ZY-3200-15-35型掩护式液压支架毕业设计

摘要

本课题主要论述了ZY3200/15/35型液压支架的主要设计过程。其中包括：液压支架的选型、总体设计、主要零部件的设计、校核以及液压系统设计。

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。

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；掩护梁

I

中国矿业大学毕业设计

ABSTRACT

The article mianly elaborate the ZY3200/15/35 hydraulic support design for top-caving. includes: the selection of hydraulic pressure support form, system design, main spar part design and examination of hydraulic system design

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 process 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 body structure, becomes with the steel plate welding.

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 parameter 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: Hydraulic pressure support；Top beam；Cradle；the column-type support；caving shield

II

中国矿业大学毕业设计

目 录

摘要 ............................................................ I ABSTRACT ....................................................... II 1绪 论 ........................................................ 1

1.1本课题的研究目的和意义 ................................... 1 1.2国内液压支架的研究现状及发展 ............................. 2 2液压支架概述 .................................................. 4 2.1 液压支架的工作原理 ....................................... 4

2.1.1 支架升降 ........................................... 4

2.1.2支架推移 ........................................... 4 2.1.3 支架承载过程 ....................................... 5 2.2支架的选型设计 ........................................... 6

2.2.1设计的工作条件 ..................................... 6 2.2.2支架的支护性能与外载荷 ............................. 7 2.2.3 支架架型的选择 ..................................... 7

3 液压支架的整体结构设计 ........................................ 9

3.1 支架高度、中心距的确定 .................................. 9

3.1.1支架高度的确定 ..................................... 9 3.1.2支架伸缩比 ......................................... 9 3.1.3支架间距 ........................................... 9 3.2底座长度和宽度的确定 .................................... 10 3.3四连杆机构的设计 ........................................ 10

3.3.1 四连杆几何特征 .................................... 10 3.3.2.四连杆机构各部尺寸的确定 .......................... 11 3.4顶梁长度计算 ............................................ 15 4支架主要部件的设计 ........................................... 17

4.1顶梁的设计 .............................................. 17 4.2液压支架的底座的设计 .................................... 18

III

中国矿业大学毕业设计

4.3支架技术参数和立柱的设计 ................................ 18

4.3.1 支护面积 ......................................... 18

4.3.2 支护强度 .......................................... 19 4.3.3 确定立柱的技术参数 ................................ 20 4.3.4 安全阀压力与立柱工作阻力的确定 .................... 21 4.3.6支护效率 .......................................... 24 4.3.7 底座接触比压 ...................................... 24 4.4立柱柱窝位置和受力计算 .................................. 25

4.4.1立柱布置 .......................................... 25 4.4.2立柱柱窝位置的确定 ................................ 25 4.5千斤顶技术参数的确定 .................................... 27

4.5.1推移千斤顶 ........................................ 27 4.5.2平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 ...................... 28

5 支架受力分析与计算 ........................................... 32

5.1支架工作状态 ............................................ 32

5.1.1 顶板状态 .......................................... 32 5.1.2支架工作状态 ...................................... 32 5.1.3支架受力 .......................................... 33 5.2受力计算 ................................................ 33 5.3 顶梁载荷分布 ........................................... 37 6. 液压支架的强度校核 .......................................... 38 6.1强度条件 ................................................ 37

6.2主顶梁的校核 ............................................ 39

6.2.1主顶梁的弯距计算 .................................. 39 6.2.2主顶梁的强度计算 .................................. 40 6.2.3安全系数 .......................................... 41 6.3 掩护梁强度校核 ......................................... 41

6.3.1掩护梁受力情况 .................................... 41 6.3.2掩护梁强度计算 .................................... 42 6.3.3安全系数 .......................................... 43 6.4 底座强度校核 ........................................... 43

IV

中国矿业大学毕业设计

6.4.1底座受力情况 ...................................... 43 6.5立柱强度校核 ............................................ 47

6.5.1预算缸筒内径和缸壁厚度 ............................ 47 6.5.2计算重叠长度 ...................................... 48 6.5.3各段的弯矩 ........................................ 49 6.5.4加长杆强度核算 .................................... 51 6.5.5活柱强度核算 ...................................... 51

7 液压系统设计 ................................................. 54

7.1 液压系统的设计方法 ..................................... 54 7.2 千斤顶系统 ............................................. 54

7.2.1. 侧推、调架、防倒系统 ............................. 54 7.2.2. 推移千斤顶系统 ................................... 55 7.2.3.平衡千斤顶系统 .................................... 55

8技术经济分析 ................................................. 57 9结论 ......................................................... 58 致谢 ........................................................... 61 参 考 文 献 .................................................... 60 附录： ......................................................... 59 外文资料与中文翻译 .......................................... 59

V

中国矿业大学毕业设计

1绪 论

1.1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。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。

1

中国矿业大学毕业设计

1.2国内液压支架的研究现状及发展

煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中。具有重要的战略地位。在未来新能源大规模利用之前。煤炭是支持我同能源供应的国内重要品种。据国际能源署预测，从2000到2020年，一次商品能源需求年增长2.97％，2020年我国煤炭需求量将超过25亿t，煤炭工业将有一个很大的发展。

根据我周社会发展的需求．要把我周建设为“资源节约型，环境友好型”的社会，煤炭工业面临着历史性的挑战与机遇，经历着关键性的转变。实现以信息技术和机电一体化技术为核心的综合自动化；以清洁生产和洁净煤技术为基础的洁净化；以大企业集团和多元化经营为特征的集约化，即实现高效、安全、洁净、结构优化，已成为新时期我国煤炭工业发展的方向。

液压支架是以高压液体为动力，由若十个液压元件(油缸、阀件)与一些金属构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备。具有强度高、移动速度快、支护性能好、安全可靠等特性。

煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产的重要问题。因此，以液压支架为主要设备的综合机械化开采的诞生和发展是煤矿生产发展史的一次重大革命，不仅从根本上改善劳动和安全条件．也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基础，使煤炭生产面貌彻底改观。

30多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机CAD进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支

2

中国矿业大学毕业设计

架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准11项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。

矿用单体支护设备，采用悬浮式液压技术原理，生产矿用单体支护设备，技术水平达到了国际领先水平，填补了国际空白。DWX型液压支柱的柱塞悬浮，密封胀紧，密封补偿，无内泄漏、无圆弧焊缝等技术和安全特点，具有独创性。新型矿用单体支护设备的诞生，消除了五十年来国内外单体支护设备一直存在的内泄漏和圆弧焊缝脆断等安全隐患问题。解决了深部煤矿开采冲击地压条件下回采工作面顶板支护的关键技术，结束了由德国人发明的第二代单体支护设备的历史，开创了中国人发明的第三代单体支护技术设备的历史，并将会长期使用下去。该产品普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面，是煤矿的重要支护设备。

我国自1973年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收和改进提高的过程，到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，掩护式液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。

3

中国矿业大学毕业设计

2液压支架概述

2.1 液压支架的工作原理

液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作面性质不同的几个液压缸来完成的，如图2.1所示。

图2.1 液压支架工作原理

1—顶梁；2—立柱；3—推移千斤顶；4—安全阀；5—单向筏； 6、7—操纵阀；

2.1.1 支架升降

当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀5进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。

2.1.2支架推移

4

中国矿业大学毕业设计

支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶3来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。

2.1.3 支架承载过程

支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，它包括初撑、承载增阻和恒阻三个阶段。

(1) 初撑阶段

在升架过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的初撑阶段。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。

(2) 承载增阻阶段

支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。

(3) 恒阻阶段

随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀5的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。对于掩护式和支撑掩

5

中国矿业大学毕业设计

护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。

图2.2 支架的工作特性曲线

由上可知，支架工作时，其支撑力与时间的关系，可用支架工作特性曲线表示，如图 所示，曲线上的t0、t1、t3分别表示支架的初撑、增阻、和恒阻阶段的时间。

通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小。但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，通常单位支护面积顶板上所受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即

qP103 MPa (式2.1) F式中 F—支架的支护面积，m2

2.2支架的选型设计

2.2.1设计的工作条件

6

中国矿业大学毕业设计

煤层厚度：H＝1.8~3.2米；顶设条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层。工作面配套设备：采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ－730/320。煤层倾斜角小于15度，支护强度、底板抗压强度、泵站压力、安全阀调定压力40MPa。

2.2.2支架的支护性能与外载荷

为了设计计算方便，要对支架的外载荷和支架本身进行简化，如下：

把支架简化成一个平面杆系结构。为偏于安全，在计算时把外载荷视为集中载荷；金属结构件按直梁理论计算；顶梁、底座与顶底板被认为均匀接触，载荷沿支架长度方向按线性规律分布，沿支架宽度方向为均布；通过分析和计算可知，掩护梁上矸石的作用力，只能使支架实际支护阻力降低所以，在进行强度计算时不计，使掩护梁偏于安全；立柱和短柱按最大工作阻力计算；产生作用在顶梁上的水平力的情况有两种，—是由于支架让压回缩，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，顶梁与顶板间产生相对位移，顶板给予顶梁水平摩擦力，另一种是由于顶柜向采空区方向移动，使支架顶梁受一指向采空区的水平摩擦力。顶梁和顶板的静摩擦系数W，

一般取0.15~0.3；按不同支护高度时各部件最大受力值进行强度校核。

2.2.3 支架架型的选择

根据煤层厚度1.8~3.2米，属于中厚煤层。支架的适应高度为1.5~3.5米煤质条件老顶II级、直接顶II级，底板平整，无影响支架通过的断层，根据表2.1初步选定为掩护式两柱液压支架。

表2.1支架架型的选择

7

中国矿业大学毕业设计

老顶级别 直接顶类别 Ⅰ 1 2 3 掩掩护护支撑1 掩 护 Ⅱ 2 掩 护 或 支 支架类型 撑 掩 护 式 1 支架支护 2 采3 M Pa m 4 （0.441） （0.441） （0.343） 0.539（0.343） 1.30.5391.60.539 539 （0.245） 0.441（0.245） 1.30.4411.60.441 强度 高0.294 0.3431.30.294 1.30.343式 式 撑撑支撑掩 掩掩护式 护护式 式 1.60.294 >20.应结合249 1.60.343 >20.343 顶板等>20.措施处441 理采空>20.区 深孔爆破，软化时 于2.5m采高大3 Ⅲ 1 2 3 4 支掩掩撑护护掩或或护支支Ⅳ 4 采高小支撑式 于2.5m时 支 支撑 撑式 掩护式 式 式 式 注：①括号内的数字是掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，

可根据本矿情况允许有5%的波动范围。

②表中1.3、1.6、2分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级老顶的分级增压系数；Ⅳ级老顶给出最低值2，选用时可根据本矿实际确定适宜值。

8

中国矿业大学毕业设计

3 液压支架的整体结构设计

3.1 支架高度、中心距的确定

3.1.1支架高度的确定

支架高度的确定原则，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：

HmhmS1 （式3.1）

HnhnS2 （式3.2）

h—煤层最大采高，

mh—煤层最小采高

nS1—伪顶冒落的最大厚度，一般取0.2~0.3m

S2—顶板最大下沉量，一般取100~200mm

a—移架时支架的最小可缩量，一般取50mm

a—矸、浮煤厚度，一般取50mm

本设计采高1.8~3.2m,取支架高度为1.5~3.5m 3.1.2支架伸缩比

支架的伸缩比指最大与最小支架高度之比值为：

m代入数据得m=2.33。

Hm （式3.3） Hn3.1.3支架间距

9

中国矿业大学毕业设计

所谓支架间距，就是相邻两支架中心线间的距离。按下式计算：

bcBmnC3 （式3.4）

式中： bc—支架间距（支架中心距）；

Bm—每架支架顶梁总长度；

C3—相邻支架（或框架）顶梁之间的间隙；

n—每架所包含的组架的组数或框架数，整体自移式支架。

支架间距bc，我国刮板输送机溜槽每节长度为1.5m,千斤顶连结块位置在溜槽中长的中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距一般为1.5m。

