16 2 3 3 四連桿機構(gòu)的繪制 18 2 3 4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和形式的確定 20 2 3 5 液壓支架的總體布置 25 2 3 6 支架的主要結(jié)構(gòu) 26 2 4 擬定液壓系統(tǒng) 30 3 支架的強度計算 32 3 1 支架的工作狀態(tài) 32 3 2 支架載荷的確定 32 中國礦業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院 2014 屆畢業(yè)設(shè)計 2 3 3 支架受力分析 33 3 4 頂梁載荷分布 36 結(jié)束語 38 致 謝 39 參考文獻(xiàn) 40 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 3 1 緒 論 液壓支架作為煤礦長壁綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備 近年來得了迅速地發(fā)展 它與 綜采系統(tǒng)中的 三機 刮板輸送機 轉(zhuǎn)載機 帶式輸送機 配合使用 是煤礦開 采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志 液壓支架是綜采工作面主要設(shè)備之一 近 10 年來主要的 發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和四柱支撐掩護式架型發(fā)展 架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善 設(shè)計 方法更先進(jìn) 參數(shù)向高工作阻力 大中心距 1 75m 2m 發(fā)展 結(jié)構(gòu)件材料越來越 多地采用高強度鋼材 支架的壽命和可靠性大大提高 在綜合機械化采煤過程中 液壓支架擔(dān)當(dāng)著極其重要的角色 其主要功能不僅 用于支撐管理頂板 隔離采空區(qū) 維護采煤作業(yè)空間 并能自行前移 推進(jìn)采煤工 作面輸送機和采煤機 因此 液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關(guān)鍵因素 之一 另外 合理的選用采煤設(shè)備并結(jié)合先進(jìn)的采煤工藝 可解決采煤工作面的采 煤支護運輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)之間的矛盾 可有效地提高工效增加成本減少損耗保護生產(chǎn) 人員和設(shè)備的安全 以及減輕笨重的體力勞動 可為煤礦獲得很高的經(jīng)濟效益 1 1 液壓支架的工作原理 液壓支架是由乳化液泵站提供高壓乳化液 這里采用水包油型乳化液 作為動 力 由液壓操作系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 液壓油缸和金屬構(gòu)件組成 來自泵站的高壓乳化 液 經(jīng)主進(jìn)液管送到工作面 并與每架支架的進(jìn)液截止閥相連導(dǎo)入支架 再經(jīng)過組 合操縱閥配液到各液壓缸 以完成支架所需的各項動作 從支架回流的低壓乳化液 通過組合操縱閥與回液截止閥由主回液管路流回泵站乳化液箱 供循環(huán)使用 支架的承載原理是 液壓支架支撐在綜采工作面的頂?shù)装逯g支撐頂板 頂板 壓力作用在頂梁上 并通過頂梁和底座間立柱將壓力傳遞底板 為保證支架結(jié)構(gòu)件 的強度及撐在支架頂安全 在立柱的下腔裝有安全閥 當(dāng)頂板壓力超過立柱安全閥 限定壓力時 安全閥開啟釋放出立柱中的液體進(jìn)行讓壓 當(dāng)頂板壓力下降到立柱工 作阻力時 安全閥關(guān)閉進(jìn)行保壓承載 1 2 液壓支架的工作過程 液壓支架對頂?shù)淖饔眠^程主要取決于流體靜力學(xué)原理工作的立柱工作過程 現(xiàn) 以圖 1 1 所示的典型立柱控制系統(tǒng)來說明支架的工作過程 支架操作的基本功作過程為 急增阻階段 緩增阻階段 恒阻階段 無作用階 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 4 段四個階段 圖 立柱控制系統(tǒng) 立柱 安全閥 液控單向閥 操縱閥 P 高壓管路 O 回液管 1 泵壓撐頂 支架對頂板急增阻階段 操縱閥手把置于 A 位 從泵站來的壓力液經(jīng)高壓管路 P 打開液控單向閥 