支撑掩护式液压支架总体方案及立柱设计.doc

支撑掩护式液压支架总体方案及立柱设计摘要 在采煤工作面煤炭生产过程中 ，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人平安和各项工作的正常运行，必须对顶板进行支护 。而液压支架是高压液体用为动力，由液压元件与金属构件组成支护控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序，实践说明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快，平安可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤炭机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增架采煤工作面产量、提高劳动生产率，降低本钱 ，减轻工人体力劳动和保证平安生产是不可缺少的有效措施。因此液压支架是技术上先进， 经济合理，平安上可靠、是实现采煤综合机械自动化不可缺少的主要设备。 煤炭是工业的食粮，能源生产和消费结构中以煤为的格局不会改变，实践证明大力开展综合机械化采煤。研制和使用液压支架是非常关键的，我国从六十年代开始研制支撑式液压支架。液压支架在我国煤矿使用二十年的历史，从消化引进设备开始，到现在自行研制开发，我们已积累了丰富的经验，这些经验进行总结和提高都是很重要的。到目前为止，在我们煤矿中使用的支架的类型很多。本论语文设计的是关于煤层厚度在3.0。直接顶为2类，老顶级别为三级的支撑掩护式液压支架的设计。和液压支架中的重要组成部件，立柱的设计。关键字：液压支架、立柱、掩护、支撑ABSTRACTThe coal is our countrys conventional energy, along with the national economy development, the coal required quantity is more and more big, synthesis mechanization mining coal has a lot of merits: big output, high efficiency, low cost, the improvement of work environment, the reduction of unwieldy physical labor, and so on . Picks the working surface in the synthesis, the hydraulic pressure support is one of main equipment, it is a extremely important link to reasonably and correctly design the hydraulic pressure support, in order to adapt the different mining coal condition. The hydraulic pressure support has used for many years in our countrys coal mine, accumulated rich experience, and introduces the overseas advanced technology unceasingly, it is imperative to carry on the summary and the enhancement in this foundation.In order to adapt to the need of mining coal working surface, whose coal bed thickness is 3.0、directly gore is second kind、the rank of old is first, therefore we has designed the support shield type hydraulic pressure support and an important part, column design.The column has the function of withstanding roof load and adjusting the height of roof holding. Key words: coal; mechanization; bracket; column目录前言11支撑掩护式液压支架的概述2 1.1 设计的原始条件21.2 支撑掩护式液压支架的特征参数 2支架2 立柱2 前梁千斤顶2推移千斤顶2 侧推千斤顶 22232液压支架的总体设计332.2液压支架根本参数确定 6支架高度7支架的伸缩比7支架间距7理论支护强度78四连杆机构的作用8四连杆机构的几何特征8四连杆机构尺寸确实定916采煤机和运输机型号确实定16配套图.