本次设计取支架的中心距为1.5m。

3.2底座长度和宽度的确定

通常，掩护式支架的底座长度职3.5倍的移架步距(一个移架步距为0.6m)，即2.1m左右，本次设计取底座长2.18m，底座宽度取1350mm

3.3四连杆机构的设计

3.3.1 四连杆几何特征

（1）支架在最高位置时，P1=52°~62°，即：0.91~1.08弧度；

Q1=75°~85°即1.31~1.48弧度；支架在最低位置时，保证P125。

（2）后1连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I =0.45~0.61;支撑掩护式为I = 0.61~0.82。

（3）前后连杆上绞点之距与掩护梁的比值为I10.22~0.3。

10

中国矿业大学毕业设计

（4）e'点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度e70mm以下。

（5）支架在最高位置时的tan应小于0.35，在优化设计中，对支撑掩护式支架最好应小于0.16。

3.3.2.四连杆机构各部尺寸的确定

四连杆机构各部参数如图3.1所示，图中的H1为支架在最高位置时的计算高度。令：o2a=A; ab=B; ab=C; cd=D; o2d=E; a'e=G;

e'b=F;

Jo1=S;Je'=L;

abASI; 'I1;tan==U GLaeea

图3.1四连杆机构参数图

2支架四连杆机构的运动轨迹

液压支架升降时，顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，既有顶梁与掩护梁的铰点E的轨迹所决定，其轨迹如图3.2所示：

11

中国矿业大学毕业设计

图3.2升降柱运动轨迹

支架在最大高度和最小高度范围内运动时，E点的运动轨迹呈3种形式：双向摆动(ABCD段)、单向向后摆动(BC段)和单向向前摆动(AB段和CD段)。选择不同的四连杆参数．可以使E点轨迹处于上述3种曲线段。支架工作时，受到顶板载荷的作用，有下缩趋势。当E点轨迹处于AB段时，顶梁相对于顶板有向煤壁移动的趋势，顶板对顶粱的摩擦力指向采空区侧。当E点轨迹处于BC段时，顶梁相对于顶板有向采空区移动的趋势，此时顶板对顶梁的摩擦力指向煤壁。当顶板运动趋势超过支架运动趋势时，顶梁与顶板间的摩擦力方向将取决于顶板的运动趋势。 3、作图方法

已知条件是支架的最大高度hmax和支架的最低高度hmin。要求在这范围内掩护梁上下运动时轨迹是一条直线或近似直线。水平偏移量不允许超过75mm。

12

中国矿业大学毕业设计

图3.4作图轨迹及对应参数

1)在图3.4中，先画基线AB向上取hmax，在hmax顶端向下取一定距离（顶梁顶面之掩护梁的铰接轴中线的距离），得到I点。由I点向下取（hmax~hmin）的长度得到H点。

2)以AB作为底座的底线，在AB上取一定的长度得B点，由B点向上一定距离得J点，J点作为后连杆和底座的铰接轴。

3)由H作一斜线HC与水平线成角，必须使>15o。在J点作角，再取JC一定长度与HC交于C点，C点作为后连杆和掩护梁的铰接轴。

4)以J为圆心，JC为半径画一圆弧ab。以I为圆心，以HC的长度为半径画圆弧与ab弧交于E点。C点和E点就是后连杆在支架为最小高度和最大高度时的极限位置。

5)在CH上取一长度CD，必须使CD13

中国矿业大学毕业设计

梁的铰接轴。

6)在IE上，由E点取EF，使EF＝CD。作D和F连线的垂直二等分线，在垂直二等分线上取G点，必须使DG成为最长杆，又使GJ>DC,这样CD就是最短杆。而且要使CD＋DG7) IH之间的轨迹的校核。在CE弧内平均取几点，例如1、2、3点，依次的以1、2、3为圆心，以CD为半径画弧，与以G点为圆心

2'、3'点，连接11'、22'、33'，并都给予延长GD为半径的FD弧交于1'、得1''、2''、3''点，使11''=22''=33''＝CH。这样，I、3''、2''、1''所形成的曲线要接近直线。如果差别太大，要改变四连杆的尺寸或角度，以上述的过程画出I~H间的轨迹，使近似于直线。

除要求水平偏移量不超过规定值外，对角的变化要求均匀。特别要注意在最大高度时，不要发生突变。角是连杆瞬时中心与掩护梁铰接轴的连线和顶梁延长线之间的夹角。

确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距按同类型支架用类比法来确定得：掩护梁上铰点至顶梁顶面之距为160mm；后连杆下铰点至底座底面之距为400mm。

H1=3.5-0.56=2.94(m) H2=1.5-0.56=0.94(m)

所的结果取整后得：

U= 0.36 Q1= 78度 Q2= 18 度 P1=53度 P2=15度 A= 858.6 B=500 C=1585 D=400 E= 970 G=2300 S=611 L=1661

14

中国矿业大学毕业设计

3.4顶梁长度计算

顶梁长度=[配套尺寸+底座长度+A·cos(Q1)]-[G·cos(P1)+300+e]+掩护梁与顶梁铰点至顶梁后端点之距 （式3.5） 式中：

底座长度—底座前端至后连杆下铰点之距；

e—支架由高到低顶梁前端点最大变化距离；

Q1、P1—支架在最高位置时，分别为后连杆和掩护梁与水平面的夹

角。

采煤机：MXA-300/3.5，刮板输送机：SGZ-730/320。查综采设备手册得三机配套尺寸为：配套尺寸=671+1553=2224mm 代入相关数据得：

顶梁长度=[2224+2100+1131cos(78°)]-[2300cos( 53°)＋300+65]+100=2910mm 顶梁的宽度:

顶梁不仅必须满足支架的工作阻力的要求，还要使顶梁覆盖住顶

板，以减少矸石的冒落。顶梁的覆盖率为顶梁面积与控制顶板面积比值的百分数，即

Bl100% （式3.6）

（lc）（Bj） 式中

B—顶梁宽度； l—顶梁长度； j—架间距；

15

中国矿业大学毕业设计

c—顶梁前端到煤壁的距离； 中等稳定顶板

75~85%；

一般j取100~200mm。

如果给定和j值，可以求出B值，即

B（lc）j （式3.7）

l（lc）取，ε =79% 、 j=200mm。

顶梁宽度的决定，除用上式计算外，还要考虑到整体支架与一节溜槽长度相匹配的问题。

故顶梁宽取1.4m。

16

中国矿业大学毕业设计

4支架主要部件的设计

4.1顶梁的设计

图4.1 支架的顶梁

顶梁前、后分别与前梁和掩护梁铰接，球面柱窝与立柱的活柱头相连。顶梁有铰接耳座与四连杆机构的上连杆联接，此外还设有所需千斤顶的耳座，如前梁、掩护梁千斤顶耳座。顶梁体箱式结构件的设计可根据总体受力分析，按不同支护高度时各部件最大受力值计算其强度。一般柱窝断面为最危险断面，断面安全系数n应大于1.1，同时要充分考虑各个铰接孔的挤压强度，以免孔受塑变拉长而损坏，特别是与上连杆铰接的耳座，一定要加大强度。

侧护板与导杆连接的结构以长方形拉板为好，可以保证导杆与侧护板的连接强度。

其机构与一般掩护式支架相同，梁体由钢板焊成箱式结构件，设计强度要求同上，安全系数n大于1.1，侧护板设计要考虑降架式不与邻架侧护板脱离接触。侧护板采用长方形拉板与导杆连接，支架工作阻力

17

中国矿业大学毕业设计

400吨以上时，侧推千斤顶采用内供液式，有利于保证梁体的焊接强度。

本设计采用铰接式的顶梁，具体结构见图纸。

4.2液压支架的底座的设计

底座为整体式刚性底座，四连杆机构铰接在底座前部(有的铰接在中部或后部)，有两个球面柱窝与立柱缸底相连，底座中间布置有推移装置，侧面有拉后输送机千斤顶固定耳座。该底座整体性强，稳定性好，与底板接触面积大，比压小。由于四连杆机构在中部连接，使底座受力状态不好。上连杆与底座的铰接座为两突出的内主筋形成的箱体结构，应合理设计，使突变过渡处强度足够，呈圆弧状过渡，以免损坏。

本设计采用整体式刚性的底座，具体结构见图纸。

图4.2四连杆机构的底座

4.3支架技术参数和立柱的设计

4.3.1 支护面积

支架的支护面积按下式计算：

Fcbc(Lg)mm （式4.1）

式中 Fc—支护面积，mm；

18

中国矿业大学毕业设计

—移架后顶梁前端点到煤壁的距离(m)，一般=0.3+e

将各数值代入公式(4.1)得支架的支护面积为：

Fc1.5(2.910.33)＝4.86m

4.3.2 支护强度

支护强度的计算可借助表2.1，首先按表2.1根据老顶级别和直接顶类别确定支架架型，再根据老顶级别和采高确定支护强度。由于实际最大采高不一定正好和表2.1所列采高相同，所以要用插值法重新计算。

qxq1(q2q1)式中：

Hmh1qh2qh1q kN/m2 （式4.2）

qx—当支架最大采高为Hm时，支架应有的支护强度，kN/m2； q1—在架型选样表2.1中与低于Hm但与之相邻的采高相对应的支

护强度；kN/m2；

q2— 在架型选择表2.1中与高于Hm但与之相邻的采高相对应的

支护强度，kN/m2；

h1q—q1所对应的采高，m； h2q—q2所对应的采高，m。

根据表2.1将各数值代入公式得支护强度为：

qx(1.3441)1.3(441245)3.22598.78kN/m2 42支架理论支护阻力为：

F1=Fc·qx （式4.3）

代入数值得F1=2910kN

19

中国矿业大学毕业设计

4.3.3 确定立柱的技术参数

立柱缸径按下式进行计算： Dd40F1 mm （式4.4）

ndpacosm式中 Dd—立柱缸体内径，cm；

F1—支架承受的理论支护阻力，kN；

F1Fcqx kN

nd—每架支架立柱数；

pa—安全阀调整压力，M Pa，按产品样本选取(或参考同类支架选

取)。其中，YF1B型pa=40 M Pa；YF2型pa=30~60 M Pa；

m—立柱最大倾角(度)，(支架降到最低工作位置时，m角最大)。 将各数值代入公式3.9得立柱缸径为：

Dd40291022.9cm 3.14240cos28 按北京煤矿机械厂标准（Q/BM327—82）表4.1选取比计算值大的标准值作为内径De，再选取配合尺寸。

表4.1 内径标准 单位：mm

50 160 63 180 80 200 100 210 110 220 125 230 140 250 (145) 查表4.1，选De=230mm，

查表，选取配合尺寸为：外缸内径230mm，活柱外径210mm，工作阻力1800kN，额定工作压43.3 M Pa，泵站压力31.4Mpa。

20

中国矿业大学毕业设计

取泵站额定工作压力pb( M Pa)减去从泵站到支架沿程压力损失后

'的值pb为30 M Pa，代入公式得立柱初撑力为：

3.14232Pt301246.6kN

4104.3.4 安全阀压力与立柱工作阻力的确定

1、立柱的工作阻力

安全阀的调整压力，按选定后的立柱缸体内径De和支架承受的理论支护阻力F1m来确定。即

Pa40Fz M Pa （式4.5） Dc2式中的Fz按下式计算：

FzF1m kN （式4.6）

ndcosn式中 n—支架在最高位置时立柱倾角，度； 将数据代入公式得Fz为：

Fz29101506.3kN 2cos15 由公式得安全阀的调整压力为：

Pa401506.336.3 M Pa

3.14232Pa求出后，在选定一种动作压力与Pa相近的标准安全阀。此安全阀的动作压力即为支架安全阀的调整压力。取Pa=40MPa。

立柱工作阻力P2按下式进行计算：

21

中国矿业大学毕业设计

P2De2410Pa kN （式4.

