后四連桿低位放頂煤液壓支架設(shè)計說明書
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1、后四連桿低位放頂煤液壓支架 畢業(yè)設(shè)計說明書 摘 要? ? 縱觀世界液壓支架的發(fā)展歷史,從1854年英國率先研制成功了液壓支架到現(xiàn)在,液壓支架的設(shè)計研發(fā)已經(jīng)基本成熟。液壓支架是機械化采煤的重要設(shè)備之一,為此對它的設(shè)計研發(fā)有重大的意義。 本次設(shè)計,通過任務(wù)書的要求,設(shè)計適用于煤層厚度為5~12米滿足底板和頂板要求的的低位放頂煤液壓支架。 通過對現(xiàn)有低位放頂煤液壓支架的分析,優(yōu)勢對比,設(shè)計出適合的結(jié)構(gòu)形式,最后對立柱、頂梁、掩護梁和底座進行了強度校核計算。 關(guān)鍵字:低位放頂煤液壓支架;立柱;頂梁;掩護梁;底座;放煤機構(gòu)。
2、 Abstract Throughout the development of hydraulic support world history, from 1854 developed the first successful English hydraulic support to the present, hydraulic support design and development has been basically mature. Mechanized coal mining hydraulic support is one of the important eq
3、uipment, for its design and development of great significance. The design, through the mission statement of requirements, design suitable for seam thickness of 5 to 12 meters to meet the requirements of floor and roof caving hydraulic support low. Through the existing low-level caving hydraulic s
4、upport analysis, advantages compared to design a suitable structure, the last of columns, roof beams, beam shield, the base for the strength check calculation. Keywords: Low caving hydraulic support; column; roof beams; shield beam; base; caving agency. 目 錄 摘 要?I Abst
5、ractII 第1章 緒論1 1.1 放頂煤綜采法的優(yōu)缺點1 1.2 放頂煤液壓支架的發(fā)展歷史1 1.3 放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)的基本特點2 1.4 放頂煤液壓支架的分類2 1.5放頂煤液壓支架使用條件和適用圍3 1.5.1 放頂煤液壓支架使用條件3 1.5.2 放頂煤液壓支架適用圍3 第2章 支架的總體方案設(shè)計4 2.1設(shè)計任務(wù)4 2.2 支架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計4 2.2.1 中反四連桿放頂煤液壓支架4 2.2.2 中正四連桿低位放頂煤液壓支架5 2.2.3 中四連桿低位放頂煤液壓支架6 第3章 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計9 3.1 液壓支架設(shè)計的基本要求和基本參數(shù)
6、9 3.1.1液壓支架的設(shè)計目的9 3.1.2設(shè)計時對液壓支架的基本要求9 3.2液壓支架的參數(shù)確定10 3.2.1 支架高度10 3.2.2 支架的伸縮比11 3.2.3 支架間距的確定12 3.2.4 底座長度的確定12 3.3 頂梁長度的確定13 3.3.1 頂梁的長度計算13 3.3.2 頂梁寬度14 3.3.3 頂梁覆蓋率14 3.4立柱位置的確定15 3.4.1 支架立柱數(shù)的確定15 3.4.2 支撐方式16 3.4.3 立柱間距16 3.4.4 立柱柱窩位置的確定16 第4章 液壓支架的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計17 4.1 頂梁17 4.2 立柱17
7、 4.3 掩護梁17 4.4 四連桿機構(gòu)18 4.4.1 四連桿機構(gòu)的作用18 4.4.2 四連桿機構(gòu)的幾何特征18 4.4.3 用幾何作圖法來設(shè)計四連桿機構(gòu)19 4.5 底座23 4.6 側(cè)護板23 4.7 千斤頂24 4.7.1 推移千斤頂24 4.7.2 側(cè)推千斤頂24 4.7.3 前梁千斤頂24 4.7.4護幫千斤頂24 4.7.5 后推移輸送機千斤頂25 4.8 放煤機構(gòu)設(shè)計26 第5章 液壓支架受力分析27 5.1液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定27 5.1.1支護強度27 5.1.2初撐力27 5.1.3 移駕力和推溜力28 5.1.4 支柱與相
8、關(guān)液壓系統(tǒng)參數(shù)確定28 5.2 液壓支架立柱強度驗算31 5.2.1已知參數(shù)31 5.2.2油缸穩(wěn)定性計算 32 5.2.3活塞桿的強度計算 33 5.2.4 缸體的強度驗算 37 5.2.5液壓支架主要技術(shù)參數(shù)37 5.3 液壓支架受力分析38 5.3.1支架整體受力分析40 5.3.2 前梁受力分析41 5.3.3 頂梁受力分析41 5.3.4 掩護梁受力分析43 5.3.5 支架底座受力分析44 第6章 支架強度計算47 6.1強度條件 47 6.2 液壓支架的強度校核49 6.2.1前梁梁強度校核49 6.2.2頂梁強度校核53 6.2.3 底座的強