配套尺寸确实定 .16泵站和各平安阀的选择 162.5 顶梁的设计及期有关参数确实定16 顶梁的作用 16顶梁设计要求17顶梁结构型式确实定 17 顶梁主要尺寸确实定1820底座的作用 20底座设要求 20底座的结构确定 20底座主要尺寸确实定 20202.71掩护梁的作用 20掩护梁结构型式21掩护梁主要尺寸确实定 2121立柱的作用 21立柱结构形式确实定 21立柱主参数确实定 2223推移装置的作用23推移装置的结构型式确实定 23推移装置有关参数确定 2425侧护装置的作用25侧护装置结构形式确实定25侧护装置有参数确定26侧护板活动方式确实定272.11 前梁千斤顶的选择及有关参数确实定 27前梁千斤顶行程确实定28缸体内径和活塞直径28前梁千斤顶推拉力确实定283 支架受力分析计算283.1 液压支架的支护性能与外载荷283.2 支掩式支架的受力分析 29顶梁合力Fn及其作用点位置 30前后连杆力33 底座合力大小及其作用点位置34顶梁载荷分布 35支护强度计算 36底座平均接触比压 36支护效率 393.3 支架受力计算39原始数据3944支架支护高度对于受力的影响 44摩擦系统对支架受力的影响 43前梁千斤顶的推拉力对支架的受力影响 43瞬心位置角对支架受力影响 434立柱强度较核454.1立柱强度的验算 454.2油缸稳定性计算 454.3缸筒壁厚和外径计算与缸体的强度验算 45缸向等筒壁厚和外径计算与缸体强度计算 46油缸的稳定性计算 46活塞稳定性计算 48活塞杆的强度验算 484.4立柱的稳定性极限力 51参考文献52致谢53前言 液压支架是我们煤炭生产中一个重要的组成部件，它起着支护顶板，防止冒顶，维持工人一定的工作空间，保证平安和各项作业的正常运行。一个循环包括，降柱、移架、升柱、推溜四个动作。液压支架由顶梁，底座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要局部组成。目前液压支架的分类有三类型，即支撑式液压支架、掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架。液压支架以高压液压作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备。这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯含量较大中厚或厚煤层中，液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面的条件，投产后能做到高产、高效、平安、并为矿井的集中生产、优化管理和最正确经济效益提供条件，因此必须根据矿井煤层、地质、技术和设备条件进行选择。本设计采用支撑掩护式液压支架。1支撑掩护式液压支架的概述1.1 设计的原始条件本设计液压支架适用煤层度3到；直接顶为2类中等稳定顶板；老顶级别为级老顶周期来压为强烈1.2 支撑掩护式液压支架的特征参数 支架本设计液压支架的支护高度最低2.85m,最高3.87m，支护宽度 1.6m.初撑力3257.2KN；工作阻力KN；支护面积5.265.29m；支护强度0.7560.918Mpa；底座面积2.6m；底座比压1.55Mpa； 立柱本设计立柱采用单伸缩双作用活塞式带机械加长杆的形式，立柱缸径180mm活塞直径170mm，活柱行程1200mm，加长杆长度为750mm，分五档，每档150mm，扑初撑力814.3KN；工作阻力1017.88KN。 前梁千斤顶前梁千斤顶缸径180mm杆径70mm行程140mm；初撑力251.33KN拉力116.16KN；工作阻力314.16KN。1.2.4 推移千斤顶 推移千斤顶缸径125mm；行程700mm；推溜力111.61KN；移架力224.28KN。侧推千斤顶侧推千斤顶缸径63mm；推力90.40KN；拉力53.95KN；行程170mm；液压支架的结构特点该支架采用刚性能主梁加铰接前梁的分段组合式结构的顶梁；掩护梁采用直线型整体式箱形结构；底座采用整体式框架结构，以减小底座比压；立柱分前后两排布置，均向前倾斜，后排立柱倾角小于前排，有利于提高切顶性能；推移装置采用浮动活塞式，使移架力大于推溜力。液压支架的液压系统该支架液压系统包括立柱系统和千斤顶系统，操纵阀系统，千斤顶系统又包括推移千斤顶、侧推千斤顶、挑梁千斤顶系统。所有系统用同一泵站供液。本支架选用35Mpa作为泵站额定工作阻力，两位三通手动换向阀控制。 ZY28型支撑掩护式液压支架的配套尺寸设备运输机：SGWD-180PB型 采煤机：MLS3PH-170型2 液压支架的总体设计2.1 液压支架的特点目前液压支架架型的分类与特点1)液压支架的组成液压支架要由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操纵控制系统等主要局部组成、2) 液压支架架型的分类按照液压支架与围岩相互作用的关系，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支架。a.支撑式支架支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种型式。如图2-1b.掩护式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图2-2所示c.支撑掩护式支架支撑掩护式支架架型主要用：四柱支在顶梁上如图2-3a，b所示；二柱支在顶梁如图2-3，c所示一柱 或二柱支在掩护梁上。 a b 图2-1 a垛式 b节式 Fig2-1acorduroy  bdivisional b a b c图22Fig.2-2 a插腿式支架； support b立柱支在掩护梁上非插腿式支架 leg piece on support c立柱支在顶梁上非插腿式支架 leg piece  on support a b c图23 a四柱平行支在顶梁上支架 b四柱交叉支在顶梁两柱在掩护梁上支架c两柱在顶梁两柱支在掩护梁上支架3)各类液压支架的特点a支撑式支架前梁较长，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。