7）

将各数值代入公式得立柱工作阻力P2为：

3.14232P2401661.9kN

410表4.2支架工作阻力数值圆整标准（MT169-87）（kN）

1200 3600 6400 1600 4000 7200 2000 4400 8000 2400 4800 9000 2800 5200 10000 3200 5600 12000 圆整取支架工作阻力为3200kN，则P2=1600kN。

2、最小导向长度的确定

在设计时，必须保证有一定的最小导向长度。一般要求满足下式。

HLD2102

式中

L—立柱最大工作行程，L=1000mm

D2—缸筒内径，mm

一般导向长度A，当缸内径D280mm，取活柱外径的0.6~1.0倍。。活塞宽度B则取缸内径的0.6~1.0倍。 C取缸内径的0.6~1.0倍。为了保证导向长度，过分增大导向套长度和活塞宽度都是不适宜的，最好在活塞上不装一个距离套，距离套的宽度有所需要的最小导向长度决定。

22

中国矿业大学毕业设计

图4.3立柱导向长度关系图

1—缸筒；2—活塞；3—导向环；4—距离套；5—导向套；6—缸盖；7—活柱

3、缸底厚度计算

掩护式和支撑掩护式支架立柱的缸底，一般在缸内做成平地，在缸

‘

外做成球面形，。在直径D（mm）处的底后可用下列公式计算：

‘0.43D’

式中

p[]0.4318043.351mm 100p—缸内所能形成的最大压力，P=43.3MPa；

[]—缸底材料的许用应力，铸钢[]=100MPa。

图4.4立柱缸底示意图

23

中国矿业大学毕业设计

4.3.6支护效率

整台支架的工作阻力是由立柱工作阻力产生的。对于掩护式支架而言，用支护效率来评价立柱工作阻力转为支架工作阻力的有效程度，效率按下式计算：

F12910 91% （4.8） Pt3200结构尺寸和支架高度有关，值与支架的架型、值过大或过小都不好。

一般要求在支架工作段内，掩护式支架由于立柱倾角较大，值应大于90%以上。故满足要求。

4.3.7 底座接触比压

顶板对支架的巨大载荷有整台支架传到底板，在支架底座与底板接触处将具有一定的比压。由于底板岩性不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。则在设计支架时，应验算底板的比压。 qj4.9）

则平均接触比压为： qj4.10）

式中

qj—平均接触比压；

pA—支架工作阻力；

pA （式bL320016.16 （式1.98B—底座与底板的接触宽度；

24

中国矿业大学毕业设计

L—底座与底板的接触长度。

结论：该底座比压在允许范围内。

4.4立柱柱窝位置和受力计算

4.4.1立柱布置

1）立柱数，本课题设计3200/15/35取支架为2柱。

2）支撑方式：掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立柱轴线与顶两的垂线夹角小于30（支架在最低工作位置时），由于角度较大，可是调高范围增加。同时又与顶梁较短，立柱倾角较大可以使顶梁柱窝位置前移，是顶梁前端支护能力增大。

4.4.2立柱柱窝位置的确定

假定顶梁与顶板均匀接触，载荷沿顶梁长度方向按线性规律变化，沿支架宽度方向均布。把支架的空间杆系结构，简化成平面杆系结构。同时为偏于安全，可以认为顶梁前端载荷为零，载荷沿顶梁长度方向向后越来越大呈三角形分布，并按集中载荷计算。所以，支架支撑力分布也为三角形，以此计算立柱上柱窝位置。此时认为支架顶梁承受集中载荷F1在顶梁1/3处，取顶梁为分离体，受力情况如图4.4所示。对A取距，可算得x

25

中国矿业大学毕业设计

图4.5 顶梁受力分析

xF1LgF1Wh1Ptsin(h2h1)3 （式4.11）

Ptcos式中：x－立柱上柱窝至顶梁和掩护梁铰点之距；

F1－支架支护阻力； q－支架最大支护强度； Fc－支护面积；

Lg－顶梁长度； pt－支护工作阻力之和；

h1－顶梁和掩护梁铰点至顶梁顶面之距； h2－立柱上柱窝中心至顶梁顶面之距；

－立柱在最高位置时的倾角。

由前面的计算可知道

q＝598.78kN/m2 F1=2910kN Lg=2.91m

pt=2P2=3200kN h1=0.26m h2=0.16m =15度

代入得x=800mm

26

中国矿业大学毕业设计

4.5千斤顶技术参数的确定

4.5.1推移千斤顶

推移千斤顶选用框架推移方式，则其缸体内径为：

Dt40F移P'b mm （式4.

12）

式中 F移—推移千斤顶的移架力，kN。在薄煤层中F移=100~150 kN；

中厚煤层中F移=150~250 kN；厚煤层中F移=300~400 kN。 由于是中厚煤层，所以取F移=150 kN，代入公式得推移千斤顶缸体内径为： Dt4015071.4mm

3.1425140 85 100 85 125 70 32.6 100 70 (63) 50 80 45 63 45 40 缸径(mm) 杆径(mm) 泵压(M 140 160 100 由以上计算出来的推移千斤顶的缸体内径，再按表4.3选取标准值：

27

中国矿业大学毕业设计

Pa) 推力(kN) 拉力(kN) 推荐材料规格(mm) 缸 1500 633 490 392 284 14614 85 元 钢 245 157 98 382 445 234 304 16820 95元钢 110 105元钢 95元钢 127 157 98 108 48 58 12114 80 85元钢 70元钢 10214 8311 19422 105杆 15217 元钢 ／ ／ ／ ／

表4.3 推移千斤顶缸、杆配合关系

经查表，选用标准缸径为80mm。

推移千斤顶的行程与推移步距有关，当推移步距为600mm时，推移千斤顶的行程为700~750mm，按液压缸行程系列表选用700mm。

4.5.2平衡千斤顶在顶梁上位置的确定

(1)参考液压支架技术表千斤顶缸径、活塞杆径与工称载力匹配关系 选取平衡千斤顶缸径160mm，推力/拉力(KN)633/454。

取顶梁为分离体如图所示，对a点取距有：

图4.6顶梁受力图

28

中国矿业大学毕业设计

F1P8sin2L2P8cos2(h7h1)ptcos1(L1L2)Ptsin1(h2h1)F1Wh10p8—平衡千斤顶推力/拉力

（式4.13）

W —顶板与顶梁之间的摩擦系数，计算时取0.3

1—支架在最高位置时立柱倾角

2—支架在最高位置时平衡千斤顶倾角

为保证平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度时平衡千斤顶与掩护梁平行，可以取在最高位置时顶梁上平面与掩护梁的夹角。

为保证平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，h7按下式计算

h7h1Be/2Db/2p(m) （式4.14） h70.160.110.080.040.39(m)

式中： Be—掩护梁厚度（m） Db—平衡千斤顶外径（m） P—平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取0.03~0.05（m） L2—平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距

平衡千斤顶受拉力时，取x=0.27Lg 平衡千斤顶受推力时取x=0.35Lg 以上参数具体数值如下表，将数据代入得L2=0.322m

表4.4 计算平衡千斤顶各种参数

pt p8 p8 W 0.3 0.27L 785.7 29

1 15 L4 670 2 53 Be h1 h2 3200 h6 633 L1L2 454 0.35L 1018.5 160 Db 160 260 L3 611 800 220 1661

中国矿业大学毕业设计

(2)平衡千斤顶的行程计算

为了防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身背被拉坏，对平衡千斤顶的行程有如下要求：当支架在最高位置时，顶梁能下摆15度；支架在最低位置时顶梁能上摆10度，或顶梁和掩护梁近似180度。为简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞杆全部伸出时顶梁和掩护梁成180度；平衡千斤顶的活塞全部缩回时，支架恰好在最高位置。

当支架在最高位置时，平衡千斤顶达到最小长度L4,如图4.7所示

aL2a3a4x'L4L7L6

上式中X由下式进行计算

X'L2(h7h1)2sin(90aarctg(h7h1)/l2) （式4.16）

2 当顶梁和掩护梁成180度时，平衡千斤顶达到最大长度L5,如图4.8所示。

L5L7L2

行程 S=L2-X=0.322-0.01=312（m） 查表液压活塞行程系列表取 S320mm

h7h1图4.7平衡千斤顶最短位置

L4L7X' （式4.15）

30

中国矿业大学毕业设计

L2L7h7L5图4.8平衡千斤顶最长位置 (3)平衡千斤顶在掩护梁上位置的确定

平衡千斤顶的行程确定后，即可确定它在掩护梁上的位置，如图4.8

L7L5L2a1b12SL20.65m2 （4.17）

式中 a1-当活塞全部缩回时，缸体上铰点之活塞上部之距，如图4.8所示。对于掩护型支架， a1=209mm。

b1-当活塞杆全部缩回时，活塞杆铰点之活塞杆腔出油孔中心线之距，对于掩护式支架，b1=141mm。

L6Be/2Db/2p0.22/20.16/20.040.23m

31

中国矿业大学毕业设计

5 支架受力分析与计算

5.1支架工作状态

5.1.1 顶板状态

在采煤工作面中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，由于受上部岩层压力，出现离层和裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，不支护的时间越长，危险就越大。而顶板冒落是有一定过程的，一般可分为三个阶段，开始顶板处于无压状态，此时顶板较完整，而且没有下沉，称为无压状态；但经一定时间后，顶板就会下沉，通常称为老顶来压，此时顶板并不破裂，而且这种下沉带有一定的周期性，所以称为老顶周期来压状态；如果不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。

5.1.2支架工作状态

支架在这三种状态下是这样工作的：开始支架以初撑力支撑顶板，此时为无压状态；当周期来压时，顶板下沉，使立柱下腔压力增大，当增大到大于安全阀调正压力时，安全阀被打开，使立柱下腔压力下降，称为立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如果继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称为压死状态，这是在设计和使用中必须注意避免的现象；当支架前移后，此时顶板处于无支护状态，顶板就要冒落，这就是液压支架在工作过程中的三种状态。

32

中国矿业大学毕业设计

5.1.3支架受力

支架在工作面受力是由于顶板下沉，同时又有向采空区移动的趋势，使顶梁受合力和底座受底板反力，其中顶板合力的垂直分力F,由支架工作阻力来克服，所以在计算支架的工作载荷F时按支架的工作阻力来确定。