9、度校核59 6.2.4掩護梁的強度校核65 結(jié) 論72 致 73 參考文獻74 CONTENTS AbstractII The introduction chapter 1 1 1.1The advantagesand disadvantages of the caving fully mechanized method 1 1.2The development history of the caving hydraulic support1 1.3The basic characteristics of th
10、e caving hydraulic support structure 2 1.4 The classification of the caving hydraulic support 2 1.5The caving hydraulic support use conditions and applicable scope 3 1.5.1 The caving hydraulic support conditions of use 3 1.5.2The caving hydraulic support scope3 Overall design of bracket of chap
11、ter 24 2.1 Design task 4 2.2 Support structure design 4 2.2.1 In the four connecting rod caving hydraulic support4 2.2.2 Chiang kai-shek four-bar low caving hydraulic support 5 2.2.3 In the four connecting rod caving hydraulic support low 6 Chapter 3, the overall structure size of the hydrauli
12、c support design99 3.1 The basic requirement of the hydraulic support design and basic parameters 9 3.1.1 The design of hydraulic support 9 3.1.2The design of hydraulic support basic requirements9 3.2 The parameters of the hydraulic support 10 3.2.1 Bracket height 10 3.2.2 Stent expansion rati
13、o 11 3.2.3 Stent spacing is determined 12 3.2.4The determination of base length 12 3.3 Determination of top beam length 13 3.3.1 The length of the top beam is calculated 13 3.3.2 Top beam width 14 3.3.3 Top beam coverage 14 3.4 column position15 3.4.1 Stents, determine the number of columns
14、15 3.4.2 Strut way 16 3.4.3 Column spacing 16 3.4.4 Column column nest position 16 Chapter 4 of the hydraulic support parts structure design17 4.1 Top beam 17 4.2 Column 17 4.3 Cover beam 17 4.4 The four bar linkage 18 4.4.1The role of the four bar linkage 18 4.4.2The geometrical character
15、istics of the four bar linkage 18 4.4.3With geometric mapping method to design a four bar linkage19 4.5 The base 23 4.6 The side guard 23 4.7 Jack 24 4.7.1 Goes on jack 24 4.7.2 Side pushing jack 24 4.7.3 Before jack liang 24 4.7.4 Protection to help jack 24 4.7.5 After jack goes on conveyo
16、r 25 4.8 Coal mechanism design 26 Chapter 5 hydraulic support force analysis27 5.1 The determination of hydraulic support basic technical parameters 27 5.1.1 Support strength 27 5.1.2 The early support force 27 5.1.3 Shift driving force and pushing force 28 5.1.4 Pillar and the related parame
17、ters in the hydraulic system 28 5.2 Hydraulic support pillar strength calculation 31 5.2.1The known parameters 31 5.2.2Oil cylinder stability calculation32 5.2.3The strength of the piston rod is calculated 33 5.2.4 The strength of the cylinder block 37 5.2.5Main technical parameters of hydraul