因此底座巩固定，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩三石那么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切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压明显或强烈，底板较硬的煤层。b掩护式支架 顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力大，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。c支撑掩护式支架 支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价贵，不便于运输。这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层中。表2-1 适应不同类级顶板的架型和支护强度老顶级别直接顶类别12312312344架型 掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式或支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式支撑或支撑掩护式支撑或支撑掩护式采高时用支撑式采高时用支撑掩护式支护强度支架采高m1294×294×2942×294应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区2343245×343(245)×3432×3433441(343)×441(343)×4412×4414539(441)×539(441)×5392×539 Tab 2-1 Adaptive diffent cap of roof and model holding strength注：1表中括号内数字系统掩护式支架顶梁上的支护强度。 21.3、1.6、2为增压系数。 3表中采高为最大采高。 液压支架根本参数确定支架高支架高度确定原那么，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为： S1 (mm) (2-1) mm (2-2)式中： -支架最大高度，mm-支架最小高度， mm-煤层最大高度， =3600 mm-煤层最小高度， =3000 mmS1-考虑伪项煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200300mm，S1取270 mm，S2-顶板最大下沉量是，一般取100200 mm，S2取150 mm，a移架时支架的最小可缩量，一般取50 mm，浮矸石、浮煤厚度，一般取50 mm，由式21可得270=3870 mm由式22可得 30001505050=2750mm所以取：=3870mm=2750mm支架的伸缩比支架的伸缩比是指其最大与最小高度之比。 即：m=/ (2-3)m支架间距支架间距是相邻两支架中心之间的距离。目前，支架间距B主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶连接连接的位置确定。目前是，我国刮板运输机溜槽每节长度为，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以，支架间距一般为，本设计取B=1500mm。理论支护强度 本设计中支撑掩护式支架的名义支护强度 (2-4)支架名义支护强度, KN/m2采高所对应的支护强度，见表21采高所对应的支护强度，见表21对应的采高，见表21对应的采高，见表21支架的结构高度，在，之间。对应最大结构高度=3m =2=4m 2将各数据代入式24得采高最大时支架名义支护强度=705.6)2液压支架四连杆机构确实定四连杆机构的作用 四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要的部件之一，其作用概括起来主要有两个：一是支架由高到低变化时，借助四连杆机构的顶梁前端的运动轨迹呈近似双纽线，从而提高了管理顶板的性能；二是使支架能承受较大的水平力。四连杆机构的几何特征1)支架高度在最大和最小范围内变化时，如图24所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好在30mm以下。2)最高位置和最低位置时,顶梁与掩护梁的夹角P后连杆与底平面的夹角Q，如图2-4所示,应满足如下要求: 支架在最高位置时,P=520620,Q=750850;支架在最底位置时,为有利矸石下滑,防止矸石停留在掩护梁上,根据物理学摩擦理论可知,要求tgPW,如果纲和矸石0.而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一顶距离,防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般去Q=250300，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下绞点的高度。3)从图2-4可知，掩护梁与顶梁绞点e和瞬时中心O之间的连线与水平的夹角Q。设计时，要使Q角满足tgQ的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值图2-4 四连杆机构几何特征Fig .2-4 fore rods geometry feature line4)顶梁前端点运动轨迹双钮线向前凸的一段为支架最正确工作段，如图2-4所示的h段。