〔大学论文〕QY-A型液压支架设计(含word文档) .pdf
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1、概述 1.1 液压支架在综采工作面的作用和分类 1.1.1 液压支架的用途 液压支架作为煤矿综采机械化采煤设备(液压支架、可弯曲输送机和采煤机)的 重要组成设备之一, 可见它的作用是十分重要的;在生产过程中, 液压支架的性能的好坏 将直接影响煤矿生产的质量,特别是生产过程中对人员的安全保障问题是极为重要的。 所 有的这些都要求我们在从事液压支架设计时要严格按相关的规程要求来设计液压支架, 设计的产品要具有安全性的同时要具有经济性, 从而实现在做到确保人员的安全的同时 要最大程度地提高煤矿生产效率,达到好的经济效益,提高工人的收入和生活水平。 因 此,性能优良的液压支架是技术上先进、经济上合理、
2、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。 1.1.2 液压支架的分类 液压支架的种类很多,分类的依据和方法各不相同。下面介绍几种常用的分类方法 以及液压支架的类型。 按支架与围岩的相互作用关系分类 按照液压支架与围岩的相互作用关系,目前使用的液压支架可分为三类,即支撑 式、掩护式和支撑掩护式三大类。 支撑式液压支架支撑式液压支架是一个在底座上放置几根立柱支撑顶梁,通过顶 梁支撑顶板的简单结构基础上发展起来的,它是世界上发展最早的液压支架。典型的支 撑式液压支架,其顶梁较长,立柱较多,靠支撑作用维护一定的工作空间,而顶板岩石 则在顶梁后部切断垮落。架厚的挡矸帘只起着碎矸石从
3、采空区涌入工作面的作用。这种 类型的支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能,因此适用于顶板坚硬完整,基本顶 周期压力明显或强烈,底板较坚硬的煤层。但由于立柱的垂直布置,所以支架承受水平 力的能力差,在水平力的作用下,支架容易失去稳定性。 掩护式液压支架 掩护式液压支架是利用立柱、顶梁与掩护梁来支护顶板和防止岩石落入工作面。这 类支架的顶梁较短,多数支架的立柱只有一排,一般仅有 12 根,多呈倾斜布置,与 掩护梁连接或直接连接在顶梁上。 立柱通过顶梁支撑顶板。 掩护梁与冒落得岩石相接触, 第 2 页 共 49 页 阻止矸石涌入工作面并承受采空区矸石的载荷。这类支架的支撑力小,但掩护性能和稳 定性
4、较好,调高范围大,对破碎顶板的适应性较强,适应于支护部稳定或中等稳定的松 散破碎顶板。 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架式支撑式支架和掩护式支架相结合的一种架型,以支撑为主,但同 时又具有掩护作用。这种支架采用了支撑式支架双排立柱支撑顶梁的结构形式,保证了 支撑式支架支撑力大,切顶性能好,工作空间宽敞的优点,采用了掩护式支架坚固的掩 护梁以及侧护板将工作面与采空区完全隔离开的结构形式,保留了掩护式支架防护性能 好,结构稳定的长处。因此,支撑掩护式支架适用于直接顶中等稳定或稳定,基本顶周 期来压明显或强烈瓦斯涌出量较大的煤层。 按支架移动方式分类 液压支架按移动方式的不同可分为二大类,即整体自移式
5、和迈步移动式液压支架。 整体自移式液压支架 这类支架一般均为整体结构,其移架和推溜共用一个千斤顶。该千斤顶与输送机之 间有直接或间接的连接关系, 因而能以输送机为支点实现移架, 以支架为支点实现推溜。 目前多数液压支架采用此种移动方式。 迈步移动式液压支架 这类支架是由一定连接关系的主、 副架所组成。 移架与推溜的千斤顶是各自独立的, 移架千斤顶分别与主、副架相连,互为支点,交替迈步移动;而推溜千斤顶一般只与支 架相连,另一端则呈自由状态,推溜时以支架为支点。 根据使用地点分类 液压支架按使用地点的不同可分为工作面支架和端头支架两类。 布置在工作面内,用来支护工作面顶板的支架称为工作面支架。
6、布置在工作面与上下顺槽连接处的支架称为端头支架。由于端头处机械设备较多, 顶板悬露面积大, 同时又是人员的出入口, 所以要求端头支架不仅要有较高的支撑能力, 还要保证有足够的空间;不仅要使支架自身能够沿弯曲的顺槽前移,还要考虑推移转载 机。因此,端头支架在结构上具有特殊性。 1.2 液压支架的组成及工作原理 1.2.1 液压支架的组成 液压支架爱一般由城在结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成。 承载结构件 顶梁 直接与顶板相接触并承受顶板载荷的支架部分叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、 管 理顶板功能。顶梁一般由两种结构形式:一种为整体顶梁,这种顶梁的梁体较长,结构 简单, 能顺利通过