18、ic support 37 5.3 Hydraulic support force analysis 38 5.3.1Support the overall stress analysis 40 5.3.2 Before the beam force analysis41 5.3.3 Top beam force analysis 41 5.3.4 Cover the beam stress analysis 43 5.3.5 Support base of stress analysis 44 Chapter 6 stent strength calculation47 6.
19、1 Strength condition 47 6.2 Hydraulic support intensity 49 6.2.1Before Liang Liang intensity 49 6.2.2Top beam intensity 53 6.2.3The strength of the base respectively 59 6.2.4Cover beam intensity 65 Conclusion72 Acknowledgements73 Bibliography74 76 / 84 第1章 緒論 1.1 放頂煤綜采法的優(yōu)缺點 優(yōu)點: 1
20、生產(chǎn)集中化程度高,大大減少采區(qū)數(shù)目與工作面的巷道掘進量,以與相應(yīng)的支護,維護等工作量與材料消耗。 2 依靠礦壓自動破煤,大大減少設(shè)備的動力。 缺點: 1煤的回收率一般較分層開采時低 2 易使頂板矸石與放落的頂煤相混合,使煤的含矸率增加。 3 對防火,防塵的要求高。 4 受頂板和煤層特性的限制,工作面推進速度也受一定的限制。 1.2 放頂煤液壓支架的發(fā)展歷史 放頂煤支架是綜采放頂煤技術(shù)的核心設(shè)備。自20世紀70年代以來,我國放頂煤支架經(jīng)歷了從引進國外的高位開天窗式單輸送機放頂煤支架和中位開天窗式雙輸送機放頂煤支架,到自行研制的四柱支撐掩護式低位放頂煤支架的發(fā)展過程,每一次架型的
21、重大改革都帶來了放頂煤技術(shù)的重大進步,成為放頂煤技術(shù)發(fā)展階段的標志。目前,在我國煤礦高位和中位放頂煤支架已被淘汰,在放頂煤工作面推廣使用的主導架型有正連桿四柱支撐掩護式低位放頂煤支架、反向四連桿四柱支撐掩護式低位放頂煤支架和單擺桿四柱支撐掩護式低位放頂煤支架[7]。這三種型式的支架在不同的開采條件下取得良好的效果,為放頂煤技術(shù)的發(fā)展提供了裝備技術(shù)的保證。 法國是最早生產(chǎn)和應(yīng)用放頂煤液壓支架的國家,20世紀60年代法國率先研制出節(jié)式放頂煤液壓支架,開采特厚煤層并獲得成功,70年代法國、英國、匈牙利、原聯(lián)邦德國和前聯(lián)等國家又先后研制出插板式、開天窗式和開后門式放頂煤液壓支架,使得特厚煤層開采工
22、藝有了新的突破,量和效率不斷提高。 我國放頂煤液壓支架的研究始于20世紀80年代初,20年來,得到了迅速發(fā)展。為適應(yīng)不同地質(zhì)和煤層條件的需要,出現(xiàn)了高、中、低放頂煤液壓支架并存的局面。 低位放頂煤液壓支架的放煤口位置低,尺寸大,而且是連續(xù)的,多為插板式。無支架背煤煤炭損失,放煤在支架后方,放煤效果好,煤塵小,后輸送機外運煤順利,一般不需要清理后放浮煤。支架尾梁還可以擺動,提高頂煤的回收率。因此,低位放頂煤液壓支架一出現(xiàn),即得到了用戶的認可。[1][4] 1.3 放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)的基本特點 1 一般采用整體性,穩(wěn)定性與掩護性好的支撐掩護式和掩護式液壓支架。 2 有較寬敞,便于控制
23、的放煤口以與松動,破碎煤塊的輔助裝置。 3 支架受上部頂板和頂煤放落時的動載影響較大,因此要求支架縱向和側(cè)向穩(wěn)定性較高。 4 支架調(diào)高圍要求不嚴。為使操作,行人等比較方便,支架高度一般為2~3m。 1.4 放頂煤液壓支架的分類 放頂煤液壓支架 1.5放頂煤液壓支架使用條件和適用圍 1.5.1 放頂煤液壓支架使用條 采用放頂煤綜采的4個重要條件是:地質(zhì)條件適應(yīng)性,液壓支架選型的正確性,采放工藝的合理性和工作面管理的嚴格性。 1.5.2 放頂煤液壓支架適用圍 1 煤層厚度一般為5~12m左右,或者厚度變化比較大。 2 煤質(zhì)比較松軟,或節(jié)理發(fā)育,容易在礦壓作用下冒
24、落的煤層。 3 對于松軟和易碎裂煤層,厚度為5~8m左右時,可選用掩護式支架,采用天窗式結(jié)構(gòu),如單輸送機放頂煤支架;對于煤層較大,煤質(zhì)較硬,但節(jié)理發(fā)育,易碎裂的煤層,可用支撐掩護式支架,采用插板式或天窗插板式等結(jié)構(gòu)。 4 底板中等穩(wěn)定以下,可隨采隨冒。 5 工作面傾角一般不大于300。 第2章 支架的總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計任務(wù) 根據(jù)已知采高5~12m、傾角8°、頂板,底板允許比壓1.96MPa的地質(zhì)條件,設(shè)計低位放頂煤液壓支架,通過尾梁的控制實現(xiàn)性能優(yōu)良的放頂煤要求。 2.2 支架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 低位放頂煤液壓支架常見的支撐方式有兩柱掩護式和四柱支撐掩護式。根據(jù)設(shè)計任務(wù),本次
25、設(shè)計的液壓支架的頂板為2類Ⅱ級,查《支護手冊》選用四柱支撐掩護式液壓支架。 通過查閱相關(guān)資料,本次設(shè)計在以支撐掩護式為設(shè)計條件下設(shè)計了三種不同形式的結(jié)構(gòu)方案。分別為中(反)四連桿放頂煤液壓支架﹑中(正)四連桿放頂煤液壓支架、后四連桿放頂煤液壓支架。 2.2.1 中反四連桿放頂煤液壓支架 1采用雙前連桿和單后連桿結(jié)構(gòu)的寬形反向四連桿機構(gòu),布置在前后立柱之間,提高了支架的抗偏載能力和整體的穩(wěn)定性。 2大插板使尾梁放煤機構(gòu),其尾梁千斤頂可雙位安裝,既可支設(shè)在頂梁上,也可只設(shè)在底座上,一般狀態(tài)是只設(shè)在頂梁上。后部放頂煤空間大,為順利放煤創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境,可充分發(fā)揮后部輸送機的運輸能力