5.2受力计算

该支架整体受力如图5.1所示，图中Pt和P8为已知，需求F1、F1'及作用点位置。

图5.1铰接式顶梁支架受力

首先取顶梁为分离体：

33

中国矿业大学毕业设计

图5.2 顶梁分离体受力

各力对a点取矩，可写出F1作用点的位置x的表达式：

xP8sin2l2P8cos2(hkh2)Ptcos1(l1l2)Ptsin1(h1h2)F1Wh2F1(式5.1）

再取顶梁和掩护梁为分离体：

如图5.3所示，对O点取矩，可求得F1的表达式，将此式与上式联立，解出F1如下： F1Pt(l3cos1h3sin1)P8[l2sin2cos2(hkh2)] （式

l3Wh35.2）

再把此式代回上式，x可解出。

34

中国矿业大学毕业设计

F1F1Wh2a1'PtL1+L2ah1h6oxL3P5P6

图5.3顶梁和掩护梁分离体

所以，在验算顶梁强度时，按平衡千斤顶受拉且W=0.3时进行计算。若这个条件强度计算能满足，其他条件都能满足。

1=15，2=53，l2=0.322m，P8=-454 kN，将Pt=3200 kN，W=0.3，

l3=1.661m，h3=0.611m，h2=0.16m，hk=0.39m代入公式得F1为：

代入数据算得F1=3242kN 将F1值代入公式得F1作用点的位置x为：

454sin530.322454cos53(0.390.16)3200cos150.913200sin15(0.260.16)0.332420.16x3242=0.77m

再取掩护梁为分离体如图5.4所示:

35

中国矿业大学毕业设计

图5.4掩护梁分离体

由顶梁分离体写出力系平衡方程，再由此解出顶梁与掩护梁铰点的内力 xaPtsin1P8cos2F1W （式5.3）

yaPtcos1P8sin2F1 （式5.4）

从这两式中可以看出平衡千斤顶受推力时，有最大值，掩护梁受力最大，前后连杆受力也最大，所以，演算掩护梁和前后连杆强度时，用这种情况进行。

计算得xa3200sin15633cos5332420.3236.5kN ya3200cos15633sin533242354.4kN

取掩护梁为分离体，写出力系的x方向和y方向平衡方程解出F5、

F6。

P8'(cos2sin2cos3)xasin3yacos3 （式5.5） F6cos4sin4cos3= -588kN

36

中国矿业大学毕业设计

xaP8'cos2F6cos4 F5 （式5.6）

cos3 =-39.2kN

底板对底座的支撑反力F1'与F1大小相等。F1'作用点的位置可以由取整体支架为分离体求出。 对图d'点取矩，整理后有：

x'F1(XX1)F1Wh （式5.7） 'F1将各数值代入公式(3.19)得x'值为：

x'3242(0.781.15)32420.33.50.88m

32425.3 顶梁载荷分布

为了计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分布。 设顶梁长为Lg，顶板的集中载荷为F1，其作用点距顶梁一端为x。

则xLg 3

图5.5顶梁三角形载荷分布

时，载荷分布为三角形。如图5.5所示。

37

中国矿业大学毕业设计

顶梁前端比压q2为0，顶梁后端比压q3为：

q3 当

2F1103M （式5.8） 3xBmLgLg>x>时，载荷呈梯形分布，如图5.5所示。 23顶梁前端比压为： q2F1(6x2Lg)103 M Pa （式5.9） 2LgBm顶梁后端比压为：

q3F1(4Lg6x)3 M Pa （式5.10） 102LgBm由于x=0.77小于

Lg所以载荷分布为三角形。 3将F1=3242 kN，Bm=1.4m，x=0.77m代入公式(5.10)得顶梁后端比压q3为：

q3232421032.1M Pa

31.40.77

6 液压支架的强度校核

6.1 强度条件

在液压支架的研制、试验过程中，各构件的强度汁算是极为必要的。前面数章的内容已经给出了支架主要零件部件受力分析和负荷的计算方法。但是由于液压支架的结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及大致形式等为依据，随着时间的

38

中国矿业大学毕业设计

推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应调整。强度校核均以材料的屈服极限为计算安全系数如表6.1所示。

表6.1支架安全系数 安全系数 n 安全系数 n 前梁 1.1 后连杆 1.3 底座 1.1 主要轴 1.3 顶梁 1.1 缸体 3.3－4 掩护梁 1.3 焊缝 3.3－4 前连杆 1.3 活塞杆 >1.4 6.2主顶梁的校核

6.2.1主顶梁的弯距计算

假设前梁失去作用，主顶梁受一集中载荷，其受力如图6.1（a）所示：

由上面求出F为3242kN，距离铰接点770mm。 做主顶梁的受力及力矩图6.1所示：

图6.1（a）顶梁受力图

39

中国矿业大学毕业设计

图6.1（b）顶梁弯矩图

由图可知：

sin15×0.26+3200×cos15×0.03=308.07N/m Mmax3200×

主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图6.2所示：

图6.2最大弯矩断面图

6.2.2主顶梁的强度计算

(1) 形心位置

各板件计算数据如表6.2所示：

表6.2各板件计算数据

件号 数量 1 1 2 2 3 2 27.8 15.8 4 4 52.2 15.8 5 2 26.8 15 6 2 7 2 8 2 26.2 29.2 5.6 9 1 56 19.1 4968 Fncm2139.2 73.6 yn 0.8 2.4 40.32 35.2 29.2 29.2 5.6 Jncm429.7 15.7 2133.7 4812.2 1107.4 8.6 40

中国矿业大学毕业设计

结构件的形心位置为：

yc(Fnyn)=14.23cm Fn(2) 惯性矩

J[JnFn(ynyc)2]=125318.6cm4 （3） 弯曲应力

maxMmax(18yc)376.92105(3514.23）6246.98kN/cm2

Jz125318.66.2.3安全系数

钢板材料选取16Mn，σs =34335 kN/cm2 ns343355.5[n] 满足强度要求。 max6246.986.3 掩护梁强度校核

6.3.1掩护梁受力情况

掩护梁的受力分析如图6.3所示处理后的力学模型由受力图可以看出掩护梁的危险截面在前连杆与掩护梁铰接处，故需校核此危险截面的弯曲强度。

此处截面的弯曲强度为：

MmaxF6sinG588sin0.43143.5kNm2

41

中国矿业大学毕业设计

图6.3掩护梁受力分析图

主顶梁做成等断面箱式结构，在最大弯矩处的断面如图6.4所示：

图6.4最大弯矩断面图

6.3.2掩护梁强度计算

(1)形心位置

各板件计算数据如表6.3所示：

表6.3掩护梁板件数据

件号 数量 面积cm2 形心位置cm 1 1 151.2 0.6 2 2 90.88 8.2 3 4 79.6 14.6 4 2 68.8 15.3 5 1 21.5 15.3 6 2 40 28.6 7 2 40 27.6 42

中国矿业大学毕业设计

结构件的形心位置为：

yc(Fnyn)Fn

代入数据得：yc13.3cm （2）惯性矩

JJnFn(yn3ab42 Jcm )nyc12将数据代入公式，算得总惯性矩为：

JZJn58210.3cm4 （3）弯曲应力

maxMmax(37.6yc)5990.4kN/cm2

Jz6.3.3安全系数

钢板材料选取16Mn，σs =34335 KN/cm2 ns343355.7[n] 满足强度要求。 max5990.46.4 底座强度校核

6.4.1底座受力情况

底座通过立柱，前后连杆支撑支架的顶梁及掩护梁，是支架的主要承压部件，主要对其压力强度进行校核，基本不受弯矩影响。

底座的受力分析见图6.5示。

43

中国矿业大学毕业设计

(a)底座受力图

(b)底座弯矩图 图6.5底座受力情况

图中立柱的压力以及前后连杆的拉力或压力在前面已经算出，由

M0得

RAl1l2pBcosBHBPBsinBl3pCsinCHCpCsinCHDPDcosD0由上式求得前端的支反力为 1）最高位置时的情况：

RA1(l2pBcosbHBPBsinbl3PCsinCHCPCsinCHDPDcosD)l1=1590.42kNm

MBRA(L1L2)HBPBsinB=1748.45kNm

44

中国矿业大学毕业设计

MCRA(l1l3)PB(l2l3)cosbHBPBsinBHCPCcosC

=1404.82kNm

MDHDPDcosD0.4588cos78o48.9kNm 在最低位置时的情况：

RA1296.46kNm

MB12960.99315.481598.98kNm

MC1239.65kNm

MDHDPDcosD223.7kNm

表6.4相应位置对应的弯矩

弯矩 Mb KN·m 1748.5 1599 Mc KN·m 1404.8 1239.7 位置 最高位置 最低位置 由表6.4中可知，最大弯矩发生在立柱的柱窝处。但是柱窝处专门焊接了柱窝，断面加强。危险断面在离柱窝中心250mm处，如图6.6所

示

。

该

处

弯

矩

为

M1.15RA1.151590.421828.98kNm

45

中国矿业大学毕业设计

图6.6 柱窝结构示意图 最大弯矩处截面如图

图6.7底座最大弯矩箱体结构图

材料数据

表6.5材料数据

件号 1钢板 2钢板 3钢板 厚度 40 20 20 钢号 16Mn 14MnTiRe 14MnTiRe σ Ncm2 34335 45126 45126 形心位置计算数据列于表6.6中

表6.6形心位置

件号 件数 1 4 2 1 3 1 46

中国矿业大学毕业设计

Fn cm2 Jn cm2 Yn cm2 80 1.35103 268 60 9.2 268 60 9.2 0 结构的形心位置为结构的对称轴线。其惯性距为

2 J(JnFnyn)

=41.351031201202689.222689.22

.04cm4 51007弯曲应力

Myc1828.981059.232988.8N/cm2s34335N/cm2J51007.04故满足要求。

6.5立柱强度校核

强度校核包括立柱的稳定性验算，活柱，加长杆和缸体的强度验算。

6.5.1预算缸筒内径和缸壁厚度

采用乳化液泵的压力为31.4MPa。

经以上立柱参数的计算确定：缸内径为230mm，材料为27SiMn无缝钢管，s83385N/cm2。安全系数选取1.5，

许用应力[]83385/1.555917N/cm2。缸壁厚度为：

`d3[]0.4p(1)=0.7cm

2[]1.3p47

中国矿业大学毕业设计

4P416001032式中 p—缸内压力，p·。 3800N/cm2d323取壁厚为21.5mm。

6.5.2计算重叠长度

Ld·10002303215mm 最小导向长度为：H102102式中 L—液压行程，根据立柱长度需要，液压行程为1000mm。 考虑了活塞厚度和导向长度，取重叠长度为228mm。

立柱结构尺寸表示如图6.8（a、b）。计算数据列于表6.7所示：

P=1600KN l1=95.5cm l2=239.5cm l3=122.5cm l=356.1cm a1=11cm 12F1d1254.5cm2 41·2F2（d294.7cm2 2d2）4J1644d15153cm4 ·4J2（d44507cm4 2d2）6444J3（d3d·13529cm4 3）64k1P10.0053 EJ1cmP10.0041 EJ2cmP10.0022 EJ3cma2=22.8cm k2120.05cm k348

中国矿业大学毕业设计

30.0355mm 40.025mm p=3800N/cm2 E20.6106N/cm2 d1=180mm d2=210mm d·2=179mm d·3=230mm d3=273mm

（a）立柱受力情况

图6.8（b）立柱等价受力图

6.5.3各段的弯矩

M1(X1)P(Asink1x1Bcosk1x1) 0,l1

49

中国矿业大学毕业设计

M2(X2)P(Csink2x2Dcosk2x2) [l3,l2]

