1、华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 67 页掩护式液压支架设计说明书摘要由于地下煤层的地质环境比较复杂，这就要求在不同的煤层环境中使用不同的与之适应的液压支架。本论文主要阐述了一般掩护式液压支架的设计过程。设计内容包括：选架型、总体设计、主要零部件的设计、主要零部件的校核。支架的形式为掩护式支架。支架除了要有效的对顶板进行有效支撑，还要实现升、降、推移四个步骤。支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架的升降过程中顶梁前端前后移动的距离。立柱采用单伸缩液压缸，前端带有加长杆，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。顶梁掩护梁、底座都做成箱体结构用钢板焊接而成。整个液压支架的设计都源
2、于煤层厚度这一初始条件，这很好的说明了不同煤层需要不同的液压支架，于是液压支架的更新换代对于提高采煤效率和增加井下安全性显得十分重要。在研制液压支架时，需要对支架进行生产试验和分析研究，确定合理的液压支架受力参数、运动参数和结构参数，以及选定液压支架最佳方案等方面综合性的科学技术问题。本设计主要从支架的工作原理这手，然后进行总体结构设计以及校核。关键词：液压支架；顶梁；底座；立柱；结构设计中厚煤层掩护式液压支架总体设计分析及掩护梁设计第 2 页 共 67 页AbstractAs the coal underground geological environment more complex,
3、which requires coal in different environments with different to the hydraulic pressure support.The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part exa
4、mination.The support eliminates must realize effectively carries on the strut to the roof, but also must realize ,to fall, to push, move four steps .the support uses four link motion gears, improves the support the stress condition, reduces the support to rise and full the distance which in the proc
5、ess fort end the top-beam around moves. The column uses the list expansion and contraction hydraulic cylinder, front end has legthens the pole, satisfies the support to be lowest and time the highest position high request. The top-beam, shields Liang, the foundation all makes the packed in a box bod
6、y structure, becomes with the steel plate welding.The design of the hydraulic pressure support from all seam thickness of the initial conditions, which is very good description of the different needs of different coal hydraulic pressure support, and therefore the upgrading hydraulic pressure support
7、 for improving efficiency and increasing the underground mining safety it is extremely important.At research to presses the support, need to carry on produce to experiment and analyze the research, make sure reasonable of liquid presses the support to be subjected to the dint parameter, the sport pa
8、rameter and the structure parameters, and make selection the liquid to press the synthetic science technique problem of aspect of etc. of the best project of support. This design mainly this hand from the work principle of the support, then carry on the total structure design and school pits.Keyword
9、s: Hydraulic pressure support；Top beam ；Cradle；the column-type support；structure design华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 67 页第 1 章 绪论1.1 液压支架发展概况历史地来看，大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用,木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支设和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦和液压支柱所代替，并以支柱加铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。1954 年英国首次研制出液压支架，从此，开创了煤炭工业的新时代
10、。50 年代末，为开采煤层厚超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于展出了 OMKT 型掩护式支架。这种支架顶梁很短，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力很好 。60 年代末和 70 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为适应
11、底板不平，底座采用分离铰接式结构；对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎矸窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974 年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。1980 年起人们取得了对自移式液压支架的研制成功并逐步改进完善，进而普遍推广使用，使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序全部实现综合机械化，煤矿取得了较大综合效益。到 20 世纪 90 年代初，人们寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法，采用了放顶煤技术