3 進(jìn)入 立柱下腔 立柱上腔與回液管 O 連通 因而活柱伸出使支架升起接頂 對頂板產(chǎn)生 支撐力 支架接頂后 泵壓使下腔內(nèi)的液體壓強迅速上升 支架對頂頂板支撐力急 劇增加 這就是支架對頂板的急增阻階段 2 閉鎖承載 支架對頂板緩增阻階段 操縱閥手把放回零位后 立柱下腔內(nèi)的壓力液被液控單向閥閉鎖 不能流出 從而使支架保持對頂板的支撐狀態(tài) 隨著頂板逐漸下沉 立柱下腔內(nèi)的液體受到進(jìn) 一步壓縮 壓強逐漸增高 使直接對頂板產(chǎn)生更大的支撐力 力圖阻止或延緩頂板 下沉 一般情況下 頂板下沉比較緩慢 支架對頂板的支撐力增長也就相應(yīng)緩慢 所以這個階段被稱為支架對頂板緩增阻階段 3 溢流承載 支架對頂恒阻階段 頂板繼續(xù)下沉 立柱下腔內(nèi)的壓強繼續(xù)升高 當(dāng)達(dá)到立柱安全閥的調(diào)定值時 安全閥便開啟溢流 使立柱下腔內(nèi)的壓強保持定植 從而支架對頂板的支撐力不變 即支架處于對頂板恒阻階段 4 解鎖降柱 支架與頂板無作用階段 采煤機截煤后 欲將支架移到新的位置 首先把操縱閥手把置于 B 讓從泵站來 的壓力液進(jìn)入立柱上腔 同時作用于液控單向閥的頂桿活塞 迫使液控單向閥開啟 解除對立柱下腔液體的閉鎖 允許其回到回液管 這時 活柱縮回 支架降落離開 頂板 支架對頂板無壓力 在這一階段如要保證頂梁平行下降需協(xié)調(diào)操縱平衡千斤 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 5 頂操縱閥 需要說明 目前為了防止破碎頂板漏頂 掩護式和支撐掩護式支架可以采用擦 頂帶移架方式 即支架頂梁實際并不脫離頂板 在移架過程中仍保持約每柱五噸左 右的支撐力 因而 對于擦頂帶壓移架方式 此階段應(yīng)是解鎖卸載 支架對頂板仍 有輕微作用力 1 3 支架組成 液壓支架主要由金屬結(jié)構(gòu)件 油缸和液壓控制元件三大部分組成 1 金屬結(jié)構(gòu)件主要有頂梁 掩護梁 前梁 前連桿 后連桿 底座 側(cè)護板 護幫板等 2 油缸主要有雙作用單伸縮立柱 推移千斤頂 平衡千斤頂 側(cè)護千斤頂 前梁千斤頂?shù)?3 液壓控制元件主要有液壓控制閥 操縱閥 雙向鎖 安全閥 截止閥等及 液壓輔助元件等 1 4 液壓支架主要結(jié)構(gòu)件及其作用 1 4 1 頂梁 頂梁采用整體頂梁直接與頂板接觸 支撐頂板負(fù)荷 是支架的主要承載部件之 一 由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu) 以滿足強度和剛度要求 結(jié)構(gòu)如圖 1 2 所示 1 右側(cè)護板 2 主頂梁 3 側(cè)推千斤頂 4 前梁千斤頂耳座 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 6 圖 1 2 主頂梁 其主要作用是 l 承接頂板巖石及煤的載荷 2 反復(fù)支撐頂煤 可對比較堅硬的頂煤起破碎作用 3 隔離頂板 為回采工作面提供足夠的安全空間 本支架采用分段組合式頂梁結(jié)構(gòu) 剛性頂梁 鉸接式前梁 強度高 對頂板維 護較好 另外 在頂梁前部還布置有起吊耳 可方便吊掛較小的機件 1 4 2 掩護梁 1 護幫板耳座 2 側(cè)推千斤頂座 3 側(cè)護板 4 側(cè)推千斤頂 5 前連桿耳座 6 后連桿耳座 7 護幫千斤頂耳座 8 彈簧筒 圖 1 3 掩護梁 掩護梁分別與頂梁和前 后連桿連接 其主要作用有 1 承受上部頂板傳給的水平分力和側(cè)向力 增強支架的抗扭性能 2 掩護梁與前后連桿 底座形成四連桿機構(gòu) 保證支架的穩(wěn)定性 3 阻擋后部落煤 維護工作空間 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 7 1 4 3 底座 底座是將頂板承受的壓力通過立柱傳遞到底板并穩(wěn)定支架的主要結(jié)構(gòu)件 該支 架設(shè)計為整體剛性底座 底座接底面積大 有利于減小對底板的比壓 該型底座的 缺點是在推移機構(gòu)外易積存浮煤碎矸 要求及時清理 底座結(jié)構(gòu)如圖 1 3 所示 1 過橋 2 推移千斤頂耳座 3 立柱銷孔 4 前連桿銷孔 5 后連桿銷孔 6 側(cè)板 圖 1 4 底座 其主要作用是 1 將上方載荷傳遞給底板 為立柱 推移裝置及其他輔助裝置提供安裝空間 2 給工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境 