M3(X3)P(Gsink3x3Hcosk3x3) 0,l3

其中各系数的计算如下，假设立柱受一轴向力P，没有横向力，不偏载，即e1=e2=0。

sink1l1=0.4848 sink2l2=0.8315 sink3l3=0.2662 sink2l3=0.4813

cos k1l1=0.8746 cosk2l2=0.5554 cosk3l3=0.9639 sink2l3=0.8765

1120.0045 2a12340.0013 2a2k1sink2l2 cosk1l1 k2cosk2l2sink1l10.0049

k1cosk2l2 cosk1l1 k2sink2l2sink1l10.00092

k3sink2l3 cosk3l3 k2cosk2l3sink3l30.00006

k3cosk2l3 cosk3l3 k2sink2l3sink3l30.0018

0.00490.00180.000920.000068.7106

(sink2l2cosk2l2)][()sink1l1]0.9174A[1sink1l1(sink2l2cosk2l2)2sink3l3C(1sink1l12sink3l3)()0.4147 D(2sink3l31sink1l1)()0.1798

50

中国矿业大学毕业设计

G[(sink2l3-cosk2l3)1sikk1l1(-sink2l3cosk2l3)2sink3l3] (-)sink3l31.34216.5.4加长杆强度核算

最大弯矩所在位置为：

X12EJ1257l195.5 P由上式知道最大弯矩发生在l1处。最大弯矩为：

M1max（l1）PAsink1l116000.91740.4848711.6N·cm 加长杆内的应力由于轴向力形成的压应力和弯曲形成的弯曲应力，

PM1maxd11600103711.610318即： 17529.7N/cm2

F12J1254.525153加长材料选用45号钢，s35316N/cm2。 安全系数： 求。

ns353164.7>[n]=1.4,故满足强度要17529.76.5.5活柱强度核算

油缸的挠度1计算

1式中

12l1l22alG0l1l2cos 2Pml1—活塞杆与导向套处的最大配合间隙，1=0.1353cm； 2—活塞与缸体的最大配合间隙，2=0.11cm；

51

中国矿业大学毕业设计

l1—活塞杆头部销孔中心至最大饶度处的距离，cm；

l2—缸底尾部销孔中心至最大饶度处的距离，cm；

l—缸体全部外伸时，液压缸两端销孔间的距离，cm；

Pm—活塞杆的最大推力，即立柱的工作阻力，kN；

a—活塞杆全部伸出时，导向套前端到活塞滑动面末端的距离；

G0—液压缸的重力，kN；G0=mg=360103.6kN；

—立柱轴线与水平面的夹角；=75。

把以上数据代入公式中得：

1(0.13530.11)95.5239.53.695.5239.5cos750.4cm

222.8326.521600326.5最大弯矩所在位置为：

X22EJ2P220.61064507241>l2=239.5 3160010活柱的最大弯矩为：

M2max（l2）M1max（l1）711.6N·cm

活柱内的应力为由于轴向力形成的压力和弯曲形成的弯曲应力，即：

PM2maxd21600103711.610321218533.3N/cm2

F22J294.722767活柱选用27SiMn无缝钢管，s83385N/cm2。 安全系数,ns833854.5>[n]=1.4.故活柱满足强度求18533.36.5.6缸体强度核算

52

中国矿业大学毕业设计

最大弯矩发生的地方为：

X32EJ3P220.610613529655.5l3122.5 3160010由上式知道，缸体最大弯矩发生在l3处，即活柱与缸体发生初曲折的地方。最大弯矩为：

M3max（l3）PGsink3l316001.34210.2662571.6kN·cm

缸体内壁三个应力为：

3rp3800N/cm2

3t21657.4N/cm2

30472.1N/cm2

按第四强度理论进行验算，即：

12[(3t30)2(303r)2（3r3t）]23967.4N/cm2 2安全系数： n

s833853.6>[n]=3.3 满足强度要求 23967.453

中国矿业大学毕业设计

7 液压系统设计

7.1 液压系统的设计方法

根据液压系统的架型和结构设计，确定立柱和千斤顶数目，并拟定液压系统。

在立柱控制阀前面装设一个由移架液路控制的支撑保持阀和一个与立柱活塞液相通的截流阀，可时支架带压移架，设计时应考虑在移架时，支架对顶板的支撑力应大于10KN/m。

2

图7.1带压移架回路

1－输送机；2－支架；3－推移千斤顶；4－立柱；5－安全阀；

6－液控单向阀；7－制成保持阀；8－节流阀

7.2 千斤顶系统

7.2.1. 侧推、调架、防倒系统

图7.2为单作用式，图7.3为双作用式。

54

中国矿业大学毕业设计

图7.2 单作用式 图7.3双作用式

7.2.2. 推移千斤顶系统

推移千斤顶系统如下图所示。a为单向锁紧回路，b为差动回路，c为千斤顶定压回路，用于辅助移架千斤顶的推力限制在一定范围，在该千斤顶的活塞腔一侧液路上增设一个定压开关阀。当操纵操纵阀时，压力液经分流阀后分成两路：一路去推移千斤顶，另一路经定压开关阀去辅助移架千斤顶。当液压力超过定压关闭阀的调整压力时，该阀关闭，切断液路，保证辅助移架千斤顶的推力不超过调定值。

7.2.3.平衡千斤顶系统

平衡千斤顶系统一般用双向锁紧限压回路图7.4所示。

55

中国矿业大学毕业设计

图7.5 液压系统图

1-立柱 2-推移千斤顶 3-护帮千斤顶 4-前梁千斤顶 5-平衡千斤顶 6-顶梁侧推千斤顶 7-掩护梁侧推千斤顶 8-后连杆侧推千斤顶 9-调整千斤顶

7.2.4. 活动侧护板控制方式

根据支架的工作原理，做出液压系统如上图7.5所示：

56

中国矿业大学毕业设计

8技术经济分析

本设计的液压支架经过多方面学习调查，综合国内外先进综采技术，根据市场需求，经济可靠的原则，在多个方案中进行选择，最后确定的方案。

该方案综合国家标准和机械设计标准所提出的一些问题，本着结构简单、费用低、可靠性高等原则设计的。特别是支架四连杆的设计，充分运用了计算机，数据准确可靠。

本次设计充分考虑人机关系、布局合理、操作方便，在工作中，利于观察，利于对应急情况的处理， 液压系统结构简单，各液压元件位置关系明确，操作方便。

57

中国矿业大学毕业设计

9结论

综采面中厚煤层液压支架设计即将结束。几个月来，从开始接到论文题目到参数计算、作图，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，通过对液压支架的选型设计，总体设计，受力分析，强度校核，综合运用了大学期间所学到的知识并学到了很多知识，也有很多感受。开始对液压支架等相关技术很不了解的状态，通过独立的学习，查看相关的资料和书籍和老师指导，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，又通过实习进一步了解了液压支架，为顺利的设计奠定基础

虽然我的论文不是很成熟，还有很多不足之处，但这里面的每一个图、每一个数，都有我辛勤汗水的结晶。使我感觉到了知识充实带来的快乐。

这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做研究是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。希望这次的经历能让我在以后学习和工作得到更大的进步。

58

中国矿业大学毕业设计

致谢

历时这几个月的时间终于完成了这篇论文，给我的大学生活画上了一个圆满的句号，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，设计的成功离不开指导老师和同学的帮助。在这里，我要感谢我的毕业设计指导老师—杨现卿老师。在设计过程中，他给了我以悉心的指导，无论是在论文的选题、收集资料中，还是在具体的写作过程中，在此我向敬爱的指导老师表示真诚的感谢。

其次，我还要向机械系的各位领导和老师在学习期间对我的教诲和帮助表示感谢！还要感谢我班的各位同学，感谢他们的帮助、理解与支持，他们真挚的友谊我将永存于心！

最后，向百忙之中抽出时间来评阅论文的各位教授及老师致意最衷心的感谢！由于时间仓促，我的学术水平有限，论文中一定有不足之处，并真诚的希望各位教授及老师对论文提出宝贵的意见，我会认真的接受批评，让我的学术水平有更高的发展。

59

中国矿业大学毕业设计

参 考 文 献

[1] 丁绍南.液压支架设计.北京：世界图书出版社，1992 [2] 邢福康，刘玉堂.煤矿支护手册.北京：煤炭工业出版社，1991 [3] 赵宏珠.综采面矿压与液压支架设计.徐州：中国矿业学院出版社，1987 [4] 杨振复，罗恩波.放顶煤开采技术与放顶煤液压支架.北京：煤炭工业出版社，1995

[5]《综采技术手册》编委会.综采技术手册.北京：煤炭工业出版社，2000 [6] 程居山.矿山机械.徐州：中国矿业大学出版社，2000 [7] 雷天觉.新编液压工程手册.北京：北京理工大学出版社，1998 [8] 成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2004 [9] 曾正明.机械工程材料手册.北京：机械工业出版社，2003 [10] 陶驰东.采掘机械.北京：煤炭工业出版社，1993

[11] 张家鉴，陈文享.液压支架. 北京：煤炭工业出版社，1985 [12] 甘永立.几何量公差与检测.上海：上海科学技术出版社，2001 [13] 徐灏.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2003 [14] 单辉祖.材料力学.北京：高等教育出版社，1999 [15] 王国法.液压支架技术.北京：煤炭工业出版社,1999

[16] 王国彪，饶明杰.液压支架优化设计与计算机模拟分析.北京：煤炭工业出版社，1994

[17] 白杰平，伍锋，潘英.机械工程科技英语.徐州：中国矿业大学出版社，1997 [18] 张艳.Visual Basic 程序设计教程.徐州：中国矿业大学出版社，2001

60

中国矿业大学毕业设计

附录：

外文资料与中文翻译

外文资料：

The hydraulic pressure support development with first gazes

[ Key word ] hydraulic pressure support; Control; Intellectualization

1 hydraulic pressure supports development

The hydraulic pressure support is take the high-pressured liquid as a power, by certain hydraulic pressure part (cylinder, pipe accessory) one kind of strut and the control roof mining coal working surface equipment which becomes with some steel work combinations. Has the intensity high, the travelling speed quick, support the performance good, safe is reliable and so on the characteristic. Since the 20th century 50's, the hydraulic pressure support has gradually become the mining coal working surface core equipment, in the world mainly produced the coal country to invest the massive manpower physical resource and the financial resource carries on the research development to it. At present, support tends to take the hydraulic pressure support as the main body maturely, in the world has produced makes several hundred kind of frames and the up to ten thousand kind of models hydraulic pressure support, meets each kind of coal bed mining support need. On the century 60's, our country once has also

61

中国矿业大学毕业设计

developed 10 kind of hydraulic pressure supports, because all sorts of reasons have not obtained the promoted application, the hydraulic pressure support is in the development, the experimental stage; The 70's successively from England, Germany, Poland, former Soviet Union and so on mainly produce the coal country to introduce several 10 sets of hydraulic pressure supports. After the unceasing exploration, the use, the digestion and the summary, make each kind of type the support, it is the beginning which the domestically produced hydraulic pressure support develops; The 80's hydraulic pressure support research and development is in the innovation to enhance the stage, develops 30 kind of new frames one after another, makes the ZZ series, the XY series, the ZD series and so on the different specification, and widely uses in the state-owned large and middle scale coal mines, obtains the good economic efficiency; 90's special hydraulic pressure support development obtains the rapid development, the mechanized shop net support, the water granulated substance fills the support, the reason support, the force support, puts goes against the coal support and so on to be published one after another; This century along with the computer technology, the automated technology popularization and the application,

the

hydraulic

pressure

support

control

obtains

unprecedentedness to progress, gradually to the procedure control, the numerical control, the remote control and the automated control makes great strides forward.