12、。今天随着计算机技术和自动化技术的普及应用和提高，为煤矿生产自动化和高效生产提供了新的出路。煤矿综采液压支架电液控制系统的应用，大大地加快了工作面的移架、推溜速度，改善了采煤工作面顶板的支护状况，使工作面产量成倍增加，直接功效大幅度提高，安全状况明显改善，吨煤成本大幅度下降，为煤矿生产的高效、安全和煤矿工人劳动环境及形象的改变提供中厚煤层掩护式液压支架总体设计分析及掩护梁设计第 4 页 共 67 页了条件。综采使煤矿实现了由手工操作向机械化的变革，电液控制系统使井下采煤实现由机械化向自动化的革命，也可称为采煤技术的第二次改朝换代的重大改革，是煤矿 21 世纪的高新技术。目前，以液压支架为主体的
13、地下综采设备，已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。1.2 国内支架的现状与国外的差距1.2.1 制造技术水平落后1德国支架结构材料 ST52，屈服极限 500Mpa，前苏联的更高。我国基本长期使用 16Mn，屈服极限 350MPa 左右，近年来只有少数支架构造的部分材料用高强度钢板。2支架液压系统的阀类使用的是乳化油，防锈蚀的要求很高，国外一直铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯，我国是 45 钢加表面防腐处理。3国外密封材料的寿命大于 5a，我国只有 2a 左右。4国外的支柱和千斤顶缸体内壁是复镀，我国是不镀，使立柱出现麻斑、划伤、密封漏液等现象，影响支护效果。5美国的支架耐久性实验是45000 次
14、，我国7000 次。以上这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，但在国内高产、高效工作面及国际上是没有竞争力的，综采工程技术人员普遍认为目前我过支架的工艺水平尚未达到 1979 年引进的 100 套支架的技术水平，可想落后人家远不止 30a。1.2.2 控制系统研究落后西方主要产煤大国始终把支架控制系统作为提高整个综采经济效益的重要方面来抓。20 世纪 60 年代采用手动直接操作系统；20 世纪 70 年代初即开始重视液压支架液压先导控制的研究；20 世纪 70 年代中后期广泛采用液压多芯管先导控制系统；20 世纪 80 年代西方国家开始大力着手电液先导程序控制的研究和使用。因此，现
15、在美、德、英、日等基本上全是可编程电液控制，波兰除了电液控制以外，都是液压多芯管先导控制。20 世纪 90 年代开始，为了提高移架速度满足工作面高产、高效发展的需求，我国在加大常规手控操纵阀的流量方面取得进展，加上综合措施，也实现了平均移架速度小于 12s/架的成绩。根据以上资料不难看出，在 21 世纪以煤炭集约化生产为特征的新时代，为了满足华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 67 页高产、高效综采工作面的需要，必须抓紧研制和推广电液系统。1.2.3 设计理念上落后目前，国外液压支架设计，在设计手段上普遍采用了电子计算机，在设计方法上是传统设计与现代设计相结合。对于支架结构的零部件设计
16、，普遍采用了计算机辅助设计与制图,使图纸的设计精度和设计质量都有了很大的提高。其设计的图纸和有关参数，可以提供于数控机床和光电跟踪切割机加工零件时使用，大大提高了零件的加工精度和制造质量，节省了人工放样，加工的工时，消除一手工操作所产生的误差。在结构的强度设计方面，也比较普遍地采用大型的结构静动力有限元分析软件，模拟支架在煤矿井下的实际受载工况或在实验室中支架样机强度试验有关工况，通过计算分析，对整个支架各部位的结构强度进行比较准确和全面的了解。所有这些，都是由于国外发达国家计算机及计算机技术的高度普及和大型结构分析有限元软件的推广应用的结果。我国包括支架在内的众多产品设计，仍然是以传统设计为
17、主。所谓传统设计，就是人们在设计中总是遵循着一定的设计理论，凭借着设计者本身的经验来选择设计参数，并借助一些手册、图表、经验数据来完成各种设计。这种半经验、半理论的传统设计方法常常带有一定的盲目性，使得所做的设计很难达到客观存在的最优方案。对于使用条件复杂、受载工况多变的液压支架的设计，尤其如此。优化设计理论是现代设计理论的核心内容之一。近年来促进优化设计研究和应用的主要因素有三个方面：即近代科学技术与生产需要最适宜的方案、计划与信息；电子计算机技术和最优化计算方法的发展相互促进，使优化设计有了可能；现代产品设计要求高速度、高质量地完成设计任务，优化才能保证这一任务的完成。所谓的优化，就是在多
18、种因素条件寻求使人最满意、最适应的一组参数。在传统设计中是把设计变量当作常量来看待，而在优化设计中是将设计变量当作随机变量来对待。 1.3 液压支架研究发展趋势随着科学技术的高速发展，新技术、新方法、新材料的不断应用，微机和计算机技术进一步普及，为液压支架的发展提供了有利的条件。目前，液压支架研究发展可以从以下几个方面着手：1. 液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展，如液压支架的架型明显地向两中厚煤层掩护式液压支架总体设计分析及掩护梁设计第 6 页 共 67 页柱掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。2在已有支架设计与应用经验的基础上，结合计算机辅助设计，研究支架的智能化设计方法、结构与参
19、数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性以及结构的优化性。其中在设计中应注意以下几个方面：I 提高液压支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还有选材等方面；II 如何提高支架的移架速度；III 改进支架个别部件结构，加大联结件强度。3改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密封件入手，制定更严格的质量和抗腐蚀标准。4对不稳定顶板、松软底版、地质构造较复杂等特殊条件，加大投入，研制大量的特殊支架，以适用不同的开采条件。5新型元件与材质，可减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命。6结构上寻求克服四连杆的新型架型。7快速支架电液控制系统的研制和投入，研
20、究支架的遥控、程控控制和性能自动监控，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。工作面支护问题始终是围绕煤矿生产安全、质量、效率的重要问题。目前，国外高产高效综采工作面正向“设备重型化、工作面大型化”的方向发展，我国许多大型煤炭能源集团公司也正在发展超大型综采工作面，液压支架全部进口，对企业的发展极为不利。因此，我国必须加大综采液压支架的研究投入的步伐，尽快适应我国能源大开发的战略要求。1.4 掩护式液压支架的简单介绍掩护式液压支架是以单排立柱为主要部件并带有掩护梁的液压支架。一般用于直接顶中等稳定以下，顶板周期来压不强烈的采煤工作面。根据立柱布置和支架结构特点，掩护式支架分为支掩掩护式支架和支