3 保證支架的穩(wěn)定性 1 4 4 前后連桿 前 后連桿分別與掩護梁和底座鉸接 共同形成四連桿機構(gòu) 前連桿采用鑄鋼 件 鑄件中不得有氣孔 砂眼 夾雜等 以免降低強度 嫌少使用壽命 鑄后要進(jìn) 行淬火和高溫回火 以降低硬度 增加強度和韌性 對于后連桿 由于不僅受到冒 落矸石的載荷 還要承受頂板的水平推力 所以要求它有較大的強度 這里采用整 體式 前后連桿的結(jié)構(gòu)如圖 1 5 圖 1 6 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 8 圖 1 5 前連桿 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 9 圖 1 6 后連桿 其主要作用是 l 使支架在調(diào)高范圍內(nèi) 頂板平穩(wěn)地升降 并使頂梁前端與煤壁的距離 梁 端距 變化盡可能小 更好地支護頂板 2 承受頂板的水平分力和側(cè)向力 使立柱不受側(cè)向力 本支架采用正四連桿機構(gòu) 為使冒落矸石不從連桿處涌入支架內(nèi) 后連桿為整 體式 前連桿為分體式 均為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)有較強的抗拉 抗壓 和抗扭性能 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 10 1 4 5 推移機構(gòu) 圖 1 7 推移框架 支架的推移機構(gòu)包括推桿 連接頭 推移千斤頂和銷軸等 主要作用是推移輸 送機和拉移支架 推移連桿的一端通過連接頭與輸送機相連 另一端通過推移千斤 頂與底座相連 推移連桿除承受推拉力外 還承受一定的側(cè)向力防止底座的下滑 1 5 液壓系統(tǒng)及其控制元件 支架液壓系統(tǒng)由乳化液泵站 主進(jìn) 主回液膠管 各種液壓元件 立柱及各種千 斤頂?shù)冉M成 支架操縱方式采用鄰架操作控制 使用快速接頭拆裝方便 性能可靠 由乳化液泵站輸出的高壓乳化液經(jīng)主進(jìn)液管 支架進(jìn)液截止閥 過濾 器 操縱閥 立柱或各千斤頂 架液截止閥 主回液膠管 乳化液泵站 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 11 1 6 支架的設(shè)計特點 結(jié)合首采工作面及礦區(qū)此類地質(zhì)構(gòu)造條件下 使用 ZD2400 13 22 4 二柱掩護式 支架的成功經(jīng)驗 本架型應(yīng)有如下特點 1 支架型式為 帶機械加長的四柱支撐掩護式厚煤層液壓支架 2 對支架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 梁端距變化應(yīng)小 頂梁前部較薄強度 剛度應(yīng) 充分保證 3 支架的四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計要從考慮梁端距變化量控制著手 并能與其它構(gòu)件 形成剛性好 強度高 穩(wěn)定性好的整體結(jié)構(gòu) 4 整體頂梁和掩護梁帶單側(cè)活動長側(cè)護板 能實現(xiàn)對護頂?shù)膰?yán)密調(diào)整 5 封底底座 減小底座比壓 增大底座剛度 強度 6 架的整體構(gòu)造應(yīng)有 人機學(xué) 的觀點 結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊 操作方便 制造成本降 低 7 采用雙紐線連桿機構(gòu)聯(lián)結(jié)掩護梁和支架底座 以增加支撐力 增強支架的穩(wěn) 定性 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 12 2 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 液壓支架的選型 2 1 1 液壓支架結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選 根據(jù)以往液壓支架設(shè)計的經(jīng)驗總結(jié) 考慮到不同架型 和機構(gòu)的支架 圍巖力 學(xué)相互作用 支撐力矩 底板比壓等特點 可以對掩護式與支撐掩護式結(jié)構(gòu)進(jìn)行比 較 1 液壓支架的力學(xué)特征綜述 見表 2 12 表 2 1 