26、,操作維修方便。尾梁搬動有利于落煤,插板伸縮值大,放煤口調(diào)節(jié)靈活,對于大煤塊的破碎能力強,可顯著提高頂煤的采出率。 3支架為四柱支撐掩護式支架,后排立柱支撐在頂梁與四連桿機構(gòu)鉸接點的后端,可適應(yīng)外載之中作用變化,切頂能力強。 4頂梁相對較長,掩護空間較大,通風斷面大,而且對頂板的反復支撐可使較穩(wěn)定的頂煤在礦壓作用下預先斷裂破碎,利于放煤。 5反向四連桿機構(gòu)經(jīng)過總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,連桿力較小,是一般正向四連桿機構(gòu)連桿力的50%~70%,支架的結(jié)構(gòu)可靠性高。 6底座對底板比壓分配合理,前端比壓較小,能適應(yīng)軟底板條件,移架阻力小,有利于順利移架。[14] 圖2-1
27、 中四連桿低位放頂煤液壓支架(反向) 2.2.2 中正四連桿低位放頂煤液壓支架 從實踐與全國許多綜放工作面生產(chǎn)實踐證明,四柱正向四連桿支撐掩護式放頂煤支架在與圍巖的相互作用中,普遍存在前后排立柱受力不均衡現(xiàn)象,一般表現(xiàn)為前排立柱受力大,后排立柱受力小,甚至出現(xiàn)后排立柱受拉的現(xiàn)象,在這種工況下,支架的支護能力不能有效發(fā)揮,有效支護強度大幅度減小,底座前端對底板比壓增大,支架的力學特性惡化,嚴重時會影響工作面的正常生產(chǎn)和安全。[14] 圖2-2 中四連桿低位放頂煤液壓支架(正向) 通過比較,在放煤機構(gòu)一樣的情況下,因為工作底板較軟,因此反向四連桿低位放頂煤液壓支架比正向四連桿低
28、位放頂煤液壓支架更為適合所給的條件。因此這里選擇反向四連桿低位放頂煤液壓支架機構(gòu)。 2.2.3 中四連桿低位放頂煤液壓支架(擺動式放煤支架) 擺動式放煤機構(gòu)如下圖所示,由放煤千斤頂、小插板千斤頂、放煤擺動板組成,主體是放煤擺動板。放煤擺動板部有軌道,用以安裝小插板,上端鉸接在掩護梁放煤口上沿,在中、下部由兩個一端固定在底座上的放煤千斤頂推拉,使放煤擺動板上、下擺動,與掩護梁形成一定的角度,用于破碎頂煤和打開整個窗口。 在放煤擺動板裝有可伸縮的小插板,小插板前端設(shè)有用于插煤的齒條,齒條下部有耳坐,與插板千斤頂聯(lián)接。在插板千斤頂作用下,插板伸出或收回,用于啟閉局部窗口。[
29、22] 圖2-3 擺動式放煤機構(gòu) 圖2-4 后四連桿低位放頂煤液壓支架 中四連桿低位放頂煤液壓支架,它的掩護梁由鉸接在頂梁的平衡千斤頂或鉸接在底座上的千斤頂支撐。掩護梁下部有可伸縮插板,放煤時收回插板,利用千斤頂?shù)纳炜s調(diào)整放煤口進行放煤,放煤后伸出插板擋住矸石流入后輸送機。這種結(jié)構(gòu)能夠滿足放煤工藝,放煤口與工作空間的要求。從支架整體設(shè)計看,其橫向穩(wěn)定性差,極易將千斤頂與其支座損壞。 后四連桿低位放頂煤液壓支架,支架后部由掩護梁,前后連桿,底座,尾梁行成工作空間,用以放煤和布置后輸送機。由尾梁與其千斤頂組成放煤機構(gòu),操縱鉸接在掩護梁上的尾梁千斤頂,可使尾梁向上
30、轉(zhuǎn)動,以松動頂煤或擋矸。向下轉(zhuǎn)動尾梁時收回插板進行放煤,可視情況反復多次進行放煤。這種架型穩(wěn)定性好,有利于放煤,放煤口大,操作方便。 綜合以上三種方案,本次設(shè)計選取后四連桿低位放頂煤液壓支架形式進行設(shè)計。 第3章 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 3.1 液壓支架設(shè)計的基本要求和基本參數(shù) 3.1.1液壓支架的設(shè)計目的 采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需要,必須大量生產(chǎn)綜合機械化 采煤設(shè)備,迅速增加綜合機械化采煤工作面。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架,可見對液
31、壓支架的需求量是很大的。 由于不同采煤工作面的頂?shù)装鍡l件、煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質(zhì)等的不同,對液壓支架的要求也不同。為了有效的支護和控制頂板,必須設(shè)計出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。因此,液壓支架的設(shè)計工作時很重要的。由于液壓支架的類型很多,因此其設(shè)計工作量也是很大的。由此可見,研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。 3.1.2設(shè)計時對液壓支架的基本要求 1 為了滿足采煤工藝與地質(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,保證合理的的下沉量。 2 液壓支架要有足夠的的推溜力和移架力。推溜力一般為100kN;移架力按煤層厚度而
32、定,薄煤層一般為100~150kN,中厚煤層一般為150~250kN厚煤層一般為300~400kN。 3 放矸性能要好。 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斷面,從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的的要求。 6 為了操作和生產(chǎn)的需要,要有足夠的人行道。 7 調(diào)高圍大,照明和通信方便。 8 支架的穩(wěn)定性要好,底座最大比壓要小于規(guī)定值。 9 要去支架有足夠的剛度,能夠承受一定的不均勻載荷和沖擊載荷。 10 在滿足強度的條件下,盡可能減輕支架的重量。 11 要易于拆卸,結(jié)構(gòu)簡單。 12 液壓元件要可靠。 3.2液壓支架的參
33、數(shù)確定 3.2.1 支架高度 支架高度的確定原則,一般應(yīng)首先確定支架適用煤層的平均采高,應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度,采區(qū)圍地質(zhì)條件的變化等因素來確定,然后確定支架高度對于大采高支架,按下式確定計算高度,即: 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初撐力所需要的支撐高度,一般取mm; ——頂板最大下沉量,一般取mm; ——移架時支架的最小可縮量,一般mm; ——浮矸石、浮煤厚度,一般取mm。 本次設(shè)計給定支架最大高度3000mm,最小高度1600mm。 3