21、顶掩护式支架两种。支掩掩护式支架立柱通过掩护梁对顶板进行间接支撑，支架的支撑效率低，顶梁短，控顶距小；多数在顶梁与掩护梁之间设有平衡千斤顶，少数支架只设机械限位装置；顶梁后部与掩护梁构成“三角带”易卡进矸石 ，影响顶梁摆动，故一般在顶梁后端挂有挡板，作业空间狭窄，通风面积小；采用整体刚性底座；支架有插底式和不插底式两种形式。插底式配专门的下部带托架的输送机，支架底座前部较长，伸入输送华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 67 页机下部，对地板比压小，是不稳定顶板和软地板工作面的主要架型。不插底式配通用型输送机，底座前端对底板比压大，使用较少。支顶掩护式支架立柱支撑在顶梁上。立柱经过顶梁直
22、接对顶板进行支撑，支撑效率高，顶梁比支掩掩护式支架长，顶梁后端与掩护梁铰接，作业空间和通风端面均大于支掩掩护式支架；顶梁和掩护梁侧面都装有活动侧护板，挡矸性能好；多数支架将平衡千斤顶设在顶梁与掩护梁之间，少数支架将平衡千斤顶设在底座与掩护梁之间；支架底座前端对底板比压较大；顶梁有交接式和整体式顶梁；底座有整体式刚性，底分式刚性底座和交接分体式底座三种。掩护式支架的结构特点式：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，其掩护梁上端与顶梁交接，下端通过前后连杆与底座联接。底座，前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。掩
23、护式支架的立柱较少，且为倾斜布置，以增加支架的调高范围；支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封；通常顶梁较短，一般为 3.0mm 左右。掩护式支架的支护性能：支撑力小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大且均匀，掩护性能好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。1.5 本课题的研究目的和意义采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭增长的日益需要，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤
24、层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。通过对液压支架的理论学习，完成液压支架的设计工作，加深对液压支架工作原理、工作性能、工作环境及其结构的认识和了解。通过对液压支架结构的分析，加深和巩固机械原理的相关内容；通过对液压支架受力的分析和强度的校核，加深对专业中厚煤层掩护式液压支架总体设计分析及掩护梁设计第 8 页 共 67 页基础课理论力学和材料力学及专业课机械设计相关内容的巩
25、固和理解。同样通过对液压支架的设计，能够更好的认识国内外液压支架的发展趋势和发现目前煤矿液压支架主要存在的问题，从而为以后更深认的了解和设计液压支架打下良好的基础。通过自己独立地完成指定的课程设计任务，提高理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，学会查阅参考书和工具书的方法，提高编写技术文件的能力，进一步加强设计计算和制图等基本技能的训练，为毕业后成为一名出色的机械工程师打好基础。现代社会对人才提出了更高的要求，作为一名当代大学毕业生，不仅打好坚实的专业知识，还应具备工程技术人才应有的综合素质。为了适应这一发展趋势，我们应立足变传统的、僵化的、单纯的毕业设计为培养主动学习、提高创新能力、树立团
26、结协作精神、强化计算机运用等多维兼容性毕业设计，同时通过完成毕业设计，锻炼学生解决实际工程问题的能力。在整个毕业设计的过程中，以我们的主动学习为主，教师适时指导为辅，将素质教育也毕业设计教学相融合，从根本上提高毕业设计的质量和水平。华北科技学院毕业设计（论文）第 9 页 共 67 页第 2 章 液压支架的概述2.1 液压支架的作用在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作面安全和各项作业的顺利进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体为动力，有液压元件和金属构件组成的支护和控制顶板设备，能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明，液压支架具
27、有支护性能好，强度高，移架速度快，安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面的产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进，经济上合理，安全可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。2.2 液压支架的组成和分类2.2.1 液压支架的组成液压支架主要由承载结构件、动力油缸、控制元件、辅助装置和工作液体组成。详细见表 2-1。表 2-1 液压支架组成表序 号 部 件 功 能 举 例1 承载结构件 承受并传递顶板载荷作用的结构件顶梁、掩护梁、底座、连杆2 动力油缸用液体作介质可
28、以主动产生作用力，实现各种动作的油缸立柱、各类千斤顶3 控制元部件操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压（电气）元部件操纵阀、单向阀、安全阀及管路、液压（电控）元件4 辅助装置不直接承受顶板载荷，而实现支架某些动作或功能所必须的装置推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置5 工作液体 传递能量的工作液压介质 乳化液中厚煤层掩护式液压支架总体设计分析及掩护梁设计第 10 页 共 67 页2.2.2 液压支架的分类按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的
29、采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液压支架分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。1. 支撑式液压支架支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。 前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。2. 掩护式液压支架掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图 2-1 所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调
30、高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。3. 支撑掩护式液压支架支撑掩护式液压支架是在支撑式液压支架和掩护式液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构，使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。图 2-1 掩护式液压支架的类型(a) 插腿式支架 (b) 立柱在掩护梁上非插腿式支架(c) 立柱在顶梁上非插腿式支架