7、顶板局部冒落凹坑, 但对顶板台阶的适应能力差; 另一种为分段顶梁, 即顶梁分为前梁和后梁两部分,前梁又可分为伸缩式活动前梁、铰接式活动前梁或兼而 有之的活动前梁。 由于分段顶梁铰接处的纵向间隙和销轴可以允许各段之间相互有稍许 扭转,因而比整体顶梁容易满足港督要求。 伸缩式活动前梁可在伸缩千斤顶的作用下向煤壁方向伸出和缩回,及时支护采煤机 割煤后所暴露的顶板,实现立即支护。当采煤工作面出现较严重的片帮时,伸缩梁可直 接插入煤壁进行支护。因此,在顶板破碎、片帮现象严重的工作能,多采用带伸缩式活 动前梁的支架。 铰接式活动前梁又称摆梁,即在前梁千斤顶的作用下,可沿与顶梁铰接的铰接轴向 上或向下摆动一
8、定角度,以改善支架的接顶情况,从而可提高支架对靠近煤壁顶板的支 撑能力。 掩护梁 阻挡采空区冒落的干湿窜入工作面并承受采空区冒落矸石的载荷和承受顶板通过 顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。 掩护梁是掩护式和支撑掩护式支架的特征部件之 一。掩护梁与前后连杆、底座共同组成四连杆机构,承受支架的水平分力。当底板不平 时,掩护梁还将承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱式整体结构,也有做成左、右对分结 构的。 前后连杆 前后连杆只有掩护式和支撑掩护式支架才安设。前后连杆与掩护梁、底座组成的四 连杆机构,即可承受支架的水平分力,又可使掩护梁的铰接点在支架的调高范围内做近 似的直线运动,使支架的梁端距基本保持不变
9、,从而提高了支架控制的可靠性。前后连 杆一般采用箱形分体式结构,即左、右各一件。后连杆常常用钢板将两个箱形结构连接 在一起。 底座 直接与底板相接触,承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件叫底座。 支 第 4 页 共 49 页 架通过底座与推移装置相连,以实现自身前移和推移输送机前移。 侧护板 目前生产的掩护式和支撑掩护式支架都具有较完善的侧护装置,不仅掩护梁两侧有 侧护板,而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后端的两侧也有侧护板。侧护板的作用 是: a.消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙,防止冒落矸石进入支护空间; b.作为支架移架过程中的导向板; c.防止支架降落后倾倒; d.调整
10、支架的间距。 支架工作时一侧的侧护板是固定的,另一侧为活动的。制造时,通常两侧侧护板做 成对称的;安装时,可按需要将一侧侧护板用螺栓或销子固定在顶梁和掩护梁上。按侧 护板和掩护梁或顶梁上板面关系,侧护板有上复式、埋伏式、抽出式和拆页式等几种结 构型式。 执行元件 执行元件包括立柱和各种千斤顶。 立柱 支架上凡是支撑在顶梁(或掩护梁)和底座之间直接或间接承受顶板载荷、调节支 护高度的液压缸称为立柱。立柱式液压支架的主要动力元件,可分为单伸缩和双伸缩两 种。单伸缩立柱调高范围较小,但结构简单、成本低;双伸缩立柱则与之相反。有的立 柱两端还有机械加长段。立柱两端一般采用球面结合形式与顶梁和底座铰接。
11、 千斤顶 液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶,依其功能分别为前梁千斤顶、推移 千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁千斤顶也承 受由铰接前梁传递的部分顶板载荷,所以结构与立柱基本相同,只是长度和行程较短, 也有人称它为短柱。 平衡千斤顶是掩护式支架独有的, 其两端分别与掩护梁和顶梁铰接, 主要用于改善顶梁的界定接顶状况,改变顶梁的载荷分布。 当支架设置防倒防滑装置时,还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。 控制元件 液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类:压力控制阀和方向控制 阀。压力控制阀主要有安全阀;方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。 安全
12、阀 安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有 可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀,可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力来调 整开启压力。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力, 即超过安全阀的调定压力时,工作腔内的压力液可通过安全阀释放,达到卸压目的。 卸 载以后,工作腔内的压力低于调定压力时,安全阀自动关闭。在此过程中,可使立柱和 千斤顶保持恒定的工作阻力,避免立柱、千斤顶过载损坏。 液控单向阀 液控单向阀是液压支架的重要元件之一。 它的作用是闭锁立柱或千斤顶的某一腔中 的液体,使之承受外载产生的增加阻力,使立柱或千斤顶获得额定工作阻力
