支撑掩护式液压支架设计

华北科技学院毕业设计（论文）第1页共72页前言综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。我国液压支架经过30多年的发展，取得显著的成果，至今已能成批制造两柱掩护式和四柱支撑掩护式液压支架，这些系列化液压支架一般用于缓倾斜中厚煤层及厚煤层分层开采。我国煤矿中使用的支架类型很多，按照支架采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在处工作面断头以外的采煤工作面上所有的位置的液压支架。目前使用的液压支架分为三类。即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架。从架型的结构特点来看，由于直接类别和老顶级别的不同，所以为了在使用中合理地选择架型，要对支架的支撑力承载力的关系进行分析使支架能适应顶板载荷的要求。此次设计是对大学所学的知识的综合应用，通过设计使所学知识融会贯通，形成较为清晰的知识构架，强化设计过程的规范性以及对计算机的使用的熟练性。通过此次设计，能够更好的梳理所学的知识，基本掌握机械设计制造及其自动化专业在机械设计方面的工作方法，同时提高独立为完成工作的能力，为以后的工作打下坚实的基础。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第2页共72页第1章液压支架的概述1.1液压支架的组成和用途1.1.1液压支架的组成液压支架由顶梁、底座、掩护梁、立柱、推移装置、操作控制系统等主要部分组成。1.1.2液压支架的用途在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项工作正常进行，必须对顶板进行支护，而液压支架是以高压液体作为动力由液压元件与金属构件组成的至呼和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架可与弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.2液压支架的工作原理液压支架在工作过程，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图1-1所示。升柱：当需要液压支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，是与活塞杆相连的顶梁紧紧接触顶板。降柱：当需要降柱时，高压乳化液进入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推动活塞下降，顶梁脱离接触接触顶板。支架和输送机前移：支架和输送机的前移都是由底座上的推移千斤顶来完成。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推移输送机时，支架支撑顶板后，华北科技学院毕业设计（论文）第3页共72页高压液进入推移千斤顶下腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。支架的支撑力与时间曲线，称为支架的工作特性曲线，如图1-2所示支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化可分为三个阶段：支架升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使顶梁接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初承力阶段t0；支架初撑后，随着顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架安全阀的调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力，此阶段为增阻阶段t1；随着顶板压力继续增加，是立柱下腔压力超过的安全阀调正压力值时，安全阀打开溢流，立柱下缩，是顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段t2。高压液体底压液体升降推移123456pp1p2tt0t1t2图1-2支架的工作特性曲线图1-1液压支架工作原理1输送机；2推移千斤顶；3立柱；4安全阀；5液控单向阀；6操纵阀支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第4页共72页1.3液压支架设计目的、要求和设计支架的必要参数1.3.1设计目的采用综合机械化采煤机械方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需要，必须大量生产综合机械化设备，机械化采煤工作面。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需要量是很大的。由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对不同液压支架的需求也不同。为了有效的支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计的工作量也是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。1.3.2液压支架的基本要求1．为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以使有效地控制顶板，保证合理的下沉量。2．液压支架要有足够的推溜力和移架力，推溜力一般为100KN左右，移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN～150KN，中厚煤层一般为150KN～250KN，后煤层一般为300KN～400KN。3．防矸性能要好。4．排矸性能好。5．要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风面积，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。6．为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。7．调高范围要大，照明和通讯方便。8．支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。9．要求支架有足够的刚度，能承受事实上不均衡载荷和冲击载荷。