34、.2.2 支架的伸縮比 支架的伸縮比是指支架的最大與最小高度值之比,即: 支架的最大高度與最小高度之差為支架的調(diào)高圍。調(diào)高圍越大,支架適用圍越廣,但過大的調(diào)高圍給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計造成困難,可靠性降低。由于液壓支架的使用壽命要求較長,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。在采用雙伸縮立柱時,垛式支架的伸縮比為1.9;支撐掩護式支架為 2.5;掩護式支架可達 3。一般圍是1.5 至 2.5,煤層較薄時選大值。但考慮盡量減輕重量采用單伸縮油缸或帶機械加長桿來增加調(diào)高圍。一般根據(jù)單位缸長行程來確定,當圍可采用單伸縮。 由公式(3-1)得 式中 ——單位缸長行程
35、; ——活塞全部伸出時立柱的總長度,mm; ——活塞全部縮回時立柱的總長度,mm; ——活塞行程,mm。 由支架的最大、最小高度,可得活塞的行程為1500mm;而活塞全部縮回時立柱的總長,暫用支架的最小高度 1700mm。由(3-2)得: 支柱應(yīng)采用雙伸縮立柱,但考慮其制造成本與放頂煤液壓支架工作條件,選擇單伸縮機械加長立柱。 3.2.3 支架間距的確定 支架中心距一般等于工作面刮板輸送機一節(jié)溜槽的長度。目前國外液壓支架中心距大部分采用1.5m和1.75m。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。
36、 而一般支架間距,按下式計算: 式中 ——支架間距(支架中心距),mm; ——每架支架頂梁寬度,mm; ——相鄰支架(或框架)頂梁之間的間隙,mm; ——每架所包含的組架的組數(shù)或框架數(shù); 支架間距要根據(jù)支架型式來確定,但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連,因此目前主要根據(jù)輸送機溜槽每節(jié)長度與槽幫上千斤頂聯(lián)結(jié)塊的位置來確定,我國刮板輸送機溜槽每節(jié)長度為1.5m、1.75m,千斤頂聯(lián)結(jié)塊位置在溜槽長度的中間,所以除節(jié)式和邁步式支架外,支架間距一般為1.5m或1.75m。本文取1.5m。 3.2.4 底座長度的確定 底座起將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)定支架的作用。
37、在設(shè)計支架底座的長度時,應(yīng)考慮如下方面:支架對底板的接觸比壓要??;支架部應(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;保證支架保持穩(wěn)定性。 通常掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距(一個移架步距為0.6m), 即2.1m左右,支撐掩護式支架的底座長度取4倍的移架步距,即2.4m左右。 本文設(shè)計支架為支撐掩護式,估取底座長度為2400mm。 3.3 頂梁長度的確定 支架頂梁的長度與配套尺寸有直接關(guān)系。同時為了防止當采煤機向支架傾斜時,采煤機滾筒不截割頂梁,又考慮到采煤機截割時,不一定把煤壁截割成一個平面,所以在設(shè)計時,要求頂梁前端距煤壁最小距離
38、為300mm,這個距離叫空頂距。另外,在輸送機鏟煤板前也留有一定的距離。一般為135~150mm,也是為了防止采煤機截割煤壁不齊,給推移輸送機留有一定距離。除此以外,所有配套設(shè)備包括采煤機和輸送機,均要在頂梁掩護下工作,以此來計算頂梁長度。 3.3.1 頂梁的長度計算 掩護式與支撐掩護式液壓支架頂梁長度計算公式: 式中 配套尺寸——參考原煤炭部煤炭科學研究院編制的綜采設(shè)備配套圖冊確定; 底座長度——底座前端至連桿下鉸點的距離; e——支架由高到低頂梁前端點最大變化距離; ——如圖所示,支架在最高位置時,分別為后連桿和掩護梁與水平面的夾角。 本
39、次設(shè)計選用的配套采煤機為MG150/380—WD 圖3.3 配套尺寸圖 配套尺寸=(630+173+1130)mm=1933mm 頂梁長度=(1933+2400+1600-300-52+150)=3492mm 取3600mm。 3.3.2 頂梁寬度 由于取中心距為1.5m,有活動側(cè)護板頂梁寬度取值圍為1.41.6m,本次設(shè)計取支架頂梁的最小寬度為1420mm,最大寬度為1590mm,選取雙側(cè)活動側(cè)護板,亦即頂梁側(cè)護板側(cè)推千斤頂?shù)男谐倘?70mm。 頂梁寬度根據(jù)支架間距和架型來定,架間間隙為0.2m左右。其中寬面頂梁一般為1.2~1.5m。 這里取頂梁寬度為:1380mm(不
40、包括活動側(cè)護板)。 3.3.3 頂梁覆蓋率 頂板覆蓋率按下式計算: 式中: ——頂梁覆蓋率; ——頂梁寬度(包括側(cè)護板伸出寬度),mm; ——頂梁總長度,mm; ——梁端距,mm; ——相鄰頂梁間間隙。 對于穩(wěn)定頂板覆蓋率δ值要求為60~70%,對于中等穩(wěn)定頂板覆蓋率δ值要求為75~85%,對于破碎頂板,覆蓋率δ指應(yīng)達到85~95%。 此設(shè)計的頂梁覆蓋率: 3.4立柱位置的確定 3.4.1 支架立柱數(shù)的確定 目前國支撐式液壓支架立柱數(shù)為2~6根,常用為4根;掩護式液壓支架為2根;支撐掩護式液壓支架為4根。本次設(shè)計考慮設(shè)計任務(wù)書給定的條件查支護手冊,選定支