不同結(jié)構(gòu)液壓支架的力學(xué)特征比較 支架型式 結(jié)構(gòu)特征 主要力學(xué)特性 支掩式 二支柱掩護式 支架承載力較小 底板比壓均勻 主動水平力較大掩護式 支頂式 二柱支頂掩護 式 支架承載力大 穩(wěn)定性好 底座尖端比壓較大 對頂板的主動水平力較大 前端支撐力大 支頂支掩 四柱 或三柱 穩(wěn)定性好 抗水平力強 比壓均勻 但支柱能力利 用率低 四柱 X 型 頂梁合力調(diào)節(jié)范圍大 伸縮比大 承載力高 支撐掩護式 支頂式 四柱支撐掩護 式 承載力大 切頂能力強 比壓較均勻 2 支架選型要素及簡要評價 液壓支架結(jié)構(gòu)選型必須考慮的要素及對各類型支架的評價 見表 2 2 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計 13 表 2 2 支架類型評價 見下頁 支架類型 支撐式 要素 插底掩護 式 一般掩護 式 支撐掩護 式 垛式 節(jié)式 直接頂冒落傾向 優(yōu) 良 良 差 差 基本頂周期來壓 差 良 優(yōu) 優(yōu) 良 底板壓入傾向 良 差 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 防煤壁片幫 優(yōu) 良 優(yōu) 差 差 通風(fēng)斷面 差 良 良 差 差 頂梁前端支撐力 優(yōu) 良 良 差 差 頂梁后段切頂性 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 對頂板遮蓋率 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差 隔絕采空區(qū)能力 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 差 差 橫向穩(wěn)定性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差 對采高適應(yīng)性 良 優(yōu) 優(yōu) 差 差 支撐效率 差 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 支護強度 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 支架圍巖適應(yīng)性 對傾角適應(yīng)性 良 優(yōu) 良 良 差 2 1 2 液壓支架的架形選擇原則 在選擇液壓支架時既要保證對工作面頂板實現(xiàn)可靠的支撐 又要避免過大的設(shè) 備投資 導(dǎo)致不必要的浪費 因此 液壓支架的正確選型對于工作面經(jīng)濟效益關(guān)系 重大 液壓支架架形的選擇 主要取決于液壓支架的力學(xué)性能是否適用礦井的頂?shù)装?條件和其它地質(zhì)條件 在同時允許選用幾種架形時 應(yīng)優(yōu)先選用價格便宜的支架 支承式支架最便宜 其次為掩護式 支承式支架適合于穩(wěn)定頂板 掩護式支架適合 于中等穩(wěn)定和一般破碎的頂板 支承掩護式支架適合于周期來壓強烈 中等穩(wěn)定和 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 14 穩(wěn)定頂板 在綜采工作面支架選型時 還應(yīng)注意下述四點原則 1 對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板 應(yīng)優(yōu)先選用二柱掩護式支架 但在底板極松 軟條件下 必須嚴(yán)格驗算并限制支架底座尖端比壓 不得超過底板容許比壓即極限 載荷強度 在此條件下 通常應(yīng)避免使用重型支架 2 對于非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來壓強烈和十分強烈的頂板 應(yīng) 優(yōu)先考慮選取四柱支撐掩護式支架 3 眾所周知 三點決定一個平面 由于頂板不平 四柱式支架中總有一根支 柱對頂板的實際支撐力很低 因而二柱式掩護支架支撐能力利用率高于四柱式 即 二柱式支架對頂板的實際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架 特別是對機 道上方頂板的支護強度 4 在不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架應(yīng)注意對機道上方的頂板控制 包括 增加前任阻力及可伸縮前梁等 2 1 3 影響架形選擇的因素 