10．满足强度条件下，尽可能减轻支架重量。11．要易于拆卸，结构要简单。12．液压元件要可靠。华北科技学院毕业设计（论文）第5页共72页1.3.3设计液压支架必须的基本参数1．顶板条件根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。2．最大和最小采高根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。3．瓦斯等级根据瓦斯等级，按《煤矿安全规程》规定，验算通风断面。4．底板岩性及小时涌水量根据底板岩性及小时涌水量验算地板比压。5．工作面煤壁条件根据工作面煤壁条件决定是否用护帮装置。6．煤层倾角根据煤层倾角决定是否选用防滑装置。7．井向罐笼尺寸根据井向罐笼尺寸考虑支架的运输外形尺寸。8．配套尺寸根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。1.4液压支架的发展趋势1.4.1新型适用特种条件下的液压支架为了安全高效的开采复杂地质条件的煤炭资源，必须设计能适应某种特殊地质条件使用的液压支架。1．特厚煤层一次采全高液压支架。2009年平顶山煤矿机械有限公司生产的ZY10800/28/63型电液控制掩护式液压支架是为神华宁煤设计制造的，支护高度6.3米、工作阻力10800千牛、重量40.5吨的大采高高端支架（参数见表1-1）。该架型代表着国内支架行业的先进水平，技术含量高、生产难度大。2．新型放顶煤支架。设计一种回采率高，夹矸少的放顶煤液压支架。3．水采液压支架。为了适应水采工作面的支护需要，设计一种水采工作面。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第6页共72页表1-1ZY10800/28/63型电液控制掩护式液压支架参数性能项目数值性能项目数值支架高度mm2800-6300工作阻力KN10800初撑力KN7912支架中心距mm1750支护强度MPa1.06立柱缸径mm4004．重型支架。为适应顶板压力特别大的需要，可将液压支架的工作阻力设计的较大。5．新型端头支架。为了加快综采速度和无人采煤工作面的需要，设计一种能适应井上操作且安全可靠的断头液压支架。6．大倾角工作面支架。为适应煤层倾角小于等于45°的工作面，设计一种新型的大倾角工作面支架。1.4.2液压支架结构设计的方向1．轻型化。对液压支架各部件进行受力分析和优化设计，使结构紧凑，在满足强度要求和配套的条件下，底座和顶梁尽量短，使支架轻型化。2．标准化。为了减轻支架的重量，降低成本，提高对煤层厚度变化和顶底板条件的适应性，使液压支架的危险性减小，对同一型号设计成系列化，适应不同煤层厚度的要求。3．材质强化。提高结构件钢材强度，采用优质钢材，减轻液压支架的重量，设计师可先进行技术经济比较，再选合适的材料。4．高压化。各种阀类的压力等级价高，相应的强度增高，使阀和油缸的体积减小，使液压支架的质量减轻。5．操作自动化。能适应无人采煤工作面的需要，实际运程操作的新型全自动液压支架。1.4.3我国液压支架与国外液压支架存在的差距及今后的发展趋势我国的液压支架经过30多年的发展，尽管取得了显著的成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨甚至班产万吨的记录，但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定的差华北科技学院毕业设计（论文）第7页共72页距。在支架架型功能上我国与国外相差无几，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材耐压能力一般为16MPa，最好的屈服极限仅有700MPa，液压系统压力在35MPa以下，流量在200L/min以内，供液管直径25～32mm，回液管直径25～50mm，最快移架速度为10～12s/架（井下实际应用又是在20s以上），工作阻力相对较低。我国液压支架的设计制造水平经过30多年的发展，不断提高，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架反面积累了丰富的经验，架型也基本趋于成熟完善，在品种和质量方面与国际相比还有较大的差距。所以，今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件开发一些新架型、新品种外，还应在设计支架控制系统和提高指甲的工作可靠性发面下功夫。今后，我国的液压支架的设计将朝技术含量高、钢板强度高、移架速度快（6～8s/架）和电液控制阀的方向发展，对破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠的推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400L/min的高压大流量乳化液泵站，以适应快速一家的需要；系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置。两柱掩护式液压支架的比重将大大增加，缸的直径将增至360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。支撑掩护式液压支架总体设计分析及顶梁设计第8页共72页第2章液压支架的架型特点及选型2.1液压支架的分类及特点2.1.1液压支架架型的分类按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液压支架分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。1．支撑式液压支架：支撑是液压支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如图2-1所示，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。2．掩护式液压支架：掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图2-2所示，其顶梁较短，对顶班的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。3．支撑掩护式液压支架：支撑掩护式液压支架是在支撑是液压支架和掩护式ab图2-1支撑式液压支架的类型华北科技学院毕业设计（论文）第9页共72页液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，采