2 domestic and foreign hydraulic pressure supports

difference

62

中国矿业大学毕业设计

The domestically produced support in the manufacture technology, the material quality performance, the processing craft, the control system and in the sealing property compares with the overseas advanced countries has the very big disparity.

2.1 processings manufactures aspect

According to the related synthesis picks the engineers and technicians to reflect that, the domestically produced hydraulic pressure support craft technology, the service life, the operational performance, use the material quality so far not yet to achieve in 1979 introduced 100 sets of supports the technical levels. If structural material: Germany uses the ST52 material it yield strength is 500 MPa, but our country uses 16 Mn material yield strength is only 350 MPa; Valve class: Overseas always uses the copper alloy valve shell and the high strength stainless steel valve core, our country is the 45# steel adds surface heat processing; In processing craft: The overseas cylinder endophragm is duplicate plates, the domestic product for does not plate, causes the column premature to appear the spot in the use process, scratches and so on the seal leaks the fluid phenomenon, affects support the effect. The domestically produced hydraulic pressure support and the overseas production hydraulic pressure support compares the average to reduce 2 ~ 3 a service life. 2.2 control systems aspect

The domestically produced hydraulic pressure support control system research and development is at backwardness condition, seriously restricted the support to move supposes the speed the enhancement and the synthesis picks the economic efficiency the display. In the world several mainly produce the coal great nation throughout to enhance the support control

63

中国矿业大学毕业设计

system achievement the synthesis to pick the economic efficiency the important method, the 20th century 60's use manually straight control the operating system; The 70's use the forerunner control system, along with it England first proposed the development electrohydraulic control system, the eighty's tends to maturely; The 90's ladders company develops the entire working surface electrohydraulic control system, follows closely after that Wister to cut down the advantage Asia - shell Switzerland special company to develop more advanced P - M3, P - the M4 electrohydraulic control system. Presently country and so on US, Germany, England, Australia basically all is the programmable electrohydraulic control, but our country still used the hand control system. 2.3 hydraulic pressure parts aspect

The hydraulic pressure part research and development speed lags by far to the hydraulic pressure support need to develop. The hydraulic pressure support reliability mainly relies on the hydraulic pressure part reliability, the hydraulic pressure support in the coal mine production applies whether succeeds, the key lies in the hydraulic pressure part the technical performance whether does meet the requirements. Overseas at present uses the great current capacity safety valve, the fluid much controls the cone-way valve, the cut-off valve, initially supports the strength maintenance valve and the column quickly returns at once the fluid valve. To the hydraulic pressure part structural style, the geometry size, the choice of material, the heat treatment method and the surface treatment and so on various aspects have conducted the thorough research and the development. Develops one batch of sealing property well, the sensitivity high, enters the

64

中国矿业大学毕业设计

row of fluid ability to be big, the anti- impact load strong each kind of hydraulic pressure part, adapts the hydraulic pressure support operating performance request. But our country kind of hydraulic pressure part research and development lags regarding this, at present still continued to use the century for 80's the product, has not formed the hydraulic pressure part universalization, the seriation, the standardization

3 hydraulic pressure supports prospects for development

forecast

In view of the fact that the science and technology high speed development, new technical, the new craft, the new method, the new material unceasing application and the computer technology unprecedented expansion, the hydraulic pressure support future development will have the extremely attractive prospect.

3.1 designs ideas renewal, the hydraulic pressure support develops a revolution

Must consider the environment in the hydraulic pressure support design the attribute. Because the hydraulic pressure support working condition is bad, the person, machine the environment reciprocity question appears importantly. The green design is the choice of material, the product structure, the technique, the outward appearance modelling and the color matches according to the certain rule, adopts artistic the method to perform ingeniously to fuse, fully manifests the man-machine environment system the harmonious unification. The unwieldy hydraulic pressure support image safe, reliable, is been easy to service, lowly to consume energy, the high efficiency, the modelling artistic substitutes. This kind of green design, it

65

中国矿业大学毕业设计

not only Filters the environment and the resources both must meet the economical development needs, and must meet the human survival development needs, is the humanity sustainable developmental strategy in support design manifesting. For example: The hydraulic pressure support uses the multi- goals fuzzy design in the design process, requests to support the strength in a big way, moves a speed quickly, weight light, the timber wood are few and so on, each goal determined a function, namely many designs objective function, then the combination optimizes, determination preferred plan.

3.2 will adopt the pure water hydraulic pressure technology, the hydraulic pressure support becomes the green machinery

The pure water hydraulic pressure technology is the hydraulic pressure domain development front. It not only has good anti- burns the nature, the radiation, moreover the price also cheaply, does not have the pollution, since the long-time hydraulic pressure support in Surface under has worked, because the use actuating medium is the emulsion, and has many chemical additives (emulsifier, guards against rust medicinal preparation, antiseptic, partner mixture and so on), the micro environmental pollution is extremely serious to the surface below, therefore, the hydraulic pressure support use pure water hydraulic pressure technology, to reduces the coal mine the production cost, protects the environment is beneficial, and may greatly improve the mine pit the work and the security condition. Unceasingly progresses along with the society, the people had a higher request to the dependent survival environment, hoped has a security, the environmental protection, the highly civilized green environment. The time request summoned the hydraulic pressure transmission (to origin in 1605

66

中国矿业大学毕业设计

discovered the Pascal's law) this ancient brand-new technology resurfaced, and received the world the attention. At present, the western nation concentrates the strength to study this technology, and makes the unprecedented progress. For example: The lubrication attrition question, reasonably selects rubs the vice- material, has the engineering plastics, the structure ceramics, the high polymer material, guards against rust anticorrosion coating and so on. The structure ceramics have the resistance to wear, the anti- cavitation performance is good, the good chemical stability, characteristic and so on lower friction factor, prepares is favoured. Replaces the partial metals material in the hydraulic pressure part with the structure ceramics, big improvement its performance. In brief, the new material success develops and applies, precisely processes technical the unceasing progress, as well as each kind of new structure hydraulic pressure part making, all will become the hydraulic pressure support to use the pure water hydraulic pressure technology to enter the strict non- pollution domain, will provide the extremely attractive application prospects for development.

3.3 high tech applications, the hydraulic pressure support tends to the intellectualization

The advanced science and technology application is mutually seeps each kind of technology, mutually unifies in the foundation mutually assists, mutually promotes and the enhancement, fully uses each kind of related technical the superiority, enhances strong points and avoid weaknesses, after causes the combination the overall function to be bigger than the composition whole sum of each part of function comprehensive interdisciplinary studies.. The many kinds of technologies unceasingly seep

67

中国矿业大学毕业设计

to \"the mechanical parent substance - hydraulic pressure supportechnical and so on machine, electricity, fluid, light, magnetism servosystem. Specifically said that, is the strength, the speed which outputs by the hydraulic pressure support are a goal, constituted from has output to the input closed-loop system, was involves sensing the technology, the computer control technology, the signal processing technology, the mechanical drive technology, the hydraulic transmission technology and so on. Because fast operating speed, formidable memory function and keen logical judgement function, thus has realized the man-machine dialogue, causes it operation maintenance conveniently, the entire machine function to be strong. The hydraulic pressure support application function unceasingly expands, unceasingly strengthens to the mine pit coal bed geology condition compatibility, production benefit to equipment dependent degree increasingly big, the operational reliability is more important. The breakdown diagnosis technology (including signal examination, breakdown judgement, failure detection, content and so on fault analysis) along with the high tech development theory (for example wavelet technology, nerve network, artificial intelligence and so on) will enter the hydraulic pressure support the early diagnosis, the prevention and the reduced accident occurrence, service blindness and the maintenance time, will lengthen the support service life, will enhance the production efficiency.

4 concluding remark

In summary, the hydraulic pressure support at present develops the main tendency is: Two columns shields type, enhances the hydraulic pressure support intensity, the design factor, moves a speed, the

68

中国矿业大学毕业设计

improvement individual part structure (overall top-beam, width center distance and so on), hydraulic pressure pipe accessory seriation, standardization, universalization, high working resistance, redundant reliability, with micro electron technology realization machine electrohydraulic integration digital gathering, operating mode monitor, breakdown diagnosis and automatic control.

Hydraulic pressure support battery solution control engineering research

and application

Key

word:Hydraulic

pressure

support;Battery

solution

control

system;Design application

A coal mining technology significant innovation. At present,The battery solution control technology in synthesis and so on US, Germany picked the technical leading country to obtain the widespread application,But our country then only then gradually the necessary use battery solution controls the technology in recent years on some hydraulic pressure supports

1 battery solution control technology basic principle and main composition

1.1 Battery solution control technology basic principle （1） Bidirectional neighbour control system.

The synthesis picks working surface each support has the frame to control the box,The operator controls the box choice neighbour control mode through the support frame,Then sends out the corresponding control command according to the instruction (to produce electrical signal),Causes

69

中国矿业大学毕业设计

electro-magnet or micro electrical machinery movement which on neighbour corresponds,Let the electrical signal transform as the hydraulic pressure signal,Controls the host to control the valve to open,Supplies the fluid to the support hydraulic cylinder,Realization neighbour support corresponding movement. The support working mode active status feeds back the frame by the position transmitter and the pressure transmitter to control the box,The frame controls the box to decide the support again according to the sensor feedback signal the next movement. （2）Bidirectional becomes the group control system.

Arranges the working surface support is certain groups,In on this group of in first frames presses the frame by the operator to control the box the start key,Sends out an instruction,Neighbour presses the pre-set sequence movement,After moves the frame to complete automatically sends out the control signal to control the box for next,Next starts the movement. Infer from this,In realization group support automatic control. （3）Entire working surface automatic control system.

The function consummates battery solution.The control system is equipped with the main control console, the infrared installment,Can realize the support and the coal mining machine linkage entire working surface automation control. Its principle is:On each support frame controls the box with the main control console networking,When the support infrared receiving device receives the position which the coal mining machine infrared launcher sends out to believe.

After number,The feedback gives the main control console,The main control console sends out the instruction according to the feedback

70

中国矿业大学毕业设计

signal,Causes the corresponding support movement. 1.2 Main constituent

（1）Battery solution controller (SCU).

The battery solution controller is a control system department.Series \"heart\keyboard and the data receiving device and so on is composed. The battery solution controller has two aspects the functions:On the one hand is defers to the operational order and the pre-set sequence completes the solenoid valve group to open shuts,Then control support column, hoisting jack movement;On the other hand it receives the condition data which on the support obtains (including pressure, displacement and so on) and performs to analyze the judgment,Then controls the support the movement,And demonstrates the support state variable and the support breakdown. （2）Battery solution control valve group (FZ).

The control valve group is one kind of multipurpose control hydraulic pressure solenoid valve,May replace the fluid cycle selector valve,This kind of valve assembly has causes the support movement the valve group and the surveillance support working condition pressure switch,Opens or the closed valve passage according to the controller instruction. （3）Central control bench (MCU).

Whether the system does use MCU,Must the working surface automated horizontal height which determined according to the user decide. Only installs the battery solution controller,Even does not need to install the ground master control room (MCU1) and the mine shaft control room (MCU2),Also may realize the entire automation. The lowest level control

71

中国矿业大学毕业设计

system is a bidirectional neighbour unicontrol,What at present is commonly used is \"as soon as controls four\" the system,Then expands to the automatic arrangement, becomes the group to control, to become the group to pass and the combination function and so on,These all do not need the central control bench.