液壓支架的選型受到礦井的煤層 地質(zhì) 技術(shù)和設(shè)備條件的限制 因此 以上 因素都會影響到支架的選型 液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件 一般情況下可根據(jù)頂板的級別 由表 3 1 5 見 綜采技術(shù)手冊 上冊 中直接選出架型 1 煤層厚度 當(dāng)煤層厚度超過 1 5m 頂板有側(cè)向推力和水平推力時 應(yīng)選用抗扭能力強的 支架 一般不用支承式支架 當(dāng)煤層厚度達(dá)到 2 5m 2 8m 以上時 需選擇帶有護幫裝置的掩護式或支承 掩護式支架 煤層厚度變化大時 應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護式 帶有機械加長桿或雙伸 縮立柱的支架 假頂分層開采 應(yīng)選用掩護式支架 2 煤層傾角 煤層傾角25 時 排頭支架設(shè)防倒滑裝置 工作面中部支架設(shè)底調(diào)千斤頂 工 作面中部輸送機設(shè)置防倒滑裝置 3 底板強度 驗算比壓 應(yīng)使支架底座對底板的比壓不超過底板允許比壓 為使移架容易 設(shè)計時要使支架底座前部比后部的比壓小 4 瓦斯含量 對瓦斯涌出量大的工作面 應(yīng)符合保安規(guī)程的要求 并選用通風(fēng)端面較大的支 承式或支承掩護式支架 5 煤層硬度 當(dāng)煤層為軟煤層時 支架最大采高一般 2 5m 中硬煤層時 支架最大采高一般 2 24m 硬煤層時 支架最大采高 5m 6 地質(zhì)構(gòu)造 斷層十分發(fā)育 煤層變化過大 頂板的允許暴露面積在 5 8 以下時 時間在 20min 以上時 暫不宜使用綜采 7 設(shè)備成本 綜合各條件 宜選用支撐掩護式支架的架形 即本人畢業(yè)設(shè)計所選擇架型 2 2 主要設(shè)計參數(shù) ZD2400 13 22 4 型支撐掩護式液壓支架 工作阻力 2400kN 支架高度 1 3 2 24m 支架寬度 1 42 1 59m 初撐力 1884KN 支護強度 730KN m 在使用范圍內(nèi) 2 采用 ZD2400 13 22 4 型支撐掩護式液壓支架 其工作阻力為 2400kN 初撐力 1884kN 支護強度大于 730KN m 對底板的比壓為 10 5MPa 能夠滿足地質(zhì)條件2 及礦區(qū)的要求 支架寬度為 1420 1590mm 中心距為 1 5m 支架最低時長 5m 左右 支架高度為 1 3 2 24m 滿足其采高要求 考慮運輸機的拉架強度 支架總量約為 10 5t 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 16 2 3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 3 1 四連桿機構(gòu)的作用 具有四連桿機構(gòu)的液壓支架從問世以來 經(jīng)過長期的實踐考驗 顯示出巨大優(yōu) 越性 并從根本上克服了支撐式支架穩(wěn)定性和力學(xué)持性的缺陷 成為液壓支架技術(shù) 發(fā)展史上的一個重要里程碑 四連桿機構(gòu)是現(xiàn)代液壓支架的主要穩(wěn)定機構(gòu) 其主要作用是保證支架的縱向和 橫向穩(wěn)定性 承受和傳遞外載 保持支架的整體剛度 因此 對液壓支架的研究常 常離不開對四連桿機構(gòu)的研究和認(rèn)識 下面通過對液壓支架的運動過程進(jìn)一步分析 四連桿機構(gòu)的特性和作用 支架升降時頂梁的運動軌跡是由四連桿機構(gòu)決定的 即 由頂梁與掩護梁交點 E 的軌跡所決定 根據(jù)機構(gòu)運動學(xué)分析 E 點的運動軌跡一般為 一條雙紐線 如圖 2 1 所示 合理設(shè)計四連桿參數(shù) 即可控制 E 點的運動軌跡 改 善支架支 護性能 減少連桿受力 圖 2 1 支架四連桿機構(gòu)的運動軌跡 支架在最大高度和最小高度范圍內(nèi)運動時 E 點的運動軌跡呈 3 種形式 雙向擺 動 ABCD 段 單向向后擺動 BC 段 和單向向前擺動 AB 段和 CD 段 選擇不同的 四連桿參數(shù) 可以使 E 點軌跡處于上述 3 種曲線段 支架工作時 受到頂板載荷的 作用 有下縮趨勢 當(dāng) E 點軌跡處于 AB 段時 頂梁相對于頂板有向煤壁移動的趨 勢 頂板對頂粱的摩擦力指向采空區(qū)側(cè) 當(dāng) E 點軌跡處于 BC 段時 頂梁相對于頂板 