41、護方式為支撐掩護式,故立柱數(shù)目為4 3.4.2 支撐方式 本設(shè)計為支撐掩護式支架,根據(jù)結(jié)構(gòu)要求呈傾斜或垂直布置,一般立柱與頂梁垂線夾角小于,由于夾角較小,有效支撐能力較大。故前排立柱取,后排立柱垂直布置。 3.4.3 立柱間距 立柱間距指對支撐式和支撐掩護式支架而言前、后柱的間距。立柱間距的選擇原則為:有利于操作、行人和部件合理布置。支撐式支架和支撐掩護式支架的立柱間距為1~1.5m。本支架立柱間距選1m。 3.4.4 立柱柱窩位置的確定 對于支撐掩護式液壓支架的柱窩位置確定,根據(jù)支撐力分布與頂板載荷相一致的原則,通過受力分析計算,確定柱窩合力作用點位置。根據(jù)前后連桿間行人的要求
42、,對支撐掩護式液壓支架還要考慮立柱傾角的要求,分配前,后柱窩位置。 第4章 液壓支架的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 頂梁 頂梁是工作面頂板直接接觸的部件,除要滿足一定的剛度和強度要求外,還要保證支護頂板的需要,如:足夠的頂板覆蓋率;同時要適應(yīng)頂板的不平整性,避免因局部應(yīng)力而引起損壞。 支架常用頂梁形式有3種:整體頂梁、鉸接頂梁和楔形結(jié)構(gòu)頂梁。本次設(shè)計選用較接式頂梁,鉸接式頂梁在前梁千斤頂?shù)耐评?,前梁可以上下擺動,對不平頂板的適應(yīng)性強。運輸時可以將前梁放下與頂梁垂直,以減小運輸尺寸。前梁千斤頂必須有足夠的支撐力和連接強度,前梁上不宜設(shè)置側(cè)護板。為順利移架,前梁間一般要留有10
43、0~150mm間隙,從而增加了破碎頂板漏矸的可能性。本次設(shè)計的液壓支架為了適應(yīng)復雜的頂板情況,所以采用鉸接式頂梁。 4.2 立柱 立柱是支架的承壓構(gòu)件,它長期處于高壓受力狀態(tài),它除應(yīng)具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外,還必須有足夠的抗壓、抗彎強度,良好的密封性能,結(jié)構(gòu)要簡單,并能適應(yīng)支架的工作要求。 立柱按動作方式,可分為單作用和雙作用;按支架種類,可分為活塞式和活柱式;按伸縮方式,可分為單伸縮和雙伸縮。本次設(shè)計采用單伸縮機械加長立柱。 4.3掩護梁 掩護梁是掩護式和支撐掩護式支架的掩護構(gòu)件,除防止采空區(qū)冒落矸石涌入工作面外,并承受冒落矸石的壓力和頂梁分解的水平力。掩護梁采用整體箱
44、形鋼板焊接結(jié)構(gòu),在掩護梁上端與頂梁鉸接,下部焊有與前后連桿鉸接的耳座。充分考慮了大采高支架復雜的三維空間受力,以與垮落頂板對梁體可能造成的沖擊破壞,安全系數(shù)大,強度高。配置單向活動側(cè)護板,減少架間漏矸和防止大采高支架橫向傾倒。掩護梁上端與頂梁鉸接,下部與前、后連桿或直接與底座鉸接?;顒觽?cè)護板裝在掩護梁的一側(cè)。低位放頂煤液壓支架的掩護梁還要連接支架的尾梁與插板,安裝尾梁千斤頂。 4.4 四連桿機構(gòu) 由于考慮放頂煤后鉸接插板擺動千斤頂?shù)母缮鎲栴},本次設(shè)計前后四連桿都采用單獨鉸接。 4.4.1 四連桿機構(gòu)的作用 1 通過四連桿機構(gòu),使支架頂梁端點的運動軌跡呈近似雙曲線,從而使支架頂梁前端的
45、端頭離煤壁距離大大減小,提高了管理頂板的性能。 2 能承受較大的水平力。 4.4.2四連桿機構(gòu)的幾何特征 1 支架從最高高度降到最低高度時,頂梁端點運動軌跡的最大寬度最好為30mm以下。 2支架在最高位置時和最低位置時,頂梁與掩護梁的夾角P和后連桿與底平面的夾角Q,應(yīng)滿足以下要求: 支架在最高位置時,~,~;支架在最低位置時,考慮矸石便于下滑,以防矸石停留在掩護梁上,根據(jù)物理學摩擦理論可知,,如果按鋼和矸石的摩擦系數(shù)為,即:,求得;為了安全可靠在最低工作位置時,應(yīng)使為宜,而Q角主要考慮掩護梁底部距底板要有一定的距離,防止支架后部冒落的巖石卡住后連桿,使支架不能降下來,一般取,在特殊
46、情況下需要角度較小時,可提高后連桿下鉸點的高度。 4.4.3用幾何作圖法來設(shè)計四連桿機構(gòu) 設(shè)計步驟: 1.確定掩護梁上絞點與頂梁頂面之距和后連桿下鉸點與底座底面之距 掩護梁上絞點與頂梁頂面之距根據(jù)支架最大高度確定,一般支架取150~200mm,重型支架取210~260mm。本文取250mm。 后連桿下鉸點與底座底面之距根據(jù)支架最小高度確定,薄煤層支架取150~250mm,中厚煤層支架取250~450mm,大采高支架取450~600mm。本文取450mm。 2.掩護梁和后連桿長度確定 首先用解析法確定掩護梁和后連桿的長度,如圖4-1所示。 圖中: ——掩護梁長度; ——后連桿
47、長度; ——過E1點的垂直線到后連桿下鉸點之距; ——支架最高位置時的計算高度; mm ——支架最低位置時的計算高度; mm 從幾何關(guān)系可以列出: (4-1) (4-2) Y由(4-1)、(4-2)聯(lián)立解得: (4-3) 按四連桿機構(gòu)的幾何特征所要求的角度,選定: 圖4-1 掩護梁和后連桿計算示意圖 將數(shù)據(jù)代入(4-3)得: 支架在最高位置時的值為: 因此掩護梁的長度為: ?。篖=1600 mm 后連桿長度為: 一般, 故?。簃m 根據(jù)掩護梁長度
48、和后連桿長度重新計算出: 圖4-2 液壓支架四連桿機構(gòu)幾何關(guān)系圖 3.幾何作圖法作圖過程 作圖步驟如下: (1)確定后連桿下鉸點O點的位置,使它大體比底座略高,一般為200~250mm,考慮太低安裝銷子困難,太高底座又笨重。根據(jù)支架結(jié)構(gòu)取450mm。 (2)過O點作水平線H-H線與底座相平行。 (3)過O點作一條直線與水平線H-H線相交其交角為。 (4)以O(shè)點為圓心,以L1為半徑作圓,與該直線相交于A點,即為后連桿與掩護梁的上鉸點。 (5)過A點作一條直線與水平線H-H線相交其交角為。 (6)以A點為圓心,以L為半徑作圓,與該直線相交于E1點,即為掩護梁、與頂梁的鉸點。
49、 (7)過E1點作一條直線與水平線H-H平行的F-F直線,則H-H線與F-F線的距離為h1,即為液壓支架最高位置的計算高度。 (8)以A點為圓心,以0.25倍的L為半徑作圓,即為前連桿的上鉸點。 (9)過E1點作F-F線的垂線。假設(shè)在液壓支架升降過程中,E1點近似在此直線上滑動。 (10)在垂線上作液壓支架在最低位置時,頂梁與掩護梁的鉸點為E3。 (11)取E1E3中點為E2點,為液壓支架在降到中間位置時,掩護梁與頂梁的鉸點。 (12)以O(shè)點為圓心,以為半徑作圓弧。 (13)以E2點為圓心,以掩護梁長L為半徑作圓,與圓弧相交于A1點,此點為液壓支架在降到中間位置時,掩護梁與后連桿的