13、。液控单向 阀往往和安全阀组合在一起,组成控制阀。 操纵阀 在支架液压控制系统中用来使液压缸换向,实现支架各个动作换向(分配)阀, 习 惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀二种类型。 辅助装置 辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。 推移装置 退役装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置,由连接头、框架、推移千 斤顶组成。推移千斤顶一端与支架底座相连,另一端通过框架、连接头与刮板输送机相 连。 挡矸装置 挡矸装置由悬挂在顶梁后端的挡矸帘或挡矸板构成,其作用是防止矸石从采空区涌 入工作面。 复位装置 复位装置是支撑式支架的特征装置。这是由于支撑式支架的顶梁、前后立
14、柱和底座 恰好形成四杆双曲柄机构,因而支架的结构是不稳定的,在侧向力的作用下,容易发生 立柱倾斜现象。安设复位装置的目的就是为了使支架立柱保持在垂直于顶板的正确位 置,使支架的结构稳定,具有抵抗顶板水平分力的能力。 护帮装置 煤层较厚或煤质松软时,工作面煤帮(壁)容易在矿山压力下崩落,这种现象称为 第 6 页 共 49 页 片帮。工作面片帮使支架顶梁前端的顶板悬露面积增大,引起架前冒顶。我国规定, 煤 层采高超过 2.52.8m,支架应设护帮装置,其目的在于防止煤壁片帮或在片帮时互帮 板起到遮蔽作用,避免砸伤工作人员或损坏设备。护帮装置安设在支架顶梁前端,由护 帮板和护帮千斤顶组成。 防倒防滑
15、装置 在煤层倾角较大(一般在 15以上)时,支架需加设防倒防滑装置,以免支架降落 或前移时倾倒或下滑。防滑装置一般安设在两相邻支架的底座侧面,防倒装置一般安设 在两相邻支架的顶梁侧面。 1.2.2 液压支架的工作原理 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 液压支架在工作过程中,必须具备升、降、推、移四个基本动作,这些动作是利用 泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成。如图 1-1 所示。 升柱 当需要架上升支护顶板时,高压乳化液进入立柱的活塞腔,另一腔回液,推动活塞 上升。使活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。 降柱 当需要
16、降柱时,高压液进入立柱的活塞杆腔,另一腔回液,迫使活塞杆下降, 于是顶梁脱离顶板。 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的。当需要支架前移时, 先降柱卸载,然后高压液体进入千斤顶的活塞杆腔,另一腔回液,以输送机的为支点, 缸体前移,把整个支架拉向煤壁;当需要推输送机时,支架支撑顶板后,高压液进入千 斤顶的活塞腔,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的曲线,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过程可以分为三个阶段。支架 升柱时高压液体进入立柱的下腔,立柱升起使顶梁接触顶板,立柱
17、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,此阶段为初撑阶段 t0;此时支架的初撑力为 Pc= 4 D 2 pbn 3 10,KN 式中D支架立柱的缸径,m; pb泵站的工作阻力,Mpa; n支架立柱的数量。 支架初撑后, 随顶板下沉, 立柱下腔压力增加, 直至增加到支架的安全阀调正压力, 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,使立柱下 腔压力超过支架的安全阀调正值时,安全阀打开溢流,立柱收缩,使顶板压力减小, 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 力的限止下
18、,压力曲线随时间呈波浪形变化,此阶段为恒阻阶段t3,此时支架的工作 阻力为 P= 4 D 2 pan 3 10,KN 式中pa支架安全阀的调定压力,Mpa; 其它符号意义同前。 支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。 第 8 页 共 49 页 图 1-2支架的工作特性曲线 t0初撑阶段;t1增阻阶段;t2横阻阶段; P1初撑力;P2工作阻力 1.31.31.31.3 液压支架设计的目的和要求液压支架设计的目的和要求液压支架设计的目的和要求液压支架设计的目的和要求 1.3.1 设计目的 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 满足对煤炭日益增长的需要,必须大量