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計 17 有向采空區(qū)移動的趨勢 此時頂板對頂梁的摩擦力指向煤壁 當(dāng)頂板運動趨勢超過 支架運動趨勢時 頂梁與頂板間的摩擦力方向?qū)⑷Q于頂板的運動趨勢 從頂板管理方面分析 頂梁向煤壁方向移動比頂梁向來空區(qū)方向移動有利 前 者對于保持粱端頂板處于擠壓狀態(tài)有利 而后者容易導(dǎo)致頂板產(chǎn)生離層或斷裂 造 成頂板斷裂線前移或梁端冒頂 因此 合理設(shè)計四連桿參數(shù) 使支架工作段內(nèi) E 點 軌跡處于 AB 段比較理想 但對于調(diào)高范圍大的支架 要達(dá)到要求是困難的 然而 由于四連桿銷孔間隙的作用 使 E 點實際運動軌跡與上述理論軌跡不完全相同 為 了保持支架梁端距的穩(wěn)定 一般應(yīng)控制梁端擺動幅度 30 80mm 液壓支架的xE 縱向穩(wěn)定性完全是由四連桿機構(gòu)決定的 而不取決于立柱的多少 液壓支架實際受力狀態(tài)十分復(fù)雜 經(jīng)常受到非對稱載荷和橫向載荷的作用 保 持支架橫向穩(wěn)定性和整體剛性十分重要 如圖示支架立柱為二力構(gòu)件 不具有承受 較大橫向載荷的能力 支架的橫向載荷只能靠四連桿機構(gòu)承受 2 3 2 四連桿機構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定 在設(shè)計四連桿機構(gòu)時 要根據(jù)四連桿機構(gòu)的幾何特性來確定 其四連桿機構(gòu)的幾何 特性如下 1 支架從最高高度降到最低高度時 如下圖所示頂梁端點運動軌跡的最大寬度 e 應(yīng)小于或等于 70mm 最好為 30mm 以下 Qe1hPe 24 O四 連 桿 機 構(gòu) 幾 何 特 征 圖 圖 2 2 四連桿機構(gòu)幾何特征圖 2 掩護梁上鉸點到頂梁頂面之距離 H 和后連桿下鉸點至底座底面之距 Y 如圖0 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 18 2 2 所示 當(dāng)支架高度確定后 要用作圖法確定四連桿機構(gòu) 首先要根據(jù)配套尺寸 L 此處 L 2088mm 初步確定頂梁長度 L 2150mm 和底座長 L 2380mm 然aa f e 后確定頂梁與掩護梁鉸點相對于后連桿下鉸點的水平距離 該鉸點至頂梁頂面距 H 和后連桿下鉸點的高度 Y 0 H 一般根據(jù)支架工作阻力初步確定頂梁梁體的高度后 在根據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性確2 定 一般支架距 H 150 200mm 重型支架可取 H 210 260mm 2 2 Y 一般根據(jù)支架最小高度確定 薄煤層支架取 Y 150 250mm 對中厚煤0 0 層支架取 Y 250 450 對大采高支架取 Y 450 600 mm 0 3 支架最大和最小高度時掩護梁與水平夾角 A 和 Amaxin 掩護梁是掩護采面工作空間密封隔離采空區(qū)的重要梁體 它不直接支撐頂板 而是作為重要的傳力構(gòu)件 把頂梁載荷傳遞到四連桿機構(gòu) 這對保持支架 圍巖力 學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定有著顯著的作用 其主要表現(xiàn)是 掩護梁載荷參與頂梁的力矩平衡 提高了梁端承載能力 支架受到一個指向煤壁的水平推力 當(dāng)支架處于支護工況 時 有阻止頂板巖體向來空區(qū)移動的作用 而當(dāng)處于移架工況時 有利于克服架體 各方面的摩擦力 增強架體運動的穩(wěn)定性 掩護梁水平投影過大 將增大掩護梁載 荷 并承受頂板巖塊的沖擊載荷 而掩護梁載荷過大將減小頂板支護強度 造成移 架困難 一般掩護式支架取 A 58 62 支撐掩護式支架取 A 60 70 max max 在支架最小支護高度時 掩護梁傾角應(yīng)保證移架過程中掩護梁背負(fù)的矸石能沿 梁體下滑 即滿足 tan A 其中 為巖石與鋼的靜摩擦因數(shù) 一般為inf 0 15 0 3 若取 0 3 則 A 17 設(shè)計中一般可取 A 12 18 fmi min 4 掩護梁與后連桿長度比的確定 在用作圖法確定四連桿機構(gòu)時 桿長比主要根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗確定 一般應(yīng)保證 A 5 使后連桿在第一象限內(nèi)擺動 