其原因是顶板来压时，立柱让下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板阻止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减少，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁外负载。 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使e值减少。当掩护梁和后连杆的长度后，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，如图2-5所示实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构图2-5 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构 Fig .2-5 caving beam and guide rod  mechanism.3四连杆机构尺寸确实定a)掩护梁和后连杆长度确实定 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。 图2-6 掩护梁和后连杆计算图Fig. 2-6 caving beam and guide rod calculation图2-6中：L2-e点垂直线到后连杆下铰点之距，mmG-掩护梁长度mmA后连杆长度mmH1支架最大计算高度，由下式求得H1=H220160=3870220160=3490mm其中：220mm是后连杆下铰点与底平面之距；160mm是掩护梁上铰点与顶梁上平面之距了支架最小计算高度。由下式求得=-220160=2750220160=2370mmP1、P支架最高与最低下位置时，掩护梁与顶梁夹角(度)Q1 Q 支架最高与最低位置时，后连杆与底平面夹角度从几何关系可以列出如下两式： 11=L (25) 2=L (26)将以上两式联立可得： 27对于支撑掩护式支支架，A/G值应满足如下范围：支架在最高位置时有： 28 因此掩护梁长度为： 29后连杆长度为： A=G(A/G) (210)按四连杆机构的几何特征所要求的角度支撑掩护式支架要求的A/G值的范围，选取两组P,Q,P,Q数据，由式27,(29),(210)可求出A,G具体结果见表22b)四连杆机构其它各局部尺寸确实定用几何作图法来确定四连杆机构其它各局部尺寸。如图27具体作图步骤如下：1).确定后连杆下铰点O点的位置，使它比底座面略高200250mm或类比同类型支架确定2).过O点作与底座面平行的水平线HH线。3). 过O点作与HH线的夹角为Q1的斜线。4). 在此斜线截取线段，长度等于A,a点为支架在最高位置时后连杆与掩护梁的铰点。5). 过a点作与HH线有交角P1的斜线，以a点为圆心，以G点为半径作弧交些斜线一点e此点为掩护梁与顶梁的铰点。6). 过e点作HH线的平行线，那么HH线与FF线的距离为H1，为液压支架的最高位置时的计算高度。7. 以a点为圆心，以G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b,为前连杆上铰点的位置。8. 过O点作与HH线夹角为Q的斜线。9. 在此斜线上截取线段. 的长度等于A，a点为支架降到最低位置时，掩护梁与后连杆的铰点。10. 过a点作与HH线有交角P2的斜线，以a点为圆心，以G为半径作弧交些斜线一点e，此点为支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的铰点。11. 以a为圆心以0.220.3G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为支架在最低位置时前连杆上铰点的位置。12. 取线之间一点e为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁铰点。13. 以O为圆心，为半径圆弧。14. 以e点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点a，以点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。15.以连线，并以a点为圆心，ab长为半径作弧，交上一点b点。那么b， b,b三点为液压支架在三个位置时 ，前连杆上铰点。16.由b， b,b三点确定的圆心C，为前连杆下铰点位置。17.过C点HH线作垂线，交点d，那么线段,和为液压支架四连杆机构。18.按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点e的运动轨迹，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线，再按四连杆机构的几何特征进行校核，最终选出较优的四连杆机构尺寸。图27液压支架四连杆机构的几何作图法 Fig. 2-7 hydraulic support guide rod descriptive geometry 按以上作图步骤，作出三组不同的连杆机构几何分析图分别求出相关的参数和尺寸。图2-8四连杆机构几何图1Fig. 2-8 descriptive geometry (1)图28四连杆机构几何图2 Fig .2-8 descriptive geometry (2)图28四连杆机构几何图3Fig. 2-8 descriptive geometry (3)四连杆机构几何图见28 各尺寸参数见表22表22 tab2-2工程 组数支架在最高位置时P1580590590Q1800790790支架在最低位置时P2250230240Q2380330340mm242323902390前后连杆在掩护梁上铰点之距mm567626627瞬心角0190170前后连杆在底座上铰点水平之距(mm)720935860前后连杆下铰点到底座平面之距(mm)644570640前连杆长(mm)137216001500A=G(A/G) (mm)147814571457前后连杆长比值1.10支架顶梁前端运动双纽线最大宽度emm306038 注：通过比拟，本设计选取方案。