（4）Periphery accessory.

The battery solution control system has can survey Condition, And transforms the hydraulic pressure parameter into the electronic signal original part pressure transmitter,The reflection passes the hoisting jack travelling schedule position contact sensor as well as uses for automatically to start the coal mining machine long-distance control hydraulic pressure support battery solution controller the infrared receiver and so on. All sensors all have respective output signal,Thus may discover the position which the line severs,And is distinguished by each support battery solution controller. If the system matches in the mine shaft working surface or the ground control room

Has the central control bench,Has the breakdown cable line or the sensor can demonstrate on the key station screen,Like this very easy definite breakdown position battery solution control flow like chart 1 shows

2 、battery solutions control the support the merit

Below this support and the hand control system compare has the merit （1） The support travelling speed is quick.

At present the domestic hydraulic pressure support is common.Uses the hand control,It passes the speed besides to receive the system current capacity and the hydraulic pressure part has flowed the ability the limit,The

72

中国矿业大学毕业设计

worker also has the direct influence in the bay travelling speed to it,This kind of influence appears the outstandingly in the thin coal bed. The battery solution control support work process may automatically circulate carries on,Sped up moved a speed form eight to ten mintenuse,This speed can follow form13113 to 1315m/Min coal mining machine speed,Shan Taibeng current capacity 400 L/Min,Needs 2 to pump the simultaneous working. Satisfied the high efficiency coal mining machine fast to cut.. （2）Improved the roof to support and protect the condition.

Because uses to press every time Niu operates,May enable the support to follow close on after the coal mining machine carries on supports and protects,Moreover,Must act the support requests its two sides the support fastening to support and protect the roof,This characteristic and the correct strut unify,The guarantee forms a firm protecting band along the working surface.

（3）Guaranteed the hydraulic pressure support fixed initially supports the strength.

Battery solution control system.The passable excess pressure sensor feedback signal or lengthens the control electromagnetism the pilot valve on time realization at the beginning of support to support the strength self-preservation

first.

Guaranteed

fixed

initially

supports

the

strength,Reduced the column to increase anti- needs the time,Enhanced has supported and protected the efficiency,Also the entire working surface at the beginning of support supports the strength evenly to be consistent,Improved the roof control

（4）May have the pressure to move the frame.

73

中国矿业大学毕业设计

Uses the battery solution control system,Is moving the frame.In process,Easy to realize the belt pressure to move the frame,Reduced the working surface roof to have the frequent impact load to the hydraulic pressure support,Protection roof adjacent formation stability,Lengthens the hydraulic pressure support the service life. （5）Improved the working surface straight line.

With manual operation compared to,The overwhelming majority battery solution control support all is pusher type,This meant the conveyer pulls the phenomenon to be few,Causes all supports by the biggest displacement quantity to abut in a working surface conveyer armored cable side,Maintains a straight working surface. Moves a step of distance to be accurate,Cuts the crest line to be neat,Improved has supported and protected the effect,And causes the scraper conveyer and the entire working surface straight line. The nature is good,The coal mining machine truncation depth is accurate. Improved the scraper conveyer and the coal mining machine operating mode. Moreover at the same time the multi- frames pushes slides,Slowly causes the scraper conveyer to be curving,Avoids the chute attachment point having the oversized stress.

（6）Improved the support operator's working condition.

Battery solution control technical application,Has realized the hydraulic pressure support remote control operation,But indirect maintenance,The worker work condition and the labor intensity have the enormous

improvement,Because

uses

the

computer

automatic

control,Reduced worker's misoperation. （7）The operation flexibility is big.

74

中国矿业大学毕业设计

Supports and protects the system the support operation sequence is very easy to change,May act according to the different mining condition,Is suitable specially for the thin coal bed and inclines anxiously the coal bed,Also may use in the drum coal mining machine working surface,Also may use in the coal plow working surface;Also may use in promptly supporting and protecting (moves first frame boosts slides) supports and protects the way,Also after may use in lags supports and protects (pushes first slides moves) supporting and protecting the way.

（8）The system can realize the long-distance procedure control.

The operator may the root.According to coal mining machine coal cutting choice of direction best position,Has avoided operator's casualty,At the same time also reduced the dust to the body the harm.

（9）The battery solution control system may and the coal mining machine and the scraper conveyer.Automatic control system coordination linkage,Realizes the entire automated synthesis to pick the working surface. The support and the coal mining machine running status and the data may transmit to the tunnel in the main control console and the ground central control center,Is advantageous for the realization entire mine pit automated management.

3、 domestic and foreign development surveys

At present US, Germany and so on walk in this technology in the world front row,Its hydraulic pressure support battery solution control technology disposition has the breakdown to diagnose the early-warning installation,May realize the hydraulic pressure support and the coal mining machine, the scraper machine linkage and the long-distance control. Our

75

中国矿业大学毕业设计

country develops the hydraulic pressure support battery solution control system start to be late,Has developed successfully the first entire working surface hydraulic pressure support battery solution control system since 1995,Also has the many kinds of models the battery solution control system hydraulic pressure support to be published. But our country produces battery solution control system hydraulic pressure support also not in mine shaft promotion use,Many high production highly effective working surfaces use the battery solution control system hydraulic pressure support also to have from the overseas import. The support battery solution control system develops which from our country looked,Still was in Shan Jia and becomes the group procedure to control.System initial stage. In the system does not have the main control console,Support and coal mining machine linkage entire working surface automatic control system also in development stage. Zhengzhou coal mine mechanical group limited liability company in the last few years through and German DBT Corporation, emperor fragrance Bach company and so on cooperation,The overseas advanced battery solution valve the hydraulic pressure support which will produce with this company necessary,Takes the lead to put into the use in the Jincheng coal industry group,Has met the design requirements completely,Has coal industry group 6 syntheses successively and so on the Jincheng, god China picks working surface nearly 800.

The battery solution control hydraulic pressure support already or was going to put into the use. ZY4400 /9 /21 thin coal bed coal plow working surface battery solution control hydraulic pressure support and the ZY8640 /2,515 /55 manufacture domestically picks the high shield type hydraulic

76

中国矿业大学毕业设计

pressure support through to have the product appraisal in pairs greatly which four Chinese Academy of Science academicians participates (appraisal),The appraisal thought these 2 kind of supports overall performance achieves the world advanced level. Moreover,Corporate design manufacture Chinese god China localization battery solution control hydraulic pressure.Support ZY7600 /22 /45/The world is highest 612 meter two columns shields type battery solution control hydraulic pressure support ZY9400 /28 /62 has all represented the domestically produced support maximum level,Achieved or approaches the world advanced level.

Above two articles originate from Elsevier the ScienceDirect periodica

液压支架的发展与前瞻 [关键词] 液压支架; 控制; 智能化

1 液压支架发展概述

液压支架是以高压液体为动力,由若干个液压元件(油缸、阀件)与一些金属构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备。具有强

77

中国矿业大学毕业设计

度高、移动速度快、支护性能好、安全可靠等特性。自20世纪50年代以来,液压支架已逐步成为采煤工作面核心设备,世界上主要产煤国家投入了大量的人力物力和财力对其进行研究开发。目前,以液压支架为主体的支护趋于成熟,世界上已生产制造出数百种架型和上万种型号的液压支架,以适应各类煤层开采支护需要。上世纪60年代,我国也曾开发了10余种液压支架,由于种种原因未得到推广应用,液压支架处于研制、实验阶段;70年代先后从英国、德国、波兰、前苏联等主要产煤国家引进数10余套液压支架。经不断的探索、使用、消化和总结,制造出各种类型的支架,它是国产液压支架发展的起点; 80年代液压支架研发处于创新提高阶段,相继开发出30余种新架型,制造出ZZ系列、XY系列、ZD系列等不同规格,并广泛用于国有大中型煤矿,取得良好的经济效益; 90年代特种液压支架的研制获得迅速发展,机械化铺网支架、水砂充填支架、端头支架、强力支架、放顶煤支架等相继问世;本世纪随着计算机技术、自动化技术的普及与应用,液压支架的控制获得突破性进展,逐步向程序控制、数字控制、遥控和自动化控制迈进。

2 国内外液压支架差异

国产支架在制造技术、材质性能、加工工艺、控制系统及密封性能上与国外先进国家相比有很大差距。

2.1 加工制造方面

据有关综采工程技术人员反映,国产液压支架的工艺技术、服务年限、使用性能、所用材质到目前为止尚未达到。1979年引进100套支架的技术水平。如结构材料:德国采用ST52材料其屈服极限为500 MPa,而我国使用16 Mn材料屈服极限仅为350 MPa;阀类:国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯,我国则是45#钢加表面热处理;在加工工艺上:国外油

78

中国矿业大学毕业设计

缸内壁是复镀,国产则为不镀,导致立柱在使用过程中过早出现斑点,划伤等密封漏液现象,影响支护效果。国产液压支架与国外生产的液压支架相比平均缩短2～3 a服务年限。

2.2 控制系统方面

国产液压支架控制系统的研发处于落后状态,严重制约了支架的移设速度的提高和综采经济效益的发挥。世界上几个主要产煤大国始终把支架控制系统作为提高综采经济效益的重要手段, 20世纪60年代采用手动直控操作系统;70年代采用先导控制系统,随之英国首先提出研制电液控制系统, 80年代趋于成熟; 90年代道梯公司研制出全工作面电液控制系统,紧随其后威斯特伐利亚- 贝瑞特公司研制出更为先进的P- M3、P-M4电液控制系统。现美国、德国、英国、澳大利亚等国家基本上全是可编程电液控制,而我国仍多采用手动控制系统。

2.3 液压元件方面

液压元件的研发速度远远滞后于液压支架发展的需要。液压支架的可靠性主要依赖于液压元件的可靠性,液压支架在煤矿生产中应用是否成功,关键在于液压元件的技术性能是否达到要求。国外目前多采用大流量安全阀、液控单向阀、截止阀、初撑力保持阀及立柱快速回液阀。对液压元件的结构形式、几何尺寸、材料选择、热处理方法和表面处理等各方面进行了深入的研究与开发。研制出一批密封性能好、灵敏度高、进排液能力大、抗冲击载荷强的各类液压元件,以适应液压支架工作性能的要求。而我国对此类液压元件研发较为滞后,目前仍沿用上个世纪80年代的产品,没有形成液压元件通用化、系列化、标准化。

3 液压支架发展前景展望

鉴于科学技术的高速发展,新技术、新工艺、新方法、新材料的不断

79

中国矿业大学毕业设计

应用及计算机技术的空前扩展,液压支架的未来发展具有十分诱人的前景。

3.1 设计理念的更新,液压支架发展的一场革命

在液压支架设计中必须考虑环境的属性。由于液压支架的工作条件恶劣,人、机环境的相互关系问题显得更加重要。绿色设计是将材料选择、产品结构、工艺方法、外观造型和色彩搭配按照一定规律,采取艺术的方法加以巧妙融合,充分体现人机环境系统的和谐统一。笨重的液压支架形象将被安全、可靠、易维修、低耗能、高效率、造型美观所取代。 这种绿色设计,它不仅可虑环境和资源既要满足经济发展需要,又要满足人类生存发展需要,是人类可持续发展战略在支架设计中的体现。如:液压支架在设计过程中采用多目标模糊化设计,要求支撑力大,移架速度快,重量轻,用材少等,每个目标确定一个函数,即得多个设计目标函数,然后组合优化,确定最佳方案。