根據(jù)近百種支架的統(tǒng)計 掩護梁與后連桿的0 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 19 長度比 L L L 對兩柱掩護式支架一般為 1 4 2 1 對四柱支撐掩護式支bcd 架一般為 1 2 1 8 經(jīng)計算 此處掩護梁與后連桿的長度比 2175 1384 1 57 掩護梁與前后連桿鉸點間的距離可根據(jù)支架高度及連桿銷子直徑確定 一般取 300 500mm 前后連桿間夾角越大 連桿力越小 5 支架工作段要取曲線向前突的一端 如上圖所示的 H 段 其原因是當(dāng)頂板來1 壓時 立柱讓壓而下縮 使頂梁有前移的趨勢防止巖石向后移動 又可以使作用在 頂梁上的摩擦力指向采空區(qū) 同時底板阻止底座向后移動 使整個支架產(chǎn)生順時針 方向轉(zhuǎn)動的趨勢 從而增加了前梁斷部的支護力 防止頂梁前斷頂部冒落又可以使 底座前端比壓減小 可防止啃底 有利移架 水平力的合力也相應(yīng)的減小 由于支 架所承受的水平力由掩護梁來克服 所以減輕了掩護梁受力 從以上的分析可知 為使支架受力合理和工作可靠 在設(shè)計四連機構(gòu)時曲線運 動軌跡應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前突的一段 所以當(dāng)掩護梁和后連桿長度 已知后 從這個觀點出發(fā) 在設(shè)計時只要把掩護梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機構(gòu) 進(jìn)行作圖就可以了 2 3 3 四連桿機構(gòu)的繪制 1 掩護式和支撐掩護式支架的四連桿機構(gòu)都是雙搖桿機構(gòu) 雙搖桿機構(gòu)形成 的條件是 最短桿 c 和最長桿 b 之和小于其余兩桿長度之和 而最短桿為上連桿 掩護梁 最短桿的對邊 a 為固定桿 底座 即 c b15 在 J 點作 角 再取 JC 一 定長度與 HC 交與 C 點 C 點作為后連桿和掩護梁的鉸接軸 以 J 為圓心 JC 為半徑畫一弧 ab 以 I 為圓心 以 HC 的長度為半徑畫弧與弧 ab 交于 E 點 C 點和 E 點就是后連桿在支架為最低高度和最低高度時的極限位置 在 CH 上取一長度 CD 必須 CDDC 這樣 CD 就是最短桿 而且要使 CD DG CJ JG 于是 G 點成為前連桿和底座的鉸接軸 IH 之間的軌跡的校核 在 CE 弧內(nèi)平均取幾點 例如 1 2 3 點 依次地以 1 2 3 為圓心 以 CD 長為半徑畫弧 與以 G 點為圓心 GD 為半徑的 FD 弧交于 1 2 3 點 連接 11 22 33 并都給于延長得 1 2 3 點 使 11 22 33 CH 這樣 I3 2 1 所形成得曲線要接近直線 即 e 75mm 如果差別太大 要改 變四連桿得尺寸或角度 以上述的過程重新畫出 I H 間得軌跡 使近似與直線 要求水平偏離量不超過規(guī)定值以外 對 角的變化要求均勻 特別要注意在最大 高度時 不要發(fā)生突變 角是連桿瞬時中心與掩護梁鉸接軸的連線和頂梁延長線之 間的夾角 CDH 上的 D 點可以不在 CH 的連線上 如圖 2 4 按上述方法作圖 得到前連桿的長度為 1450mm 與底座的高度為 580mm 后 連桿的長度為 1430mm 與底座的高度為 240mm 其余具體尺寸如圖 測得 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 21 e 42 24mmx Lg 3 時 載荷呈梯形分布 如上圖 3 6 所示 頂梁前端比壓為 MPa 3B 26 2101 mLgxFq 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 39 頂梁后端比壓為 MPa 3B 64 31021 mLgxFq 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 40 結(jié)束語 本次畢業(yè)設(shè)計所設(shè)計的液壓支架為 ZD2400 13 22 4 型 經(jīng)過多次反復(fù)的計算與 校核 其強度和性能都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求 通過本次設(shè)計 我對液壓支架的工作原理 及其設(shè)計過程與步驟有了透徹的了 解 并且了解了一些發(fā)達(dá)國家關(guān)于液壓支架的最新研究成果和目前世界上各種先進(jìn) 液壓支架的特點 