毕业设计(论文)-液压支架立柱的设计分析.doc
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1、第一章 绪论1.1 液压支架的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。为了满足煤炭日益增长的需要,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(简称综采工作面)。而每个总裁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底板条件、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
2、个环节。1.2液压支架的使用现状液压支架的设计、制造和使用,从1854年英国研制成功了液压支架发展到现在,已经基本成熟,已经基本成熟,它已经形成了能另适用各种不同煤矿地质条件的各类液压支架。从液压支架的形式来看,有支撑式液压支架发展到掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架;从支架的质量来看,有轻型液压支架和重型液压支架;从支撑高度来看,有薄煤层液压支架、中厚煤层分层和厚煤层液压支架,其中厚煤层液压支架鼬分厚煤层一次采全高液压支架、厚煤层分层开采液压支架和放顶煤液压支架;从用途来看,有端头液压支架和中间液压支架。所以从液压支架的现状开看,液压支架已经发展到一个完整的液压支架体系。从液压支架的设计来看
3、,由过去的手工设计发展到全部计算机程序设计。总之,随着时代的发展的进步,液压支架设计、制造和使用,将越来越完善、安全、可靠。1.3液压支架的发展趋势近几年来,为适应采煤综合机械化的发展需要,液压支架获得了迅速的发展,出现了很多类型,据统计,它的结构形势已达数百种。每种支架的支柱从1根导8根,支撑力从50吨到800吨,支架适应煤层厚度的范围由0.6米到5米,也以至更厚的煤层,适应煤层倾角由0到45,甚至70左右。在缓倾斜薄及中后煤层中,液压支架已获得广泛的应用,但是由于煤层赋存条件复杂,支架的结构还不够完善,设备需要管理和操作经验,所以液压支架的使用范围仍受到限制。为了改进支架的支护性能,提高它
4、对不同矿山地质条件的适应性,扩大使用范围,延长使用寿命,目前液压支架有下列几方面的发展动向:1).大力发展掩护式和支撑掩护式支架,对其它形式的支架,应用逐渐减少。1976年国际采矿设备展览会展出的89种液压支架中,有80是掩护式支架,这些支架的主要特点是:采用四连杆机构,使梁端和煤壁之间的距离基本保持恒定;支柱支在顶梁上,提高了支架的工作阻力;顶梁和掩护梁铰接,取消了两者间易被矸石堵赛的三角区;掩护梁和顶梁的主梁部分均装设侧护板,提高了支架的防护能力;采用整体自移式,便于支架操作和实现自动控制。2).液压支架的进一步发展,是着重解决扩大使用范围的问题。目前,各国正在研制大倾角、大采高、大截深和
5、薄煤层支架,并使支架和采煤机更好地配合。近几年来,国外正在研制一次截深1.5米左右或一次采高5.5米的液压支架。同时,为扩大支架适应的高度范围,广泛采用双伸缩式支柱。3).采用高压乳化液泵,以提高支架的初撑力,很多国家使用的泵站压力已达到300公斤/厘米2以上。4).为了简化支架管路系统和便于安全操作,开始采用“多芯管”先导式邻架控制的操纵方式。5).为加快支架移设速度,进一步改善操纵条件,支架控制正在向自动控制方向发展。目前,分组程序已开始使用,全工作面的自动控制还处在研究阶段。6).液压支架结构设计的方向:轻型化、标准化、材质强化、高压化。1.4我国液压支架与国外液压支架的差距及今后的发展
6、趋势我国液压支架经过30多年的发展,尽管取得了显著成绩,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差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几,但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,所以钢材的耐压能力一般为16MPa,最好的屈服极限才700MPa,液压系统压力在35MPa以下,流量在200L/min以内,供液管直径2532mm,回液管直径2550mm,最快移架速度为1012s/架,工作阻力更是相对较低。我国科学工作者经过30多年的发展和努力,液压支架的
7、设计、制造水平在不断提高,特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验,架型已基本趋于成熟、完善,在品种和质量方面与国际先进水平相比,差距越来越小。但在控制元件和控制系统方面,与先进国家的产品相比还有较大的差距。所以,今后除硬继续针对我国国情的煤层具体条件,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支架的工作可靠性方面下功夫。今后,我国的液压支架的设计将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快和电液控制阀的方向发展,对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架里,尽量采用整体可靠推杆 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/m
8、in的高压大流量乳化泵站,以适应快速移架的需要;系统采用环形或双向供液,以保证支架有足够的压力达到初撑力,以保证支架接顶位置准确。两柱掩护式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。第二章 回采工作面的支护设备2.1 支护设备的用途和种类在回采工作面中。为了保护工作面内机器和人员的安全生产,要对顶板进行支撑和管理,以防止工作面空间的顶板冒落。回采工作面的使用的支护设备有金属摩擦支柱、单体液压支架和自移式液压支架。他们与采煤机和工作面的输送机分别组成“普采”、“高档普采”和“综采”设备。由于使用金属摩擦支柱劳动强度大、安全行差、工作面产量低,现已很少使