19、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。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。 由于不同才每个字母的底板团结、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的 不同,对液压支架的要求也不同。为了有效地支护和控制顶板,必须设计出不同类型和 不同结构尺寸的液压支架。因此,液压支架设计的工作是非常重要的。由于液压支架的 类型很多,因此其设计工作量也是很大的,由此可见,研制和开发新型液压支架是必不 可少的一个环节。 1.3.2 对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, 以便有效的控制顶板,保
20、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 100KN150KN,中煤层一般为 150KN 至 250KN,厚煤层一般为 300KN400KN。 3.防矸性能要好。 4.排矸性能要好。 5.要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面,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,能承受一定的不均匀载荷和冲击载荷。 10.在满足强度条件下,尽可能减轻
21、支架重量。 11.要易于拆卸,结构要简单。 12.液压元件要可靠。 第 10 页 共 49 页 2 液压支架的选型 2.1 液压支架的支撑力与承载的关系 从架型的结构特点来看,由于架型的不同,它的支撑力分布和作用也不同;从顶板 条件来看,由于直接顶类别和老顶级别的不同,制假所承受的载荷也不同。所以,为了 在使用中合理的选择架型,要对支架的支撑力与承载的关系进行分析,使支架的支撑力 能适应顶板载荷的要求。 掩护式支架的支撑力分布与承载 2.1.1 掩护式支架的特点和支撑力分布 掩护式支架的特点是顶梁较短,控顶距较小,支撑力主要集中在顶梁部位,且分布 较均匀,顶梁端部的支撑能力比支护式支架大,其支
22、撑力的分布规律如图 2-1 所示。 图 2-1 掩护式支架支撑力分布 2.1.2 掩护式支架在不同的顶板条件下承载分析 (1) 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况 图 2-2 掩护式支架在破碎不稳定顶板条件下的受力情况 支架的顶梁和掩护梁受力情况,如图 2-2 所示。 顶梁受力:由于支架顶梁短,使支架重复支撑的次数少,所以顶板较完整。顶板作 用在顶梁上合力 Q,载荷分布如图所示。 掩护梁受力:由于顶板破碎,在顶梁后部自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上, 对掩护梁的作用可以分解为垂直分力和水平分力,如图所示。 掩护式支架虽然立柱少,支撑力较小,但由于顶梁短,单位面积支撑力大,载荷分 布与
23、支架支撑力的作用部位基本一致。所以,此种支架能在破碎不稳定顶板下工作。 (2) 掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况 掩护式支架由于立柱少,且呈倾斜布置,支撑力较小,切顶性较差。受力情况如图 2-3 所示。 图 2-3掩护式支架在中等稳定以上顶板的受力情况 直接顶冒落时,冒落岩石分别作用在顶梁和掩护梁上。 周期来压时,由于顶梁后部顶板不能 充分切断,老顶压力将由整个支架和采空区 跨落岩石承担,或者有可能出现在切顶时,老顶直接加压在掩护梁上,这就使掩护梁上 载荷剧增, 迫使顶梁支撑力减小, 使支架难于承受顶板的压力和控制顶板的冒落。 所以, 此种支架不能在中等稳定以上顶板下工作。 2.2 液压
24、支架的架型选择 从前面的受力分析得知,液压支架的架形选择,主要取决于顶板条件和地质条件, 结合各类支架的不同性能和特点,选择一种较为合理的架型。下面简要介绍影响架型选 择的因素和如何有针对性地进行架型选择。 第 12 页 共 49 页 2.2.1 已知设计条件 1.支架参数 支撑高度1.4/3.2(m) 工作阻力和初撑力20382238/16171813(KN) 2.顶板类型 (1)直接顶类别2 级属于中等稳定顶板。 (2)基本顶级别级老顶周期来压不明显。 2.2.2 支架架型选择以及基本参数的确定 A.液压支架的架型选择 选型原则 :支架选型应使支架支护强度与采面矿压相适应,支架结构与煤层赋
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