及液壓支架在將來的發(fā)展前景 拓寬了我的知識視野 開闊了我 的理性思維 為我將來無論是走向工作崗位 還是繼續(xù)學(xué)習(xí)深造都奠定了堅實的基 礎(chǔ) 本設(shè)計的重點是四連桿機構(gòu)的運動分析 底座和推移框架等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計 通 過對這方面的研究 我掌握了一定的方法 四連桿機構(gòu)是我們在日常生活中常見的 機構(gòu) 并且是應(yīng)用最為平凡的機構(gòu) 掌握好對四連桿機構(gòu)的運動分析將是我這次設(shè) 計的最大收獲 底座是液壓支架的基礎(chǔ)構(gòu)件 也是液壓支架設(shè)計的難點和重點 其 中底座的選型 選材和焊接結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵 它關(guān)系到液壓支架的使用壽命 安全性 及其穩(wěn)定性 通過對四連桿機構(gòu)的運動分析和底座結(jié)構(gòu)的綜合選型 我深刻理解的 液壓支架安全設(shè)計的重要性 另外 在設(shè)計過程中 我進(jìn)一步提高了個人發(fā)現(xiàn)問題 分析問題 解決問題的 能力 并且我對大學(xué)四年所學(xué)基礎(chǔ)知識和專業(yè)課知識作全面鞏固和全新的總結(jié) 我 能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)知識用于實踐 也許這次設(shè)計只是我人生萬里長征的第一步 我想有了此次設(shè)計的經(jīng)歷和方法 我將會在我所學(xué)領(lǐng)域做出更多的成績 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育專科畢業(yè)設(shè)計 41 致 謝 歲月流逝 時光匆匆 兩個多月的時間在不知不覺與充實勞頓中度過 畢業(yè)設(shè) 計即將尾聲 我感覺到一種前所未有的成就感和喜悅感 因為這次成功的設(shè)計不僅 僅是我人生的第一次真真正正 完完全全的設(shè)計 更是我汗水與心血的結(jié)晶 我欣 慰自己能夠?qū)⑽宜鶎W(xué)知識與實踐相結(jié)合 更欣慰自己有勇氣和膽量去嘗試 去追求 去創(chuàng)新 在此次液壓支架設(shè)計和實習(xí)過程中 指導(dǎo)老師給予了我親切的關(guān)懷和大力幫助 使本人無論在學(xué)習(xí)方法方面 還是在研究分析問題能力方面都有了很大的提高 借 此之際 特向指導(dǎo)老師表示衷心的感謝 另外 在液壓支架方面有著多年教學(xué)與實 踐經(jīng)驗的任保才老師在我設(shè)計過程中也給予大量辛勤的指導(dǎo)工作 在此我一并對任 老師表示感謝 此外 對在我設(shè)計和實習(xí)過程中 給予幫助的老師和同學(xué)表示感謝 最后 感謝各位評閱老師在百忙之中評閱本文 由于時間倉促 本人水平有限 難免有錯誤和不足之處 敬請各位老師指正與賜教 祝 各位老師工作順利 身體健康 中國礦業(yè)大學(xué) 2014 屆成人教育?？飘厴I(yè)設(shè)計 42 參考文獻(xiàn) 1 丁紹南 編著 液壓支架設(shè)計 世界圖書出版社 1995 2 成大先 主編 機械設(shè)計手冊 第三版 化學(xué)工業(yè)出版社 1999 3 賈悅謙 主編 綜采技術(shù)手冊 上 下 煤炭工業(yè)出版社 2000 4 唐大放 主編 機械設(shè)計工程學(xué) 1 2 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 2001 5 劉鴻文 主編 材料力學(xué) 第三版 上 下 高等教育出版社 1992 6 趙宏珠 主編 綜采面礦壓與液壓支架設(shè)計 中國礦業(yè)學(xué)院出版社 1987 7 張家鑒 主編 液壓支架 煤炭工業(yè)出版社 1985 8 戴紹誠 主編 高效高產(chǎn)綜采機械化采煤技術(shù)與裝備 煤炭工業(yè)出版社 1997 9 煤炭部煤炭科學(xué)研究院編綜采 設(shè)備配套圖冊 1983 10 文九巴 主編 機械工程材料 機械工業(yè)出版社 2002 年 6 月第一版 11 中國物產(chǎn)集團公司支護裝備部 編 煤礦支護使用手冊 煤炭工業(yè)出 版社 2004 12 楊振復(fù) 羅恩波 主編 放頂煤開采技術(shù)與放頂煤液壓支架 煤炭工業(yè) 出版社 1995 年 7 月第一版