9、用。单体液压支柱与铰接顶梁配套使用。由于单体液压支柱是用高压液体进行升柱和支撑,减轻了工人的劳动强度,增加了工作面的安全性,工作面的产量和效率有了一定的提高。但是由于单体液压支柱支撤和移动仍靠人工进行操作,所以劳动强度仍然较大,安全性仍然较差,工作面的产量和效率的提高受到限制。液压支架是以高压液体为动力,有金属构件和若干液压元件组成。它使支架的支撑、切顶、移架和输送机等工序全部实现了机械化。因而大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度,有效的增加了劳动的安全性,使工作面的产量和效率得到了很大的提高,并为工作面的自动化创造了条件。但液压支架对煤层的地质要求很高,初期投资较大。2.2
10、回采工作面顶板的组成及其分类顶板的组成回采工作面的顶板,根据岩层和煤层的相对位置及其特征,可以分为一下三中;伪顶:直接位于煤层的上方,是极易垮落的一层岩石。它通常是炭质岩和泥质岩,厚度一般不大于0.30.5m,经常随采随冒。有些煤层不出现伪顶。伪顶对支护设备的使用一般呜影响。直接顶:是位于伪顶或直接位于煤层上方的的一层或几层岩层,厚度一般不大,不很坚硬,常由泥质岩页岩等组成。一般随回柱或移架而冒落。直接顶的稳定性对支护方式以及架行选择有决定性的影响。老顶:是位于直接顶之上厚而坚实节理裂隙和层里都不发育的整体岩层。通常由石灰岩或沙砾岩等构成。老顶长能在采空去维持很大悬露面积而不随直接顶一起垮落,
11、其垮落步距的长短对支护设备的载荷大小有决定性影响。2 顶板分类1.直接顶分类我国将缓倾煤层回采工作面的直接顶分为四类。不稳定顶板即破碎顶板;很容易冒落,冒落能基本充满采空区。泥质页岩再生顶板等属于这一类。中等稳定顶板,这累顶板强度较高,但有大量的节理缝隙,局部较完整,厚度不大,冒落后不能充满采空区,一般支护设备前移后随即冒落。页岩,粉砂岩等直接顶属于这一类顶板。稳定顶板即完整顶板:不易发生局部冒落,砂岩顶板坚硬的砂岩属于这类顶板。4 坚硬顶板:极难冒落的砂岩坚硬砂质页岩等属于这类顶板。1.老顶分级老顶根据周期来压明显与否分为四级:级顶板,周期来压不明显;级顶板,周期来压明显;级顶板,周期来压强
12、烈;级顶板,周期来压极其强烈。老顶来压越不明显,作用于支架上的载荷就越小,而且稳定。反之,周期来压越强烈,作用于支护设备上的载荷就越大,且有冲击。2.3 液压支架的组成液压支架是综采工作面支护设备,它的主要作用是支护采场顶板,维护安全作业空间,推移工作面采运设备。液压支架的种类很多,但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点,“一般分为三大类,即支撑式、掩护式(图2-1)和支撑掩护式(图2-2)根据支架各部件的功能和作用,其组成可分为4个部分: (1) 承载结构件,如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。(2) 液压油缸,包括立柱和各类千斤顶。其主要功能
13、是实现支架的各种动作,产生液压动力。(3) 控制元部件,包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀,以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。图2-1 掩护式液压支架结构 图2-2 支撑掩护式液压支架结构(4) 辅助装置,如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。2.4 液压支架的分类按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分,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
14、工作面所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分,可分为三种基本类型,即:支撑式、掩护式和支撑掩护式。1 支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型,按其结构和动作方式的不同,支撑式支架又分为垛式支架(图2-3a)和节式支架(图2-3b)两种结构型式。垛式支架每架为一整体,与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由个框节组成,移架时,各节之间互为支点交替前移,输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差,现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是:顶梁较长,其长度多在左右;立柱多,一般是根,且垂直支撑;支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支
15、架的支护性能是:支撑力大,且作用点在支架中后部,故切顶性能好;对顶板重复支撑的次数多,容易把本来完整的顶板压碎;抗水平载荷的能力差,稳定性差;护矸能力差,矸石易窜入工作空间;支架的的工作空间和通风断面大。由上可知,支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压,且水平力小的条件。(a) (b) 图2-3支撑式支架结构形式 垛式支架 节式支架2 掩护式支架(如图2-1)其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。它的结构特点是:有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间,其掩护梁的上端与顶梁铰接,下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和