50、鉸點。 (14)以E3點為圓心,以掩護梁長L為半徑作圓,與圓弧相交于A2點,此點為液壓支架在最高位置時,掩護梁與后連桿的鉸點。 (15)以A1點為圓心,以0.25倍的L為半徑作圓,與E2A1相交于B1點。以A2點為圓心,以0.25倍的L為半徑作圓,與E3A2相交于B2點。即B、B1、B2三個點為液壓支架在三個位置時的前連桿的上鉸點。 (16)連接A1O、A2O,為液壓支架降到中間位置和最低位置時,后連桿的位置。 (17)分別作B B1和B1 B2的垂直平分線交于C點,即為前連桿的下鉸點,BC為前連桿的長度。 (18)過點C向H-H線作垂線,交于D點。則AO、AB、BC、CD為液支架的
51、的四連桿機構(gòu)。 最終確定四連桿機構(gòu)的各項尺寸為: AO = 1500 mm AB = 400 mm BC = 2300 mm CD = 342 mm 4.5 底座 液壓支架的底座常用形勢有3種,即整體式剛性底座、低分式剛性底座和鉸接式分體底座。通過比較和對本次設(shè)計任務(wù)的環(huán)境適應(yīng)性分析,最終決定本次設(shè)計采用整體式剛性底座,它的整體性剛度和強度好,底座接觸面積大,有利于減小對底板的比壓。 4.6側(cè)護板 頂梁側(cè)護板裝置一般由側(cè)護板、彈簧套筒、側(cè)護板千斤頂、導向套和連接銷軸等組成。支架常用的活動側(cè)護板形式有3種,即直角式單側(cè)活動側(cè)護板、直角式雙側(cè)活動側(cè)護板和折頁式單側(cè)活動
52、側(cè)護板。結(jié)合本次設(shè)計的需求,選擇直角式雙側(cè)活動側(cè)護板。 4.7 千斤頂 4.7.1 推移千斤頂 推移千斤頂按連接方式分有直接連接方式、框架連接方式和浮動活塞式。 本次設(shè)計要求拉架力大于推溜力,且為支撐掩護式液壓支架,因此選擇框架連接方式。 4.7.2 側(cè)推千斤頂 作用:側(cè)推千斤頂伸出時,使活動側(cè)護板外移,可密閉架間間隙,起到防矸、導向、防倒和調(diào)架的作用;側(cè)推千斤頂縮回時,使活動側(cè)護板縮回,可以減少移駕阻力。 根據(jù)安裝位置的不同,側(cè)推千斤頂?shù)脑O(shè)計也會有所不同,詳細參數(shù)見表4-1。 4.7.3 前梁千斤頂 前梁千斤頂?shù)母左w用圓柱銷固定在主梁下的耳座上,活塞桿與前梁相連。前梁有伸縮
53、梁和挑梁兩種,本次采用跳梁設(shè)計。挑梁可以使前梁上下擺動,加大前梁端部的支撐力。 4.7.4護幫千斤頂 當采高大于2.5米的時候,液壓支架需要有護幫裝置,以防止片幫的發(fā)生。護幫千斤頂?shù)母左w用銷軸固定在前梁上,活塞桿固定在護幫板上。當千斤頂伸出時,護幫板支撐在煤壁上。在千斤頂活塞腔油路上加液控單向閥鎖緊,并加安全閥進行保護。當千斤頂縮回時,因千斤頂活塞桿腔無液控單向閥鎖緊,所以在前梁上加設(shè)一個彈簧的機械鎖。 4.7.5 后推移輸送機千斤頂 后推移千斤頂主要用于放頂煤開采后輸送機的調(diào)整,跟推移千斤頂類似,只是不需要較大的拉架力。 表4-1 各千斤頂參數(shù)表 推移千斤頂 型式 反拉框
54、架式 -- 缸徑/柱徑 mm 125/70 -- 推力/拉力 kN 386/265 -- 行程 mm 700 -- 側(cè)推千斤頂 型式 雙側(cè)直角式活動側(cè)護板 -- 缸徑/柱徑 mm 63/45 -- 推力/拉力 kN 98/48 -- 行程 mm 170 -- 護幫千斤頂 型式 雙作用單伸縮 -- 缸徑/柱徑 mm 80/45 -- 推力/拉力 kN 158/108 -- 行程 mm 400 -- 尾梁擺動千斤頂 型式 雙作用單伸縮 -- 缸徑/柱徑 mm 100/60 -- 推力/拉力
55、 kN 245/158 -- 行程 mm 400 -- 插板千斤頂 型式 雙作用單伸縮 -- 缸徑/柱徑 mm 80/45 -- 推力/拉力 kN 158/108 -- 續(xù)表 行程 mm 300 -- 拉后溜千斤頂 型式 雙作用單伸縮 -- 缸徑/柱徑 mm 125/70 -- 推力/拉力 kN 386/265 -- 行程 mm 800 -- 前梁千斤頂 型式 雙作用單伸縮 -- 缸徑/柱徑 mm 125/70 -- 推力/拉力 kN 386/265 -- 行程 mm
56、 140 -- 4.8 放煤機構(gòu)設(shè)計 現(xiàn)有低位放頂煤液壓支架的放煤機構(gòu)主要是以插板的形式放煤,其中有兩種比較普遍,一種是以整個掩護梁為為插板形式,另一種是一種是在掩護梁上鉸接一個插板的形式。由于這兩種放煤機夠都有自己配套的支架結(jié)構(gòu)形式,本次設(shè)計采用了支撐掩護式液壓支架的結(jié)構(gòu),因此這里設(shè)計成在掩護梁后鉸接一個插板的放煤結(jié)構(gòu)。 插板由插板千斤頂與掩護梁梁相連,與掩護梁鉸接,是實現(xiàn)放頂煤的直接部件,其主要作用有:? ?1.收回插板實現(xiàn)放頂煤;? 2.伸出插板阻擋矸石進入后部運輸機;? 3.當有大塊煤落下時,利用插板尖齒可將塊煤破碎。? 本支架插板是由鋼板拼焊的等斷面結(jié)
57、構(gòu),插板千斤頂耳座放在插板部,在插板下部開以窗口方便插板千斤頂?shù)陌惭b。同時在插板下部外表面焊接有耳座,用于連接插板擺動千斤頂,以實現(xiàn)插板的擺動,有利于放煤。整個插板的具體形式見裝配圖。 第5章 液壓支架受力分析 5.1液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定 5.1.1支護強度 支護強度是指支架對單位面積頂板提供的工作阻力。 (5-1) 式中 ——支架總工作阻力,N; ——支護效率;本次設(shè)計取支護效率為0.85 因此架的支護面積,m2。 式中—— 支架頂梁長度,mm; —— 梁端距,mm; —— 支架頂梁寬度,mm; ——