3.2 采取纯水液压技术,液压支架将成为绿色机械

纯水液压技术是液压领域的发展前沿。它不仅有良好的抗燃性、散热性、而且价格也便宜,无污染,长久以来液压支架在地表层下工作,由于使用工作介质是乳化液,并有许多添加剂(乳化剂、防锈剂、防霉剂、偶合剂等) ,对地表以下微环境污染十分严重,所以,液压支架使用纯水液压技术,对降低煤矿的生产成本,保护环境是有益的,并可大大改善矿井的工作和安全条件。随着社会不断进步,人们对依赖生存的环境有了更高的要求,希望有一个安全、环保、高度文明的绿色环境。时代的要求呼唤着水压传动(起源于1605年发现帕斯卡定律)这一古老又崭新的技术复出,并受到世界的关注。目前,西方国家集中力量研究该项技术,并取得突破性进展。如:润滑磨损问题,合理选用摩擦副材料,有工程塑料、结构陶瓷、

80

中国矿业大学毕业设计

高分子材料、防锈防腐镀层等。结构陶瓷具有耐磨性,抗气蚀性能好,良好的化学稳定性,较低的磨擦系数等特征,备受青睐。在液压元件中用结构陶瓷代替部分金属材料,大大的改善了其性能。总之,新材料的成功研制与应用,精密加工技术的不断进步,以及各种新结构液压元件的制成,都将成为液压支架采用纯水液压技术进入严格的无污染领域,提供十分诱人的应用发展前景。

3.3 高科技的应用,液压支架趋于智能化

先进的科学技术应用是将各种技术相互渗透,相互结合的基础上相互辅助,相互促进和提高,充分利用各种相关技术的优势,扬长避短,使组合后的整体功能大于组成整体的各个部分功能之和的综合性交叉学科。多种技术向“机械母体- 液压支架”不断渗透,包括机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。具体说,是以液压支架输出的力、速度为目的,构成了从输出到输入的闭环系统,是涉及传感技术、计算机控制技术、信号处理技术、机械传动技术、液压传动技术等。由于快速运算速度,强大的记忆功能和灵敏的逻辑判断功能,从而实现了人机对话,使之操作维护方便,整机功能强。液压支架应用功能不断扩大,对矿井煤层地质条件适应性不断增强,生产效益对设备的依赖性程度愈来愈大,工作可靠性更加重要。故障诊断技术(包括信号检测,故障判断,故障检测,故障分析等内容)将随着高科技的发展理论(如小波技术、神经网络,人工智能等)进入液压支架的早期诊断,预防和减少事故的发生、维修的盲目性和维修时间,延长支架服务年限,提高生产效率。

4 结束语

综上所述,液压支架目前发展主要趋势是:二柱掩护式架型,提高液压支架强度、设计系数、移架速度,改进个别部件的结构(整体顶梁、宽

81

中国矿业大学毕业设计

中心距等) ,液压阀件系列化、标准化、通用化,高工作阻力,高可靠性,用微电子技术实现机电液一体化的数字采集、工况监测、故障诊断和自动控制。

液压支架电液控制技术研究与应用

关键词:液压支架;电液控制系统;设计应用

随着采煤技术的不断发展,液压支架的控制系统和支架制造材料都得到了很大的改进,其中控制系统由原来的手动操作逐渐改进为电液自动控制,大大加快了工作面的移架速度。另外,高强度钢板的开发和应用也进一步减少了支架单位工作阻力所具有的质量,支护性能也有很大的提高,从而使工作面产量成倍增加,实现了回采工作面的自动化,成为煤炭开采技术的一次重大革新。目前,电液控制技术在美国、德国等综采技术领先的国家得到了广泛的应用,而我国则是近几年才逐步在一些液压支架上配套使用电液控制技术。

1 电液控制技术基本原理及主要组成

1.1 电液控制技术的基本原理

（1） 双向邻架控制系统。

综采工作面每一支架均配有架控箱,操作者通过支架架控箱选择邻架控制方式,然后根据指令发出相应控制命令(给出电信号) ,使邻架上对应的电磁铁或微电机动作,让电信号转化为液压信号,控制主控阀开启,向支架液压缸供液,实现邻架支架相应的动作。支架工作状态由位移传感器和压力传感器反馈回架控箱,架控箱再根据传感器反馈信号决定支架的下一个动作。

（2） 双向成组控制系统。

将工作面的支架编为若干组,在本组内首架上由操作人员按动架控

82

中国矿业大学毕业设计

箱的启动键,发出一个指令,邻架就按预定程序动作,移架完成后自动发出控制信号给下一架控箱,下一架开始动作。依此类推,实现组内支架的自动控制。

（3） 全工作面自动控制系统。

功能完善的电液控制系统设有主控制台、红外线装置,能实现支架与采煤机联动的全工作面自动化控制。其原理为:每一支架上的架控箱均与主控制台联网,当支架红外线接收装置收到采煤机红外线发射器发出的位置信号后,反馈给主控制台,主控制台根据反馈信号发出指令,使相应的支架动作。

1.2 主要组成部分

(1) 电液控制器( SCU)

电液控制器是控制系统的“心脏”,它由微处理机、信息传输单元、操作键盘和数据接收装置等组成。电液控制器有两方面的功能:一方面是按照操作指令和预定程序完成电磁阀组的启闭,进而控制支架立柱、千斤顶的动作;另一方面它又接收支架上测得的状态数据(包括压力、位移等)并加以分析判断,进而控制支架的动作,并显示出支架状态参数和支架故障。

(2) 电液控制阀组( FZ)

控制阀组是一种多用途的控制液压的电磁阀,可代替液体循环选择阀,这种阀组装有使支架动作的阀组和监视支架工作条件的压力开关,根据控制器指令开启或闭合阀门通道。

(3) 中心控制台(MCU)

系统是否采用MCU,要根据用户确定的工作面的自动化水平高低来决定。只安装电液控制器,甚至不需要安装地面中央控制室(MCU1)和井下控制室(MCU2) ,也可以实现全自动化。最低水平的控制系统是双向邻架单

83

中国矿业大学毕业设计

一控制,目前较常用的是“一控四”系统,然后扩展到自动排序、成组控制、成组推移及组合功能等,这些都不需要中心控制台。

(4)外围辅助部件

电液控制系统有能测量支架的状态, 并将液压参数转换为电子信号的原件—压力传感器,反映推移千斤顶行程位置的接触传感器以及用来自动启动采煤机远程控制液压支架电液控制器的红外接收器等。所有的传感器都有各自的输出信号,从而可以找出线路中断的位置,并被每一台支架的电液控制器所鉴别。如果系统在井下工作面或地面控制室配有中心控制台,发生故障的电缆线路或传感器会在主控台屏幕上显示出来,这样就很容易确定故障位置。

2 电液控制支架的优点

该支架与手动控制系统相比有以下优点 （1） 架移动速度快。

目前国内液压支架普遍采用手动控制,其推移速度除受系统流量和液压元件过流能力的限制外,工人在架间的移动速度也对其有直接的影响,这种影响在薄煤层中显得尤为突出。电液控制支架工作过程可自动循环进行,加快了移架速度(8～10 s) ,此速度能跟上13113～1315m /min的采煤机速度,单台泵流量400 L /min,需要2台泵同时工作。满足了大功率采煤机快速切割。

（2） 改善了顶板支护条件。

由于每使用一个按钮操作,可以使支架能紧跟在采煤机之后进行支护,而且,要动作的支架要求其两侧的支架紧固支护顶板,这一特征与正确的支撑相结合,保证沿工作面形成一个坚固的支护带。

（3）保证液压支架额定初撑力。

电液控制系统可通过压力传感器反馈信号或延长控制电磁先导阀的

84

中国矿业大学毕业设计

供电时间实现支架初撑力自保。保证额定初撑力,减少了立柱的增阻所需时间,提高了支护效率,且全工作面支架初撑力均匀一致,改善了顶板控制。

（4）可带压移架。

采用电液控制系统,在移架过程中,易于实现带压移架,减少了工作面顶板对液压支架产生频繁的冲击载荷,保护顶板围岩的稳定,延长液压支架的使用寿命。

（5） 改善了工作面的直线性。

与手动操作相比,绝大多数电液控制支架都是推进式的,这就意味着输送机的拉回现象较少,以最大的位移量使所有支架紧靠在工作面输送机的铠装电缆一侧,保持一个较直的工作面。移架步距准确,切顶线整齐,改善了支护效果,并且使刮板输送机和整个工作面直线性好,采煤机截深准确。改善了刮板输送机和采煤机的工况。另外多架同时推溜,使刮板输送机缓慢弯曲,避免溜槽连接处产生过大的应力。

（6）改善了支架操作工的工作条件。

电液控制技术的应用,实现了液压支架的遥控操作,可远距离操作,工人劳动条件和劳动强度得到极大改善,由于采用计算机自动控制,减少了工人的误操作。

（7）操作灵活性大。

支护系统的支架操作程序很容易改变,可以根据不同的开采条件,特别适用于薄煤层和急倾斜煤层,既可以用于滚筒采煤机工作面,又可以用于刨煤机工作面;既可以用于及时支护(先移架后推溜)的支护方式,又可以用于滞后支护(先推溜后移架)的支护方式。

（8） 系统能实现远程程序控制。

操作人员可根据采煤机的割煤方向选择最佳位置,避免了操作人员

85

中国矿业大学毕业设计

的伤亡事故,同时也降低了粉尘对身体的危害。

（9） 电液控制系统可与采煤机和刮板输送机的自动控制系统配合联动,实现全自动化综采工作面。支架与采煤机的运行状态和数据可以传输到巷道中主控制台和地面中央控制中心,便于实现整个矿井的自动化管理。

3 国内外发展概况

目前美国、德国等在该项技术走在世界前列,其液压支架电液控制技术配置有故障诊断预警装置,可实现液压支架与采煤机、刮板机联动和远程控制。我国研制液压支架电液控制系统起步较晚,自1995年研制成功第一台全工作面液压支架电液控制系统以来,又有多种型号的电液控制系统液压支架问世。但我国生产的电液控制系统的液压支架还没有在井下推广使用,许多高产高效工作面所用电液控制系统液压支架还需从国外进口。从我国研制的支架电液控制系统看,尚处于单架和成组程序控制的初级阶段。系统中没有主控制台,支架与采煤机联动的全工作面自动控制系统还在研制阶段。郑州煤矿机械集团有限责任公司近几年来通过与德国DBT公司、帝芬巴赫公司等的合作,将国外先进电液阀与本公司生产的液压支架配套,率先在晋城煤业集团投入使用,完全达到了设计要求,先后有晋城、神华等煤业集团6个综采工作面近800架

电液控制液压支架已经或将要投入使用。其中ZY4400 /9 /21薄煤层刨煤机工作面电液控制液压支架和ZY8640 /2515 /55型国产化大采高掩护式液压支架双双通过有4名中国科学院院士参加的产品鉴定(评议) ,鉴定认为这2种支架整体性能达到世界先进水平。另外,公司设计制造的中国神华本土化电液控制液压支架ZY7600 /22 /45 /、世界最高(612 m)的两柱掩护式电液控制液压支架ZY9400 /28 /62都代表了国产支架的最高水平,达到或接近世界先进水平。

86

中国矿业大学毕业设计

以上两篇资料均来源于Elsevier ScienceDirect 期刊

87