c四连杆机构方案选优由上述方法求出四组连杆机构尺寸，从中优选一组。优选的方法是按约束条件进行筛选，从中选出一组最优值。 约束条件是根据tg值的要求和支架的结构尺寸关系定出来的1).前连杆机构高度不宜过大，一般应使DH1/5。2).前后连杆下铰点的水平距离E的长度，一般应使EH1/4.5。3).对掩护式支架应tg0.2。2.4液压支架配套设备及有关参数确实定2采煤机和运输机型号确实定根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为：运输机：SGWD-180PB型 采煤机：MLS3PH-1702配套图.配套尺寸确实定1)液压支架配套关系图,如图2-9所示。2)配套尺寸确实定，由图2-8可知配套尺寸 E=624233630376=1889mm图2-9 液压支架配套关系图Fig. 2-9 hydraulic support interrelation泵站和各平安阀的选择在设计中选择泵站型号为XRB2B型。泵站的理论工作压力为35Mpa,由于供液泵在工作过程中的磨损有等原因，实际供液压力为35Mpa，在立柱初撑阶段，因为没有应用液体流动，管路损失为零，取初撑压力为32Mpa。 顶梁的设计及期有关参数确实定 顶梁的作用顶梁是支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的连接点。顶梁设计要求 顶梁不但要有一定的刚度和强度，还要保证支护顶板的需要，如：有足够顶板覆盖效率，同时，要求顶梁能适应顶板变化，与顶板接触压力分布均匀，防止因局部应力而引起损坏。顶梁结构型式确实定 支撑掩护式支架的顶梁较长 ，为了改善顶梁的接顶状况，增大梁端支撑力，这类支架采用分段组合式顶梁，它有以下几种组合型式：1)刚性主梁铰接前梁刚性主梁和铰接前梁，如图29所示，该结构顶梁分前后梁并铰接，在铰接前梁设有前梁千斤顶，支撑靠近煤壁处的顶板，同时还可以调整前梁的上下摆角，以适应顶板不平的变化。2)刚性主梁伸缩前探梁这种组合方式如图29b所示，此结构前梁有伸缩千斤顶使它伸缩，因此及时伸出支护刚暴露的顶板，从而可使顶梁长度减小，也可使用前梁千斤顶和伸缩千斤顶，使前梁即可伸缩又可以上下摆动。3)刚性主梁铰接前梁伸缩前探梁这种结构形式是由刚性主梁，铰接前梁和在铰接前梁内装伸缩前探梁组成的，前探梁用来煤壁片帮后的支护。 对以上三种顶梁型式比拟，本设计选用刚性主梁铰接前梁的结构型式。本设计支架顶梁采用箱式结构，用钢板焊接而成，为加强刚性，上下盖板之间焊接加筋板，构成封闭式棋盘型。 (a) (b)图210 支架顶梁的结构形式Fig. 2-10 hydropost construction1前梁 2后梁 3前梁千斤顶 4前梁伸缩千斤顶 顶梁主要尺寸确实定1)顶梁长度L1L1 =配套尺寸底座长度AcosQ1-GcosP1-300配套尺寸为1889mm底座长度为2380mmQ1=800P1=580将以上数据代入211式得L=188923801478×cos8002432×cos50mm取顶梁长度为3025mm2)顶梁宽度目前我国刮板输送机溜槽宽每节长度为一节溜槽对应一个支架，顶梁宽度定为1.4m3)顶梁厚度通过类比取顶梁厚度为220mm4） 顶梁其它有关尺寸确实定通过类比，确定立柱上铰点，前梁千斤顶铰点，前后梁铰点，掩护梁与顶梁铰接点位置包括水平方向和垂直方向，各尺寸如图210所示顶梁要主参数确实定1.顶梁面积A顶梁面积A=L1.BL顶梁长度 取3026mm B取1500mmA=3026×1500=m图211支架结构尺寸总图Fig. 2-11 caving shield map支护面积S 顶梁支护面积按下式计算：S=(L1300).B (213)代入上式得：S=3026300×支架名义工作阻力F F=s× 2-14式中F支架名义工作阻力，KN待求支架在最高处名义工作阻力为：m 顶板覆盖率支架顶板覆盖按下式计算=A/S×100%=×100%顶板覆盖率将各数据代入式215=4.54/4.99×100%=90.98%底座的结构选择及主要参数确实定底座的作用底座在支架工序过程中起着将顶板压力传递到底板并稳固支架的作用。底座设要求：1） 底座应具有足够的强度和刚度；2） 底座对底板的起伏变化适应性好；3） 底座与底板接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，防止支架陷入底板；4） 底座应有足够的尺寸来安入立柱、推移装置及液压控制装置；5） 底座要能把落入支架内的碎矸推弃到老塘中。底座的结构确定通过类比本 设计采用整体式底座底座主要尺寸确实定1底座长度L2通过类比，取底座长度为2375mm通过类比，取底座宽度为1200mm底座其它尺寸确实定通过类比，确定立柱下铰点，连杆下铰点位置水平与垂直方向距离具体尺寸见图210掩护梁的结构选择及主要参数确定2.71掩护梁的作用掩护梁是支架的掩护构件，它有承受冒落矸石的载荷和顶板通过顶梁传递的水平载荷引起的弯矩。掩护梁结构型式如下:1从侧面看 掩护梁分直线型和折线型。2从支架高度方面看 掩护梁可分为整体式和对分式对以上几种类型的掩护梁进行比拟，本设计确定掩护梁的结构形式为整体式、直线型。掩护梁主要尺寸确实定1掩护梁长度G两铰