16、掩护梁形成四连杆机构,以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少,除少数掩护式支架1根立柱外,一般都是一排2根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置,以增加支架的调高范围,支架的两侧有活动侧护板,可以把架间密封。通常顶梁较短,一般为左右。掩护式支架的支护性能是:支撑力较小,切顶性能差,但由于顶梁短,支撑力集中在靠近煤壁的顶板上,所以支护强度较大、且均匀,掩护性好,能承受较大的水平推力,对顶板反复支撑的次数少,能带压移架。但由于顶梁短,立柱倾斜布置,故作业空间和通风断面小。由上可知,掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯
17、含量少的破碎顶板条件。3 支撑掩护式支架(如图2-2)其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此,它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能,可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是:支撑力大,切顶性能强,防护性能好,通风断面大,稳定性好,应用范围广。它的缺点是:结构复杂,成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排,立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常,两排立柱都是直接支撑在顶梁上,个别情况下,也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。4 特种液压支架特种液压支架是为了
18、满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架,在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。2.5 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2-4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
19、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,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。图2-4 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 操纵阀支架的支撑力与时间曲线,称为支架的工作特性曲线,如图2-5所示:支架立柱工作时,其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段-初撑阶段; -增阻阶段; -恒阻阶段;-初撑力;-工作阻力(1)初撑阶段支架在升柱时,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
20、动卸载,支架的夜控单向阀关闭,立柱下腔压力达到初撑力,此阶段为初撑阶段,此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为 (2-1) 图2-5 支架的工作特性曲线式中 -支架立柱的缸径,;-泵站的工作压力,;-支架立柱的数量。由上式可知,支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力,立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力,以免立柱的缸径过大。(2)承载增阻阶段支架初撑后,随顶板下沉,立柱下腔压力增加,直到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。(
21、3)恒阻阶段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压力调正值时,安全阀打开而溢流,立柱下缩,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之后,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。此时支架对顶板的支撑力称为工作阻力,它是由支架安全阀的调定压力决定的。支撑式支架的工作组力为 (2-2)式中 -支架安全阀的调定压力 ;支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力。对于掩护式和支撑掩护式支架,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。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
22、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,常用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 (2-3)式中: 支架的支护面积,2.6 液压支架的支护方式综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。 3个工序的不同组合顺序,可形成液压支架的3种支护方式,从而决定工作面“三机”的不同配套关系。1 即时支护般循环方式为:割煤一移架一推溜,工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是,顶板暴露时间短,梁端距较小。适用于各种顶板条件,是目前应用最广泛的支护方式。2 滞后支护一般循环方式为:割煤一推溜一移架。滞后支护的特点是,支护滞后时间较长,梁端距大,
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