58、相鄰支架頂梁間隙,mm。 將數(shù)據(jù)代入(5-1)式得: MPa 5.1.2初撐力 初撐力大小對支架的支護性能和成本都有很大的影響。較大的初撐力能使支架較快達到工作阻力,減緩頂板的早期下沉速度,增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為倍的工作阻力。 根據(jù)設(shè)計要求:初撐力 = 0.7工作阻力 =kN 5.1.3 移駕力和推溜力 移駕力和推溜力都是有推移千斤頂來決定的,所以要正確地選擇推移千斤頂,一般而言,移架力與支架結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、煤層厚度、頂板性質(zhì)有關(guān)。一般薄煤層支架的移架力為100~150 kN;中厚煤層支架為150~300 kN;厚煤層支架為300
59、~400 kN。推溜力一般為100~150 kN。 根據(jù)設(shè)計要求:取移架力為300kN,推溜力為150kN。 5.1.4 支柱與相關(guān)液壓系統(tǒng)參數(shù)確定 1.確定立柱參數(shù) 立柱的缸體徑按下式進行計算: (5-2) 式中: ——立柱缸體勁,mm ——支架承受的理論支護阻力,kN ——每架支架立柱數(shù); ——安全閥的正壓力,MPa ——立柱最大傾角。 本支架中,=4000kN,=4,=40MPa, = 10° 將數(shù)據(jù)代入(5-2)式得: ?。? 支架立柱的壁厚(mm)一般為,即中等壁厚,按下式計算: (5-3)
60、 式中: ——缸工作壓力, ——單個立柱的工作阻力,取 則: ——考慮管壁公差與腐蝕的附加厚度,一般取2mm; ——強度系數(shù),無縫鋼管??; ——缸體材料許用應(yīng)力,MPa,缸體選用, 980MPa; ——立柱缸體徑,mm。 將數(shù)據(jù)代入(5-3)式得: 圓整,取mm。 支架立柱為單伸縮機械加長式,根據(jù)液壓缸推薦相關(guān)鋼材最終確定尺寸如下表: 表5-1 立柱相關(guān)尺寸 外徑(mm) 徑(mm) 壁厚(mm) 長度(mm) 缸體 245 200 22.5 1056 活柱 180 150 15 1100
61、 加長桿 130 800 2泵站壓力確定 泵站壓力確定按產(chǎn)品目錄規(guī)定的泵站工作壓力,再考慮壓力損失,型工作壓力為20MPa和35MPa兩種,一般選35MPa計算時考慮損失按32MPa進行計算 。因此,取泵站壓力為32MPa。 3立柱的初撐力 立柱初撐力按下式進行計算: (5-4) 式中——泵站額定工作壓力減去從泵站到支架沿程壓力損失后的值,取MPa 將數(shù)據(jù)代入(5-4)式得: 4. 安全閥壓力和立柱工作阻力的確定 安全閥的的調(diào)整壓力,按選定后的立柱缸體徑和支架承受的理論支護阻力來確定,即:
62、 (5-5) 式中按下式計算: (5-6) 式中——支架在最高位置時立柱傾角,度。 將數(shù)據(jù)代入(5-5)、(5-6)得: 即 取40MPa合理 立柱工作阻力按下式進行計算: (5-7) 將數(shù)據(jù)代入(5-7)式得: 5.2 液壓支架立柱強度驗算 5.2.1已知參數(shù) 表5-2 液壓支架立柱已知參數(shù) 初撐力 1005 工作阻力 1256 油缸外徑 245 活柱外徑 180 油缸徑 200 活柱徑 150 續(xù)表 加長桿直徑 150×130
63、立柱調(diào)高行程 1400 液壓行程 800 加長桿調(diào)高 600 5.2.2油缸穩(wěn)定性計算 驗算活塞桿全部伸出并受最心縱向載荷的穩(wěn)定性。油缸的穩(wěn)定性條件為: (5-8) 式中 : ——油缸穩(wěn)定的極限力,kN; ——最大工作阻力,kN; ——活塞桿斷面慣性矩(設(shè)加長桿為活塞桿進行驗算)。 ——缸體斷面慣性矩 ——活塞桿端部銷孔至油缸限位處間距,mm; ——缸底銷孔至油缸限位處間距,mm; 由以上條件查極限力計算圖,得到。 將數(shù)據(jù)代入(5-8)式可知立柱穩(wěn)定性的極限力為: 立柱最大工作阻力小于極限力,故滿足穩(wěn)定條件。 此值僅當活塞
64、桿頭部距在載荷下發(fā)生最大撓度出的距離才適用 其中為立柱活塞桿全部伸出時缸底和柱頭的軸銷孔之距,。 5.2.3活塞桿的強度計算 (1)在承受同心最大軸向載荷時,油缸的初始撓度為: (5-9) 式中——立柱總重,(假設(shè)350kg); ——缸體軸線與水平面夾角,; ——活塞桿端部銷孔至最大撓度處的距離,取1889mm; ——缸底銷孔至最大撓度處的距離,981mm; ——工作位置時立柱長度,; ——活塞桿全部外伸時,導向套前端至活塞末端間距,25.5cm; ——活塞桿與導向套處的最大配合間隙,; ——活塞桿與缸體的最大配合間隙,; ——和圍的斷面
65、慣性矩; ——立柱的初始撓度; ——立柱在工作載荷下的最大撓度; ——活塞桿頭部至最大撓度處的距離; ——工作中立柱的最大縱向載荷。 將數(shù)據(jù)代入(5-9)式得: (2)油缸的最大撓度: 當時, 當,或時, 當,,時, 式中 ——鋼材彈性模量, MPa; ,. , 所以由上列各式可得: ,; ,; 。 (3)活塞桿的合成應(yīng)力: 式中 ——活塞桿截面積,當活塞桿為空心時,其截面積,為減弱系數(shù); ——活塞桿的斷面模數(shù),當活塞桿為空心時,其斷面模 數(shù),為減弱系數(shù)。 ——考慮加長桿和活柱配合間隙,當單邊偏向受力時,所產(chǎn)生的最大偏距。若
66、加長桿留在活柱的長度為200mm,最大單邊間隙為0.5mm,則加長桿全部外伸時,最大偏距mm。 故MPa 式中 ——許用安全系數(shù),一般最小為1.4; ——材料屈服極限,活塞桿采用45鋼MPa。 活塞桿強度滿足要求。 5.2.4缸體的強度計算 (1)缸體壁厚驗算 (5-10) 式中:——剛體實際最大承壓,MPa。 將數(shù)據(jù)代入(5-10)式得: 安全系數(shù)為: (5-11) 式中 ——缸體材料為無縫鋼管,MPa; ——許用安全系數(shù),一般取。 將數(shù)據(jù)代入(5-11)式得: 所以,缸體壁厚滿足強度要求。 (2)缸體與缸底焊縫強度驗算 焊縫應(yīng)力: (5-12) 式中 ——環(huán)形焊縫徑,200mm; ——環(huán)形焊縫外徑(缸筒外徑), 245mm; ——焊接效率,??; ——立柱工作阻力,12561kN。 將數(shù)據(jù)代入(5-12)式得: 焊縫抗拉強度:MPa 安全系數(shù)為: (5-13) 式中
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